Conception des bâtiments assurant leur réversibilité, leur déconstruction et leur réemploi, méthodologie de suivi et évaluation environnementale sur les cycles de vie

Design of buildings ensuring their reversibility, deconstruction and reuse, monitoring methodology life cycle environmental assessment and monitoring methodology

• Auteur / Autrice : Ingrid Bertin
• Direction : Robert Le Roy, Adélaïde Feraille
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Structures et Matériaux
• Date : Soutenance le 08/12/2020
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Matériaux et structures architecturés
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Navier (Paris-Est)
• Jury : Président / Présidente : Farid Benboudjema
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Farid Benboudjema, Guillaume Habert, Myriam Saadé, Nadia Sallé-Hoyet, Isabelle Moulin, Jean-Marc Jaeger
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Guillaume Habert

Mots clés

Mots clés contrôlés

Analyse du cycle de vie

Modélisation des données du bâtiment

Matériaux

Mots clés libres

Réemploi

Matériaux

Analyse de cycle de vie

Traçabilité. BIM

Structure

Déconstruction. réversibilité

Reuse

Traceability. BIM

Structure

Deconstruction. reversibility

Materials

Life cycle assessment

Résumé

Dans un contexte de pression environnementale intense où le secteur de la construction dans le monde a le plus grand impact sur plusieurs indicateurs, le réemploi des éléments porteurs est le plus prometteur pour éviter significativement la production de déchets, préserver les ressources naturelles et réduire les émissions de gaz à effet de serre par la diminution de l'énergie grise. Cette thèse porte donc sur trois principaux axes de recherches : 1. l’amélioration de la conception structurale par des typologies favorables en définissant le DfReu (Design for Reuse) afin d’anticiper la mise en œuvre d’éléments porteurs (verticaux et horizontaux) démontables et réemployables en fin de vie, d’allonger leur durée de vie, in fine en augmentant le stock d’éléments disponibles au réemploi 2. le développement d’une méthodologie pour la mise en place d’une traçabilité renforcée et pérenne autour d’une banque de matériaux et du BIM afin de disposer de toutes les caractéristiques, notamment physico-mécaniques, des éléments porteurs et de faciliter les processus de réemploi et l’engagement d’une nouvelle responsabilité pour l’ingénieur réemployeur 3. L’identification des paramètres clés influençant les impacts environnementaux propres au réemploi et le développement d’analyses de sensibilité, permettant une meilleure compréhension des conséquences de ce processus et de sa prise en compte lors de la conception, appuyant l’aide à la décision. Une expérimentation fondée sur des portiques démonstrateurs en béton armé a permis de corroborer ces trois axes en générant des données manquantes dans la littérature. Cette analyse pratique de l’assemblage poteau-poutre a produit des données techniques sur le comportement structural après réemploi, mais aussi des données environnementales de mise en œuvre et déconstruction. Ce travail propose alors une méthodologie fondée sur une chaîne d'outils pour permettre aux ingénieurs de concevoir des assemblages réversibles au sein d’une structure réemployable, de pérenniser les informations nécessaires dans la maquette BIM doublées d’une traçabilité physique, de mettre en place une banque de matériaux et d’optimiser la conception à partir d’un stock d’éléments porteurs. L’étude distingue ainsi la "conception avec un stock" qui vise à intégrer le plus grand nombre possible d'éléments disponibles, de la "conception à partir d'un stock" qui conduit au réemploi de 100% des éléments et propose ainsi un nouveau paradigme pour le concepteur. Parallèlement, les impacts environnementaux du processus de réemploi sont étudiés à partir d’une analyse du cycle de vie (ACV). Une analyse de sensibilité déclinant, entre autres, le nombre d’usages et la durée de vie, en comparaison de constructions neuves équivalentes, permet de mieux appréhender les domaines d'intérêt du DfReu. La prise en compte de critères spécifiques à l’économie circulaire dans le bâtiment complète la définition des critères de réemployabilité. L’étude environnementale montre finalement dans quelles conditions le réemploi diminue l’impact d’un bâtiment, et identifie les paramètres clés. Les résultats obtenus s’adressent en premier lieu aux ingénieurs structure mais plus largement aux concepteurs membres de la maîtrise d’œuvre : architectes, ingénieurs et bureaux d’études spécialisés en environnement, afin de proposer et d’inciter l’étude de variantes anticipant la réemployabilité des bâtiments nouvellement conçus. Les résultats sont, par extension, également exploitables dans les projets intervenant sur l’existant.

In a context of strong environmental pressure in which the construction sector has the greatestimpact, the reuse of the load-bearing elements is the most promising as it significantly avoidswaste production, preserves natural resources and reduces greenhouse gas emissions by cuttingdown on embodied energy.This thesis consequently covers three main areas of research:1. Improvement of structural design through expedient typologies by defining the DfReu(Design for Reuse) in order to anticipate the use of load-bearing elements (vertical andhorizontal), that can be dismantled and reused at the end of their service life to extendtheir lifespan, ultimately increasing the stock of available elements for reuse.2. Development of a methodology for the implementation of a reinforced and long-lastingtraceability centered on a materials bank with the use of BIM in order to secure all thecharacteristics, in particular physico-mechanical, of the load-bearing elements and tofacilitate the reuse processes as well as the commitment of a new responsibility for thereuse engineer.3. Identification of the key parameters influencing the environmental impacts of reuse anddevelopment of sensitivity study, allowing a better comprehension of the consequencesof this process and its consideration in design to support to decision making.An experiment based on reinforced concrete demonstration portals frames has enabledcorroboration of these three lines of research by generating missing data in literature. Thispractical analysis of column-beam assembly has generated technical data on the structuralbehavior after reuse, but also environmental data for implementation and deconstruction.This research offers subsequently a methodology based on a chain of tools to enable engineersto design reversible construction assemblies within a reusable structure, to secure the necessaryinformation in the BIM model coupled with physical traceability, to build a bank of materials andto enhance design through a stock of load-bearing elements. The study thus distinguishes"design with a stock" which aims to combine as many available elements as possible, from"design from a stock" which leads to the reuse of 100% of the elements and thus presents a newparadigm for the designer.At the same time, the environmental impacts of the reuse process are studied using a life cycleassessment (LCA). A sensitivity study, based among other things on the number of uses and thelifespan, in comparison to equivalent new constructions, provides a better understanding of theareas of interest of the DfReu. Consideration of criteria specific to the circular economy inbuildings completes the definition of reuse criteria. In the end, environmental studies establishunder which conditions reuse reduces the impact of a building and identify the key parameters.The results obtained are primarily intended for structural engineers but more broadly fordesigners part of the project management: architects, engineers and environmental designoffices, in order to offer and encourage the study of variants anticipating the reusability of newlydesigned buildings. By extension, the results can also be used in projects involving existingbuildings.