Performance environnementale dans la construction : cas d'étude de l'impression 3D béton. Modélisation et caractérisation des impacts. Application aux structures architecturées

Environmental performance in Construction : A case-study of 3D Concrete Printing Technology

• Auteur / Autrice : Kateryna Kuzmenko
• Direction : Adélaïde Feraille
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et Techniques de l'Environnement
• Date : Soutenance le 11/05/2021
• Etablissement(s) : Marne-la-vallée, ENPC
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Navier (Paris-Est)
• Jury : Président / Présidente : Richard Buswell
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Guillaume Habert, Corentin Fivet, Adélaïde Feraille, Nicolas Roussel, Charlotte Roux, Olivier Baverel, Nicolas Cochard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Guillaume Habert, Corentin Fivet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Béton

Architecture durable

Construction

Impression 3D

Analyse du cycle de vie

Mots clés libres

Analyse du cycle de vie

Impression 3D

Béton

Life Cycle Assessment

Construction automation

3D Concrete Printing

Concrete

Performance-Driven design

Résumé

Le développement actuel de la technologie d'impression 3D béton est principalement motivé par l’avènement de l’industrie de personnalisation de masses, ses promesses de productivité et de performance environnementale.Ce potentiel de la construction durable, basée sur la capacité du dépôt de matière rationnel via la fabrication additive, est étudiée dans le présent travail avec une méthode d'analyse du cycle de vie (ACV) appliquée à une technologie d'impression par extrusion.Le manuscrit commence par un panorama critique de la performance environnementale dans la construction, en la mettant dans la perspective du cycle de vie et en introduisant le cadre théorique de la méthode ACV. Ensuite, l'analyse environnementale de la technologie d'impression 3D béton est réalisée avec un accent particulier sur l’impact lié au procédé. Enfin, une série de cas d'études est évaluée à différentes échelles constructives : de la brique élémentaire du procédé de construction jusqu’au système architectural complet. En conclusion, certains aspects de déploiement de la pratique à l'échelle de l'industrie sont examinés à la lumière du phénomène de l'effet de rebond ; une discussion générale sur le développement durable de la pratique achève ce travail. Principalement, l'étude propose une caractérisation des impacts du matériau et du procédé permettant de calculer le bilan environnemental de tout objet imprimé. De plus, ces données environnementales peuvent être intégrées dans les études de conception et d'optimisation des éléments de construction. Les résultats des cas d’études soulignent une importance de l'impact lié au procédé, qui, malgré les économies de matériaux, entraîne d'importants transferts d'impact et de pollutions dans l'équilibre du cycle de vie d'un élément. Précisément, à l'échelle de base du procédé constructif, l'impact de 1m3 de béton imprimé est presque deux fois plus grand que celui de 1m3 de béton coulé. L'impact lié au procédé représente environ 13% dans la catégorie du Changement Climatique et peut varier considérablement en fonction de la configuration d’impression et du matériau. Les gains environnementaux à l'échelle d'une structure se sont avérés insignifiants dans le cadre des structures maçonnées, pour autant ils peuvent représenter presque 50% dans le cadre du béton armé. L'impact lié au procédé reste important mais peut être compensé par les économies de matière. Néanmoins, la quantité de matériau s'est montré d’être une métrique inappropriée pour la question environnementale dans la conception des structures. Enfin, l'intégration de la structure imprimée dans le système architectural complet de l'enveloppe a démontré un potentiel de réduction d'impact d'environ 20% dans la catégorie du Changement Climatique. Concernant le déploiement global de la pratique, des études complémentaires quantifiant l'ampleur de l'effet rebond sont nécessaires afin de comprendre le profil environnemental de la technologie d'impression 3D béton à l'échelle de l'industrie. Globalement, la technologie d'impression 3D béton en particulier et l'automatisation de la construction en général montrent une réelle capacité d’amélioration environnementale des systèmes structurels et architecturaux.

The ongoing development of 3D Concrete Printing technology is broadly associated with the boons of mass-customization industry, with the potential of productivity, time and cost optimization, as well as with the sustainable potential of the practice, leaning on a largely discussed capacity of the smart and rational material deposition offered by additive manufacturing. This latter is investigated in the present work by the means of the Life-Cycle Assessment (LCA) method applied to an extrusion-based printing technology built upon the 6-axis robotic arm.The manuscript begins with a critical review of environmental performance in construction, putting it into life-cycle perspective and introducing the theoretical framework of the LCA discipline. Then, the environmental analysis of 3D Concrete Printing technology is accomplished with a particular focus on its process-related impact. Finally, a series of case-studies is evaluated on different constructive scales: from the elementary brick of a construction procedure to the full-bodied architectural system. In closing, some aspects of the industry-wide deployment of the practice are outlooked in light of the rebound effect phenomenon. A general discussion on the sustainable development of the practice concludes this work.Mainly, the study puts forward the environmental characterization of material and process-related impacts allowing to calculate the environmental impact of any printed object. Furtherly, those environmental data can be integrated into the design and optimization studies of building elements. The outcomes of the case studies point out a fair significance of the process-related impact, that despite the material savings, prompts some important impact transfers and pollution shifts into the life-cycle balance of a concrete element.Precisely, on the basic scale of the construction procedure, the impact of the 1m3 of printed concrete is almost twice bigger than the impact of 1m3 of casted concrete. The process-related impact represents around 13% in Climate Change category and can vary significantly in function of the process and material settings.The environmental gains on the scale of a structure were shown to be insignificant in the masonry framework but go up to 50% in the reinforced concrete perspective. The process-related impact remains significant but can be compensated by the material savings if properly taken into account during the design phase. Worth noting, the material quantity was shown to be an inappropriate metrics for environmental question in structural design.The integration of the optimized 3D Concrete Printed structure into the full-bodied architectural system of building envelope has demonstrated the impact reduction potential of around 20% in Climate Change category. Finally, regarding the global deployment of the practice, the further studies quantifying the magnitude of the rebound effect are necessary in order to understand the industry-wide environmental profile of 3D Concrete Printing technology.In larger outline, the 3D Concrete Printing technology in particular and the construction automation in general has shown a real capacity for the overall environmental improvement of structural and architectural systems.