Sujet de thèse IFSTTAR

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Fiche détaillée :

Titre : Formulation de matériaux à liant minéral pour une construction soutenable : apport de l’intelligence artificielle à une optimisation multicritère

Laboratoire principal - Référent principal MCD  -  SALEM Thouraya

Directeur du laboratoire principal FEN-CHONG Teddy  -

Spécialité de la thèse Génie Civil ; Science des Matériaux ; Science des Données

Axe 2 - COP2017 - Améliorer l'efficience et la résilience des infrastructures

Site principal Marne-la-Vallée

Etablissement d'inscription UNIVERSITE GUSTAVE EIFFEL

Ecole doctorale SCIENCES, INGENIERIE ET ENVIRONNEMENT (SIE)

Directeur de thèse prévu FEN-CHONG Teddy  -  Université Gustave Eiffel  -  MCD

Type de financement prévu Contrat doctoral  - Université Gustave Eiffel

Résumé

Le secteur du bâtiment est un levier clé pour réduire les émissions des Gaz à Effet de Serre (GES) et aussi atteindre les objectifs de la France en matière de climat : atteinte de la neutralité carbone à l’horizon 2050 et de la réduction d’émissions de GES d'au moins 55 % par rapport à 1990 (tous secteurs confondus) d’ici 2030 [1-2]. Les bâtiments sont en effet responsables de 36 % des GES dans l’Union Européenne (UE) et 28 % en France liées à leur consommation d’énergie estimée à 40% d’énergie de l’UE [3]. De plus, la construction est un secteur à la fois consommateur de quantités énormes de matériaux et générateur d’importantes quantités de déchets (bétons, bois, verres, terres excavées…). Les déchets de ce secteur constituent en volume, le déchet le plus largement produit dans l’UE représentant 30 % des déchets générés. Le recyclage et la réutilisation de ces déchets permettrait de réduire à la fois les coûts de la construction et son impact environnemental (matières premières et production des matériaux [4]). Par ailleurs, d’autres secteurs tels que l’agriculture peuvent être sources de matériaux alternatifs pour la construction (granulats végétaux, cendres issues de la biomasse, fibres végétales). En plus du stockage du carbone biogénique, en raison de leur porosité et perméabilité, ces matériaux sont envisagés comme régulateurs passifs de l’hygrométrie à l’intérieur des habitations et/ou isolants thermiques et acoustiques [5-8]. Leur utilisation accrue figure ainsi parmi les orientations de la Stratégie Nationale Bas-Carbone (SNBC) - feuille de route de la France pour lutter contre le changement climatique [9].

Conjugué aux nouvelles règlementations environnementales telles que (i) la réglementation environnementale RE2020 imposant lors de la conception d’un bâtiment, d’évaluer son empreinte carbone en analyse du cycle de vie, incluant de fait les émissions indirectes liées notamment aux matériaux utilisés dans la construction et (ii) la loi Anti-Gaspillage pour une Économie Circulaire (AGEC), l’utilisation des matériaux alternatifs biosourcés et/ou issus du recyclage dans la construction suscite un intérêt croissant [10-13]. Plusieurs types de matériaux alternatifs ont fait l’objet de recherches pour être intégrés dans les mortiers et bétons en substitution partielle ou totale aux granulats, au ciment, ou en tant que fillers ou fibres [14-17]. Ces travaux ont montré leur potentiel d’utilisation pour une construction soutenable par la réduction (i) du prélèvement des ressources naturelles non renouvelables, (ii) de la mise en décharge, l’enfouissement et l’incinération, (iii) des émissions de GES, etc.

Dans la littérature, la formulation et l’optimisation de mortiers et bétons à base de matériaux alternatifs pour la structure et l’isolation est basée sur des approches expérimentales et/ou sur des modèles numériques (de régressions linéaires et non linéaires, ou encore basés sur des arguments physico-chimiques et/ou multi-échelles). Cependant, le développement par une approche expérimentale de mortiers et bétons répondant à différents cahiers de charges est chronophage et coûteux économiquement et environnementalement. La transposition des résultats obtenus par cette approche à d’autres matériaux alternatifs est aussi limitée en raison, entre autres, de la variabilité des facteurs d’influence [18-19]. De plus, l’optimisation des formulations implique souvent de trouver le dosage en constituants qui satisfasse un compromis entre des performances antagonistes comme l’ouvrabilité, la performances mécanique, l’isolation thermique, la durabilité, le coût, l’impact environnemental [19]. Par ailleurs, les modèles existants peuvent être insuffisants [20].

Les modèles d’intelligence artificielle ont été utilisés avec succès pour prédire les propriétés des bétons conventionnels et à base de matériaux alternatifs (sable de fonderie, sable et sédiments de dragage, fibres…) [20-22]. Ces modèles font l’objet d’une attention croissante en génie civil en raison de leur capacité de prédiction ainsi que leur adaptabilité à des données considérables sans nécessiter d’importantes ressources informatiques [18, 20]. Les propriétés prédites simultanément par ces modèles sont toutefois limitées à quelques propriétés à l’état frais (ouvrabilité) et à l’état durci (le plus souvent propriétés mécaniques) [19]. Le développement de modèle de prédiction permettant une optimisation multicritère sur la base d’un cahier des charges comprenant plusieurs propriétés est par conséquent nécessaire. Cette approche de formulation multi-objectif est adaptée aux matériaux multifonctionnels tels que les matériaux biosourcés et permettra de faciliter le développement de nouveaux matériaux pour une construction soutenable.

Ce projet de thèse vise ainsi à créer un outil numérique permettant la conception par intelligence artificielle de nouveaux matériaux de construction plus écologiques, économiques pour la ville durable. Les objectifs seront ainsi :
• d’avoir à disposition une base de données des performances des mortiers et bétons conventionnels et à base de matériaux alternatifs en fonction de la formulation ;
• de développer des outils de formulation utilisant des méthodes de modélisation et d'intelligence artificielle (méthodes de régression multivariées, deep learning…) et permettant de prédire (1) les performances du matériau à partir d'une formulation (problème direct) et (2) la formulation selon le cahier de charges (problème inverse).

Ce projet collaboratif entre des enseignants-chercheurs du laboratoire d’informatique Gaspard Monge (UMR 8049) et des chercheurs de l’UMR MCD permettra de consolider la synergie entre l’intelligence artificielle et les matériaux pour une construction soutenable à l’Université Gustave Eiffel. Il s’inscrira dans la poursuite d’un stage M2.

Références bibliographiques :
[1] Haut conseil pour le climat (2020). RÉNOVER MIEUX : LEÇONS D’EUROPE.
[2] Zangheri, P. et Al., Progress of the Member States in implementing the Energy Performance of Building Directive, Publications Office of the European Union, Luxembourg, 2021.
[3] European Commission (2021). European Construction Sector Observatory Renovating the building envelope – Quo vadis?, Trend Paper Series.
[4] European Commission (2019). European Construction Sector Observatory, EU construction sector: in transition towards a circular economy, Trend Paper Series.
[5] State-of-the-Art Report of the RILEM Technical Committee 236-BBM (2017). Sofiane Amziane, Florence Collet (Eds); Springer Dordrecht.
[6] Fabbri A., McGregor F. (2017). Construction and Building Materials 157.
[7] Alexandra Bourdot, Camille Magniont, Méryl Lagouin, César Niyigena, Philippe Evon, et al. Journal of Advanced Concrete Technology, Japan Concrete Institute, 2019, 17 (9).
[8] Salem T., Fois M., Omikrine-Metalssi O., Manuel R., Fen-Chong T. (2020). Construction and Building Materials 264.
[9] Ministère de la Transition Écologique (mars 2020). Stratégie Nationale Bas-Carbone : La transition écologique et solidaire vers la neutralité carbone – Synthèse.
[10] G. M. Cappucci, V. Ruffini, V. Barbieri, C. Siligardi, A. M. Ferrari. Journal of Cleaner Production 349 (2022) 131437.
[11] Joe Tannous, Thouraya Salem, Othman Omikrine-Metalssi, Sandrine Marceau, Teddy Fen- Chong (2022). Construction and Building Materials, 346.
[12] M.P. Sáez-Pérez, Professor, M. Brümmer, J.A. Durán-Suárez. Journal of Building Engineering 31 (2020).
[13] Abbas M. S., McGregor F., Fabbri A., Ferroukhi M. Y. (2020). Construction and Building Materials 259, 120573.
[14] D. Shehadeh, T. Salem, O. Bouchenafa, C. Florence. 40èmes Rencontre Universitaire de Génie Civil, Academic Journal of Civil Engineering 40(1).
[15] H. Beddaa, I. Ouazi, A. Ben Fraj, F. Lavergne, J.M. Torrenti. Journal of Cleaner Production 265 (2020).
[16] Herinjaka Haga Ratsimbazafy, Aurélie Laborel-Préneron, Camille Magniont, Philippe Evon. Recent Progress in Materials 2021; 3(2).
[17] Kim Hung Mo, U. Johnson Alengaram, Mohd Zamin Jumaat, Soon Poh Yap, Siew Cheng Lee. Journal of Cleaner Production 117 (2016).
[18] Huaguo Chen, Jianjun Yang, Xinhong Chen. Construction and Building Materials 313 (2021).
[19] M.A. DeRousseau, J.R. Kasprzyk, W.V. Srubar III. Cement and Concrete Research 109 (2018).
[20] Junfei Zhang, Dong Li, Yuhang Wang. Journal of Building Engineering 30 (2020).
[21] S. Abdelfeteh. Thèse de doctorat, Université de Lille, 2016.
[22] L. Bal. Thèse de doctorat, Université de Lille, 2009.

Mots-clefs: Formulation, matériaux biosourcés et/ou issus du recyclage et/ou du réemploi, mortiers, bétons, construction soutenable, intelligence artificielle

Laboratoire principal - Référent principal	MCD - SALEM Thouraya
Directeur du laboratoire principal	FEN-CHONG Teddy -
Spécialité de la thèse	Génie Civil ; Science des Matériaux ; Science des Données
Axe	2 - COP2017 - Améliorer l'efficience et la résilience des infrastructures
Site principal	Marne-la-Vallée
Etablissement d'inscription	UNIVERSITE GUSTAVE EIFFEL
Ecole doctorale	SCIENCES, INGENIERIE ET ENVIRONNEMENT (SIE)
Directeur de thèse prévu	FEN-CHONG Teddy - Université Gustave Eiffel - MCD
Type de financement prévu	Contrat doctoral - Université Gustave Eiffel
Résumé Le secteur du bâtiment est un levier clé pour réduire les émissions des Gaz à Effet de Serre (GES) et aussi atteindre les objectifs de la France en matière de climat : atteinte de la neutralité carbone à l’horizon 2050 et de la réduction d’émissions de GES d'au moins 55 % par rapport à 1990 (tous secteurs confondus) d’ici 2030 [1-2]. Les bâtiments sont en effet responsables de 36 % des GES dans l’Union Européenne (UE) et 28 % en France liées à leur consommation d’énergie estimée à 40% d’énergie de l’UE [3]. De plus, la construction est un secteur à la fois consommateur de quantités énormes de matériaux et générateur d’importantes quantités de déchets (bétons, bois, verres, terres excavées…). Les déchets de ce secteur constituent en volume, le déchet le plus largement produit dans l’UE représentant 30 % des déchets générés. Le recyclage et la réutilisation de ces déchets permettrait de réduire à la fois les coûts de la construction et son impact environnemental (matières premières et production des matériaux [4]). Par ailleurs, d’autres secteurs tels que l’agriculture peuvent être sources de matériaux alternatifs pour la construction (granulats végétaux, cendres issues de la biomasse, fibres végétales). En plus du stockage du carbone biogénique, en raison de leur porosité et perméabilité, ces matériaux sont envisagés comme régulateurs passifs de l’hygrométrie à l’intérieur des habitations et/ou isolants thermiques et acoustiques [5-8]. Leur utilisation accrue figure ainsi parmi les orientations de la Stratégie Nationale Bas-Carbone (SNBC) - feuille de route de la France pour lutter contre le changement climatique [9]. Conjugué aux nouvelles règlementations environnementales telles que (i) la réglementation environnementale RE2020 imposant lors de la conception d’un bâtiment, d’évaluer son empreinte carbone en analyse du cycle de vie, incluant de fait les émissions indirectes liées notamment aux matériaux utilisés dans la construction et (ii) la loi Anti-Gaspillage pour une Économie Circulaire (AGEC), l’utilisation des matériaux alternatifs biosourcés et/ou issus du recyclage dans la construction suscite un intérêt croissant [10-13]. Plusieurs types de matériaux alternatifs ont fait l’objet de recherches pour être intégrés dans les mortiers et bétons en substitution partielle ou totale aux granulats, au ciment, ou en tant que fillers ou fibres [14-17]. Ces travaux ont montré leur potentiel d’utilisation pour une construction soutenable par la réduction (i) du prélèvement des ressources naturelles non renouvelables, (ii) de la mise en décharge, l’enfouissement et l’incinération, (iii) des émissions de GES, etc. Dans la littérature, la formulation et l’optimisation de mortiers et bétons à base de matériaux alternatifs pour la structure et l’isolation est basée sur des approches expérimentales et/ou sur des modèles numériques (de régressions linéaires et non linéaires, ou encore basés sur des arguments physico-chimiques et/ou multi-échelles). Cependant, le développement par une approche expérimentale de mortiers et bétons répondant à différents cahiers de charges est chronophage et coûteux économiquement et environnementalement. La transposition des résultats obtenus par cette approche à d’autres matériaux alternatifs est aussi limitée en raison, entre autres, de la variabilité des facteurs d’influence [18-19]. De plus, l’optimisation des formulations implique souvent de trouver le dosage en constituants qui satisfasse un compromis entre des performances antagonistes comme l’ouvrabilité, la performances mécanique, l’isolation thermique, la durabilité, le coût, l’impact environnemental [19]. Par ailleurs, les modèles existants peuvent être insuffisants [20]. Les modèles d’intelligence artificielle ont été utilisés avec succès pour prédire les propriétés des bétons conventionnels et à base de matériaux alternatifs (sable de fonderie, sable et sédiments de dragage, fibres…) [20-22]. Ces modèles font l’objet d’une attention croissante en génie civil en raison de leur capacité de prédiction ainsi que leur adaptabilité à des données considérables sans nécessiter d’importantes ressources informatiques [18, 20]. Les propriétés prédites simultanément par ces modèles sont toutefois limitées à quelques propriétés à l’état frais (ouvrabilité) et à l’état durci (le plus souvent propriétés mécaniques) [19]. Le développement de modèle de prédiction permettant une optimisation multicritère sur la base d’un cahier des charges comprenant plusieurs propriétés est par conséquent nécessaire. Cette approche de formulation multi-objectif est adaptée aux matériaux multifonctionnels tels que les matériaux biosourcés et permettra de faciliter le développement de nouveaux matériaux pour une construction soutenable. Ce projet de thèse vise ainsi à créer un outil numérique permettant la conception par intelligence artificielle de nouveaux matériaux de construction plus écologiques, économiques pour la ville durable. Les objectifs seront ainsi : • d’avoir à disposition une base de données des performances des mortiers et bétons conventionnels et à base de matériaux alternatifs en fonction de la formulation ; • de développer des outils de formulation utilisant des méthodes de modélisation et d'intelligence artificielle (méthodes de régression multivariées, deep learning…) et permettant de prédire (1) les performances du matériau à partir d'une formulation (problème direct) et (2) la formulation selon le cahier de charges (problème inverse). Ce projet collaboratif entre des enseignants-chercheurs du laboratoire d’informatique Gaspard Monge (UMR 8049) et des chercheurs de l’UMR MCD permettra de consolider la synergie entre l’intelligence artificielle et les matériaux pour une construction soutenable à l’Université Gustave Eiffel. Il s’inscrira dans la poursuite d’un stage M2. Références bibliographiques : [1] Haut conseil pour le climat (2020). RÉNOVER MIEUX : LEÇONS D’EUROPE. [2] Zangheri, P. et Al., Progress of the Member States in implementing the Energy Performance of Building Directive, Publications Office of the European Union, Luxembourg, 2021. [3] European Commission (2021). European Construction Sector Observatory Renovating the building envelope – Quo vadis?, Trend Paper Series. [4] European Commission (2019). European Construction Sector Observatory, EU construction sector: in transition towards a circular economy, Trend Paper Series. [5] State-of-the-Art Report of the RILEM Technical Committee 236-BBM (2017). Sofiane Amziane, Florence Collet (Eds); Springer Dordrecht. [6] Fabbri A., McGregor F. (2017). Construction and Building Materials 157. [7] Alexandra Bourdot, Camille Magniont, Méryl Lagouin, César Niyigena, Philippe Evon, et al. Journal of Advanced Concrete Technology, Japan Concrete Institute, 2019, 17 (9). [8] Salem T., Fois M., Omikrine-Metalssi O., Manuel R., Fen-Chong T. (2020). Construction and Building Materials 264. [9] Ministère de la Transition Écologique (mars 2020). Stratégie Nationale Bas-Carbone : La transition écologique et solidaire vers la neutralité carbone – Synthèse. [10] G. M. Cappucci, V. Ruffini, V. Barbieri, C. Siligardi, A. M. Ferrari. Journal of Cleaner Production 349 (2022) 131437. [11] Joe Tannous, Thouraya Salem, Othman Omikrine-Metalssi, Sandrine Marceau, Teddy Fen- Chong (2022). Construction and Building Materials, 346. [12] M.P. Sáez-Pérez, Professor, M. Brümmer, J.A. Durán-Suárez. Journal of Building Engineering 31 (2020). [13] Abbas M. S., McGregor F., Fabbri A., Ferroukhi M. Y. (2020). Construction and Building Materials 259, 120573. [14] D. Shehadeh, T. Salem, O. Bouchenafa, C. Florence. 40èmes Rencontre Universitaire de Génie Civil, Academic Journal of Civil Engineering 40(1). [15] H. Beddaa, I. Ouazi, A. Ben Fraj, F. Lavergne, J.M. Torrenti. Journal of Cleaner Production 265 (2020). [16] Herinjaka Haga Ratsimbazafy, Aurélie Laborel-Préneron, Camille Magniont, Philippe Evon. Recent Progress in Materials 2021; 3(2). [17] Kim Hung Mo, U. Johnson Alengaram, Mohd Zamin Jumaat, Soon Poh Yap, Siew Cheng Lee. Journal of Cleaner Production 117 (2016). [18] Huaguo Chen, Jianjun Yang, Xinhong Chen. Construction and Building Materials 313 (2021). [19] M.A. DeRousseau, J.R. Kasprzyk, W.V. Srubar III. Cement and Concrete Research 109 (2018). [20] Junfei Zhang, Dong Li, Yuhang Wang. Journal of Building Engineering 30 (2020). [21] S. Abdelfeteh. Thèse de doctorat, Université de Lille, 2016. [22] L. Bal. Thèse de doctorat, Université de Lille, 2009.
Mots-clefs:	Formulation, matériaux biosourcés et/ou issus du recyclage et/ou du réemploi, mortiers, bétons, construction soutenable, intelligence artificielle

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