La médiathèque

Aujourd’hui, de nombreux environnements basés sur le Web, tels que les applications Web et les plateformes Web, fournissent leurs fonctions en tant que services RESTful, qui sont des ressources autonomes et auto-descriptives qui suivent le style architectural du REST (REpresentational State Transfer). Comme le Web est devenu un moyen de communication principal, intégrer des objets dans le Web (tels que les appareils intelligents) et exploiter ses technologies populaires, ont abouti au développement d’un nouveau concept : le Web des objets (ou Web of Things (WoT) en Anglais). Dans le WoT, les objets exposent leurs fonctions en tant que ressources respectant également les principes de REST. Chaque ressource fournit des fonctions qui répondent à des demandes spécifiques des utilisateurs. Mais, parfois, une seule ressource ne suffit pas pour répondre à certaines demandes et, souvent, la combinaison de plusieurs ressources, formant une composition de ressources, permet d’obtenir le résultat souhaité. Néanmoins, il existe plusieurs défis à relever lors de la composition de ressources. Dans cette thèse, nous faisons face à trois défis. Le premier consiste à vérifier le bon comportement des compositions statiques, où les ressources sont sélectionnées et liées manuellement par l’utilisateur, vu que plusieurs erreurs de conception peuvent survenir, telles que des boucles produites empêchant d’autres ressources de s’exécuter et la non correspondance entre les type de données des entrées/sorties des ressources liées. Les deux autres défis sont liés aux environnements Web hybrides fournissant des ressources : (i) dynamiques (connectées/déconnectées de l’environnement à différents instants) et (ii) statiques (établies pour être toujours disponibles). Dans ce cas, les défis portent respectivement sur la découverte automatique des ressources, en tenant compte de la position des ressources (exposées par des objets), et sur la sélection automatique des ressources appropriées pour former des compositions répondant aux demandes de l’utilisateur.Pour faire face à ces différents défis, nous proposons tout d’abord un modèle formel basé sur les réseaux de Petri colorés (Colored Petri Nets (CPN) en Anglais) qui exprime le comportement des ressources et leur composition en CPN. Cela permet d’utiliser les propriétés de CPN pour vérifier le bon comportement des compositions statiques. Ensuite nous proposons une représentation graphique formelle liant les ressources statiques à celles dynamiques, permettant à des algorithmes de graphe, adaptés à explorer les descriptions sémantiques des ressources parcourues, de découvrir automatiquement les ressources requises. Le processus de la découverte utilise un schéma d’indexation défini pour identifier les ressources en fonction de leur position (si elles sont exposées par des objets) et améliorer la recherche dans des environnements Web connectant de nombreuses ressources. En ce qui concerne la sélection automatique des ressources, on présente un adaptateur de stratégie de sélection qui permet de sélectionner les ressources les plus appropriées parmi celles qui sont candidates, pour former plusieurs compositions ayant différentes alternatives d’implémentation, tenant compte de la qualité des ressources, du matching entre les entrées/sorties des ressources liées, ainsi que de leurs disponibilités. Nos contributions proposées sont génériques qui peuvent être appliquées dans des environnements Web appartenant à différents domaines d’applications métiers. Cependant, dans cette thèse, nos solutions sont illustrées dans le domaine des bâtiments intelligents, en s’appuyant sur des projets de gestion du comportement énergétique des bâtiments.

Les avancées récentes des Technologies de l’Information et de la Communication (TIC) ont entraîné des transformations radicales de plusieurs secteurs de l’industrie. L’adoption des technologies du Web Sémantique a démontré plusieurs avantages, surtout dans une application de Recherche d’Information (RI) : une meilleure représentation des données et des capacités de raisonnement sur celles-ci. Cependant, il existe encore peu d’applications industrielles car il reste encore des problèmes non résolus, tels que la représentation de documents hétérogènes interdépendants à travers des modèles de données sémantiques et la représentation des résultats de recherche accompagnés d’informations contextuelles.Dans cette thèse, nous abordons deux défis principaux. Le premier défi porte sur la représentation de la connaissance relative à un corpus de documents hétérogènes couvrant à la fois le contenu des documents fortement lié à un domaine métier ainsi que d’autres aspects liés à la structure de ces documents tels que leurs métadonnées, les relations inter et intra-documentaires (p. ex., les références entre documents ou parties de documents), etc. Le deuxième défi porte sur la construction des résultats de RI, à partir de ce corpus de documents hétérogènes, aidant les utilisateurs à mieux interpréter les informations pertinentes de leur recherche surtout quand il s’agit d’exploiter les relations inter/intra-documentaires.Pour faire face à ces défis, nous proposons tout d’abord une représentation sémantique du corpus de documents hétérogènes à travers un modèle de graphe sémantique couvrant à la fois les dimensions structurelle et métier du corpus. Ensuite, nous définissons une nouvelle structure de données pour les résultats de recherche, extraite à partir de ce graphe, qui incorpore les informations pertinentes directes ainsi qu’un contexte structurel et métier. Afin d’exploiter cette nouvelle structure dans un modèle de RI novateur, nous proposons une chaine de traitement automatique de la requête de l’utilisateur, allant du module d’interprétation de requête, aux modules de recherche, de classement et de présentation des résultats. Bien que nous proposions une chaine de traitement complète, nos contributions se focalisent sur les modules de recherche et de classement.Nous proposons une solution générique qui peut être appliquée dans différents domaines d’applications métiers. Cependant, dans cette thèse, les expérimentations ont été appliquées au domaine du Bâtiment et Travaux Publics (BTP), en s’appuyant sur des projets de construction.

Un des enjeux pour améliorer la qualité de l’air intérieur des bâtiments est d’adopter de bonnes pratiques, notamment en matière de sélection des matériaux lors des phases de conception. Pour cela, des outils d’aide à la décision/conception sont indispensables en support à ces bonnes pratiques pour atteindre une maîtrise globale de la qualité de l’air intérieur. Dans le domaine du bâtiment, il n’existe pas à ce jour d’outil opérationnel permettant d’estimer, en amont d’une construction, la qualité de l’air intérieur. Des travaux sont engagés sur ce thème mais ils se heurtent à un manque d’informations sur le comportement des matériaux lorsque ceux-ci sont associés et soumis à des conditions normales d’usage. Ces travaux de thèse avaient donc pour objectif d’évaluer le comportement de matériaux (source ou puits) vis-à-vis de la contamination aux composés organiques volatils (COV) et au formaldéhyde lorsqu’ils sont évalués seuls dans des conditions normalisées retenues pour l’étiquetage sanitaire, mais aussi lorsqu’ils sont mis en œuvre dans des projets de construction (impact du changement d’échelle et effet d’assemblage). La méthodologie développée a donc associé des essais à l’échelle du matériau et à l’échelle d’une pièce dans le but d’acquérir des données d’entrée à un modèle pour la prédiction des concentrations et l’évaluation des contributions respectives des différents processus (émissions primaires, échanges aux interfaces air/surfaces intérieures,…) à la contamination intérieure par les COV. Une première partie de ce travail a consisté à évaluer en laboratoire les échanges de COV et de formaldéhyde à l’interface matériau-air pour une sélection de matériaux de construction et de décoration. Les émissions primaires ont été déterminées selon la méthode normalisée ISO 16000-9 et par une méthode d’échantillonnage passif basée sur un couplage cellule d’émission/micro-extraction sur phase solide (SPME) (dispositif DOSEC-SPME) et l’effet de l’assemblage de matériaux et de composants sur la qualité de l’air intérieur a été étudié. Les constantes d’adsorption/désorption du formaldéhyde sur les matériaux sélectionnés ont ensuite été déterminées par une méthodologie innovante. Ces constantes, ainsi que les données d’émission, ont été rassemblées dans une base données pour servir de critères (ou indicateurs) pour la sélection de matériaux respectueux de la qualité de l’air intérieur (QAI). Dans une deuxième partie, les résultats obtenus en conditions de laboratoire ont été confrontés à ceux obtenus en conditions réelles à l’échelle d’une pièce dans le cadre d’une étude de plusieurs mois dans le but de mettre en évidence l’impact du changement d’échelle. La dernière partie de cette thèse a consisté à développer un modèle de prévision de la QAI intégrant les données d’adsorption/désorption préalablement déterminées. A terme, la base de données et le modèle ont vocation à constituer des outils de gestion pour orienter les choix en matière de matériaux, de configuration et d’usage d’un bâtiment dans l’optique d’une réduction à la source des émissions de COV dans l’air intérieur.

Ce travail est une contribution à l’évaluation environnementale des projets d’aménagements en phase amont de conception. Il porte plus spécifiquement sur l’intégration des questions de morphologie urbaine à l’analyse de cycle de vie (ACV) appliquée à l’environnement bâti à l’échelle du quartier. La performance énergétique des bâtiments est en partie conditionnée par les choix de conception en termes d’aménagement, et notamment par la forme urbaine (géométrie et types de surfaces) et ses interactions avec le climat. L’objectif de cette thèse est de proposer aux équipes de conception d’opérations d’aménagement un moyen de prendre en compte l’influence de la forme urbaine sur les potentiels énergétiques du quartier avec perspective cycle de vie.

Une étude préalable a permis d’expliciter l’influence de la forme urbaine sur les potentiels énergétiques à l’échelle du quartier. Une approche de modélisation de l’énergie grise et de l’empreinte carbone des bâtiments est proposée, sur la base de laquelle une analyse de sensibilité à la forme urbaine et une analyse de contribution sont réalisées. Les résultats démontrent notamment l’influence primordiale de la forme des bâtiments ainsi qu’un lien très fort entre énergie grise et compacité du bâti. Une approche d’évaluation du potentiel de chauffage passif et du potentiel de confort d’été passif à l’échelle du quartier est également développée. Elle repose sur la réduction d’un quartier en quartier équivalent (réseau régulier de bâtiments parallélépipédiques), et sur l’application de métamodèles d’un moteur de simulation thermique. La méthode est testée est discutée sur un corpus de 45 cas d’étude. Ces développements méthodologiques ont vocation à être intégrés dans un outil existant d’ACV à l’échelle du quartier (NEST).

L’objectif de ces travaux est de développer une méthode d’aide à la conception des réseaux de chaleur urbains (RCU). Cette méthode utilise un modèle de type MINLP (Mixed Integer Non Linear Programming) pour l’optimisation simultanée de la configuration et du dimensionnement d’un RCU. Aux variables continues pour l’aide au dimensionnement (température, vitesse, diamètre, aire des échangeurs), s’ajoutent des variables binaires aidant à définir la configuration du réseau (maillage et choix des technologies). La fonction objectif à minimiser est le coût total (capex et opex), qui est soumise à un ensemble de contraintes non linéaires (p. ex. pertes thermiques et de charge, bilans).  La méthode développée dans ce manuscrit offre la possibilité de connecter en cascade des consommateurs n’ayant pas les mêmes besoins en température, et de réaliser des réseaux bouclés (une canalisation par tranchée). Elle permet aussi de choisir : les consommateurs à connecter au RCU, le ou les sites de production ainsi que le type de technologie utilisée. Enfin la bonne prise en compte
de la physique permet de choisir le meilleur compromis entre pertes thermiques et pertes de charge, sur une large gamme de température. Cette formulation permet donc d’optimiser des réseaux de 4e génération et de démontrer la rentabilité de l’intégration d’EnR&R sur le long terme (30 ans).

Un premier travail est réalisé afin de proposer une méthodologie de résolution en plusieurs étapes permettant l’obtention de l’optimum global. Différents cas d’études académiques sont utilisés pour présenter les intérêts multiples de cette formulation. Enfin la comparaison avec un réseau existant a permis de démontrer la cohérence des résultats du modèle et a servi de base pour l’optimisation d’un cas d’étude de grande dimension. Plusieurs études de sensibilité post­optimale sont réalisées afin de démontrer l’intérêt de cet outil pour l’aide à la conception initiale ou l’extension de RCU existants.

Les pays industrialisés cherchent aujourd’hui à réduire leur consommation d’énergie et à utiliser des matières premières de substitution, notamment renouvelables dont le bois fait partie. Pour promouvoir son usage, le développement de méthodes favorisant son recours dans les systèmes constructifs pour la construction multiétage est nécessaire.La conception d’un bâtiment est multicritère. Des objectifs contradictoires sont à optimiser simultanément. Des solutions de compromis Pareto-optimaux sont par exemple recherchées entre l’atteinte des meilleures performances d’usage et la limitation de l’impact environnemental du bâtiment. Ces travaux portent ainsi sur le développement d’une méthode d’optimisation multiobjectif de systèmes constructifs bois adaptés au multiétage.Des objectifs de maximisation du confort vibratoire des planchers et de minimisation des besoins de chauffage, d’inconfort thermique, de potentiel de réchauffement climatique et d’énergie grise sont pris en compte. La méthode repose sur un algorithme d’optimisation multiobjectif par essaim particulaire capable de proposer un ensemble de solutions non-dominées constituant le front de Pareto. L’espace des solutions est contraint par des exigences réglementaires nécessaires à la sécurité de l’ouvrage. L’ensemble des fonctions-objectif est modélisé sous forme de fonctions analytiques. Les sorties d’intérêt du modèle de simulation thermique dynamique sont substituées par des métamodèles.La méthode développée est mise en oeuvre sur un cas d’étude. Les résultats obtenus offrent une grande diversité dans un panel de 20 000 solutions optimales. Ces résultats constituent un support de discussion entre les différents acteurs d’un projet de construction.

Lors d’une démarche de modélisation énergétique d’un bâtiment, la prise en compte de l’enveloppe solaire reste souvent imprécise. L’objet du travail présenté ici est la description détaillée de solutions de protections solaires, induisant un tirage thermique (bardage, store), dans un objectif de modélisation et de valorisation pour répondre aux besoins d’industriels du secteur ; la caractérisation des performances permet alors d’assister la maitrise d’œuvre en phase conception.

La mise en place d’une plateforme expérimentale – mur exposé sud muni d’une protection solaire devant lame d’air – a permis la mesure de températures d’airs et d’éléments solides présents dans le système, de vitesses d’écoulement dans la lame d’air ouverte, et du flux radiatif incident. Deux types de bardage bois, un type de store et un type de métal déployé ont été considérés.

Parallèlement, un modèle 1D amélioré de transfert de chaleur dans le système étudié est développé.
Trois familles de modèle de convection dans la lame d’air sont identifiées, présentées et intégrées dans le modèle global. La description de l’écoulement dans la lame d’air est retenue à partir d’analyses des résultats expérimentaux. Un modèle simplifié d’intégration de tels systèmes de protections solaires dans des plateformes de simulation thermique de bâtiments est proposé, basé sur la paramétrisation des sollicitations extérieures par le facteur solaire. La méthode de calcul du facteur solaire est présentée.
Le caractère intrinsèque du facteur solaire et son intérêt sont discutés notamment à partir d’analyses de sensibilité.

Ce travail s’inscrit dans les enjeux actuels liés à l’environnement urbain ; il vise à définir ce qu’est un écoquartier, à partir de l’étude de projets de référence en premier lieu mais surtout à partir de l’opérationnalité et ses contraintes spécifiques. Dans ce cadre pratique l’évaluation environnementale se positionne au cœur de l’opérationnalité comme un outil d’aide à la décision essentiel pour les acteurs de la conception de la ville face aux préoccupations du développement urbain durable. La finalité est de proposer une méthode d’évaluation environnementale des écoquartiers pour un projet urbain en phase esquisse (AVP).

Cette thèse, encadrée au laboratoire GRECAU (Groupe de recherche environnement conception architecturale et urbaine), dans le cadre d’une convention CIFRE avec l’entreprise Nobatek (Centre technologique sur la construction et l’aménagement durable) propose une analyse de la pratique urbaine, l’identification des besoins en termes d’outils pour la construction d’un projet urbain à l’échelle du quartier et propose un outil d’évaluation environnementale.

L’objectif est d’aboutir à une démarche applicable à l’opérationnalité du projet urbain. La première partie établit les enjeux liés à l’urbanisme et propose une étude historique des modèles urbains pour la ville idéale. Il y est proposé un regard sur les principes et évolutions de cette notion afin de situer et comprendre le concept de ville durable. La deuxième partie établit la pertinence du quartier comme une échelle d’expérimentation, propose une définition de l’écoquartier et analyse certains cas de référence à travers leurs typologies, leur forme urbaine et leurs réponses techniques. La troisième partie propose un éclairage général sur différents outils d’analyse des processus de conception et d’évaluation des écoquartiers.

Cette analyse souligne notamment la non existence de l’outil absolu, et conclue au besoin de développer des outils d’évaluation en complément des outils d’aide à la conception déjà existant. Une analyse des systèmes d’indicateurs est proposée, elle permet de montrer l’utilité de ces approches dans le contexte d’un projet urbain. La quatrième partie propose une analyse de la pratique opérationnelle du contexte français et propose une démarche opérationnelle de mise en œuvre d’un écoquartier. Cette dernière introduit le développement de l’outil d’évaluation NEST qui a constitué la partie finale de ce travail.

L’outil s’appuie sur la technique d’analyse de cycle de vie (ACV) pour évaluer les impacts environnementaux du quartier. Pour cela les éléments physiques du quartier (bâtiments, espaces publics, espaces verts, infrastructure), tels que définis dans une phase précoce du projet urbain (phase AVP), sont intégrés dans l’outil. Il calcule alors 7 indicateurs environnementaux pour évaluer le projet, ces résultats étant rapportés à l’usager du quartier pour en assimiler toute l’importance. Dans cette dernière partie une expérimentation opérationnelle de la démarche proposée et de l’outil d’évaluation est présentée sur la ZAC de Kleber à Biarritz pour montrer l’apport de l’outil pour une conception des projets urbains dans l’objectif de constituer un écoquartier.

Introduire le concept de développement durable dans l’urbanisme demande, en plus d’une approche environnementale, sociale et économique, une compréhension technique de la ville et de ses composants urbains, comme un système fermé qui consomme des ressources et en cela génère un impact. Comprendre la ville comme un système pour établir des objectifs et des stratégies pour arriver à transformer la ville en une ville durable demande l’implication des acteurs de la décision, de la conception et de l’usage de la ville.

Ce travail apporte au final une réflexion et des propositions pragmatique sur les modalités de mise en œuvre de telles opérations, en s’appuyant sur les nouvelles dynamiques de travail entre acteurs de ce type de projet et sur des outils développés spécifiquement pour ces nouveaux besoins.

Le développement de la construction bois constitue un enjeu fondamental et une réponse efficace pour la réduction des impacts environnementaux liés au secteur du bâtiment. Les maisons Bois Massif (notées MBM) par madriers empilés constituent la seule solution de construction « mono matériau » et par filière « sèche » sur le marché. Ces techniques de construction se sont aujourd’hui grandement améliorées et industrialisées mais une ambiguïté demeure toutefois sur l’efficacité énergétique et sur la prise en compte de leurs qualités thermiques réelles dans les modèles de calculs réglementaires.

Ce travail a donc consisté en premier lieu et en lien avec les professionnels, à détailler les performances thermique et énergétique sur un échantillon de 20 maisons monitorées. En seconde lieu, à partir de ces mesures « in-situ » et partant de caractéristiques hygro-thermiques des madriers bois déterminées en laboratoire, nous avons développé un modèle de transfert couplé de masse et de chaleur applicable aux parois formée de madriers BM contrecollés.

Enfin, par simulation numérique, on montre comment améliorer le comportement hygro-thermique et les performances énergétiques de ce type de construction. Mots clés : Construction, Bois, Madrier, Contre-collé, Mur, Environnement, Propriété physique, consommation d’énergie.