L’objectif de ces travaux de thèse était double. D’une part, contribuer à l’amélioration des modèles de prédiction des transferts des polluants gazeux du sol qui entrent dans les environnements intérieurs, d’autre part, élaborer et caractériser un système de protection des bâtiments vis-à-vis des polluants gazeux du sol.
La contribution à l’amélioration des modèles d’évaluation pour la gestion des risques a consisté à développer des lois analytiques de transfert d’air entre le sol et le bâtiment pour différentes typologies de soubassement : vide sanitaire, dalle portée et dallage indépendant sur terre-plein, en se fondant notamment sur l’analogie phénoménologique qui existe entre les transferts d’air convectifs et les transferts thermiques entre le sol et le bâtiment. Ces lois analytiques ainsi développées ont été comparées aux résultats obtenus par un modèle numérique par éléments finis. Ce modèle numérique sert à simuler le transfert de chaleur dans les sols mais, également par analogie entre les paramètres d’entrée du transfert aéraulique et thermique, il a pu être utilisé pour représenter les transferts d’air convectifs dans les sols pour les différentes typologies testées.
Les deux approches ont été comparées. Des écarts persistent qui nécessiteront d’améliorer l’approche analytique. Notamment, lorsque l’on tend vers des fortes perméabilités de sol, l’hypothèse de pression homogène sous la dalle semble moins valable. Par ailleurs, l’utilisation du modèle numérique par analogie a également montré des limites dans son utilisation. Les résultats obtenus sont néanmoins prometteurs dans le sens ou la confrontation des deux approches donnent des résultats globalement satisfaisants.
Il a ainsi été possible de quantifier les débits d’air liés à la convection dans des conditions données de dépression intérieure du bâtiment, pour différentes typologies de soubassement. Ces flux d’air dépendent pour une typologie donnée de soubassement et une dépression donnée, de la perméabilité à l’air du sol et de celle de la dalle et éventuellement de la taille des fissures périphériques.
Les lois analytiques ont par la suite été intégrées dans un modèle de simulation des transferts thermo-aéraulique des bâtiments. Ce qui a permis de réaliser des premières études de sensibilité sur l’impact du transfert convectif de polluants du sol vers le bâtiment pour différentes typologies de soubassement. Des premiers calculs de coefficient d’atténuation entre étages ont également été réalisés. On a ainsi pu vérifier l’intérêt de ce type de lois qui permettent assez simplement, en les couplant à un modèle aéraulique multizone, d’obtenir l’évolution temporelle de la concentration intérieure en polluant venant des sols.
Les principaux résultats du modèle aéraulique sont :
- Quelle que soit la typologie du bâtiment, les forces naturelles, comme le tirage thermique et la force du vent, contribuent fortement au transfert des débits d’air
convectifs entre le sol et le bâtiment et à l’accumulation des polluants dans l’air intérieur,
- Le vide sanitaire est la typologie qui engendre le moins de concentration en polluant dans l’air intérieur du bâtiment, étant donné que ce dernier sert de zone de dilution aux polluants venant du sol,
- Sur la base des hypothèses prises, la dalle portée protège mieux le bâtiment de la
pollution gazeuse en provenance du sol que le dallage indépendant sur terre-plein. Cela est dû au fait que la dalle joue le rôle d’une résistance au transfert d’air. Toutefois, plus la dalle est perméable, plus les concentrations de polluants en air intérieur sont élevées,
- Pour le dallage indépendant sur terre-plein, on constate que cette typologie engendre une importante accumulation de polluants dans l’air intérieur. Ceci est dû au fait que cette typologie comprend des fissures périphériques qui sont considérées comme un chemin préférentiel pour l’entrée des polluants du sol vers l’air intérieur.
Concernant les coefficients d’atténuation et sur la base des premières études de sensibilité présentées, leur valeur semble fortement dépendante de la configuration de bâtiment choisie (typologie du bâtiment, transfert entre pièce, principe et type de système de ventilation).
Afin de répondre au besoin de données expérimentales vis-à-vis de la perméabilité à l’air des bétons, des expériences ont été entreprises en laboratoire. Différents bétons ont été testés, selon leur conditionnement et leur état mécanique. Ces travaux avaient pour objectif d’avoir un ordre de grandeur des perméabilités à l’air des bétons, en particulier, pour les bétons fissurés pour lesquels peu de données existent dans la littérature. Les résultats obtenus ont montré que :
- Le type de conditionnement des bétons et leur état mécanique sont les principaux
paramètres influençant leur perméabilité à l’air,
- Les bétons séchés à l’étuve sont plus perméables que les bétons conservés à l’air ambiant et les bétons conditionnés dans une pièce à 50%HR sont plus perméables que ceux entreposés dans une pièce à 90%HR. Donc, plus le béton est saturé en eau, moins il est perméable,
- Quel que soit le conditionnement que subit le béton, si celui-ci est fissuré, il est forcément plus perméable qu’un béton non fissuré. La fissure engendre une augmentation de la perméabilité du béton d’au moins un ordre de grandeur.
En parallèle à ces travaux, des essais ont été réalisés dans la maison ‘MARIA’ afin de quantifier expérimentalement les débits d’air qui vont du sol vers l’air intérieur. Ces expérimentations ont permis d’obtenir des données relatives au débit d’air venant du sol pouvant traverser un soubassement donné. Ce résultat est intéressant car il n’existe pas de données expérimentales sur ce paramètre.
Le deuxième objectif de cette thèse a consisté à caractériser expérimentalement un système de protection des bâtiments contre les polluants du sol, à savoir un Système de Dépressurisation des Sols (S.D.S.) naturel et hybride. Pour cela, la maison expérimentale
‘MARIA’ du CSTB a été adaptée en conséquence et un suivi d’une année y a été entrepris,
afin d’étudier la faisabilité de fonctionnement de ce système. Les conclusions que l’on tire de ce suivi sont :
- Le pourcentage du temps de fonctionnement du S.D.S. naturel, est significatif une bonne partie de l’année, avec des débits d’extraction supérieurs à 10 m3/h et correspondant à une dépression minimale dans le soubassement,
- Ce système est d’autant plus performant en hiver, ce qui un bon résultat, étant donné que cela correspond à la période de l’année où les flux convectifs du sol vers le bâtiment seraient les plus importants,
- L’extracteur stato-mécanique en fonctionnement statique permet d’extraire un débit d’air du soubassement deux fois plus important que le débit d’air extrait avec un extracteur classique (cape à l’italienne),
- Quand les forces naturelles sont insuffisantes, le fonctionnement mécanique de l’extracteur stato-mécanique, permet de générer un débit d’extraction minimum, pouvant assurer ainsi le complément de fonctionnement éventuellement nécessaire,
- Ce système permet d’avoir une technique de protection des bâtiments à coût de fonctionnement marginal. Néanmoins, l’opérationnalité de ce système est tributaire des conditions météorologiques et des caractéristiques du bâtiment et de son environnement.
PERSPECTIVES
Concernant l’élaboration de lois analytiques relatives au transfert de polluants des sols vers le bâtiment, il parait nécessaire de reprendre certaines hypothèses utilisées pour le développement du modèle analytique et d’étudier tout particulièrement les variations de la pression sous la dalle. De plus, d’autres configurations telles que les locaux enterrés ou les soubassements mixtes pourraient être abordés avec la même méthodologie.
Pour rendre plus réaliste ces lois, il parait également important de pouvoir y associer, d’une part la prise en compte de la fissuration potentielle des planchers ainsi que l’existence de défauts d’étanchéité singuliers liée notamment aux traversées de réseaux. Ces éléments auront en effet un impact significatif sur le transfert convectif et les ignorer pourrait engendrer une sous évaluation de ces transferts. D’autre part, la prise en compte des effets de diffusion des polluants à travers les soubassements, même s’ils sont considérés comme secondaires par rapport à la convection, pourrait fournir une meilleure prédiction aux modèles, notamment dans les périodes où les effets convectifs sont faibles et en particulier dans le cas typologique du vide sanitaire.
L’intégration déjà effectuée ici de ces lois analytiques avec un modèle thermo-aéraulique multizone, doit permettre de conduire des études de sensibilité plus précises et plus exhaustives, quant à l’impact des polluants gazeux des sols sur la qualité de l’air dans les environnements intérieurs ainsi que sur l’évaluation des coefficients d’atténuation.
Concernant l’amélioration de solutions de protection des bâtiment vis-à-vis des polluants du sol, sur la base du suivi expérimental réalisé dans le cadre de cette thèse, une exploitation plus systématique de la base de données obtenue, en étudiant notamment les occurrences météorologiques de différence de température et de vent par rapport au fonctionnement du système, permettrait d’améliorer la connaissance sur l’aptitude à fonctionner d’un tel système en fonction de conditions météorologiques données. De plus, ce système pourra être développé dans le modèle aéraulique des bâtiments auquel les lois analytiques de transferts ont été intégrées
Ainsi, la base de données expérimentale pourra être utilisée pour servir de cadre de validation au modèle aéraulique adapté au fonctionnement d’un tel système. L’utilisation ultérieure de ce modèle pourrait permettre de définir un outil de dimensionnement d’un tel système en fonction des caractéristiques de bâtiment et de conditions météorologiques données.