La performance énergétique des bâtiments n’est pas la simple somme des performances des équipements et des matériaux, mais elle résulte d’une combinaison complexe dans laquelle le comportement de l’occupant et les diverses incertitudes et variabilités jouent un rôle primordial. Dans ce cadre, cette activité scientifique prend un format intégrateur, permettant de passer du niveau des composants à celui du système réel, au moyen de :

• la modélisation et la caractérisation du comportement de l’occupant, à l’aide de modèles physiques et statistiques (ouverture des fenêtres, manipulation des stores, position des consignes de chauffage) ;
• la simulation dynamique du confort thermique et de la performance énergétique d’un bâtiment et d’un ensemble de bâtiments, avec prise en compte des transferts couplés de chaleur et de matière en milieu poreux et fibreux avec changements de phase ;
• l’étude des interactions résultant du changement climatique et du comportement de l’occupant, conduisant aux modifications de l’efficacité et des performances des systèmes en place ;
• la modélisation des incertitudes et des variabilités spatiales et temporelles, liées aux propriétés des matériaux, à l’activité humaine, et aux modèles de simulation ;
• le développement et optimisation de nouveaux produits spécifiques à la rénovation, pour la production de l’énergie aussi bien que pour son stockage et la maitrise de la consommation (nouveaux matériaux, nouveaux procédés, nouveaux concepts, etc.)
• la justification de la fiabilité des produits et la gestion de leur durée de vie, dans l’esprit des objectifs socio-économiques du développement durable.

Il s'agit de caractériser le comportement thermo-mécanique d'éléments ou de composants de structures de bâtiments et d’ouvrages tels que les poutres, les poteaux, les panneaux verticaux et horizontaux et leurs assemblages et liaisons. Ceci concerne les matériaux courants ou innovants de construction (bois, métal, mixtes ou composites) et les moyens de les protéger contre le feu. Des travaux initiés dans le cadre du projet Européen FiT se prolongent sous forme d’une thèse de doctorat pour étudier le comportement d’assemblages de structures bois en vue d’évaluer leurs résistances sous incendie. En parallèle, des travaux sont initiés pour caractériser l’évolution des caractéristiques thermo-physiques des protections d’éléments métalliques (peintures intumescentes par exemple). A noter que le site de Montluçon a su développer des compétences en recherche dans le domaine du séchage de bois. Ces compétences amont dans le domaine des transferts thermiques et de transfert de masse ont permis à l’équipe de s’ouvrir à un thème prometteur relatif à l’étude des sollicitations sévères telles que les hautes températures dues aux incendies. Ainsi, des essais au feu s’appuyant sur les moyens actuels du site montluçonnais ont été réalisés pour suivre les comportements d’assemblages bois-métal. Ces moyens matériels sont appelés à évoluer pour répondre encore mieux à une demande croissante du secteur de la recherche et de la technologie appliquées au secteur de la construction et des fabricants de matériaux et de produits de protection.

Cette activité porte sur des travaux expérimentaux en laboratoire (conditions contrôlées) ou in-situ (environnement naturel), permettant la compréhension des mécanismes, d’une part, et la calibration des modèles et des données, d’autre part. Il s’agit de :

• la caractérisation, à court et à long termes, des propriétés hygrothermiques des matériaux fibreux et bio-sourcés, ainsi que  les matériaux classiques de construction ;
• la calibration des modèles de transfert couplé Chaleur-Humidité-Air dans les matériaux isolants et également dans les maisons en bois ;
• l’évaluation des performances hygrothermiques des matériaux de construction dégradés ou fissurés, suite aux effets mécaniques, physiques ou chimiques ;
• le comportement au feu et aux charges thermiques extrêmes, et son impact sur la performance résiduelle des matériaux et des composants de structures ;
• le contrôle non destructif de matériaux et des structures, par la mise au point de bancs de caractérisation de laboratoire et de dispositifs de diagnostic utilisables in-situ (thermographie infrarouge, détection de défauts dans les matériaux et les structures, etc.).

Grâce à l’augmentation importante de la puissance de calcul des ordinateurs, architectures multi cœurs, processeurs graphiques, grappes de PC…, et au développement d’outils numériques efficaces, programmation parallèle, programmation vectorielle…, il est maintenant possible de modéliser et de simuler le comportement de la matière à l’échelle atomique dans des échelles de temps de calcul raisonnable.

Il existe différentes techniques de simulations selon les échelles de temps et d’espace auxquelles le théoricien et/ou l’expérimentateur travaille :

• la dynamique quantique repose sur la description quantique de la matière et donne des informations au niveau de l’interaction des noyaux atomiques et du cortège électronique qui les entoure: calcul et élaboration des potentiels d’interaction. L’échelle de temps est de l’ordre de la femtoseconde ou de la picoseconde, l’échelle d’espace correspond à l’atome (plusieurs Angströms).
• pour la dynamique moléculaire et le code de Monté Carlo, l’échelle de temps peut varier de la picoseconde à la microseconde, et les volumes simulés peuvent atteindre plusieurs centaines de nanomètres cubes. Ces techniques permettent de décrire le comportement des différents états de la matière liquide, solide ou gaz.
• la dynamique dissipative correspond à la technique qui décrit la matière aux plus grandes échelles. Chaque grain de matière peut être identifié comme un complexe moléculaire (molécules, macromolécules…) et son comportement est étudié à des échelles de temps qui peuvent atteindre la seconde.

La modélisation des matériaux à l’aide de la dynamique moléculaire est intéressante à plusieurs niveaux. Dans un premier temps, l’établissement du champ de force qui régit le comportement de la matière repose sur l’observation et la mesure des données primordiales: données spectroscopiques, structure moléculaire, constantes intrinsèques du matériau… Cette description fondamentale de la matière permet de simuler avec précision son comportement selon différentes aspects :

• Aspect mécanique: calcul du tenseur de pression, effets de cisaillement, variation de densité, propagation de la chaleur…
• Aspect thermodynamique, calcul du tenseur de température, paramètres intrinsèques du matériau (calcul du Cp, Cv), estimation des coefficients de transport (diffusion, conductibilité thermique),…

D’autre part, l’utilisation et le développement d’algorithmes de calcul permet d’élargir de champ d’investigation et de répondre à d’autres interrogations concernant le comportement du matériau sous diverses contraintes : évaluation de la perte de masse et de la nature des produits de décomposition lors d’une attaque particulaire ou par chauffage [9], estimation du désordre ou du changement de phase du matériau, ...

L’atout majeur de la dynamique moléculaire repose sur l’extrapolation des résultats obtenus à l’échelle atomique à l’échelle macroscopique permettant ainsi d’accéder à des grandeurs macroscopiques indispensables aux modèles.