L'adoption des principes de l'économie circulaire (ÉC) dans le secteur de la construction offre un changement transformateur d'une approche linéaire à une approche circulaire, caractérisée par la prolongation de la durée de vie des matériaux, la mise en œuvre de processus de fabrication plus intelligents et la valorisation des flux de déchets. Cette transition se traduit par une réduction des impacts environnementaux associés au secteur, favorisant ainsi une plus grande durabilité. Cette thèse, divisée en trois axes, examine l'intégration des constructions en bois dans le paradigme de l'économie circulaire, en mettant particulièrement l'accent sur les stratégies de fin de vie des matériaux de construction. Dans le premier axe, un cadre conceptuel a été proposé pour guider l'application de diverses stratégies de l'ÉC. Dans le deuxième axe, quatre systèmes de construction au Québec, Canada, ont été comparés à l'aide de la méthode d'évaluation du cycle de vie (ACV), basée sur les stratégies actuelles de fin de vie, et lorsque la circularité des matériaux a été augmentée à la fin de vie. Enfin, le troisième axe s'est concentré sur le développement de pistes circulaires pour intégrer davantage de stratégies de l'ÉC dans les pratiques actuelles de fin de vie dans le secteur de la construction. Dans le premier axe, tout d'abord, une définition de l'ÉC a été élaborée dans les limites de cette étude. Ensuite, sur la base de la définition, un cadre conceptuel a été développé. Ce cadre a montré comment différentes stratégies de l'ÉC pourraient être appliquées à la fin de vie des matériaux de construction et comment leur application devrait être évaluée. Le deuxième axe a comparé quatre systèmes de construction courants (bois massif, béton, acier et ossature légère) au Québec, Canada, du point de vue de leur impact environnemental en utilisant la méthode d'analyse du cycle de vie (ACV). L'analyse, menée dans divers scénarios, a révélé que les pratiques de fin de vie des résidus de construction, de démolition et de rénovation (CRD) au Québec ont actuellement une circularité très faible. Les résultats de cet axe ont montré que malgré des taux de recyclage plus élevés des résidus de CRD dans d'autres régions, les gains environnementaux restaient relativement faibles et que l'application de l'ÉC ne doit pas se limiter à l'augmentation de la stratégie de recyclage. De plus, parmi les quatre bâtiments, le bâtiment en ossature légère a démontré des impacts environnementaux inférieurs dans tous les scénarios, tandis que la structure en bois massif présentait un potentiel significatif de réduction des impacts avec une circularité accrue en fin de vie. Dans le troisième axe, des pistes circulaires à court et à long terme ont été développées pour le bâtiment en bois massif, qui a été identifié comme le bâtiment ayant le plus grand potentiel de réduction des impacts environnementaux avec une plus grande circularité. Ces pistes ont décrit quatre pratiques détaillées de fin de vie pour chacun des résidus de CRD du bâtiment étudié. Ces pistes ont permis une réduction remarquable des catégories d'impact du changement climatique et de l'eutrophisation par rapport aux pratiques actuelles de fin de vie au Québec. Les pistes à court terme proposaient une augmentation optimisée de la circularité des pratiques actuelles de fin de vie, tandis que les pistes à long terme encourageaient des changements dans la sélection des matériaux et le développement d'infrastructures pour appliquer des niveaux de circularité plus élevés dans le secteur de la construction. / The adoption of circular economy (CE) principles in the construction sector offers a transformative shift from a linear to a circular approach, characterized by extending material lifespan, implementing smarter manufacturing processes, and valorizing waste streams. This transition results in lowering the associated environmental impacts associated with the sector, thereby fostering greater sustainability. This thesis, divided in three axes, examines the integration of wooden constructions within the CE paradigm, with a particular emphasis on end-of-life (EoL) strategies for building materials. Within the first axis a conceptual framework was proposed to guide the application of various CE strategies. In the second axis, four construction systems in Quebec, Canada were compared with the life cycle assessment (LCA) method, based on the current EoL strategies, and when circularity of the materials were increased at the EoL. Finally, the third axis focused on the development of circular trails to integrate more CE strategies in the current EoL practices in the construction sector. In the first axis, at first a definition for CE was elaborated within the scopes of the study. Then, based on the definition, a conceptual framework was developed. This framework showed how different circular economy strategies could be applied to the EoL of the building materials and how their application should be evaluated. The second axis compared four common building systems (mass timber, concrete, steel, and light wood frame) in Quebec, Canada, from the aspect of their environmental impact using the life cycle assessment (LCA) method. The analysis, conducted under various scenarios, revealed that EoL practices for construction and demolition waste (CDW) in Quebec currently have very low circularity. The results of this axis showed that despite higher recycling rates of CDWs in other regions, the environmental gains remained relatively low, and that the application of CE should not be limited to only increasing the recycling strategy. Furthermore, among four buildings, the light wood frame structure demonstrated lower environmental impacts across all scenarios, while the mass timber structure exhibited significant potential for impact reduction with increased circularity at EoL. Within the third axis, short-term and long-term circular trails were developed for the mass timber building as this system was identified as having more potential for lowering the environmental impacts within more circularity. These trails outlined four detailed EoL practices for each of the CDWs of the studied building, resulting in remarkable decrease in climate change and eutrophication environmental impact categories compared to current EoL practices in Quebec. The developed short-term trails proposed an optimized increase in the circularity of current EoL practices, while long-term trails encouraged comprehensive changes in the material selection and development of infrastructure to apply higher levels of circularity in the construction sector.

La conception de l'assemblage plafond-plancher dans un bâtiment en bois peut être un défi en raison de ses aspects multidisciplinaires et des limitations d'espace. En tant qu'un composant du bâtiment, cet espace possède un rôle structural et représente un volume dans lequel passent les systèmes de la mécanique du bâtiment. L'objectif de ce travail est de démystifier l'assemblage plafond-plancher à travers une recherche bibliographique et des entrevues semi-dirigées et de développer ensuite une méthodologie d'optimisation multi-objectif pour une conception optimale de ce sandwich. Le modèle développé intègre tant la partie structurale que les systèmes de la mécanique du bâtiment, dont un but de minimiser l'épaisseur de l'assemblage tout en optimisant le système de ventilation qui passe dedans. L'algorithme NSGA-II est utilisé dans le processus d'optimisation. Une étude de cas sur un assemblage plafond-plancher dans un bâtiment en bois a été réalisée pour évaluer le modèle développé, où trois configurations d'assemblage ont été testées. Dans la première configuration, le réseau de ventilation passe à travers la structure, soit en parallèle aux poutres, soit en les traversant. Dans ce cas, des ouvertures seront nécessaires à condition que le diamètre de la conduite ne dépasse pas 15% de la hauteur des poutres. Dans la deuxième configuration, on considère que les poutres sont renforcées, pour donner une tolérance supplémentaire relative à l'ouverture au niveau des poutres allant jusqu'à 30% de leur hauteur. La troisième configuration est la méthode traditionnelle où aucune ouverture n'est autorisée et le réseau de ventilation passe en dessous de la structure. Pour les trois configurations, deux types de dispositions des gaines de ventilation ont été évaluées. Les meilleures solutions sont présentées sous la forme de fronts de Pareto. L'analyse des résultats montre que l'optimisation de la configuration traditionnelle de l'assemblage donne toujours de meilleures solutions (où l'épaisseur de l'assemblage varie de 0.65 m à 0,87m et la perte de pression varie de 50 Pa à 105 Pa) comparativement aux deux autres configurations. / The design of the ceiling-to-floor assembly in timber buildings can be challenging due to its multidisciplinary aspects, space limitations, and requirements of timber constructions. As a component of the building, this space has a structural role. It ensures the safety and comfort of occupants and represents a volume through which building services systems pass. The objective of this work is to demystify the ceiling-to-floor assembly in timber buildings and to develop a multi-objective optimization method for an optimum design. In order to do this, bibliographical research was carried out in various databases. This step was accompanied by a series of semi-structured interviews with wood construction experts. Then a multi-objective optimization strategy for the ceiling-to-floor assembly was developed. It integrates both structures and building mechanical systems to minimize the thickness of the ceiling-to-floor assembly and optimize the pressure drops in the air distribution system that passes through it. The multi-objective genetic algorithm (NSGA-II) is used in the optimization process. Design variables related to the structure and ventilation network are taken into account. A case study of a ceiling-to-floor assembly in a timber building was carried out to evaluate the developed model, where three assembly configurations were tested: (i) the diameter of an aperture in a beam to let a duct pass is limited to 15% of the beam height, (ii) the aperture diameter limitation is 30% of the beam height, corresponding to a beam with reinforcement, (iii) no apertures are allowed and the ducts are below the beams. Best solutions are presented through the Pareto fronts and the optimal dimensions of the structure and air distribution ducts are generated. For the case study, results show that the optimization algorithm gives better results in terms of thickness and pressure drops in the third configuration where ducts pass through beams (assembly thickness ranges from 0.65 to 0.87 m, pressure drops from 50 Pa to 105 Pa), compared to the configuration where the duct passes through the structure.

Le secteur de la construction représente 37 % des émissions de gaz à effet de serre et consomme 30 % de l'énergie produite dans le monde, majoritairement d'origine fossile. L'utilisation de cette énergie se partage entre la phase de construction et celle d'utilisation des bâtiments. L'isolation des bâtiments permet de réduire cette consommation en phase d'emploi en optimisant la gestion du chauffage. Cependant, les matériaux d'isolation traditionnels, comme la mousse polyuréthane giclée, reposent sur des ressources fossiles non renouvelables. Des isolants biosourcés, comme la ouate de cellulose ou la fibre de chanvre, sont des alternatives déjà envisagées, mais les propriétés de ces matériaux ne permettent pas de compenser les performances de la mousse polyuréthane en termes de conductivité thermique, perméance à l'air et à l'humidité notamment. Ce projet de recherche explore la substitution des composés pétrosourcés par des bioressources dans la mousse polyuréthane giclée en s'intéressant aux filaments de cellulose (CFs) produits par l'entreprise Kruger inc. à partir de pâte Kraft blanchie de résineux du Nord, préservant la longueur des filaments produits. La cellulose, le biopolymère le plus abondant dans la nature, offre un potentiel intéressant en raison de ses propriétés mécaniques et thermiques et de sa disponibilité. De plus, elle comporte des fonctions hydroxyles qui la rendent modifiable chimiquement. L'objectif principal de ce projet est donc de développer un isolant giclé pour la construction en bois, en valorisant cette ressource, tout en réduisant l'utilisation de matériaux pétrosourcés et en maintenant les performances des isolants actuels. Le potentiel des CFs en tant que charge dans une mousse polyuréthane a été évalué et les performances ont été comparées aux mousses de référence préparées au laboratoire sans composants biosourcés. Les formulations de mousse ont été ajustées en ajoutant des CFs à différents pourcentages, puis leurs propriétés (viscosité, morphologie, perméabilité à la vapeur d'eau, densité, conductivité thermique et résistance à la compression) ont été étudiées. Les CFs ont eu un impact significatif sur les propriétés de la mousse, notamment sur la taille des cellules et la sorption de vapeur. Les quantités de filaments étudiées (1 %m/m CF, 2.5 %m/m CFs et 5 %m/m CFs) dans la mousse ont permis de respecter les attentes de la norme associée aux mousses polyuréthanes pulvérisées de densité moyenne. Cependant, les résultats conduisent à des améliorations minimes des propriétés sans substitution des composants pétrochimiques. Lorsqu'utilisés en quantités excessives, ici supérieur ou égal à 5 %m/m, les CFs détériorent les propriétés du matériau, ce qui ne permet d'en intégrer qu'une faible proportion *i.e.*, inférieure à 5 %m/m CFs. L'utilisation de la cellulose comme simple charge a montré ses limites et est insuffisante pour réduire l'impact environnemental des mousses de polyuréthane. Il est donc nécessaire de se concentrer sur la substitution des produits à base de pétrole contenus dans les mousses. La modification chimique des CFs pour substituer le polyol pétrosourcé a ensuite été étudiée. Deux méthodes d'éthérification ont été employées (à partir de glycérol dans un cas et de glycidol et éthylène carbonate dans un deuxième cas) pour modifier les CFs, produisant des fonctions réactives et accessibles à partir des groupes hydroxyles pour réagir avec l'isocyanate présent. Les polyols résultants et les mousses de polyuréthane ont été caractérisés. Les mêmes propriétés qu'en première partie ont été étudiées. Les résultats ont montré une réactivité réduite des polyols biosourcés, impactant la taille et l'ouverture des cellules, et entraînant une détérioration des propriétés mécaniques conduisant à une non-conformité aux normes canadiennes sur les mousses polyuréthane. Malgré cela, des résultats prometteurs de conductivité thermique ont été obtenus (à 50 % de substitution avec P1+P2) en restant compétitif face à la conductivité thermique d'isolants conventionnels (laine de roche ou fibre de bois). Enfin, cette étude a permis d'évaluer la modification des CFs comme solution ignifuge durable pour améliorer les performances environnementales de la mousse de polyuréthane et réduire sa toxicité en cas d'incendie. En effet, le retardateur commercial et pétrosourcé actuellement utilisé, le phosphate de tris(1-chloro-2-propyle) phosphate (TCPP) qui est un composé chloré, émet des fumées toxiques pour l'Homme lors d'incendies. Les CFs ont été traités avec des composés à base d'azote et de phosphore pour obtenir des complexes polyélectrolytes (PEC) et des produits couche-par-couche (LbL). La morphologie, les propriétés thermogravimétriques, le comportement au feu et la sorption de la vapeur d'eau ont été caractérisés. Bien que les niveaux d'imprégnation en phosphore (1.5 ± 0.2 % dans le LbL et 0.75 ± 0.01 % dans le PEC) et azote (4.5 ± 0.1 % et 7.5 ± 0.06 %) soient faibles comparé à la littérature (pouvant atteindre 10 %m/m des CFs), les CFs modifiées ont montré des propriétés prometteuses, comparables au retardateur de flamme commercial à quantité de phosphore équivalent, tout en produisant moins de fumée. / The construction sector accounts for 37% of greenhouse gas emissions and consumes 30% of the world's produced energy, predominantly from fossil sources. This energy is divided between the construction phase and the operational phase of buildings. Building insulation helps reduce this consumption during the operational phase by optimizing heating management. However, traditional insulation materials, such as sprayed polyurethane foam, rely on non-renewable fossil resources. Bio-based insulators, like cellulose wadding or hemp fiber, are alternatives that have been considered, but their properties do not match the performance of polyurethane foam, particularly in terms of thermal conductivity, air permeability, and moisture management. This research project investigates the substitution of petroleum-based components with bioresources in sprayed polyurethane foam, focusing on cellulose filaments (CFs) produced by Kruger Inc. from northern bleached softwood Kraft pulp, which preserves the filaments' length. Cellulose, the most abundant biopolymer in nature, offers significant potential due to its mechanical and thermal properties, availability, and modifiable hydroxyl groups. The primary goal of this project is to develop sprayed insulation for wood construction, utilizing this resource while reducing the use of petroleum-based materials and maintaining the performance of current insulators. The potential of CFs as a filler in polyurethane foam was evaluated, and their performance was compared to reference foams without bio-based components. Foam formulations were adjusted by adding CFs at different percentages (1 wt.% CF, 2.5 wt.% CF, and 5 wt.% CF), and their properties (viscosity, morphology, water vapor permeability, density, thermal conductivity, and compressive strength) were studied. CFs significantly impacted foam properties, particularly cell size and vapor sorption. The filament quantities studied in the foam met the medium-density sprayed polyurethane foam standard. However, results led to minimal property improvements without substituting petrochemical components. When used in excessive quantities, here at or above 5 wt.%, CFs deteriorate the material's properties, limiting their integration to a maximum of 5 wt.% CFs. Using cellulose as a simple filler has shown its limits and is insufficient to reduce the environmental impact of polyurethane foams. It is therefore necessary to focus on replacing petroleum-based products within the foams. The chemical modification of CFs to substitute the petroleum-based polyol was subsequently examined. Two etherification methods were employed (from glycerol in one case and from glycidol and ethylene carbonate in another) to modify CFs, producing reactive and accessible functions from hydroxyl groups to react with the present isocyanate. The resulting polyols and polyurethane foams were characterized. The same properties as in the first part of the project were studied. The results showed reduced reactivity of bio-based polyols, impacting cell size and openness, and leading to deteriorated mechanical properties resulting in non-compliance with Canadian polyurethane foam standards. Nevertheless, promising thermal conductivity results were obtained (at 50% substitution with P1+P2), remaining competitive with the thermal conductivity of conventional insulators (rock wool or wood fiber). Finally, this study assessed the modification of CFs as a sustainable flame-retardant solution to improve polyurethane foam's environmental performance and reduce its toxicity in case of fire. The currently used commercial petroleum-based flame retardant, tris(1-chloro-2-propyl) phosphate (TCPP), a chlorinated compound, emits toxic fumes harmful to humans during fires. CFs were treated with nitrogen- and phosphorus-based compounds to create polyelectrolyte complexes (PEC) and layer-by-layer (LbL) products. Morphology, thermogravimetric properties, fire behavior, and water vapor sorption were characterized. Although phosphorus (1.5 ± 0.2% in LbL and 0.75 ± 0.01% in PEC) and nitrogen (4.5 ± 0.1% and 7.5 ± 0.06%) impregnation levels were low compared to the literature (which can reach 10 wt.% of CFs), the modified CFs showed promising properties, comparable to the commercial flame retardant at an equivalent phosphorus amount, while producing less smoke.

Dans un contexte de développement durable accrue, le secteur de la construction se transforme et innove avec de nouveaux matériaux pour réaliser des infrastructures plus durables. Au cœur de cette transformation se situe le bois. Profitant de nombreuses découvertes, le bois se trouve être un candidat essentiel pour ériger des bâtiments multiétages. L’utilisation de la construction industrialisée est très répandue au Québec dans le domaine résidentiel, mais ne dispose pas des techniques et solutions efficientes pour relever le défi du multiétages. Le projet proposé ici se concentre donc à l’étude des solutions à proposer aux industries de la préfabrication en bois pour le domaine du multiétages afin d’accroître leur performance globale. Une revue de littérature permet en premier lieu de rendre compte des solutions les plus innovantes et les plus efficaces dans les industries connexes réalisant des constructions préfabriquées multiétages en béton et en acier. Par la suite, un cas d’étude permet de comprendre l’état existant de l’industrie de la construction au Québec tout en mettant en lumière les difficultés rencontrées autour de projets multiétages. En considérant les limites de l’étude de cas ainsi observée, le projet propose une solution issue de la littérature, soit l’implantation du Lean manufacturing, pour rencontrer l’objectif de la recherche. En dernier lieu, le projet élabore un modèle de simulation pour simuler l’unité de production dans le but pouvoir mesurer théoriquement une solution et en déterminer les gains potentiels. Le projet permet alors de montrer que des améliorations issues du Lean Manufacturing permettent de réaliser des gains pour accroître la performance globale de l’entreprise étudiée. Finalement ce mémoire livre un état des lieux et des pistes de solutions envisageables au regard des résultats des observations et des simulations réalisés dans ce projet. / In a context of increased sustainable development, construction is transforming and innovating with new materials to create more sustainable infrastructures. At the center of this transformation is the use of wood. Taking advantage of numerous discoveries, wood is an ideal candidate for multi-storey buildings. The use of industrialized construction is very popular in Quebec in the residential sectorbut does not have the techniques and efficient solutions to meet the challenge of multi-storey buildings. The project proposed here will focus on the study of solutions to be proposed to the wood prefabrication industries for the multi-family building sector in order to increase their overall performance. A review of the literature provides an overview of the most innovative and efficient solutions in the related industries that produce prefabricated multi-storey concrete and steelconstructions. Then, a case study allows to understand the existing state of the industry in Quebec while highlighting the difficulties encountered around multi-storey projects. Considering the limitations of the case study thus observed, the project proposes a solution from the literature to meet the objective of the research. Finally, the project develops a simulation model to simulate theproduction unit in order to theoretically measure a solution and determine its potential gains. The project then allows to demonstrate that improvements resulting from Lean Manufacturing allow to increase the overall performance of the studied company. Finally, the project provides a clear inventory of the current situation and possible solutions based on the results of the observations and tests conducted during the project.

Au Canada, le secteur du bâtiment émet 17% de toutes les émissions de GES et consomme 50% de toute l'énergie primaire. Dans un contexte de mix énergétique à faible impact environnemental comme celui qui prévaut dans la province de Québec (Canada), une grande partie de ces pourcentages est attribuable à l'énergie intrinsèque. Celle-ci peut représenter jusqu'à 46% de toute l'énergie consommée sur le cycle de vie d'un bâtiment pour une durée de vie de 50 ans. La moitié de ce pourcentage est attribuable à la combinaison de la structure et de l'enveloppe du bâtiment. La plupart des études déjà réalisées ayant comparé différents systèmes d'enveloppe pour un bâtiment résidentiel, ce projet vise à quantifier la contribution des impacts intrinsèques initiaux aux impacts environnementaux du cycle de vie d'assemblages de mur extérieur pour un bâtiment à bureaux situé dans la ville de Québec (Canada). Une analyse du cycle de vie du berceau au tombeau (cradle-to-grave) a été réalisée sur huit assemblages de mur extérieur. Les impacts environnementaux ont été évalués à l'aide du logiciel open LCA, de la base de données ecoinvent et de la méthode d'évaluation des impacts TRACI. L'énergie consommée lors de la phase d'utilisation du bâtiment a été simulée à l'aide du logiciel EnergyPlus. Les résultats indiquent que la contribution des impacts intrinsèques initiaux au cycle de vie des assemblages de mur est de 41% à 66%. Les résultats suggèrent que, dans un tel contexte, les impacts intrinsèques initiaux peuvent devenir la principale source d'impacts environnementaux dans le cycle de vie des assemblages de mur. Les résultats de ce projet feront comprendre aux dirigeants l'importance d'évaluer les impacts intrinsèques lors des premières étapes de la conception des bâtiments dans l'objectif de construire des bâtiments plus durables. Ces résultats guideront également les praticiens dans la sélection d'assemblages muraux plus durables en fonction de leurs impacts environnementaux. / In Canada, the building sector account for 17% of all GHG emissions and consumes 50% of all primary energy. In the context of a low environmental impact energy mix such as the one prevailing in the province of Quebec (Canada) a large part of these percentages is attributable to embodied energy. In such a context, the embodied energy of building materials can account for up to 46% of a building's life cycle energy over a 50-year service life. Half of this energy corresponds to the combination of the structure and the building envelope. While most studies have compared different residential building systems or wall assemblies, this study aims to quantify the contribution of initial embodied impacts to the environmental impacts of wall assemblies' life cycle for the exterior walls of an office building in Quebec City (Canada). Cradle-to-grave life cycle assessments were conducted on eight wall assemblies. The life cycle assessment impacts were evaluated using openLCA, the ecoinvent database and the TRACI method. Energy use during the building use stage was simulated using EnergyPlus. The results indicate that initial embodied impacts can account for 41% to 66% of all environmental impacts throughout the wall assemblies' life cycle. These results suggest that in a low environmental impact energy mix, the initial embodied impacts can become the dominant source of environmental impacts in wall assemblies' life cycle. The results of this study will help decision makers understand the importance of assessing embodied impacts in the early stages of building design to conceive more sustainable buildings. These results will also guide practitioners in selecting more sustainable wall assemblies based on their environmental impacts.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles. / Malgré un engouement grandissant pour la construction massive en bois, celle-ci est limitée dans les codes du bâtiment pour des raisons de sécurité incendie. Au Canada le code restreint la construction en bois massif à certain groupe d'usage principal. Une solution de rechange peut toutefois être élaborée grâce à l'ingénierie de la sécurité incendie. Cette conception par objectifs de performance peut nécessiter des essais à grande échelle coûteux en temps et financièrement. Selon la complexité du scénario, ces essais pourraient être remplacés par une approche analytique plus rapide et moins dispendieuse. L'objectif du projet était de développer un modèle analytique prédisant la dynamique incendie, ainsi que la profondeur de carbonisation, lors d'un incendie dans un compartiment de construction massive en bois, ayant diverses quantités de bois exposé. L'analyse de quatre modèles existants a mis en lumière la nécessité de prendre en compte l'impact de la concentration d'oxygène et du flux thermique incident à la surface des éléments en bois sur leur vitesse de carbonisation. Le modèle à deux zones développé prédit le débit calorifique, la température et la concentration d'oxygène dans la couche de gaz chauds, ainsi que la profondeur de carbonisation des éléments en bois exposés. Les prédictions ont été comparées à 20 essais de feu de compartiment de construction massive en bois totalement ou partiellement encapsulé qui ont été réalisés au fil des dernières années. Les analyses qualitatives et quantitatives ont démontré que le modèle prédit fidèlement la dynamique générale des incendies expérimentaux. Les profondeurs de carbonisation prédites sont conservatrices et proches des valeurs expérimentales. Cinq limites du modèle et pistes d'améliorations ont été identifiées pour les versions futures du modèle. Le modèle développé devrait faciliter et soutenir la conception par performance de bâtiments en bois massif, ainsi que de potentiels changements pour augmenter les limites prescriptives sur l'exposition d'élément en bois massif dans les codes du bâtiment. / Despite a growing interest, mass-timber construction is currently limited by most building codes mainly due to fire safety concerns. In Canada, the building code restricts mass timber construction to a limited group of major occupancy. However, an alternative solution can be developed through fire safety engineering. This performance base design can require large-scale tests that are costly and time consuming. Depending on the complexity of the scenario, these tests could be replaced by a faster and less expensive analytical approach. The objective of the project was to develop an analytical model predicting the fire dynamics as well as the char depth during fire in mass timber construction compartment with different amounts of exposed surfaces. The analysis of four existing model highlights the necessity to account for the impact of the heat flux impinging on the surface and the oxygen concentration, on the timber element charring rate. The developed two-zone model predicts the heat release rate (HRR), the upper-layer temperature and oxygen concentration, as well as the char depth of exposed timber element. The model predictions were compared to 20 experimental mass timber compartment fires partially or fully encapsulated that were recently over the past few years. The qualitative and quantitative analysis showed that the model captures well the general fire dynamic i.e., HRR and temperature. Five limitations and improvements have been discussed and will be considered in future versions of this model. The developed model will facilitate and support performance-based fire design of timber buildings as well as potential changes to increase the prescriptive limits of exposed mass timber in building codes.

Titre de l'écran-titre (visionné le 11 janvier 2024) / Ce manuscrit présente un nouveau concept modulaire préfabriquée hybride en bois/aluminium. En particulier, ce document présente un concept de construction mixte dans lequel les éléments structuraux principaux sont préfabriqués en usine en combinant le bois et l'aluminium. La recherche démontre le potentiel des structures hybrides bois-aluminium en termes de durabilité, offrant des constructions modernes légères et résistantes aux séismes. Puisqu'elles sont plus légères et requirent moins de maintenance, les structures bois-aluminium se distinguent des autres structures hybrides. Ce document présente les résultats d'une analyse théorique et numérique sur une structure à plusieurs étages ainsi qu'expérimentale sur une poutre mixte aluminium-bois. / This manuscript presents a development of a new prefabricated and modular hybride timber-to-aluminium construction system. Particularly, this document presents a concept of composite construction in which the main structural elements are prefabricated in the factory by combining timber and aluminum. Research demonstrates the potential of wood-aluminium hybrid structures in terms of durability, offering modern constructions that are light and earthquake resistant. Timber-aluminum structures stand out from other hybrid structures because they are lighter and require less maintenance. This document presents the results of a theoretical and numerical analysis on a multi-story structure as well as an experimental one on an aluminum-timber beam.

Au Québec, la construction en bois massif pour les bâtiments de plus de trois étages gagne en popularité. Son caractère écologique et renouvelable est intéressant pour la construction de bâtiments commerciaux. Cependant, la faible utilisation de ce matériau dans le domaine commercial a suscité des questionnements par rapport au comportement thermique. Dans la présente étude, le comportement de la masse thermique a été analysé à l’aide de simulations numériques. Les variables étudiées sont les variables thermiques dynamiques, l’intensité énergétique et le confort. Deux logiciels ont été utilisés pour faire ces simulations. Le premier logiciel envisagé, e-Quest, ne s'est pas révélé pertinent pour les analyses sur l'effet de la masse thermique [1]. EnergyPlus a finalement été utilisé dans le cadre de cette étude. Les résultats ont démontré que le changement de type de masse thermique et la présence de masse thermique permettent de réduire la variation de température moyenne journalière des surfaces internes. Cette réduction atteint 27.8% (2.33°C) lorsque la construction en ossature légère de bois est changée pour une construction en béton massif de 4 W/m2-K RSI. Un constat majeur est que l’intensité énergétique varie surtout en fonction du type de masse thermique. En jumelant le type de masse thermique avec la résistance, un certain gain est obtenu en termes de réduction de l’intensité énergétique. L’épaisseur de masse thermique est le paramètre ayant le moins d’effet sur l’intensité énergétique. Les gains sont d’environ 2.5%, en combinant le type de masse thermique et l’épaisseur de celle-ci. Ce comportement peut s’expliquer par le fait que l’énergie emmagasinée dans l’enveloppe et retournée au bâtiment de façon décalée, ce qui réduit la charge de chauffage en hiver, mais génère des charges de climatisation durant l’été. La dimension du bâtiment étudié et la ventilation peuvent aussi expliquer les faibles gains observés en matière d’intensité énergétique. / In the province of Québec, massive wood buildings of three floors and more are becoming more and more popular. This material being ecological and renewable is interesting for commercial buildings. However, its use is fairly low in this type of buildings and this raises many questions related to the thermal behavior. In this study, the influence of thermal mass has been studied using numerical simulations. The variables analyzed are the dynamic thermal variables, the energy intensity and the comfort. Two programs have been used to perform the simulations. Since the simulations done using e-QUEST have not demonstrated their relevance for thermal mass analyses [1], EnergyPlus software was used to perform the simulations during this study. The results have demonstrated that the type of thermal mass change and the presence of thermal mass can reduce the mean daily temperature swing of the internal surfaces of the walls. This reduction is up to 27.8% (2.33°C) when the building type passes from a lightweight wood construction to a heavyweight concrete one with a 4 W/m2-K RSI. Another major notice is that the energy intensity principally varies in function of the thermal mass type. Coupled with the thermal resistance, this adds a certain reduction of the energy intensity. The thermal mass thickness is the parameter having the smallest effect on the energy intensity. Gains observed are around 2.5% when the modifications of the type of thermal mass and its thickness are combined. This behavior can be explained by the fact that the energy that is stocked in the envelope and returned to the building after a certain time lag reduces heating demand during winter, but generates cooling demand during summer. The size of the studied building and the ventilation system type could be an explanation of the weak gains obtained regarding the energy intensity.

Augmenter la part de marché du bois dans la construction non résidentielle est un objectif important dans les pays où les produits forestiers et de bois d'ingénierie jouent un rôle fondamental. Afin de faciliter la production de structures en bois innovantes, il est nécessaire de mettre sur pied des procédures de réingénierie en termes d’analyse de marché et d’amélioration de la productivité. L'objectif principal de cette thèse est de faciliter la production de bois d'ingénierie (produits en lamellé-collé) destiné à être utilisé dans des structures en bois innovantes telles que les résilles en bois. Pour atteindre ce but, trois objectifs spécifiques sont définis. Le premier objectif est de déterminer les phases de production et les opportunités de marché pour la production de résilles en bois. À cet égard, une revue de la littérature académique et de la littérature grise a été réalisée, et vingt échantillons ont été identifiés et analysés à l'aide de diagrammes de processus et de catégorisations. Les résultats ont montré qu’une structure en résille de bois est utilisée dans l'industrie de la construction en Europe et qu'elle est moins connue en Amérique du Nord, ce qui offre une opportunité de marché pour sa production et sa construction. La catégorisation des échantillons étudiés dans les petites, moyennes et grandes structures et l'identification des acteurs pour chaque catégorie fournissent une vue d'ensemble pour les entreprises qui envisagent la production de cette structure. Le deuxième objectif de cette thèse est de fournir un modèle de simulation pour la production de bois lamellé-collé dans de petites usines et le processus d'application de techniques Lean pour apporter des améliorations. À cet égard, le système de production d’une entreprise québécoise a été analysé et un modèle de simulation créé. Afin d'éliminer chaque source de gaspillage, un outil Lean a été suggéré en fonction de la réalité du système à l’étude. Les résultats ont montré une amélioration notable du temps d’attente et de cycle suite à l’utilisation de techniques issues du Lean. Ils ont également contribué à souligner qu’une élimination du gaspillage limitée à 50% pouvait améliorer la considérablement la productivité pour les petites entreprises et s’avérer un premier pas important dans l’implantation du Lean. Le troisième objectif est de fournir un outil de planification et d'ordonnancement de la production dans un contexte de production multi-projets d’ingénierie sur commande (Engineer-to-Order) de bois lamellé-collé. À cet égard, des modèles d'optimisation ont été créés. Le premier modèle (modèle 1) concerne la minimisation du coût de production total, tandis que le modèle 2 vise la minimisation de la durée totale des projets. Le modèle 3 cherche plutôt à réduire le temps de mise en route sur la presse, le poste goulot du système de production considéré. Le modèle 4 intègre les trois objectifs de réduction des coûts, de durée et de temps de mise en route. Deux scénarios d’ajout de projets de grande et de moyenne envergure ont été conçus et testés. Le test des scénarios démontre qu'il y a une capacité suffisante pour l’ajout d’un projet de grande envergure ou de neuf projets de taille moyenne sans recourir à la sous-traitance. L'ajout d'un projet de grande envergure est plus sensible à la période d'insertion, pouvant exiger du temps supplémentaire selon la date de début du projet. Les travaux de cette thèse permettent donc de fournir des outils d'aide à la décision pour les entreprises œuvrant dans un milieu d'ingénierie sur commande afin d'améliorer leur productivité et la standardisation de leurs processus. / Increasing the share of wood in non-residential construction is an important goal in countries with major forest and engineered wood products. In order to facilitate the production of innovative timber structures, procedures should be re-engineered in terms of market analysis and productivity improvement. The main objective of this thesis is to facilitate the production of engineered wood to be used in innovative wood structures such as timber gridshell. To achieve this goal, three specific objectives are defined. The first objective is to determine production phases and market opportunities for the production of timber gridshell. In this regard, a review of the academic and grey literature was conducted, and twenty samples were identified and analysed by making process charts and categorisations. The results showed that gridshell is used in the construction industry in Europe and is less recognised in North America, which provides a market opportunity for its production and construction. The categorisation of studied samples in small, medium and large structures provides an overview for the companies who consider the production of this structure. The second objective of this thesis is to provide a simulation model for the production of glued laminated timber in small factories and the process of applying lean techniques to make improvements. In this regard, the production system of a Small and medium-sized enterprise (SME) was analysed, and a simulation model was created. In order to eliminate each source of waste, a lean tool was suggested according to the reality of the system under investigation. The lean methods were applied in the simulation model to analyse the potential improvements. Results showed a noticeable improvement in waiting and cycle time. It also showed that applying even 50% elimination of the wastes is also a considerable solution to improve productivity as a beginning step for SMEs. The third objective is to provide a production planning and scheduling tool in the context of multi-project engineer-to-order production of glued laminated timber. In this regard, optimisation models were created. The first model (model 1) concerns the minimisation of total production cost while model 2 aims to minimise projects’ makespan. Model 3 introduces the set-up time reduction and model 4 integrates the three objectives of minimising cost, makespan and set-up time. Two scenarios of adding complex and medium projects were designed and tested. Testing the scenarios showed that there is enough capacity for adding one complex project or nine medium projects without the need to outsource. Adding a complex project is more sensitive to the insertion period and beginning the project in different weeks leads to different results in terms of the overtime requirement. As a result, the work of this thesis provides decision support tools for engineer-to-order environments which could help SMEs to improve their productivity and standardisation. / Résumé en espagnol

Le bois a été l’un des premiers matériaux utilisés par l’homme et possède encore aujourd’hui beaucoup de potentiel dans la construction. En effet, de nombreux matériaux d’ingénierie ont été développés à partir du bois, comme les panneaux de bois lamellé-croisé (CLT). Ces matériaux permettent d’être compétitifs avec le béton ou l’acier en termes de performance, de coût et d’empreinte environnementale. L’extraction des ressources, la fabrication de matériaux de construction et la construction elle-même (transport et machinerie) sont énergivores et à l’origine d’importants dégagements de gaz à effet de serre. Le bois est une ressource renouvelable qui a l’avantage de fixer du carbone lors de sa croissance et de le conserver une fois en service. Durant sa vie utile, un bâtiment va aussi consommer de l’énergie pour le chauffage / la climatisation et l’éclairage. C’est pourquoi la recherche de l’efficacité énergétique est nécessaire. Le CLT est un matériau d’ingénierie qui a le potentiel de démocratiser les bâtiments de moyenne hauteur en bois. En cela le CLT est avantageux pour la performance énergétique, puisque les panneaux font un effet barrière à l’air, à la vapeur et à la chaleur. Dans le système constructif en CLT, les jonctions avec les autres panneaux et les percements sont les principaux chemins de fuites pour l’air. Les infiltrations/exfiltrations vont être responsables d’importantes pertes thermiques. De plus, les exfiltrations peuvent induire une humidité excessive en présence de chaleur dans le mur, provoquant la croissance de moisissure et de pourriture du bois. La résistance des matériaux et la santé des occupants peuvent être compromises à moyen et long terme. Le but de ce projet est d’évaluer l’impact des tolérances d’assemblages, en présence d’une fuite d’air, sur la performance énergétique et la durabilité du mur afin de vérifier si les tolérances d’assemblages représentent un risque à prendre en considération ou non. Des thermographies d’une jonction en angle de murs en CLT prises lors d’une dépressurisation du bâtiment ont permis d’identifier une fissure. Un travail de modélisation de la fissure en fonction des températures observables a ensuite permis de dimensionner la fissure (0,72 mm traversant l’isolation) en considérant une tolérance d’assemblage pour le CLT de 2 mm. Cette fissure « modèle » a ensuite été transposée dans le cas d’un mur plat, afin que ne soit pas considéré le pont thermique lié à l’angle. Une analyse de l’impact sur la performance énergétique de tolérances d’assemblages variables a été réalisée par simulation informatique, pour une infiltration et une exfiltration. La simulation a également permis d’analyser l’impact sur la durabilité, en termes de développements fongiques et de risque de condensation, d’une exfiltration sur notre fissure « modèle ». La simulation a montré que l’impact d’une infiltration sur la performance énergétique est 1,62 fois plus grand que pour une exfiltration, qui est elle-même 1,37 fois plus énergivore qu’un mur sans fissure. L’influence de la largeur de la tolérance d’assemblage est minorée par la dimension de la fissure dans le reste du mur. La simulation des échanges hygriques dans la fissure a montré que la croissance de moisissure est à craindre en surface, lorsque l’humidité relative de l’air est de 40 % et plus. La zone touchée est principalement l’isolation, mais s’étend jusqu’au CLT à mesure que l’humidité relative de l’air exfiltré augmente. L’humidité de l’air condense à proximité de la sortie de l’exfiltration, ce qui peut mener à une accumulation de givre sous le revêtement extérieur. Le résultat de ces simulations permet de mettre l’accent sur l’importance de la continuité du pare-air et de la mise en place de mesures pour éviter qu’une tolérance d’assemblage soit un chemin libre pour l’air. L’utilisation de joints adhésifs souples pouvant épouser la découpe irrégulière du CLT et amortir les variations dimensionnelles permettrait de réduire les risques liés aux fuites d’air. / Wood is one of the first material mankind used to work with and is still full of potential for building sector. Many engineering materials have been developed from wood, such as the cross-laminated timber (CLT). Wooden engineering materials are as performant as steel and concrete but are also cost effective and have a lower environmental footprint. Resources extraction for the manufacture of building materials and the building phase itself require a lot of energy, and generate or release important amount of greenhouse gaz. Wood is a sustainable resource that has the benefit of being able to capture carbon during its growing phase and to preserve it. In service, buildings will have heating and cooling loads, depending of their energy efficiency, high energy efficiency is required to lower the overall energy footprint of buildings. CLT has the potential to be a greener substitute to reinforced concrete in the mid-rise building. CLT helps to reach energy efficiency because wood panels act as a barrier for air, vapor and heat. In CLT building system, junctions between panels and with other elements (ducts, wiring, etc) are the main leakage paths through the envelope. Infiltrations and exfiltrations are responsible for important heat losses. Exfiltrations can also lead to excessive moisture accumulation in the walls, resulting in mold and rot growth. Structural integrity and air quality can be jeopardized on the average/long term. The aim of this project was to assess the impact of gaps between CLT panels, in case of air leakages, on the energy efficiency and durability of the wall. A real case of infiltration in a corner of a CLT building was used to size an air leakage area in the insulation (0.72 mm through the insulation considering a 1 m high wall), intended an assembly tolerance or gap of 2 mm. The gap was then extrapolated to a flat wall, to exclude the thermal bridge effect of the corner. An energy efficiency assessment was done using simulations for both cases of infiltration and exfiltration, with variable assembly gap. Simulation also permits to assess the impact on durability, on mold growth risks, of the exfiltration for variable exfiltrated air relative humidity. Results show that infiltration has a greater impact (1.62 times) than exfiltration, which is itself 1.37 times more energy-consuming than a perfect wall. The impact of the assembly gap variations in the CLT is restricted by a maximum flow rate dicted by the air leakage path in the insulation. Simulation of moisture transfer shows that mold growth is to fear on the gap surface through the wall, when the exfiltrated air relative humidity exceeds 40 %. The first mold development should primarily affects the insulation, but extends to the CLT as the relative humidity of the exfiltrated air increases. Condensation occurs in the insulation near the outlet of the exfiltration, leading to an accumulation of ice behind the external cladding. Results of simulations show how important it is to keep the air barrier continuous, and to avoid that assembly gaps in the CLT act as shortcut for eventual air leaks. The use of flexible adhesive joints, which can match the irregular cut of the CLT and dampen the dimensional variations would reduce the risks of air leakage.