Pisé de terre or rammed earth is a building technique that has existed for over ten thousand years. Although this technique was first documented for Western Civilization by the Roman Pliny the Elder circa 79 AD, evidence of its use prior to his time is found in China, Europe, and elsewhere. Rammed earth achieved notoriety in the United States during three distinct periods in its history: the Jeffersonian era, the Great Depression, and the Back-to-Nature Movement of the 1970s. In the United States earth buildings are uncommon and usually deemed marginal or fringe. This is true even though at times the U.S. government has been a proponent of alternative building techniques, especially rammed earth. Intended for those interested in material culture, this thesis provides a brief history of rammed earth, articulates its importance to the building record of the United States, and describes methods for its preservation, repair, and maintenance.

Les murs massifs en pisé sont connus pour leur confort d’habitation et leur capacité à réguler la température et l’humidité à l’intérieur des bâtiments. L’évolution des réglementations – notamment thermiques (RT 2012) – implique aujourd’hui d’avoir des bâtiments répondant à des critères drastiques. Or, le bâti en pisé semble, a priori, ne pas s’inscrire dans les références définies par ces règlements. Il semblerait donc qu’il faille prendre en compte d’autres critères que la simple résistance thermique pour caractériser le comportement d’un bâtiment en pisé. Les mécanismes couplés de transferts de masse et de chaleur qui ont lieu au sein d’un matériau poreux comme le pisé et qui conduisent à cette régulation naturelle sont bien connus empiriquement. Cependant, leurs mises en évidence scientifiques sont, quant à elles, plus difficiles.L’objectif de la thèse a été de développer une chaîne de mesure des transferts hydriques et thermiques dans les bâtiments en pisé afin de les observer et de les quantifier. Une habitation neuve en pisé a été étudiée en particulier durant ces trois ans. La thèse s’est alors déroulée en quatre phases :1 - Développement d’une chaine de mesure (capteurs de teneur en eau liquide, d’humidité relative, de température, de flux de chaleur). Chacun de ces capteurs a été modifié, adapté et étalonné pour résister au damage et fonctionner dans un matériau dense et contenant de l’argile ;2 - Caractérisation géotechnique, thermique et hydrique du matériau : granulométrie, densité, transferts de liquide et de vapeur, sorption, conductivité thermique, chaleur spécifique ;3 - Essais à l’échelle du mur en laboratoire dans un caisson étanche fonctionnant en double enceintes climatiques conçues au laboratoire. Quatre murs en pisé ont été équipés des capteurs développés en phase 1 ;4 - Essais à l’échelle de l’habitation : la maison référence a été équipée des mêmes capteurs durant sa construction et un monitoring des transferts a été établis pour au moins 5 ans.Les objectifs principaux étaient d’instrumenter des murs en pisé durant leur fabrication en prenant en compte l’énergie de compaction, d’avoir un étalonnage des capteurs tenant compte des variations importantes de températures in situ et, d’enregistrer sur une longue période (au moins 5 ans) les conditions hydriques et thermiques dans les murs, ainsi qu’à l’intérieur et à l’extérieur de l’habitation. Les résultats obtenus mettent en évidence les phénomènes de transferts thermiques et hydriques se produisant dans le pisé. Les résultats expérimentaux permettent d’envisager la mise au point de modélisations adaptées à la terre compactée. / Massive rammed earth walls are known for their comfort of living and their ability to regulate the temperature and humidity inside buildings. The evolution of regulations – particularly the thermal ones (RT 2012) - now involves having buildings that meet stringent criteria. However, rammed earth buildings seem not to be in accordance with the references defined by these regulations. This suggests that criteria, other than the simple thermal resistance,should be taken into account to characterize the behavior of a rammed earth building. The coupled heat and mass transfers mechanisms occurring within a porous material such as rammed earth – which lead to this natural regulation – are well known empirically. However, their set scientific evidences are more difficult. The aim of the thesis was to develop a measurement chain of water and heat transfers in rammed earth, to observe and quantify them. A new rammed earth house has been studied during these three years. The thesis was then carried out in four phases:1. Development of a measurement chain (liquid water content probes, relative humidity, temperature and heat flux sensors). Each of the sensors was modified and adapted and calibrated to resist compaction and run in a dense material and containing clay;2. Geotechnical, hydric and thermal characterization of the material: particle size distribution, density, transfer of liquid and vapor, sorption, thermal conductivity,specific heat;3. Testing in laboratory at wall scale in a sealed box working as double climatic chambers designed in the laboratory. Four rammed earth walls were equipped with sensors developed in phase 1;4. Testing at a house scale: the reference house was equipped with the same sensors during construction and monitoring of transfers has been set up for at least 5 years.The main objectives were to instrument rammed earth walls during their manufacturing taking into account the compaction energy, to have a sensor calibration taking into account significant variations of in situ temperatures and record over a long period (at least 5 years) hydric and thermal conditions in the walls, as well as inside and outside the building.The obtained results demonstrate the phenomena of heat and water transfers occurring in the walls. The experimental results allow considering the development of models adapted to compacted earth.

Le bâti ancien est aujourd’hui confronté à des enjeux normatifs, environnementaux et patrimoniaux qui favorisent sa réhabilitation et engagent une multiplicité d’acteurs dans cette activité. Ces engagements mettent en débat les savoirs, les mondes professionnels et les attachements que ces acteurs tissent autour des espaces édifiés. La thèse explore ces dynamiques autour du cas particulier du bâti ancien en pisé (bâtiments construits en terre crue damée dans des coffrages) dans le département de l’Isère. L’objectif de ce travail est de comprendre et de décrire comment et par qui ce bâti est mis en projet et réhabilité, dans un double sens d’amélioration physique et de revalorisation d’un objet aux significations multiples. Nous faisons l’hypothèse que les projets de réhabilitation, par les multiples formes d’engagement qu’ils construisent, participent à détacher l’expérience de ce bâti d’une expérience ordinaire. Ces projets mettent à l’épreuve les attachements que leurs porteurs développent autour du bâti existant et de la matière terre qui le constitue autant que les savoirs et les pratiques constructives qui s’y appliquent. Ces épreuves participent à l’émergence de collectifs qui tissent un maillage politique au sein duquel se composent des espaces de dialogue et d’appropriation des usages, de la pratique et du devenir du bâti existant.Pour explorer cette hypothèse, la recherche s’inscrit dans une perspective interdisciplinaire qui articule ressources théoriques et méthodes développées en architecture, en ethnologie et en sociologie. Elle développe une anthropologie pragmatique des cultures constructives qui compose une problématisation commune entre ces disciplines autour des questions soulevées par la réhabilitation du bâti ancien. L’exploration de ces questions se base sur un travail d’enquête qualitative multi-située. Il décrit les mondes de la réhabilitation en action, en suivant des parcours de projet portés par plusieurs catégories d’acteurs (habitants, professionnels, institutions). La thèse revient d’abord sur les différentes formes d’engagement qui participent à mettre le bâti ancien en projet, de l’intervention sur un bâtiment spécifique à sa mise en valeur de manière générale. Ces expériences de réhabilitation portent l’attention sur différentes qualités du bâti et contribuent à le faire sortir de l’ordinaire. Le bâti ancien en pisé est ainsi engagé – et engage lui-même – dans de multiples réalités. À la fois maison, lieu de vie, lieu de travail, patrimoine local ou architecture de terre, il fait agir, réagir et rentrer en relation les acteurs qui s’y intéressent. La deuxième partie de l’analyse décrit comment la difficulté d’appliquer des protocoles de réhabilitation entraine les porteurs de projet à s’engager dans des épreuves et à chercher des prises leurs permettant de mener à bien leurs projets. Ces épreuves entrainent les acteurs qui s’y investissent à ajuster leurs relations entre eux et avec le bâti au fur et à mesure du processus de projet. À mesure qu’ils s’approprient les savoirs de la réhabilitation, ils développent différentes formes d’attachement autour du bâti. Les projets de réhabilitation contribuent alors à l’émergence de collectifs plus ou moins pérennes qui se réapproprient les modalités d’intervention sur le bâti et les décisions qui le concernent. La thèse s’attache finalement à mieux comprendre les dimensions plurielles (matérielle, constructive, architecturale et interactionnelle) des cultures constructives du pisé et de sa réhabilitation et propose les éléments d’un dialogue à poursuivre avec les acteurs de terrain autour de l’intérêt et des conditions permettant de faire tenir un espace politique autour des usages et du devenir du bâti existant. / Ancient buildings face today normative, environmental and patrimonial issues which foster their renovation and engage a great diversity of actors. This multiplicity initiates a debate around knowledge, professional worlds and attachments which are woven around existing buildings. This thesis delves into these dynamics focusing on the case of ancient rammed earth building (raw earth compressed into an external formwork) in the French department of Isere, France. It aims at describing how and by whom rammed earth buildings are involved in retrofitting projects, considering both their physical and representational improvement. We make the hypothesis that retrofitting projects, through the multiple ways of engagement they imply, help to free the experience of this buildings from an ordinary experience. Indeed, they put on trial the attachments developed by the actors around existing buildings and earthen material as much as the building knowledge and practices. These trials bring out collectives that weave a political meshwork. At different scales, this meshwork composes spaces for dialogue and appropriation of uses, practices and futures of existing buildings.The exploration of this hypothesis follows an interdisciplinary perspective that connect theoretical resources and methods developed in architecture, ethnology and sociology. It develops a pragmatic anthropology of building cultures composing a common problematic for these disciplines to discuss ancient building retrofitting. The investigation is based on multi-sited qualitative ethnography. Following projects paths carried by different actors (inhabitants, professionals, institutions), it describes the retrofitting worlds in action. First, the thesis describes the various forms of engagement in retrofitting projects, from the intervention on a specific building to its evaluation as heritage. These experience draw attention on different qualities of the buildings and bring them out of their ordinary status. Ancient rammed earth buildings are therefore engaged – and engage themselves – in multiple realities: house, place of life, workplace, local heritage, earthen architecture. It makes the actors act, react and interact. Then, the analysis shows how the difficulty of applying strict rehabilitation protocols leads the actors to engage in trials and to develop holds to carry out their projects. As the project progresses, these trials lead them to adjust their relations with each other and with existing buildings. As they grasp knowledge about retrofitting, they develop different attachments. Therefore, retrofitting projects contribute to the emergence of collectives, more or less durable. At their own scale, these collectives reclaim the methods of interventions on buildings and the decision that concern them. The thesis eventually aims to better understand the plural dimensions (material, constructive, architectural and interactional) of rammed earth building retrofitting and propose components for a dialogue to carry on with local stakeholders around the interests and conditions that would make possible to hold a political space around the uses and futures of existing buildings.

L'utilisation de matériaux locaux, naturels et non transformés offre des solutions prometteuses de construction à faible impact environnemental. La grande variabilité spatiale de ces matériaux est cependant un obstacle à une utilisation à plus grande échelle. Les stratégies de construction développées par les anciens bâtisseurs ont été dictées par le climat local et la qualité ainsi que la quantité de matériaux de construction disponibles localement. Ces stratégies de construction peuvent être considérées comme une gestion optimisée des ressources locales, naturelles et variables et sont une source d'inspiration pour la construction durable moderne. Malheureusement, cette connaissance a été perdue dans les pays occidentaux au cours du 20ème siècle. La redécouverte des savoir-faire traditionnels requiert le développement de moyens rationnels d’analyse du patrimoine. Un autre problème concernant l'utilisation de matériaux de construction naturels et variables est leur conformité vis-à-vis de la réglementation du secteur du bâtiment. Le développement de procédures d’essais performantiels est proposé comme solution pour faciliter l'utilisation des techniques de construction en terre. Une approche multidisciplinaire est proposée, combinant micromorphologie, pédologie, géotechnique et étude du patrimoine pour analyser le bâti vernaculaire en terre. Cette approche fournit des outils complémentaires pour évaluer la source des matériaux de construction et identifier les caractéristiques géotechniques de la terre employées dans le patrimoine. Il fournit également une description détaillée des processus vernaculaires de construction. En utilisant ces résultats, il a été possible d'élaborer des cartes de ressources et d’estimer l’ordre de grandeur de la disponibilité des ressources à l'échelle d’une région. Deux procédures d’essais performantiels ont été proposées afin de tenir compte de la variabilité naturelle des terres dans le contexte réglementaire actuel. La construction en terre jouera un rôle important dans la construction durable du 21ème siècle si les acteurs du secteur adoptent des procédés de construction capables de répondre à la demande sociale, avec un faible impact environnemental et à un coût abordable. L'étude du patrimoine en terre a démontré la capacité des anciens bâtisseurs à innover afin de se conformer aux variations de la demande sociale et aux développements techniques. La construction en terre bénéficie d'un passé ancien et riche et il convient de tirer profit de ce retour d’expérience. L'analyse du patrimoine en terre et la redécouverte des techniques de construction vernaculaire est une source d'inspiration précieuse pour la construction contemporaine. La valorisation des connaissances vernaculaires permettra d’économiser du temps, de l'énergie et d'éviter de répéter les erreurs passées. L'avenir de la construction de la terre doit s’inscrire dans la continuité de la construction en terre vernaculaire. / The use of local, natural and unprocessed materials offers promising low impact building solutions. The wide spatial variability of these materials is, however, an obstacle to a large-scale use. The construction strategies developed by past builders were dictated by the local climate and the quality and the amount of locally available construction materials. These construction strategies can be regarded as an optimized management of local, natural and variable resources and are a source of inspiration for modern sustainable building. Unfortunately, this knowledge was lost in Western countries during the 20th century. Vernacular earth construction know-how rediscovering requires the development of rational built heritage investigation means. Another issue regarding the use of natural and variable building material is their compliance with modern building regulation. The development of performance based testing procedures is proposed as a solution to facilitate the use of earth as a building material. A multidisciplinary approach is proposed, combining micromorphology, pedology, geotechnics and heritage disciplines to study vernacular earth heritage. It provides complementary tools to assess pedological sources of construction material and geotechnical characteristics of earth employed in vernacular earth heritage. It also provides a detailed description of the construction process of vernacular earth heritage. Using these results, it was possible to draw resource maps and provide a scale of magnitude of resource availability at regional scale. Two performance based testing procedures were proposed in order to take into account the natural variability of earth in a modern building context. Earth construction will play an important role in the modern sustainable building of the 21st century if the actors of the sector adopt earth construction processes able to meet social demand, with low environmental impact and at an affordable cost. The study of earth heritage demonstrated the ability of historical earth builders to innovate in order to comply with social demand variations and technical developments. Earth construction benefits of an old and rich past and it would be a non-sense to leave this past behind. The analysis of earth heritage and the rediscovering of vernacular construction techniques is a valuable source of inspiration for modern earth construction. The valorisation of vernacular knowledge will save time, energy and avoid repeating past mistakes. The future of earth construction should be a continuation of past vernacular earth construction.

La détermination des comportements mécaniques des murs en pisé est d’une importance capitale dans un contexte où il y a un regain d’intérêt pour l’utilisation de matériaux de construction à très faible impact environnementaux. D’une part, cette étude contribue à trouver des moyens appropriés pour la conservation et la restauration du patrimoine bâti et, d’autre part, permet d’établir de nouvelles recommandations pour la conception de nouvelles structures en pisé dans le respect des règlements de la construction (réglementation thermique et réglementation parasismique).Dans ce contexte, cette thèse étudie le comportement des murs en pisé soumis à des sollicitations horizontales. Quatre murs de terre en pisé non stabilisés ont été testés sous une combinaison de charge verticale et horizontale monotone (type pushover) jusqu'à la rupture. Le comportement au cisaillement et les modes de ruptures de ces murs sont étudiés à l’aide d’une technique de corrélation d’images à grande échelle. Les résultats ont montré que le pisé est caractérisé par un comportement mécanique non linéaire très significatif et une ductilité remarquable. D’une manière générale, les murs ont subi une rupture de cisaillement due à une fissuration principale au niveau de la bielle de compression. Des fissures à l'interface entre les différentes couches ont également été observées.L'évaluation de la performance de ces murs a été effectuée sur la base de la méthodologie pushover. Le travail expérimental a été complété avec la détermination des caractéristiques mécaniques du matériau pisé en compression puis une étude en cisaillement directe (cohésion et angle de frottement) à l’aide de deux boites de Casagrande de tailles différentes. Enfin, l’importance de ces paramètres a été analysée en réalisant des simulations numériques à l’échelle du mur. / Determining the mechanical behavior of rammed earth walls is a highly important feature giving that there is a renewed interest in the use of the natural material in building construction. On one hand, it contributes to finding suitable and appropriate ways for the conservation and restoration of these building and on another hand, it draws new recommendations for the conception of new rammed earth structures with respect to new building regulations (earthquake building guideline, new thermal regulation).In this context, this thesis investigates the behavior of rammed earth walls subjected to lateral loading. Four unstabilized rammed earth walls were tested under a combination of vertical and monotonic pushover tests up to failure. The shear behavior of these walls is studied along with the failure modes by means of digital image correlation. Results showed that the response of the rammed earth is characterized by significant non-linear behavior with a remarkable ductility. In general, the walls experienced a shear failure due to the failure of diagonal struts. Cracks at the interface between the bottom layers were also observed.The performance of these walls was assessed based on the pushover methodology. The experimental work was completed with the determination of the mechanical characteristics of rammed earth in compression and an investigation of the shear components: cohesion and friction angle of the rammed earth through shear box tests on a different scale. Finally, the relevance of these parameters was tested by performing a numerical model that aims to simulate the experimental tests done on the scale of the walls.

Cette contribution, en s’appuyant sur un travail expérimental et de modélisation numérique à l’aide de la méthode des éléments distincts, vise l’étude de structures en maçonnerie et de structures en pisé. Pour la partie maçonnerie, notre étude traite tout d’abord de modèles réduits testés sur table inclinable, puis dans un second temps nous avons testé des murs en briques à une échelle représentative. Dans la deuxième partie, nous avons mené des essais sur des murs en pisé sous un chargement en cisaillement, avec ou sans précontrainte axiale de confinement qui correspond à une descente de charge. Une modélisation numérique par la méthode des éléments discrets a été réalisée pour ces différents cas d’étude. La comparaison entre les résultats expérimentaux et numériques, nous a permis, d’évaluer les pertinences et limites de la modélisation via la méthode des éléments discrets (DEM). / This contribution, based on experimental work and numerical modeling using the distinct elements method, aims to study masonry structures and rammed earth structures. For the masonry part, our study first deals with reduced models tested on tilting table, then in a second time we tested brick walls on a representative scale. In the second part, we conducted tests on rammed earth walls under a shear loading, with or without axial prestressing of the containment which corresponds to a descent of load. Numerical modeling using the discrete element method has been carried out for these different case studies. The comparison between the experimental and numerical results, allowed us to evaluate the relevance and limits of modeling via the discrete element method (DEM).