En France, le secteur du bâtiment est le plus grand consommateur d'énergie et représente environ 43% de la consommation totale d'énergie. L'isolation thermique dans le bâtiment est nécessaire afin d'améliorer son efficacité énergétique. Dans certains pays dont la France, la rénovation des bâtiments occupe une place essentielle dans la stratégie de transition énergétique. La stratégie mise en place consiste donc à renforcer l'isolation thermique des enveloppes de bâtiment et ceci en perdant le moins de surface habitable possible. Ceci justifie le fait de développer et de mettre en œuvre à l'avenir des matériaux super isolants comme les aérogels. Les objectifs de cette étude sont d'examiner le comportement thermique des bâtiments et d'étudier l'amélioration possible de leur efficacité énergétique en utilisant un nouvel enduit isolant à base d'aérogels de silice et ainsi que l'énergie solaire. Tout d'abord, la performance thermique et hygrothermique des murs extérieurs est étudiée afin de trouver la meilleure structure de ces murs. Deuxièmement, nous étudions l'évolution du confort thermique et du comportement énergétique des maisons en adoptant le nouvel enduit isolant comme isolation extérieure. Cette évolution a aussi été représentée par un modèle mathématique. On a comparé les résultats obtenus à l'aide de ces modèles avec les mesures expérimentales faites sur une maison récemment construite. Enfin, le potentiel de réduction de la charge de chauffage en adoptant un système actif dans la paroi est analysé. Ce système est proposé pour capter une partie de l'énergie solaire qui tombe sur la façade sud et qui est disponible pendant les journées non nuageuses en hiver, et la transférer vers la façade nord par l'intermédiaire de canalisations d'eau intégrées dans l'enduit isolant objet de l'étude. / In France, the building sector is the largest consumer of energy and accounts for about 43% of the total energy consumption. The building sector offers significant potential for improved energy efficiency through the use of high-performance insulation and energy-efficient systems. For existing buildings, renovation has a high priority in France because these buildings represent a high proportion of energy consumption and they will be present for decades to come. Nowadays, there is a growing interest in the so-called super-insulating materials, such as Aerogels. The objectives of this study are to examine the thermal behavior of buildings and to foster energy efficiency through the use of a newly developed aerogel-based insulating coating as well as the use of renewable energy sources, specifically solar energy. Firstly, the thermal and hygrothermal performance of exterior walls having different layer composition structures are examined. Secondly, the heating energy demand as well as the risk of summer overheating is examined for different construction periods and under different climates. Also, a mathematical model is built and compared to experimental measurement of a recently built full-scale house. Finally, the potential to decrease the heating load by adopting a closed wall loop system is scrutinized. The latter is a proposed system to capture some of the solar energy falling on the south facade available during non-cloudy winter days and transfer it to the north facade through water pipes embedded in the aerogel-based coating.

Les constructions traditionnelles en bois en France et à Madagascar témoignent de l’utilisation ancienne d’abondantes ressources forestières locales. Le bois peut être considéré comme un matériau naturel et renouvelable dans la mesure où les ressources forestières sont gérées durablement. L’utilisation du bois dans la construction contribue largement à la maîtrise du cycle du carbone atmosphérique et à la limitation des émissions de gaz à effet de serre. Ce travail présente les principales caractéristiques physiques du matériau bois et des systèmes constructifs associés, montrant l’importance et l’influence du revêtement en bois sur l’environnement intérieur des habitations. La caractérisation des phénomènes hygrothermiques à l’échelle de la pièce d’habitation a été détaillée : présence d’eau dans le bois, comportement de l’équilibre hygroscopique, transfert thermique et transfert de masse, les paramètres physiques du bois et d’une ambiance intérieure. Enfin, ce travail apporte des connaissances sur l’évaluation des interactions entre le confort thermique, l’ambiance intérieure et le revêtement en bois, grâce à des campagnes de mesure in situ, à des mesures en laboratoire et à des modélisations de scénarios numériques. / Traditional wood buildings in France and in Madagascar use abundant local forest resources in architecture. Woodcan be considered as renewable and natural material when coming from sustainably managed forest. Using wood in construction contributes significantly in controlling the atmospheric carbon cycle and the emission of greenhouse gas. This study presents the main physical characteristics of wood materials and building systems showing the influence of wood coating on indoor environment. Hygrothermal phenomena across the living space are characterized and presented in this work : the presence of water in the wood, the behavior of equilibrium moisture, heat transfer and mass transfer, the physical parameters of wood material and physical parameters of indoor environment. Thermal comfort is similarly characterised. This work contributes knowledge on the evaluation of interactions between thermal comfort, indoor air and wood coating by means of in situ and laboratory measurements and numerical model simulations.

La réduction de la consommation énergétique dans le secteur de bâtiments présente aujourd’hui une priorité primordiale dans les politiques des pays industrialisés. En France, le secteur du bâtiment consomme environ 43 % de l’énergie finale et contribue pour près d’un quart aux émissions nationales de gaz à effet de serre [ADEME]. Il se positionne comme un acteur clé pour parvenir à résoudre les inquiétants défis environnementaux auxquels nous devons faire face. Face à ces véritables défis, l’augmentation des niveaux d’exigence des réglementations thermiques s’est poursuivie et intensifiée pendant les 40 dernières années, jusqu’à la naissance de la réglementation thermique 2012, qui a permis de construire des bâtiments basse consommation (BBC) qui équivaut à 50 kWh/m².an. Cette nouvelle réglementation plus exigeante constitue une incitation forte à l'innovation des matériaux, produits et systèmes d'enveloppe. Dans ces conditions, l’amélioration des performances hygrothermiques des matériaux de construction aura des retombées économiques et environnementales conséquentes. C’est dans ce contexte que ce travail a été mené. Il vise à étudier et à améliorer les performances des produits de l’entreprise Briqueteries du Nord (BdN). Il est réparti sur deux axes principaux : le premier consiste à l’étude de l’inertie thermique et du pouvoir hygroscopique des briques en terre crue. Le second axe vise à élaborer des solutions possibles concernant l’amélioration de la résistance thermique des briques en terre cuite. Ce travail de recherche a été réalisé au laboratoire de l’Ecole Centrale de Lille avec une étroite collaboration avec l’université d’Artois et l’entreprise (BdN) / Nowadays, the reduction of energy consumption in buildings industry represents a major issue in industrialized countries’ policies. In France, the building sector consumes about 43% of final energy and accounts for nearly a quarter of the national emissions of greenhouse gas emissions [ADEME]. It is considered as a key factor to overcome the environmental challenges we have to face.In front of these significant challenges, the thermal regulations requirements were seriously intensified during the last 40 years until the notification of the thermal regulation 2012. This latter enable the construction of low energy buildings (BBC) whose consumption is equivalent to 50 kWh/m² per year on average. This new regulation provides a strong incentive for innovation of materials, products and envelope systems. Under these conditions, improving hygrothermal performance of building materials will allow a substantial economic and environmental benefits. This work was conducted in this context. It aims to study and improve the performance of the company Briqueteries du Nord (BdN) products. It is divided in two main axis: the first consists on studying the thermal inertia and hygroscopic capacity of unfired clay bricks. However, the second axis aims to develop possible solutions for improving the thermal resistance of fired clay bricks. This research was conducted in the laboratory of the Ecole Centrale de Lille with close collaboration with the University of Artois and the BdN company

Ce travail a pour but d'étudier la tolérance à l'impact de 3 stratifiés carbone/époxy soumis simultanément à différents types de chargements hygrothermiques et mécaniques. Ces stratifications présentant des caractéristiques mécaniques globales particulières d'isotropie, il s'agit ici de déterminer l'influence de la séquence d'empilement sur le développement de l'endommagement lors d'un impact. Dans un premier temps, la cinétique de vieillissement hygrothermique des trois stratifications est étudiée et analysée. Ensuite, leur tolérance à un unique impact ainsi qu'à des impacts répétés est évaluée. L'endommagement résultant de ces impacts est analysé par contrôle ultrasonore. La morphologie générale et l'amplitude de l'endommagement dans la profondeur des matériaux sont mises en relation avec les propriétés mécaniques et la séquence d'empilement spécifique à chaque stratifié. Dans un deuxième temps, l'influence combinée de plusieurs sollicitations est étudiée. Différents scénarii associant un vieillissement hygrothermique ainsi qu'un ou deux impacts sont mis en oeuvre. L'endommagement résultant est mis en rapport avec les temps relatifs de vieillissement et la position des impact durant le cycle de vieillissement. Ensuite, l'influence d'une précharge de traction sur la tolérance à l'impact est mise en évidence. Un montage spécifique a été conçu et fabriqué pour réaliser ces tests. Enfin, l'association d'un vieilllissement hygrothermique et d'une précharge de traction est abordée afin d'identifier la sollicitation la plus pénalisant en terme de tolérance et d'impact / This study examines impact damage processes in three types of CFRP composite materials simultaneously subjected to different hygrothermal and mechanical loading conditions. The composite structures tested are chosen for having particular global isotropic responses when loaded, the aim being to ascertain the exact influence of lay-up sequence on impact damage propagation. The work is presented in four main sections. Firstly by establishing hygrothermal ageing dynamics for the three composite structure types and their behaviour when impacted once or several times ; impact damage is measured and analysed using ultrasonic method. The extent and general morphology of the damage through the material thickness is correlated with mechanical properties and lay-up sequence specific to each material. Secondly the influence of simultaneous load combinations is examined. These include different durations of hygrothermal ageing associated with single or double impacts.The resulting damage incurred is analysed with respect to overall ageing time and time during the ageing cycle when the impact was applied. Thirdly the effect of tensile loading during impact on damage within the material was studied. This was achieved using a specially designed test apparatus that allows loading and impacting conditions to be independently modified. By associating a high-speed digital camera to film specimen impacts it is possible to evaluate a relationship between overall composite specimen stiffness and the impact damage. Finally, in order to identify the most unfavourable situation with regard to impact damage resistance an association between hygrothermal ageing and an applied tensile load is examined

Notre thèse s’insère dans le cadre du projet ANR Micro « Matériaux Innovants Composites pour la Réparation d'Ouvrages : Approche fiabiliste du dimensionnement pour leur requalification et la prédiction de leur durabilité » L'objectif principal de la thèse est d’appréhender le problème de la durabilité par une approche expérimentale phénoménologique multi-échelle et de proposer des modèles de durée de vie au sens probabiliste. Le matériel d’étude est un carbone/époxy bidirectionnel non équilibré en masse (70% /30%) réticulé à l’ambiante et mis en œuvre par moulage au contact. Six vieillissements hygrothermiques obtenus par croisement entre les températures (20°C, 40°C et 60°C) et les humidités (50%, 75% et immersion) à diverses échéances ont été réalisés au cours de l’étude. Après identification des divers indicateurs, nous avons réalisé des analyses physico-chimiques (absorption-désorption, DSC, TMA, Infrarouge, DMA et Tomographie) ainsi qu’un suivi des caractéristiques mécaniques (traction, cisaillement interlaminaire, pull-out et double cisaillement) afin de définir les différents mécanismes de dégradation des propriétés mécaniques et physicochimiques des matrices polymères, des interfaces fibres–matrice, des joints de colle à l’interface composite-structure renforcée au cours du vieillissement pour le système classique Carbone/Epoxy. Ces indicateurs ont été analysés statistiquement afin de valider plus rigoureusement les tendances qui ont été observées. Le suivi des indicateurs mécaniques de performance par le vieillissement accéléré a été réalisé puis comparé à 1 an de vieillissement naturel. L’antagonisme des différents mécanismes de dégradations a été mis en évidence dans le cas de traction simple et du cisaillement interlaminaire. Il ressort que la plastification est le mécanisme qui affecte le plus les performances des composites carbone/époxy. Pour les températures élevées, il semble que la post-réticulation en densifiant le réseau a amélioré les cohésions interfaciales, ce qui a inhibé l’impact de la dégradation thermique sur les performances mécaniques. En comparant avec le vieillissement naturel, on a pu remarquer que le vieillissement en milieu aqueux était plus dégradant de façon générale et accélérait convenablement la dégradation en milieu naturel. En particulier, les tendances observées ne suivent pas des évolutions qui permettent d’apprécier trivialement la chute de performance par des modèles de prédiction. La qualité de l’adhérence composite/béton a été évaluée par des tests d’arrachement. Les fortes disparités entre les résultats rendent les interprétations délicates. Mais il a été mis en évidence que la post-réticulation semblent améliorer la cohésion tandis que la plastification est très néfaste pour la stabilité du joint de colle accélérant de façon excessive la dégradation en comparaison avec le vieillissement naturel. Cette instabilité a également été prouvée par les tests de double cisaillement où le délaminage était observé dès les premières échéances de vieillissement. La dernière partie du travail a consisté à proposer un traitement statistique des données pour valider tout d’abord les tendances observées expérimentalement, apporter plus d’informations et discuter sur le choix des modèles de prédiction. Bien que très apprécié par la communauté, l’utilisation des modèles physiques n’est pas systématique car elle suppose des performances dégénératives, ce qui en pratique n’est pas le cas. Une approche physique a été proposée sur la base de données épurée afin de respecter les conditions d’écriture du modèle. Le modèle choisi pour prédire la résistance ultime en traction est conservateur mais a le mérite d’être utilisable pour des études de fiabilité. L’enrichissement bayésien pourra être utilisé pour démontrer l’avantage qu’il peut conférer dans les études de fiabilité / Our thesis is part of this MICRO project "Innovative Composite Materials for the Repair of Structures: Reliability approach of the dimensioning for their requalification and the prediction of their durability". Final objective of the thesis is to understand the problem of sustainability through a multi-scale phenomenological experimental approach and to propose probabilistic life-time models. So, we defined the methodology of our study, as well as the methods, materials and analysis techniques. The study material is a non-equilibrium (70% / 30%) unbalanced bidirectional carbon / epoxy that is crosslinked at room temperature and made by hand layup process. Six hygrothermal aging obtained by crossing between temperatures (20°C, 40°C and 60°C) and humidities (50%, 75% and immersion) at various times were carried out during the study. After identifying the various indicators, we carried out physicochemical analyzes (absorption-desorption, DSC, TMA, Infrared, DMA and Tomography) as well as a follow-up of the mechanical characteristics (tensile, interlaminar shear, pull-out and double shear). These indicators were analyzed statistically to more rigorously validate the trends that were observed. The monitoring of mechanical performance indicators by accelerated aging was carried out and then compared to 1 year of natural aging. The antagonism of the various mechanisms of damage has been demonstrated in the case of simple traction and interlaminar shear. It appears that plasticization is the mechanism that most affects the performance of carbon / epoxy composites. For high temperatures, it appears that post-cure by densifying the network has improved interfacial cohesion, which has inhibited the impact of thermal degradation on mechanical performance. Comparing with natural aging, it was noted that aging in an aqueous condition was more generally degrading and aqueous conditions accelerated well the degradation in a natural environment. In particular, the trends observed do not follow evolutions that permit to write simplified prediction models. The quality of the composite / concrete adhesion was evaluated by pull-out tests. The strong disparities between the results make the analysis delicate. But it has been shown that the post-cure seems to improve the cohesion whereas the plasticization is very harmful for the stability of the bonded joints accelerating excessively the degradation in comparison to the natural aging. This instability has also been proven by the double shear tests where the delamination was observed from the first maturities of aging. The anchor length is reduced and a time-sensitive model has been proposed for the selected aging condition (60°C-immersion). On the other hand, this plasticization softens the failure due to the increased deformability of the joint. In this environmental condition, the monitoring of the elastic limit stress seems to be a relevant indicator for the monitoring of the durability because it simulates the natural aging with reasonable differences. The last part of our work consisted in the proposal of a statistical treatment of the data in order to validate firstly the trends observed experimentally, to bring more information and to discuss on the choice of the models of prediction. Although, physical model is very appreciated by the community, it is not systematically applicable. Indeed, it assumes degenerative performance, which in practice is not the case. A physical approach has been proposed on the refined database in order to respect the writing conditions of the model (degenerative trends). The model chosen to predict the ultimate tensile strength is conservative but applicable for reliability studies. Bayesian enrichment can be used to demonstrate the advantage it can confer in reliability studies

Ces travaux de thèse visent à trouver des solutions pour minimiser autant que possible la présence de microporosités dans les alliages aéronautiques conventionnels et nouveaux. Ces microporosités résultent notamment de la réaction de l’aluminium liquide, durant la phase de coulée, avec l’hydrogène apportée par la vapeur d’eau contenue dans les réfractaires. La plupart de ces produits sont des bétons hydrauliques à matrice cimentaire alumineuse. Dans une première étape, l’identification physico-chimique et minéralogique des matériaux et des produits élaborés a été réalisée. Le comportement thermo-hydrique de différentes de bétons et de pâtes cimentaires durcies a ensuite été étudié par des essais de reprise d'humidité réalisés dans diverses conditions hygrothermiques, y compris à températures élevées (300°C). On montre ainsi que les variations hydriques dépendent fortement de la nature du liant, en particulier de sa teneur en alumine. Les phénomènes de physisorption et chimisorption sont mobilisés. Parallèlement, le comportement thermique d'une goulotte réfractaire a été modélisé, première étape pour quantifier les transferts de vapeur d’eau au sein des matériaux. Des mesures continues de température et de pression ont été obtenues sur des éprouvettes de pâtes et de bétons diversement conditionnées, placées au contact d’une frette métallique maintenue à 700°C. D’autres mesures ont été faites. Elles ont consisté à immerger des échantillons (pâtes et bétons), préalablement conservés dans différentes conditions hygrothermiques, dans l’aluminium liquide, afin de comparer leur réactivité en termes de relargage d’hydrogène, d’oxygène et de vapeur d’eau / This thesis aims to find solutions to minimize as much as possible the presence of micro-porosities in conventional and new aerospace alloys. These micro-porosities resulting especially from the reaction of the molten aluminum, during the casting phase, with the hydrogen provided by the steam contained in the refractory castables. Most of these castables are composites obtained with hydraulic binders based on aluminous cements. Firstly, a physico-chemical and mineralogical characterization of the basic materials and processed products was performed. Then, the thermo-hydric behavior of different castables and hardened cement pastes (principal source of the physical water and the chemical water) was then studied by moisture pick up tests made in various hygrothermal conditions, including at high temperatures (300 °C). It was shown that the hydric variations amplitudes strongly depend on the binder’s nature, in particular on its alumina content. The phenomena of physisorption and chemisorption are mobilized. Meanwhile, the transient thermal behavior in the time through the thickness of a refractory launder was modeled as a first step to quantify the water vapor transfer in the materials. Continuous measurements of temperature and pressure were obtained on pastes and concretes samples variously packged, placed in contact with a heated metal band maintained at 700 °C. Other measurements were made. They consisted into immersing samples (cement pastes and castables), previously stored in different hygrothermal conditions in liquid aluminum, in order to compare their reactivity in terms of release of hydrogen, oxygen and water vapor

Nachhaltige Architektur erfordert neue Bauformen, innovative Konstruktionen und die Verwendung neuartiger Baumaterialien. Zur Abschätzung des Risikos von feuchtebedingten Schäden finden Programme der hygrothermischen Bauteilsimulation Anwendung. Bei der Entwicklung solcher Simulationsprogramme spielt die korrekte Modellierung der Klimarandbedingungen eine entscheidende Rolle. Beim Übergang von der kurzwelligen horizontalen Strahlungsstromdichte auf die kurzwellige Strahlungsstromdichte eines beliebigen Bauteils müssen Himmelsrichtung der Flächennormalen und die Neigung des Bauteils zum Ausschluss von Eigenverschattung berücksichtigt werden. Das dargestellte integrale Modell erlaubt die Berechnung und Programmierung in einem hygrothermischen Simulationsprogramm. Für den Fall, dass nur Messwerte der globalen Strahlungsstromdichte zur Verfügung stehen, können die direkten und diffusen Anteile mithilfe geeigneter Modelle mit einer sehr guten Genauigkeit berechnet werden. Zur Berechnung der langwelligen Strahlungsbilanz eines Bauteils stehen nur selten jene Klimaparameter zur Verfügung, mit denen die atmosphärische langwellige Strahlungsflussdichte analytisch bestimmt werden kann, weshalb semi-empirische Modelle Anwendung finden müssen. Die langwellige Ausstrahlung der Atmosphäre kann mithilfe von bodennaher Lufttemperatur und Luftfeuchte sowie zweier Bedeckungsgrad-Indizes berechnet werden, welche die langwelligen Strahlungseigenschaften der Atmosphäre auf der Basis der vorhandenen kurzwelligen Strahlungsstromdichten beschreiben. Damit wird erstmals ein umfassendes Modell für die langwellige Strahlungsbilanz vorgelegt, welches alle Möglichkeiten der Datenverfügbarkeit berücksichtigt. Die Berechnung der Schlagregenstromdichte auf ein Bauteil kann mit den meisten vorliegenden semi-empirischen Modellen nur sehr ungenau erfolgen. Andere Verfahren, wie z.B. CFD-Simulationen, kommen wegen des beträchtlichen Aufwands meist nicht in Frage. Das bislang einzige vorliegende umfassende validierte semi-empirische Modell von Blocken kann durch die Berücksichtigung der mesoklimatischen Verhältnisse in seiner Genauigkeit verbessert werden. / Sustainable architecture requires new building design, innovative constructions and the use of newly developed building materials. In order to determine the risk of moisture-related damages, computer programs for hygrothermal building part simulation are being used. If one develops such a simulation program, correct modelling of climatic boundary conditions plays an important role. When calculating the shortwave solar radiation flux density at an arbitrary building part on the basis of the shortwave solar radiation flux density on the horizontal surface, one must take into consideration the orientation and the inclination of the building part in order to preclude self-shading. The presented integral model allows the calculation and the programming in a hygrothermal simulation program. If only measured values of global radiation flux density are available, direct and diffuse parts can be determined very precisely by means of validated models. When calculating the longwave radiation balance on a building part, the needed values for the correct determination of atmospheric longwave radiation are hardly available. That’s why semi-empirical models will be applied. The longwave radiation flux density of the atmosphere can be determined on the basis of near-ground temperature and relative humidity and two cloud cover indices, which describe the longwave irradiative properties of the atmosphere by means of available shortwave radiation flux densities. Therewith, firstly an integral model is being presented in order to determine longwave radiation balance, which considers all possibilities of data availability. Most models for determination of driving rain load work with very bad accuracy. Other methods such as computational fluid dynamics (CFD) are not possible for hygrothermal building part simulations because of the huge effort. The only fully validated semi-empirical model by Blocken can be improved, if meso-climatic boundary conditions are taken into consideration.

Este trabajo de investigación presenta un diseño y posteriormente, la construcción de una vivienda unifamiliar a base de bolsas de tierra con un revestimiento interno de totora. Esta tesis tiene como objetivo poder brindar un diseño de vivienda que sea económico, estructuralmente estable, fácil de construir y, sobre todo, que sea un aislante térmico para las bajas temperaturas en época de heladas en la región de Puno. En la introducción, se plantea el problema actual de las viviendas rurales en el departamento de Puno y los datos de temperaturas y de población de la región de Mazocruz. El primer capítulo desarrolla el marco teórico de la investigación concerniente a la tierra como principal material para la estructura, la totora y sus propiedades de aislante térmico y, sobre el sistema de calefacción “Piso Kang”. Luego, en el segundo capítulo se explica la metodología de investigación y artículos científicos relevantes. El tercer capítulo abarca la verificación de estabilidad estructural del diseño de vivienda que se construyó. Posteriormente en el cuarto capítulo se explica a detalle cómo es la propuesta de diseño de la vivienda unifamiliar, considerando encuestas a pobladores de la zona para una distribución arquitectónica adecuada. En el quinto capítulo se presentan los métodos utilizados para el revestimiento con totora y el “Piso Kang” como sistema de calefacción natural. Luego, el sexto capítulo muestra el entregable final de este trabajo, que es una guía de construcción de esta vivienda para bajas temperaturas. En las conclusiones se presentan los resultados finales obtenidos luego de la construcción de la vivienda unifamiliar. Además, se presentan las recomendaciones para el desarrollo de futuras tesis de grado en esta línea de investigación. / In this research work a design is presented and later, the construction of a single-family dwelling based on earth bags with an internal “totora” coating. This thesis aims to provide a housing design that is economically, structurally stable, easy to build and, above all, that is a thermal insulator for low temperatures during the frost season in the Puno region. In the introduction, the current problem of rural housing in the department of Puno and the temperature and population data of the Mazocruz region are raised. In the first chapter, the theoretical framework of the research concerning the earth is presented as the main material for the structure, the “totora” and its properties as thermal insulating material and the method of natural heating called “Kang Floor”. Then, the second chapter is about the research methodology and the selection criteria of scientific articles and past research works that were of great contribution to this research is explained. The third chapter covers the verification of structural stability of the single-family housing design that was built. Later in the fourth chapter, is explained in detail how the design proposal of the single-family home was developed, taking as reference surveys conducted in the field, concluding in a right architectural distribution. In the fifth chapter, the methods used for totora cladding and the “Kang Floor” as a natural heating system are presented. Then, in the sixth chapter the final deliverable of this research work is developed, which is the guide for the construction of a single-family house for low temperatures. The conclusions show the results obtained after the construction of the single-family home. In addition, the appropriate recommendations for the development of future thesis in this line of research are presented. / Tesis

Greenhouse gas emissions are one of the critical factors that affect climate change, increasing flooding risk and threatening human life. The use of traditional construction materials is responsible for a higher percentage of global greenhouse gas emissions when compared to the use of sustainable materials in the construction industry. The substitution of current building materials with sustainable materials is essential to reduce greenhouse gas emissions and positively influence climate change when the current construction demand in the world is considered. Wood is one of the primary environmentally friendly construction materials in regard to high carbon storage and low carbon emissions. Cross-laminated timber (CLT) is prefabricated and this type of composite wood material is convenient for constructing middle to high rise buildings because materials are able to be cut to specific specifications which lowers onsite labor time. This research observed the hygrothermal behavior of partially submerged CLT wall panels during the wetting and drying period and simulated the flooding of the panels with a software tool, Wärme Und Feuchte Instationär (WUFI). The higher number of CLT layers caused a slower water penetration rate throughout the layers with a lower water absorption rate corresponding to the first layer than the other layers, so the water was primarily retained in the first layer. Also, water penetration through axial direction significantly decreased due to gravity impact when the height of CLT panels was increased. The visual assessment showed that the 3-day-wetted CLT panel configurations did not show any type of fungi growth through the wetting and drying period. However, both untreated and treated CLT panels with the envelope system did have fungi growth on the drywall after a 20-day-wetting period.

Three testing methods are proposed to characterize properties of fuel cell materials that affect the mechanical durability of proton exchange membranes (PEMs). The first two methods involved measuring the in-plane biaxial strength of PEMs and the biaxial hygrothermal stresses that occur in PEMs during hygrothermal cycles. The third method investigated the nonuniform thickness and compressibility of gas diffusion media which can lead to concentrated compressive stresses in the PEM in the through-plane direction. Fatigue and creep to leak tests using multi-cell pressure-loaded blister fixtures were conducted to obtain the lifetimes of PEMs before reaching a threshold value of gas leakage. These tests are believed to be more relevant than quasi-static uniaxial tensile to rupture tests because of the introduction of biaxial cyclic and sustained loading and the use of gas leakage as the failure criterion. They also have advantages over relative humidity cycling test because of the controllable mechanical loading. Nafion® NRE-211 membrane was tested at three different temperatures and the time-temperature superposition principle was used to construct a stress-lifetime master curve. Tested at 90°C, extruded Ion Power® N111-IP membrane was found to have longer lifetime than Gore™-Select® 57 and Nafion NRE-211 membranes under the same blister pressure profiles. Bimaterial specimens fabricated by bonding a piece of PEM to a substrate material were used to measure the hygral stresses, compressive and tensile, in the PEM during relative humidity cycles. The substrate material and its thickness were carefully chosen so that stresses in the PEM could be obtained directly from the curvature of the bimaterial specimen without knowing the constitutive properties of the PEM. Three commercial PEMs were tested at 80°C by cycling the relative humidity between 90% and 0% and by drying the membrane to 0%RH after submersion in liquid water. Stress histories for all three membranes show strong time-dependencies and Nafion® NRE-211 exhibited the largest tensile stress upon drying. Besides in-plane stresses, hard spots in gas diffusion media (GDM) can locally overcompress PEMs in the out-of-plane direction and cause electrical shorting. In this study, GDM samples sealed with an impermeable Kapton® film on the surface were compressed with uniform air pressure and the nonuniform displacement field was measured with a three-dimensional digital image correlation technique. Hard spots as a result of the nonuniform thickness and compressibility of the GDM were found and their severities as stress risers are evident. Locally, a nominal platen compression (similar to bipolar plate land compression) of 0.68 MPa can lead to compressive stress as large as 2.30 MPa in various hard spots that are in the order of 100s µm to 1 mm in size. / Ph. D.