La formulation de nouveaux adhésifs durant les dernières décennies a permis de développer des procédés de collage innovants pour l’industrie du bois. Dans cette optique, le collage du bois à l’état vert permet de créer une chaîne d’élaboration de matériaux techniques, sans ruptures de charges dans le processus industriel grâce à un séchage en fin de cycle. Or le collage implique un retrait empêché des assemblages au cours du séchage, induisant un développement de contraintes. À ce jour, de nombreuses études numériques portant sur le comportement du bois collé soumis à des variations hydriques ont été effectuées, sans pour autant avoir été mises en relation avec des études expérimentales. L’extension récente des techniques de corrélation d'images permet d'effectuer des mesures de champs sans contact, particulièrement adaptées à un matériau hygroscopique tel que le bois. L’objectif de la thèse est d’appréhender par des approches expérimentale et numérique les contraintes hydromécaniques qui peuvent survenir dans des assemblages contrecollés. Une expérimentation, permettant de mesurer les champs durant le séchage a été mise en place. Le modèle numérique retenu est un modèle élastique orthotrope, permettant de prendre en compte la morphologie du matériau bois. Nous pouvons identifier les paramètres gouvernant les mécanismes d'endommagement du joint de colle et proposer des conditions de mise en œuvre optimisant la tenue de l'assemblage au séchage. / The development of new adhesives during the last decades has implied radically changes in the sawmill industry. The gluing of unseasonned wood, called green gluing, allows a new order in the process of engineered wood products, thanks to the final position of the drying step. Nevertheless, the jointing prevents the free shrinkage of wood during the mass transfer, involving a stress development. Nowadays, numerous drying models have been developed to predict the deformations and stresses of wood, but few have been confirmed by experimental tests. For an organic material such as wood, the measurement of hygromechanical properties will be more efficient if there is no interaction between the material and the measurement system. One of the most promising experimental techniques for this kind of issue is noncontact optical measurement based on Digital Image Correlation principles. The objective of this study is to evaluate by experimental and numerical solutions the stress development in green-glued wood laminated timber subjected to drying conditions. An experimental method has been set up and the results allow to validate a numerical finite elements model. The model which has been chosen is an orthotropic elastic model, able to describe the morphology of the wood material. This study allows to identify the parameters governing the damage of the interface. This approach leads to suggest some preconizationsin order to optimize the behavior of product during the drying procedure.

Dans le cadre de la sécurité incendie, les produits industriels destinés au marché dela construction doivent être soumis à des essais de résistance au feu standardisés. Enparticulier, des critères de température limite à ne pas dépasser sont à satisfaire en face nonexposéedes produits. De plus, une attention est à apporter aux déformations hors plan del’élément testé. Ces essais de résistance au feu peuvent être contraignants et coûteux pour lesindustriels ce qui peut freiner leur démarche de Recherche et Développement. À ce titre, unprogramme de recherche a été lancé par la société EFECTIS France, laboratoire agréé enrésistance au feu, en collaboration avec le laboratoire I2M de l’Université de Bordeaux, dontl'objectif est de mettre au point un outil de simulation numérique d’essais de résistance au feu(four virtuel) appliqué à un bloc-porte en bois et produits dérivés (panneaux de particules etpanneaux de fibres). Le modèle thermomécanique développé prend en compte l’évolution despropriétés thermiques et mécaniques du matériau en fonction de l’avancement des réactionsde vaporisation et de pyrolyse ainsi que l’impact de ces réactions en termes d’énergiesconsommées et fournies. Ce modèle s’appuie notamment sur différents programmesexpérimentaux, comportant entre autre de la mesure de champ par corrélation d’images, dansle but de mesurer les données nécessaires à son bon fonctionnement. En se basant sur lecalcul du champ de température et sur l'estimation des déformations thermiques du bloc-portecoupe-feu, le modèle permet d’évaluer les performances au feu du produit. / In the context of fire safety, industrial products used in the building constructionmarket have to satisfy to standard fire resistance tests. In particular, a temperature criterionmust be satisfied on the unexposed side of the product and attention should be given to thedeformation of the product during fire. These tests are restrictive and costly for manufacturerswhich can slow down their R&D program. In this context, a research program was initiatedby the company EFECTIS France in collaboration with the laboratory I2M from theUniversity of Bordeaux whose main objective is to develop a numerical thermomechanicalmodel for simulating a fire resistance test (virtual furnace) on a fire door composed of woodand wood-based materials (particles and fibres boards). Thermomechanical model takes intoaccount the variation of thermal and mechanical properties as a function of vaporization andpyrolysis reactions. Energy impacts of those reactions are also included in the model. Thenumerical model involves experimental data to complete material properties needed for itsutilisation. To achieve this, different experimental programs were carried out, in particularmeasurements using digital image correlation. Based on simulated temperature field andestimation of the global bending of the fire door, the model allows evaluating fireperformances of the product.

L’utilisation des matériaux composites dans les structures assemblées a permis d’atteindre des niveaux de performance très élevés grâce aux propriétés spécifiques de ces matériaux. Cependant, pour garantir ces performances, les industriels s’appuient sur des gammes d’assemblage complexes afin de réduire les incertitudes et ainsi maitriser les chemins d’effort. Par exemple pour les assemblages par fixations, le contreperçage est privilégié pour limiter les défauts de positionnement des alésages et limiter les jeux. Ces gammes d’assemblage, incompatibles avec le principe d’interchangeabilité, augmentent considérablement les coûts de production.Aujourd’hui aucun outil ne permet de justifier, de remettre en cause ou d’optimiser les gammes d’assemblage en terme de compromis coût performance.Ce manuscrit propose donc une démarche de tolérancement fiabiliste des paramètres incertains pilotant le comportement des assemblages métal-composite par fixation. L’approche développée a pour but d’étudier l’effet des variabilités géométriques et matériaux sur la tenue des assemblages et de proposer une démarche pour les tolérancer. Le caractère probabiliste de la démarche, a nécessité le développement d’un modèle simplifié de comportement des assemblages par fixations afin de maitriser les temps de calcul. Ce modèle, construit à partir de surfaces rigides connectées et des éléments plaque 3-D, permet de représenter finement les phénomènes prépondérants dans le comportement des assemblages(jeu alésage fixation, contact, adhérence induit par la précharge des fixations). Il a été validé à la fois numériquement et expérimentalement. La réponse numérique de la propagation des incertitudes sur un critère de tenue mécanique est ensuite formalisée par une loi de densité de probabilité analytique. Les paramètres de cette loi sont identifiés par une stratégie combinant la méthode de Monte Carlo et la recherche des pire-cas avec un Algorithme Génétique. Cette approche permet alors de calculer les tolérances associées à un niveau de fiabilité visé. / The use of composite materials in joined structures allowed reaching highperformance level thanks to its specific material properties. However, to ensure theseperformances, a complex flow-process grid is needed in order to reduce uncertaintiesand to control therefore load distribution between fasteners. For example, with largeaeronautical structures, holes are drilled in a single operation in order to reduce holelocationerrors and clearance which increase considerably manufacturing cost.Today, no robust tool is available to allow justifying or optimizing joining process interms of both cost and joint performance.This thesis proposes therefore a reliability-based approach for the tolerancing ofuncertain parameters which could affect the behavior of fastened metal-compositejoints. The aim through the developed approach is to study the effect of geometricaland material variabilities on the performance of joints and to propose a method toprovide the optimal tolerances. The probabilistic character of the approach requiredthe development of a simplified model of fastened joint in order to reduce calculationtime. This model, based on connected rigid surfaces and continuum shell elements,allows representing finely physical phenomena in multi-material fastened joints(clearance, contact, adherence induced by tightening). This model was validatedexperimentally and numerically. The output distribution of the performance criteria,calculated after running a propagation of uncertainties, is then formalized by ananalytical probability density law. The parameters of this law are identified usingMonte Carlo method and worst-case approach based on a Genetic Algorithm. Thedeveloped approach allows therefore providing the appropriate tolerance associatedto an admissible performance criteria for the required reliability of the joint.

Résumé de louvrage La thèse déposée par L. Duchêne comporte cinq chapitres dont une introduction et des conclusions et perspectives et totalise 183 pages. La bibliographie compte 94 références. Louvrage a pour objet la modélisation du comportement mécanique des tôles métalliques (principalement des tôles dacier obtenues par laminage) lors des processus de mise à forme. Lanisotropie de la tôle découle de la mesure de la texture du matériau. Les processus de mise à forme étudiés sont principalement lemboutissage des tôles. Le mémoire propose le développement de deux méthodes locales dinterpolation de la surface de plasticité. Ensuite, ces modèles sont implémentés dans le code éléments finis LAGAMINE, puis validés sur quelques exemples académiques et finalement des applications industrielles sont examinées. Analyse du contenu Le premier chapitre introduit le sujet, définit le cadre dans lequel lauteur situe sa démarche et présente les originalités du travail. Le deuxième chapitre est consacré à la description du comportement microscopique des métaux et des méthodes de transition micro-macro. Le comportement dun monocristal ou plutôt le comportement dun cristal à lintérieur dun polycristal est examiné. Les modèles microscopiques de Taylor et de Bishop-Hill constituant une approche primal-dual pour ce problème sont décrits. Le comportement macroscopique du polycristal est obtenu à partir du comportement microscopique via la transition micro-macro sur base de la texture du matériau. Cette texture est généralement caractérisée par son ODF (Orientation Distribution Function). Cependant, le modèle de transition micro-macro utilisé, basé sur les hypothèses de Taylor, nécessite une description de la texture par un ensemble dorientations cristallines représentatif de la texture du matériau. Différentes méthodes dextraction de lensemble de cristaux représentatif sont décrites. Le nombre de cristaux inclus dans lensemble représentatif est un paramètre important et est discuté. Le comportement élastique et plastique du polycristal sont décrits. Outre le modèle de transition micro-macro basé sur les hypothèses de Taylor, dautres modèles plus récents et plus coûteux en temps de calcul sont décrits. Le deuxième chapitre introduit également lécrouissage du polycristal. Le troisième chapitre présente les étapes successives du développement de lapproche locale de la surface de plasticité. Etant donné que la surface de plasticité est définie dans lespace à 5 dimensions des contraintes déviatoriques, des notions de géométrie dans un espace à n dimensions sont présentées. Différentes propriétés des domaines dans lesquels la surface de plasticité est localement définie sont décrites ; ainsi que la méthode de construction des domaines et le lien entre domaines voisins. Deux méthodes dinterpolation à partir de points calculés via le modèle de Taylor de la surface de plasticité à lintérieur des domaines ont été développées et sont présentées. La méthode de hyperplans définit localement la surface de plasticité au moyen dhyperplans (des plans dans lespace à 5 dimensions des contraintes déviatoriques). La méthode dinterpolation directe contraintes-déformations permet une représentation plus précise et plus continue entre domaines voisins de la surface de plasticité. Etant donné son importance cruciale pour la convergence des simulations numériques utilisant la méthode des éléments finis, la normale à la surface de plasticité est soigneusement examinée pour les deux méthodes locales dinterpolation. Certains problèmes particuliers rencontrés lors du développement et liés à lapproche locale de la surface de plasticité sont présentés pour les deux méthodes dinterpolation. Quelques points particuliers liés à limplémentation de ces méthodes dans le code éléments finis LAGAMINE sont décrits. Le principal intérêt de lapproche locale de la surface de plasticité est son efficacité lors du calcul de lévolution de texture au cours des déformations plastiques. Un paragraphe est dès lors consacré aux détails de calcul des rotations des orientations cristallines et à limplémentation de lévolution de texture dans le code éléments finis. Le chapitre 3 se termine par un paragraphe qui analyse la précision, la robustesse et le gain en temps de calcul (par rapport à lutilisation directe du modèle de Taylor) de lapproche locale de la surface de plasticité. Le quatrième chapitre présente les validations de lapproche locale de la surface de plasticité. Trois validations académiques sont tout dabord effectuées : prédiction de lévolution de texture lors du laminage ; prédiction de leffet Swift en cours de torsion dun tube ou dun cylindre et comparaison du comportement en torsion et compression des métaux cubiques faces centrées et cubiques centrés isotropes. La première validation complexe est lemboutissage de godets circulaires à fond plat. Les résultats des simulations (distribution des déformations plastiques, évolution de la force poinçon en fonction du temps, prédiction des oreilles demboutissage et prédiction de la texture finale) sont comparés aux valeurs expérimentales. La géométrie du processus demboutissage, la mesure des valeurs expérimentales et les paramètres numériques utilisés pour les simulations sont largement détaillés. Linfluence de certains paramètres numériques sur les résultats des simulations est de plus analysée. Une seconde simulation demboutissage avec une autre géométrie et un matériau plus anisotrope est également étudiée. Les oreilles demboutissage sont particulièrement analysées ; le retour élastique dû à un retrait des outils est examiné. Le mémoire se termine par un cinquième chapitre qui présente des perspectives et des conclusions permettant à lauteur de synthétiser les apports de sa thèse et dindiquer quelles directions de recherches lui paraissent devoir être explorées dans le futur.

Le second chapitre introduit les différents couplages présents dans une analyse mécanique thermique métallurgique. Il rappelle ensuite les notions de métallurgie nécessaires à la compréhension de ce travail. Le troisième chapitre décrit la modélisation adoptée pour l'analyse thermique métallurgique non couplée au problème mécanique. Le modèle choisi est celui de FERNANDES (CP30). Le code développé par ce dernier était limité à l'étude de cylindres infiniment longs, c'est-à-dire à un problème unidimensionnel. L'intégration de ce modèle, dans le code LAGAMINE apporte une grande liberté quant aux formes géométriques traitées. Actuellement, les cas bidimensionnels (état plan ou axisymétrique) peuvent être traités, une extension aux cas tridimensionnels ne pose pas de problème si ce n'est celui des temps de calcul. Du point de vue théorique, nous avons proposé une formulation différentielle de la modélisation des transformations par diffusion. Cette approche, indépendante de celle de SJOSTROM (CP38) a permis de vérifier cette dernière par une voie différente. En outre, la comparaison de cette approche avec celle plus classique de FERNANDES constitue un élément nouveau intéressant. Pour terminer, des tests de validation des développements correspondants dans le code LAGAMINE sont présentés. Le chapitre quatre est consacré aux problèmes numériques à résoudre pour réaliser une simulation de refroidissement d'une pièce métallique. Une bibliographie des schémas d'intégration temporelle des problèmes thermiques linéaires et non linéaires est présentée. A ce niveau, nous ne pouvons parler de contribution originale puisqu'il s'agit de schémas devenus classiques. Cependant, il est assez rare de trouver un résumé de ces notions souvent dispersées dans de nombreux articles. A ce titre, nous considérons ce point comme un apport intéressant de cette thèse. La prise en compte des changements de phase a occasionné un grand nombre de recherches. Après avoir fait le point sur les méthodes proposées par la littérature, nous décrivons les développements introduits dans le code LAGAMINE. Le calcul des flux et de la matrice tangente est détaillé. Ce dernier point constitue un apport personnel original, surtout au niveau de la contribution des transformations de phase à la matrice tangente. Le chapitre cinq est consacré aux interactions existant entre les phénomènes mécaniques, thermiques et métallurgiques. Une présentation approfondie de chaque couplage est réalisée et la notion de plasticité de transformation est introduite. Notre contribution personnelle et originale réside dans :  une loi élasto-plastique thermique couplée pour un matériau monophasique,  une loi élasto-plastique thermique métallurgique pour un matériau multiphasique. L'intégration des lois élasto-plastiques thermiques, métallurgiques ou non, dans le code LA GAMINE constitue le chapitre six. Les points suivants constituent un apport original de cette thèse:  schéma d'intégration temporelle de base pour ces lois couplées,  apport des sous-intervalles d'intégration,  étude de la matrice tangente couplée d'un élément isoparamétrique à 8 nuds,  amélioration du schéma d'intégration temporelle de base pour assurer la stabilité en cas de transformation martensitique,  développement de la notion d'état plan généralisé pour l'étude du refroidissement d'une poutrelle métallique. Le chapitre sept présente le problème du remaillage. Après une description succincte des solutions proposées par la littérature, nous justifions notre choix d'un remaillage avec maillage indépendant. Ce dernier semble en effet le mieux adapté aux problèmes de forgeage et d'estampage que nous désirons résoudre. Le chapitre huit est consacré à la détermination de l'instant opportun pour réaliser un remaillage. Nous distinguerons deux types de critères: a. les critères avec estimation de l'erreur, développés dans le cadre de l'optimisation des maillages d'éléments finis lors d'une analyse linéaire, ou adaptés aux problèmes non linéaires de formage des métaux, b. les critères sans estimation de l'erreur, basés sur des mesures de distorsion des éléments, les valeurs propres, les mesures des interpénétrations de la pièce forgée et de la matrice. Concernant les critères du type a, notre contribution personnelle est la suivante:  étude bibliographique traduisant dans un vocabulaire d'ingénieur, les développements mathématiques souvent présents lors des études d'estimateurs d'erreur,  adaptation du critère proposé par ZIENKIEWICZ aux lois élastoviscoplastiques présentes dans LAGAMINE et essai d'une variante basée sur une idée personnelle. Concernant les critères de type b, nous proposons des mesures de distorsions originales pour un élément isoparamétrique plan à 8 nuds et nous présentons une analyse des valeurs propres de la matrice tangente. Pour terminer, nous présentons une comparaison des critères de type a et b programmés dans LAGAMINE. A notre connaissance, une telle comparaison n'avait encore jamais été réalisée. Elle nous permet de vérifier la concordance des deux approches. Les avantages et inconvénients de chacune de ces méthodes sont établis. Ils permettent de réaliser un choix des critères à conserver dans l'optique d'un remaillage automatique. Le chapitre neuf présente succinctement la création du nouveau maillage. Les exigences relatives à un mailleur automatique adapté au problème de remaillage sont précisées. Une première approche fut réalisée par nos soins grâce à un programme interactif REMDATA. Les développements originaux de ce programme sont détaillés en annexe 3. Le chapitre dix traite le transfert des informations de l'ancien maillage au nouveau maillage. A ce niveau, deux types d'informations sont considérés: a. les informations relatives aux éléments de solide, b. les informations relatives aux éléments modélisant le contact Le transfert des informations de type a est une opération souvent traitée par la littérature. Après une revue bibliographique des méthodes proposées, nous présentons une méthode originale et personnelle de transfert. Ses qualités principales sont sa précision, sa facilité de mise en uvre et sa souplesse d'utilisation. Une comparaison de cette méthode avec deux autres méthodes basées respectivement sur les moindres carrés et sur l'extrapolation nodale des valeurs aux points d'intégration est présentée. Concernant les informations de type b, nous n'avons trouvé aucune référence qui traitait leur transfert d'un maillage à l'autre. Ce point est cependant important, comme le montrent des essais de remaillage réalisés sans interpolation de ces variables. Les deux méthodes de transfert présentées dans cette thèse montrent l'évolution de notre approche de ce problème. Toutes deux constituent des apports personnels et originaux. Le chapitre onze présente cinq exemples d'application des développements réalisés: 1. l'analyse thermique métallurgique d'une poutrelle métallique refroidie par arrosage et refroidissement naturel, 2. l'analyse thermique métallurgique mécanique d'une poutrelle métallique refroidie par arrosage et refroidissement naturel, 3. l'analyse thermique métallurgique mécanique de la trempe d'un cylindre en acier 60NCD11, 4. la simulation de l'estampage d'une aube de turbine (analyse mécanique avec remaillage), 5. la simulation de l'estampage d'un pignon de machine (analyse mécanique avec remaillage). Hormis l'application 3 qui constitue l'application du code à un cas test déjà traité par DENIS et SJOSTROM (CP31), ces exemples constituent des contributions originales. Quelques conclusions sont proposées au chapitre douze. Parmi nos contributions originales, certaines nous semblent d'une ampleur et d'un intérêt plus grands :  la loi élastoplastique thermique métallurgique et son schéma d'intégration prennent en compte les couplages existant entre les différents phénomènes. Le nombre de codes réalisant une telle analyse est assez réduit alors que des calculs réalistes de contraintes résiduelles de trempe, de soudure ne peuvent être obtenus par des analyses découplées. De plus, l'adaptation des modèles développés à d'autres traitements thermiques (revenu n.) constitue de nouvelles perspectives de recherches pour l'équipe de M.S.M.,  une présentation des estimateurs d'erreur disponibles dans le cadre de la méthode des éléments finis est une information précieuse pour les ingénieurs numériciens comme pour les industriels qui ont recours à ces calculs,  les différents avantages et inconvénients des critères de remaillage basés respectivement sur les estimateurs d'eITeur et les mesures des distorsions des éléments constituent un élément important pour ceux qui doivent faire un choix entre ces deux types de critères,  l'importance du transfert des informations relatives au contact a été mis en évidence, alors que ce sujet n'est pas abordé dans la littérature.

The Finite Element Method (FEM) based computational mechanics is applied to simulate the optimal attenuation of vibrations in actively controlled structures. The simulation results provide the forces to be generated by actuators, as well as the structures response. Vibrations can be attenuated by applying either open loop or closed loop control strategies. In open loop control, the control forces for a given initial (or disturbed) configuration of the structure are determined in terms of time, and can be preprogrammed in advance. On the other hand, the control forces in closed loop control depend only on the current state of the system, which should be continuously monitored. Optimal attenuation is obtained by solving the optimality equations for the problem derived from the Pontryagins principle. These equations together with the initial and final boundary conditions constitute the two-point-boundary-value (TPBV) problem. <p>Here the optimal solutions are obtained by applying an analogy (referred to as the beam analogy) between the optimality equation and the equation for a certain problem of static beams in bending. The problem of analogous beams is solved by the standard FEM in the spatial domain, and then the results are converted into the solution of the optimal vibration control problem in the time domain. The concept of the independent-modal-space-control (IMSC) is adopted, in which the number of independent actuators control the same number of vibrations modes. <p>The steps of the analogy are programmed into an algorithm referred to as the Beam Analogy Algorithm (BAA). As an illustration of the approach, the BAA is used to simulate the open loop vibration control of a structure with several sets of actuators. Some details, such as an efficient meshing of the analogous beams and effective solving of the target condition are discussed. <p> Next, the BAA is modified to handle closed loop vibration control problems. The algorithm determines the optimal feedback gain matrix, which is then used to calculate the actuator forces required at any current state of the system. The methods accuracy is also analyzed.

The Finite Element Method (FEM) based computational mechanics is applied to simulate the optimal attenuation of vibrations in actively controlled structures. The simulation results provide the forces to be generated by actuators, as well as the structures response. Vibrations can be attenuated by applying either open loop or closed loop control strategies. In open loop control, the control forces for a given initial (or disturbed) configuration of the structure are determined in terms of time, and can be preprogrammed in advance. On the other hand, the control forces in closed loop control depend only on the current state of the system, which should be continuously monitored. Optimal attenuation is obtained by solving the optimality equations for the problem derived from the Pontryagins principle. These equations together with the initial and final boundary conditions constitute the two-point-boundary-value (TPBV) problem. <p>Here the optimal solutions are obtained by applying an analogy (referred to as the beam analogy) between the optimality equation and the equation for a certain problem of static beams in bending. The problem of analogous beams is solved by the standard FEM in the spatial domain, and then the results are converted into the solution of the optimal vibration control problem in the time domain. The concept of the independent-modal-space-control (IMSC) is adopted, in which the number of independent actuators control the same number of vibrations modes. <p>The steps of the analogy are programmed into an algorithm referred to as the Beam Analogy Algorithm (BAA). As an illustration of the approach, the BAA is used to simulate the open loop vibration control of a structure with several sets of actuators. Some details, such as an efficient meshing of the analogous beams and effective solving of the target condition are discussed. <p> Next, the BAA is modified to handle closed loop vibration control problems. The algorithm determines the optimal feedback gain matrix, which is then used to calculate the actuator forces required at any current state of the system. The methods accuracy is also analyzed.

Aquesta tesi proposa una millora del clàssic mètode dels elements finits (finite element method, FEM) per a un tractament eficient de dominis amb contorns corbs: el denominat NURBS-enhanced finite element method (NEFEM). Aquesta millora permet descriure de manera exacta la geometría mitjançant la seva representació del contorn CAD amb non-uniform rational B-splines (NURBS), mentre que la solució s'aproxima amb la interpolació polinòmica estàndard. Per tant, en la major part del domini, la interpolació i la integració numèrica són estàndard, retenint les propietats de convergència clàssiques del FEM i facilitant l'acoblament amb els elements interiors. Només es requereixen estratègies específiques per realitzar la interpolació i la integració numèrica en elements afectats per la descripció del contorn mitjançant NURBS.La implementació i aplicació de NEFEM a problemes que requereixen una descripció acurada del contorn són, també, objectius prioritaris d'aquesta tesi. Per exemple, la solució numèrica de les equacions de Maxwell és molt sensible a la descripció geomètrica. Es presenta l'aplicació de NEFEM a problemes d'scattering d'ones electromagnètiques amb una formulació de Galerkin discontinu. S'investiga l'habilitat de NEFEM per obtenir solucions precises amb malles grolleres i aproximacions d'alt ordre, i s'exploren les possibilitats de les anomenades malles NEFEM, amb elements que contenen singularitats dintre d'una cara o aresta d'un element. Utilitzant NEFEM, la mida de la malla no està controlada per la complexitat de la geometria. Això implica una dràstica diferència en la mida dels elements i, per tant, suposa un gran estalvi tant des del punt de vista de requeriments de memòria com de cost computacional. Per tant, NEFEM és una eina poderosa per la simulació de problemes tridimensionals a gran escala amb geometries complexes. D'altra banda, la simulació de problemes d'scattering d'ones electromagnètiques requereix mecanismes per aconseguir una absorció eficient de les ones scattered. En aquesta tesi es discuteixen, optimitzen i comparen dues tècniques en el context de mètodes de Galerkin discontinu amb aproximacions d'alt ordre.La resolució numèrica de les equacions d'Euler de la dinàmica de gasos és també molt sensible a la representació geomètrica. Quan es considera una formulació de Galerkin discontinu i elements isoparamètrics lineals, una producció espúria d'entropia pot evitar la convergència cap a la solució correcta. Amb NEFEM, l'acurada imposició de la condició de contorn en contorns impenetrables proporciona resultats precisos inclús amb una aproximació lineal de la solució. A més, la representació exacta del contorn permet una imposició adequada de les condicions de contorn amb malles grolleres i graus d'interpolació alts. Una propietat atractiva de la implementació proposada és que moltes de les rutines usuals en un codi d'elements finits poden ser aprofitades, per exemple rutines per realitzar el càlcul de les matrius elementals, assemblatge, etc. Només és necessari implementar noves rutines per calcular les quadratures numèriques en elements corbs i emmagatzemar el valor de les funciones de forma en els punts d'integració. S'han proposat vàries tècniques d'elements finits corbs a la literatura. En aquesta tesi, es compara NEFEM amb altres tècniques populars d'elements finits corbs (isoparamètics, cartesians i p-FEM), des de tres punts de vista diferents: aspectes teòrics, implementació i eficiència numèrica. En els exemples numèrics, NEFEM és, com a mínim, un ordre de magnitud més precís comparat amb altres tècniques. A més, per una precisió desitjada NEFEM és també més eficient: necessita un 50% dels graus de llibertat que fan servir els elements isoparamètrics o p-FEM per aconseguir la mateixa precisió. Per tant, l'ús de NEFEM és altament recomanable en presència de contorns corbs i/o quan el contorn té detalls geomètrics complexes. / This thesis proposes an improvement of the classical finite element method (FEM) for an efficient treatment of curved boundaries: the NURBSenhanced FEM (NEFEM). It is able to exactly represent the geometry by means of the usual CAD boundary representation with non-uniform rational Bsplines (NURBS), while the solution is approximated with a standard piecewise polynomial interpolation. Therefore, in the vast majority of the domain, interpolation and numerical integration are standard, preserving the classical finite element (FE) convergence properties, and allowing a seamless coupling with standard FEs on the domain interior. Specifically designed polynomial interpolation and numerical integration are designed only for those elements affected by the NURBS boundary representation.The implementation and application of NEFEM to problems demanding an accurate boundary representation are also primary goals of this thesis. For instance, the numerical solution of Maxwell's equations is highly sensitive to geometry description. The application of NEFEM to electromagnetic scattering problems using a discontinuous Galerkin formulation is presented. The ability of NEFEM to compute an accurate solution with coarse meshes and high-order approximations is investigated, and the possibilities of NEFEM meshes, with elements containing edge or corner singularities, are explored. With NEFEM, the mesh size is no longer subsidiary to geometry complexity, and depends only on the accuracy requirements on the solution, whereas standard FEs require mesh refinement to properly capture the geometry. This implies a drastic difference in mesh size that results in drastic memory savings, and also important savings in computational cost. Thus, NEFEM is a powerful tool for large-scale scattering simulations with complex geometries in three dimensions. Another key issue in the numerical solution of electromagnetic scattering problems is using a mechanism to perform the absorption of outgoing waves. Two perfectly matched layers are discussed, optimized and compared in a high-order discontinuous Galerkin framework.The numerical solution of Euler equations of gas dynamics is also very sensitive to geometry description. Using a discontinuous Galerkin formulation and linear isoparametric elements, a spurious entropy production may prevent convergence to the correct solution. With NEFEM, the exact imposition of the solid wall boundary condition provides accurate results even with a linear approximation of the solution. Furthermore, the exact boundary representation allows using coarse meshes, but ensuring the proper implementation of the solid wall boundary condition. An attractive feature of the proposed implementation is that the usual routines of a standard FE code can be directly used, namely routines for the computation of elemental matrices and vectors, assembly, etc. It is only necessary to implement new routines for the computation of numerical quadratures in curved elements and to store the value of shape functions at integration points. Several curved FE techniques have been proposed in the literature. In this thesis, NEFEM is compared with some popular curved FE techniques (namely isoparametric FEs, cartesian FEs and p-FEM), from three different perspectives: theoretical aspects, implementation and performance. In every example shown, NEFEM is at least one order of magnitude more accurate compared to other techniques. Moreover, for a desired accuracy NEFEM is also computationally more efficient. In some examples, NEFEM needs only 50% of the number of degrees of freedom required by isoparametric FEs or p-FEM. Thus, the use of NEFEM is strongly recommended in the presence of curved boundaries and/or when the boundary of the domain has complex geometric details.

El fallo resistente de las losas mixtas se produce generalmente por el deslizamiento longitudinal entre la chapa nervada de acero y el hormigón. La dificultad de diseño de chapas para losas mixtas reside en asegurar su comportamiento efectivamente mixto; en diseñar sistemas de retención que consigan una elevada resistencia al deslizamiento longitudinal relativo entre acero y hormigón.Para cumplir las funciones encomendadas a la chapa, encofrado perdido y armadura de tracción, existen muchos tipos de diseño, creados sobre la base de la experiencia acumulada y cuya eficacia debe siempre ser evaluada empíricamente.Los actuales diseños de chapas incorporan un patrón de embuticiones que se repiten a lo largo de toda la longitud de la chapa. Su función es dificultar el deslizamiento longitudinal, análogamente al corrugado de las barras para el armado del hormigón, pero sus mecanismos resistentes son completamente distintos. En las losas mixtas, el efecto de cuña de las embuticiones transforma el deslizamiento en esfuerzos perpendiculares a la chapa que provocan su flexión transversal y, en algunos casos, la desconexión total.El ángulo de conformado que define los nervios de la losa, la posición de las embuticiones, su profundidad, longitud, etc., son algunos de los parámetros importantes de diseño, ya que contribuyen significativamente a bloquear el deslizamiento. El proceso de diseño y optimización de esta geometría, y también la comprobación de su eficacia, se realiza actualmente de forma completamente empírica. También los métodos de cálculo adoptados por las normativas de todo el mundo para el cálculo de losas mixtas, están basados en parámetros experimentales, obtenidos del ensayo de modelos estándar reducidos. Estos ensayos intentan reproducir, con mayor o menor fidelidad, las condiciones reales de funcionamiento.Esta tesis se enmarca en una línea de investigación destinada a mejorar la conexión entre el acero y el hormigón de los actuales sistemas e idear conceptos innovadores que, a más largo plazo, puedan significar la conexión total sin deslizamiento.Se han desarrollado dos actividades principales:- Experimental: ensayos reducidos de Pull-out y ensayos de flexión de losas completas según método normativo m-k, instrumentadas con galgas extensométricas.- Numérica: establecimiento de un procedimiento validado para la elaboración de modelos tridimensionales de elementos finitos. Simulación del fallo por deslizamiento y estudio paramétrico descriptivo.Con el objetivo general de aportar conocimiento y afianzar la comprensión del comportamiento mecánico de la losa mixta, la tesis aborda el estudio numérico y experimental del fallo por deslizamiento longitudinal, consiguiéndose las siguientes aportaciones particulares:- Procedimiento de simulación numérica local tridimensional y no-lineal del deslizamiento entre la chapa de acero y el hormigón, con el que se describe exactamente la mecánica de funcionamiento de algunos diseños existentes en el mercado.- Análisis del efecto que tienen distintos parámetros físicos y geométricos en la resistencia de la losa mixta frente al deslizamiento longitudinal: rozamiento, profundidad de embutición, longitud, posición, ángulo de conformado, espesor de la chapa, etc., mediante los modelos de elementos finitos.- Evaluación, mediante los modelos numéricos, del perfil de distribución de tensiones longitudinales en tracción simple, con el fin de cuantificar las sombras de tensión que provocan las embuticiones,- Evaluación de la influencia de las condiciones superficiales de la chapa durante el hormigonado en la resistencia al deslizamiento.- Evaluación de la uniformidad de distribución de esfuerzos rasantes transmitidos por las embuticiones. Las losas ensayadas a flexión se han instrumentado, en los tramos de luz rasante, con galgas extensométricas fijadas en varias secciones situadas a distintas distancias de los apoyos.- Recomendaciones generales de diseño. Aplicación al diseño del nuevo perfil "T80" y ensayo.El nuevo perfil "T80", ha sido ya producido en serie, comercializado y puesto en obra en edificios de gran altura, presentando resultados muy satisfactorios. / The resistant failure of composite slabs is generally due to longitudinal slip between the profiled steel sheet and concrete. The main goal when designing sheets for composite slabs, consists of ensuring its effective composite behaviour; conceiving retention systems that achieve higher longitudinal slip strengths.To carry out these functions entrusted to steel sheet, i.e. permanent formwork and traction reinforcement, lots of design types are available, created on the basis of prior experience and which effectiveness has to be evaluated empirically.Current sheet designs show a repeating embossments pattern all along the span. Its function is to inhibit the longitudinal slip in a similar way than the reinforcing bar corrugations for concrete; however, their resistant mechanisms are quite different. In the case of the composite slabs, the embossments wedge effect transforms the slip to normal efforts that produce the transversal bending of the sheet and, sometimes, the connection loss.The profiling shape that defines the ribs of the slab, the embossment locations, its depth, length, etc. are some of the main parameters that significantly contributes to lock the slip.Currently, the design and optimization processes for the geometry, and also the checking of its effectiveness, are just empirically evaluated.In the same way, also the composite slabs calculation methods adopted by all national and international standards are based on experimental parameters, obtained from the test of reduced specimens. These tests attempt to reproduce the real behaviour conditions.The framework of this thesis is a research line devoted to improve the longitudinal shear connection between steel and concrete of the current designs as well as conceive innovative concepts that might achieve the permanent connection.Two main activities have been developed:- Experimental: reduced Pull-out tests and standard m-k bending tests, with the use of strain gauges technology.- Numerical: state a validated procedure for making parametrical 3D non-linear finite elements models to simulate the failure micro-mechanics due to longitudinal slip. Within the global aim of improving the knowledge and to strengthen the comprehension of the micro-mechanical behaviour of the composite slabs, this thesis approach the numerical and experimental analysis of the longitudinal slip failure micro-mechanics, achieving the following particular contributions:- Stating a procedure for creating non-linear 3D finite elements models to simulate the slip between steel sheet and concrete, by which the failure mechanics of several existing designs has been exactly described and analysed.- Analysis of the shear strength dependency on several physical and geometrical parameters, such as: friction coefficient, embossment depth, length, location, profiling angle, sheet thickness, etc., by means of the above said FEM procedure.- Evaluation, by FEM, of the distribution of longitudinal stresses in simple traction, for quantifying the stress shadows due to embossments.- Effect of the sheet surface conditions, prior to setting the concrete, in the longitudinal shear strength.- Distribution analysis of the longitudinal shear forces transmitted by the embossments all along the shear span. Strain gauges have been bonded to the free steel surface of several composite slabs, in different locations along the shear span.- General design recommendations. Pre-design, optimization and test of the new "T80" open-rib profile.This new "T80" profile is being manufactured, commercialized, and used in many outstanding buildings and skyscrapers, showing very good results in comparison to other existing open-rib designs.

Within the general context of solid-state sintering process, this work presents a numerical modeling approach, at the particle scale, of ceramic particle packing consolidation. Typically, the sintering process triggers several mass transport paths that are thermally activated. Among those diffusion paths, the most important ones are: surface diffusion, grain boundary diffusion and volume diffusion. Including this physics into a high-performance computing framework would permit to gain precious insights about the driving mechanisms. The aim of the present work is to develop a model and a numerical strategy able to integrate the different diffusion mechanisms into continuum mechanics framework. In the cases of surface diffusion and volume diffusion, the mass flux is calculated as a function of the surface curvature Laplacian and the hydrostatic pressure gradient, respectively. The physical model describing these two transport mechanisms is first presented within the framework of continuum mechanics. Then the numerical strategy developed for the simulation of the sintering of many particles is detailed. This strategy is based on a discretization of the problem by using a finite element approach coupled with a Level-Set method used to describe the particles free surface. This versatile strategy allows us to perform simulations involving a relatively large number of particles. Furthermore, a mesh adaptation technique allows the particles surface description to be improved, while the number of mesh elements is kept reasonable. Several 3D simulations, performed in a parallel computing framework, show the changes occurring in the structure of 3D granular stacks.