L'objectif de ce travail est d'élaborer un modèle mécanique de la hanche saine susceptible d'être utilisé comme référence pour pouvoir ensuite analyser le comportement de hanches pathologiques en évaluant l'effet des traitements préconisés par comparaison des différents comportements simulés. Dans ce contexte, un modèle éléments finis générique de l'articulation de la hanche est développé. Il est également nécessaire de déterminer l'état de chargement de l'articulation de la hanche pour notre simulation. L'analyse du mouvement permet le calcul des données cinématiques et dynamiques à partir des mesures expérimentales. A partir de ces données, un modèle musculo-squelettique associant une méthode de dynamique inverse et d'optimisation statique, permet de déterminer les efforts musculaires mis en jeu par les muscles croisant l'articulation de la hanche. L'évaluation des forces développées par les muscles de la hanche permet de calculer la réaction de contact articulaire exercée par le fémur sur le bassin. C'est cette réaction que nous implémentons dans le modèle éléments finis. Ainsi, les simulations du comportement de la hanche saine sont réalisées pour la phase d'appui de la marche et la phase d'appui de la montée d'escaliers. Nous traitons ensuite d'une application clinique visant à évaluer l'influence du port d'une orthèse podale sur le comportement mécanique d'une hanche arthrosique. La démarche suivie est la même que celle mise en place pour l'étude du comportement de la hanche saine. L'état de chargement de la hanche arthrosique est déterminé chez le patient pendant la marche et la montée d'escaliers évoluant successivement avec puis sans orthèses.

Ces travaux de thèe portent sur le développement d’un outil d’analyse numérique dédié à l’ étude de nouveaux résonateursà quartz à ondes de volume et utilisant les éléments finis. Cette méthode de caractérisation permet la détermination deséléments du schéma électrique équivalent (résistance, inductance et capacité) d’une fréquence de résonance donnée ainsique son facteur de qualité, tout en prenant en compte dans le modèle la sensibilité du cristal de quartz à la températureet aux contraintes induites par le montage. Une étape de validation est d’abord réalisée afin de vérifier nos choix, enterme de modélisation et de calcul, en confrontant les données issues de la simulation aux mesures de résonateurs déjàexistants. Les trois dispositifs analysés (40 MHz, 10 MHz et 100 MHz) montrent une bonne concordance entre théorieet expérience. Pour obtenir de tels résultats, la structure de maintien est prise en compte et modélisée sous forme dezones d’amortissement de Rayleigh lorsque le piégeage de l’énergie n’est pas optimal (présence d’un mode de plaque).Un aspect important des résonateurs est ensuite étudié : le comportement en température. En effet, les contraintes dedilatation thermique ainsi que l’évolution des coefficients élastiques en fonction de la température induisent une dérivefréquentielle. La comparaison entre théorie et expérience nous permet de vérifier l’allure des courbes et de quantifier ledegré de précision du modèle. L’effet d’une contrainte mécanique appliquée sur le pourtour de la lame de quartz est parla suite introduit dans le modèle en utilisant la méthode de perturbation de Sinha-Tiersten. Il est alors possible de définirl’impact des défauts de fabrication sur la fréquence du résonateur. Enfin, la méthode numérique est appliquée à l’étudede structures innovantes dans le cadre du projet FREQUENCE2009. Il s’agit de revisiter le concept du résonateur BVA etd’envisager des procédés de fabrication collective. L’idée consiste ainsi à remplacer le rayon de courbure d’un résonateur,dont la fréquence utile se trouve aux alentours de 9 MHz, par une série de marches, plus compatible avec les procédés dela micro électronique (DRIE : Deep Reactive Ion Etching). Bien que les résultats expérimentaux soient, dans ce cas, loin denos attentes, nous constatons que l’outil d’analyse est parfaitement capable de prédire les caractéristiques de nouvellesstructures. / This work is devoted to the development of a digital analysis tool dedicated to study new bulk acoustic waves quartz resonatorsby using finite elements. This method of characterization allows the calculation of the elements of the equivalentelectrical circuit (resistor, inductance and capacitor) of a given resonant frequency as well as the quality factor, while takinginto account its sensitivity to the temperature and to the stresses induced by the mounting support. Firstly, a validationphase is carried out in order to check our choices, in terms of modeling and computation, by comparing simulation data tothe measures of existing resonators. The three analyzed devices (40MHz, 10 MHz and 100 MHz) show good agreementbetween theory and experiment. To obtain such results, the mounting support is taken into account and modeled thanks toRayleigh damping areas when the trapping of energy is not optimal (presence of a spurious shell vibration mode). Then, animportant aspect of resonators is studied : the temperature behavior of its vibrating modes. Indeed, the thermal expansionstresses as well as the change of stiffness coefficients according to the temperature induce frequency shift. The comparisonbetween theory and experiment allows us to check the shape of curves and to quantify the accuracy of the model.Thereafter, the effect of mechanical stress applied on the edge of the blank of quartz is introduced in the model by usingthe perturbation method developed by Tiersten and Sinha. So, it is possible to define the influence of some manufacturingdefects on the resonant frequency. Finally, the digital method is applied to study innovative structures in the framework ofthe project FREQUENCE2009. The aim is to review the concept of BVA resonator and consider collective manufacturingprocesses. The idea involves replacing the radius of curvature of a resonator, for which the expected frequency is around9 MHz, by several steps, more compatible with microelectronics processes (DRIE : Deep Reactive Ion Etching). Althoughthe results are far from our expectations, we note that the analysis tool is perfectly able to anticipate the characteristics ofnew structures.

Le renforcement de structures ou d'éléments de structure par collage de plats PRF (polymères renforcés de fibres) est une technique actuellement reconnue et utilisée dans le monde entier. Il permet d'augmenter la durée de vie des structures existantes ce qui est très intéressant du point de vue développement durable et est souvent plus intéressant d'un point de vue économique. La première partie de ce travail s'intéresse au renforcement de poutres béton armé par des plats PRF. En effet, ce type de renforcement peut engendrer une rupture prématurée de type peeling-off. Ce mode de ruine très fragile résulte du décollement du béton d'enrobage qui reste collé au matériau de renforcement. Pour une conception optimale d'un renforcement en flexion par collage, il est important d'être en mesure de prévoir ce type de rupture et d'en tenir compte dans le dimensionnement. Pour cela, un modèle numérique fiable de type élasto-plastique est dans un premier temps présenté qui permet de prévoir la rupture de type peeling-off. Ce modèle est validé à l'aide de résultats d'essais expérimentaux. Les paramètres principaux affectant l'efficacité du renforcement sont ensuite mis en évidence dans le cadre d'une étude paramétrique. Les résultats de cette étude sont mis en parallèle avec des résultats d'essais de la littérature prouvant ainsi l'efficacité du modèle proposé. Enfin, plusieurs mesures sont proposées pour améliorer la performance du renforcement et éviter la rupture prématurée de peeling-off. La deuxième partie de ce travail s'attache quant à elle à l'étude de renforcement de tabliers de ponts soumis aux efforts éventuels d'impact d'un véhicule sur une barrière de sécurité. Une campagne expérimentale composée de différentes configurations de dalles est d'abord réalisée. Un modèle numérique s'inspirant du modèle proposé précédemment est ensuite présenté. La confrontation des résultats expérimentaux et numériques montre une concordance encourageante avant la fissuration majeure de la dalle. Enfin, les résultats mettent en relief l'efficacité du renforcement par des plats PRF dans le cas de glissières de sécurité

Les vis pédiculaires sont largement utilisées pour l’instrumentation et la correction du rachis. L’objectif général de ce projet doctoral est d’étudier l'influence des choix chirurgicaux et des variations morphologiques des vertèbres sur l'ancrage biomécanique des vis pédiculaires. Pour cela, nous avons fait le choix de combiner une modélisation détaillée de l’interaction vis-vertèbre à l’acquisition de données expérimentales indispensables pour valider les outils de simulation. Ce projet doctoral propose un modèle par éléments finis original et innovant prenant en compte l’interface de contact entre les structures osseuses et un comportement élastoplastique avec modélisation de la fracture osseuse pour décrire la biomécanique de l’interaction vis-pédiculaire/vertèbre. De plus, ce projet a également permis de proposer un protocole et une méthode d’analyse pour l’étude de vis pédiculaires sous chargements non-axiaux. Les connaissances développées au cours de ce projet doctoral ont permis de fournir des recommandations pratiques pour les cliniciens ainsi que les développeurs d’implants biomédicaux, autant sur les futurs choix de design des vis pédiculaires que les choix de vis et leur placement afin d’obtenir un meilleur ancrage. À long terme, le modèle pourrait être adapté pour analyser plus en détail les caractéristiques spécifiques du patient et être utilisé comme une formation virtuelle ou d'un outil de planification préopératoire. / The pedicle screws are widely used for instrumentation and correction of the spine. The general objective of this doctoral project is to investigate the influence of surgical choice and morphological changes in the vertebrae on the biomechanical anchorage of pedicle screws. A combined approach using a detailed numerical model to simulate the screw-vertebrae interaction and the acquisition of necessary experimental data to validate the numerical tool was chosen. This doctoral project proposes an original and innovative finite element model taking into account the contact interface between the bone structures and an elastoplastic behavior with bone fracture modeling to describe the biomechanics of the screw / vertebra interaction. In addition, this project also propose a protocol and a method of analysis for the study pedicle screws in non-axial loads. The knowledge developed during this doctoral project have provided practical recommendations for clinicians and developers of biomedical implants, both on future choices of design pedicle screws that screw choice and placement to obtain better anchoring. In the long term, the model could be adapted to further analyze the specific characteristics of the patient and be used as a virtual training or a preoperative planning tool.

Le renforcement de structures ou d'éléments de structure par collage de plats PRF (polymères renforcés de fibres) est une technique actuellement reconnue et utilisée dans le monde entier. Il permet d'augmenter la durée de vie des structures existantes ce qui est très intéressant du point de vue développement durable et est souvent plus intéressant d'un point de vue économique. La première partie de ce travail s'intéresse au renforcement de poutres béton armé par des plats PRF. En effet, ce type de renforcement peut engendrer une rupture prématurée de type peeling-off. Ce mode de ruine très fragile résulte du décollement du béton d'enrobage qui reste collé au matériau de renforcement. Pour une conception optimale d'un renforcement en flexion par collage, il est important d'être en mesure de prévoir ce type de rupture et d'en tenir compte dans le dimensionnement. Pour cela, un modèle numérique fiable de type élasto-plastique est dans un premier temps présenté qui permet de prévoir la rupture de type peeling-off. Ce modèle est validé à l'aide de résultats d'essais expérimentaux. Les paramètres principaux affectant l'efficacité du renforcement sont ensuite mis en évidence dans le cadre d'une étude paramétrique. Les résultats de cette étude sont mis en parallèle avec des résultats d'essais de la littérature prouvant ainsi l'efficacité du modèle proposé. Enfin, plusieurs mesures sont proposées pour améliorer la performance du renforcement et éviter la rupture prématurée de peeling-off. La deuxième partie de ce travail s'attache quant à elle à l'étude de renforcement de tabliers de ponts soumis aux efforts éventuels d'impact d'un véhicule sur une barrière de sécurité. Une campagne expérimentale composée de différentes configurations de dalles est d'abord réalisée. Un modèle numérique s'inspirant du modèle proposé précédemment est ensuite présenté. La confrontation des résultats expérimentaux et numériques montre une concordance encourageante avant la fissuration majeure de la dalle. Enfin, les résultats mettent en relief l'efficacité du renforcement par des plats PRF dans le cas de glissières de sécurité / Strengthening of structures by bonding FRP plates (fiber reinforced polymer) is a technique currently recognized and used worldwide. This method is a viable solution to costly replacement of deteriorating structures and increases the life of reinforced structures. The first part of this doctoral work focuses on the strengthening of reinforced concrete beams with FRP plates and more precisely on a premature failure caused by this type of reinforcement called peeling-off or concrete cover separation. This brittle failure mode which prevents the strengthened RC beams from attaining their ultimate flexural capacity involves the tearing-off of the concrete cover along the level of tension steel reinforcement starting from a plate end. The first step for a successful, safe and economic design of flexural strengthening using FRP composite at the bottom of the beam is then to predict such failure and to take it into account in design. A reliable numerical model analysis which is validated by test results is first presented to predict ultimate loading capacity and the failure mode of RC beams in a four-point bending setup. The main parameters affecting the efficiency of the reinforcement are then highlighted in a parametric study. The results of this study are compared with test results in the literature demonstrating the efficiency of the proposed model. Finally, several measures are proposed to improve the performance of the strengthening and in order to avoid the premature rupture of peeling-off. The second part of this work is concerned with the strengthening study of a bridge deck subject to eventual loads generated by a car crash into a safety barrier. A series of equivalent impact tests is first performed on deck slabs. A numerical model inspired by the previously proposed model for RC beams is then presented. Comparisons between the predictions of the numerical model and test results show a good agreement before the major cracking of the slab. Finally, the results highlight the efficiency of FRP plates in the case of safety guardrails