L’isolation sismique à la base consiste à introduire un élément flexible dans une structure afin de réduire sa vulnérabilité sismique en découplant son mouvement de celui du sol. Les isolateurs sismiques en caoutchouc représentent un moyen efficace d’apporter cette flexibilité. Cependant, les déplacements importants auxquels ils sont soumis durant un tremblement de terre, combinés aux charges verticales importantes qu’ils doivent supporter en tout temps peuvent induire des problèmes d’instabilité ou de déchirement. Le présent projet introduit, après une brève revue bibliographique, une étude expérimentale effectuée au laboratoire de structures de l’Université de Sherbrooke sur des spécimens d’isolateurs et d’appuis de ponts à échelle réduite et à échelle réelle. Ces essais de caractérisation des états limites ultimes ont permis de caractériser les phénomènes d’instabilité à l’état déplacé et de rupture par déchirement. L’ensemble des données récoltées a permis de valider un modèle numérique d’isolateurs, développé sur le logiciel d’éléments finis ADINA et de mettre en place des méthodes numériques prédictives d’instabilité et de rupture des appareils d’appui et d’isolation sismique. Le modèle numérique a été utilisé de manière intensive pour étudier l’influence de la charge verticale et des principaux paramètres géométriques définissant les appareils sur leurs états limites ultimes : facteur de forme, élancement et largeur, sur des populations numériques complètes d’appareils d’appui et d’isolation. L’influence de la largeur a été particulièrement approfondie pour permettre de présenter les résultats sous une forme adimensionnelle et pour définir ainsi des abaques de dimensionnement à l’usage des ingénieurs de la pratique. Une comparaison des abaques avec les normes CAN/CSA S6-06 et GSSID/AASHTO en a découlé, montrant notamment que les limites imposées par les normes peuvent être parfois trop sécuritaires ou pas assez selon la géométrie de l’isolateur. La fin de l’étude est réservée à la définition d’états limites statistiques basés sur la probabilité qu’un appareil d’une population donnée ait atteint ou non sa valeur de déformation critique. Ainsi, quatre niveaux d’états limites statistiques ont pu être définis pour les appuis, et cinq pour les isolateurs.

L'isolation sismique à la base est une méthode de conception parasismique qui consiste à introduire de la flexibilité à la base d'une structure afin de réduire sa vulnérabilité aux séismes. La flexibilité introduite permet de séparer la fréquence propre de la structure de la plage de fréquences naturelles du séisme. Les grands déplacements qui surviennent à cause de la flexibilité peuvent être contrôlés par introduction d'amortissement dans le système. Les isolateurs sismiques permettent ainsi de réduire significativement la demande en force et en déformation sur les principaux éléments structuraux. Il en résulte une augmentation du niveau de performance de la structure en cas de séisme. Les isolateurs sismiques en élastomère (ISE) font partie des types d'isolateur les plus utilisés à cause de leur facilité de fabrication, d'installation et d'entretien. Toutefois, ces isolateurs présentent un comportement mécanique non linéaire dépendant de plusieurs facteurs qui varient durant la phase d'utilisation (température, déformation interne, fréquence de chargement...). Il s'ensuit que, pour assurer la sécurité de l'ouvrage isolé, il est important de connaître l'impact de la variation de chacun des facteurs sur les propriétés mécaniques des isolateurs en caoutchouc. Le présent projet de recherche étudie l'influence du niveau de compression axiale sur les propriétés mécaniques des isolateurs sismiques en caoutchouc naturel. Des essais expérimentaux ont été réalisés sur une série de douze isolateurs sismiques pour étudier l'effet de la charge axiale sur la rigidité latérale et le niveau de dissipation d'énergie. Les résultats ont montré une réduction de la rigidité et une augmentation du niveau d'amortissement avec l'augmentation de la contrainte axiale. Une analyse par éléments finis a aussi été menée pour étudier la stabilité des isolateurs à l'état déplacé. L'étude numérique a montré une concordance avec les prédictions théoriques à l'état non déplacé et une sous-estimation de la capacité de l'isolateur à l'état déplacé. L'étude a aussi fait ressortir une relation entre le facteur de forme, l'élancement et la capacité de l'isolateur à l'état déplacé. Le projet de recherche est réalisé sous la direction du professeur Patrick Paultre, dans le cadre des travaux du centre de recherche en génie parasismique (CRGP) sur la réduction de la vulnérabilité sismique des structures.

Le marché de l'énergie distribuée est actuellement en pleine expansion et favorise l'intégration d'une multitude de sources d'énergie, et les machines à combustion interne ne sont pas exclues. Les moteurs à piston sont actuellement les principaux acteurs du marché, en raison de leur rendement élevé et de leur faible coût en capital. Cependant, la réglementation de plus en plus sévère sur les émissions ainsi que les coûts liés à la maintenance et les temps d'arrêt sont prohibitifs pour ce type de machines, en particulier dans le segment de basse puissance et de production d’énergie et de chaleur combinées (CHP). C'est là que les microturbines opérant sous le cycle récupéré – de petites turbines à gaz qui produisent moins de 1 MW de puissance – ont un avantage concurrentiel, grâce à moins de pièces en mouvement, une combustion plus propre et une température élevée d'échappement. Les petites turbomachines récupérées doivent atteindre des températures d'entrée de turbine (TIT) très élevées, requises pour atteindre 40% de rendement thermique. Les céramiques non refroidies offrent une solution très attrayante, avec plusieurs essais mais des résultats peu concluants dans la littérature. Ce travail présente une nouvelle architecture qui prend en charge des pales en céramique monolithique dans un environnement d’opération à chaud. La turbine renversée en céramique (ICT) est constituée d'un moyeu métallique flexible qui fournit une base souple pour les pales individuelles en céramique qui sont supportées par l'extérieur par un anneau en composite carbone-polymère. Les forces centrifuges chargent les pales en compression au lieu d’en tension, exploitant ainsi la résistance en compression typiquement élevée des céramiques techniques. Le document présente la validation expérimentale entreprise pour vérifier l'intégrité structurelle d’un prototype de configuration ICT à petite échelle, dans des conditions de fonctionnement à froid et à chaud, ainsi que les étapes qui y ont mené. Les résultats expérimentaux montrent que l'ICT supporte des pales en alumine dans les tests à froid et le nitrure de silicium pour des températures d'entrée du rotor jusqu'à 1000 K, avec des vitesses de pointe de pale atteignant 271 m/s. L’incursion d’objet domestique, l'événement le plus désastreux à se produire dans les turbines en céramique dans la littérature, n'a pas causé de dommages aux pales dans cette configuration. Ces résultats indiquent que l'architecture ICT est robuste et viable, et que le développement peut être poursuivi pour augmenter la TIT et la vitesse de pointe de la turbine, afin d’éventuellement parvenir à une microturbine récupérée en céramique de 1600 K de TIT.

Le traitement endovasculaire (EVAR) de l’anévrisme de l’aorte abdominale (AAA) vise à mettre en place une endoprothèse (EP) au sein du sac anévrismal afin d’éviter sa rupture. Si cette chirurgie a l’avantage d’être mini-invasive et de pouvoir être utilisée pour des patients non éligibles à la chirurgie ouverte classique, il existe cependant plusieurs événements indésirables, pouvant apparaître au cours du suivi du patient. Mieux connaître le comportement mécanique des EPs permettrait ainsi d’améliorer leur conception et leur durabilité, principaux verrous au recours systématique à l’EVAR. Ainsi, une méthode de modélisation numérique multi matériaux des EPs a été développée. Les modèles numériques d’EPs ont été validés à partir d’une analyse d’images 3D obtenues par tomographie aux rayons X, montrant ainsi leur fiabilité. Les performances mécaniques de plusieurs EPs disponibles sur le marché ont ensuite été évaluées sur différents essais de plus en plus proches des conditions in vivo subies par ces dispositifs. Les EPs ont ainsi été soumises à des essais de flexion pure puis à des essais combinant flexion et pressurisation. La flexibilité des EPs et la réponse mécanique de leurs composants ont été comparées. Il a été montré que l’architecture de l’EP avait une influence significative sur ses performances mécaniques. Enfin, le déploiement des EPs au sein de deux modèles d’anévrismes a été simulé, permettant de mettre en évidence d’autres complications, comme les endofuites de type I. Ces travaux ouvrent ainsi la voie à de nombreuses perspectives, et notamment au développement d’un logiciel d’aide à la décision à destination des chirurgiens. / The aim of the endovascular repair (EVAR) of abdominal aortic aneurysm (AAA) is to set up a stent-graft (SG) within the aneurysm in order to avoid its rupture. This surgery is mini-invasive and can be used for patients who are ineligible for open surgery. However, complications mainly due to mechanical issues can occur during patient follow-up, such as endoleak or stenosis for example. A better knowledge of SG mechanical behaviour could be useful to improve SG design and durability which still prevents surgeons to use this treatment systematically. A new methodology to model multi-material SGs has been developed. Special attention has been paid to the mechanical characterization of stent and graft materials. SG numerical models have been qualitatively and quantitatively validated on a bending test by the means of tomographic acquisitions and image processing, showing their reliability. Mechanical performances of several marketed SGs have been assessed through various tests increasingly closer to the in vivo conditions undergone by the devices. SGs have been subjected to pure bending tests, then to tests combining bending and pressurisation. SG flexibility and components mechanical response have been compared and SGs have been ranked according to their performances. It has been shown that SG architecture has a significant influence on SG mechanical performances. Finally, SG deployment within two aneurysm models has been successfully simulated. The latter study highlighted other complications, like type I endoleak. This work has many promising perspectives, especially the development of a computer-aided surgery.Finite element analysis of the mechanical performances of aortic stent-grafts: application to the treatment of tortuous aneurysms.

L'amorçage et la propagation de microfissures dans les matériaux à haute résistance représente une part importante de la durée de vie en fatigue, en particulier dans le cas d'un chargement à faible amplitude. Ces phénomènes, d'un grand intérêt scientifique, ont été de plus en plus étudiés au cours des dernières années. L'orientation cristallographique et les hétérogénéités de déformation induites influent sur l'amorçage et le comportement des microfissures de fatigue tant que leur taille caractéristique est inférieure ou de l'ordre de grandeur de la taille de grains. L'objectif principal de cette étude est de caractériser l'influence de la microstructure et d'un chargement cyclique à amplitude variable sur la plasticité cristalline et plus précisément sur l'amorçage de microfissures dans un acier inoxydable 304L. Le première partie de cette étude consiste à l'amélioration de la loi de comportement cristalline Cristal ECP codée dans le logiciel éléments finis ABAQUS afin de mieux prendre en compte la distribution et l'évolution de la densité de dislocations sur les systèmes de glissement. Ce travail permet également de décrire la formation des bandes persistantes de glissement qui sont responsables du durcissement et de l'adoucissement cyclique. La seconde partie de cette étude concerne l'évaluation de l'influence de la microstructure sur les valeurs locales des paramètres mécaniques utilisés pour les critères de fatigue aussi bien macroscopiques que microscopiques, et relier ces valeurs à l'amorçage de microfissures à l'échelle cristalline. Pour ceci, une comparaison est réalisée entre les résultats expérimentaux d'observation de surfaces et les simulations numériques d'agrégats 3D présentant les orientations cristallines réelles de ces éprouvettes. La simulation de la plasticité cristalline peut apporter une contribution utile pour la prédiction de la localisation et de l'intensité de l'amorçage de microfissures de fatigue, mais également aider à choisir un critère d'amorçage de microfissures basé sur des considérations mécaniques. La dernière partie de ce manuscrit porte sur les effets d'un chargement d'amplitude variable (séquence de surcharge) sur la plasticité cristalline et l'amorçage de microfissures. Deux modes de chargement ont été considérés pour les essais de fatigue : contrainte contrôlée et déformation contrôlée. Les essais avec surcharge en contrainte contrôlée présentent une durée de vie plus importante (six à neuf fois) que les essais avec surcharge en déformation contrôlée, ce qui est lié au durcissement cyclique important du 304L. De plus, les simulations montrent que sous chargement à déformation contrôlée, l'effet mémoire de la surcharge est dépendant du niveau du chargement qui suit la surcharge : cet effet mémoire est plus important dans le cas d'un chargement à faible amplitude (fatigue à grand nombre de cycles) qu'en fatigue oligocyclique à forte amplitude

Le traitement endovasculaire (EVAR) de l'anévrisme de l'aorte abdominale (AAA) vise à mettre en place une endoprothèse (EP) au sein du sac anévrismal afin d'éviter sa rupture. Si cette chirurgie a l'avantage d'être mini-invasive et de pouvoir être utilisée pour des patients non éligibles à la chirurgie ouverte classique, il existe cependant plusieurs événements indésirables, pouvant apparaître au cours du suivi du patient. Mieux connaître le comportement mécanique des EPs permettrait ainsi d'améliorer leur conception et leur durabilité, principaux verrous au recours systématique à l'EVAR. Ainsi, une méthode de modélisation numérique multi matériaux des EPs a été développée. Les modèles numériques d'EPs ont été validés à partir d'une analyse d'images 3D obtenues par tomographie aux rayons X, montrant ainsi leur fiabilité. Les performances mécaniques de plusieurs EPs disponibles sur le marché ont ensuite été évaluées sur différents essais de plus en plus proches des conditions in vivo subies par ces dispositifs. Les EPs ont ainsi été soumises à des essais de flexion pure puis à des essais combinant flexion et pressurisation. La flexibilité des EPs et la réponse mécanique de leurs composants ont été comparées. Il a été montré que l'architecture de l'EP avait une influence significative sur ses performances mécaniques. Enfin, le déploiement des EPs au sein de deux modèles d'anévrismes a été simulé, permettant de mettre en évidence d'autres complications, comme les endofuites de type I. Ces travaux ouvrent ainsi la voie à de nombreuses perspectives, et notamment au développement d'un logiciel d'aide à la décision à destination des chirurgiens.

L‘amorçage et la propagation de microfissures dans les matériaux à haute résistance représente une part importante de la durée de vie en fatigue, en particulier dans le cas d‘un chargement à faible amplitude. Ces phénomènes, d‘un grand intérêt scientifique, ont été de plus en plus étudiés au cours des dernières années. L‘orientation cristallographique et les hétérogénéités de déformation induites influent sur l‘amorçage et le comportement des microfissures de fatigue tant que leur taille caractéristique est inférieure ou de l‘ordre de grandeur de la taille de grains. L‘objectif principal de cette étude est de caractériser l‘influence de la microstructure et d‘un chargement cyclique à amplitude variable sur la plasticité cristalline et plus précisément sur l‘amorçage de microfissures dans un acier inoxydable 304L. Le première partie de cette étude consiste à l‘amélioration de la loi de comportement cristalline Cristal ECP codée dans le logiciel éléments finis ABAQUS afin de mieux prendre en compte la distribution et l‘évolution de la densité de dislocations sur les systèmes de glissement. Ce travail permet également de décrire la formation des bandes persistantes de glissement qui sont responsables du durcissement et de l‘adoucissement cyclique. La seconde partie de cette étude concerne l‘évaluation de l‘influence de la microstructure sur les valeurs locales des paramètres mécaniques utilisés pour les critères de fatigue aussi bien macroscopiques que microscopiques, et relier ces valeurs à l‘amorçage de microfissures à l‘échelle cristalline. Pour ceci, une comparaison est réalisée entre les résultats expérimentaux d‘observation de surfaces et les simulations numériques d‘agrégats 3D présentant les orientations cristallines réelles de ces éprouvettes. La simulation de la plasticité cristalline peut apporter une contribution utile pour la prédiction de la localisation et de l‘intensité de l‘amorçage de microfissures de fatigue, mais également aider à choisir un critère d‘amorçage de microfissures basé sur des considérations mécaniques. La dernière partie de ce manuscrit porte sur les effets d‘un chargement d‘amplitude variable (séquence de surcharge) sur la plasticité cristalline et l‘amorçage de microfissures. Deux modes de chargement ont été considérés pour les essais de fatigue : contrainte contrôlée et déformation contrôlée. Les essais avec surcharge en contrainte contrôlée présentent une durée de vie plus importante (six à neuf fois) que les essais avec surcharge en déformation contrôlée, ce qui est lié au durcissement cyclique important du 304L. De plus, les simulations montrent que sous chargement à déformation contrôlée, l‘effet mémoire de la surcharge est dépendant du niveau du chargement qui suit la surcharge : cet effet mémoire est plus important dans le cas d‘un chargement à faible amplitude (fatigue à grand nombre de cycles) qu‘en fatigue oligocyclique à forte amplitude / Because fatigue crack initiation and propagation of microstructurally short cracks represent most of the fatigue life in high-strength materials, especially under low amplitude loading, the study of crack initiation is of significant importance and attracted increasing attention recently. As long as the microcrack size is comparable with the grain size, the microcrack initiation is strongly influenced by the crystallographic microstructure. The main purpose of this work is to study the influence of the microstructure and variable amplitude loading on cyclic plasticity and microcrack initiation in stainless steel 304L. The first part of this work aims at enriching the crystal plasticity code Cristal ECP to better simulate the evolution of dislocation densities on slip systems and formation of PSBs which are responsible for the fatigue cyclic hardening/softening behavior. The second part concerns the evaluation of the influence of local values of mechanical factors, issued from both macroscopic and microscopic fatigue criteria, on crack initiation in the grains through the comparison between experimental surface observations and numerical simulations of 3D aggregates with realistic crystallographic orientations. It is shown that the crystal plasticity simulation can give useful contributions to predict the crack initiation sites and severity, and help to select fatigue crack initiation criterion based on mechanical parameters which actually control the crack initiation. The last part studies the effects of the variable amplitude loading (high-low sequence) on cyclic plasticity and crack initiation. Both load- and strain-controlled fatigue tests were considered. Load-controlled tests present much longer lives (6 to 9 times) than in strain-controlled tests due to strain hardening. Furthermore, simulations show that under strain-controlled loading, memory effect of overload is dependent on the amplitude level of the low amplitude block, which is more significant in high cycle fatigue than in low cycle fatigue.

La microarchitecture osseuse est un des déterminants de la qualité osseuse qui peut maintenant être évaluée in vivo au radius et au tibia distaux avec une résolution isotropique de 82μm par un nouveau scanner à haute résolution (XtremeCT, SCANCO Medical AG). Par ailleurs, l'utilisation d'analyse en éléments finis sur les volumes 3D obtenus permet d'évaluer les propriétés biomécaniques de l'os comme la résistance osseuse. Nous avons montré qu'il s'agissait d'une technique prometteuse pour évaluer la densité, la microarchitecture et les propriétés biomécaniques osseuses au niveau des sites périphériques, notamment parce que ces mesures étaient associées chez la femme avec des fractures ostéoporotiques de toutes sortes. Nous avons également montré que les mêmes mesures étaient tout aussi pertinentes chez l'homme, alors qu'il est moins sujet à l'ostéoporose. Les résultats étaient associés aux fractures ostéoporotiques de toutes sortes, notamment les fractures vertébrales. L'analyse en éléments finis permet donc la mesure in vivo de la résistance osseuse, ce qui pourrait fournir des informations sur la fragilité osseuse et le risque de fracture non accessible par les seules mesures de densité ou de microarchitecture osseuse.

Les revêtements de couches minces soumis à de fortes contraintes de compression peuvent subir un phénomène de flambage et de délaminage simultané appelé « cloquage ». Le mécanisme de formation et de propagation des cloques en forme de rides droites et des cloques circulaires a largement été étudié dans la littérature en considérant un comportement élastique linéaire pour le film. Cependant, l’effet de la plasticité sur la propagation et l’équilibre de telles cloques, bien que constaté expérimentalement, n’avait pas encore été vraiment étudié à ce jour.Dans ce travail nous nous intéressons tout d’abord à l’observation et à la caractérisation des structures de flambement observées sur des film d’or déposés sur des substrats en silicium. Des effets de la plasticité sur la morphologie ou la charge critique de flambage des structures cloquées sont mis en évidence de manière quantitative grâce à des techniques d'observation morphologique comme l'AFM, ainsi que des tests mécaniques par nano-indentation et des mesures de contrainte.Un modèle mécanique est développé, permettant de modéliser le film comme une plaque non-linéaire géométrique au comportement élasto-plastique en contact unilatéral sur un support rigide représentant le substrat. De plus, un modèle de zone cohésive est introduit entre la plaque et le support de manière à prendre en compte le délaminage du film, avec un travail de séparation dépendant de la mixité modale du chargement.Ce modèle nous a permis de mettre en évidence l’effet de la plasticité sur les profils d’équilibres résultant du cloquage élasto-plastique, pour des morphologies de cloques en ride droite et de cloque circulaire. L'effet sur le décalage de la charge critique de flambage a également été étudié. Enfin, l'influence de la déformation plastique sur le mécanisme de propagation de la rupture interfacial lui même a été étudiée. En particulier, un effet de stabilisation de la forme de cloque circulaire, qui avait été observé expérimentalement dans diverses études, a pu être démontré par le calcul. / Thin film coatings submitted to high compressive stresses may experience a simultaneous buckling and delamination phenomenon called "blistering". The mechanism of formation and propagation of blisters in the form of straight wrinkles and circular blisters has been extensively studied in the literature considering a linear elastic behavior for the film. However, the effect of plasticity on the propagation and mechanical equilibrium of such blisters, although experimentally observed, had not been systematically studied to date.In this work, we are interested in the observation and characterization of buckling structures observed on gold films deposited on silicon substrates. The effects of plasticity on the morphology or critical buckling load of buckled structures are quantitatively demonstrated using small scale surface observation techniques such as AFM, as well as mechanical testing by nanoindentation tests and stress measurement methods.A mechanical model is developed in order to model the film as a geometric nonlinear plate with elastic-plastic behavior in unilateral contact with a rigid support representing the substrate. In addition, a cohesive zone model is introduced between the plate and the support in order to take into account the delamination of the film, with a separation work depending on the mode mix of the interface loading.This model allowed us to highlight the effect of plasticity on the equilibrium profiles resulting from elastic-plastic blistering, for both straight and circular blisters morphologies. The effect on the offset of the critical buckling load has also been studied. Finally, the influence of plastic deformation on the propagation mechanism of the interfacial fracture itself has been studied. In particular, a stabilizing effect of the circular blister form, which has been observed experimentally in various studies, has been demonstrated through calculation.

L’évaluation de la résistance probable des éléments dissipatifs d’énergie sismique lors du dimensionnement parasismique des charpentes d’acier au Canada repose sur la limite élastique probable de l’acier. Les taux de déformation élevés dans les éléments dissipatifs au cours d’un tremblement de terre ont pour effet d’augmenter la limite élastique de l’acier dans ces éléments. Le comportement dynamique de l’acier étudié par le biais d’essais uniaxiaux conventionnels ne permettent pas nécessairement de valider le comportement d’un élément dissipateur d’énergie sismique pouvant être sollicité selon deux dimensions. Les cadres contreventés excentriques, où le lien ductile subi des déformations biaxiales par les effets combinés du cisaillement et de la flexion en est un exemple. Le projet de recherche présenté dans ce mémoire de maîtrise vise à évaluer l’effet du taux de déformation sur la limite élastique de l’acier structural de grade 350W lors de sollicitations impliquant un état planaire de contrainte. La conception d’une éprouvette cruciforme optimale en acier basée sur des recommandations proposés dans la littérature et sur des analyses par éléments finis a été effectuée. Six essais de traction uniaxiaux et quatre essais de traction équibiaxiaux sur éprouvettes cruciformes ont été réalisés à différents taux de déformation entre 0.0001/sec et 2.4/sec. Durant ces essais, les déformations moyennes à travers la partie centrale des éprouvettes ont été mesurées par un système de potentiomètre conçu dans le cadre de ce projet. Quatre essais biaxiaux sur éprouvettes cruciformes selon des rapports de déformation distincts ont également été réalisés à un taux de déformation quasi-statique. Chaque essai a été simulé numériquement à l’aide d’un modèle éléments finis dans lequel la limite élastique a été calibrée afin de reproduire le comportement observé lors des essais. Le critère d’écoulement plastique de Von Mises ainsi qu’une formulation d’écrouissage non-linéaire ont été adoptés lors des analyses numériques. Les modèles calibrées ont permis de déterminer la limite élastique dynamique observée lors de chaque essai. Les résultats des analyses confirment que la limite élastique de l’acier augmente en fonction du taux effectif de déformation. Sept lois de prédiction de la limite élastique de l’acier ont été étudiées. Trois lois ont permis de représenter la limite élastique dynamique de l’acier testé dans la plage des taux de déformation étudiée. La loi qui semble la mieux adaptée à être implémentée dans un logiciel de modélisation a été identifiée. La loi de Drysdale et Zak utilisé dans le logiciel ADINA ne permet pas d’évaluer correctement le comportement dynamique observé lors des essais impliquant un taux élevé de déformation. Une étude numérique préliminaire sur le lien ductile est également présentée dans ce mémoire.