Cette thèse présente une étude expérimentale des mécanismes contrôlant la réponse macroscopique d’une interface sable-pieu sous sollicitations axiales monotones et cycliques. Une approche innovante associant la tomographie rayons X à des outils avancés d’analyses d’images en trois dimensions (3D) est utilisée dans le but d’extraire des informations à différentes échelles, notamment à l’échelle micro. L’analyse quantitative du comportement individuel des grains situés au voisinage du pieu fournit une collection de données 3D qui pourraient être utilisées pour la validation de modèles numériques ou théoriques.Une série de tests est réalisée sur un pieu instrumenté à pointe conique installé par vérinage monotone dans un échantillon dense de sable calcaire. Après l’installation, le pieu est soumis à un grand nombre de cycles axiaux contrôlés en déplacements (jusqu’à 2000 cycles), à contraintes constantes. Ces essais ont été conduits dans une mini chambre de calibration qui permet d’acquérir des tomographies rayons X à haute résolution après différentes étapes de chargement. Il est admis que le dispositif expérimental n’est pas représentatif des conditions d’essais sur pieux in-situ pour les raisons principales suivantes : le ratio entre le diamètre de la chambre le diamètre du pieu et le ratio entre le diamètre du pieu et la taille moyenne des grains sont bien inférieurs aux ratios recommandés dans la littérature afin de limiter les effets d’échelle. Par conséquent, les résultats obtenus dans ce travail ne peuvent et ne doivent pas être directement extrapolés pour le design de pieux réels. Cependant, un tel dispositif permet de reproduire qualitativement des tendances similaires à celles observées à l’échelle macro sur des essais à grande échelle et d’observer des mécanismes se déroulant à l’échelle micro.Les images 3D obtenues par reconstruction des tomographies rayons X sont utilisées afin d’identifier et de suivre l’évolution des grains individuels. Le champ cinématique complet en 3D est mesuré grâce à un code de corrélation d’images numériques 3D (DIC), « TomoWarp2 ». Des outils de traitement d’image sont également employés pour suivre les changements de porosité et la production de fines par broyage des grains à l’interface.Pendant la mise en place du pieu, plusieurs zones où les déplacements se concentrent sont identifiées. Une recirculation des grains le long du fût du pieu est mise en évidence. Globalement, le sable a un comportement dilatant à l’exception d’une fine couche (épaisseur d’environ 3 à 4·D50) autour du pieu où les fines sont produites. Pendant les cycles, la réponse macroscopique de l’interface montre une évolution en deux phases, avec une augmentation non négligeable de la résistance du fût dans la seconde phase. Pour ces deux phases, la mesure de la cinématique granulaire révèle un comportement du sol différent associé à une densification importante à l’interface. Dans la première phase, le sol se contracte radialement dans une zone de 4·D50 d’épaisseur. Ce phénomène est certainement dû au réarrangement granulaire mesuré par DIC. Dans la seconde phase, les grains de sables se déplacent difficilement et la densité à l’interface atteint un seuil pour lequel le frottement sur le pieu augmente de manière significative. / This doctoral work presents an experimental investigation into the mechanisms governing the macroscopic response of sand-pile interface during monotonic installation and subsequent axial cyclic loading. An innovative approach combining x-ray tomography and advanced image analysis tools is employed to extract information at different scales, including the micro-scale. A quantitative analysis of the behavior of individual sand grains in the vicinity of the pile offers valuable three-dimensional (3D) data set against which theoretical or numerical approaches could be tested.A series of tests is run on an instrumented close-ended conical model pile installed by monotonic jacking in a dense calcareous sand sample. Following the installation, the model pile is submitted to a large number of axial displacement-controlled loading cycles (a few thousands cycles) under constant normal stress. The tests are performed in a mini-calibration chamber that allows the acquisition of high resolution x-ray images at different stages of the loading. The chamber is admittedly not representative of field pile testing conditions for the main following reasons: the calibration chamber-to-pile diameter ratio and the sand particle-to-pile diameter ratio are far below the ratios recommended in the literature to limit scale effects on the interface response. Consequently, the results presented in this work can not, and should not, be directly extrapolated to field pile design. Yet, such a setup is able to reproduce qualitatively trends that are similar to those obtained at the macro-scale on large-scale experiments and allows the observation of full-field mechanisms taking place at the micro-scale.3D images resulting from the reconstruction of the x-ray scans are used to identify and follow the evolution of individual sand grains. Full-kinematics are measured thanks to a 3D Digital image Correlation (DIC) code, “TomoWarp2”. Image processing tools are also employed to measure local porosity changes and the production of fines by grain crushing at the interface.During pile installation, different zones where grains displacements concentrate are identified. A recirculation of the grains alongside the pile is also observed. Globally, the sand mass exhibits a dilative behavior except within a relatively thin layer (about 3 to 4·D50 thickness) around the model pile where grain crushing occurs. During subsequent loading cycles, the macroscopic response of sand-pile interface shows a two-phases evolution, with a non negligible increase of shaft resistance in the latter phase. For these two phases, the measurement of grain kinematics reveals a different behavior of the sand mass associated with a significant densification at the interface. In the first phase, the sand mass contracts radially within a region of thickness 4·D50. This mechanism is likely due to inter-granular rearrangement as measure by DIC. In the second phase, sand grains hardly move and the sand mass reaches a threshold density for which the friction on the shaft starts to increase substantially.

Cette thèse a pour objectifs de développer une modélisation aussi fine que possible des structures aciers et mixtes acier-béton sous sollicitations cycliques avec prise en compte d'une part du comportement des assemblages et d'autre part des non-linéarités géométriques et du contact à l'interface acier-béton. Notre attention porte en particulier sur l'assemblage de type poutre acier/mixte sur poteau métallique par platine d'extrémité boulonnée. L'objectif étant de proposer un modèle «élément fini» d'assemblage qui reproduit aussi fidèlement que possible le comportement cyclique de ce dernier pour ensuite l'assembler à un élément fini de poutre non-linéaire acier ou mixte avec prise en compte, pour ce dernier, du soulèvement à l'interface. Le travail se compose de 3 parties distinctes. Un premier modèle qui se base sur la méthode des composantes a été développé ayant pour objectif de suivre la déformation de chaque composante au cours des cycles et de prendre en compte les non-linéarités induites par la séparation entre la platine d'extrémité et la semelle du poteau auquel elle est boulonnée. Ce modèle type composantes, a été développé pour une rangée de boulons. Dans le cas le plus fréquent, de deux rangées de boulons, une résistance de groupe (en plus des résistances individuelles de chacune des rangées) est susceptible de se développer. Pour rendre compte de ce phénomène, nous avons implanté le modèle proposé par Cerfontaine qui repose sur la définition d'une surface de charge et une règle d'écoulement associée pour déterminer les allongements des ressorts équivalents. Seul le cas de plasticité parfaite est considéré. Il est mis en évidence que l'influence de l'effet de groupe s'avère non négligeable sur le comportement post-élastique de l'assemblage et donc de la structure. Dans une seconde phase, nous proposons un modèle de poutre métallique classique en grands déplacements (approche co-rotationnelle) avec rotules généralisées aux extrémités. Nous faisons l'hypothèse que les déformations plastiques sont concentrées aux rotules dont le comportement plastique est contrôlé par une surface de charge asymétrique (anisotrope) qui peut prendre différentes formes selon la valeur donnée à un facteur q dit « facteur de forme». Chacune de ces rotules plastiques comprend un ressort longitudinal pour l'effort normal Net un ressort spiral pour le moment fléchissant M. L'interaction (M-N) entre ces deux efforts dans le domaine plastique est régie par le critère de plasticité. Le modèle de rotule plastique généralisé proposé permet de rendre compte de l'adoucissement cyclique, de la ductilité et du « pinching effect ».Nous montrons aux travers de plusieurs exemples la pertinence mais également les limites d'une telle approche. Dans une troisième partie, nous proposons un nouvel élément fini de poutre mixte (à 6 ddl par nœud) en petits déplacements avec prise en compte de la non-linéarité matérielle de la poutre ainsi que du contact entre l'acier et le béton. Une stratégie efficace de type nœud mobile (Flying Node) est proposée pour déterminer l'étendue de la surface de contact au sein d'un élément fini et d'adapter le maillage de l'élément poutre/poteau. Pour la résolution du problème de contact, la technique du Lagrangien Augmenté a été retenue. On montre que dans certaines situations, le soulèvement modifie la redistribution des efforts. / The goal of this thesis is to develop computational tools for the nonlinear analysis of steel and composite steel-concrete structures under cyclic loading taking into account the actual behaviour of joint, material and geometry non-linearities and contact conditions at the steel-to-concrete interface. In particular, our efforts focuses on typical bolted end-plate connection between steel or composite beam and steel column. The objective is to develop a new «joint finite element" able to reproduce accurately the cyclic behavior of the beam-to-column connection. Next this model is combined with a non-linear steel/composite beam element considering slip and possible uplift at the interface. The thesis consists of three major parts. The first part deals with the behavior of a steel beam-to-column bolted end-plate connection under arbitrarily cyclic loading. The proposed model is based on an improved component method that closely follows the deformation of each component taking into account non-linearities induced by possible gap between the column flange and the end-plate. This model has been developed for a single row connection. In the case of multiple row bolted connection group effects may develop. Possible group effect between two bolt-rows has been implemented considering the model proposed by Cerfontaine based on the definition of the multi-surface yield criterion and the associated flow rule that govern deformation of equivalent springs. Only the case of perfect plasticity is considered. It is shown that the influence of the group effect is not negligible on the nonlinear response of the joint. In the second part, we have developed a flexible co-rotational two-noded beam with generalized elasto-plastic hinges at the beam ends. It is assumed that plastic deformations concentrate at these hinges. These hinges have the ability to elongate/shorten along the beam axis and to rotate. A family of asymmetric and convex yield surfaces of super-elliptic shape is considered for the plastic behavior of the hinges. By varying the roundness factor, an infinite nun1ber of yield surface are obtained. It is shown that the nonlinear response of bolted connections subjected to both bending and tension are conveniently modeled with such a yield surface. It was observed that cyclic loading produces pinching effect, cyclic softening and ductile behavior. Advantages and limitations of the approach are discussed. Finally, the third part is dedicated to the problem of contact at the interface of steel-concrete composite beams. A "new" finite element for composite steelconcrete beam is proposed. The beam element has 6 degrees of freedom per node. The concrete beam is allowed to separate from the steel beam. An efficient contact algorithm is proposed. The Flying node concept is introduced and used to determine the extent of the contact area within a single element and modify the mesh of the beam structure. The contact problem is solve using the Augmented Lagrangian Method. The influence of contact on the loading capacity of the beam and its influence on some design variables are highlighted.

Le travail s’intéresse aux effets de l’histoire de chargement sur le comportement et la durée de vie en fatigue de deux nuances (THYSSEN et CLI)d’un acier inoxydable austénitique 304L à la température ambiante. Les essais ont été réalisés en utilisant deux catégories d’éprouvettes. Les éprouvettes de la première catégorie (vierges) ont été soumises à des essais classiques de fatigue,alors que celles de la deuxième ont subi, avant les essais de fatigue, un pré-écrouissage monotone ou cyclique en déformation imposée. Les éprouvettes vierges manifestent un adoucissement cyclique suivi d’un durcissement cyclique alors que les éprouvettes pré-écrouies ne présentent qu’un durcissement cyclique. Les résultats montrent une grande influence du pré-écrouissage qui semble bénéfique en contrainte imposée, mais néfaste en déformation imposée,même en présence d'une contrainte moyenne de compression. Ces résultats sont discutés en termes d'évolution cyclique du module d'élasticité, des écrouissages isotropes et cinématiques, et de la densité d’énergie absorbées par cycle, dans différentes configurations : avec ou sans pré-écrouissage, en contrainte ou déformation imposées... / This study deals with the effect of the loading history on the cyclic behavior and the fatigue life of two kinds (THYSSEN and CLI) of 304L stainless steel at room temperature. The experiments have been performed using two specimens’ categories. The first one (virgin) has been submitted to only classical fatigue tests while in the second category, prior to the fatigue test, the specimen is subjected to a pre-hardening process under either monotonic or cyclic strain control. Cyclic softening followed by cyclic hardening are observed for the virgin specimens while only cyclic softening is exhibited by the pre-hardened specimens. The obtained results show that fatigue life is strongly influenced by the pre-hardening: it seems beneficial under stress control but detrimental under strain control, even in the presence of a compressive mean stress. The results are discussed regarding the cyclic evolution of the elastic modulus aswell as the isotropic and kinematic parts of the strain hardening, and strain energy density per cycle, in different configurations: with or without prehardening,stress or strain control...

Résumé: L’objectif de cette thèse est d’interpréter la dégradation des aspérités des joints rocheux sous différentes conditions de chargement. Pour cela, la variation des aspérités durant les différentes étapes du cisaillement d’un joint rocheux est observée. Selon le concept appelé “tiny windows”, une nouvelle méthodologie de caractérisation des épontes des joints a été développée. La méthodologie est basée sur les coordonnées tridimensionnelles de la surface des joints et elles sont mesurées après chaque essai. Après la reconstruction du modèle géométrique de la surface du joint, les zones en contact sont identifiées à travers la comparaison des hauteurs des “tiny windows” superposées. Ainsi, la distribution des zones de la surface en contact, endommagées et sans contact ont été identifiées. La méthode d’analyse d’image a été utilisée pour vérifier les résultats de la méthodologie proposée. Les résultats indiquent que cette méthode est appropriée pour déterminer la taille et la distribution des surfaces du joint en contact et endommagées à différentes étapes du cisaillement. Un ensemble de 38 répliques ont été préparées en coulant du mortier sans retrait sur une surface de fracture obtenue à partir d’un bloc de granite. Différentes conditions de chargement, incluant des chargements statiques et cycliques ont été appliquées afin d’étudier la dégradation des aspérités à différentes étapes du procédé de cisaillement. Les propriétés géométriques des “tiny windows” en contact en phase pré-pic, pic, post-pic et résiduelle ont été analysées en fonction de leurs angles et de leurs auteurs. Il a été remarqué que les facettes des aspérités faisant face à la direction de cisaillement jouent un rôle majeur dans le cisaillement. Aussi, il a été observé que les aspérités présentent différentes contributions dans le cisaillement. Les aspérités les plus aigües (“tiny windows” les plus inclinées) sont abîmées et les aspérités les plus plates glissent les unes sur les autres. Les aspérités d’angles intermédiaires sont définies comme “angle seuil endommagé” et “angle seuil en contact”. En augmentant la charge normale, les angles seuils diminuent d’une part et, d’autre part, le nombre de zones endommagées et en contact augmentent. Pour un petit nombre de cycles (avec faible amplitude et fréquence), indépendamment de l’amplitude, une contraction apparaît ; par conséquent, la surface en contact et les paramètres de résistance au cisaillement augmentent légèrement. Pour un grand nombre de cycles, la dégradation est observée à l’échelle des aspérités de second ordre, d’où une baisse des paramètres de résistance au cisaillement. Il a été aussi observée que les “tiny windows” avec différentes inclinaisons contribuent au processus de cisaillement, en plus des “tiny windows” les plus inclinées (aspérités plus aigües). Les résultats de la méthode proposée montrent que la différenciation entre les zones en contact et celles endommagées s’avère utile pour une meilleure compréhension du mécanisme de cisaillement des joints rocheux. / Abstract: The objective of the current research is to interpret the asperity degradation of rock joints under different loading conditions. For this aim, the changes of asperities during different stages of shearing in the three-dimensional joint surface are tracked. According to a concept named ‘tiny window’, a new methodology for the characterization of the joint surfaces was developed. The methodology is based on the three-dimensional coordinates of the joints surface that are captured before and after each test. After the reconstruction of geometric models of joint surface, in-contact areas were identified according to the height comparison of the face to face tiny windows. Therefore, the distribution and size of just in-contact areas, in-contact damaged areas and not in-contact areas are identified. Image analysis method was used to verify the results of the proposed method. The results indicated that the proposed method is suitable for determining the size and distribution of the contact and damaged areas at any shearing stage. A total of 38 replicas were prepared by pouring non-shrinking cement mortar on a fresh joint surface of a split granite block. Various loading conditions include monotonic and cyclic loading were applied to study the asperities degradation at different stages of shearing. The geometric properties of the in-contact tiny windows in the pre-peak, peak, post-peak softening and residual shearing stages were investigated based on their angle and height. It was found that those asperities facing the shear direction have the primary role in shearing. It is remarkable that different part of these asperities has their own special cooperation in shearing. The steepest parts (steeper tiny windows) are wore and the flatter parts (flatter tiny windows) are slid. The borderlines between these tiny windows defined as “damaged threshold angle” and “in-contact threshold angle”. By increasing normal load, both the amounts of threshold angles are decreased and contact and damaged areas increased. During low numbers of cycles (with low amplitude and frequency), independent of the type of cycle, contraction occurs and consequently the contact area and the shear strength parameters slightly increased. During larger number of cycles, degradation occurred on the second order asperities, therefore the shear strength parameters slowly decreased. It was also observed that tiny windows with different heights participate in the shearing process, not just the highest ones. The results of the proposed method indicated that considering differences between just in-contact areas and damaged areas provide useful insights into understanding the shear mechanism of rock joints.

Les ancrages hélicoïdaux, largement utilisés pour résister à des efforts de traction pour une variété d’applications comme les pylônes électriques, les pipelines, les structures offshore, etc., sont soumis à des chargements cycliques qui influent sur la performance d’encrage et peuvent induire une rupture par fatigue. Cependant, l’influence des sollicitations cycliques sur le comportement d’encrage hélicoïdal est mal connue. Une évaluation approfondie de l’effet des charges cycliques sur la réponse effort – déplacement des ancrages avec une seule hélice dans les sols sableux est présentée, incluant un diagramme d’interaction pour aider à évaluer l’impact des différentes conditions de chargement cyclique. La partie expérimentale de cette thèse comprend des essais en centrifugeuse géotechnique et des essais de chargement in situ. Les essais en centrifugeuse ont été effectués sur des modèles réduits d’encrages hélicoïdaux dans du sable à l’IFSTTAR (Nantes, France). Les essais de chargement in situ ont été réalisés sur des ancrages hélicoïdaux installés dans le sol tropical résiduel du site expérimental de l’Université de Sao Paulo (Sao Carlos, Brésil). De plus la modélisation numérique a été utilisée pour prédire les réponses pré et post cycliques des ancrages d’une hélice testée en centrifugeuse. Les principales conclusions de cette recherche sont : (a) le comportement d’un ancrage hélicoïdal est régi par la capacité portante de l’hélice, et aucune perte de capacité portante d’hélice n’a été observée pour la gamme de charges cycliques testée, (b) la dégradation de la résistance par frottement latéral sur le fut a été remarquée principalement pendant les 100 premiers cycles, lorsque l’accumulation des déplacements permanents est plus importante, (c) un diagramme d’interaction montrant les différentes conditions de stabilité cyclique est proposé à partir des résultats des données expérimentales, (d) des valeurs modifiées du facteur de capacité portante (Nq) sont proposées pour l’estimation de la capacité et post-cyclique des ancrages avec une hélice dans du sable, (e) l’effet de l’installation de l’ancrage doit être pris en compte dans le modèle numérique afin d’obtenir des prédictions fiables de la performance de l’ancrage hélicoïdal. / Helical anchors, used widely to resist uplift loading for a variety of applications, including in transmission towers, pipelines, offshore structures, etc., are subjected to environmental cyclic loads that influence the anchor performance and may induce fatigue failure. However, the influence of cyclic loading on helical anchor behaviour is unknown. A comprehensive evaluation of the effect of cyclic loading on the load-displacement response of single-helix anchors in sandy soils is presented here, including an interaction diagram to help designers evaluate the impact of different conditions in cyclic loadings. The experimental work of this thesis includes geotechnical centrifuge modelling and field load tests. The centrifuge model tests were carried out with reduced scale models of helical anchors in sand, at IFSTTAR (Nantes, France). The field load tests were performed on hekical anchors installed in a tropical residual soil of the Experimental Site of the University of Sao Paulo (Sao Carlos, Brazil). In addition, numerical modelling was used to predict the pre- and post-cyclic responses of the single-helix anchors tested in a centrifuge. The main findings of this research are : (a) helical anchor behaviour is governed by helix bearing resistance and no loss of helix bearing capacity was observed in the range of cyclic loadings tested, (b) the degardation of shaft resistance was noticed mainly during the first 100 cycles, when the accumulation of permanent displacements is more significant, (c) an interaction diagramshowing the different conditions of cyclic stability is proposed from the results of the experimental data, (d) modified values of the bearing capacity factor in tension (Nq) are suggested for the estimation of post-cyclic uplift capacity of single-helix anchors in sand, (e) the installation effect of the anchor should be taken into account in the numerical model in order to obtain reliable predictions of the helical anchor performance.

L’une des principales exigences d’utilisation d’un adhésif est son aptitude à conserver sa capacité à supporter des efforts, appliqués de manière répétée, tout au long de sa vie en service. Toutefois, on dénombre peu d’études sur le comportement en fatigue des assemblages collés. De plus, ces études concernent majoritairement la propagation de fissures et non l'amorçage. Le comportement en fatigue d’assemblages collés est généralement caractérisé grâce à des essais simple-recouvrement auxquels sont associés des états de contrainte complexes présentant de fortes concentrations de contrainte. Le but de ce travail est de développer un outil prédictif du comportement cyclique d’un adhésif dans un assemblage soumis à un chargement de fatigue, en utilisant des essais basés sur l’utilisation d’un montage Arcan modifié. Ce type de montage utilise des éprouvettes générant un état de contrainte avec peu d’effets de bord et un maximum au centre du joint de colle. Une base expérimentale constituée d'essais monotones, cycliques et de fluage pour différents modes de chargement sont présentés. Les résultats expérimentaux concernant un adhésif bi-composant polyuréthane SikaForce®-7817 L60MR permettent de caractériser un comportement reproductible. Ces résultats soulignent une évolution non-linéaire des déformations et fortement dépendante du type de chargement. Ce comportement peut être décrit par l’utilisation d’un modèle visco-élastique-visco-plastique. Implanté dans un code de calcul par éléments finis, ce modèle a permis d’analyser l’influence des phénomènes visqueux. Afin de limiter les temps d'essais, une identification inverse des paramètres a été menée à partir d'une campagne d'essais Arcan en fluage/recouvrement. Les simulations par éléments finis ont permis de décrire le comportement cyclique de structures collées et en utilisant un critère de rupture pertinent, d'effectuer un calcul de durée de vie à l'amorçage d'une fissure. Ce travail a été appliqué à l’étude du comportement en fatigue d'assemblages collés pour applications éoliennes offshores. Aussi, à partir de la stratégie développée, des estimations de la durée de vie de structures composites collés ainsi que d’un cas d’application représentatif ont été réalisées. / Estimating capacities of adhesives to endure repetitive loadings is an essential point to perform fatigue assessments. Nevertheless, few studies have been performed on the cyclic behaviour of adhesively bonded structures. Moreover, fatigue crack initiation is less studied for adhesives than the fatigue crack propagation. Fatigue behaviour is mainly analysed using lap-shear type specimens, which are associated with complex stress states and stress concentrations. The aim of this work is to develop a predictive tool describing the cyclic behaviour of an adhesive in an assembly under fatigue loading using an experimental approach based on modified Arcan tests. Such a device is associated with low edge effects and a maximum stress state in the centre of the adhesive. Accurate experimental results under monotonic, creep and cyclic loading are presented for several load amplitudes, mean loads and loading rates. For a two-component polyurethane SikaForce®-7817 L60 MR adhesive, experimental results led to reproducible behaviour. These results underline that the evolutions of the non linear strains strongly depend on the loading type. This behaviour is well described using a visco-elastic-visco-plastic model with non-linear viscous parameters. This model, implemented in 3D finite element simulations, allows analysing the influence of viscosity. In order to limit the experimental test time the inverse identification of the model parameters is performed from modified Arcan creep-relaxation tests. The finite element simulations of bonded structures allowing an efficient description of the cyclic behaviour and using an adequate failure criterion based on the viscous strains evolutions, a validation on fatigue life predictions is performed. This work is dedicated to the study of fatigue of bonded structures in offshore windmills applications. From this strategy a fatigue life estimation of composite structures tests and on an application test is proposed.

Les méthodes par éléments discrets constituent une alternative par rapport aux méthodes<br />par éléments finis pour la modélisation du comportement d'un milieu divisé : sol, milieux<br />granulaires, etc . Dans ce mémoire l'objectif est d'étudier un matériau granulaire soumis à des sollicitations<br />cycliques : le ballast des voies ferrées soumis au passage des trains. Nous présentons à la<br />suite d'une étude bibliographique sur le comportement du ballast, la méthode de résolution NonSmooth<br />Contact Dynamics, et nous exposons l'ensemble des développements nécessaires dans le<br />cas bidimensionnel et tridimensionnel : un algorithme de détection entre polygones et entre polyèdres<br />convexes, le paramétrage, la résolution du problème de contact frottant. Nous déterminons<br />ensuite les paramètres optimaux pour des simulations de chargement cyclique. Dans une dernière<br />partie, nous présentons ensuite un ensemble de résultats montrant l'aptitude des méthodes par éléments<br />discrets à décrire l'évolution d'un massif granulaire sous chargement cyclique. L'analyse<br />d'une comparaison entre une expérience et la simulation met évidence le comportement particulier<br />de ce type de système, qui s'assimile à une couche mince granulaire où des micro-structures particulières<br />guident la réponse mécanique du milieu. Dans le cas tridimensionnel, des comportements<br />mécaniques connus ont été retrouvés, à titre d'exemple, en analysant l'évolution de structures<br />maçonnées. Nous présentons une étude de la résistance latérale de la voie ballastée, en considérant<br />des formes de grains issues de la digitalisation de grains réels, pour laquelle on retrouve un<br />comportement identifié expérimentalement.

Ces travaux ont pour objectif l'identification et la compréhension de l'effet de la corrosion aqueuse sur la durée de vie en fatigue à grand nombre de cycles (HCF) d'un acier inoxydable martensitique utilisé dans des applications aéronautiques. Tout d'abord, l'effet géométrique des défauts de corrosion sur la limite de fatigue à 10^7 cycles à l'air a été étudié avec quatre tailles différentes de piqûres de corrosion. A partir de ces résultats, une nouvelle approche volumique non locale de modélisation numérique a été proposée pour prendre en compte une géométrie réelle d'un défaut de corrosion issu des analyses en microtomographie X. Ensuite, les phénomènes de couplage chargement cyclique/corrosion ont été identifiés par des essais de fatigue à grande durée de vie (entre 10^5 et 10^7 cycles) dans une solution aqueuse à 0,1 M NaCl (à pH = 6) pour deux rapports de charge (R = -1 et 0,1). Le comportement électrochimique du film passif a été étudié in situ au cours des essais de fatigue-corrosion par le suivi du potentiel libre de corrosion et des mesures d'impédance électrochimique. Les observations des mécanismes d'amorçage de fissures et des mesures électrochimiques in-situ ont permis d'identifier un scénario d'amorçage de fissures de fatigue. Ce scénario implique des processus de rupture locale du film passif (induite par le chargement cyclique) et de corrosion assistée par le chargement cyclique. Finalement un modèle analytiquede prévision de la durée de vie en fatigue dans un milieu aqueux corrosif a été proposé à partir des résultats expérimentaux.

Le dimensionnement en fatigue à grand nombre de cycles d'un contact roulant entre des éléments ayant subi un traitement thermochimique de cémentation s'avère rapidement complexe.D'une part le traitement de cémentation apporte une hétérogénéité de propriété dans les couches supérieures de la pièce qui dépend du protocole utilisé. D'autre part le chargement de contact roulant est un chargement complexe dont le mode de défaillance en fatigue s'initie en sous-couche.Afin de limiter le temps de la caractérisation des champs de propriétés en fatigue, l'utilisation des mesures d'auto-échauffement sous sollicitation cyclique ainsi que leur interprétation par un modèle probabiliste à deux échelles est proposé. Néanmoins de par l'hétérogénéité du matériau et de par la particularité du chargement il peut s'avérer délicat d'appliquer une telle méthode d'évaluation. ll est alors proposé d'explorer ces deux difficultés de manière séparé.Pour prendre en compte l'hétérogénéité matériaux, un protocole d'analyse de courbe d'auto-échauffement basé sur une variante d'un modèle probabiliste à deux échelles et sur les mesures de taux de carbone a été proposé. Les paramètres du modèle ont été identifiés sur une classe d'acier via des mesures d'auto-échauffement réalisées sur des éprouvettes représentatives de l'hétérogénéité du au traitement de cémentation. Enfin le modèle a été validé par comparaison avec des points de fatigue expérimentaux.En ce qui concerne le chargement de contact roulant, les difficultés pour réaliser une mesure d'auto-échauffement ont mené à effectuer une première campagne de mesure sur le cas intermédiaire du contact répété. A l'aide d'un modèle analytique simple, l'évolution du champ de température a pu être reliée à un terme source de chaleur moyen dont le lien avec les mécanismes de fatigue reste à démontrer. Finalement, des prototypes de machine de contact roulant dédiés aux mesures d'auto-échauffement ont été proposés. Les mesures réalisées sur ces dernières et leur interprétation laissent à penser qu'il sera possible d'identifier des propriétés de fatigue à partir de mesure d'auto-échauffement. / The rolling contact fatigue prediction between two carburizing part quickly becomes complex.On one hand, the carburizing treatment give heterogeneous properties in surface layer depending on the treatment protocol. On the other hand, the rolling contact load is a complex load with a fatigue initiation in the sub-layer. To limit the duration of the field fatigue properties characterization, self-heating measurements under cycle load are used and their interpretation by a probabilistic two scales model is proposed. Nevertheless applying this fatigue evaluation method on heterogeneous material and for rolling contact load can be difficult. ln first approach those difficulties are split.To take into account the material heterogeneity, an analysis based on a variation of one probabilistic two scales model and on carbon rate measurement is proposed. Model parameters are identified on one steel class with self-heating measurement made on specimens representative of carburizing material heterogeneity. Finally the model is validated by comparison with experimental fatigue point.Making self-heating measurement for rolling contact load is complex. Consequently a first self-heating measurement campaign is made on the intermediary case of repeated contact. With a simple analytic model, the temperature field evolution can be linked to a mean heat source whose link with fatigue mechanism must be proven. Finally, rolling contact machine prototypes are proposed. Self-heating measurement made on those prototypes and their interpretation suggest that it will be possible to identify fatigue properties with self-heating measurement.

Ces travaux ont pour objectif l'identification et la compréhension de l'effet de la corrosion aqueuse sur la durée de vie en fatigue à grand nombre de cycles (HCF) d'un acier inoxydable martensitique utilisé dans des applications aéronautiques. Tout d'abord, l'effet géométrique des défauts de corrosion sur la limite de fatigue à 10^7 cycles à l'air a été étudié avec quatre tailles différentes de piqûres de corrosion. A partir de ces résultats, une nouvelle approche volumique non locale de modélisation numérique a été proposée pour prendre en compte une géométrie réelle d'un défaut de corrosion issu des analyses en microtomographie X. Ensuite, les phénomènes de couplage chargement cyclique/corrosion ont été identifiés par des essais de fatigue à grande durée de vie (entre 10^5 et 10^7 cycles) dans une solution aqueuse à 0,1 M NaCl (à pH = 6) pour deux rapports de charge (R = -1 et 0,1). Le comportement électrochimique du film passif a été étudié in situ au cours des essais de fatigue-corrosion par le suivi du potentiel libre de corrosion et des mesures d'impédance électrochimique. Les observations des mécanismes d'amorçage de fissures et des mesures électrochimiques in-situ ont permis d'identifier un scénario d'amorçage de fissures de fatigue. Ce scénario implique des processus de rupture locale du film passif (induite par le chargement cyclique) et de corrosion assistée par le chargement cyclique. Finalement un modèle analytiquede prévision de la durée de vie en fatigue dans un milieu aqueux corrosif a été proposé à partir des résultats expérimentaux. / This study addresses the effects of corrosion on the high cycle fatigue (HCF)strength of a martensitic stainless steel used in aeronautic applications. First, the geometry of corrosion pits on the fatigue strength in air at 10^7 cycles were studied with four different pit sizes. A new non-local fatigue criterion was proposed to simulate real shapes of pits as identified by X-ray microtomography. Corrosion fatigue synergy phenomena was studied by HCF tests (between 10^5 and 10^7 cycles) in a 0.1 M NaCl aqueous solution (pH = 6) with two load ratios (R = -1 and 0.1). Next, the electrochemical behavior of the passive film was investigated during in situ corrosion fatigue tests by free potential measurements and electrochemical impedance spectroscopy (EIS). Based on fractography analysis and electrochemical test results, corrosion fatigue crack initiation mechanisms were investigated. A scenario of fatigue crack initiation was proposed based on physical evidence. This scenario implied combined processes of local passive film rupture (induced by the cyclic loading), stress-assisted corrosion and enhanced pitting development. Local passive film ruptures were the main cause of the corrosion fatigue crack initiation. Finally, a analytical model for corrosion fatigue crack initiation was proposed based.