Dans I'industrie spatiale, I'optimisation des structures composites du point de vue cycles de fabrication, gain de masse et amélioration des performances passe aujourd'hui par I'introduction de jonctions collées en remplacement/complément de liaisons boulonnées ou rivetées. Les lanceurs sont des structures complexes qui nécessitent de prendre en compte les contraintes liées à la fabrication de structures de grandes tailles, I'influence des conditions de transport et de stockage, ainsi que les différents spectres de chargements thermo-mécaniques rencontrés au cours de la phase de lancement. Le but de ce travail a été de développer un outil prédictif du comportement mécanique de I'adhésif Hysol EA-9321, matériau utilisé dans cette étude, à tout instant du cycle de vie de la structure sur lequel il est utilisé, la structure SYLDA. La caractérisation et la modélisation d'un couplage thermo-cinétique d'un tel adhésif ont tout d'abord été réalisées en vue de déterminer la distribution du taux de polymérisation et de la température dans un assemblage collé quel que soit le chargement thermique appliqué. Le comportement mécanique de l'adhésif a ensuite été étudié expérimentalement via I'essai Arcan Evolution, ce qui a constitué une base de données expérimentales à divers taux de polymérisation adaptée à I'identification du modèle de comportement. Plusieurs modèles élasto-plastique et élasto-visco-plastique basés sur celui de Mahnken-Schlimmer ont été implantés dans un code de calcul éléments finis afin de prédire le comportement 3D de l'adhésif Hysol EA-9321. Une procédure globale d'identification, basée sur un couplage entre calculs éléments finis et une procédure d'optimisation, a permis d'identifier les différents paramètres des lois de comportement. Une extension de ces modèles à la visco-élasticité a été numériquement proposée. Enfin, une comparaison numérique entre une liaison conique et une liaison semblable à celle trouvée sur la structure spatiale étudiée a permis de proposer un essai représentatif du comportement de I'adhésif sur un tel assemblage. Cet essai servira, dans une étude complémentaire, à valider les modèles de comportement développés. / In the aerospace industry, composite structures are nowadays optimized with adhesively bonded joints supplemented by/or completed with mechanical fasteners such as bolts, rivets or welds. The structural design of launch vehicles is complex and must take into account lot of constraints related to large-scale structures, influence by environment conditions during storage, transport stages and thermo-mechanical stresses applied during launcher's flight. The purpose of this work was to provide a numerical tool for predicting the mechanical behaviour of the Adhesive Hysol EA-9321 in a spatial bonded assembly such as the SYLDA structure during its life course. First of all, a thermo-kinetic coupling was experimentally and numerically investigated to describe the couple (curing degree-temperature) in a bonded assembly regardless of the thermal load applied. Then, an experimental database was made by studying the mechanical behaviour of the adhesive under proportional loadings, using the Arcan Evolution experimental device. Cure-dependent elastoplastic and elasto-visco-plastic model based on Mahnken-Schlimmer constitutive laws were proposed in order to describe the 3D mechanical behaviour of the adhesive Hysol EA-9321. A global identification strategy allowed identifying material parameters by coupling finite element computations and optimization procedure. An extension of those models to the visco-elasticity was evenly provided. At last, a conical bonded joint and a bonded assembly in the SYLDA structure were numerically compared to propose a test representative of the adhesive behaviour in the SYLDA. The latter will aim at validating the constitutive laws established.

Cytogenetics of mesothelid spiders is largely unkown. The presented diploma thesis is focused on the karyotype evolution of these spiders. As it is the most basal group of spiders, the analysis of its cytogenetics can bring important data about ancestral spider karyotype. In the framework of my thesis, I analysed diploid chromosome numbers, chromosome morphology, meiotic division, sex chromosomes and the pattern of selected molecular markers that were detected by fluorescence in situ hybridization. According to my results, mesothelid spiders have a high number of chromosomes and the prevalence of monoarmed chromosomes. Unlike other spiders, mesothelids have little differentiated sex chromosomes. Key words: evolution, spider, chromosome, karyotype, fluorescence in situ hybridization, nucleolar organiser region, sex chromosomes

L’augmentation de la puissance électrique consommée à bord des avions a récemment conduit à introduire des convertisseurs électroniques de puissance à base d'interrupteurs à IGBT dans de nombreuses applications aéronautiques. L'utilisation de ces interrupteurs diffère de leurs emplois traditionnels dans les domaines du ferroviaire ou de l'automobile. En effet, les sollicitations environnementales ainsi que les cycles de commandes électriques sont différents de ceux rencontrés jusqu’alors, ce qui amène à remettre en cause les résultats actuels au sujet de la durée de vie et de la fiabilité de ces interrupteurs. Face à ces interrogations, les sociétés THALES et Hispano-Suiza se sont associées au sein du programme de l’avion plus électrique MODERNE (MODular ElectRical NEtwork) initié par Airbus, en vue de développer des solutions à haut niveau de fiabilité pour des applications aéronautiques sévères. C’est dans ce contexte que prennent place les présents travaux, dont les objectifs sont dans un premier temps de proposer de nouvelles architectures de modules susceptibles de présenter de meilleures performances d’intégration, et dans un second temps d’en étudier la fiabilité. Pour répondre à ces questions, un état de l'art des technologies utilisables a été mené. La confrontation de ses technologies aux contraintes et recommandations aéronautiques a conduit au choix de deux approches d'assemblage, proposées avec un jeu de matériaux sélectionnés pour leurs propriétés physiques et en conformité avec les réglementations sur l’utilisation de matériaux polluants. À l'issue d'une analyse de défaillances, différents développements ont été conduits afin de modéliser et caractériser le comportement thermique, mécanique puis à défaillance des modules. Des modèles Éléments Finis de structures représentatives des solutions proposées ont alors été mis au point et exploités pour l'élaboration de règles de conception, sur la base de plans d'expériences couplés à de la simulation numériques. Les informations générées ont servi à la conception de trois prototypes destinés à des applications différentes. Les performances de ces prototypes ont été évaluées, notamment leurs fiabilités obtenues par des calculs mécano-fiabilistes ayant permis l'optimisation de la conception des différents modules. / Within the framework of the electric plane programs, the aircraft industry is facing higher demands of electric power, fact which involves an increasing use of IGBT modules in aeronautical power converters. Although such modules have been well studied and known in railway and the automotive domains, they will be subjected to stresses and operational cycles specific to the aeronautical environment. Consequently, this requires manufacturers to answer some questions about their lifetime and reliability issues. Faced with these questions, THALES and Hispano-Suiza have associated in the more electric aircraft project launched by Airbus (MODERNE - MODular ElectRical NEtwork), with the aim of developing high reliability solutions for harsh aeronautic applications. This work takes place in this context, with the objectives of proposing power modules architectures likely to exhibit better performances and integration level, and then study the reliability of different prototypes. To answer these questions, technological studies of the possible packaging and connecting solutions, faced with aeronautical stresses and requirements led to the choice of two basic assembling approaches. A set of materials selected for their physical properties and their compliance with polluting materials regulations was also proposed. The potential failure modes of these solutions were pointed out and taken into account within experimental and numerical developments, to model and characterize the thermal, mechanical and failure behaviour of the modules. Then, different Finite Element models representative of the proposed technologies structures were developed and investigated for defining design rules on the basis of Designs of Experiments. The whole knowledge generated by the simulations was used to design three prototypes of IGBT module for different applications. The performance of these prototypes have been evaluated and compared to the requirements, including their reliability obtained by mechanical calculations coupled with probabilistic methods which led to their optimization.

Nous présentons deux approches différentes pour décrire le couplage hydromécanique des géomatériaux. Dans une approche de type phénoménologique nous traitons le milieu poreux comme un milieu continu équivalent dont les interactions entre la phase fluide et le squelette solide constituent le couplage du mélange à l'échelle macroscopique. En caractérisant le comportement de chaque phase nous arrivons à décrire le comportement couplé du milieu couplé saturé.Nous utilisons cette approche pour modéliser des essais expérimentaux faits sur un cylindre creux pour une roche argileuse (argile de Boom). Les résultats expérimentaux montrent de façon claire que le comportement de cette roche est fortement anisotrope. Nous avons choisi de modéliser ces essais en utilisant une lois de comportement élasto-plastique pour laquelle la partie élastique est transversalement isotrope.Le problème aux conditions aux limites étudié met en évidence des déformations localisées autour du forage intérieur. Afin de décrire de façon objective le développement de ces bandes de cisaillement nous avons considéré un milieu continu local de type second gradient qui permet d'introduire une longueur interne. De ce fait nous avons pu étudier le problème d'unicité en montrant qu'un changement de la discrétisation temporelle du problème aux limites peut conduire à des solutions différentes.Dans la deuxième approche étudiée nous caractérisons la microstructure du matériau avec des grains et un réseau de canaux pour la phase fluide. À l'aide d'un processus numérique d'homogénéisation nous arrivons à calculer numériquement la contrainte du mélange et le flux massique. Cette méthode d'homogénéisation numérique a été implémentée dans un code aux éléments finis afin d'obtenir des résultats macro. Une validation de l'implentation est proposée pour des calculs en mecanique pure et en hydromécanique. / We present two different approaches to describe the hydromechanical behaviour of geomaterials. In the first approach the porous media is studied through an equivalent continuum media where the interaction between the fluide and solid phases caracterize the coupling behaviour at the macroscale.We take into account this approach to model experimental tests performed over a hollow cylinder sample of clay rock (Boom Clay), considered for nuclear waste storage. The experimental results clearly show that the mechanical behaviour of the material is strongly anisotropic. For this reason we chose an elasto-plastic model based on Drucker-Prager criterion where the elastic part is characterized by cross anisotropy.The numerical results of boundary value problem clearly show localised strains around the inner hollow section. In order to regularize the numerical problem we consider a second gradient local continuum media with an enriched kinematic where an internal lenght can be introduced making the results mesh independent. The uniqueness study is carried out showing that changing the temporal discretization of the problem leads to different solutions.In the second approach we study the hydromechanical behaviour of a porous media that it is characterised by the microstructure of the material. The microstructure taken into account is composed by elastic grains, cohesives interfaces and a network of fluid channels. Using a periodic media a numerical homogenization (square finite element method) is considered to compute mass flux, stress and density of the mixture. In this way a pure numerical constitutive law is built from the microstructure of the media. This method has been implemented into a finite element code (Lagamine, Université de Liège) to obtain results at the macroscale. A validation of this implementation is performed for a pure mechanical boundary value problem and for a hydromechanical one.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:56:40Z (GMT). No. of bitstreams: 1 3187.pdf: 3659896 bytes, checksum: 975ac91a3eb67a4347c326de8f22bf8e (MD5) Previous issue date: 2010-03-31 / Universidade Federal de Minas Gerais / This master's thesis project aims at studying the dynamic optimization of the operation of a bench scale (up to 5L) automated, agitated and aerated bioreactor, where the semi-continuous cultivation of recombinant Pichia pastoris is run. This yeast was cloned using the PGK1 promoter, which precludes the use of methanol as inducer, expressing constitutively the enzyme penicillin G Acylase (PGA) from Bacillus megaterium. While the group of molecular biology of DEQUFSCar is working on cloning the PGA, d P. pastoris expressing the enzyme - amylase from Bacillus subtilis was cultivated. This clone, provided by prof. Fernando Torres, UnB, uses the same construction and, therefore, its kinetics of growth and production should be very similar to the PGA s. Cultivation of recombinant Pichia pastoris was performed in flasks (skaker) using standard culture medium, aiming at obtaining kinetic data, which are the starting point for the escalation to a benchtop bioreactor. Following that, tests were performed in a 5L bioreactor in batch and fed batch operation modes. With the bioreactor data , kinetic parameters of growth, to be further used in the simulations, were estimated, using a hybrid algorithm (which combines the global method Simulated Annealing, with the local one Levenberg- Marquardt). This algorithm, is implemented in Matlab and available in the software library of Ladabio (Laboratory of Development and Automation of Bioprocesses ). From these data, models of microbial growth and of production were developed, following a classic approach (unstructured, non-segregated). Computer simulations using different feeding strategies and employing these models allowed mapping the dynamics of the system. From this information, optimal control strategies were proposed to define optimal feeding profiles. Cellular concentrations of 5.4 g/L (dry weight) were reached in shaker (20h of cultivation, when glucose is exhausted), expressing 218 U/mL of -amylase, compared to 11.4 g/L (dry weight) that were achieved in cultures in a bioreactor in batch simple (10h of cultivation, when glucose is exhausted), expressing 156 U/mL of -amylase In fed-batch cultures, cell concentrations of up to 45 g/L were achieved, expressing up to 260 U/mL of - amylase, with a productivity of 5.2 U/mL/ h. In fed-batch cultures of P. pastoris expressing PGA, cell concentrations of up to 35 g/L were achieved. Enzyme activity was not detected in the culture broth due to the effect of glycosylation. Immunodetection reaction confirmed the expression of the recombinant enzyme. Four specific growth rate equations were adjusted, with different types of inhibition by one product, detected at significant levels by liquid chromatography highperformance, but not yet identified. This metabolite was added as an inhibitor in kinetic models, using the peak areas, normalized as a pseudoconcentration. The best fit to the experimental data were the Monod kinetic model with non-competitive inhibition. Typical values obtained for the maximum specific growth and glucose/ cell conversion factor in bioreactor were max=0,24 h-1 and YX/S = 0,48. Algorithm for optimal control in open loop was developed and successfully implemented, providing a robust profiles of great power, whose validation is proposed as a continuation of this work. / Este mestrado se propoe a estudar a otimizacao dinamica de biorreator automatizado, tipo tanque agitado e aerado, em escala de bancada (ate 5L), onde se processa o cultivo semi-continuo de Pichia pastoris recombinante. Essa levedura foi clonada pelo grupo do prof. Fernando Torres, da UnB, utilizando o promotor PGK1, que dispensa a utilizacao de metanol como indutor, expressando constitutivamente a enzima -amilase de Bacillus subtilis. Durante a execucao deste mestrado, a enzima penicilina G acilase (PGA) de Bacillus megaterium esta sendo clonada pelo grupo de biologia molecular do DEQ-UFSCar usando a mesma construcao e, portanto, a cinetica de crescimento e producao da PGA heterologa devera ser muito semelhante as da -amilase, utilizada como estudo de caso para otimizacao do bioprocesso. Cultivos de Pichia pastoris recombinante foram realizados em frascos agitados, utilizando meio de cultivo padrao, objetivando o levantamento de dados cineticos, ponto de partida para o escalonamento em biorreator de bancada. Posteriormente, foram realizados ensaios em biorreator de 5L, em batelada e batelada alimentada. Com os dados obtidos nos cultivos em biorreator, e utilizando algoritmo hibrido para estimativa de parametros (que combina o metodo global Simulated Annealing, com o local de Levenberg-Marquardt), implementado em MatLab e disponivel no LaDABio (Laboratorio de Desenvolvimento e Automacao de Bioprocessos), foram ajustados parametros cineticos de crescimento, para serem utilizados nas simulacoes dos cultivos em biorreator. A partir dai, foi desenvolvido modelo de crescimento microbiano e de producao, utilizando um enfoque classico (modelo nao-estruturado, nao-segregado) para descrever o sistema. Com isso, torna-se possivel realizar simulacoes em computador usando diferentes estrategias de alimentacao, para mapear a dinamica do sistema. A seguir, foram desenvolvidos algoritmos de controle otimo em malha aberta para definicao de estrategias de alimentacao. Concentracoes celulares de 5,4 g/L (massa seca) foram alcancadas em cultivos em camara rotatoria (20h de cultivo, quando se esgota a glicose), expressando 218 U/mL de -amilase, comparado com 11,4 g/L(massa seca) que foram atingidos em cultivos em biorreator em bateladas simples (10h de cultivo, quando se esgota a glicose), expressando 156 U/mL de -amilase. Em cultivos em batelada alimentada concentracoes celulares de ate 45 g/L foram atingidas, expressando ate 260 U/mL de -amilase, com uma produtividade de 5,2 U/mL/h. Em cultivo em batelada alimentada de P. pastoris expressando PGA, concentracoes celulares de ate 35 g/L foram atingidas. Nao foi detectada atividade enzimatica no caldo de cultivo devido ao efeito da glicosilacao. Reacao de imunodeteccao confirmou a expressao da enzima recombinante. Foram ajustadas quatro equacoes de velocidade especifica de crescimento, com diferentes tipos de inibicao por um produto, detectado em niveis importantes por cromatografia liquida de alto desempenho, mas ainda nao identificado. Esse metabolito foi inserido como inibidor nos modelos cineticos, utilizando as areas dos picos, normalizadas, como uma pseudoconcentracao. Os melhores ajustes aos dados experimentais foram com modelo cinetico de Monod com inibicao nao-competitiva. Valores tipicos obtidos para a velocidade especifica maxima de crescimento e de fator de conversao glicose/celula em biorreator foram max = 0,24 h-1 e YX/S = 0,48. Algoritmo de controle otimo em malha aberta foi desenvolvido e implementado com sucesso, prevendo de forma robusta perfis otimos de alimentacao, cuja validacao fica proposta como continuidade deste trabalho.

De nos jours, le contexte de mondialisation des marchés impose aux industriels des contraintes économiques sans précédent. Afin de rester concurrentiels, ils n’ont d’autre choix que de modifier leur façon de concevoir et d’innover. Les techniques de production sont directement concernées avec par exemple une volonté de réduire les cycles de mise au point visant à définir les paramètres optimaux de mise en forme. On constate alors l’immersion d’un besoin fort en moyens de support, flexibles et prédictifs, permettant de limiter les campagnes d’essais et de faciliter leur exploitation. La simulation numérique se présente comme un outil pouvant répondre à ces critères. Ce travail s’est inscrit dans une démarche d’amélioration de la modélisation et de la simulation des opérations d’usinage, et à une échelle plus locale, de la modélisation de la coupe des métaux. Il aborde donc un problème complexe, fortement couplé, faisant intervenir mécanique, thermique, tribologie et métallurgie dans des conditions extrêmes. Une première partie expérimentale s’est donc orientée vers une compréhension plus fine des mécanismes de coupe mis en jeu en usinage d’un C45 normalisé et d’un 42CrMo4 trempé revenu. Elle a notamment permis de mettre en évidence, dans les zones de déformation intense, des affinements de grain conséquents, produits par l’activation d’un processus de recristallisation dynamique (DRX). L’inspection des zones de contact outil-matière a également montré les fortes hétérogénéités de contact existantes à l’interface outil-copeau et révélant la formation d’une résistance thermique de contact. Une étude rhéologique des deux nuances s’est appuyée sur des essais de compression dynamique. Menée à haute déformation, elle a permis de reproduire les évolutions microstructurales observées en coupe et d’appréhender leur influence sur la limite d’écoulement des matériaux. Deux modèles de comportement "à base métallurgique" ont été identifiés, présentant une retranscription plus fidèle que les modèles phénoménologiques standards. Des essais tribologiques dédiés ont permis d’extraire des modèles de contact capables de reproduire les phénomènes locaux existants à l’interface outil-matière. L’accent s’est principalement porté sur la thermique de contact au travers de lois de partage variables intégrant la notion de résistance thermique. L’intégralité de ces modèles a enfin été implémentée dans le code de calcul Abaqus© grâce à des développements spécifiques. Une stratégie de modélisation a été mise en place autour d’un modèle de coupe 2D afin de restituer les tendances majeures observées lors de la coupe d’aciers spéciaux. L’association de modèles 2D et 3D à copeau continu, de modèles à copeau segmenté ainsi que de simulations thermiques découplées présente un fort potentiel permettant, à terme, de modéliser une opération d’usinage dans sa globalité. / Nowadays, in a context of globalization, companies are submitted to unprecedented economic constraints. To remain competitive, they are forced to change their way of designing and innovating. Manufacturing is directly concerned with in mind to reduce the development steps necessary to define the optimal processing parameters. A need of flexible and predictive support tools is clearly rising in order to limit the experimental campaigns and make easier their exploitation. The numerical simulation appears as a relevant tool that match these criteria. This work is a contribution to an approach which aims at improving the modeling and simulation of machining operations, and on a more local scale, the modeling of metal cutting. It therefore addresses a complex and tightly coupled problem, involving mechanics, thermal sciences, metallurgy and tribology in extreme conditions. A first experimental part was thus directed towards a more sophisticated understanding of the cutting mechanisms occuring in machining of a normalized AISI 1045 and a quenched and tempered AISI 4140. It made possible to highlight, in the main intensive deformation zones, drastic grain refinements produced by the activation of dynamic recrystallization (DRX). Inspection of the tool-material contact areas also showed the strong heterogeneities of contact existing at the tool-chip interface, revealing the formation of a thermal contact resistance. A rheological study of these two grades was based on dynamic compression tests. Conducted at high strain, it reproduced the microstructural changes observed in cutting and enabled to understand their influence on the flow stress of both materials. Two "metallurgy based" models have been identified, leading to a better description of the material behaviour than standard phenomenological models. Special tribological tests have been conducted and analyzed to extract contact models able to reproduce local phenomena existing at the tool-material interface. The study has especially been focused on the thermal contact through heat partition models including the concept of thermal contact resistance. The proposed constitutive and contact models were finally implemented in a finite element code Abaqus© thanks to some specific developments. A modeling strategy has been developed around a 2D cutting model in order to simulate the major trends observed during the cutting of the mentioned steels. The combination of 2D and 3D continuous chip models, 2D segmented models and uncoupled thermal simulations appears as promising to model the different aspects of a machining operation.

La simulation interactive du corps humain est un problème crucial en informatique médicale. Les approches sont multiples pour arriver à cet objectif. Diminuer le temps de calcul est le leitmotiv d'un grand nombre de travaux ces dernières années. Pour les recherches qui utilisent des modèles physiques inspirés de la Mécanique des Milieux Continus pour la simulation des objets déformables, ce sont principalement les forces internes et leurs dérivées qui font l'objet d'études pour l'amélioration des performances au niveau du temps de calcul. Nous avons choisi de développer la Méthode des Masses-Tenseurs, modèle physique souvent utilisé pour son bon compromis temps de calcul — précision. Notre première contribution est l'utilisation du calcul formel pour la génération des équations des forces internes et de leurs dérivées. Notre deuxième contribution est la parallélisation de ce modèle physique en calculant les équations générées sur le GPU. Notre troisième contribution est l'extension de ce modèle physique à d'autres types d'éléments : triangle, quadrangle, hexaèdre, prisme et pyramide. Tenir compte des déformations pour utiliser la loi de comportement la plus efficace en temps de calcul lorsque c'est possible, est une stratégie que nous avons mis en place. Dans la même idée, nous prenons en compte la géométrie du modèle à simuler pour utiliser des éléments plus complexes mais en nombre réduit. Pour utiliser ces stratégies, nous avons développé et utilisé des modèles mixtes en loi de comportement et en type d'éléments. Nos travaux se placent dans le contexte du projet ETOILE pour le développement d'un modèle biomécanique du système respiratoire / Interactive simulation of the human body is a crucial issue in medical computer sciences. There are many approaches to reach this goal. Reducing the computation time is the leitmotiv of a large number of efforts in recent years. For researches which use physical models derived from continuum mechanics for the simulation of deformable objects, it is primarily the internal forces and their derivatives which are the subject of study for improving computation time. We chose to develop the Tensor Mass Method, a physical model often used for its good computation time vs accuracy trade-off. Our first contribution is the use of computer algebra to generate the internal forces and their derivatives. Our second contribution is the parallelization of this physical model by computing the generated equations on the GPU. Our third contribution is an extension of this physical model to other elements : triangle, quandrangle , hexahedron, prism and pyramid. Considering deformations to use the most effective constitutive law in terms of computation time whenever possible is a good strategy that we started developing. In the same idea, we take the geometry of the simulated model into account to introduce more complex elements, albeit in reduced numbers. To use these strategies, we have developed mixed models in constitutive laws and elements. Our research was performed in the framework of the ETOILE project, to develop a biomechanical model of the respiratory system

The geotechnical properties of municipal solid waste (MSW) such as compressibility, shear strength and stiffness are of prime importance in design and construction of landfills. However, it is not well clear how the stress-strain and strength characteristics vary with time as the biodegradation of waste continues in the landfill. There is also a need to address the variability of MSW properties and their role in landfill design. The present thesis proposes models for the analyses of stress-strain response of MSW in undrained and drained conditions. The proposed models are based on critical state soil mechanics concept and the modified cam clay model is extended to consider the effects of creep and biodegradation. The models are examined with reference to experimental data and published results of MSW in the form of stress strain response. In addition, the experimental results and the data from published literature are also compared with predictions from hyperbolic model. The proposed models are able to capture the stress strain response of MSW in undrained and drained condition adequately. The applicability of proposed model is presented in terms of shear strength ratio, stiffness ratio and settlement for typical landfill cases. In order to examine the influence of model parameters on shear strength, stiffness ratio and settlement, multilinear regression equations are developed based on response surface method (RSM) for different coefficients of variation (COVs). The effect of variability associated with model parameters is examined using reliability analysis. For better understanding, the present thesis is divided into following seven chapters. Chapter 1 is an introductory chapter, in which the need for use of the constitutive models and its use in engineering response analysis of MSW is presented. Further, the organization of thesis is also presented. Chapter 2 presents various studies with regard to the engineering properties of MSW available in the literature. Different models and approaches proposed by various researchers for the prediction of stress-strain response, time dependent behavior and settlement analysis of the MSW are presented. The uncertainty associated with engineering properties and available methods for reliability analysis and the use of response surface method are presented. Finally, based on the literature review, the scope of the thesis and summary of chapter are presented at the end. Chapter 3 presents composition of MSW, detailed description of the sample preparation, methods adopted in the experimental program and test results of one dimensional compression and consolidated undrained tests. Based on the experimental observations, a constitutive model for municipal solid waste for undrained condition in the framework of modified cam clay model considering mechanical creep and biodegradation mechanisms is proposed. It also provides detailed description of the selection of the input parameters required for the proposed model. Further, the detailed derivation of proposed model and the discussion on evaluation of the input model parameters from triaxial and consolidation tests are presented. The model is examined with reference to the experimental data and published results. The stress strain behavior of MSW is compared with the prediction of stress strain response from hyperbolic model. The comparison of stress strain response is well captured using proposed model for all levels of strain. The major conclusions from the study are presented at the end. Chapter 4 presents experimental results of consolidated drained tests. A constitutive model for MSW for drained condition in the framework of modified cam clay model considering mechanical creep and biodegradation mechanisms is proposed. The model is examined with reference to the experimental data and data from published literature. In addition, stress strain behavior of MSW is compared with the predictions from hyperbolic model. The comparison of stress strain response is well captured using proposed model for all levels of strain. The major conclusions from the study are presented at the end. Chapter 5 presents the applicability of proposed models in terms of shear strength ratio and stiffness ratio for a typical landfill condition. Based on response surface method (RSM), multilinear response surface equations are developed for different variables ( M, λ.b.c.d.Edg ) for different percentages of strain for 10 and 20% COVs of the model parameters. The effect of variability of model parameters is presented in terms of results of reliability analysis for specified performance functions. The major conclusions from the study are presented at the end. Chapter 6 presents an approach for the settlement evaluation of MSW for a typical landfill case of 30 m high. Based on RSM, multilinear response surface equations are developed for the calculation of MSW settlement for 30 years for 10 and 20% COVs. The effect of variability of model parameters is evaluated in term of reliability index for performance function specified in terms of landfill capacity. The major conclusions from the study are presented at the end. Chapter 7 presents a brief summary and conclusions from the various studies reported in the present thesis.

Nous présentons dans ce mémoire l'influence que peuvent avoir les écoulements de fluide au sein de la matrice rocheuse fracturée, laquelle est sujette aux variations locales ou régionales de l'état de contrainte in situ. Du fait de l'augmentation de la pression de pore, la longueur et l'ouverture de la (les) fracture(s) peuvent subir des variations significatives et conduire à la formation de chemins préférentiels pour l'écoulement du fluide dans le milieu géologique. Les modèles théorique et numérique évoqués ici sont des modèles de comportement hydro-mécanique pour le milieu poreux saturé en présence d'une seule phase fluide. La méthode des éléments finis étendue (XFEM) est utilisée afin de modéliser la dynamique des fractures ainsi que les écoulements de fluide dans la matrice rocheuse fracturée, sans être tributaire de la dépendance au maillage. Ainsi, nous considérons: (i) qu'il existe une pression fluide induite par l'écoulement au sein de la fracture, (ii) que la dynamique de la fracture est gérée grâce à un modèle de zone cohésive en supposant un chemin de propagation prédéfini, et (iii) que des échanges entre la fracture et la matrice poreuse peuvent se produire. Ce dernier aspect sera pris en compte en introduisant, dans la formulation du problème couplé, un champ de multiplicateur de Lagrange. Ce champ résulte de la dualisation de la condition d'égalité entre la pression de pore et de la pression de fluide au niveau des parois de la fracture. Afin de respecter les contraintes liées à XFEM, nous avons choisi d'introduire dans la formulation une loi cohésive non-régularisée de type Talon-Curnier. Ce type de loi est capable de gérer la propagation et/ou la refermeture de la fracture. Le modèle HM-XFEM a été validé à partir des solutions analytiques du modèle 2D de fracture KGD, et ce, pour différents régimes de propagation. Nous avons ensuite appliqué le modèle HM-XFEM au cas d'un réseau de fractures non connectées entre elles et évoluant sur des chemins de propagation prédéfinis, afin d'analyser comment les fractures d'un réseau peuvent influer les unes sur les autres lorsqu'elles sont soumises à un écoulement. En particulier, une étude paramétrique a été menée afin de montrer l'influence que peuvent avoir la viscosité, le débit d'injection et l'écartement entre les fractures sur leur propagation. Une attention particulière sera porté à l'évolution du stress-shadowing effect (i.e. modification de l'état de contrainte due à l'effet d'interaction entre les fractures). / In the present work, we address the issue of groundwater flow in the fractured porous media submitted to local or regional stress-state variations. Due to the increasing pore fluid pressure, the length and aperture distribution of the fractures are modified resulting in the formation of preferential flow channels within the geological formation. The numerical approach proposed is a fully coupled hydro-poro-mechanical model in saturated conditions involving single-phase flow both in fractures and in the porous matrix. The extended finite element method (XFEM) is employed for modeling fracture dynamics and flow calculation for fracture which do not lie on the mesh but cross through the elements. In this study: (i) we consider the pressure build up generated by fluid flow inside and through the fracture, (ii) the fracture dynamics by using a cohesive zone model (CZM) on pre-existing propagation path and (iii) fluid exchanges may occur in between fractures and porous medium. The last specification of the HM-XFEM model is taken into account through the introduction of a Lagrange multiplier field along the fracture path. These fields are the result of the dualised condition of pressure continuity between the pore pressure and the fluid pressure inside the fracture. As a function of the Lagrange multiplier value, both permeable and impervious fractures can be considered. The cohesive law employed is a non-regularized-type cohesive law to ensure propagation and eventually closure of the fracture. Validation of the model has been conducted by means of the well-known KGD fracture model when different propagation regimes are considered. We applied the HM-XFEM model to the case of multi-stage fracture network stimulated by the injection of incompressible fluid at constant rate. Fractures are not connected to each other and evolve on pre-existing propagation paths. We aim at appreciating the influence of the fluid viscosity, the injection rate and spacing between each fracture, on the fracture propagation. A peculiar attention is paid to the stress-shadowing effect (i.e. interaction between fractures).

La nature est complexe et c’est en toute modestie que les ingénieurs doivent chercher à prédire le comportement des ouvrages dans le sous-sol. La réalisation de projets industriels dans le domaine souterrain, à forts enjeux économiques et sociaux (traversées alpines, stockage de déchets nucléaires), nécessite d’évoluer vers une meilleure compréhension des mécanismes comportementaux des ouvrages à concevoir. Cette amélioration passe par une meilleure représentativité physique des mécanismes macroscopiques et par la mise à disposition d’outils de prédiction adaptés aux attentes et aux besoins des ingénieurs. Les outils de calculs développés dans ce travail s’inscrivent dans cette volonté de rapprocher les attentes de l’industrie et les connaissances liées à la rhéologie des géomatériaux. Ces développements ont ainsi débouché sur la proposition d’un modèle de comportement mécanique, adapté aux roches peu fissurées et assimilables à des milieux continus, intégrant, en particulier, l’effet du temps. Fil conducteur de cette étude, la problématique du sujet de thèse concerne précisément la prise en compte du comportement différé des massifs rocheux dans les modélisations et ses conséquences sur les ouvrages souterrains.Fondé sur des concepts physiques de référence, définis à différentes échelles (macro/méso/micro), le modèle rhéologique développé est transcrit dans un formalisme mathématique dans le but d’être mis en oeuvre numériquement.Les applications numériques proposées s’inscrivent principalement dans le contexte du stockage des déchets radioactifs. Elles concernent deux configurations d’ouvrages rigoureusement différentes : l’excavation du laboratoire souterrain canadien de l’AECL, dans le granite du Lac du Bonnet et le creusement de la galerie GMR du laboratoire de Bure (Meuse/Haute-Marne) dans l’argilite de l’Est. Dans les deux cas, l’utilisation du modèle a permis de mettre en évidence l’apport de la prise en compte du comportement différé sur la représentativité des prédictions numériques du comportement à court, moyen et long termes des ouvrages souterrains / Nature is complex and must be approached in total modesty by engineers seeking to predict the behavior of underground openings. The engineering of industrial projects in underground situations, with high economic and social stakes (Alpine mountain crossings, nuclear waste repository), mean striving to gain better understanding of the behavioral mechanisms of the openings to be designed. This improvement necessarily involves better physical representativeness of macroscopic mechanisms and the provision of prediction tools suited to the expectations and needs of the engineers. The calculation tools developed in this work is in step with this concern for satisfying industrial needs and developing knowledges related to the rheology of geomaterials. These developments led to the proposing of a mechanical constitutive model, suited to lightly fissured rocks, comparable to continuous media, while integrating more particularly the effect of time.Thread of this study, the problematics ensued from the subject of the thesis is precisely about the rock mass delayed behavior in numerical modeling and its consequences on underground openings design.Based on physical concepts of reference, defined in several scales (macro/meso/micro), the developed constitutive model is translated in a mathematical formalism in order to be numerically implemented.Numerical applications presented as illustrations fall mainly within the framework of nuclear waste repository problems. They concern two very different configurations of underground openings: the AECL’s underground canadian laboratory, excavated in the Lac du Bonnet granite, and the GMR gallery of Bure’s laboratory (Meuse/Haute-Marne), dug in argillaceous rock.In this two cases, this constitutive model use highlights the gains to be obtained from allowing for delayed behavior regarding the accuracy of numerical tunnel behavior predictions in the short, medium and long terms