Ce travail porte sur l'identification de modèles de zones cohésives. Ces modèles, proposés initialement dans les années 60 sont maintenant de intensivement utilisés dans les simulations numériques pour rendre compte de l'initiation et de la propagation de fissures pour différents matériaux et structures.L'identification de ces modèles reste encore aujourd'hui une problématique délicate. Les développements récents de techniques d'imagerie permettent d'accéder à des champs de mesures locales (e.g. déformation et température, …). On se propose dans ce travail d'utiliser la richesse des informations issues de ces techniques d'imagerie pour mettre en place une procédure d'identification qui prenne en compte à la fois le développement de la localisation (effet de structure) mais aussi la nature des différentes irréversibilités mises en jeu (comportement thermo-mécanique). On s'intéresse à des comportements élasto-plastiques endommageables de matériaux ductiles. L'endommagement est associé à un comportement cohésif de l'interface entre les éléments volumiques supposés purement élasto-plastiques.La procédure d'identification comporte deux étapes. La première consiste à caractériser la forme et les paramètres de la loi cohésive sur des essais de traction standard à partir d'une analyse des champs mécaniques localement développés. La seconde étape consiste à vérifier la cohérence thermo-mécanique du modèle identifié en confrontant les mesures calorimétriques déduites des champs de température avec les prévisions du modèle identifié.Cette méthode est appliquée avec succès sur différents matériaux (acier Dual Phase et cuivre). Une attention particulière est portée sur la caractérisation de la longueur caractéristique qui est nécessairement introduite dans l'identification. On montre que cette longueur peut être estimée au regard des différents paramètres introduits dans les traitements d'images.Cette méthode est appliquée sur différents matériaux (acier et cuivre). Une attention particulière est portée sur la caractérisation de la longueur caractéristique qui est nécessairement introduite dans l'identification. On montre que cette longueur peut-être corrélée à l'échelle d'identification des processus d'endommagement sous-jacents. Ainsi les modèles cohésifs identifiés sont fournis au modélisateur avec l'échelle physique à laquelle ils résument l'endommagement volumique du matériau. / This work deals with the identification of cohesive zone models. These models were intially proposed in the 1960s. They are now more and more frequently used in numerical simulations to account for crack initiation and propagation in different materials and structures.The identification of these models still remains a delicate issue. The recent developments in imaging techniques now allow reaching local measurement fields (e.g. strain, temperature,…). We propose here to use the large amount of information given by these techniques to set up an identification procedure accounting for either the localization development (structural effect) and also the character of the different irreversibility sources encountered (thermo-mechanical behavior). We study damageable elasto-plastic ductile materials. Damage is associated to a cohesive behavior of the interface between volumic elements supposed to remain purely elasto-plastic.The identification procedure involves two steps. The first one consists in characterizing the shape and the parameters of the cohesive zone on tensile tests by analyzing the mechanical fields locally developed. The second one consists in checking the thermo-mechanical consistency of the identified model by confronting the calorimetric measurements deduced from temperature fields with the previsions of the identified model.This method is applied on different materials (Dual Phase steel and copper). A specific caution is conferred to the characterization of the characteristic length necessarily introduced by the identification. It is shown that this length can be estimated regarding the different parameters introduced in the image processing.

Résumé : Cette étude a pour objectif de mieux comprendre les mécanismes précurseurs de l'amorçage de fissures dans le cas de métaux ductiles monophasés, comme le cuivre pur, sollicités à des amplitudes de contrainte inférieures à la limite de fatigue conventionnelle et jusqu'à des nombres de cycles atteignant le domaine de la fatigue gigacyclique (Very High Cycle Fatigue, VHCF). Les essais ont été réalisés sur une machine de fatigue ultrasonique à une fréquence de sollicitation de 20 kHz. Les mécanismes précurseurs de l'amorçage des fissures se manifestent (1) sous forme de bandes de glissement qui apparaissent sur la surface de l'éprouvette et (2) par un auto-échauffement du matériau dû à la dissipation intrinsèque. Les cartographies de température de la surface des éprouvettes nous ont permis d'estimer des dissipations d'énergie moyennes et de caractériser leur évolution avec le nombre de cycles et l'amplitude de contraintes. En parallèle, l'évolution du relief de la surface, initialement lisse et sans contrainte résiduelle, a été analysée à partir d'observations en microcopie optique, électronique à balayage et à force atomique. Nous avons établi que l'amplitude de contrainte nécessaire pour faire apparaître les premières bandes décroit en fonction du nombre de cycles. Des analyses EBSD, couplées à des calculs éléments finis intégrant l'anisotropie élastique des grains, ont révélé le rôle clé (1) des joints de macles et (2) du glissement dévié dans l'amorçage de bandes de glissement intenses.Mots clés : Fatigue gigacyclique, Bandes de glissement, Microplasticité cyclique, Dissipation, Anisotropie élastique, Simulation multicristalline, Thermographique infrarouge. / Abstract : This work aims to better understanding mechanisms leading to crack initiation in ductile single phase metals such as pure copper, loaded stress amplitudes lower than the conventional fatigue threshold and after about 109 cycles, the so-called Very High Cycle Fatigue regime. Tests were conducted using an ultrasonic technique at loafing frequency of 20 kHz. The mechanisms leading to crack initiation express (1) via slip bands at the specimen surface and (2) via self-heating due to intrinsic dissipation. Thermal maps were used to estimate the mean dissipation and its change with number of cycles and stress amplitudes. At the same time, the surface relief changes were characterized using optical, scanning electronic and atomic force microscopes. The stress amplitude required to observe the slip bands was found to decrease as a function of number of cycles. EBSD investigations combined with finites elements simulations accounting for elastic anisotropy of copper revealed the key role of (1) twin boundaries and (2) cross slip in slip band initiation.Keywords : Very High Cycle Fatigue, Slip bands, Cyclic microplasticity, Dissipation, Elastic anisotropy, Multicrystals simulation, Infrared thermography.

Ce travail vise à étudier la rupture du gainage avec des essais mécaniques plus représentatifs des conditions RIA, en prenant en compte les blisters d'hydrures ainsi que le niveau élevé de biaxialité du chargement mécanique et des vitesses de déformation. Nous avons formé par thermodiffusion en laboratoire des blisters similaires à ceux observés sur des gaines de Zircaloy-4 irradiées en réacteur. Les caractérisations par métallographie, nanodureté, DRX et ERDA ont montré qu'un blister est constitué d'hydrures delta dont la concentration dans la matrice varie entre 80% et 100%, et que la matrice sous-jacente contient des hydrures radiaux. Nous avons modélisé la cinétique de croissance des blisters avec l'hystérésis de la limite de solubilité de l'hydrogène,puis défini le gradient thermique seuil permettant leur formation. Notre étude sur le comportement dilatométrique du zirconium hydruré montre le rôle important de la texture cristallographique du matériau, ce qui peut expliquer des différences de morphologie des blisters. En parallèle, des essais suivis par caméra infrarouge ont montré que des vitesses de déformation supérieures à 0,1/s induisent des échauffements locaux importants qui favorisent la localisation précoce de la déformation. Enfin, nous avons optimisé l'essai d'Expansion Due to Compression pour atteindre un niveau de biaxialité de déformation plane (essais HB-EDC et VHB-EDC), ce qui réduit fortement la déformation à rupture à 25°C et 350°C, mais seulement en l'absence de blisters. Un critère de rupture est proposé pour rendre compte de la baisse de ductilité des gaines en Zircaloy-4 non irradiées en présence de blisters. / Our aim is to study the cladding fracture with mechanical tests more representative of RIA conditions, taking into account the hydrides blisters, representative strain rates and stress states. To obtain hydride blisters, we developed a thermodiffusion setup that reproduces blister growth in reactor conditions. By metallography, nanohardness, XRD and ERDA, we showed that they are constituted by 80% to 100% of delta hydrides in a Zircaloy-4 matrix, and that the zirconium beneath has some radially oriented hydrides. We modeled the blister growth kinetic taking into account the hysteresis of the hydrogen solubility limit and defined the thermal gradient threshold for blister growth. The modeling of the dilatometric behavior of hydrided zirconium indicates the important role of the material crystallographic texture, which could explain differences in the blister shape. Mechanical tests monitored with an infrared camera showed that significant local heating occurred at strain rates higher than 0.1/s. In parallel, the Expansion Due to Compression test was optimized to increase the biaxiality level from uniaxial stress to plane strain (HB-EDC and VHB-EDC tests). This increase in loading biaxiality lowers greatly the fracture strain at 25°C and 350°C only in homogeneous material without blister. Eventually, a fracture criterion of unirradiated Zircaloy-4 cladding tube taking into account the blister depth is proposed.

Le vieillissement physique est un sujet très actif en physique statistique car il ouvre la perspective d’une généralisation de la physique statistique à l’équilibre à des cas faiblement hors équilibre. Dans ce contexte où d’importants travaux ont été réalisés sur les polymères et les verres de spin, des travaux théoriques ont montré l’intérêt que pouvait apporter l’étude de système subissant une transition de phase du second ordre, les ingrédients théoriques étant plus simples. Nous avons donc étudié dans le détail la transition de Fréedericksz dans un cristal liquide qui est décrite par une transition du second ordre afin d’utiliser ensuite ce système pour faire une étude expérimentale du vieillissement au point critique. Nous avons alors montré que les équations usuellement utilisées (développement de l’énergie libre à la Landau) pour décrire la dynamique de cette transition ont un domaine de validité extrêmement mince qui n’est pas accessible expérimentalement. Il faut donc tenir compte des termes non linéaires de l’énergie libre pour décrire la dynamique du système, même dans le cadre de la réponse linéaire. Nous avons montré dans ce cadre le très bon accord entre la simulation numérique sans paramètre ajustable et les résultats expérimentaux. Nous avons ensuite étudié le comportement des fluctuations au voisinage du seuil de la transition et montré que lorsque la normalisation tenait bien compte du fait que la mesure est celle d’une variable quadratique, alors les fluctuations étaient d’amplitude maximale au seuil de la transition de Fréedericksz, comme on l’attend d’une transition du second ordre. L’étude de ces fluctuations permet alors de mesurer précisément la valeur du champ critique, ce qui est une mesure totalement nouvelle. Nous avons ensuite réalisé une étude de la dynamique des fluctuations du système lors de la réponse à une marche du paramètre de contrôle de la transition de Fréedericksz, et en particulier lors de trempes au point critique. Nous avons alors retrouvé les résultats prédits sur les systèmes de verres de spin, et nous montrons le lien entre la violation du théorème de fluctuation dissipation et l’évolution de la variance. Enfin nous avons monté un dispositif permettant de faire l’étude spatio-temporelle du système, nous avons montré que les 2 dispositifs mis en œuvre étaient limités par leur sensibilité dépendant de la valeur moyenne du paramètre d’ordre et nous proposons donc un autre système de mesure que nous n’avons pas eu le temps d’implémenter. / Physical aging is an active subject in statistical physics as it could lead to the generalization of equilibrium statistical physics to weakly out of equilibrium systems. In this context, where polymers and spin glasses have already been extensively studied despite not still well understood, theoretical works have shown new interests in systems undergoing a second order phase transition, where model ingredients are based on simpler physical arguments. Therefore, we studied in details a second order phase transition in liquid crystals : the Fréedericksz transition, in order to monitor experimentally aging at its critical point. We showed that the equations usually proposed to describe the dynamics of the transition (Landau like development of the free energy) have a very limited domain of validity, not accessible experimentally. In fact, one has to take into account the non-linearities, even in the vicinity of the Fréedericksz threshold and in the linear response regime. In this framework, we found a very good agreement between numerical simulations (no adjustable parameters) and experimental results. Then, we studied the behavior of fluctuations in the vicinity of the transition threshold and showed that, when ones takes into account the quadratic dependence of the measured variable, the fluctuations have a maximal amplitude at the threshold, as expected in a second order phase transition. This experimental study of fluctuations provides a new method to precisely measure of the value of the Fréedericksz threshold. A detailed analysis of the system dynamic fluctuations during quenches, and in particular, critical quenches was also performed, and we found the same behavior as predicted on spin glasses. The relation between fluctuation-dissipation theorem violation and variance evolution during the quench could be established. In parallel, we designed an experimental set-up to study the spatio-temporal fluctuations and also used a classical one, which both have sensitivity limits due to the mean value of the order parameter. We therefore propose a third set-up which could not be implemented due to a lack of time, that should overcome these difficulties.

L’interface noyau-graine (ICB) est instable et une zone dendritique se forme sous des conditions très particulières, c’est à dire que la cristallisation est très lente par rapport à la convection très vigoureuse du noyau liquide. Afin de reproduire expérimentalement des conditions semblables, nous avons étudié une zone dendritique sous hyper gravite, dans une centrifugeuse. La hauteur de cette zone diminue quand la gravite augmente alors que la fraction solide augmente fortement : similairement, les études sismologiques suggèrent que la fraction solide dans la graine est proche de l’unité a l’ICB. De plus, la sismologie montre une graine très hétérogène en termes d’anisotropie élastique, d’atténuation ou de vitesse des ondes et met en lumière une forte dichotomie Est-Ouest. Celle-ci pourrait être engendrée par une translation de la graine qui provoquerait de la cristallisation sur une face et de la fusion sur l’autre. Cette hypothèse est testée en conduisant des expériences de cristallisation et de fusion d’une zone dendritique. Nous avons utilisé des ultrasons comme analogues aux ondes sismiques pour quantifier les changements de structure dans la zone dendritique à partir des mesures de l’atténuation et la diffraction. Extrapoles a la graine, nos résultats montrent que l’ICB pourrait fondre sur l’hémisphère Ouest et cristalliser sur l’hémisphère Est. D’autre part, avec du gaz xénon en hyper-gravite, nous avons observé un gradient adiabatique, pour la première fois dans un dispositif expérimental. Cette thèse montre la faisabilité de ces expériences et la possibilité de vérifier expérimentalement les approximations utilisées pour la convection compressible. / The inner core boundary (ICB) is unstable, and a mushy layer forms under very particular conditions in which the crystallization is very slow compared to the very vigorous convection of the liquid core. To mimic these conditions, we have investigated a mushy layer under hyper-gravity in a centrifuge. The thickness of a mushy layer decreases with gravity and the solid fraction increases. This is coherent with seismological studies suggesting that the solid fraction at the ICB is close to unity. Moreover, seismology shows that the inner core is very heterogeneous in terms of elastic anisotropy, attenuation or wave velocity and that there exists a strong East-West dichotomy on the ICB. One hypothesis is that the latter is due to a translation of the inner core that would cause crystallization on one hemisphere and melting on the other one. We have tested that hypothesis with experiments of solidification and melting of a mush. We have used ultrasounds as an analogue to the seismic waves to quantify structural changes in the mush from measurements of attenuation and scattering. From our observations, it is plausible that the ICB on the Western hemisphere s melting while it is solidifying on the Eastern hemisphere. In other experiments, using xenon gas under hyper-gravity, we have observed an adiabatic gradient for the first time. This thesis shows the feasibility of these experiments and the possibility to check experimentally the approximations used for compressible convection.

L'atténuation d'ondes à basse et haute fréquences dans les verres n'est pas encore bien comprise en grande partie car les phénomènes à l'origine de cette dissipation varient grandement en fonction de la fréquence. L’existence de structures complexes et organisation multi échelle dans les verres favorise l'apparition de temps de relaxation allant de la seconde à la femtoseconde et de corrélation prenant place de l’Angström à la centaine de nanomètre. A basse fréquence, une meilleur compréhension de ces phénomènes de dissipation serait bénéfique à de nombreux domaines. Par exemple, les multi-couches recouvrants les miroirs des interféromètres servant à détecter les ondes gravitationnelles sont réalisées à partir de verres d'oxyde (SiO2 et Ta2O5) qui sont une source majeur de dissipation. A haute fréquence, l'étude de la dissipation pose des questions théoriques sur le lien entre asymétrie locale et atténuation acoustique.Durant cette étude, nous avons réalisé une analyse approfondie de l'interaction entre ondes mécaniques et structure des verres en utilisant des techniques de simulations telle que la dynamique moléculaire. En partant de la synthèse de verres de SiO2 et Ta2O5, nous nous sommes appliqués à trouver l'origine structurelle de la dissipation aux différentes échelles de fréquence. A basse fréquence nous avons été capable de catégoriser les déplacements atomiques à l'origine de la dissipation en utilisant la théorie des états à deux niveaux. A haute fréquence, nous avons utilisé une technique de spectroscopie mécanique appuyé par un développement analytique pour montrer l'importance du désordre local dans l’existence de dissipation / The origin of sound attenuation at low and high frequency in glasses stays elusive mainly because of the complex temperature and frequency dependence of the phenomena at its root. Indeed, the presence of complex structures and multi-scale organizations in glasses induce the existence of relaxation time ranging from the second to the femto-second and of spatial correlation ranging from the Angström to a hundred nanometers. At low-frequency, a better understanding of the phenomena at the origin of dissipation would be beneficial to several applications. For example, the multi-layers coating the mirrors of gravitational waves detectors consists of a superposition of two oxide glasses: silicate (SiO2) and tantalum pentoxide (Ta2O5), are an important source of dissipation. At high frequency, the study of dissipation raises theoretical questions about the link between attenuation and dissipation as well as between loclt asymmetry and dissipation. In the present study, we conducted an analysis of the interaction between mechanical waves and the structure of two oxide glasses using simulation techniques such as non-equilibrium molecular dynamics. At high-frequencies, we implemented and used mechanical spectroscopy to measure dissipation numerically and performed in parallel an analytical development based on the projection of the atomic motion on the vibrational eigenmodes. At low-frequencies, we used molecular dynamics to gather sets of thermally activated events that we classed in three categories based on topologically distinct atomic motions and from which we predicted dissipation numerically using a refreshed TLS model

L’enjeu de ce travail concerne la dissipation interfaciale et volumique induite par le frottement dans les matériaux composites modèles á base d’époxy renforcée par du carbone, ainsi que dans l’époxy pure. Alors que la dissipation interfaciale dépend surtout des propriétés d’une couche mince de surface, la dissipation volumique induit des déformations de volume importantes. Dans un premier temps, nous avons effectué une étude expérimentale de frottement sur les résines époxy renforcées par des fibres et des nanoperles de carbone en différentes concentrations sous des conditions tribologiques faibles. Afin de comprendre les résultats obtenus, une loi de frottement généralisée pour le frottement interfacial entre deux composites a été proposée. Basée sur la théorie de Bowden et Tabor et appliquée au contact des composites, elle requiert un paramètre géométrique de contact et des coefficients de frottement locaux. En fonction de l’hypothèse appliquée, la contrainte de cisaillement ou la dureté effective pour toutes les phases du composite, elle découle sur une loi de proportionnalité directe ou inverse. Ces résultats analytiques complètent et expliquent les tendances obtenues expérimentalement : la loi directe doit être appliquée pour le contact composite/époxy, tandis que la loi inverse est valide pour le contact composite/composite. La deuxième partie du travail expérimental est consacrée á l’étude sur l’époxy pure et celle renforcée par des fibres de carbone sous des conditions tribologiques plus sévères. Son objectif est d’étudier la dissipation volumique et l’usure associée. Dans ce cadre, une approche multi-échelle est établie, qui consiste d’abord á calculer les paramètres macroscopiques, comme le taux d’usure, l’énergie dissipée par le frottement, le coefficient de frottement et l’augmentation de la température. Ces paramètres sont ensuite couplés avec les observations des surfaces endommagées. Cette approche nous permet de distinguer plusieurs régimes d’usure, i.e. l’abrasion á deux et trois corps, l’adhésion, la fatigue et les effets thermiques, et associer leur apparence et leur évolution avec les paramètres macroscopiques. Contrairement á l’époxy pure, le composite renforcé par des fibres de carbone s’avère être plus résistant á l’usure. / An investigation of interfacial and bulk friction-induced dissipation in model epoxy-based composite materials reinforced with carbon fillers, as well as pure epoxy, is a challenge of this PhD thesis. While the interfacial dissipation depends mostly on surface properties of very thin material layer, the bulk dissipation involves high volume deformations. Firstly, an experimental friction investigation on carbon fibre- and carbon nanopearl-reinforcedepoxies of different filler volume friction under soft tribological conditions is carried out. In order to understand the results, a generalized frictional law for interfacial friction between two composites is proposed. It is based on Bowden and Tabor theory applied to multimaterial contact and requires a contact in-plane geometry parameter and local friction coefficients. Depending on applied assumption, effective shear stress or effective hardness for all composite phases, it results in direct or inverse proportionality frictional law. These analytical results complete and explain the experimentally obtained tendencies: the direct law should be applied to the composite/epoxy contact, while the inverse law is valid for the composite/composite contact. The second part of the experimental work deals with pure epoxy and carbon fibre-reinforced epoxy under severe tribological conditions. It aims to investigate bulk frictional dissipation and associated wear. A two-scale approach is established, which consists in calculation of macro parameters, such as wear rate, dissipated frictional energy, friction coefficient and relative contact temperature rise, and their coupling with damaged surface observations. This approach allows us to distinguish several wear modes, as two-body and three-body abrasion, adhesion, fatigue and thermal effects, and to associate their appearance and evolution to macro parameters. In contrast to pure epoxy, carbon fibre-reinforced epoxy tends to be more wear resistant.

Abstract : Steel and fiber-reinforced-polymer (FRP) materials have different mechanical and physical characteristics. High corrosion resistance, high strength to weight ratio, non-conductivity, favorable fatigue enable the FRP to be considered as alternative reinforcement for structures in harsh environment. Meanwhile, FRP bars have low modulus of elasticity and linear-elastic stress-strain curve. These features raise concerns about the applicability of using such materials as reinforcement for structures prone to earthquakes. The main demand for the structural members in structures subjected to seismic loads is dissipating energy without strength loss which is known as ductility. In the rigid frames, columns are expected to be the primary elements of energy dissipation in structures subjected to seismic loads. The present study addresses the feasibility of reinforced-concrete columns totally reinforced with glass-fiber-reinforced-polymer (GFRP) bars achieving reasonable strength and the drift requirements specified in various codes. Eleven full-scale reinforced concrete columns—two reinforced with steel bars (as reference specimens) and nine totally reinforced with GFRP bars—were constructed and tested to failure. The columns were tested under quasi-static reversed cyclic lateral loading and simultaneously subjected to compression axial load. The columns are 400 mm square cross-section with a shear span 1650 mm. The specimen simulates a column with 3.7 m in height in a typical building with the point of contra-flexure located at the column mid-height. The tested parameters were the longitudinal reinforcement ratio (0.63, 0.95 and 2.14), the spacing of the transverse stirrups (80, 100, 150), tie configuration (C1, C2, C3 and C4), and axial load level (20%, 30% and 40%). The test results clearly show that properly designed and detailed GFRP-reinforced concrete columns could reach high deformation levels with no strength degradation. An acceptable level of energy dissipation compared with steel-reinforced concrete columns is provided by GFRP reinforced concrete columns. The dissipated energy of GFRP reinforced concrete columns was 75% and 70% of the counter steel columns at 2.5% and 4% drift ratio respectively. High drift capacity achieved by the columns up to 10% with no significant loss in strength. The high drift capacity and acceptable dissipated energy enable the GFRP columns to be part of the moment resisting frames in regions prone to seismic activities. The experimental ultimate drift ratios were compared with the estimated drift ratios using the confinement Equation in CSA S806-12. It was found from the comparison that the confinement Equation underestimates values of the drift ratios thus the experimental drift ratios were used to modify transverse FRP reinforcement area in CSA S806-12. The hysteretic behavior encouraged to propose a design procedure for the columns to be part of the moderate ductile and ductile moment resisting frames. The development of design guidelines, however, depends on determining the elastic and inelastic deformations and on assessing the force modification factor and equivalent plastic-hinge length for GFRP-reinforced concrete columns. The experimental results of the GFRP-reinforced columns were used to justify the design guideline, proving the accuracy of the proposed design equations. / L’acier et les matériaux à base de polymères renforcés de fibres (PRF) ont des caractéristiques physiques et mécaniques différentes. La résistance à la haute corrosion, le rapport résistance vs poids, la non-conductivité et la bonne résistance à la fatigue font des barres d’armature en PRF, un renforcement alternatif aux barres d’armature en acier, pour des structures dans des environnements agressifs. Cependant, les barres d’armature en PRF ont un bas module d’élasticité et une courbe contrainte-déformation sous forme linéaire. Ces caractéristiques soulèvent des problèmes d'applicabilité quant à l’utilisation de tels matériaux comme renforcement pour des structures situées en forte zone sismique. La principale exigence pour les éléments structuraux des structures soumises à des charges sismiques est la dissipation d'énergie sans perte de résistance connue sous le nom de ductilité. Dans les structures rigides de type cadre, on s'attend à ce que les colonnes soient les premiers éléments à dissiper l'énergie dans les structures soumises à ces charges. La présente étude traite de la faisabilité des colonnes en béton armé entièrement renforcées de barres d’armature en polymères renforcés de fibres de verre (PRFV), obtenant une résistance et un déplacement latéral raisonnable par rapport aux exigences spécifiées dans divers codes. Onze colonnes à grande échelle ont été fabriquées: deux colonnes renforcées de barres d'acier (comme spécimens de référence) et neuf colonnes renforcées entièrement de barres en PRFV. Les colonnes ont été testées jusqu’à la rupture sous une charge quasi-statique latérale cyclique inversée et soumises simultanément à une charge axiale de compression. Les colonnes ont une section carrée de 400 mm avec une portée de cisaillement de 1650 mm pour simuler une colonne de 3,7 m de hauteur dans un bâtiment typique avec le point d’inflexion situé à la mi-hauteur. Les paramètres testés sont : le taux d’armature longitudinal (0,63%, 0,95% et 2,14 %), l'espacement des étriers (80mm, 100mm, 150 mm), les différentes configurations (C1, C2, C3 et C4) et le niveau de charge axiale (20%, 30 % et 40%). Les résultats des essais montrent clairement que les colonnes en béton renforcées de PRFV et bien conçues peuvent atteindre des niveaux de déformation élevés sans réduction de résistance. Un niveau acceptable de dissipation d'énergie, par rapport aux colonnes en béton armé avec de l’armature en acier, est atteint par les colonnes en béton armé de PRFV. L'énergie dissipée des colonnes en béton armé de PRFV était respectivement de 75% et 70% des colonnes en acier à un rapport déplacement latéral de 2,5% et 4%. Un déplacement supérieur a été atteint par les colonnes en PRFV jusqu'à 10% sans perte significative de résistance. La capacité d’un déplacement supérieur et l’énergie dissipée acceptable permettent aux colonnes en PRFV de participer au moment résistant dans des régions sujettes à des activités sismiques. Les rapports des déplacements expérimentaux ultimes ont été comparés avec les rapports estimés en utilisant l’Équation de confinement du code CSA S806-12. À partir de la comparaison, il a été trouvé que l’Équation de confinement sous-estime les valeurs des rapports de déplacement, donc les rapports de déplacement expérimentaux étaient utilisés pour modifier la zone de renforcement transversal du code CSA S806-12. Le comportement hystérétique encourage à proposer une procédure de conception pour que les colonnes fassent partie des cadres rigides à ductilité modérée et résistant au moment. Cependant, l'élaboration de guides de conception dépend de la détermination des déformations élastiques et inélastiques et de l'évaluation du facteur de modification de la force sismique et de la longueur de la rotule plastique pour les colonnes en béton armé renforcées de PRFV. Les résultats expérimentaux des colonnes renforcées de PRFV étudiées ont été utilisés pour justifier la ligne directrice de conception, ce qui prouve l’efficacité des équations de conception proposées.

L'objectif de cette thèse est de mener une caractérisation expérimentale complète du comportement mécanique et thermomécanique d'un polyuréthane thermoplastique compact et sous forme moussée, utilisé dans la fabrication de pièces antivibratoires dans l'industrie automobile. Cette caractérisation est effectuée en s'appuyant sur des techniques d'imagerie quantitative, la thermographie infrarouge en particulier. D'un point de vue mécanique, la dépendance des différents phénomènes - effet Mullins, hystérésis mécanique, déformation résiduelle et variation de volume - à la densité initiale et à la vitesse de chargement a été établie. Sur le plan thermique et calorimétrique, la signature de ces différents phénomènes a été caractérisée et les bilans énergétiques menés ont permis d'estimer la dissipation mécanique en fonction des conditions d'essais et de la densité initiale du matériau. Les résultats de ces travaux constituent une base de données expérimentale pour l'identification de paramètres constitutifs et l'enrichissement de lois de comportement. / This PhD thesis deals with the full mechanical and thermomechanical characterization of thermoplastic polyurethane, in its compact and foam states, dedicated to antivibratory systems for automotive. This characterization has been carried out by using quantitative imaging techniques, especially infrared thermography. From a mechanical point of view, the dependency of the different phenomena involved in the material deformation - Mullins effect, mechanical hysteresis, residual deformation and volume change - on the initial density and loading rate has been established. The thermal and calorimetric signature of these phenomena has been characterized and the mechanical dissipation was estimated from energy balances. The results obtained provide an experimental database for the identification of constitutive parameters and the enrichment of behavior laws.

Dans un contexte d’augmentation constante des volumes de boues d’épuration à traiter, l’optimisation du traitement des boues est un enjeu primordial. Les étapes de traitement, et de transport mettent en jeu des écoulements qu’il est nécessaire de comprendre et de prédire afin, par exemple, de pour pouvoir estimer les pertes de charges en conduite ou bien pour dimensionner les installations de pompage. D’un point de vue physique, les boues peuvent être considérées comme une suspension de particules dans un gel suspendant. Ainsi, le comportement rhéologique des boues d’épuration présente des similitudes importantes avec les suspensions colloïdales et les gels polymériques. Ces trois types de matériaux, i.e. les boues d’épuration, les gels colloïdaux et les suspensions polymériques, présentent un comportement rhéologique complexe dépendant du temps et de la sollicitation imposée. Ils présentent un comportement dual, solide aux contraintes faibles, et liquide pour des contraintes élevées. La transition solide-liquide est généralement modélisée par la définition d’un seuil de contrainte ou de déformation, supposé séparer les régimes solide et liquide. Cependant, cette notion de seuil suppose une transition abrupte, et s’oppose aux observations expérimentales qui mettent en évidence une transition continue et progressive. L’étude de la littérature a permis de mettre en évidence une nécessité d’améliorer la compréhension et la modélisation du phénomène de transition solide-liquide. De plus, il est nécessaire d’unifier la description des régimes solide et liquide sous un même modèle, afin de mettre en lien une continuité mathématique avec le caractère continu et progressif du phénomène physique modélisé. Une analyse des résultats disponibles dans la littérature nous a permis de construire un modèle mathématique unique pour décrire le comportement solide et le comportement liquide des matériaux étudiés. Les hypothèses posées à partir de la littérature pour construire ce modèle ont ensuite été validées expérimentalement. Le modèle proposé est basé sur la décomposition de la complaisance du matériau en la somme d’une contribution solide et d’une contribution liquide, dépendant du temps, de la sollicitation appliquée et de l’histoire du matériau. Ce modèle permet une description commune des comportements solides et liquides du matériau, en tenant compte de l’existence d’une élasticité résiduelle y compris pour des contraintes élevées, et d’une dissipation visqueuse faible pour les contraintes faibles, conformément aux résultats expérimentaux. Ces travaux de thèse ont permis de mettre en évidence le fait que le mécanisme de transition solide-liquide était piloté non pas par la contrainte ou par la déformation, mais par la complaisance du matériau. De plus, ils ont permis d’ouvrir la voie à une nouvelle manière d’appréhender la thixotropie et la transition solide-liquide des matériaux pâteux. En effet, le comportement d’un matériau pâteux est piloté par deux paramètres : un module élastique plateau correspondant à un état totalement structuré, et une viscosité infinie correspondant à un état totalement déstructuré. Ces paramètres intrinsèques au matériau sont alors pondérés par des évolutions de la microstructure, menant à une compétition entre les effets élastiques et les effets visqueux. Ainsi, la différence entre un comportement de type loi de puissance et un comportement de type loi de puissance à seuil peut être expliquée simplement par l’apparition d’effets élastiques non négligeables. / In a context of constant increasing volumes of wastewater treatment sludge, optimizing the treatment of sludge appears to be crucial. Each step of treatment and transportation involves flows. It appears necessary to understand and predict these flows in order, for example, to estimate pressure drops in pipes or to size properly pumping facilities. In a physical point of view, sludge can be considered as a suspension of particles in a gel. Thus, its rheological behaviour presents significant similarities to that of colloidal suspensions of polymeric gels. These three types of materials, i.e. wastewater treatment sludge, colloidal suspensions and polymeric gels, present a complex rheological behaviour which depend on both time and the applied solicitation. They exhibit a dual behaviour, solid at low shear stresses, and liquid when the applied shear stress is high. The solid-liquid behaviour is generally modelled by defining a critical shear stress or a critical strain, supposed to be the limit between the solid and liquid regimes. Nevertheless, this concept implies an abrupt transition, unlike experimental observations showing a continuous and progressive transition. The study of the literature permitted to highlight the need to improve the understanding and modelling of the solid-liquid transition. Moreover, it appears necessary to unify the description of the solid and liquid regime in a unique model, in order to link a mathematical continuity with thecontinuous and progressive nature of the physical phenomenon to model. The study of the results available in the literature permited us to build a unique mathematical model to describe both the solid behaviour and the liquid behaviour of the studied materials. The assumptions made from the literature results have thus been experimentally validated. The proposed model is based on the decomposition of the compliance of the material in the sum of a solid contribution and a liquid contribution, depending on time, the applied solicitation and the story of the material. This model permits a unique description of solide and liquid regimes of the material, taking into account the existence of a residual elasticity at high shear stresses, and a viscous dissipation for low shear stresses, in accordance with experimental results. This work permitted to highlight the fact that the solid-liquid transition mecanism is controlled by the compliance of the material, and not the shear stress or the strain. Moreover, it opened the way to a new way of understanding the thixotropy and the solid-liquid transition of pasty materials. Thus, the behaviour of a pasty material is controlled by two parameters : a plateau elastic modulus corresponding to a totally structured state, and an infinite viscosity corresponding to a totally destructured state. These parameters intrinsic to the material are pondered by the evolutions of the microstructure, leading to a competition between elastic and viscous effects. Thus, the difference between the power law behaviour and the Herschel-Bulkley behaviour can be simply explained by the apparition of elastic effects that can’t be neglected.