The pipeline industry has conducted a vast amount of research on the subject of mechanical damage. Mechanical damage makes up a large portion of the total amount of pipeline failures that occur each year. The current methods rely on engineering judgment and experience rather than scientific theory. The method for the assessment of mechanical damage introduced in this study uses a material property called critical strain to predict the onset of cracking within the pipe wall. The critical strain is compared to the strain within a dent using a ductile failure damage indicator (DFDI). To investigate the use of the DFDI to indicate the onset of cracking within a dent, the study attempted to accomplish three tasks. The first was to investigate the use of various techniques to locate the critical strain from the stress-strain curve. Five samples taken from the pipe material was used to generate both engineering and true stress-strain curves. A sensitivity analysis was conducted to show the effects of different variables on the critical strain value. The DFDI compares the critical strain value to the calculated strain at the deepest depth location within a dent. The strain calculations use the curvature of the dent and thus require a dent profile. A high resolution laser scanner was used to extract dent profiles from a pipe. The second task of the study was to investigate the reliability of the laser scanner equipment used for this study. The results from the investigation showed that the laser scanner could be used to scan the inside of the pipe despite its design for external scanning. The results also showed that the scans should be 1 mm in length along the axis of the pipe at a resolution of 0.5 mm and 360 degrees around the pipe. The final task was to conduct the denting test. The test used a spherical indenter to dent the pipe at increments of 3% of the outside diameter. The results from the test showed that a visible crack did not form on the inside pipe surface as expected from the DFDI method. This does not mean a crack did not form. During the denting test distinct popping sounds were observed possibly indicating cracks forming within the pipe wall.

La compréhension du comportement d'un composite à matrice céramique (CMC) lorsqu'il est sollicité en fatigue est l'un des points clés pour permettre son utilisation dans un cadre industriel. Il est en effet nécessaire de déterminer la chronologie des différents mécanismes d'endommagement ainsi que d'estimer la durée de vie en conditions d'utilisation. Il est alors nécessaire de réaliser une caractérisation mécanique mais aussi de définir des indicateurs d'endommagement permettant la prévision de durée de vie. Dans ce but, il est intéressant de coupler l'analyse des paramètres mécaniques et les observations microstructurales à des techniques de suivi en temps réel de l'endommagement. L'émission acoustique (EA) est une méthode de suivi non destructive qui permet de répondre à cette problématique. Elle permet notamment de quantifier et de localiser l'endommagement. Dans ce travail, de nouveaux indicateurs d'endommagement sont mis en place tels la "Sévérité" des signaux définie à partir de l'énergie acoustique ainsi que la "Sentry function" définie à partir de l'énergie acoustique et de l'énergie mécanique. Ce travail s'articule autour de deux principaux axes. Dans un premier temps il s'agit de caractériser les effets de la sollicitation cyclique sur ce type de matériau, ceci notamment en comparant l'évolution des paramètres mécaniques, les observations microstructurales ainsi que l’analyse de l'évolution globale de l'émission acoustique (EA) lorsque le matériau est soumis à un chargement statique et à un chargement cyclique. La seconde partie consiste à déterminer un scenario d'endommagement. Dans un premier temps, les signaux d’EA sont analysés en fonction de leur détection dans le cycle (charge/décharge). Ensuite la détermination de la signature acoustique des différents mécanismes d'endommagement par application de techniques de reconnaissance de formes supervisées a permis d'évaluer leur chronologie d'activation durant les essais de fatigue cyclique. Cette étude a permis de mettre en évidence un ensemble de mécanismes propres à la sollicitation cyclique, composé principalement de décohésion et de frottement aux interfaces fibre/matrice et matrice/matrice. De plus, l'utilisation de l'émission acoustique a permis de définir des temps caractéristiques ou critiques pouvant être utilisés dans un objectif de prévision de la durée de vie. En effet, par exemple la sévérité des signaux a permis de mettre en évidence un temps caractéristique situé entre 25 et 45% de la durée de vie du matériau. La détection en temps réel de ce temps caractéristique permet d'estimer la durée de vie restante. / The full understanding of a ceramic matrix composite under fatigue loading is needed in view of industrial applications. It is necessary to determine the damage mechanisms chronology and to be able to forecast the lifetime of the material in the conditions of use. To reach these purposes, a mechanical characterisation has to be done as well as the definition of damage indicators. It is then interesting to link the analysis of mechanical parameters and microscope observations with a non-destructive monitoring technique. Acoustic emission (AE) appears to be a good candidate to monitor material damage under loading. It makes the quantification and the material damage localisation possible. In this study, indicators based on released acoustic energy are used as "Severity" of signals or "Sentry function" which depends on both acoustic and mechanical energies. This work is organised in two parts. First, the analysis of mechanical parameters behaviour, material microstructure and global evolution of acoustic emission under static and cyclic loading makes the characterisation of the effects of cyclic fatigue on the material possible. The second part consists in determining a damage scenario. First acoustic emission signals are analysed depending on their acquisition during a cycle (loading or unloading). Then the connection between the acoustic emission signals and the different damage mechanisms, using a supervised clustering method, facilitated the estimation of the activation of these different damage mechanisms during cyclic fatigue tests. This study pointed out different damage mechanisms generated by cyclic loading, which are mainly debonding and friction at matrix/fibre and matrix/matrix interfaces. In addition, damage indicators based on acoustic emission enabled to determine characteristic times which can be used for lifetime forecast. For example, signal severity shows a characteristic time between 25% and 45% of the time to ultimate failure. Detection of this time in real-time during a test can be used to estimate the time of the ultimate failure of the material.

Dans le cadre de la protection du bâti face au risque sismique, les techniques d’analyse simplifiées, basées sur des calculs quasi-statiques en poussée progressive, se sont fortement développées au cours des deux dernières décennies. Le travail de thèse a pour objectif d’optimiser une stratégie d’analyse simplifiée proposée par Chopra et al. (2001) et adoptée par les normes américaines FEMA 273. Il s’agit d’une analyse modale non linéaire découplée, dénommée par les auteurs UMRHA qui se caractérisent principalement par : des calculs de type pushover selon les modes de vibration dominants de la structure, la création de modèles à un degré de liberté non linéaire à partir des courbes de pushover, puis le calcul de la réponse temporelle de la structure en recombinant les réponses temporelles associées à chaque mode de vibration. Dans ce travail, la méthode UMRHA a été améliorée en investiguant les points suivants. Tout d’abord, plusieurs modèles à un degré de liberté non linéaire déduits des courbes de pushover modal sont proposés afin d’enrichir la méthode UMRHA originelle qui emploie un simple modèle élasto-plastique : autres modèles élasto-plastiques avec des courbes enveloppes différentes, le modèle de Takeda prenant en compte un comportement hystérétique propre aux structures sous séismes, et enfin, un modèle simplifié basé sur la dégradation de fréquence en fonction d’un indicateur de dommage. Ce dernier modèle à un degré de liberté privilégie la vision de la chute de fréquence au cours du processus d’endommagement de la structure par rapport à une description réaliste des boucles d’hystérésis. La réponse totale de la structure est obtenue en sommant les contributions non linéaires des modes dominants aux contributions linéaires des modes non dominants. Enfin, la dégradation des déformées modales, due à l’endommagement subi par la structure au cours de la sollicitation sismique, est prise en compte dans la méthode M-UMRHA proposée dans ce travail, en généralisant le concept précédent de dégradation des fréquences modales en fonction d’un indicateur de dommage : la déformée modale devient elle-aussi dépendante d’un indicateur de dommage, le déplacement maximum en tête de l’ouvrage ; l’évolution de la déformée modale en fonction de cet indicateur est directement identifiée à partir des calculs de pushover modal. La pertinence de la nouvelle méthode M-UMRHA est investiguée pour plusieurs types de structures, en adoptant des modélisations éprouvées dans le cadre de la simulation des structures sous séismes : portique en béton armé modélisé par des éléments multifibres pour le béton et les armatures, remplissage en maçonnerie avec des éléments barres diagonales résistant uniquement en compression, bâti existant contreventé (Hôtel de Ville de Grenoble) avec des approches coques multicouches. Les résultats obtenus par la méthode simplifiée proposée sont comparés aux résultats de référence issus de l'analyse temporelle non linéaire dynamique. / In the context of building’s protection against seismic risk, simplified analysis techniques, based on quasi-static analysis of pushover, have strongly developed over the past two decades. The thesis aims to optimize a simplified method proposed by Chopra and Goel in 2001 and adopted by American standards FEMA 273. This method is a nonlinear decoupled modal analysis, called by the authors UMRHA (Uncoupled Modal for Response History Analysis) which is mainly characterized by: pushover modal analysis according to the dominant modes of vibration of the structure, setting up nonlinear single degree of freedom systems drawn from modal pushover curves, then determining the history response of the structure by combining of the temporal responses associated with each mode of vibration. The decoupling of nonlinear history responses associated with each mode is the strong assumption of the method UMRHA. In this study, the UMRHA method has been improved by investigating the following points. First of all, several nonlinear single degree of freedom systems drawn from modal pushover curves are proposed to enrich the original UMRHA method, in which a simple elastic-plastic model is used, other elastic-plastic models with different envelope curves, Takeda model taking into account an hysteretic behavior characteristic of structures under earthquakes, and finally, a simplified model based on the frequency degradation as a function of a damage index. The latter nonlinear single degree of freedom model privileges the view of the frequency degradation during the structure damage process relative to a realistic description of hysteresis loops. The total response of the structure is obtained by summing the contributions of the non linear dominant modes to those of linear non dominant modes. Finally, the degradation of the modal shapes due to the structure damage during the seismic loading is taken into account in the new simplified method M-UMRHA (Modified UMRHA) proposed in this study. By generalizing the previous model of frequency degradation as a function of a damage index: the modal shape becomes itself also dependent on a damage index, the maximum displacement at the top of the structure; the evolution of the modal shape as a function of this index is directly obtained from the modal pushover analysis. The pertinence of the new method M-UMRHA is investigated for several types of structures, by adopting tested models of structures simulation under earthquakes: reinforced concrete frame modeled by multifibre elements with uniaxial laws under cyclic loading for concrete and steel, infill masonry wall with diagonal bars elements resistant only in compression, existing building (Grenoble City Hall) with multilayer shell elements and nonlinear biaxial laws based on the concept of smeared and fixed cracks. The obtained results by the proposed simplified method are compared to the reference results derived from the nonlinear response history analysis.