Avec le développement de nouvelles sources d’énergie, les technologies dédiées à son stockage ont un rôle capital. Le zirconate de Plomb (PZ de structure Pérovskite) présente un grand intérêt pour les futures capacités rapides permettant le stockage de forte densité d’énergie. Cette propriété est associée à la transition de phase ferroélectrique – anti ferroélectrique induite par le champ électrique et qui s’accompagne d’une grande capacité de stockage. Le PZ a été déposé par pulvérisation cathodique RF sur différents types de substrats et notamment le SrTiO3, les cibles sont obtenues par mélange des poudres et pressage à froid. L’étude s’est focalisée sur les effets d’interfaces entre le film et l’électrode inférieure (LaNiO3 dans notre cas), l’orientation préférentielle des films et la réalisation de films épitaxiés de PZ. La structure, la micro structure des films ainsi que leurs épaisseurs ont un impact sur les contraintes existantes dans le film et nous avons évalué ces effets sur la capacité de stockage du PZ dans la phase anti ferroélectrique. L’optimisation des propriétés des interfaces et de l’ingénierie des contraintes permettent d’améliorer la densité d’énergie stockée dans un film anti ferroélectrique. C’est une voie sérieuse pour les supers condensateurs à base de matériaux fonctionnels de type PZ. / With the development of new energy resources, the advanced energy storage technologies are also becoming more and more important. Perovskite lead zirconate PbZrO3 is of great interest for future high-energy and fast-speed storage capacitors, due to the field-forced phase transition into the ferroelectric state accompanied by large charge storage. The material is deposited on SrTiO3 by RF magnetron sputtering from cold pressed target made in laboratory. The study focuses on the effect of interface between films and electrodes, preferred orientations, epitaxial strain and measuring conditions on the energy storage properties of PbZrO3-based antiferroelectric films. The improvement of interface properties and strain engineering enhance the energy storage density of antiferroelectric film, which may open a route to advance studies on PbZrO3-based antiferroelectric functional devices.

La résistance au cisaillement des éléments en béton armé reste un sujet d'un grand intérêt pour l'ingénierie des structures civiles. En service, la plupart des éléments structuraux sont soumis à des sollicitations de cisaillement et/ou de poinçonnement avec un risque accru de rupture fragile. Différentes méthodes de calcul des résistances à l’effort tranchant existent, mais présentent des dispersions considérables notamment pour les éléments structuraux non armés transversalement. Ceci est dû principalement à la non-prise en compte de l’ensemble des mécanismes entrant dans le phénomène de cisaillement. L’objectif du présent travail de thèse est de contribuer à la compréhension des mécanismes de transfert de l’effort tranchant dans les poutres en béton armé. Pour cela, une campagne expérimentale est réalisée sur des poutres en béton armé sans armatures transversales et de différentes tailles afin d’étudier l’effet d’échelle sur l’effort tranchant. Le processus de fissuration marqué par la présence d’une fissure diagonale est analysé par deux techniques expérimentales : Corrélation d’images numériques et l’émission acoustique. Par la combinaison des résultats de la corrélation d'images et les jauges de déformations collées sur les armatures longitudinales, il est possible de distinguer la contribution du mécanisme d’engrènement des granulats et de l'action d’effet de goujon. L’influence de l’effet d’échelle sur chaque mécanisme de transfert est analysée par des modèles numériques et empiriques simplifiés en se basant sur les résultats expérimentaux à l’échelle locale. Les résultats confirment que l’engrènement des granulats joue un rôle décisif dans la contribution à la résistance de cisaillement pour les éléments en béton armé sans armatures transversales. Cette contribution dépend essentiellement des variables cinématiques(ouverture de fissure et glissement) et l’angle d’inclinaison de la fissure diagonale. Ce mécanisme est très dépendant de la taille de l’élément et de la forme de la fissure. / The shear strength of reinforced concrete elements remains a subject of great interest for the civil engineering structures. During service,most structural elements are subjected to shear and /or punching stresses with an increased risk of brittle failure. Different methods of calculation of shear strengths exist but have considerable discrepancy especially for the structural elements without transverse reinforcement. It is mainly by not taking into consideration all the mechanisms which are involved in the shear behavior. The objective of thisdoctoral thesis is to contribute towards the understanding of the shear force transfer mechanisms in reinforced concrete beams. For this,an experimental campaign is carried out on reinforced concrete beams without transverse reinforcement and of different geometrically similar sizes in order to investigate the size effect on the shear force. The cracking process manifested by thepresence of a diagonal crack is analyzed by two experimental techniques: Digital Image Correlation and Acoustic Emission. By combining the results of the digital image correlation and the strain gauges glued on the longitudinal reinforcement, it is possible to distinguish the contribution of the aggregate interlocking mechanism and the dowel action on the transfer of shear forces. The influence of size effect on each transfer mechanism is analysed by simplified numerical and empirical models based on experimental results at the local scale. The results confirm that the aggregate interlocking mechanism plays a critical role in the contribution to shear strength for reinforced concrete elements without transverse reinforcement. This contribution depends essentially on the kinematic variables (crack opening and sliding) and the angle of inclination of the diagonal crack. This mechanism is strongly dependent on the size of the element and the shape of the crack.

Cette thèse porte sur le problème du ballottement d'un liquide dans un réservoir, rencontré dans le transport et le stockage du GNL par des structures flottantes. La prédiction des chargements réels, dus au ballotement sur les parois du réservoir, est souvent basée sur des études expérimentales à petite échelle. La modélisation expérimentale à petite échelle respecte la similitude de Froude et le rapport de densité entre le gaz et le liquide. Cependant, d’autres similitudes sont biaisées comme la similitude par rapport au nombre de Weber et la similitude par rapport au nombre de Reynolds. De plus, les pressions enregistrées montrent une grande variabilité quand le même essai est répété. Dans une première partie, différentes sources physiques responsables de cette variabilité sont discutées, à savoir les instabilités de surface libre, la retombée des gouttes et des jets liquides sur la surface libre, et la production et l'entraînement des bulles dans le liquide. En fait, ces phénomènes sont à l'origine des perturbations de l'écoulement, de la variabilité de la géométrie de la vague et de cette façon des pressions engendrées par cette dernière sur la paroi. D'autres mécanismes de dissipation d’énergie sont identifiés. Ils sont liés aux frottements aux parois et aux déferlements de vagues. Nous montrons que cette dissipation induit un effet mémoire à courte durée pour l’écoulement, permettant de reproduire pour chaque impact la distribution statistique des pics de pression avec une courte durée des excitations. Ces sources de variabilité et ces mécanismes de dissipation dépendent de la tension de surface et de la viscosité du liquide. Ainsi nous étudions dans une deuxième partie, les effets de ces paramètres physiques. Nous montrons que la forme locale de la vague dépend de la tension de surface. Par contre, les effets sur la forme globale de la vague sont négligeables. Plus la tension de surface diminue, plus les pics pression sont faibles. Ce qui est dû aux différents phénomènes liés au développement des ligaments, la fragmentation en gouttes et la génération de la mousse sur la crête de la vague, et à l’entraînement des bulles dans le liquide. Quant à la viscosité du liquide, elle affecte à la fois la forme globale et la forme locale de la vague, là encore les pressions sont modifiées. Cette étude paramétrique permet, dans une troisième partie, d'étudier et comprendre les effets du nombre de Weber et du nombre de Reynolds, en comparant les résultats pour deux échelles différentes 1:40 et 1:20, quand les mêmes fluides sont considérés. De plus, en se basant sur différents cas de comparaison avec la similitude de Reynolds et/ou la similitude de Weber, nous montrons que la double similitude est indispensable pour obtenir une forme de vague avant l'impact indépendante de l'échelle. Cependant, la distribution statistique des pics de pression dépend aussi d’autres nombres adimensionnels à savoir le nombre de Mach du liquide et le nombre de Mach du gaz. / This work focuses on sloshing problem, encountered in the transport and storage of LNG by floating structures. The prediction of real sloshing loads is often based on small-scale experimental studies, respecting the Froude similarity and the density ratio between the gas and the liquid. However, other similarities are biased such as the Weber similarity and the Reynolds similarity. In addition, the recorded pressures show great variability when the same test is repeated. In a first part, different physical sources responsible for this variability are discussed, which are the free surface instabilities, the falling droplets and liquid jets impinging on the free surface, and the liquid entrainment by bubbles. In fact, these phenomena are at the origin of the flow disturbances, the variability of the wave shape, and hence its pressures on the wall. Other dissipation mechanisms are identified. They are related to wall frictions and breaking waves. Thanks to this energy dissipation, we show that the flow is characterized by a short-term memory, making it possible to reproduce for each impact its statistical distribution of pressure peaks with a short duration of excitations. These sources of variability and dissipation mechanisms depend on the surface tension and the viscosity of the liquid. Thus, we study, in a second part, these physical parameters. We show that the local wave shape depends on the surface tension. However, its effects on the global wave shape are negligible. Besides, when the surface tension is reduced, the statistical pressures are reduced. This is due to various phenomena related to the development of liquid ligaments, their fragmentation into drops and the generation of foam at the wave crest, and the liquid entrainment by bubbles. As for the viscosity of the liquid, it affects both the local and global shape wave shapes, again the pressures are changed. Based on this parametric study, The effects of Weber number and Reynolds number are studied by comparing the results for two different scales 1:40 and 1:20, when the same fluids are used. Moreover, considering different cases of comparison with Reynolds number similarity and / or Weber number similarity, the results show that both similarities are essential to obtain a scaleindependent wave shape. However, the statistical distribution of pressure peaks also depends on other dimensionless numbers, namely the Mach number of the liquid and the Mach number of the gas.

Ces travaux s’attachent à décrire et quantifier les mécanismes de ruptures des compositestissés 3D sous chargement de traction quasi-statique et à mettre en place une méthode de simulationnumérique adaptée et robuste, pouvant à terme être appliquée en bureau d’études.Dans cette optique, une étude expérimentale a été menée afin de quantifier la propagation defissures dans ces matériaux. Celle-ci a permis de mettre en place un scenario de rupture, entirant parti de la multi-instrumentation des essais. L’étude a également été effectuée sur deséprouvettes de géométries et de tailles variées et a mis en évidence d’importantes variations dutaux de restitution d’énergie avec les conditions d’essai. Un formalisme d’analyse et de modélisationintroduisant des longueurs internes a ensuite été présenté et adapté aux mécanismes derupture des composites tissés 3D. Ce formalisme est étayé par la recherche des mécanismes àl’aide de l’analyse des faciès de rupture. Les longueurs introduites ont ainsi été mises en relationavec les paramètres du tissage. Une méthode d’identification des paramètres a été proposée etles conséquences de ce comportement sur le dimensionnement de pièces composites discutées.Enfin, le transfert de ces résultats a été effectué vers des simulations numériques robustes. Desméthodes de régularisation des modèles d’endommagement continu ont été présentées et évaluéesà l’aune de leur capacité à assurer, d’une part, la robustesse des résultats et, d’autre part,la bonne retranscription des effets d’échelle expérimentaux. La prise en compte de ces considérationsnumériques et physiques nous a amené à proposé un modèle d’endommagement Non-Local.Une méthode d’identification des paramètres et de la longueur interne à partir des données expérimentalesa été proposée. / This work aims to describe and quantify the failure mechanisms of 3D woven composites underquasi-static tensile loading and to implement an adapted and robust numerical simulationmethod, that can be applied in industry. To this end, an experimental study was carried out toquantify the propagation of cracks in these materials. Thus, a crack propagation scenario wasestablished, thanks to the multi-instrumentation used during the tests. The experimental campaignwas carried out on specimens of various geometries and sizes and highlighted significantvariations in the fracture toughness with the test conditions. A modelisation framework introducinginternal lengths was then presented and adapted to 3D woven composites. This frameworkis supported by the identification of the failure mechanisms subsequent to the analysis of thecrack profile. The introduced lengths were thus related to the weaving parameters. A method foridentifying the parameters was proposed and the consequences of this behaviour on the designof the composite parts discussed. Finally, these results were transferred to robust numerical simulations.Regularisation methods of continuous damage models were presented and evaluatedin terms of their ability to ensure, on the one hand, the robustness of the results and, on theother hand, the correct transcription of experimental size effects. Taking into account these numericaland physical considerations led us to propose a Non-Local damage model. A method foridentifying the parameters and the internal length on experimental data was proposed.

Ce travail concerne des expériences mécaniques, des analyses numériques et des modélisations analytiques de la rupture cohésives (Mode I), vis-à-vis de l’étude du comportement mis en évidence par la courbe de Résistance (Courbe-R) et l’effet d’échelle de structures entaillées en bois massif. Des expériences de fissuration sont combinées à des analyses numériques pour déterminer les propriétés de rupture au moyen d’une procédure appelée Théorie de la Mécanique de la Rupture Linéaire Élastique équivalente (TMRLE), basée sur la complaisance de la structure. La courbe-R, obtenue à partir des expériences, selon une méthode de correction du poids propre, montre l’existence d’un domaine endommagé (Zone de Processus de Rupture) de taille non négligeable se développant en fond de fissure. Dans des conditions de fissuration stationnaire, ce domaine atteint une taille critique, et l’énergie nécessaire pour faire propager la fissure avec ce domaine endommagé (par unité de surface de rupture), reste constante. Le taux de libération de l’énergie de fissuration ainsi attendu, joue un rôle important en Mécanique de la Rupture, car il est possible simuler le comportement quasi-fragile du matériau en combinaison avec les autres propriétés de cohésion. La loi d’effet d’échelle de Bažant, utilisée pour prévoir l’influence de la taille sur la contrainte nominale, est estimée à partir de la réunion de deux comportements asymptotiques réalisés sur de petites tailles (Analyse limite ou RdM) et des grandes tailles. Une procédure analytique est présentée pour évaluer le comportement asymptotique additionnel exhibé par la contrainte nominale dans le régime intermédiaire, de façon plus exacte. Une validation numérique est présentée, et l’information expérimentale vient confirmer ce comportement asymptotique. / This work concerns the mechanical testing, numerical analysis and modelling of cohesive fracture (Mode I) on the purpose to study the Resistance-curve behaviour and the size effect in wooden notched structures. The mechanical testing is combined with the numerical analysis to evaluate fracture properties by means of an equivalent LEFM approach based on the structure compliance. The Resistance-curve being revealed from the experiments, by means of a self-weight compensation method, correction puts into evidence that a non-negligible damaged domain (Fracture Process Zone) is under development in the crack front during the loading process. This being the case, among other fracture parameters issued from the Resistance-curve, the critical (asymptotic) energy release rate is determined, turning possible to use it in combination with other cohesive crack properties in the crack modelling (in Mode I). Thus, for a given geometry it is possible to monitor the critical dimension being revealed by the Fracture Process Zone (FPZ) during the crack propagation. The well known Bažant’s size effect law provides the scaling of the nominal strength through the asymptotic matching performed both on the small (Strength Theory) and on the large (LEFM) structure sizes. An analytical procedure is proposed to determine an additional asymptotic regime in the intermediate size range through a more accurate manner. Numerical validations of the proposed procedure are made and experimental data is presented revealing the scaling of the nominal strength through an envelop of values.

Il est de plus en plus admis que l’effet d’échelle doit être pris en compte dans la conception des structures de Génie Civil. Pour le béton, ce problème est complexe car celui-ci ne possède pas d’adoucissement plastique, et sa rupture est due à la fissuration caractérisée par une grande zone de microfissuration (fracture process zone) qui dépend de la taille du granulat max d .Cette fissuration passe par un adoucissement sous la forme de microfissures et de glissement interparticules. Expérimentalement, l’effet d’échelle sur le béton est très souvent étudié à l’aide des corps d’épreuves homothétiques entaillés où l’on cherche à relier la résistance nominale ( oN )estimée à partir de la charge de rupture en flexion à une dimension caractéristique D. Ceci conduit à une diminution du ratio dmax/D avec l’augmentation de la taille de la structure. Parmi les objectifs de cette thèse est d’étudier expérimentalement l’impact de l’hétérogénéité ( dmax/D)supposé comme facteur fondamental de l’effet d’échelle. Trois coupures granulaires ont été testées sur trois tailles de poutres différentes en suivant le processus de fissuration par émission acoustique et la technique de corrélation d’images. Celles-ci permettent de suivre l’ouverture des fissures et identifient assez clairement la FPZ. Les résultats mettent en évidence une grande influence de la taille du granulat sur le comportement à la rupture du béton. Il existe une relation directe entre les paramètres de l’effet d’échelle obtenus par la loi de Bazant et la taille du granulat( dmax ). Le traitement des résultats d’une même taille avec différents granulométries dans le même diagramme conduit à la même loi d’effet d’échelle structurelle classique avec une valeur de transition identique. La modélisation du comportement mécanique est effectuée par la méthode d’éléments discrets (DEM). Le modèle de contact linéaire ne s’avère pas adéquat pour le mortier et le béton où le rapport compression / traction est très élevé. De ce fait, Il a été modifié pour prendre en compte la contribution des moments inter-granulaires. Les paramètres micromécaniques sont déterminés par des essais classiques avec une analyse inverse en utilisant l’algorithme de Levenberg-Marquardt. Les résultats montrent que cette approche est capable de reproduire le comportement à la fissuration locale du béton et de reproduire l’effet d’échelle et celui des granulats. Ensuite, un modèle d'adoucissement est développé afin de mieux reproduire la réponse post pic et le processus de fissuration. / It is now commonly understood that in the design of civil engineering structures, size effect must be taken into consideration. For concrete, this problem is complex because it does not exhibit plastic softening. The failure of concrete is generally preceded by propagation of cracks, characterized by alarge microcracking zone (fracture process zone or FPZ) which is proportional to the maximum aggregate size ( dmax ). This fracture process is accompanied by strain-softening in the form of microcracking and fractional slip.Experimentally, size effect in concrete is commonly studied by using geometrically similar notched beams where thenominal strength ( oN ) obtained from the bending failure loadis related to the characteristic dimension (D). This leads to adecrease in the ratio of dmax/D with an increase in the size of the structure. One of the objective of this thesis is to study experimentally the effect of heterogeneity ( dmax/D) size. This ratio is recognized as a fundamental factor causing the size effect. Three aggregate grading segments were tested on three different sizes of beams and the cracking process was investigated by acoustic emission and the image correlation technique. These methods make it possible to trace the crack.openings and identify distinctively the FPZ. The results demonstrate a significant influence of the aggregate size on the fracture behaviour of concrete. There is a direct relationship between the size effect parameters obtained by Bazant's law and maximum aggregate size ( dmax ). The results obtained from the specimen having the same size but made of concretes with different aggregate sizes produced the same classical size effect with identical transitional between LEFM and strength based laws. The mechanical behaviour is modelled by the Discrete Element Method (DEM). However, the linear contact model inserted in DEM is not suitable to satisfy the materials like mortar and concrete with high unconfined compressive strength to tensile strength ratio. As a result, the model is modified to take into account the contribution of interparticle moments. The micromechanical parameters are determined by conventional tests with inverse analysis using the Levenberg-Marquardt algorithm. The results showed that this approach is able to reproduce the local cracking behaviour of concrete as well as classical size effect and aggregate size effect. Then, a softening model is developed to better reproduce the post-peak response and the cracking process.

Les simulations numériques des fissures fragiles par les modèles d’endommagement à gradient deviennent main- tenant très répandues. Les résultats théoriques et numériques montrent que dans le cadre de l’existence d’une pre-fissure la propagation suit le critère de Griffith. Alors que pour le problème à une dimension la nucléation de la fissure se fait à la contrainte critique, cette dernière propriété dimensionne le paramètre de longueur interne.Dans ce travail, on s’attarde sur le phénomène de nucléation de fissures pour les géométries communément rencontrées et qui ne présentent pas de solutions analytiques. On montre que pour une entaille en U- et V- l’initiation de la fissure varie continument entre la solution prédite par la contrainte critique et celle par la ténacité du matériau. Une série de vérifications et de validations sur diffèrent matériaux est réalisée pour les deux géométries considérées. On s’intéresse ensuite à un défaut elliptique dans un domaine infini ou très élancé pour illustrer la capacité du modèle à prendre en compte les effets d’échelles des matériaux et des structures.Dans un deuxième temps, ce modèle est étendu à la fracturation hydraulique. Une première phase de vérification du modèle est effectuée en stimulant une pré-fissure seule par l’injection d’une quantité donnée de fluide. Ensuite on étudie la simulation d’un réseau parallèle de fissures. Les résultats obtenus montrent qu’il a qu’une seule fissure qui se propage et que ce type de configuration minimise mieux l’énergie la propagation d’un réseau de fractures. Le dernier exemple se concentre sur la stabilité des fissures dans le cadre d’une expérience d’éclatement à pression imposée pour l’industrie pétrolière. Cette expérience d’éclatement de la roche est réalisée en laboratoire afin de simuler les conditions de confinement retrouvées lors des forages.La dernière partie de ce travail se concentre sur la rupture ductile en couplant le modèle à champ de phase avec les modèles de plasticité parfaite. Grâce à l’approche variationnelle du problème on décrit l’implantation numérique retenue pour le calcul parallèle. Les simulations réalisées montrent que pour une géométrie légèrement entaillée la phénoménologie des fissures ductiles comme par exemple la nucléation et la propagation sont en concordances avec ceux reportées dans la littérature. / Phase-field models, sometimes referred to as gradient damage, are widely used methods for the numerical simulation of crack propagation in brittle materials. Theoretical results and numerical evidences show that they can predict the propagation of a pre-existing crack according to Griffith’s criterion. For a one- dimensional problem, it has been shown that they can predict nucleation upon a critical stress, provided that the regularization parameter is identified with the material’s internal characteristic length.In this work, we draw on numerical simulations to study crack nucleation in commonly encountered geometries for which closed-form solutions are not available. We use U- and V-notches to show that the nucleation load varies smoothly from the one predicted by a strength criterion to the one of a toughness criterion when the strength of the stress concentration or singularity varies. We present validation and verification of numerical simulations for both types of geometries. We consider the problem of an elliptic cavity in an infinite or elongated domain to show that variational phase field models properly account for structural and material size effects.In a second movement, this model is extended to hydraulic fracturing. We present a validation of the model by simulating a single fracture in a large domain subject to a control amount of fluid. Then we study an infinite network of pressurized parallel cracks. Results show that the stimulation of a single fracture is the best energy minimizer compared to multi-fracking case. The last example focuses on fracturing stability regimes using linear elastic fracture mechanics for pressure driven fractures in an experimental geometry used in petroleum industry which replicates a situation encountered downhole with a borehole called burst experiment.The last part of this work focuses on ductile fracture by coupling phase-field models with perfect plasticity. Based on the variational structure of the problem we give a numerical implementation of the coupled model for parallel computing. Simulation results of a mild notch specimens are in agreement with the phenomenology of ductile fracture such that nucleation and propagation commonly reported in the literature.