Ce travail concerne l'analyse de la vulnérabilité des structures de protection et des ouvrages sensibles en béton soumis à des actions dynamiques sévères (impacts, explosions) dues à des risques anthropiques d'origine accidentelle ou non. L'objet est la mise au point d'outils prévisionnels de simulation capables de décrire de manière objective le comportement dynamique du béton. Pour cela, une approche numérique novatrice reposant sur la méthode des Eléments Discrets (MED) est développée. Une première partie de cette thèse concerne la simulation des essais quasi-statiques de compression et traction uniaxiales. Une loi de transfert de moment (LTM) a été introduite pour pallier au problème de fragilité en compression simple. Ensuite, la procédure d'identification des paramètres du modèle modifié a été optimisée pour bien reproduire le comportement macroscopique du béton. Enfin, le modèle a été validé en représentant correctement le comportement quasi-statique de plusieurs types de béton. La deuxième partie du travail traite la simulation des essais de traction dynamique du béton aux barres de Hopkinson. Les résultats ont montré la nécessité de prendre l'effet de vitesse de déformation dû au matériau pour bien reproduire le comportement expérimental. Ensuite, Les paramètres du modèle permettant de reproduire cet effet de vitesse ont été identifiés. Enfin, des essais avec des taux de déformation très élevés ont été simulés et les résultats numériques ont été en accord avec le comportement observé expérimentalement. / This work concerns the analysis of the vulnerability of sensitive concrete structures subjected to severe dynamic actions such as impacts due to natural hazards or human factors. The object is to develop a numerical tool that can describe objectively the dynamic behaviour of concrete. Then, a 3D discrete element method (DEM) was developed and used to perform the analysis. The first part of this thesis focuses on the simulation of quasi-static uniaxial compression and traction tests. A moment transfer law (MTL) was introduced to overcome the problem of brittle compressive behavior. Then, the identification procedure of the modified DEM model has been optimized in order to reproduce very well the macroscopic behaviour of concrete. Finally, the model has been validated by representing properly the real quasi-static behavior of different types of concrete. The second part of the study deals with the simulation of the dynamic Hopkinson traction bar tests of concrete. The results showed that a local rate effect has to be introduced to reproduce the strain rate dependency, which would then be a material-intrinsic effect. Then, the parameters of the model have been identified. Finally, simulations were run at high strain rates and showed consistent results with respect to experimental behaviour.

Le béton est un matériau dont le comportement est complexe, notamment dans le cas de sollicitations extrêmes. L'objectif de cette thèse est de caractériser expérimentalement le comportement du béton lorsque celui-ci est soumis à des sollicitations générées par un impact (compression confinée et traction dynamique) ; et de développer un outil numérique robuste permettant de modéliser son comportement de manière fiable. Dans la partie expérimentale, on a étudié des échantillons de béton provenant du centre de VTT (Centre de recherche technique en Finlande). Dans un premier temps, des essais statiques de compression triaxiale dont le confinement varie de 0 MPa (compression simple) à 600 MPa ont été réalisés. On observe que, sous l'effet de confinement la rigidité du béton devient plus importante à cause de la réduction de la porosité. Par conséquent, la résistance maximale au cisaillement du béton est augmentée. La présence d'eau joue un rôle important lorsque le degré de saturation est élevé et le béton est soumis à un fort confinement. Au delà d'un certain seuil de confinement, la résistance maximale au cisaillement diminue avec l'augmentation de la teneur en eau. L'eau influence également le comportement volumique du béton. Lorsque tous les pores libres du béton sont fermés sous l'effet de la compaction, la faible compressibilité de l'eau s'oppose à la déformation du béton, de sorte que le béton humide est moins déformé que le béton sec pour une même contrainte moyenne. Le deuxième volet du programme expérimental concerne des essais de traction dynamique à différentes vitesses de chargement, et à différents états d'humidité du béton. Les résultats obtenus montrent que la résistance en traction du béton C50 peut augmenter jusqu'à 5 fois par rapport à sa résistance statique pour une vitesse de déformation de l'ordre de 100 s-1. Dans la partie numérique, on s'intéresse à développer le modèle de comportement du béton PRM couplé (Pontiroli-Rouquand-Mazars) capable de prédire le comportement du béton sous impact. Ce modèle repose sur un couplage entre un modèle d'endommagement capable de décrire des mécanismes de dégradation et de fissuration du béton à faible confinement et un modèle de plasticité permettant de simuler le comportement du béton sous très fort confinement. L'identification du modèle a été réalisée avec les résultats des essais expérimentaux. L'amélioration du modèle, notamment sur le modèle de plasticité, porte sur trois points principaux : prise en compte de l'effet de la contrainte déviatoire dans le calcul de la contrainte moyenne ; de l'effet de l'eau avec la loi poro-mécanique au lieu de la loi des mélanges ; amélioration de la variable de couplage entre le modèle d'endommagment et le modèle élastoplastique avec une prise en compte de l'angle de Lode. Ces améliorations ont ensuite été validées par une confrontation des résultats numériques obtenus et des essais de type impact qui démontrent la fiabilité de la prédiction du modèle. Le modèle amélioré est capable de reproduire le comportement du béton sous différents trajets de chargement et à différents niveaux de confinement tout en tenant compte du degré de saturation du béton.

Ce travail concerne l'analyse de la vulnérabilité des structures de protection et des ouvrages sensibles en béton soumis à des actions dynamiques sévères (impacts, explosions) dues à des risques anthropiques d'origine accidentelle ou non. L'objet est la mise au point d'outils prévisionnels de simulation capables de décrire de manière objective le comportement dynamique du béton. Pour cela, une approche numérique novatrice reposant sur la méthode des Eléments Discrets (MED) est développée. Une première partie de cette thèse concerne la simulation des essais quasi-statiques de compression et traction uniaxiales. Une loi de transfert de moment (LTM) a été introduite pour pallier au problème de fragilité en compression simple. Ensuite, la procédure d'identification des paramètres du modèle modifié a été optimisée pour bien reproduire le comportement macroscopique du béton. Enfin, le modèle a été validé en représentant correctement le comportement quasi-statique de plusieurs types de béton. La deuxième partie du travail traite la simulation des essais de traction dynamique du béton aux barres de Hopkinson. Les résultats ont montré la nécessité de prendre l'effet de vitesse de déformation dû au matériau pour bien reproduire le comportement expérimental. Ensuite, Les paramètres du modèle permettant de reproduire cet effet de vitesse ont été identifiés. Enfin, des essais avec des taux de déformation très élevés ont été simulés et les résultats numériques ont été en accord avec le comportement observé expérimentalement. / This work concerns the analysis of the vulnerability of sensitive concrete structures subjected to severe dynamic actions such as impacts due to natural hazards or human factors. The object is to develop a numerical tool that can describe objectively the dynamic behaviour of concrete. Then, a 3D discrete element method (DEM) was developed and used to perform the analysis. The first part of this thesis focuses on the simulation of quasi-static uniaxial compression and traction tests. A moment transfer law (MTL) was introduced to overcome the problem of brittle compressive behavior. Then, the identification procedure of the modified DEM model has been optimized in order to reproduce very well the macroscopic behaviour of concrete. Finally, the model has been validated by representing properly the real quasi-static behavior of different types of concrete. The second part of the study deals with the simulation of the dynamic Hopkinson traction bar tests of concrete. The results showed that a local rate effect has to be introduced to reproduce the strain rate dependency, which would then be a material-intrinsic effect. Then, the parameters of the model have been identified. Finally, simulations were run at high strain rates and showed consistent results with respect to experimental behaviour.

Le béton est un matériau dont le comportement est complexe, notamment dans le cas de sollicitations extrêmes. L’objectif de cette thèse est de caractériser expérimentalement le comportement du béton lorsque celui-ci est soumis à des sollicitations générées par un impact (compression confinée et traction dynamique) ; et de développer un outil numérique robuste permettant de modéliser son comportement de manière fiable. Dans la partie expérimentale, on a étudié des échantillons de béton provenant du centre de VTT (Centre de recherche technique en Finlande). Dans un premier temps, des essais statiques de compression triaxiale dont le confinement varie de 0 MPa (compression simple) à 600 MPa ont été réalisés. On observe que, sous l’effet de confinement la rigidité du béton devient plus importante à cause de la réduction de la porosité. Par conséquent, la résistance maximale au cisaillement du béton est augmentée. La présence d’eau joue un rôle important lorsque le degré de saturation est élevé et le béton est soumis à un fort confinement. Au delà d’un certain seuil de confinement, la résistance maximale au cisaillement diminue avec l’augmentation de la teneur en eau. L’eau influence également le comportement volumique du béton. Lorsque tous les pores libres du béton sont fermés sous l’effet de la compaction, la faible compressibilité de l’eau s’oppose à la déformation du béton, de sorte que le béton humide est moins déformé que le béton sec pour une même contrainte moyenne. Le deuxième volet du programme expérimental concerne des essais de traction dynamique à différentes vitesses de chargement, et à différents états d’humidité du béton. Les résultats obtenus montrent que la résistance en traction du béton C50 peut augmenter jusqu’à 5 fois par rapport à sa résistance statique pour une vitesse de déformation de l’ordre de 100 s-1. Dans la partie numérique, on s’intéresse à développer le modèle de comportement du béton PRM couplé (Pontiroli-Rouquand-Mazars) capable de prédire le comportement du béton sous impact. Ce modèle repose sur un couplage entre un modèle d’endommagement capable de décrire des mécanismes de dégradation et de fissuration du béton à faible confinement et un modèle de plasticité permettant de simuler le comportement du béton sous très fort confinement. L’identification du modèle a été réalisée avec les résultats des essais expérimentaux. L’amélioration du modèle, notamment sur le modèle de plasticité, porte sur trois points principaux : prise en compte de l’effet de la contrainte déviatoire dans le calcul de la contrainte moyenne ; de l’effet de l’eau avec la loi poro-mécanique au lieu de la loi des mélanges ; amélioration de la variable de couplage entre le modèle d’endommagment et le modèle élastoplastique avec une prise en compte de l’angle de Lode. Ces améliorations ont ensuite été validées par une confrontation des résultats numériques obtenus et des essais de type impact qui démontrent la fiabilité de la prédiction du modèle. Le modèle amélioré est capable de reproduire le comportement du béton sous différents trajets de chargement et à différents niveaux de confinement tout en tenant compte du degré de saturation du béton. / Concrete is a material whose behavior is complex, especially in cases of extreme loads. The objective of this thesis is to carry out an experimental characterization of the behavior of concrete under impact-generated stresses (confined compression and dynamic traction) and to develop a robust numerical tool to reliably model this behavior. In the experimental part, we have studied concrete samples from the VTT center (Technical Research Center of Finland). At first, quasi-static triaxial compressions with the confinement varies from 0 MPa (unconfined compression test) to 600 MPa were realized. The stiffness of the concrete increases with confinement pressure because of the reduction of porosity. Therefore, the maximum shear strength of the concrete is increased. The presence of water plays an important role when the degree of saturation is high and the concrete is subjected to high confinement pressure. Beyond a certain level of confinement pressure, the maximum shear strength of concrete decreases with increasing water content. The effect of water also influences the volumic behavior of concrete. When all free pores are closed as a result of compaction, the low compressibility of the water prevents the deformation of the concrete, whereby the wet concrete is less deformed than the dry concrete for the same mean stress. The second part of the experimental program concerns dynamic tensile tests at different loading velocities, and different moisture conditions of concrete. The results show that the tensile strength of concrete C50 may increase up to 5 times compared to its static strength for a strain rate of about 100 s-1. In the numerical part, we are interested in improving an existing constitutive coupled model of concrete behavior called PRM (Pontiroli-Rouquand-Mazars) to predict the concrete behavior under impact. This model is based on a coupling between a damage model which is able to describe the degradation mechanisms and cracking of the concrete at weak confinement pressure and a plasticity model which allows to reproduce the concrete behavior under strong confinement pressure. The identification of the model was done using the results of experimental tests. The improvement of this model, especially the plasticity part, focuses on three main points : taking into account the effect of the deviatoric stress in the calculation of the mean stress; better accounting for the effect of water using poromechanical law instead of mixing law, improvement of the coupling variable between the damage model and the elastoplastic model with consideration of the Lode angle. These improvements were then validated by comparing numerical results and impact tests. The improved model is capable of reproducing the behavior of concrete under different loading paths and at different levels of confinement pressure while taking into account the degree of saturation of concrete.

Un modèle phénoménologique 3D de visco-plasticité couplée avec les évolutions microstructurales et l'endommagement est proposé pour les superalliages monogranulaires base Nickel, les matériaux des aubes de turbine à haute pression de moteurs d'hélicoptères. L'anisotropie de la mise en radeaux, la croissance et la dissolution de la phase durcissante sont modélisés. Une variable tensorielle et sa loi d'évolution permettent la description de la variation de la largeur des couloirs de matrice. Ce travail s'appuie sur la décomposition en modes de Kelvin du tenseur d'élasticité. Cette décomposition conduit également à une description multi-critère mésoscopique de la visco-plasticité cubique. Une formulation en (visco-)plasticité cristalline a été également proposée. Une loi d'endommagement avec seuil de type dD/dt=... est formulée pour la modélisation du fluage tertiaire et pour la prévision de la ductilité en traction. Une expression originale du seuil d'endommagement rend compte des effets de vitesse sur l'amorçage de l'endommagement par visco-plasticité. Une étude expérimentale a été conduite sur le CMSX-4, l'alliage au centre de cette étude, parallèlement aux travaux de modélisation. Des essais de dissolution ont été réalisés afin de mesurer la variation de la fraction volumique des précipités avec la température. Les mécanismes de déformation du matériau ont été observés en fluage isotherme à 850°C et 1050°C selon les principales directions cristallines du triangle stéréographique standard et constituent une base d'identification pour le modèle, la réponse mécanique du matériau obtenue. Trois essais de traction ont été réalisés selon la direction <111>, deux à vitesse de chargement constante, le troisième à vitesse variable. Des essais cyclés thermiquement de type 150h-moteur ont été réalisées sur le banc MAATRE. Des analyses EBSD et MET ont été réalisés sur les échantillons orientés selon les directions cristallines <011>, <111> et <112> et testés à 850°C. Ces analyses ont montré que le mâclage est le principal mécanisme de déformation pour des déformations supérieures à $1-2%$ selon ces orientations cristallines en fluage à cette température et à haute contrainte (>400 MPa). Enfin, le modèle a été implanté dans le code à élément Finis ZéBuLon, sans ou avec endommagement, et des calculs de structures ont été réalisés / A 3D phenomenological model coupling viscoplasticity, microstructural evolutions and damage is proposed for Ni-based single crystal superalloys, which are widely used materials for high pressure turbine blade in helicopter engines. The anisotropy of the gamma'-rafting, the gamma'-coarsening and the dissolution of the hardening gamma' phase are modeled. A tensorial variable and its evolution law allow to describe the variation of the gamma channels. The modeling is based on the Kelvin decomposition of the elasticity tensor. This decomposition leads to a phenomenological multi-criterion description of the cubic visco-plasticity. A formulation based on the single crystal (visco-)plasticity framework is also proposed. A damage law of type dD/dt=… is introduced in order to model the tertiary creep stage and the ductility. A novel rate sensitive damage threshold is introduced in order to account for the rate sensitivity of the damage onset by visco-plasticity. An experimental study has been carried out on the CMSX-4 alloy, which is the material of main interest in this study, in parallel to the modeling work. Dissolution tests have been carried out to measure the gamma'-volume fraction variation with temperature. The deformation mechanisms of the CMSX-4 alloy have been observed by performing tensile creep tests at 1050°C and 850°C. These tests have also constituted a database for the model identification. Three tensile tests have been realized along the <111> crystal direction, two at constant strain rate and the third by varying the strain rate. Non-isothermal creep tests reproducing the 150h-type engine test have been performed on the MAATRE bench. EBSD and TEM analysis have been realized on the specimens oriented along the <011>, <011> and <112> crystal directions and crept at 850° C. These analysis have shown that micro-twinning governs the deformation along these crystal directions during creep at this temperature and at high stresses (> 400 MPa) for deformation in excess of 1-2%. Finally, the model (with and without damage) has been encoded in the ZéBuLoN Finite Element solver and structure computations have been performed.

Ce travail porte sur l'étude du comportement mécanique et des mécanismes d'endommagement d'un composite cimentaire fibré multi-échelles soumis à des sollicitations sévères. Les sollicitations mécaniques retenues sont : la fatigue, le choc et le fluage en ambiance agressive.<br />A partir de l'analyse des mécanismes de fissuration des matrices cimentaires, le principe de renfort multi-échelles conduit à l'utilisation de trois dimensions de fibres métalliques afin d'intervenir à chaque étape du processus de fissuration. La matrice cimentaire est ultra-compacte et résistante (résistance en compression > 200 MPa) et la fraction volumique du renfort atteint 11 %. Le composite formulé est mis en uvre dans des dalles minces qui se veulent représentatives des applications structurelles envisagées. Les dalles constituent les corps d'épreuve pour les trois études.<br />La caractérisation mécanique du composite sous chargement statique (compression, traction et flexion) montre que le renfort multi-échelles se caractérise par la mise en action graduelle et continue des différentes échelles de fibres, et ce jusqu'au pic d'effort. Une détermination de la résistance en traction uniaxiale (> 20 MPa) à partir d'essais de flexion 4 points sur dalles minces en utilisant une approche inverse est validée. Il est montré que le matériau étudié est élasto-plastique avec écrouissage positif en traction.<br />Les essais dynamiques mettent en lumière une grande sensibilité du composite aux effets de vitesses. Le renfort multi-échelles, et tout particulièrement les micro-fibres, amplifient les phénomènes visqueux dans la matrice cimentaire en y améliorant le transfert des efforts. Le gain absolu de résistance en traction est estimé par approche inverse à 1.5 MPa/u.log. Ces résultats sont retrouvés lors de simulations avec un modèle élasto-visco-plastique.<br />Le comportement en fatigue est limité par le faible élancement des méso-fibres. Leur déchaussement rapide empêche l'arrêt de la coalescence des micro-fissures. Une corrélation forte existe entre la durée de vie en fatigue et l'état d'endommagement initial (lors d'un premier chargement statique). Une courbe de Wöhler corrigée est reconstruite connaissant le comportement statique caractéristique et l'état initial de déformation des corps d'épreuve.<br />Sous sollicitation de service, la fissuration fine et diffuse induite par l'efficacité du renfort multi-échelles n'est pas préjudiciable en environnement agressif. Une cicatrisation presque totale est observée en présence d'eau sur des corps d'épreuve pré-endommagés par fatigue et maintenus chargés en solution saline.

Le bois est un matériau cellulaire naturel et excellent absorbeur d’énergie. Employé au sein de structures du type limiteur d’impact, il subit de nombreux phénomènes lors d’un cas de chute. Une large campagne expérimentale est réalisée afin d’analyser les réponses en compression du hêtre et de l’épicéa, en fonction de la direction de sollicitation, de la vitesse de déformation pour la plage [0.001-600] s−1 et de deux types de restrictions latérales qualifiées d’extrêmes. La direction longitudinale se révèle la plus sensible à la vitesse ainsi qu’au type de restrictions latérales et les conséquences sur la capacité d’absorption d’énergie du bois sont alors significatives. Par ailleurs, les protocoles développés ont vocation à être déclinés pour un large panel d’essences aux propriétés mécaniques variées. Un modèle matériau élastoplastique, isotrope transverse et sensible à la vitesse de déformation est élaboré à l’aide des techniques multi-échelles et de la micromécanique. Les propriétés élastiques macroscopiques sont estimées à l’aide du schéma d’homogénéisation de Mori-Tanaka à partir de données issues de la microstructure. Un critère de type Gurson étendu reposant sur l’approche micromécanique de l’endommagement ductile est employé pour retranscrire le comportement non linéaire, la densification et le caractère compressible du bois. Des paramètres de dégradation découplés du critère sont appliqués selon la direction longitudinale. La modélisation proposée repose sur une description simplifiée du bois et les résultats numériques associés illustrent la bonne capacité du modèle à reproduire les différentes réponses observées lors d’un cas de chute. / Wood is a natural cellular material, which is widely and advantageously used as shock absorber for the transport of radioactive materials. Accident situations are evaluated based on the 9 m drop test, which allows us to observe the complex crushing behavior of wood. A compressive experimental study is conducted on spruce and beech wood species over a large range of strain rates (from 0.001 to 600 s−1) to investigate the effect of the loading direction and of two extreme lateral confinements. The longitudinal direction is the most sensitive to the effect of strain rate and of lateral confinements which have significant consequences on the energy absorption. Besides, the experimental investigation can be adapted to various wood species with very different mechanical properties. A strain rate dependent elastoplastic model with transversal isotropy is developed using multi-scale and micromechanics techniques. The elastic macroscopic properties of wood are estimated with a Mori-Tanaka scheme and information extracted from the microstructure. The Gurson type criterion based on the micromechanical approach of the ductile damage is used in order to describe the non linear behavior of wood, its densification regime and its compressibility as well. Additionally, uncoupled degradation parameters are applied to reproduce the failure mechanisms involved in the longitudinal response. A simplified description of wood is used within the modeling and the numerical results exhibit the good ability of the model to reproduce the various wood responses during an accident situation.