Cette thèse porte sur la description du processus de fissuration du béton soumis à des sollicitations mécaniques. L'objectif principal est d'améliorer la description macroscopique à l'aide d'un modèle continu. Un modèle décrivant de façon cohérente le comportement à la rupture du béton devrait au moins représenter : (i) la transition continu/discret et l'effet d'écran induit par une macrofissure, (ii) la discontinuité du déplacement, (iii) l'interaction entre le processus de fissuration et un bord libre (iv) il doit aussi être capable de reproduire la réponse mécanique obtenue expérimentalement. Dans un premier temps, nous avons fait une analyse comparative entre le modèle d'endommagement non-local classique et différents modèles continus améliorés proposés dans la littérature. Des outils de comparaison ont été proposés pour cette analyse : (i) du point de vue numérique, deux exemples considérant la rupture dynamique d'une barre (barre en traction et test d'écaillage) et (ii) du point de vue expérimental, une base de données issue d'une série d'essais sur des poutres homothétiques entaillées et non-entaillées en flexion trois points. Nous avons conclu que seule une combinaison entre différentes formulations peut rendre compte de tous les mécanismes mis en jeu lors du processus de fissuration. Elle inclue à la fois la façon dont l'information non-locale est transmise, la croissance de défauts et la description des effets de bord. Nous avons mis en évidence que son implémentation 2D ou 3D reste complexe et donc la comparaison avec des données expérimentales s'avère impossible. Dans un deuxième temps, nous avons choisi de changer l'échelle d'analyse pour connaitre en détail les mécanismes ayant lieu au sein de la mésostructure du béton (pâte, granulat, interface) à l'aide d'un modèle mésoscopique basé sur des éléments lattice. Cette analyse a permis de conclure que la prise en compte des interactions entre les composants de la mésostructure du béton fournit des résultats numériques plus proches de la réalité que ceux obtenus avec le modèle non-local macroscopique classique. Le mésomodèle est capable de représenter aussi bien la charge maximale (effet d'échelle) que la phase adoucissante pour toutes les tailles de poutre et pour toutes les géométries d'entaille. Nous avons transposé la prise en compte des interactions de l'échelle mésoscopique à l'échelle macroscopique au travers de la fonction poids d'un nouveau modèle non-local. Elle est estimée en décrivant le matériau comme étant un ensemble d'inclusions qui interagissent entre elles lors du chargement. Ces inclusions sont dilatées élastiquement et successivement afin de caractériser le transfert d'information au sein du matériau et de reconstruire la fonction poids du modèle proposé. Ce nouveau modèle est capable de décrire la transition continu/discret et l'effet d'écran, la discontinuité du déplacement et de retrouver un effet de bord cohérent avec les résultats de la micromécanique. Son implémentation en 2D est présentée et les premiers résultats de calculs illustrent la démarche. Finalement, nous revenons sur la modélisation mésoscopique du comportement du béton. Sa richesse en information peut conduire à une compréhension plus fine du processus de fissuration et de la création puis l'évolution de la zone d'élaboration. / This work focuses on the description of the process of cracking of concrete subjected to mechanical stresses. The main objective is to improve the understanding of the mechanisms involved using a continuous macroscopic model. A model describing consistently the fracture behavior of concrete should at least represent: (i) the continuous / discrete transition and the shielding effect induced by a macrocrack, (ii) the discontinuity of displacement, (iii) the interaction between the cracking process and a free boundary, (iv) it must also be able to reproduce the mechanical response obtained experimentally. At first, we made a comparative analysis of the classical non-local damage model and others improved continuous models proposed in the literature. Comparison tools have been proposed for this analysis: (i) from a numerical point of view, two examples considering the dynamic rupture of a bar (tensile test and spalling test) and (ii) from an experimental point of view, a database obtained from three-point bending test on notched and unnotched geometrically similar beams made from the same concrete formulation. We found that only a combination of this formulations may account for the different mechanisms involved in the process of cracking. It includes the transmission of the non-local information, the growing of voids and the description of boundary effects. We shown that its implementation in 2D or 3D remains complex and thus comparison with experimental results are impossible. In a second step, we decided to change the scale of analysis to precise the mechanisms which are taking place within the mesostructure of concrete using a mesomodel based on lattice elements. This analysis shown that since the mesomodel intrinsically took into account the interactions evolution within the structure, it is able to provide relevant results when classical macroscopic non-local models failed. It is able to represent both the maximum load (size effect) and the softening regime whatever the beam size or the pre-notch geometry. In addition, we proposed a new non-local framework where the interactions were upscale from the mesoscale to the macroscale through a new weight function. This function is estimated by describing the material as a set of inclusions that interact upon loading. These inclusions are successively elastically dilated to characterize the transfer of information within the material and rebuild the non-local weight function. This new model is able to describe the continuous / discrete transition, the shielding effect and the discontinuity of displacement. The model has been implemented in 2D in a finite element code and first results shown its capabilities to reproduce experimental results in term of maximum loads. In a third step, the richness of the mesoscopic approach has been used to describe precisely the local process of failure in term of fracture process zone evolution.

Cette thèse explore l'utilisation de modèles d'endommagement pour prédire la nucléation et la propagation de la rupture de manière cohérente. Les résultats sont basés sur la donnée d'une énergie, qui définit le matériau, et d'une loi d'évolution construite sur un principe de stabilité, de conservation d'énergie et d'irreversibilité. Dans un premier temps, on étudie l'initiation de fissures dans une structure contenant un coin. Le chargement limite se réduit à trois composantes : un facteur d'échelle, une composante géométrique fonction de l'angle, et une composante propre au modèle. Ces modèles donnent naissance à des fissures dont le profil est caractéristique et dont la largeur est de l'ordre de la longeur interne du modèle. Cette dernière étant petite devant les dimensions de la structure, dans le cadre d'une séparation d'échelles et en utilisant un principe de minimum local, on montre que le modèle d'endommagement considéré converge vers la loi de propagation de Griffith. Ce résultat fondamental étend ceux existants, basés sur la minimisation globale, mais avec une base physique plus forte. Une étude approfondie donne une meilleure compréhension de la phase d'initiation dans le cas d'un choc thermique et on établit la propriété globale qu'est l'éemergence d'une solution periodique. Ces résultats s'appuient sur le cadre variationnel, les propriétées seraient probablement perdues pour un modèle d'endommagement développé dans un autre cadre. Dans un dernier temps, les résultats numériques basés sur un algorithme de minimisation alternée capturent une initiation contrôlée par la contrainte critique, ainsi que la propagation des fissures controlée par la densité d'énergie de fissuration. Des effets d'échelle en deux et trois dimensions sont mis en évidence. Les simulations sont alors confrontées à des résultats expérimentaux.

Cette thèse contribue à la modélisation de la variabilité spatiale de la résistance à la traction des structures en béton, à différentes échelles, et son influence sur la fissuration du béton. En particulier, une loi d'effet d'échelle et des champs aléatoires sont utilisés à l'aide de deux approches:D'une part, une approche analytique probabiliste de la méthode Weakest Linkand Localization (WL2) est proposée. Cette méthode estime la distribution de la résistance à la traction, à différentes échelles, en tenant compte des redistributions des contraintes autour du point le plus faible. Cela dépend d'une longueur d'échelle, dont l'identification est discutée. Cette longueur d'échelle explique le caractère aléatoire de la résistance à la traction du béton.D'autre part, une autre contribution de cette thèse est le développement d'une méthode Élément Fini Stochastique (EFS), utilisée pour modéliser l'effet d'échelle et la variabilité spatiale de la résistance à la traction. La méthode consiste d'abord à définir un champ aléatoire, en utilisant la résistance à la traction réduite estimée à partir de l'approche analytique de WL2. Ensuite, des réalisations de champs aléatoires autocorrélées discrétisées sont générées. En outre, le choix des paramètres d'autocorrélations, utilisés pour définir les champs aléatoires, est discuté.L'applicabilité des deux méthodes est évaluée à l'aide de différentes séries expérimentales présentant des effets d'échelle particulièrement statistique. En outre, la méthode EFS est utilisée pour compléter le modèle EF simplifié de la maquette d'enceinte à double paroi VeRCoRs (échelle 1/3). Les incertitudes sur la résistance à la traction, à cette échelle, sont modélisées à l'aide d'un champ aléatoire autocorrelé indépendant à chaque levée. La propagation des incertitudes, à l'état initial, montre sa pertinence dans l'estimation des positions de fissures. / This thesis is a contribution to the modeling of the spatial variability of tensile strength of concrete structures, at different scales, and its influence on concrete cracking pattern. Particularly, a size effect law and random fields are used through two approaches:On the one hand, an analytical probabilistic approach of the Weakest Link and Localization (WL2) method is proposed. This method estimates the distribution of the tensile strength, at different scales, accounting for the stress redistributions around the weakest point.It depends on a scale length, whose identification is discussed. This scale length accounts for spatial randomness of the concrete tensile strengthOn the other hand, another contribution of this thesis is the development of a Stochastic Finite Element (SFE) method, used to model both size effect and the spatial variability of the tensile strength. The method consists first on defining a random field, using the mean tensile strength estimated from the analytical approach of WL2. Then, discretized autocorrelated random field realizations are generated. Moreover, the choice of autocorrelation parameters, used to define the random fields, is discussed.The applicability of both methods is evaluated using various experimental series exhibiting particularly statistical size effect. Furthermore, the SFE method is used to complete the simplified FE model of a 1/3 mock-up of a double-wall containment building. The uncertainties on the tensile strength, at this scale, are modeled using independent autocorrelated random field at each scale. Uncertainties propagation, at initial state, shows its pertinence in the estimation of crack positions.

Le micro-fraisage (diamètre fraise < 1 mm) permet l’usinage précis de structures en 3D, à des dimensions micrométriques, dans desmatériaux d’ingénierie, se plaçant aux frontières de deux mondes : d’une part, le fraisage traditionnel appelé « fraisage macro » et d’autre part,la micro-fabrication et ses techniques dites de « salle blanche ».L'étude innovante porte sur le micro-fraisage d’aciers inoxydables 316L avec des micro-fraises cylindriques en carbure de tungstèneavec un équipement industriel (machine outil commercialisée et non optimisée) permet d’accentuer les nombreuses difficultés technologiquesliées à la mise en oeuvre du micro-fraisage et d’effectuer directement un transfert de compétences vers l’industrie. L’acier 316L(biocompatible, réputé de difficilement usinable) n’a jamais été étudié en micro-fraisage.L’étude aborde, au travers de neufs ratios caractéristiques du micro-fraisage, les problématiques de choix de moyens et de méthodespour caractériser la technique du micro-fraisage.Après analyses des paramètres de l’étude et des caractérisations des usinages, la définition géométrique optimale d’une micro-fraiseinnovante est proposée. Sa tenue en service est validée par des tests en usinage dans l’acier 316L, répondant ainsi, à une problématique decoupe négative à basse vitesse de coupe avec des effets d’échelle du matériau.Une originalité de l’étude est d’aborder l’effet de la population inclusionnaire visant à améliorer l’usinabilité. En comparant lesrésultats obtenus par micro-fraisage de 2 nuances d’acier 316L, la population inclusionnaire de l’acier 316L n’est pas identifiée comme unfacteur améliorant l’usinabilité à l’échelle de la coupe micro. / The micro-milling ( tool diameter < 1 mm) target the precise machining of 3D structures to micrometric dimensions, in engineeringmaterials, to be placed at the borders of two worlds : the one hand , the traditional milling called "macro milling" and other hand, the microfabricationand its so-called "clean room" techniques.The innovative study focuses on the micro-milling of 316L steel with carbide micro end mills with industrial equipment (machine toolmarketed unoptimized) can caricature the many technological challenges related to the implementation of the micro-milling and make a directtransfer of skills to the industry. 316L steel (biocompatible, reputed difficult to machine) has never been studied in micro-milling.The study looks at ratios through new features of the micro-milling, the problems of choice of means and methods to characterizemicro-milling.After analysis study parameters and machined parts, the optimal geometric definition of an innovative micro end mill is proposed.Service behavior is validated by testing machining in 316L steel, responding to a question of negative cutting with low cutting speeds andscale effects of the material.An originality of the study is to address the effect of the inclusion population to improve machinability. Comparing the resultsobtained by micro-milling two 316L steel grade, the inclusion population of 316L steel is not identified as a factor improving themachinability cutting at micro scale.