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Dans le procédé Hall-Héroult, les produits carbonés tels que les anodes de carbone et la pâte à brasquer sont des composants essentiels du processus d'électrolyse. Ils sont produits en quantités massives le long d'une chaîne de production, dont le processus de mise en forme est l'une des étapes essentielles qui influencent la qualité finale de ces produits. Des produits de carbone bien compactés sont nécessaires pour augmenter l'efficacité du procédé d'électrolyse, diminuer la surconsommation de carbone, augmenter le rendement électrique et diminuer les émissions de gaz à effet de serre. Ce projet a deux objectifs principaux ; le premier est d'étudier expérimentalement le comportement d'une pâte de carbone à température ambiante soumise à des charges de compactage afin d'identifier l'effet des paramètres de chargement (taux de déformation et niveau de contrainte) sur sa densification. Le second objectif est de développer une loi constitutive capable de prédire la variation de densité de la pâte de carbone tout au long des essais de compactage cycliques. La thèse débute par deux études expérimentales du comportement d'une pâte de carbone à température ambiante soumise à différents types de chargement de compactage. Tous les essais ont été réalisés en utilisant le même dispositif expérimental qui consiste en un moule à paroi mince monté sur une presse hydraulique. La pâte de carbone étant considérée comme un matériau viscoélastique dans les travaux de modélisation trouvés dans la littérature, la première étude expérimentale a commencé par une série d'essais de relaxation. Chaque essai était effectué à une densité imposée différente. La densité souhaitée pendant la relaxation a été obtenue par un précompactage monotone des échantillons. Les résultats de ces essais ont montré un comportement fortement dépendant du temps de la pâte de carbone pendant la relaxation, avec une réduction de cette dépendance pour des densités imposées plus élevées. Sur la base de ces derniers résultats, la dépendance du comportement de la pâte de carbone en fonction du temps pendant le compactage monotone a été étudiée par une série d'essais de compactage monotone avec différents taux de déplacement allant de 1 mm/s à 100 mm/s. Les résultats ont montré que lorsque le taux de déplacement est inférieur à 5 mm/s, il n'a aucun effet sur le comportement de la pâte de carbone pendant le compactage. Par contre, les échantillons qui ont été compactés avec des taux de déplacement plus élevés (50 mm/s et 100 mm/s) ont montré une capacité de densification plus faible que les échantillons compactés avec des taux de déplacement plus faibles, sachant qu'ils ont tous été soumis au même niveau de contrainte maximale. Ensuite, le comportement de la pâte de carbone soumise à des essais de compactage cyclique a été étudié. Plus précisément, l'effet de l'amplitude maximale de déplacement a été déterminé en effectuant une série de tests de compactage cyclique avec des amplitudes maximales de déplacement allant de 0,25 mm à 2 mm. Les résultats de ces tests ont révélé que la contrainte maximale requise pour atteindre la densité cible est plus faible lorsque l'amplitude de déplacement est plus faible. De plus, un comportement de durcissement des échantillons a été observé dès le début de chaque cycle et passe à un comportement de ramollissement lorsque la densité de l'échantillon pendant le cycle en cours atteint une valeur égale à la densité maximale enregistrée lors du cycle précédent. La première étude expérimentale a été terminée par une série de tests de vibrocompactage avec une amplitude de contrainte maximale constante de 1 MPa, chaque test étant effectué à une fréquence différente allant de 0,1 Hz à 7 Hz. Ces tests ont mis en évidence l'effet de la fréquence, montrant que plus la fréquence augmente, plus il faut de cycles pour atteindre la densité cible. En outre, des tests de rigidité effectués sur les échantillons qui ont été vibrocompactés pour atteindre la densité cible ont montré qu'ils avaient tous la même rigidité finale, quelle que soit la fréquence utilisée pendant le vibrocompactage. Pour étudier l'effet de l'amplitude de contrainte maximale, de la vitesse de déformation et du niveau de déchargement sur le comportement de la pâte de carbone soumise à des chargements cycliques, une deuxième étude expérimentale a été réalisée. Cette deuxième étude a commencé par une série d'essais de compactage cyclique, chaque essai étant effectué à une amplitude de contrainte maximale différente allant de 0,5 MPa à 1,5 MPa. Chaque essai avec une contrainte maximale définie a été effectué trois fois à différents taux de déplacement (1 mm/s, 5 mm/s et 10 mm/s). L'effet de la contrainte maximale et de la vitesse de déplacement sur la forme de l'hystérésis contrainte-déformation et sur l'évolution de la déformation permanente en fonction du nombre de cycles a été examiné. Les résultats ont montré que le taux de déplacement n'avait aucun effet sur la forme de l'hystérésis contrainte-déformation ni sur l'évolution de la déformation permanente en fonction du numéro du cycle. D'autre part, en observant la pente de la courbe contrainte-déformation, on a constaté que deux échantillons de même densité et soumis à des contraintes maximales différentes pendant le compactage n'ont pas la même rigidité. Une rigidité plus faible est trouvée pour les échantillons compactés avec des contraintes plus élevées. En ce qui concerne l’effet du numéro du cycle sur la rigidité de la pâte de carbone, les échantillons qui ont été compactés avec des contraintes maximales différentes et soumis au même nombre de cycles, ont la même rigidité (c'est-à-dire la pente des courbes de contrainte-déformation) malgré le fait qu'ils ont chacun une densité différente. Une deuxième série d'essais de compactage a été réalisée pour examiner l'effet du niveau de déchargement sur le comportement de la pâte de carbone lors d'essais de compactage cyclique. Pour cela, deux séries d'essais cycliques ont été réalisées, les essais de chaque série ayant la même amplitude de contrainte maximale (série 1 : MPa, série 2 : 1,5 MPa), mais des contraintes minimales différentes allant de 0,1 MPa à 0,5 MPa. La comparaison des résultats des essais réalisés avec la même contrainte maximale a montré que les essais avec une amplitude de contrainte minimale plus faible présentaient une déformation permanente plus importante en fonction du nombre de cycles. Enfin, une étude numérique basée sur les résultats des études expérimentales 1 et 2 a été réalisée. Une loi constitutive basée sur la théorie de la plasticité endochronique couplée à l’élasticité non linéaire a été choisie pour représenter le comportement indépendant du temps de la pâte de carbone soumise à une compaction cyclique. Des modifications ont été appliquées à la théorie originale endochronique pour prendre en compte le changement majeur de la densité de la pâte de carbone qui conduit à des changements significatifs dans les propriétés élastiques de la pâte et sa capacité à subir des déformations permanentes pendant la compaction cyclique. Ensuite, les paramètres de la loi constitutive développée ont été identifiés à partir des résultats de la deuxième étude expérimentale. Des simulations numériques d'essais cycliques avec plusieurs niveaux de contrainte maximale ont été réalisées. Un bon accord entre les résultats expérimentaux et numériques a été montré, ce qui confirme la capacité de la théorie endochronique à prédire l'évolution de la densité de la pâte de carbone pendant le chargement cyclique. / In the Hall-Héroult process, carbon products such as carbon anodes and ramming paste are essential components of the electrolysis process. They are produced in massive quantities along a production line, of which the shaping process is one of the essential steps that influence the final quality of these products. Well compacted carbon products are required to increase the efficiency of the electrolysis process, to decrease carbon overconsumption, to increase electrical efficiency, and to decrease greenhouse gas emissions. This project has two main objectives, the first is to investigate experimentally the behaviour of a room-temperature carbon paste subjected to compaction loadings in order to identify the effect of loading parameters (strain rate and stress level) on its densification. The second objective is to develop a constitutive behaviour law that is able to predict the density variation of the carbon paste throughout cyclic compaction tests. The thesis starts with two experimental studies of the behaviour of a room-temperature carbon paste subjected to different compaction loadings. All the tests were carried out using the same experimental set-up which consists of a thin-walled mould mounted on a hydraulic press. As carbon paste is considered a viscoelastic material in the modelling works found in the literature, the first experimental study started with a series of relaxation tests, each test being performed at a different imposed density. The desired density during relaxation was obtained by monotone pre-compaction of the paste. The results of these tests showed a highly timedependent behaviour of the carbon paste during relaxation, with a reduction in this dependence at higher imposed densities. Driven by these latter results, the dependence of the carbon paste behaviour on time during monotone compaction was investigated by a series of monotone compaction tests with different displacement rates ranging from 1mm/s to 100 mm/s. The results showed that when the displacement rate is less than 5 mm/s, it has no effect on the behaviour of the carbon paste during the compaction. On the other hand, the samples that were compacted with higher displacement rates (50 mm/s and 100 mm/s) showed a lower capacity of densification than the samples compacted with lower displacement rates, even though they were all subjected to the same level of maximum stress. Afterwards, the behaviour of the carbon paste subjected to cyclic compaction tests was studied. Specifically, the effect of the maximum displacement amplitude was determined by performing a series of cyclic compaction tests with maximum displacement amplitudes ranging from 0.25 mm to 2 mm. The results of these tests revealed that the maximum stress required to achieve the target density is lower when the displacement amplitude is lower. Furthermore, a hardening behaviour of the samples was observed from the start of each cycle which changes to a softening behaviour when the sample density during the current cycle reaches a value equal to the maximum density recorded in the previous cycle. The first experimental study was completed with a series of vibro-compaction tests with a constant maximum stress amplitude of 1 MPa, with each test performed at a different frequency ranging from 0.1 Hz to 7 Hz. These tests have highlighted the effect of frequency, showing that as frequency increases more cycles are required to reach the target density. In addition, stiffness tests carried out on samples that were vibro-compacted to reach the target density have shown that they all have the same final stiffness regardless of the frequency used during vibro-compaction. To study the effect of the maximum stress amplitude, the strain rate, and the unloading level on the behaviour of the carbon paste subjected to cyclic loadings a second experimental study was done. The second experimental study started by a series of cyclic compaction tests with each test performed at a different maximum stress amplitude ranging from 0.5 MPa to 1.5 MPa. Each test with a definite maximum stress was performed three times at different displacement rates (1 mm/s, 5 mm/s, and 10 mm/s). The effect of the maximum stress and the displacement rate on the shape of the stress-strain hysteresis and on the evolution of the permanent deformation in function of the cycle number were examined. The results showed that the displacement rate had no effect on the shape of the stress-strain hysteresis nor on the evolution of the permanent deformation as a function of the number of cycles. On the other hand, by observing the slope of the stress-strain curve, it was found that two samples with the same density and subjected to different maximum stresses during compaction do not have the same stiffness, as lower stiffness is found for the samples compacted with higher stresses. Furthermore, samples that have been compacted with different maximum stresses but have been subjected to the same number of cycles have the same stiffness (i.e., slope of stress-strain curves) despite the fact that they each have a different density. A second series of compaction tests was carried out to examine the effect of the level of unloading on the behaviour of the carbon paste under cyclic compaction tests. To this end, two series of cyclic tests were carried out, with the tests in each series having the same maximum stress amplitude (series 1: MPa, series 2: 1.5 MPa) but different minimum stresses ranging from 0.1 MPa to 0.5 MPa. Comparison of the results of the tests carried out with the same maximum stress showed that the tests with a lower minimum stress amplitude showed a higher permanent deformation as a function of the number of cycles. Finally, a numerical study based on the results of experimental studies 1 and 2 was done. A constitutive behaviour law based on the endochronic plasticity theory coupled with non-linear elasticity was chosen to represent the time-independent behaviour of carbon paste subjected to cyclic compaction. Modifications have been applied to the original endochronic theory to take into account the major change in the density of the carbon paste which leads to significant changes in the elastic properties of the paste and its ability to undergo permanent deformations during cyclic compaction. Afterwards, the parameters of the developed constitutive law were identified from the results of the second experimental study and numerical simulations of cyclic tests with several levels of maximum stress were made. A good agreement between the experimental and numerical results was shown which confirms the ability of the endochronic theory to predict the evolution of carbon paste density during cyclic loading.

Dans le procédé Hall-Héroult, les produits carbonés tels que les anodes de carbone et la pâte à brasquer sont des composants essentiels du processus d'électrolyse. Ils sont produits en quantités massives le long d'une chaîne de production, dont le processus de mise en forme est l'une des étapes essentielles qui influencent la qualité finale de ces produits. Des produits de carbone bien compactés sont nécessaires pour augmenter l'efficacité du procédé d'électrolyse, diminuer la surconsommation de carbone, augmenter le rendement électrique et diminuer les émissions de gaz à effet de serre. Ce projet a deux objectifs principaux ; le premier est d'étudier expérimentalement le comportement d'une pâte de carbone à température ambiante soumise à des charges de compactage afin d'identifier l'effet des paramètres de chargement (taux de déformation et niveau de contrainte) sur sa densification. Le second objectif est de développer une loi constitutive capable de prédire la variation de densité de la pâte de carbone tout au long des essais de compactage cycliques. La thèse débute par deux études expérimentales du comportement d'une pâte de carbone à température ambiante soumise à différents types de chargement de compactage. Tous les essais ont été réalisés en utilisant le même dispositif expérimental qui consiste en un moule à paroi mince monté sur une presse hydraulique. La pâte de carbone étant considérée comme un matériau viscoélastique dans les travaux de modélisation trouvés dans la littérature, la première étude expérimentale a commencé par une série d'essais de relaxation. Chaque essai était effectué à une densité imposée différente. La densité souhaitée pendant la relaxation a été obtenue par un précompactage monotone des échantillons. Les résultats de ces essais ont montré un comportement fortement dépendant du temps de la pâte de carbone pendant la relaxation, avec une réduction de cette dépendance pour des densités imposées plus élevées. Sur la base de ces derniers résultats, la dépendance du comportement de la pâte de carbone en fonction du temps pendant le compactage monotone a été étudiée par une série d'essais de compactage monotone avec différents taux de déplacement allant de 1 mm/s à 100 mm/s. Les résultats ont montré que lorsque le taux de déplacement est inférieur à 5 mm/s, il n'a aucun effet sur le comportement de la pâte de carbone pendant le compactage. Par contre, les échantillons qui ont été compactés avec des taux de déplacement plus élevés (50 mm/s et 100 mm/s) ont montré une capacité de densification plus faible que les échantillons compactés avec des taux de déplacement plus faibles, sachant qu'ils ont tous été soumis au même niveau de contrainte maximale. Ensuite, le comportement de la pâte de carbone soumise à des essais de compactage cyclique a été étudié. Plus précisément, l'effet de l'amplitude maximale de déplacement a été déterminé en effectuant une série de tests de compactage cyclique avec des amplitudes maximales de déplacement allant de 0,25 mm à 2 mm. Les résultats de ces tests ont révélé que la contrainte maximale requise pour atteindre la densité cible est plus faible lorsque l'amplitude de déplacement est plus faible. De plus, un comportement de durcissement des échantillons a été observé dès le début de chaque cycle et passe à un comportement de ramollissement lorsque la densité de l'échantillon pendant le cycle en cours atteint une valeur égale à la densité maximale enregistrée lors du cycle précédent. La première étude expérimentale a été terminée par une série de tests de vibrocompactage avec une amplitude de contrainte maximale constante de 1 MPa, chaque test étant effectué à une fréquence différente allant de 0,1 Hz à 7 Hz. Ces tests ont mis en évidence l'effet de la fréquence, montrant que plus la fréquence augmente, plus il faut de cycles pour atteindre la densité cible. En outre, des tests de rigidité effectués sur les échantillons qui ont été vibrocompactés pour atteindre la densité cible ont montré qu'ils avaient tous la même rigidité finale, quelle que soit la fréquence utilisée pendant le vibrocompactage. Pour étudier l'effet de l'amplitude de contrainte maximale, de la vitesse de déformation et du niveau de déchargement sur le comportement de la pâte de carbone soumise à des chargements cycliques, une deuxième étude expérimentale a été réalisée. Cette deuxième étude a commencé par une série d'essais de compactage cyclique, chaque essai étant effectué à une amplitude de contrainte maximale différente allant de 0,5 MPa à 1,5 MPa. Chaque essai avec une contrainte maximale définie a été effectué trois fois à différents taux de déplacement (1 mm/s, 5 mm/s et 10 mm/s). L'effet de la contrainte maximale et de la vitesse de déplacement sur la forme de l'hystérésis contrainte-déformation et sur l'évolution de la déformation permanente en fonction du nombre de cycles a été examiné. Les résultats ont montré que le taux de déplacement n'avait aucun effet sur la forme de l'hystérésis contrainte-déformation ni sur l'évolution de la déformation permanente en fonction du numéro du cycle. D'autre part, en observant la pente de la courbe contrainte-déformation, on a constaté que deux échantillons de même densité et soumis à des contraintes maximales différentes pendant le compactage n'ont pas la même rigidité. Une rigidité plus faible est trouvée pour les échantillons compactés avec des contraintes plus élevées. En ce qui concerne l'effet du numéro du cycle sur la rigidité de la pâte de carbone, les échantillons qui ont été compactés avec des contraintes maximales différentes et soumis au même nombre de cycles, ont la même rigidité (c'est-à-dire la pente des courbes de contrainte-déformation) malgré le fait qu'ils ont chacun une densité différente. Une deuxième série d'essais de compactage a été réalisée pour examiner l'effet du niveau de déchargement sur le comportement de la pâte de carbone lors d'essais de compactage cyclique. Pour cela, deux séries d'essais cycliques ont été réalisées, les essais de chaque série ayant la même amplitude de contrainte maximale (série 1 : MPa, série 2 : 1,5 MPa), mais des contraintes minimales différentes allant de 0,1 MPa à 0,5 MPa. La comparaison des résultats des essais réalisés avec la même contrainte maximale a montré que les essais avec une amplitude de contrainte minimale plus faible présentaient une déformation permanente plus importante en fonction du nombre de cycles. Enfin, une étude numérique basée sur les résultats des études expérimentales 1 et 2 a été réalisée. Une loi constitutive basée sur la théorie de la plasticité endochronique couplée à l'élasticité non linéaire a été choisie pour représenter le comportement indépendant du temps de la pâte de carbone soumise à une compaction cyclique. Des modifications ont été appliquées à la théorie originale endochronique pour prendre en compte le changement majeur de la densité de la pâte de carbone qui conduit à des changements significatifs dans les propriétés élastiques de la pâte et sa capacité à subir des déformations permanentes pendant la compaction cyclique. Ensuite, les paramètres de la loi constitutive développée ont été identifiés à partir des résultats de la deuxième étude expérimentale. Des simulations numériques d'essais cycliques avec plusieurs niveaux de contrainte maximale ont été réalisées. Un bon accord entre les résultats expérimentaux et numériques a été montré, ce qui confirme la capacité de la théorie endochronique à prédire l'évolution de la densité de la pâte de carbone pendant le chargement cyclique. / In the Hall-Héroult process, carbon products such as carbon anodes and ramming paste are essential components of the electrolysis process. They are produced in massive quantities along a production line, of which the shaping process is one of the essential steps that influence the final quality of these products. Well compacted carbon products are required to increase the efficiency of the electrolysis process, to decrease carbon overconsumption, to increase electrical efficiency, and to decrease greenhouse gas emissions. This project has two main objectives, the first is to investigate experimentally the behaviour of a room-temperature carbon paste subjected to compaction loadings in order to identify the effect of loading parameters (strain rate and stress level) on its densification. The second objective is to develop a constitutive behaviour law that is able to predict the density variation of the carbon paste throughout cyclic compaction tests. The thesis starts with two experimental studies of the behaviour of a room-temperature carbon paste subjected to different compaction loadings. All the tests were carried out using the same experimental set-up which consists of a thin-walled mould mounted on a hydraulic press. As carbon paste is considered a viscoelastic material in the modelling works found in the literature, the first experimental study started with a series of relaxation tests, each test being performed at a different imposed density. The desired density during relaxation was obtained by monotone pre-compaction of the paste. The results of these tests showed a highly time-dependent behaviour of the carbon paste during relaxation, with a reduction in this dependence at higher imposed densities. Driven by these latter results, the dependence of the carbon paste behaviour on time during monotone compaction was investigated by a series of monotone compaction tests with different displacement rates ranging from 1 mm/s to 100 mm/s. The results showed that when the displacement rate is less than 5 mm/s, it has no effect on the behaviour of the carbon paste during the compaction. On the other hand, the samples that were compacted with higher displacement rates (50 mm/s and 100 mm/s) showed a lower capacity of densification than the samples compacted with lower displacement rates, even though they were all subjected to the same level of maximum stress. Afterwards, the behaviour of the carbon paste subjected to cyclic compaction tests was studied. Specifically, the effect of the maximum displacement amplitude was determined by performing a series of cyclic compaction tests with maximum displacement amplitudes ranging from 0.25 mm to 2 mm. The results of these tests revealed that the maximum stress required to achieve the target density is lower when the displacement amplitude is lower. Furthermore, a hardening behaviour of the samples was observed from the start of each cycle which changes to a softening behaviour when the sample density during the current cycle reaches a value equal to the maximum density recorded in the previous cycle. The first experimental study was completed with a series of vibro-compaction tests with a constant maximum stress amplitude of 1 MPa, with each test performed at a different frequency ranging from 0.1 Hz to 7 Hz. These tests have highlighted the effect of frequency, showing that as frequency increases more cycles are required to reach the target density. In addition, stiffness tests carried out on samples that were vibro-compacted to reach the target density have shown that they all have the same final stiffness regardless of the frequency used during vibro-compaction. To study the effect of the maximum stress amplitude, the strain rate, and the unloading level on the behaviour of the carbon paste subjected to cyclic loadings a second experimental study was done. The second experimental study started by a series of cyclic compaction tests with each test performed at a different maximum stress amplitude ranging from 0.5 MPa to 1.5 MPa. Each test with a definite maximum stress was performed three times at different displacement rates (1 mm/s, 5 mm/s, and 10 mm/s). The effect of the maximum stress and the displacement rate on the shape of the stress-strain hysteresis and on the evolution of the permanent deformation in function of the cycle number were examined. The results showed that the displacement rate had no effect on the shape of the stress-strain hysteresis nor on the evolution of the permanent deformation as a function of the number of cycles. On the other hand, by observing the slope of the stress-strain curve, it was found that two samples with the same density and subjected to different maximum stresses during compaction do not have the same stiffness, as lower stiffness is found for the samples compacted with higher stresses. Furthermore, samples that have been compacted with different maximum stresses but have been subjected to the same number of cycles have the same stiffness (i.e., slope of stress-strain curves) despite the fact that they each have a different density. A second series of compaction tests was carried out to examine the effect of the level of unloading on the behaviour of the carbon paste under cyclic compaction tests. To this end, two series of cyclic tests were carried out, with the tests in each series having the same maximum stress amplitude (series 1: MPa, series 2: 1.5 MPa) but different minimum stresses ranging from 0.1 MPa to 0.5 MPa. Comparison of the results of the tests carried out with the same maximum stress showed that the tests with a lower minimum stress amplitude showed a higher permanent deformation as a function of the number of cycles. Finally, a numerical study based on the results of experimental studies 1 and 2 was done. A constitutive behaviour law based on the endochronic plasticity theory coupled with non-linear elasticity was chosen to represent the time-independent behaviour of carbon paste subjected to cyclic compaction. Modifications have been applied to the original endochronic theory to take into account the major change in the density of the carbon paste which leads to significant changes in the elastic properties of the paste and its ability to undergo permanent deformations during cyclic compaction. Afterwards, the parameters of the developed constitutive law were identified from the results of the second experimental study and numerical simulations of cyclic tests with several levels of maximum stress were made. A good agreement between the experimental and numerical results was shown which confirms the ability of the endochronic theory to predict the evolution of carbon paste density during cyclic loading.

L'utilisation accrue de l'aluminium structural au cours des dernières décennies s'explique par ses nombreux avantages, tels que son excellente résistance par rapport à son poids, sa résistance à la corrosion et ses bénéfices environnementaux. Dû à son coup initial élevé, l'optimisation des méthodes de conception est essentielle pour exploiter pleinement ces propriétés. Cependant, les normes actuelles utilisent des approches simplifiées pour prédire la résistance des éléments en aluminium, qui ne sont pas optimisées pour tenir compte des effets de l'écrouissage, des instabilités, des propriétés réduites dans la zone affectée thermiquement et des formes extrudées souvent complexes. Ce mémoire présente le développement d'une méthode alternative de dimensionnement des sections ouvertes en aluminium, basée sur l'Overall Interaction Concept (O.I.C.). Cette approche de conception innovante est basée sur l'interaction entre résistance et stabilité, tout en considérant les imperfections géométriques et matérielles. De plus, elle permet d'obtenir des résultats précis et cohérents par l'utilisation de courbes de flambement continues. Un modèle numérique d'éléments finis a été développé pour prédire avec précision la résistance en section des éléments en aluminium. Son efficacité a été validée en comparant les résultats à ceux de tests expérimentaux. Des études paramétriques approfondies ont ensuite été menées, permettant d'étudier l'impact de diverses géométries, d'alliages et de cas de charge sur la résistance. Avec les résultats de plus de 4500 simulations numériques non linéaires, des propositions de calculs de type O.I.C. ont été formulées pour la résistance locale des sections d'aluminium extrudées et soudées en forme de "I". La performance des propositions a été évaluée en la comparant d'abord aux résultats numériques, puis aux prévisions de résistance des normes de conception d'aluminium canadienne, européenne et américaine. Les comparaisons ont prouvé que la méthode de conception de l'O.I.C. mène à des résultats beaucoup plus précis que les normes actuelles, tout en étant plus simple et plus efficace. / The increased use of structural aluminium in the last decades can be explained by the many advantages of this material, such as its great strength-to-weight ratio, resistance to corrosion, and environmental benefits. Due to its high initial cost, optimization of design methods is essential to fully benefit of these properties. However, current standards use simplified approaches to predict the resistance of aluminium elements, that are not optimized to account for the effects of strain hardening, instabilities, heat reduced properties and often complex extruded shapes. This thesis presents the investigations conducted for the development of an alternative design method for aluminium open cross-sections, based on the Overall Interaction Concept (O.I.C.). This innovative design approach relies on the interaction between resistance and stability, and also allows to consider geometrical and material imperfections. Moreover, it allows to obtain precise and consistent results by the use of continuous buckling curves. A numerical finite element model was developed to accurately predict the cross-sectional resistance of aluminium elements. Its efficiency was validated by comparing the results to available experimental test data. Extensive parametric studies were then conducted, allowing to study the impact of various geometries, alloys, and load cases on the resistance. Using the results from more than 4500 nonlinear numerical simulations, O.I.C.-type design proposals were formulated for the local resistance of extruded and welded aluminium sections of "I" shape. The performance of the proposals was evaluated by first comparing it to the numerical results, then to the resistance predictions from the Canadian, European, and American aluminium design standards. The comparisons showed that the O.I.C. design proposal leads to much more accurate results than the current standards, while still being simpler and more efficient.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles. / L'un des défis majeurs de la simulation numérique de la résistance au crash des structures composites aéronautiques est de pouvoir prédire les endommagements, leur initiation, leur évolution au cours de l'écrasement, et l'énergie absorbée, à partir d'un nombre limité de propriétés matériaux. Le but de la thèse est d'améliorer la compréhension des mécanismes élémentaires impliqués dans l'écrasement des composites à renforts tissés taffetas (plain weave PW) fabriqués en ou hors autoclave à base d'Époxyde et de fibres de carbone et de développer un modèle numérique performant. Ce rapport présente une investigation numérique et expérimentale effectuée au sein du département de Génie Mécanique à l'Université Laval dans le cadre du projet CRIAQ Comp-410 "Impact Modeling of Composite Aircraft Structures" en collaboration avec l'Université de Waterloo, Bombardier Aerospace, Bell Helicopter, le conseil national de recherche du Canada et DRDC-Valcartier. L'objectif principal est de développer des méthodes de simulations numériques prédictives pour différentes vitesses de crash des composites tissés. La démarche consiste en deux grandes étapes, une étude du crash en quasi statique et une autre étude dynamique pour voir l'effet du taux d'endommagement. Des simulations numériques avec des modèles de comportements existants dans les codes commerciaux éléments finis ont été effectuées afin de déceler les avantages et les inconvénients de chaque modèle, ensuite, un nouveau modèle 3D est développé pour tenir compte principalement, du délaminage, de la fragmentation, des bandes de pliage, de l'inélasticité et de l'endommagement. En parallèle, un plan expérimental est mis en œuvre pour la validation des différents modèles numériques et pour faire une étude paramétrique des différents paramètres influents, tels que, la forme des sections des éprouvettes, les initiateurs de crash, l'effet de l'échelle des éprouvettes et les séquences d'empilement. La mise en œuvre d'un modèle mathématique performant pour prédire le comportement mécanique des structures composites soumises au crash est une lourde tâche avec de multiples paramètres de matériaux et mécanismes de déformation à prendre en considération. Cette thèse peut être considérée comme une nouvelle contribution à l'avancement de la compréhension du processus d'endommagement lors du crash des matériaux composites. Le nouveau code numérique éléments finis développé a été validés expérimentalement et une étude de sensibilité des paramètres a été effectuée pour mesurer l'effet et le degré d'influence de chaque paramètre sur la précision de la solution finale. / One of the major challenges of the numerical simulation of the crashworthiness of aeronautical composite structures is to be able to predict damages, their initiation, and evolution during crash, and energy absorbed, from limited material properties. The goal is to improve the understanding of the elementary mechanisms involved during crush of plain weave (PW) fabric CFRP composites made in or out of autoclave to develop a powerful numerical model. This report presents a numerical and experimental investigation carried out within the Department of Mechanical Engineering at Université Laval as part of the CRIAQ Comp-410 project "Impact Modeling of Composite Aircraft Structures" in collaboration with the University of Waterloo, Bombardier Aerospace, Bell Helicopter, National Research Council of Canada and DRDC-Valcartier. The main objective is to develop predictive numerical simulation methods for different crash scenario of woven composites. The approach consists of two main steps, a quasi-static crash study and another dynamic study to see the effect of the strain rate. Numerical simulations with existing material models implemented in finite elements commercial codes were carried out in order to detect the advantages and the disadvantages of each model, then, a new 3D material model is developed to take account, mainly, of delamination, fragmentation, kink-bands, inelasticity and damage. In parallel, an experimental plan is implemented for the validation of the different numerical models and to make a parametric study of the different parameters, such as, the section shapes of the specimens, the triggers, the effect of scale and layup of the specimens. The implementation of a powerful mathematical model to predict the mechanical behavior of composite structures subjected to crash is a heavy task with multiple material parameters and deformation mechanisms to consider. This thesis can be considered as a new contribution to the advancement of the understanding of the process of damage during the crash of composite materials. The new developed material model developed has been validated experimentally and a parameter sensitivity study is performed to measure the effect and degree of influence of each parameter on the accuracy of the final solution.

On expose ici deux méthodes de déformation de globules rouges. La première méthode constituée de deux faisceaux laser contre propageant non focalisés est appelée « optical stretcher ». On y décrit les forces et stress appliqués à la cellule pour ensuite déterminer la déformation. La comparaison des résultats théoriques avec les expériences réalisées a permis de déterminer l’élasticité membranaire à (20±2)μNm-1. Une méthode originale n’utilisant aucun système d’imagerie et permettant de mesurer la déformation de la cellule déformée en utilisant le couplage résiduel dans les fibres optique est mathématiquement expliquée et les résultats théoriques utilisés pour étudier la faisabilité d’une telle expérience. La seconde méthode appelée « oscillating tweezer » est constituée d’une trappe optique à forte ouverture numérique où un modulateur acousto-optique permet de changer discrètement la position du foyer de la trappe avec une fréquence ajustable. A basse fréquence, la cellule se dandine de gauche à droite, mais à plus haute fréquence, la cellule se déforme. On expliquera donc l’origine de la déformation causée par la distribution de la force. Une théorie approximative est présentée pour calculer la déformation. Encore une fois, une comparaison avec les expériences réalisées a été effectuée. L’élasticité membranaire pour des globules rouges humains a pu être mesurée entre 20uNm-1 et 29uNm-1 et autour de 11uNm-1 pour des globules rouges de souris. / Two methods for deforming red blood cell (RBC) are studied. The first method is made of a non focalised dual beam counter-propagating optical stretcher. The stress and forces applied to the cell are described and analysed to compute the resulting deformation. The comparison with experimental result is made and allows to determinate the elasticity of human RBC at (20±2)μNm-1. An original method using no imaging system and allowing to measure the cells deformation by using the fiber-to-fiber coupling is mathematically explained and used to study the feasibility of such an experiment. The other method called oscillating tweezers is built from a high numerical aperture optical tweezers where an acousto-optic modulator allows to discretely changing the focal position at a given frequency. At low frequency, the cell moves from left to right, however at higher frequency, the RBC deform. The origin of the deformation is explained by calculating an approximate stress distribution. Here again, we compare the results with the experimental work. The value of elasticity found for human RBC is between 20uNm-1 and 29uNm-1 and around 11uNm-1 for mice RBC.

Le retrait du béton ne peut généralement se manifester librement et puisqu’il existe de multiples éléments de restriction dans les ouvrages neufs et réparés, les efforts induits peuvent conduire à la fissuration du béton. Les conséquences de la fissuration due au retrait restreint des ouvrages en béton sont multiples, telles qu’une détérioration précoce par la migration facilitée des agents agressifs et une augmentation des coûts de maintenance. Un moyen de mitiger la fissuration due au retrait gêné est d’utiliser des liants ou agents expansifs afin de fabriquer des bétons à retrait compensé (BRC). De nouvelles méthodes de caractérisation volumétrique des bétons à retrait compensé ont été développées. Une procédure d’essai annulaire inspirée d’une procédure normalisée de retrait restreint (AASHTO T334) a été mise au point. Au lieu d’avoir un anneau restrictif gênant au cœur la contraction d’une éprouvette annulaire en béton, l’anneau restrictif est externe afin de restreindre exclusivement le gonflement des bétons expansifs. Deux méthodes d’essai de retrait libre complémentaires ont de plus été développées. Trois types d’agents expansifs ont été étudiés, à différents dosages: un à base de sulfoaluminate de calcium (type K), un deuxième à base de CaO (type G) et un dernier à base de MgO (appelé type MgO). Certaines formulations ont intégré un adjuvant réducteur de retrait (ARR). Les mélanges de bétons ont été préparés à deux rapports E/L, 0,40 et 0,50. Les résultats obtenus montrent que l’essai annulaire d’expansion gênée permet de bien capturer l’évolution du comportement volumétrique des bétons à retrait compensé en phase d’expansion et de retrait, jusqu’à l’obtention d’un bilan déformationnel nul. À partir des résultats obtenus, il a été observé que le comportement volumétrique des BRC en phase de mûrissement et de séchage est influencé par le dosage et le type d’agent expansif, de même que par le rapport E/L. / Shrinkage of concrete cannot usually occur freely, and because there are multiple sources of restraint in both new and repaired infrastructures, stresses are induced and can eventually lead to cracking. The consequences of concrete cracking due to restrained shrinkage are potentially harmful, notably by facilitating the migration of aggressive agents. One way to mitigate cracking due to restrained shrinkage is the use of expansive binders or components in order to make shrinkage compensating concretes. New methods for characterizing the volumetric behaviour of shrinkage compensating concretes have been developed. A testing method inspired of an existing restrained shrinkage ring test procedure (AASHTO T334) has been developed. Instead of having an inner ring restraining the shrinkage of a concrete annulus, the restrictive ring is external, thus restraining the swelling of the expansive material. Moreover, two complementary free shrinkage testing methods have been developed. Three expansive systems have been studied, at different rates of addition: a calcium sulfoaluminate-based expansive system, a CaO-based expansive system, and a MgO-based expansive system. Some formulations have integrated a shrinkage reducing agent. The mixtures were prepared for two w/cm values, 0.40 and 0.50. The experimental data show that the expansion restraint ring test can capture adequately the volumetric behaviour of ShCC’s in the expansive and shrinkage phases, up to the point of “zero net strain”. From the test results, it could be concluded that the volumetric behaviour of ShCC’s in both the curing and drying phases is influenced by the dosage and type of expansive component, as well as the w/cm value.

Titre de l'écran-titre (visionné le 8 août 2023) / Les anodes de carbone sont des composants essentiels du procédé Hall-Héroult utilisé dans l'industrie de l'aluminium primaire. La mise en forme des anodes par compactage ou vibrocompactage a un impact significatif sur leur qualité et leurs différentes propriétés. La présence de gradients de densité dans les anodes peut causer leur surconsommation dans les cuves d'électrolyse et réduire leur performance. Ce projet vise à étudier le comportement thermomécanique de la pâte d'anode lors de sa mise en forme, à modéliser ce comportement et à examiner l'effet de la géométrie du moule sur la distribution de la densité dans l'anode. L'effet de la température de la pâte d'anode sur son comportement mécanique lors de la compaction a été étudié expérimentalement. Dans ce contexte, des essais de compaction monotones et des essais de friction ont été menés à des températures situées entre 130 °C et 170 °C. Les résultats ont révélé les effets importants de la température sur le comportement non linéaire de la pâte et ont également permis de déterminer les coefficients de friction statique et dynamique de l'interface pâte/acier. Une loi de comportement thermoviscoplastique non linéaire a été développée afin de modéliser le comportement de la pâte d'anode lors de sa compaction. Cette loi est basée sur un cadre thermodynamique, la théorie des grandes déformations et le concept de configuration naturelle. Les paramètres de la loi évoluent durant la compaction en fonction de la densité et de la température. Ils ont été identifiés à l'aide d'une procédure d'identification inverse. La loi de comportement a été implémentée dans le logiciel de simulation par éléments finis Abaqus à travers une sous-routine VUMAT, destinée à l'analyse dynamique explicite. Les simulations par éléments finis portant sur la mise en forme par compaction de géométries complexes ont été en mesure de prédire avec une bonne précision les profils de densité mesurés par tomodensitométrie. L'effet de la température ainsi que de différentes caractéristiques géométriques, telles que des arêtes chanfreinées et arrondies, des tourillons et des rainures de différentes dimensions, ont été étudié à l'aide de simulations par éléments finis. Dans cette optique, de petites anodes ont été compactées par éléments finis afin de déterminer si les paramètres susmentionnés peuvent améliorer l'uniformité de la densité. Par la suite, des simulations par éléments finis ont été réalisées sur une anode industrielle et différentes modifications de la géométrie du moule ont été proposées. Les résultats de ces simulations suggèrent que la réduction de la taille des rainures et la modification de leur géométrie pourraient améliorer de façon significative l'uniformité de la densité des anodes industrielles. / Carbon anodes are essential components of the Hall-Héroult process used in the primary aluminium industry. The anode forming process by compaction or vibrocompaction has a significant impact on their quality and properties. The presence of density gradients in the anode can cause carbon overconsumption in the electrolysis cells and negatively affect their performance. This project aims to study the thermomechanical behavior of the anode paste during compaction, to model this behavior and to examine the effect of the mold geometry on the density distribution in the anode. The effect of the anode paste temperature on its mechanical behavior during compaction was studied experimentally. In this context, monotonic compaction tests and friction tests were conducted at temperatures between 130 °C and 170 °C. The results revealed the significant effect of temperature on the nonlinear behavior of the paste and also allowed the determination of the static and kinetic friction coefficients of the paste/steel interface. A nonlinear thermo-viscoplastic constitutive law was developed to model the behavior of the anode paste during compaction and is based on a thermodynamic framework, the finite strain theory and the concept of natural configuration. The constitutive law's material parameters evolve during compaction as a function of density and temperature and were identified using an inverse identification procedure. The constitutive law was implemented in the finite element simulation software Abaqus through a VUMAT subroutine, intended for explicit dynamic analysis. The finite element simulations of the compaction of complex geometries were able to predict with good accuracy the density profiles measured by X-ray computed tomography. The effect of temperature as well as of different geometrical features, such as chamfered and rounded edges, stub holes and slots of different dimensions, was investigated using finite element analysis. To this end, small anodes were compacted through finite element simulations to determine if the aforementioned parameters can improve the density uniformity. Additional finite element simulations were performed on an industrial anode and different modifications to the mold geometry were proposed. The results of these simulations show that reducing the size of the slots and modifying their geometry could improve the density uniformity of industrial anodes.

Les bâtiments en acier de faible hauteur (BAFH) constituent une partie importante des constructions non résidentielles au Canada. Ces bâtiments ont la particularité d'avoir une toiture relativement flexible dans son plan comparativement aux bâtiments en béton où la rigidité est très élevée. La majorité des études sur les BAFH ont été publiées depuis 1994 suite au tremblement de terre de Northridge en Californie. Au Canada, la conception des structures doit respecter les exigences du Code National du Bâtiment du Canada (CNBC) dans lequel sont inscrites les exigences sur les charges sismiques, entre autres. Pour déterminer ces charges, il faut connaître la période de vibration du bâtiment. Le CNBC présente donc des formules empiriques pour déterminer cette période. Celles-ci ont cependant été dérivées pour des bâtiments multiétagés et ne s'appliquent pas pour les BAFH. L'objectif principal de ce mémoire est de mieux comprendre le comportement dynamique des BAFH. Pour ce faire, douze essais sous vibrations ambiantes ont été menés sur onze bâtiments afin de créer une base de données expérimentale. À partir de cette base de données, 24 équations permettant de prédire la période de vibrations sont présentées. De ses équations, six sont retenues et une est suggérée pour remplacer celle du CNBC. Le CNBC permet, pour la conception, d'utiliser la période obtenue à l'aide d'un logiciel d'éléments finis. Ce mémoire compare donc celles-ci à celles obtenues par les essais in situ et celles fournies par le CNBC. De plus, différentes hypothèses de modélisation sont vérifiées par une étude paramétrique. Les résultats montrent que la rigidité du modèle étant plus faible que le bâtiment réel, la période est toujours plus faible. Ceci fait en sorte que les efforts calculés sont aussi plus faible et donc du coté non-sécuritaire. C'est pourquoi il est conseillé de ne jamais utiliser la période obtenue par éléments finis pour le dimensionnement des BAFH.

L'enfouissement des déchets dans des lieux d'enfouissement techniques (LET), qui est encore - malheureusement - le mode de gestion des matières résiduelles le plus répandu, engendre la dégradation anaérobie de la fraction organique des déchets, générant ainsi du biogaz. Ce gaz est principalement composé de deux gaz à effet de serre, soit le méthane (CH[indice inférieur 4], environ 60% v/v) et le dioxyde de carbone (CO[indice inférieur 2], environ 40% v/v). Au Québec, la législation impose aux exploitants de LET de recouvrir leurs cellules d'enfouissement et de récupérer le biogaz généré par la dégradation des déchets. Par contre, ces mesures ne sont pas efficaces à 100% et du biogaz peut s'échapper à l'atmosphère sous forme d'émission fugitive. Pour tenter de remédier à la situation, l'implantation de biorecouvrements d'oxydation passive du méthane (BOPM) constitue une solution techniquement faisable et économiquement rentable. L'avantage des BOPM par rapport aux recouvrements traditionnels réside dans l'oxydation biotique du CH[indice inférieur 4] en CO[indice inférieur 2] par des bactéries méthanotrophes qui se développent naturellement dans le sol, en présence d'oxygène (O[indice inférieur 2]), de CH[indice inférieur 4] et de nutriments. Depuis 2006, 5 BOPM expérimentaux ont été mis en place, instrumentés et suivi sur le site d'enfouissement de Saint-Nicéphore, Québec, Canada. Le présent projet de maîtrise s'est concentré surtout sur les deux derniers BOPM construits, soit les BOPM 4 et 5. Par contre, j'ai participé à plusieurs activités de suivi des autres parcelles (BOPM1B, 2 et 3B), activités qui ne sont pas présentées dans le cadre de ce mémoire. Les BOPM 4 et 5 ont été mis en place en 2009. On y a employé uniquement des matériaux disponibles directement sur la propriété de l'exploitant et partenaire dans le présent projet de recherche, Waste Management (WM Québec inc.). Dans le cadre de ce projet, une évaluation du potentiel d'oxydation des BOPM 4 et 5 a été réalisée, incluant la caractérisation géotechnique des matériaux candidats. L'évaluation du potentiel d'oxydation a été réalisée en laboratoire par des essais d'oxydation et de respiration en colonne. Les taux d'oxydation maximums obtenus en laboratoire ont varié entre 24 et 192 g CH[indice inférieur 4]/mCH[indice supérieur 2*]j. Lors de la réalisation des essais d'oxydation en colonne, une plusieurs configurations potentielles de BOPM ont été étudiées. Deux conclusions partielles ont pu en être tirées concernant l'influence du niveau de compaction et de la hauteur du substrat. Au cours des essais d'oxydation en colonne, on a observé que l'accélération de la charge de biogaz causait une perte rapide de l'efficacité d'oxydation. Deux «méthodes» de récupération de l'efficacité d'oxydation ont alors été testées et ont fait leur preuve, soit le maintien du taux d'alimentation en CH[indice inférieur 4] jusqu'à ce que l'efficacité d'oxydation redevienne égale à 100% (méthode 1) et la diminution du taux d'alimentation en CH[indice inférieur 4] jusqu'à ce que l'efficacité d'oxydation remonte à 100% (méthode 2, à appliquer lorsque la méthode 1 ne semble pas fonctionner). De plus, une nouvelle méthodologie a été développée pour la réalisation des essais de respiration en colonne. Suite à l'évaluation citée précédemment et à des études de modélisation numérique sur le comportement hydraulique (écoulements non saturés) faits par d'autres membres de l'équipe de recherche, les deux parcelles (BOPM 4 et 5) ont été construites (2009) et instrumentées (2010).