Os compósitos reforçados com fibras naturais são uma opção frente a fibrocimentos com amianto, devido à grande disponibilidade de fibras naturais como as de coco, sisal além das fibras de celulose. Aspectos relacionados com a durabilidade precisam ser melhorados, podendo ser citado a diminuição da resistência das fibras quando em meio alcalino causando a perda de propriedades mecânicas dos compósitos. Uma alternativa a esse problema é o uso de pozolana que irá consumir o hidróxido de cálcio proveniente da hidratação do cimento Portland, resultando em fases hidratadas como o C-S-H e aluminatos de cálcio, contribuindo assim, para a redução da alcalinidade e para o aumento da resistência mecânica. A metodologia adotada consistiu da análise do efeito de ciclos de molhagem e secagem quanto à formação de produtos da hidratação do cimento e da reação pozolânica a partir de formulações de cimento, filler dolomito, pozolana (metacaulim ou sílica ativa) e fibras de PVA (polivinil álcool) e celulose. As pozolanas empregadas foram efetivas no consumo de hidróxido de cálcio, porém não se constatou grandes ganhos mecânicos devido à degradação da matriz, observada em 250 ciclos, causada pela formação de hidróxido de magnésio com caráter expansivo. As hipóteses para a causa da formação de brucita consistem da reação de desdolomitização do filler dolomito ou da hidratação do periclásio que compõe o cimento Portland. / Composites reinforced with natural fibers are a good asbestos fibercomposites replacement material, as a result of the great natural fiber avaibility such as coco nut, sisal and cellulose. Durability aspects need to be improved, like the decrease of fiber resistance in alkaline environment causing the loss of mechanical properties of the composites. An alternative way to solve this problem is using pozzolan. It will react with calcium hydroxide formed by Portland cement hydration and will provide hydration phases as C-S-H and calcium aluminate hydrated, which contributes for the alkaline reduction and in an increase of mechanical performance. The methodology analyzes the effect of wet/dry cycles in composites among the hydration of cement and pozzolanic reaction in composite formulation made with cement, dolomite filler, pozzolan (metakaolin or silica fume) and PVA and cellulose fibers. The pozzolans used in this study consumed almost calcium hydroxide, although low mechanical properties were found. The matrix degradation with expansive brucite formation is explained with two hypotheses: dedolomitization reaction from dolomite filler or periclase hydration from Portland cement observed from 250 cycles.

Cette thèse traite de la simulation numérique de systèmes composés de nombreuxobjets distincts, et dont le principal mécanisme d'interaction consiste en des contacts inélastiques avec frottement solide.On trouve de nombreuses occurrences de tels systèmes dans la nature,par exemple sous la forme de sable ou d'une chevelure humaine ;aussi la reproduction numérique de leur dynamique trouve des applications diverses, allant de considérations géotechniques à la production d'effets spéciaux réalistes pour le cinéma.Une difficulté majeure pour la simulation de tels systèmes concerne la non-régularité de leur dynamique ; à une échelle de temps macroscopique, on observe par exemple des sauts dans les vitesses des constituants lors d'impacts.La première partie de ce manuscrit est ainsi dédiée à la conception d'algorithmes efficaces permettant de prendre en compte les contacts avec frottement de Coulomblors de la simulation de systèmes mécaniques discrets. La méthode que nous proposons, basée sur un algorithme de type Gauss--Seidel avec stratégie hybride, s'avèrerobuste et perfomante sur le problème délicat de la simulation virtuelle de chevelures.La second partie de ce manuscrit est consacrée à l'étude de systèmes à une échelle beaucoup plus grande, au delà du million de grains. Puisque le calcul de toutes les forces de contacts pour chaque paire de grains s'avérerait trop coûteux, on adopte un point de vue macroscopique en utilisant le formalisme des milieux continus. On propose ainsi d'adapter les méthodes développées pour la simulation de systèmes discrets à la résolution de la rhéologie dite de Drucker--Prager, une relation entre la contrainte et le cisaillement du matériau exprimant l'influence moyennée des forces de frottement.On montre que cette approche nous permet de retrouver le comportement qualitatif de matériaux granulaires secs observé expérimentalement.Finalement, nous proposons un nouveau modèle numérique pour l'étudedes dynamiques couplées d'un matériau granulaire immergé dans un fluide Newtonien,et montrons une nouvelle fois que les algorithmes développés pour la mécanique discrètes'avèrent également pertinents dans le cas continu. / This dissertation focuses on the numerical simulation of mechanical systems consisting of a large number of discrete pieces interacting with each other through contacts and dry friction. Examples of such systems --- for instance, sand or human hair --- are common in natural environments; being able to predict their dynamics is therefore of great importance for diverse applications ranging from geotechnical considerations to engaging visual effects for feature films.A major difficulty that complicates the numerical simulation of such complex systems stems from the nonsmoothness of their dynamics. For instance, from a macroscopic viewpoint, the velocity of the individual constituents may exhibit instantaneous jumps when impacts occur.The first part of this manuscript will be dedicated to the establishment of efficient algorithms for the numerical simulation of discrete mechanical systems subject to contacts and Coulomb friction. We advocate using a Gauss--Seidel algorithm with a hybrid local solver, and show that this strategy performs robustly in the challenging context of virtual hair simulation.The second part of this dissertation will focus on much bigger systems, consisting of millions or billions of grains.As computing every force between pairs of contacting grains quickly becomes intractable, we embrace a continuum viewpoint instead. We show how the numerical methods devised for the simulation of discrete mechanical systems can be adapted to thesimulation of flows governed by the Drucker--Prager rheology --- a constitutive relationship between the material's stress and strain rate that macroscopically models the action of frictional contact forces. This approach allows us to capture qualitative features of granular flows that have been observed experimentally. Finally, we propose a new numerical model for the coupled simulation of a granular continuum with a surrounding fluid, and show that once again, we are able to leverage efficient algorithms from discrete contact mechanics to solve the resulting equations.

The concept of mounting a loudspeaker on one end of a sound-absorbing tube has existed since at least 1936. Surprisingly, a detailed mathematical analysis of the configuration has not been performed, nor has a design method been established. This configuration, known as a transmission line loudspeaker, has received little consideration in the reviewed literature. Instead, it has become frequently featured in magazines for audio hobbyists, where it is experimentally designed with rules seemingly derived from hearsay and described with terms of high praise. In this dissertation, an electro-acoustical model of a fiberglass-filled transmission line is presented. This model represents the transmission line as two separate lines -- a mechanical line that models the mechanical motion of the fiberglass and an acoustical line that models the motion of the air. The lines are linked by the flow resistance of the fiberglass. From the model, solutions for the acoustic pressure, acoustical volume velocity of the air, mechanical velocity of the fiberglass fibers, and mechanical force on the fiberglass in the line are obtained. The fiberglass is characterized and empirical formulas that describe its characteristics are found. It is shown that the modeled input impedance to the transmission line is a good fit to measured data. The performance of the system is assessed by comparing it with the performances of typical loudspeaker mountings, i.e., the infinite baffle, the closed box, and the vented box. Finally, an example is shown of how the equations derived from the model can be used to evaluate the design of a transmission line loudspeaker system.

Thesis (M.App.Sc.) - Carleton University, 2007. / Includes bibliographical references (p. 166-174). Also available in electronic format on the Internet.

Os compósitos reforçados com fibras naturais são uma opção frente a fibrocimentos com amianto, devido à grande disponibilidade de fibras naturais como as de coco, sisal além das fibras de celulose. Aspectos relacionados com a durabilidade precisam ser melhorados, podendo ser citado a diminuição da resistência das fibras quando em meio alcalino causando a perda de propriedades mecânicas dos compósitos. Uma alternativa a esse problema é o uso de pozolana que irá consumir o hidróxido de cálcio proveniente da hidratação do cimento Portland, resultando em fases hidratadas como o C-S-H e aluminatos de cálcio, contribuindo assim, para a redução da alcalinidade e para o aumento da resistência mecânica. A metodologia adotada consistiu da análise do efeito de ciclos de molhagem e secagem quanto à formação de produtos da hidratação do cimento e da reação pozolânica a partir de formulações de cimento, filler dolomito, pozolana (metacaulim ou sílica ativa) e fibras de PVA (polivinil álcool) e celulose. As pozolanas empregadas foram efetivas no consumo de hidróxido de cálcio, porém não se constatou grandes ganhos mecânicos devido à degradação da matriz, observada em 250 ciclos, causada pela formação de hidróxido de magnésio com caráter expansivo. As hipóteses para a causa da formação de brucita consistem da reação de desdolomitização do filler dolomito ou da hidratação do periclásio que compõe o cimento Portland. / Composites reinforced with natural fibers are a good asbestos fibercomposites replacement material, as a result of the great natural fiber avaibility such as coco nut, sisal and cellulose. Durability aspects need to be improved, like the decrease of fiber resistance in alkaline environment causing the loss of mechanical properties of the composites. An alternative way to solve this problem is using pozzolan. It will react with calcium hydroxide formed by Portland cement hydration and will provide hydration phases as C-S-H and calcium aluminate hydrated, which contributes for the alkaline reduction and in an increase of mechanical performance. The methodology analyzes the effect of wet/dry cycles in composites among the hydration of cement and pozzolanic reaction in composite formulation made with cement, dolomite filler, pozzolan (metakaolin or silica fume) and PVA and cellulose fibers. The pozzolans used in this study consumed almost calcium hydroxide, although low mechanical properties were found. The matrix degradation with expansive brucite formation is explained with two hypotheses: dedolomitization reaction from dolomite filler or periclase hydration from Portland cement observed from 250 cycles.

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Cette thèse a pour objectif la compréhension des phénomènes de transfert de chaleur parconduction et rayonnement, dans les isolants thermiques fibreux du bâtiment, en vue de leuroptimisation. Nous avons étudié trois matériaux fibreux très différents : la laine de verre(matériau minéral), la ouate polyester (matériau synthétique) et la laine de chanvre (matériauvégétal).Dans un premier temps, les propriétés radiatives ont été identifiées par la méthode inversebasée sur les mesures expérimentales de réflexion et transmission hémisphériques etbidirectionnelles. Des échantillons de laine de verre, d’ouate polyester et de chanvre ont étéétudiés en utilisant un spectromètre FTIR. La méthode inverse permet, par le biais d’unmodèle moindres carrés, de déterminer les propriétés radiatives du matériau fibreux : albédo,épaisseur optique et coefficients de la fonction de phase. La conductivité radiative de chaquematériau est déterminée par l’approximation de Rosseland.Ensuite, concernant les propriétés thermophysiques globales des matériaux, des mesuresfluxmétriques ont été réalisées à l’aide d’un dispositif développé au LGCgE de Béthune. Cesmesures ont été comparées aux résultats d’une modélisation numérique basée sur la résolutiondes équations couplées de transfert radiatif et de l’énergie. / This thesis aims to understand the phenomenon of heat transfer by radiation and conductionof thermal building insulators. Three insulating materials were studied in this work: glasswool (mineral material), the wadding polyester (synthetic material) and wool hemp (plantmaterial).At a first step, the radiative properties have been identified by the inverse method based onexperimental measurements of hemispherical reflectance and transmittance and bidirectional.Samples of glass wool, wadding polyester and wool hemp were studied using an FTIRspectrometer. The inverse method allows, by means of a model least squares, thedetermination of the radiative properties of the medium: albedo, optical thickness andcoefficients of the phase function. The radiative conductivity of each material is determinedby the Rosseland approximation.Then, on global thermophysical properties of materials, heat flux measurements wereperformed using a device developed at LGCgE of Bethune. These measurements werecompared with the results of numerical modeling based on solving the coupled equations ofradiative transfer and energy.

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Résumé : Ce projet de recherche s'inscrit dans une démarche d'éco-conception de matériaux architecturés à fort potentiel acoustique. On s'intéresse en particulier dans ce travail de thèse à la description des phénomènes de dissipation et de propagation des ondes acoustiques dans un milieu fibreux par une approche multi-échelle et multi-physique. Dans cette étude, il s'agit de décrire les propriétés acoustiques du milieu fibreux à partir d'une description de la géométrie à l'échelle locale de milieux fibreux. Le milieu fibreux est constitué de fibres d'asclépiades, qui sont typiquement des fibres végétales adoptant la forme de longs cylindres. Pour traiter ce problème, la méthodologie employée consiste en quatre étapes principales : (i) caractérisation et modélisation de la géométrie du milieu fibreux; (ii) calcul des paramètres de transport et acoustiques du milieu fibreux reconstruit; (iii) validation expérimentale de propriétés de transport et acoustiques; (iv) évaluation des évolutions de propriétés de transport en fonction des paramètres de la géométrie à l'échelle locale de matériau. En particulier, un modèle isotrope spatialement stationnaire de lignes droites (processus de Poisson) et le tenseur d'orientation angulaire correspondant, constituent des outils de modélisation de la géométrie aléatoire du milieu fibreux permettant de représenter les principales caractéristiques susceptibles d'influencer ses propriétés de transport. Il s'agit ensuite de résoudre les principaux problèmes aux limites gouvernant le comportement acoustique à l'échelle supérieure en appliquant une technique classique d'homogénéisation numérique. On montre dans un premier temps que la méthode développée permet de prédire le comportement en absorption d'un milieu fibreux aléatoire en se basant uniquement sur la description des caractéristiques géométriques du matériau fibreux réel (porosité, rayon de fibres, distributions des orientations angulaires) sans coefficient d'ajustement, validations expérimentales à l'appui. Sur la base de ce travail de reconstruction tridimensionnel, on étudie ensuite systématiquement l'ensemble des phénomènes de transport d'intérêt sur une large gamme de porosité et d'orientations angulaires, de manière à produire des lois qui peuvent être appliquées par la suite par d'autres utilisateurs sur une large gamme de milieux fibreux réels. Finalement, on examine plus particulièrement l'hypothèse classique selon laquelle un milieu fibreux peut être décrit à partir de la moyenne arithmétique du diamètre de ses fibres, afin de cerner les limites de cette approche et ses conditions d'applicabilité lorsque le milieu fibreux présente une distribution étendue de diamètres de fibres ou bimodale. / Abstract : This thesis is concerned with in an eco-design approach for architectured porous materials (fibers made) with high acoustic potential. The project particularly focuses on asclepias (vegetal) fibers and on the description of dissipation and propagation phenomena of sound waves using homogellization techniques. One begins with the characterization of the fibrous medium by scanning electron microscope images from horizontal and vertical cross-sections of a slab of porous sample. Three-dimensional unit cells of the fibrous samples under study are reconstructed with an isotropic model of straight lines (Poisson processes) and by making use of the concept of angular orientation tensor from the previously identified microstructure characteristics (porosity, fiber radii, angular orientation distributions). The transports and acoustic properties are obtamed from numerical computations of unit cell problems (Stokes flow, potential flow and heat conduction) with the Finite Element Method. Validations with experimental data based on permeability and impedance tube measurements are proposed and show a good agreement with the predictive models. The dependence of the effective properties with the geometrical characteristics of the porous microstructure is then analyzed on a large range of porosity (0.75 ÷ 0.09) and explicit relations are provided between the effective acoustic coefficients and the microstructural parameters. The last part of this work is dedicated to the determination of acoustic properties of random fibrous media with bi- and poly dispersed fiber distribution radii. The results are compared with a corresponding mono- dispersed fibrous material (with a single effective fiber radius) which show no significant difference with the initial distributions when the effective radius is small enough. The results of this thesis also point out that an equivalent mono-dispersed fibrous material fails to represent accurately the transport properties of a random fibrous structure when the latter one is described by a fiber distribution radii tending towards a log normal distribution.

Cette thèse est consacrée à l'étude du comportement en flexion des renforts textiles et préimprégnés thermoplastiques par des méthodes expérimentales et numériques. Pour préimprégnés thermoplastique, aux températures élevées, la résine est à l'état fondu, et un glissement entre les fibres est possible. En conséquence la rigidité de flexion n'est pas directement liée au module de rigidité de traction dans le plan comme c'est le cas pour les matériaux continus classiques. Par conséquent, il est nécessaire de mesurer sa valeur par l'expérience. Un procédé de test de la rigidité à la flexion a été proposée pour les préimprégnés thermoplastiques. Il est réalisé dans une enceinte thermique. Une caméra CCD a été utilisé pour acquérir le profil de la déformation de flexion à différentes températures élevées en particulier au voisinnage du point de fusion. Le moment de flexion et la courbure ont été calculés le long de la ligne médiane de la profil de la déformation. La pente de la courbe moment-courbure est la rigidité à la flexion. Avec cette méthode, des essais de flexion ont été effectués sur plusieurs préimprégnés thermoplastiques. Pour simuler la déformation de flexion de matériaux fibreux épais, un élément de coque spécifique a été développée. Cet élément est constitué de segments de fibres continues. La rigidité de traction et de flexion de la fibre ont été prise en compte de dans l'énergie de deformation de cet élément. La forme curviligne locale a été construit pour tout segment de fibre a partir des voisins. Il a été utilisé pour caractériser les déformations de traction et de flexion pour le segment de la fibre. Plusieurs tests de simulation de flexion ont été réalisées avec cet élément de coque spécifique et ont été comparés avec les résultats expérimentaux pour montrer l'efficacité de cet élément proposé. Les résultats montrent cet élément de coque spécifique a une bonne capacité à simuler la déformation en flexion des matériaux fibreux épais. / This thesis is devoted to study the bending behaviour of textile reinforcements and thermoplastic prepregs by the experimental and numerical methods. At the high temperature, since the resin is melted, fibers would have the slippage between them, resulting the bending stiffness of thermoplastic prepreg is not directly related to its in-plane tensile modulus as the conventional continuous materials. Consequently, it's necessary to measure its value by the experimental method. A bending stiffness test approach was proposed for thermoplastic prepreg at elevated temperature. It was operated in an environmental chamber and a CCD camera was used to acquire the bending deflection shape. Bending moment and curvature were calculated along the midline of bending deflection shape. The slope of moment-curvature curve is the bending stiffness. With this method, bending tests were conducted for several types of thermoplastic prepregs at a range of high temperatures. In order to simulate the bending deformation of thick fibrous materials, a specific shell element was developed. This element was made of continuous fiber segments. Both the tensile and bending stiffnesses of fibers were taken into account. Local curve was constructed for any fiber segment and its two neighbors, which was used to characterize the tensile and bending deformations of fiber segment. Several bending simulation tests were performed with this specific shell element and were compared with the experimental results to show its efficiency. The results show this specific shell element has good capability to simulate the bending deformation of thick fibrous materials.