La production à grande échelle de l'aluminium passe inévitablement par le procédé de Hall-Héroult et requiert un vaste champ d'expertises pour être mis en œuvre. Les aspects mécanique, thermique, chimique, électrique, magnétique de même que la mécanique des fluides sont tous présents dans une cuve d'électrolyse, qui comporte une multitude de matériaux: carbone, bétons réfractaires, métaux, alumine, etc. Afin de demeurer compétitives face à la concurrence, les alumineries se doivent de réduire les coûts de production qui passe nécessairement par l'optimisation des cuves d'électrolyse, demandant ainsi une compréhension approfondie du procédé et des matériaux utilisés, dont les matériaux carbonés. Les matériaux carbonés utilisés dans les cuves, plus spécifiquement dans le revêtement de celles-ci, sont des matériaux granulaires et poreux qui sont composés d'agrégats de graphite liés par du brai de goudron cokefié. Le comportement mécanique de ces matériaux a déjà été le sujet de quelques études jusqu'à maintenant. Or, aucune ne s'est réellement attaquée au comportement à long terme de ces matériaux qui plus est, dans un cadre tridimensionnel. Afin de complémenter les connaissances et les modèles déjà existants, cette thèse présente la caractérisation de comportement viscoélastique tridimensionnel à long terme des matériaux carbonés et le développement d'un modèle tridimensionnel constitutif, utilisable dans un code d'éléments finis, basé sur la thermodynamique des processus irréversibles combinée à la rhéologie des matériaux. Basé sur des observations expérimentales, le modèle rhéologique choisi consiste en un nombre indéterminé, a priori, d'éléments de Kelvin-Voigt placés en série. Originalement unidimensionnel, le modèle rhéologique est étendu au cas tridimensionnel en posant différentes hypothèses. La détermination des paramètres du modèle est essentiellement basée sur des essais de fluage en compression uniaxiale réalisés à la température ambiante. Des évolutions de paramètres permettant de prendre en considération la cuisson d'un matériau carboné de même que des variations de températures sont ensuite proposées. Aussi, tirés des connaissances du vaste domaine que sont les graphites, des mécanismes de fluage sont proposés. L'implémentation numérique du modèle viscoélastique a été réalisée avec le code éléments finis FESh++. Le comportement viscoélastique a également intégré à d'autres lois déjà existantes afin de les complémenter. Ainsi, une loi de comportement thermo-chimiovisco-élasto-plastique avec prise en compte de l'adoucissement et du durcissement est maintenant disponible pour les matériaux cathodiques de carbone. Des simulations sont présentées pour illustrer l'influence de la prise en compte du comportement viscoélastique sur différents matériaux, tels que les blocs cathodiques de carbone et la pâte à brasquer. / The large scale aluminium production is done through the Hall-Héroult electrolysis process, which requires a wide array of expertise for a proper achievement. The mechanical, thermal, chemical, electrical, magnetic and the fluid mechanic aspects are all present at the same time in the electrolysis cell, which is built with many different materials: carbon, refractory concrete, metals, alumina, etc. In order to stay competitive, aluminium producers must lower their production cost. This can only be achieved by optimising the cells, which requires a better knowledge of the process and of the materials used in the cell fabrication, including the carbon cathode materials. The carbon materials used in the cells, more specifically in the lining, arc porous materials composed of graphitic aggregates mixed up with a coal tar pitch binder. The mechanical behaviors of these materials have already been the subject of few studies up to now. However, no one has addressed the long term behavior, even less in a three dimensional context. To perfect the knowledge and the existing models, this thesis presents the characterization of the long term three-dimensional visco-elastic behavior of the carbon cathode materials and the three-dimensional constitutive model development based on the on the materials rheology and the thermodynamic of irreversible processes. The model is also suitable in a finite elements code. From experimental observations, the chosen rheological model is built up with a series of undetermined, a priori, number of Kelvin-Voigt elements. Originally one-dimensional, the rheological model has been extended to the three-dimensional case through few hypotheses. Determination of the model parameters is essentially based on uniaxial creep tests at room temperature. The evolution of these parameters in function of the temperature and the baking are also proposed. Moreover, creep mechanisms arc advised based on the knowledge of the wide array that are the graphitic materials. The numerical implementation of the visco-elastic model has been done in the finite elements code FESh++. The visco-elastic behavior has also been added to others constitutive laws in order to perfect them. Therefore, a constitutive thermo-chemo-visco-elasto-plastic law, which also takes into account the hardening and the softening, is now available for the carbon lining materials. Simulations are also presented to show the influence of the visco-elasticity on the cathode carbon material and on the ramming paste.

Ce travail porte sur la thématique du fluage des conducteurs des lignes électriques aériennes. L’objectif général de ce projet de recherche est d’étudier l’effet de la température sur le fluage des conducteurs. L’approche présentée permet de prédire le fluage des conducteurs en fonction de celui des brins constitutifs. Un banc d’essai du fluage des fils d’aluminium a été conçu et validé avec des essais préliminaires de 100 heures. Le protocole de mise en charge ainsi que l’instrumentation pour la mesure de l’allongement ont été particulièrement étudiés lors des essais préliminaires. Ensuite, le fluage des brins d’aluminium soumis à contraintes variant de 30 à 106 MPa et des températures de 21 et 38 °C a été évalué avec des tests de 1000 heures. L’approche a été validée en comparant les résultats obtenus à des résultats expérimentaux publiés dans la littérature. On peut conclure qu’avec quelques équations analytiques simples, il est possible de prédire le comportement d’un conducteur complet à partir des résultats d’essais sur brins.

An extensive experimental/research program has taken place at the University of Sherbrooke FRP Durability Facility. The program, consisting of four phases, studies the creep performance of FRP bars as well as the overall long-term behaviour of FRP reinforced concrete beams. Phase 1 deals with the creep performance of two types of GFRP bars subjected to different levels of sustained axial load; causing creep rupture at higher levels. In Phase 2, six different types of GFRP bars are tested under two levels of allowable service load, according to the currently available North American standards. The test duration, for the two phases, exceeded 10000 hours (417 days) wherein regular monitoring' of creep strain evolution took place and. the creep coefficient of GFRP bars was calculated. Residual tensile tests and microstructural analysis followed the long-term testing period. It was found that 45 % of the GFRP bars' tensile strength, fu,ave , is a safe limit for GFRP exhibiting sustained load, in standard laboratory conditions. Microstructural analysis shows that the increase in creep strain, after the 10000 hour period, is negligible for GFRP bars under allowable service load. Phase 3 consists of twenty reinforced concrete beams (ten pairs) comprising GFRP, CFRP, and steel reinforcing bars. The dimensions of which are 100 mm x 150 mm x 1800 mm, installed under third-point sustained load, for a period exceeding one year. Exhibiting a maximum applied moment of 25 % of their nominal moment capacity, Mn , all beams were regularly monitored in terms of (i) time-dependent deflection, (ii) strain increase in concrete and reinforcement and (iii) crack widths. Theoretical predictions for immediate deflection were calculated, using three methods (ACI 440.1R-06, CAN/CSA S806-02 and the ISIS Canda Design Manual (2007)), and compared to the obtained experimental results. Results showed that the calculations, regarding immediate deflection, under estimate by 67 %; underestimate by 10 %; overestimate by 11 %, for the aforementioned methods, respectively. The long-term to immediate deflection ratio, .l, was calculated for all beams and compared to ACI 440.1R-06 and CAN/CSA S806-02 predictions. Results showed that the North American standards are conservative as regards long-term deflection prediction. Immediate crack width results were compared to the prediction equations adopted by ACI 440.1R-06 and CAN/CSA S6-06, on the one hand, and by the ISIS Canada Design Manual (2007) on the other hand. Satisfactory results were found when the k b bond-coefficient factor is taken as 1.2 and 1.0, respectively. From the obtained data, the time-dependent kt multiplier, accounting for crack width increase after one year, was deduced as 1.7 and 1.5 for both models, respectively. Phase 4 deals with four full-scale GFRP reinforced concrete beams, of dimensions (215 mm x 400 mm x 4282 mm), subjected to uniform distributed load for a period of six months. Sizeable concrete blocks (of dimensions 610 mm x 762 mm x 1219 mm and weight = 13334 kN) were arranged on top of the beams to simulate sustained uniform distributed load. The main study parameters, of this phase, are (i) bottom reinforcement ratio and (ii) type of upper/compression reinforcement (GFRP and/or steel). The applied moment ranges from 15 to 21 % of the nominal moment capacity for the beams. Numerical modelling took place using a computer program (Fortran-2003) based on the age-adjusted effective modulus method, to predict the long-term deflection of the beams. The creep and shrinkage coefficients were calculated based on the ACI Committee 209 recommendations (1992) and CEB-FIP Model Code (1990). The theoretical curves were in very good agreement with the measured values. Furthermore, the empirical models available in ACI 440.1R-06 and CAN/CSA S806-02 were used for long-term deflection prediction. These predictions showed that both models can serve as upper bound and lower bound limits for the measured long-term deflection curves, respectively. As regards crack width prediction, the equations adopted by ACI 440.1R-06 (same as that of CAN/CSA S6-06) and by the ISIS Canada Design Manual (2007) yield satisfactory results when the kb bond-coefficient factor is 1.2 and 1.0 respectively (similar to phase 3). For both equations the time-dependent kt multiplier is deduced as 1.4, after six months.--Résumé abrégé par UMI.

Dans l'industrie nucléaire, les composants en alliages de zirconium (Zr) sont utilisés comme éléments de structure dans les assemblages combustibles. La fabrication de ces éléments, leur utilisation en Réacteur à Eau Pressurisée (REP) et leur stockage avant retraitement induisent, entre autres, des sollicitations thermo-mécaniques complexes. Ce travail, grâce à une approche expérimentale multi-échelles, propose de mieux préciser les mécanismes de déformation qui sont à considérer. Pour cela, nous avons mené, sur des échantillons prélevés sur des composants en alliage de Zr destinés à être utilisés en REP, des essais mécaniques (fluage, traction, relaxation) et, d'autre part, des caractérisations microstructurales. Des essais de fluage multiaxial ont ainsi permis de mettre en évidence une anisotropie de comportement, dont l'origine physique a été montrée au moyen d'analyses en diffraction des électrons rétrodiffusés (EBSD) et d'observations en Microscopie Electronique en Transmission (MET). Par une démarche similaire, nous avons aussi identifié la nature des mécanismes accommodant la déformation à l'échelle du grain et à celle du polycristal. Ainsi, les incompatibilités de déformation intergranulaires et les cinétiques d'écoulement viscoplastiques identifiées expérimentalement s'expliquent par l'intervention de processus de traînage d'espèces en solutions par les dislocations, ainsi que l'activation locale de vieillissement dynamique. Enfin, nous avons esquissé des pistes pour l'utilisation de ces résultats dans des modélisations numériques. / In the nuclear industry, zirconium (Zr) based alloys are used as core structural materials in Pressurized Water Reactors (PWRs). The manufacturing of those components, and their environment during or after their use in PWRs induce complex thermo-mechanical loadings. This work, through a multi-scale experimental approach, proposes to focus on the deformation mechanisms that occur during those loadings. Using samples taken from Zr alloy components, we carried out different mechanicals tests (creep tests, tensile tests, relaxation tests) and microstructural characterizations. Results of multiaxial creep tests were correlated to Transmission Electron Microscope (TEM) observations and Electron BackScattered Diffraction (EBSD) analyses. Therefore, the macroscopic creep anisotropy was related to the physical mechanisms observed at the dislocation scale and during mesoscopic measurements. Our conclusions also show that the viscoplastic properties obtained experimentally match a control of dislocation mobility by solute species dragging processes. Further, the intergranular strain incompatibilities that we observed could be explained by local activations of dynamic strain ageing mechanisms. Finally, we used our results to suggest improvements on physically-based modelling techniques.

Les objectifs de la thèse sont d'étudier expérimentalement et d'effectuer des simulations numériques du comportement différé du béton. La principale application concerne la prédiction du comportement des enceintes de confinement de centrales nucléaires (REP) dans le cas des épreuves décennales et accidentelles. Afin de répondre à ces besoins industriels, il est nécessaire de caractériser le comportement du béton en traction uniaxiale. Ainsi, une importante étude expérimentale du fluage en traction sur des bétons âgés de 90 jours, chargés pendant trois jours (durée des épreuves décennales) a été menée pour différents niveaux de contrainte (50 à 90 % de la résistance). Plusieurs essais ont été réalisés : mesure des propriétés élastiques, des résistances en compression et en traction directe, suivi du séchage, du retrait, du fluage propre et du fluage de dessiccation en traction directe. Des essais en compression ont permis de mettre en évidence une différence importante entre le fluage en compression et en traction. De plus, une diminution de la résistance en traction après les essais en dessiccation a été observée, ainsi qu'une rupture prématurée pour des niveaux de chargement importants lors du fluage en traction. Un modèle numérique a été proposé et développé dans le code de calcul aux éléments finis Cast3m.

Le contexte industriel de ces travaux de recherche est lié à l'étude de la durabilité des parois internes des centrales nucléaires à double paroi dont le rôle premier est le confinement des vapeurs toxiques en cas d'accident sur le réseau de refroidissement. Le premier verrou scientifique est donc la connaissance de la relation entre les propriétés de transferts du matériau et son état de fissuration. Le deuxième verrou est relatif à l'état de contrainte permanent élevé (pas ou peu de charge d'exploitation pour une enceinte), par rapport aux charges à rupture, qui entraîne un important fluage. Or, le fluage a des conséquences sur les propriétés à rupture du matériau béton.<br /><br />L'exposé se décompose en deux parties, l'une relative à la relation état de fissuration - endommagement et l'autre aux conséquences du fluage sur les propriétés à rupture du béton.<br />Dans la première partie, l'analyse des résultats expérimentaux, sur un cylindre en compression sur lequel la perméabilité radiale a été mesurée, montre que la perméabilité décroît, jusqu'à une déformation de moitié celle au pic de force, par refermeture des microfissures préexistantes dans le matériau, puis elle augmente fortement jusqu'après le pic par création, connexion et ouverture de fissure, et enfin, elle croît moins rapidement jusqu'à la rupture car seule l'ouverture des macrofissures augmente. Dans le but de simuler ces phénomènes, nous présentons deux méthodes originales, en phase de post-traitement, pour estimer les fuites à partir d'un calcul mécanique basé sur les éléments finis. La première méthode permet de calculer la perméabilité à partir du champ d'endommagement et d'une relation entre la perméabilité et l'endommagement qui raccorde de manière pseudo-asymptotique la loi de Poiseuille à une loi empiriques identifiées pour les faibles endommagements. La deuxième méthode s'appuie sur le champ des déformations, à partir duquel sont calculées la position et l'ouverture de la fissure. La relation de Poiseuille sera alors appliquée le long de la fissure pour estimer les taux de fuite.<br />La relation entre le fluage du béton et ses caractéristiques mécaniques est analysée dans la deuxième partie. En effet, un béton est formulé pour répondre à un cahier des charges (durabilité), mais il est un matériau “vivant” dont les propriétés, notamment mécaniques, évoluent avec le temps et l'histoire du chargement qui lui est appliqué. Nous nous intéressons donc particulièrement aux conséquences du fluage sur les propriétés mécaniques à long terme. Après une revue des résultats expérimentaux qui montre essentiellement une fragilisation du matériau après fluage, nous proposons une analyse qualitative par l'étude des bifurcations, puis par une méthode numérique discrète, pour retrouver la même influence de la viscoélasticité sur la fragilité à rupture qu'observée expérimentalement. Finalement, les premiers résultats de l'analyse quantitative par une approche aux éléments finis utilisant un modèle couplé original sont présentés.<br />P.S. : Toutes ces approches nécessitent une représentation précise du comportement mécanique du béton. Dans la grande majorité des cas, la fissuration du matériau s'amorce d'un bord libre. Ceci rend très critique les conditions limites qui sont appliquées aux milieux régularisés pour éviter la localisation de l'endommagement. Une approche basée sur des considérations micromécaniques a été récemment développée pour tenir compte des effets de bord dans les approches non locales.

Cette étude est consacrée au comportement transitoire des cavités salines profondes. Dans la littérature, les auteurs se sont surtout intéressés au calcul du comportement des cavités salines sous chargement constant ou cyclique et à l'analyse du comportement d'éprouvettes de laboratoire en régime transitoire. Dans cette étude, on s'intéresse aux conséquences de ce dernier pour le comportement des cavités salines. Ainsi, on montre qu'une cavité est un système complexe, siège d'évolutions mécanique, thermique, chimique et hydraulique. L'importance des évolutions transitoires, notamment le rôle du fluage inverse dans l'interprétation de l'essai d'étanchéité dans une cavité saline, est mis en évidence. On caractérise le fluage par une formulation de la loi de c! omportement qui présente l'avantage, d'un point de vue pratique, de ne comporter qu'un nombre réduit de paramètres tout en rendant compte de l'essentiel de ce qui est observé en place. On discute l'apparition de la rupture en traction effective dans une cavité saline soumise à un accroissement rapide de la pression. On développe également un modèle adapté au comportement à très long terme (après abandon). Là aussi un grand nombre de phénomènes, plus ou moins couplés, interviennent, alors que la littérature existante n'en prenait en général en compte que quelques uns, ce qui pouvait conduire à une interprétation inexacte des résultats d'essais d'abandon effectués in situ.

Le béton est un matériau hétérogène complexe dont les déformations comportent une partie différée qui est affectée par un grand nombre de facteurs tels que la température, l'humidité relative et l'évolution de la microstructure. La prise en compte des déformations différées et en particulier du fluage est indispensable dans le calcul des ouvrages en béton tels que ceux destinés à stocker des déchets radioactifs. Ce travail de thèse a pour objectifs : (1) de développer un modèle de fluage simple et robuste pour le béton en faisant appel à la micromécanique et en tenant compte de l'endommagement et des effets thermiques et hydriques ; (2) d'implanter numériquement le modèle développé dans un code de calcul par éléments finis de façon à pouvoir simuler le comportement d'éléments de structure simples en béton. Pour atteindre ce double objectif, le travail est scindé en trois parties. Dans la première partie, le matériau cimentaire est à l'échelle microscopique supposé être constitué d'une matrice viscoélastique linéaire caractérisée par un modèle de Maxwell généralisé et de phases particulaires représentant les granulats élastiques et les pores. Le schéma micromécanique de Mori-Tanaka, la transformée de Laplace-Carson et son inversion sont alors utilisés pour obtenir dans l'espace temporel des estimations analytiques ou numériques de ses paramètres mécaniques et hydromécaniques. Ensuite, le modèle micromécanique de fluage obtenu est couplé au modèle d'endommagement de Mazars via le concept de pseudo-déformations introduit par Schapery. Les paramètres intervenant dans le modèle viscoélastique endommageable ainsi établi sont systématiquement identifiés à l'aide de données expérimentales. Enfin, la prise en compte des effets de la température et de l'humidité relative dans le modèle viscoélastique endommageable est basée sur la méthode du temps équivalent ; l'efficacité de cette approche est démontrée et discutée dans le cas de chargements simples de fluage

L'industrie des réparations en béton a pris un essor considérable ces dix dernières années. Un nombre important d'ouvrages du génie civil nécessitent des réparations afin de maintenir leur état de service. Les techniques et les matériaux pour les réparations sont toutefois mal compris ou mal appréhendés.<br />Cette thèse a pour objectif d'étudier le comportement des réparations structurales en béton sous l'effet couplé d'un chargement hydrique et mécanique. La thèse est divisée en trois parties principales. Nous étudions tout d'abord les différents mécanismes physiques agissant dans les réparations. Dans la seconde partie, nous effectuons une étude expérimentale sur des structures<br />réparées. Enfin, dans la dernière partie, nous proposons un modèle numérique permettant d'analyser et de prévoir le comportement des réparations.<br />Plusieurs études récentes ont montré que le retrait de séchage a un effet préjudiciable pour les réparations en béton et peut mener à de sévères problèmes de durabilité. Le fluage en traction peut à l'inverse avoir un rôle positif en permettant de relaxer les contraintes.<br />Dans l'étude expérimentale, nous étudions le comportement de poutres en béton armé, de quatre mètres de longueur, réparées dans la partie tendue. L'étude théorique et numérique, basée sur des modèles phénoménologiques, permet d'analyser un plus grand nombre de paramètres. L'outil numérique donne des résultats en accord avec les données expérimentales. Ces études montrent l'importance du retrait de séchage. Il apparaît que plus le séchage est élevé, plus la couche réparée fissure. Ce comportement est modéré par le fluage qui permet de ralentir, voire d'éviter la fissuration. Les essais de conditionnement réunissant séchage et chargement mécanique<br />indiquent qu'il apparaît une fissuration différée non négligeable par rapport à la fissuration due au chargement mécanique. Cette fissuration est significativement affectée par le retrait et le<br />fluage. Dans ce dernier cas, une augmentation du fluage tend à accentuer la fissuration. Vis à vis d'un chargement mécanique jusqu'à rupture, les éléments réparés ont un comportement similaire<br />à celui des éléments sains.<br />L'étude expérimentale a ainsi permis de compléter les banques de données sur les réparations en béton. L'outil numérique développé dans cette thèse peut permettre d'étudier des réparations plus complexes (géométrie, conditions limites, ...).

Th. doct.--Solides, struct. et syst. méc.--Paris 6, 1998. / Bibliogr. p. 116-122. Résumé en anglais et en français.