Le comportement à long terme des excavations souterraines est un enjeu social et économique majeur, en particulier dans le contexte du stockage en formation géologique profonde de déchets nucléaires à Haute Activité et Vie Longue (HAVL). Plusieurs galeries expérimentales ont été creusées dans le laboratoire de recherche souterrain de Meuse/Haute-Marne situé près de Bure en France, où des études sont menées pour comprendre le comportement global de la roche constitutive : l’argilite du Callovo-Oxfordien (COx).L’objectif de cette thèse est d’effectuer une modélisation avec Code_Aster d’ouvrages souterrains, et en particulier d’une des galeries du laboratoire de Meuse/Haute-Marne, en prenant en compte une approche non locale, l’effet du fluage et le couplage hydromécanique dans le cadre de la mécanique des milieux poreux, et de comparer les résultats numériques avec les données expérimentales disponibles.Le modèle élastoviscoplastique spécifiquement utilisé pour cette étude est le modèle L&K : il offre d’une part un couplage entre le comportement instantané et différé, et prend en compte d’autre part la dilatance, paramètre qui gouverne les déformations volumiques du matériau lors d’une sollicitation, et ses fortes variations, caractéristique essentielle des géomatériaux et en particulier du COx. La présence d’un fluide s’écoulant à travers le matériau va ajouter une composante hydraulique à la modélisation, dont le couplage avec la mécanique est assuré par les équations de Biot. Une autre nouveauté de ce travail concerne le couplage entre ce comportement rhéologique complexe et une approche non locale dans un cadre industriel. Parmi les méthodes de régularisation disponibles dans Code_Aster, la méthode second gradient de dilatation a été choisie parce que bien adaptée aux géomatériaux. Son but est de corriger la dépendance au maillage et les solutions numériques localisées.Une fois les outils numériques opérationnels et les paramètres du modèle L&K calés sur des essais effectués en laboratoire sur des échantillons, un bon accord général a été trouvé entre les résultats numériques et les mesures in situ, sans aucun recalage des paramètres. Les effets du temps observés expérimentalement sur l’évolution des déplacements et des pressions d’eau sont retrouvés au sein d’une même modélisation, validant ainsi la démarche prédictive suivie / The long term behaviour of underground excavations is a social and economic stake, in particular in the context of storage in deep geological formation of high activity and long life nuclear waste. Several experimental galleries have been dug in the underground research laboratory (URL) of Meuse/Haute-Marne located close to Bure in France, where studies are leaded in order to understand the global behaviour of the constitutive rock which is the Callovo-Oxfordian (COx) argillite.The purpose of this PhD Thesis is to establish a modelling with Code_Aster of underground excavations, and especially of a Meuse/Haute-Marne laboratory gallery, taking into account non local approach, creep effect and hydromechanical coupling in the framework of the mechanics of porous media, and then to compare numerical results with available experimental data.The specific elastoviscoplastic model used in this study is the L&K model: it offers a coupling between instantaneous and delayed behaviour, and it takes into account the dilation, parameter which governs the volume strains of the material during a solicitation, and its strong variation, a specificity of geomaterials and so of COx argillite. The fluid flowing through the material adds a hydraulic component to the modelling, which is coupled to mechanic component thanks to Biot’s equations.Another novelty of this work concerns the coupling between such complex rheological behaviour and a non local approach in an industrial way. Among methods of regularization available in Code_Aster, the second gradient of dilation is well fitted to geomaterials. Its aim is to correct mesh dependency and numerical localized solutions.After describing numeric tools and setting parameters of the L&K model on laboratory tests, a good general agreement was found between numeric results and in situ measures, without resetting parameters. Time effects experimentally measured on displacement and pore pressure evolution are observed in the same modelling, validating the followed predictive approach

Les nanostructures, et en particulier les nanofils semi-conducteurs, ont suscité ces dernières années un très grand intérêt pour de nombreuses applications comme les systèmes de récupération d'énergie ou les capteurs de très haute précision. Dans de telles structures des expérimentations et des calculs théoriques ab-initio ont mis en évidence des effets de taille, pouvant modifier significativement les propriétés électromécaniques pour des diamètres de fils en dessous de 10 nm. L'objectif de ce travail de thèse est de proposer des modélisations multi échelle des nanostructures électromécaniques, telles que les nanofils ioniques et des nanocomposites stratifiés, permettant de reproduire les effets de taille associés à l'échelle nanométrique dans un cadre continu, en se basant sur des calculs ab-initio pour identifier et valider les modèles. Dans une première partie, les effets de surface dans des nanofils piézoélectriques isolés homogènes sont modélisés. Une approche multi échelle est développée, incluant une modélisation continue des nanofils en prenant en compte une énergie de surface supplémentaire dans un cadre piézoélectrique, dont les paramètres associés sont identifiés par calculs ab-initio. Pour cela, une procédure basée sur un modèle de films minces est développée, permettant au travers de calculs ab-initio sur des films d'épaisseurs successives d'isoler l'énergie volumique et de surface, et d'en déduire les coefficients élastiques et piézoélectriques de surface. Les équations du modèle continu sont ensuite résolues par une méthode d'éléments finis incluant des éléments de surface adaptés. Le modèle multi échelle continu est comparé à des calculs ab-initio impliquant des modèles atomistiques complets de nanofils de différents diamètres (de 0,6 à 3,9 nm) pour valider les effets de taille des propriétés électromécaniques. Dans une deuxième partie, des modèles multi échelles sont construits en vue de modéliser les effets de taille pour des nanostructures hétérogènes. Ces structures incluent des nanofils revêtus, ou des nanocomposites stratifiés. Pour les nanofils avec hétérogénéités radiales, l'approche précédemment développée est étendue au cas des surfaces revêtues, et le modèle continu fait intervenir une énergie de surface incluant les effets du revêtement. Pour les nanocomposites stratifiés AlN/GaN, les effets de taille observés par calculs ab-initio sont dus à des effets d'interface et induisent des propriétés élastiques dépendantes des épaisseurs des couches. Un modèle de matériau homogénéisé continu est proposé, incluant un modèle d'interface imparfaite, permettant d'inclure les effets de taille, identifié par calculs ab-initio. Dans une dernière partie, des applications à des systèmes de nanogénérateurs à base de nanofils sont proposées, faisant intervenir des ensembles de nanofils alignés dans une matrice polymère et surmontés par une feuille de graphène. Les approches précédemment développées sont utilisées pour modéliser ces structures par éléments finis / Nanostructures, and more specifically semiconductor nanowires, have drawn special attention in recent years for many applications such as energy harvesting systems or sensors of very high precision. Many recent experiments and theoretical ab-initio calculations have evidenced size effects, which can significantly modify the electromechanical properties of nanowires for diameters below 10 nm. The objective of this thesis is to provide multi-scale modeling of electromechanical properties of nanostructures, such as ionic nanowires and laminated nanocomposites, to reproduce the size effects associated with nanoscale in a continuum model, based on ab-initio calculations to identify and validate the models. In a first part, the surface effects in isolated homogeneous piezoelectric nanowires are modeled. A multi-scale approach is developed, including continuous nanowires modeling taking into account an additional surface energy in the piezoelectric laminates where the associated parameters are identified by ab-initio calculations. For this, a procedure based on slabs is developed, allowing through first-principles calculations on successive slabs thicknesses to isolate the surface energy and to deduce the surface elastic and piezoelectric coefficients. The equations of the continuous model are then solved by a finite element method including appropriate surface elements. The continuous multi-scale model is compared with ab-initio calculations involving full atomistic models of nanowires with different diameters (from 0.6 to 3.9 nm) to validate model regarding size effects of electromechanical properties. In the second part, multi-scale models are constructed to describe the size effects for heterogeneous nanostructures. These structures include coated nanowires or laminated nanocomposites. For nanowires with radial heterogeneity, the previously developed approach is extended to the case of coated surfaces, and involves a continuous surface energy incorporating the effects of the coating. For laminated AlN/GaN nanocomposites, size effects observed by ab-initio calculations are caused by the presence of the interfaces and induce size-dependent elastic properties with respect to the layer thickness. A continuum model based on an imperfect interface is proposed to describe the size dependent effective elastic properties of the overall composite, which are identified by ab-initio calculations. In the last part, nanogenerators system based on nanowires are modeled, involving nanowires arrays aligned in polymer substrates with graphene electrode. The previously developed finite element models are used to simulate the electromechanical properties of such systems

Le comportement des roches-réservoirs souterraines est un sujet important pour de nombreuses applications liées à la production d’énergie (extraction d’hydrocarbures, séquestration de CO2, ...). L'une des principales questions posées est celle de l'effet des déformations sur les propriétés de transfert hydraulique de la roche, en particulier en conditions saturées. En effet, la déformation des géomatériaux est rarement homogène en raison de conditions aux limites complexes et de sa tendance intrinsèque à se localiser. Cette non-uniformité spatiale de la déformation produit un champ de perméabilité hétérogène. Cela remet en question la validité (a) des méthodes traditionnelles d'analyse macroscopique et (b) des mesures établies principalement loin des zones de déformation localisée. Ainsi, pour améliorer la caractérisation des géo-matériaux, il est crucial d’avoir des mesures locales de la perméabilité, et de connaître la relation entre la déformation et la perméabilité, qui gouverne leur comportement hydraulique.Cette thèse porte sur l’étude du couplage hydromécanique des roches par tomographie aux neutrons et aux rayons X, ainsi que sur le développement de nouvelles méthodes d'analyse. Même si le recours à l'imagerie par rayons X en géosciences devient de plus en plus accessible, la détection directe des fluides a été très limitée en raison du faible contraste air/eau dans les géomatériaux. Contrairement aux rayons X, les neutrons sont très sensibles à l’hydrogène présent dans l'eau. La radiographie par neutrons permet donc d'obtenir des images où la détection du fluide est bien plus facile. De plus, les neutrons sont sensibles aux isotopes, ce qui veut dire que l’eau lourde et celle normale, qui ont des propriétés physico-chimiques proches, peuvent être distinguées avec une grande précision. Il faut noter que l’imagerie aux neutrons pour les roches est un domaine expérimental qui est essentiellement inexploré, ou limité à des études 2D d'échantillons secs, avec peu ou pas de contrôle sur les conditions aux limites.Dans le cadre de ce travail, nous avons conçu une nouvelle cellule triaxiale, avec un contrôle asservi, pour effectuer des expériences d'écoulement de fluides multiples dans un échantillon de roche saturé et chargé mécaniquement avec acquisition des données neutroniques en 4D. Une autre originalité du projet est l'utilisation d'installations d'imagerie neutroniques à haute performance (CONRAD-2 au Helmholtz Zentrum à Berlin et NeXT à l'Institut Laue-Langevin à Grenoble), profitant de la technologie de pointe et des lignes de faisceaux les plus puissantes du monde. Cela a permis d'acquérir des données à une fréquence optimale pour notre étude.Ce travail présente les résultats de plusieurs campagnes expérimentales couvrant une série de conditions initiales et de conditions aux limites relativement complexes. Pour quantifier le couplage hydromécanique local, nous avons appliqué un certain nombre de procédures de post-traitement standard et nous avons également développé un ensemble de méthodes de mesure, par exemple pour suivre le front d’eau et déterminer les cartes de vitesse 3D. Les résultats montrent que la vitesse du front d’eau entraîné par imbibition dans un échantillon sec est augmentée à l’intérieur d'une bande de cisaillement compactante, tandis que la vitesse d’écoulement entraîné par la pression est réduite dans les échantillons saturés, quelque soit la réponse volumétrique de la bande de cisaillement (compactante / dilatante). La nature des données 3D et des analyses s'est révélée essentielle dans la caractérisation du comportement mécanique complexe des échantillons et de la vitesse d'écoulement qui en résulte.Les résultats expérimentaux obtenus contribuent à la compréhension de l'écoulement dans les matériaux poreux sous chargement, garantissent la pertinence de l'analyse et permettent d’etablir une méthode expérimentale pour d'autres campagnes hydromécaniques in-situ. / The behaviour of subsurface-reservoir porous rocks is a central topic in resource engineering industry and has relevant applications for hydrocarbon and water production or CO2 sequestration. One of the key open issues is the effect of deformations on the hydraulic properties of the host rock, specifically in saturated environments. Deformation in geomaterials is rarely homogeneous because of the complex boundary conditions they undergo as well as for their intrinsic tendency to localise. This non uniformity of the deformation yields a non uniform permeability field, meaning that the traditional macroscopic analysis methods are outside their domain of validity. These methods are in fact based on measurements taken at the boundaries of a tested sample, under the assumption of internal homogeneity. At this stage, our understanding is in need of direct measurements of the local fluid permeability and its relationship with localiseddeformation.This doctoral dissertation focuses on the acquisition of such local data about the hydro mechanical properties of porous geomaterials in full-field, adopting neutron and x-ray tomography, as well as on the development of novel analysis methods. While x-ray imaging has been increasingly used in geo-sciences in the last few decades, the direct detection of fluid has been very limited because of the low air/water contrast within geomaterials. Unlike x-rays, neutrons are very sensitive to the hydrogen in the water because of their interaction with matter (neutrons interact with the atoms’ nuclei rather than with the external electron shell as x-rays do). This greater sensitivity to hydrogen provides a high contrast compared to the rock matrix, in neutron tomography images that facilitates the detection of hydrogen-rich fluids. Furthermore, neutrons are isotope-sensitive, meaning that water (H 2 0) and heavy water (D20), while chemically and hydraulically almost identical, can be easily distinguished in neutron imaging.The use of neutron imaging to investigate the hydromechanical properties of rocks is a substantially under-explored experimental area, mostly limited to 2D studies of dry, intact or pre-deformed samples, with little control of the boundary conditions. In thiswork we developed a new servocontrolled triaxial cell to perform multi-fluid flow experiments in saturated porous media, while performing in-situ loading and acquiring 4-dimensional neutron data.Another peculiarity of the project is the use of high-performance neutron imaging facilities (CONRAD-2, in Helmholtz Zentrum Berlin, and NeXT-Grenoble, in Institut Laue-Langevin), taking advantage of the world’s highest flux and cutting edge technology to acquire data at an optimal frequency for the study of this processes. The results of multiple experimental campaigns covering a series of initial and boundary conditions of increasing complexity are presented in this work.To quantify the local hydro-mechanical coupling, we applied a number of standard postprocessing procedures (reconstruction, denoising, Digital Volume Correlation) but also developed an array of bespoke methods, for example to track the water front andcalculate the 3D speed maps.The experimental campaigns performed show that the speed of the water front driven by imbibition in a dry sample is increased within a compactant shear band, while the pressure driven flow speed is decreased in saturated samples, regardless of the volumetric response of the shear band (compactant/dilatant). The 3D nature of the data and analyses has revealed essential in the characterization of the complex mechanical behaviour of the samples and the resultant flow speed.The experimental results obtained contribute to the understanding of flow in porous materials, ensure the suitability of the analysis and set an experimental method for further in-situ hydromechanical campaigns.

Nous présentons deux approches différentes pour décrire le couplage hydromécanique des géomatériaux. Dans une approche de type phénoménologique nous traitons le milieu poreux comme un milieu continu équivalent dont les interactions entre la phase fluide et le squelette solide constituent le couplage du mélange à l'échelle macroscopique. En caractérisant le comportement de chaque phase nous arrivons à décrire le comportement couplé du milieu couplé saturé.Nous utilisons cette approche pour modéliser des essais expérimentaux faits sur un cylindre creux pour une roche argileuse (argile de Boom). Les résultats expérimentaux montrent de façon claire que le comportement de cette roche est fortement anisotrope. Nous avons choisi de modéliser ces essais en utilisant une lois de comportement élasto-plastique pour laquelle la partie élastique est transversalement isotrope.Le problème aux conditions aux limites étudié met en évidence des déformations localisées autour du forage intérieur. Afin de décrire de façon objective le développement de ces bandes de cisaillement nous avons considéré un milieu continu local de type second gradient qui permet d'introduire une longueur interne. De ce fait nous avons pu étudier le problème d'unicité en montrant qu'un changement de la discrétisation temporelle du problème aux limites peut conduire à des solutions différentes.Dans la deuxième approche étudiée nous caractérisons la microstructure du matériau avec des grains et un réseau de canaux pour la phase fluide. À l'aide d'un processus numérique d'homogénéisation nous arrivons à calculer numériquement la contrainte du mélange et le flux massique. Cette méthode d'homogénéisation numérique a été implémentée dans un code aux éléments finis afin d'obtenir des résultats macro. Une validation de l'implentation est proposée pour des calculs en mecanique pure et en hydromécanique. / We present two different approaches to describe the hydromechanical behaviour of geomaterials. In the first approach the porous media is studied through an equivalent continuum media where the interaction between the fluide and solid phases caracterize the coupling behaviour at the macroscale.We take into account this approach to model experimental tests performed over a hollow cylinder sample of clay rock (Boom Clay), considered for nuclear waste storage. The experimental results clearly show that the mechanical behaviour of the material is strongly anisotropic. For this reason we chose an elasto-plastic model based on Drucker-Prager criterion where the elastic part is characterized by cross anisotropy.The numerical results of boundary value problem clearly show localised strains around the inner hollow section. In order to regularize the numerical problem we consider a second gradient local continuum media with an enriched kinematic where an internal lenght can be introduced making the results mesh independent. The uniqueness study is carried out showing that changing the temporal discretization of the problem leads to different solutions.In the second approach we study the hydromechanical behaviour of a porous media that it is characterised by the microstructure of the material. The microstructure taken into account is composed by elastic grains, cohesives interfaces and a network of fluid channels. Using a periodic media a numerical homogenization (square finite element method) is considered to compute mass flux, stress and density of the mixture. In this way a pure numerical constitutive law is built from the microstructure of the media. This method has been implemented into a finite element code (Lagamine, Université de Liège) to obtain results at the macroscale. A validation of this implementation is performed for a pure mechanical boundary value problem and for a hydromechanical one.

L'objectif de cette thèse est l'étude des conséquences de la thermo-oxydation sur la structure chimique et le comportement mécanique d'un Ethylène Propylène Diène Monomère (EPDM). Afin de déterminer les modifications à différentes échelles structurales, quatre formulations modèles sont étudiées : la gomme pure, les matrices vulcanisées stabilisée et non stabilisée et l'élastomère industriel. L'ensemble des échantillons est vieilli entre 70 et 170°C dans l'air ou sous vide puis caractérisé par divers outils analytiques. La thermogravimétrie donne accès aux variations de masse résultant de l'incorporation d'oxygène et l'émission de composés volatils. L'analyse infrarouge permet de suivre les évolutions des espèces chimiques. Les essais de gonflement, de chromatographie et de spectrométrie mécanique permettent de calculer les nombres de coupures de chaînes et d'actes de réticulation à chaque instant. Sur la base de ces résultats, un modèle cinétique général de thermo-oxydation de la matrice EPDM est proposé et en partie validé. Les conséquences du vieillissement thermique sur le comportement mécanique de l'élastomère industriel sont mises en évidence par des essais de traction uniaxiale et de multi-relaxation à température ambiante et vitesse de déformation initiale de 10-3 s-1. L'impact du vieillissement thermique sur les propriétés ultimes et les réponses à l'équilibre et hors équilibre est examiné. Un critère prédictif de rupture basé sur la mécanique de la rupture est proposé. Enfin, le couplage vieillissement thermique - contrainte mécanique est étudié par des essais relaxation de contraintes continues entre 130 et 170°C dans l'air. Les modifications de la microstructure pendant le vieillissement thermique sont intégrées dans les équations constitutives du modèle mécanique macroscopique afin de proposer un outil de prédiction du comportement à long terme de l'élastomère industriel. La simulation numérique montre une bonne adéquation avec les résultats expérimentaux. / The aim of this work is to study the consequences of the thermal oxidation on the chemical structure and mechanical behavior of an Ethylene-Propylene-Diene Monomer (EPDM). In order to determine the structural changes at different scales, four model formulations have been considered: free additive gum, stabilized and unstabilized vulcanized matrix and industrial rubber. All samples were aged between 70 and 170°C in air or vacuum and characterized by several analytical tools. Thermogravimetry gives access to weight variations due to oxygen grafting and volatile compounds release. Infrared analysis is used to follow chemical species evolutions. Swelling tests, chromatographic and mechanical spectrometry tests allow calculating the number of chain scission and cross-linking events at any time. Based on these results, a general kinetic model is proposed and partially validated for EPDM matrix thermal oxidation. The consequences of thermal ageing on the mechanical behavior of the industrial rubber are pointed out by monotonic tensile and stress relaxation tests at room temperature and a 10-3 s-1- initial strain rate. The impact of thermal ageing on ultimate properties and equilibrium and non-equilibrium response are examined. Finally, the coupling between thermal ageing and mechanical stress is studied by continuous stress relaxation tests between 130 et 170°C in air. The microstructural modifications during thermal ageing are introduced into the constitutive equations of the macroscopic mechanical model in order to propose a predictif tool of the long time behavior of the industrial rubber. The numerical simulation is in good agreement with experimental results.

Dans le contexte énergétique qui se profile, la production d’électricité par voie solaire thermodynamique s’avère une solution prometteuse, que ce soit pour des considérations économiques, d’échelle de production ou environnementales. Une voie d’amélioration du rendement des centrales solaires à tour consiste à utiliser des cycles thermodynamiques à haut rendement type cycles combinés. Cela nécessite de pouvoir fournir un fluide de travail pressurisé à très haute température (10bar et 1000°C minimum). Ce manuscrit présente les travaux menés afin de développer et de viabiliser un concept d’absorbeur solaire surfacique modulaire en céramique (carbure de silicium) capable de répondre à ces exigences. Le choix du carbure de silicium s’est imposé pour sa résistance aux hautes températures et aux problèmes d’oxydation. Cependant, l’utilisation d’une céramique comme matériau implique un risque de casse des modules. Les céramiques sont en effet fragiles lorsqu’elles sont soumises à des contraintes de traction. C’est la connaissance et la maitrise de ce risque qui fait l’objet de cette étude. L’approche adoptée combine le développement d’outils numériques et d’études expérimentales réalisées sur le site de la centrale solaire Thémis (Targassonne, 66, France). La méthodologie desimulation développée permet de prédire le comportement thermique et le comportement mécanique de l’absorbeur. Ceci permet de réduire les risques encourus par l’absorbeur et d’en connaitre les performances. Cette méthodologie a été éprouvée à l’aide des résultats expérimentaux. / For the future, using thermodynamical solar power plant seems to be a good solution to ensure electrical production. Solar tower plants are able to produce electricity in significant amount, are environmentally friendly and economically competitive. One way to increase the yield of these plants is using high efficiency thermodynamical cycles, like combined cycle. That requires to providing a working fluid at high temperature and high pressure (10bar and 1000°C at least). This PHD thesis presents the works performed to develop and enhance a concept of modular plate solar ceramic absorber that can ensure the required air production. We chose the silicon carbide as material due to its resistance to high temperatures and oxidation problems. The drawback is ceramic modules are weak to traction stresses. The study focuses on the knowledge and the control of this phenomenon. This work combines the developments of numerical tools and experimental studies performed at Thémis power plant (Targassonne, 66, FRANCE). The numerical method permits simulations to predict the thermal behavior and the mechanical behavior of a solar module absorber. It allows the reduction of the mechanical stresses undergone by solar receiver and the prediction of its performances. This methodology was tested using experimental results.

L'étude du comportement du béton en température est un problème majeur qui vise in fine à évaluer le niveau de sécurité des structures sous des sollicitations thermiques sévères, lors d'incendies par exemple. Pour cela, de nombreux modèles sont développés dans un cadre de couplage thermo-hydro-mécanique (THM), pour prendre en compte les différents processus physico-chimiques et mécaniques mobilisés par ces sollicitations et conditionnant la stabilité du matériau béton.Cependant, ces modélisations ne prennent souvent pas en compte explicitement la nature hétérogène du matériau. En effet, le béton est un matériau constitué d'inclusions noyées dans une matrice cimentaire pouvant être schématisée comme un milieu poreux ouvert partiellement saturé en eau. Les inclusions sont caractérisées par leurs natures minéralogiques, leurs morphologies et leurs tailles classées en fuseaux granulaires. Cette hétérogénéité introduit une complexité supplémentaire : la nécessité de prendre en compte la microstructure pour quantifier l'effet de l'incompatibilité (thermique, hydrique et mécanique) inclusion-matrice sur le comportement THM du béton. Ce travail constitue une première avancée dans ce sens. A ce titre, une modélisation élément fini multi-échelle tridimensionnelle (3D) est développée permettant d'affecter des comportements spécifiques à la matrice et aux inclusions. Pour la matrice, siège des transports de masse dans son réseau poreux connecté, une approche thermo-hydrique à trois fluides (eau, vapeur et air sec) est adoptée et est couplée à une loi de comportement poro-mécanique endommageable. Les inclusions (granulats) sont considérées hydriquement inertes, une approche thermo-mécanique avec endommagement est alors retenue.Une analyse, par simulations numériques, des effets de la nature minéralogique des granulats (calcaires ou silico-calcaires) de leurs distributions et de leurs morphologies a été menée sur des configurations 2D et 3D. Les effets étudiés ont notamment concerné l'influence de ces paramètres sur les fluctuations locales des champs de température, de pression de gaz et d'endommagement au regard de la dispersion des mesures expérimentales. L'analyse est limitée à l'échelle mésoscopique, celle où les granulats de taille caractéristique supérieure à 5 mm sont considérés, le reste (stable et pâte de ciment) étant une matrice homogène. Enfin, cette analyse a mis en évidence le besoin de mettre en œuvre une approche expérimentale cohérente avec une analyse mutli-échelle, à la fois pour la caractérisation des propriétés (thermiques, hydriques et mécaniques) de chaque constituant et pour l'étude des évolutions des champs lors des changements d'échelles. Un protocole expérimental a été définit et des premiers résultats d'essais sont présentés et analysés au travers de résultats obtenus dans la partie modélisation / The investigation of the behavior of heated concrete is a major research topic which concerns the assessment of safety level of structures when exposed to high temperatures, for instance during a fire. For this purpose, several modeling approaches were developed within thermo-hydro-mechanical (THM) frameworks in order to take into account the involved physic-chemical and mechanical processes that affect stability of heated concrete. However, existing models often do note account explicitly for the heterogeneity of the material : concrete is composite material that may be schematized as an assembly of inclusions (aggregates) embedded in a cementitious matrix (cement paste). This latter may be described as a partially saturated open porous medium. The aggregates are characterized by their mineralogical nature together with their morphology and size distribution. The material heterogeneity bring an additional complexity : the need to take into account the microstructure in order to quantify the effect of matrix-inclusion thermal, hygral and mechanical incompatibilities on the THM behavior of concrete. This work is a first step in this direction. For this purpose, a three-dimensional (3D) multi-scale finite element model is developed. It allows affecting specific behaviors to matrix and inclusions. For the former, where mass transports occur within the connected porous network, a three-fluids approach (liquid water, vapor and dry air) is adopted and is coupled to a poro-mechanical damage based approach. For inclusions (aggregates) no hygral component arises a pure thermo-mechanical model is considered. The developed model is then used to investigate, either by 2D or 3D numerical simulations, effects of mineralogical nature, morphology and distribution of aggregates. Studied effects have mainly concerned the influence of these parameters on local fluctuations of simulated temperature, gas pressure and damage fields with regard to experimentally observed dispersion. The analysis is here limited to the mesoscale, at which only aggregates with a characteristic size above 5 mm are meshed while the remaining inclusions together with the cement paste are considered to be a homogeneous matrix. Finally, the numerical analysis carries out the need to perform an experimental campaign that is consistent with a multi-scale approach of the THM behavior of concrete : an experimental campaign that allows to identify thermal, hygral and mechanical properties of each concrete constituent and that permit to assess evolution of fields during upscalling. An experimental protocol is then elaborated for this purpose and some obtained results are presented and analyzed with regard to results obtained in the modeling part

La durabilité des structures en béton est désormais intégrée dans la démarche de conception des ouvrages de Génie Civil. En effet, quel que soit le type de sollicitation (mécanique, thermique, hydrique) une fissuration est susceptible de se produire risquant d'impacter la durée de vie de l'ouvrage par la pénétration d'agents agressifs. L'aptitude au service peut elle-même être affectée pour les structures où une étanchéité est requise (enceinte de confinement de centrales nucléaires, réservoirs de gaz naturel liquéfié, barrages, stockages des déchets radioactifs ou de CO2, etc.). Dans ce contexte industriel, la prédiction du débit de fuite traversant des éléments composés de matériaux à base cimentaire est donc un enjeu scientifique et industriel majeur. Pour parvenir à cet objectif de simulation numérique, il est nécessaire de mettre en place un couplage hydro-mécanique. L'anisotropie de la fissuration induite par les sollicitations mécaniques complexes conduit à un tenseur de perméabilité macroscopique anisotrope. La détermination de ce tenseur est un enjeu important dans l'objectif de mener des calculs à l'échelle macroscopique avec des modèles phénoménologiques. De plus, les calculs de perméabilité sont un moyen de comparer les volumes fissurés obtenus par les différents modèles mécaniques. La modélisation de la fissuration pour les matériaux quasi-fragiles hétérogènes à l'échelle mésoscopique tels que le béton est complexe et suivant les approches utilisées, les résultats peuvent fortement varier. C'est pourquoi l'étude numérique proposée dans la thèse comporte une comparaison entre deux approches mécaniques : - une première basée sur une modélisation mécanique de type E-FEM (Embedded Finite Element Method) [Benkemoun et al., 2010] - - une seconde basée sur une modélisation mécanique d'endommagement [Mazars, 1984] régularisée en énergie de fissuration [Hillerborg et al., 1976]. Le travail numérique associé à cette thèse consiste donc à développer un modèle couplant de manière faible un modèle mécanique à un modèle de transfert en 3D à l'échelle mésoscopique. En se basant sur le concept de « double porosité », la perméabilité du milieu fissuré est vue comme la combinaison d'une perméabilité diffuse et isotrope (liée au réseau poreux initial du béton et à son degré de saturation) et d'une perméabilité « discrète » et orientée au sein des fissures (le calcul de cette dernière étant basé sur les ouvertures de fissures données par le modèle mécanique et sur les équations de la mécanique des Navier-Stokes en régime permanent). La comparaison des résultats obtenus sur différents résultats expérimentaux issus de la littérature (un tirant traversé par de l'eau [Desmettre et Charron, 2011] et un élément structurel traversé par de l'air sec [Nahas et al., 2014]) permet de comparer la pertinence des deux modèles mécaniques utilisés ainsi que l'approche utilisée pour estimer le débit traversant des éléments en béton fissurés. / The durability of concrete structures is nowadays fully integrated in the civil engineering constructions design process. Whatever the loading is (mechanical, thermic, hydric), cracks may appear and impact the structure lifespan by the infiltration of aggressive agents. The serviceability can be directly impacted for the structures playing an air/water tightness role (containment building nuclear power plants, liquefied natural gas storage tanks, dams, radioactive waste disposal, etc.). The prediction of the flow going through elements composed of a cementitious material is therefore a major scientific and industrial issue. To achieve this goal, a hydro-mechanical coupling must be implemented. The anisotropic cracking induced by complex mechanical loadings leads to an anisotropic macroscopic permeability tensor. This tensor computation is an important issue dealing with phenomenological models for macroscopic problems. The cracking modelling of quasi-brittle materials, heterogeneous at the mesoscopic scale like concrete, is complex and different mechanical approaches can lead to various results. Therefore, permeability calculations are an elegant way to examine cracking patterns obtained with several mechanical models. Consequently, this study compares two mechanical approaches: - the first one is based on an Embedded Finite Element Method (E-FEM) mechanical model [Benkemoun et al., 2010] - - the second one is based on a damage mechanical model [Mazars, 1984] regularised by the fracture energy of the material [Hillerborg et al., 1976]. This thesis presents a hydro-mechanical approach weakly coupling a mechanical model with a permeation model in 3D at the mesoscopic scale. This work is based on the “double porosity” concept splitting the permeability into two parts: the first one is isotropic and corresponds to flows within the porosity of the material- the second one, based upon a set of cracks with different orientations and openings, is anisotropic. For the latter, each crack is a path for mass flow according to the fluid laws considering two infinite planes. In order to check this approach relevance, numerical results are compared to experimental results extracted from the literature (an experiment where water goes through a specimen made of a steel reinforcing bar covered with concrete under load [Desmettre et Charron, 2011] and a device where dry air goes through a structural element made of reinforced concrete [Nahas et al., 2014]). The computation of the flow going to those cracked concrete elements helps to understand the presented approach efficiency and the differences between the two used mechanical models.

Les nano commutateurs magnétiques sont en cours d'étude et ils sont envisageables dans plusieurs domaines d'application comme les interrupteurs d'alimentation, les convertisseurs DC/DC...etc. Partant du besoin de modélisation et d'optimisation avec fiabilité de ces dispositifs, ces travaux de thèse se décomposent en trois axes. Axe modélisation : développement d'un modèle semi analytique pour calculer la déformation avec l'analyse de contact mécanique. Ce modèle a été introduit pour le couplage magnéto-mécanique dans le logiciel de modélisation de MEMS magnétiques MacMMems. Axe dérivation automatique de code : développement de JAP (Java Jacobian Automatic Programming) qui est un outil générique de dérivation d'algorithmes. Il a été appliqué pour le nano commutateur et a été introduit dans les outils de dimensionnement développés au G2Elab pour l'analyse de sensibilité, pour l'optimisation exploitant le Jacobien et aussi pour orienter des systèmes d'équations algébro-différentiels. Axe optimisation : mise en œuvre du modèle et des outils développés pour faire l'étude de sensibilité et l'optimisation sous contraintes de fiabilité du nano commutateur magnétique. / Magnetic nano switches are being studied and they are envisaged in several application areas such as power switches, DC / DC converters …etc. Hence the need for modelling and optimization with reliability of these devices, this thesis work is divided into three areas. Modelling: development of a semi analytical model to calculate the deformation with the analysis of mechanical contact. This model was introduced in the “MacMMems” software dedicated to the modelling of magnetic MEMS. Automatic differentiation : development of JAP (Java Jacobian Automatic Programming) is a generic algorithms derivation program. It has been applied to the nano switch and was introduced in G2Elab design tools for sensitivity analysis, for optimizing and also to solve differential-algebraic systems. Optimization: development the model and tools to study the sensitivity and reliability-based design optimization for magnetic nano switch.

L’apparition massive de nids de poule sur chaussées bitumineuses a été observée en cours d’hiver sur de très courtes périodes de temps, caractérisées par l’alternance entre températures positives et fortement négatives accompagnée de précipitations pluvieuses. Ceci a conduit à rechercher un mécanisme spécifique de dégradation de couches d’enrobés bitumineux (EB) lié au comportement au gel des EB partiellement saturés en eau. Celui-ci a été étudié en laboratoire à partir d’essais à déformation libre ou empêchée, avec ajout de chaux pour certaines formules d’EB.Ces essais ont montré l’apparition de déformations de gonflement ou contraintes importantes induites lors du gel de l’eau interstitielle. D’autres essais utilisant l’IRM ont permis de visualiser le phénomène au sein du matériau. Sur la base de ces essais, nous proposons une loi de comportement thermoviscoélastique avec changement de phase pour EB. Un programme aux éléments finis a été développé (Free Fem++)pour intégrer cette loi dans le calcul de structures ; ce code couple les équations mécaniques et de diffusion de la chaleur prenant également en compte le changement de phase à travers la chaleur latente de solidification de l’eau interstitielle.Après validation du logiciel, celui-ci a été appliqué au calcul de structures bitumineuses bicouches représentatives des couches supérieures d’une chaussée. Les résultats mettent alors en évidence l’apparition de contraintes d’arrachement élevées à l’interface entre couches générées par le gel,susceptibles d’expliquer la formation de nids de poule. Un essai de laboratoire sur bicouche a confirmé la fragilisation de l’interface induite dès le premier cycle de gel. / Massive development of potholes occurring in bituminous pavements was observed during winters over short time laps characterized by temperature alternating between positive and highly negative values along with rainfalls. This led us to seek for a specific mechanism of degradation of asphalt concrete (AC) layers, related to the behavior of partially saturated AC subjected to freeze. Two types of laboratory tests were performed under traction free and restrained strain conditions to study the behavior of AC within this context, incorporating lime additive in some mix design formulations. These tests showed the development of large swelling strains or stresses induced by the phase change of pore water into ice. Additional tests using MRI allowed us to visualize this phenomenon from inside the material specimens. Based on these tests, we developed a thermoviscoelastic constitutive law including phase change for partially saturated AC. A Finite Element (FE) program was implemented (FreeFem++) to introduce the developed law instructural calculations; this FE code handles the coupling between mechanics and the heat equation, also taking into account the phase change through the latent heat of crystallization of pore water. After validating the software, this numerical tool was utilized to compute the response of bilayer bituminous structures representative of the upper layers of a pavement. The results obtained show the development of highfrost-induced pull-out stresses located at the interface between the layers, likely to explain the formation of potholes. A test carried out on a bilayer sample confirmed the weakening of the interface right after the first frost cycle.