The matrix cracking transverse to loading direction is usually one of the most common observations of damages in composite laminates. The initiation and propagation of transverse cracks have been a longstanding issue in the last few decades. In this paper, a three-dimensional stress analysis method based on the state space approach is used to compute the stresses, including the inter-laminar stresses near transverse cracks in laminated composites. The stress field is then used to estimate the energy release rate, from which the initiation and propagation of transverse cracking are predicted. The proposed method is illustrated by numerical solutions and is validated by available experimental results. To the best knowledge of the authors, the predictions of crack behaviour for non-symmetrical laminates and laminates subject to in-plane shearing are presented for the first time in the literature.

Cette thèse a permis d’évaluer l’effet des changements de morphologie d’un matériau cimentaire soumis à un traitement thermique jusqu’à T (≤ 400°C). Pour cela, nous avons caractérisé expérimentalement le comportement mécanique (en compression uniaxiale, compression hydrostatique avec ou sans déviateur), poro-mécanique (modules d’incompressibilité Kb, Ks et coefficient de Biot b) et hydraulique (perméabilité au gaz), d’un mortier modèle E/C=0,5 suite à un cycle de chauffage/refroidissement. Les essais mécaniques multiaxiaux sont couplés aux mesures de perméabilité, qui servent d’indicateur de la progression de la fissuration du matériau sous contrainte. Nous avons également mis au point un essai original, permettant de quantifier le volume de l’espace poreux interconnecté sous chargement hydrostatique Pc. La création de porosité occluse sous l’effet d’un accroissement du confinement est confirmée, et ainsi la diminution de la rigidité de la matrice solide Ks avec Pc après traitement thermique T>200°C. Nous avons également identifié un effet bouchon (aucun passage de gaz) lors d’un chargement couplé, thermique et en compression hydrostatique du mortier mais aussi de bétons industriels (CERIB et ANDRA). Afin d’analyser l’évolution des propriétés mécaniques et poro-élastiques après traitement thermique, un modèle prédictif thermo-élasto-plastique avec endommagement isotrope et une approche micro-mécanique descriptive, intégrant la présence de micro-fissures, y sont couplés / This work investigates the effects of morphological changes of a cement-based material subjected to heat treatment (up to 400°C). For a model W/C=0.5 mortar, we have characterized experimentally hydraulic behaviour (gas permeability), mechanical behaviour (in uniaxial compression, hydrostatic compression with or without deviatoric stress) and poro-mechanical behaviour (incompressibility moduli Kb, Ks and Biot’s coefficient b) after a heating/cooling cycle. We have also developed an original experiment aimed at quantifying the accessible pore space volume under hydrostatic compression. The creation of occluded porosity under high confinement is confirmed, which justifies the observed decrease of solid matrix rigidity Ks under high confinement. A gas retention phenomenon was identified under simultaneous thermal and hydrostatic loadings for mortar, and industrial concretes (provided by CERIB and ANDRA). A predictive thermo-elasto-plastic model with isotropic damage and a micro-mechanical approach, which represents micro-cracking, are coupled in order to analyze or predict the evolution of mechanical and poro-elastic properties after heat cycling

Cette thèse avait pour objectif d’étudier les relations entre la microstructure de matériaux réfractaires et leurs propriétés thermomécaniques afin d’améliorer leur résistance aux chocs thermiques. En particulier, des modélisations numériques ont été réalisées afin de mieux comprendre la conception de la microstructure liée à des endommagements dus au différentiel de dilatation thermique. A cette fin, des résultats expérimentaux de matériaux simplifiés ont été utilisés comme référence pour l’approche numérique. Afin d’obtenir des résultats quantitatifs des phénomènes d’endommagement complexes, de nouveaux développements ont été apportés à une plate-forme de modélisation d’éléments discrets existante, nommée GranOO. Entre autre, une méthode de calibration direct des paramètres locaux ainsi une amélioration du concept de contrainte viriel ont été proposées. Ensuite, l’approche DEM a été appliquée afin de reproduire les endommagement thermiques lors du refroidissement des matériaux simplifiés et d’examiner leurs effets sur les propriétés apparentes. Les résultats obtenus de l’évolution du module de Young et du coefficient de dilatation thermique en fonction de température ont montré des tendances similaires avec les résultats expérimentaux. / The present thesis aimed at investigating the relationships between the microstructure of refractories and their thermomechanical properties in order to increase their thermal shock resistance. In particular, numerical modeling were carried out in order to better understand the design of microstructure involving damages due to thermal expansion mismatch during processing. For this purpose, experimental results on simplified materials were used as reference for this numerical approach. In order to obtain quantitative results of complex phenomena, new developments of an existing discrete element modeling platform, namely GranOO, were carried out. More specifically, direct calibration method of input parameters and improvement of virial stress concept were proposed. This DEM approach was then applied to reproduce thermal damages during cooling of simplified materials and to examine their effects on macroscopic properties. The obtained DEM results of evolution of Young’s modulus and thermal expansion coefficient as a function of temperature exhibited similar tendencies with experimental results

Le problème initial traité dans cette thèse relève du cadre général de la modélisation des tunnels profonds. Pour cela, on a adopté l'approche basée sur la mécanique linéaire de la rupture. L'étude s'est appuyée sur le critère mixte de Leguillon. Suite à cette étude, on a pu tirer que ce n'est pas le critère mixte qui est insuffisant mais plutôt la façon d'aborder le problème. D'où le passage à la prise en compte de l'hétérogénéité du matériau constitutif et la possibilité d'amorçage d'une fissure sous une contrainte de compression. Une première approche a été entreprise par l'étude d'une bicouche périodique sous contrainte de compression verticale. La couche de grande raideur s'est apparue le siège d'une traction transversale. Effectivement la possibilité d'amorçage d'une fissure est tout à fait probable grâce toujours à la vérification des critères d'énergie et de contrainte. Une deuxième approche consistait à observer au plus près la microstructure du matériau ; on a considéré le problème d'une inclusion elliptique dans une matrice infinie. Par la méthode des variables complexes et la technique de la transformation conforme, on a analysé le champ de contrainte autour de l'inclusion et on a mis en évidence la présence d'une traction qui dépend fortement des paramètres choisis. Par la méthode des éléments finis étendus, on a calculé la variation de l'énergie potentielle mise en jeu par la création d'une fissure. Par une démarche semblable à l'approche précédente, à savoir la vérification des critères d'énergie et de contrainte, on a conclu à la possibilité d'amorçage d'une fissure. Mots clefs : mécanique linéaire de la rupture, critère mixte de Leguillon, énergie potentielle, taux de restitution d'énergie, méthode des éléments finis étendus, bicouche périodique, méthode des variables complexes / The initial problem treated in this thesis falls within the general framework of modeling deep tunnels. For this reason, the approach based on linear fracture mechanics was adopted. The study was based on the mixed criterion of Leguillon. Following This study, the mixed criterion was not insufficient but the way to approach the problem was. Where the transition to the consideration of the heterogeneity of the material component and the possibility of initing a crack under a compressive stress. A first approach was undertaken the study of periodic bilayer under the stress of vertical compression. The layer of the highest stiffness has appeared the seat of a transverse traction. Indeed the possibility to initiate a crack is quite likely always through the verification of the energy and the stress criteria. A second approach was to observe more closer the microstructure of the material; we have considered the problem of elliptic inclusion in an infinite matrix. By the method of complex variables and the technique of conformal mapping, we analyzed the stress field around the inclusion and were revealed the presence of a traction which depends strongly of the selected parameters. By the extended finite element method, we calculated the variation of the potential energy involved by creating a fracture. In a similar approach to the previous one, namely verification of the energy and the stress criteria, we concluded the possibility of initiating a crack. Keywords: linear fracture mechanics, mixed criterion of Leguillon, potential energy, energy release rate, extended finite element method, periodic bilayer, method of complex variables

Le problème initial traité dans cette thèse relève du cadre général de la modélisation des tunnels profonds. Pour cela, on a adopté l'approche basée sur la mécanique linéaire de la rupture. L'étude s'est appuyée sur le critère mixte de Leguillon. Suite à cette étude, on a pu tirer que ce n'est pas le critère mixte qui est insuffisant mais plutôt la façon d'aborder le problème. D'où le passage à la prise en compte de l'hétérogénéité du matériau constitutif et la possibilité d'amorçage d'une fissure sous une contrainte de compression. Une première approche a été entreprise par l'étude d'une bicouche périodique sous contrainte de compression verticale. La couche de grande raideur s'est apparue le siège d'une traction transversale. Effectivement la possibilité d'amorçage d'une fissure est tout à fait probable grâce toujours à la vérification des critères d'énergie et de contrainte. Une deuxième approche consistait à observer au plus près la microstructure du matériau ; on a considéré le problème d'une inclusion elliptique dans une matrice infinie. Par la méthode des variables complexes et la technique de la transformation conforme, on a analysé le champ de contrainte autour de l'inclusion et on a mis en évidence la présence d'une traction qui dépend fortement des paramètres choisis. Par la méthode des éléments finis étendus, on a calculé la variation de l'énergie potentielle mise en jeu par la création d'une fissure. Par une démarche semblable à l'approche précédente, à savoir la vérification des critères d'énergie et de contrainte, on a conclu à la possibilité d'amorçage d'une fissure. Mots clefs : mécanique linéaire de la rupture, critère mixte de Leguillon, énergie potentielle, taux de restitution d'énergie, méthode des éléments finis étendus, bicouche périodique, méthode des variables complexes / The initial problem treated in this thesis falls within the general framework of modeling deep tunnels. For this reason, the approach based on linear fracture mechanics was adopted. The study was based on the mixed criterion of Leguillon. Following This study, the mixed criterion was not insufficient but the way to approach the problem was. Where the transition to the consideration of the heterogeneity of the material component and the possibility of initing a crack under a compressive stress. A first approach was undertaken the study of periodic bilayer under the stress of vertical compression. The layer of the highest stiffness has appeared the seat of a transverse traction. Indeed the possibility to initiate a crack is quite likely always through the verification of the energy and the stress criteria. A second approach was to observe more closer the microstructure of the material; we have considered the problem of elliptic inclusion in an infinite matrix. By the method of complex variables and the technique of conformal mapping, we analyzed the stress field around the inclusion and were revealed the presence of a traction which depends strongly of the selected parameters. By the extended finite element method, we calculated the variation of the potential energy involved by creating a fracture. In a similar approach to the previous one, namely verification of the energy and the stress criteria, we concluded the possibility of initiating a crack. Keywords: linear fracture mechanics, mixed criterion of Leguillon, potential energy, energy release rate, extended finite element method, periodic bilayer, method of complex variables

Cette étude est dédiée à l’influence du fraisage de finition avec outil à extrémité hémisphérique sur l’intégrité de surface et la durée de vie en fatigue de pièces en acier bainitique à haute limite d'élasticité. L'intégrité de surface – microgéométrie, contraintes résiduelles et écrouissage – est caractérisée expérimentalement pour différentes valeurs des paramètres d'usinage, dont l'angle d'inclinaison de l'outil. L'hétérogénéité du champ de contraintes résiduelles perpendiculairement aux sillons générés par l’outil est mise en évidence à différentes profondeurs. Des essais de fatigue en flexion sur éprouvettes brutes d'usinage ou polies, avec ou sans traitement thermique de relaxation des contraintes résiduelles, mettent en évidence l'influence de l’intégrité de surface sur la tenue en fatigue. Des essais de fatigue en traction avec mesures d'auto-échauffement mettent en évidence une compétition entre mécanismes de micro-plasticité et de micro-fissuration. Une approche hybride est proposée pour prévoir l'état mécanique de la pièce usinée après fraisage. L'effet sur la surface usinée d'un chargement thermo-mécanique équivalent à l'opération de coupe et déduit d'essais d'usinage instrumentés est alors simulé numériquement sans modéliser l’enlèvement de matière. Une approche probabiliste est proposée pour prévoir l'influence de l'intégrité de surface sur la tenue en fatigue. Cette approche, restreinte au cas où le mécanisme de microfissuration est prédominant est validée grâce à la prise en compte de la microgéométrie. Le modèle est alors de type mécanique de la rupture et basée sur une mesure de la population de tailles d’entaille au fond des creux générés par l'outil. / This study is dedicated to the influence of ball-end tool finishing milling on surface integrity and fatigue life of components made of high-strength bainitic steels. Surface integrity, defined in terms of microgeometry, residual stresses and hardening, was experimentally characterized for different values of the machining parameters, including the tool inclination. Fluctuations of the residual stresses field – measured by X-ray diffraction – perpendicular to the grooves generated by the tool were exhibited at different depths beneath the surface. Fatigue bending tests performed on machined or polished flat specimens, submitted or not to a heat treatment to relax the residual stresses, exhibited the influence of the surface integrity on fatigue life. Fatigue tension tests and self-heating measurements exhibited a competition between micro-plasticity and micro-cracking mechanisms. A hybrid approach is proposed to predict the mechanical state induced by the milling process. This approach consists in simulating – without modelling the removal of the material- the effect of a thermo-mechanical loading equivalent to the cutting process. This thermo-mechanical loading should be derived from temperature and cutting forces measurements preformed during cutting tests. A probabilistic approach is proposed to predict the influence of surface integrity on fatigue life. This approach was validated for cases when micro-cracking mechanism is predominant. The approach is then based on fracture mechanics and takes account of the micro-geometry via the micro-cracks size population measured in the valleys of the grooves generated by the tool.

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