Sous chargement, les matériaux dits ‘quasi-fragiles’ tels que les bétons et de nombreuses roches présentent souvent une perte de rigidité progressive, ainsi qu’un comportement anisotrope, asymétrique et hystérétique. Il est maintenant largement admis que ce comportement, fortement non linéaire et complexe, est lié principalement à la création, au développement et au jeu d’ouverture et fermeture des réseaux de microfissures accompagnés de glissement et de frottement entre lèvres de microdéfauts en contact.Dans l’optique d’une utilisation industrielle sérieuse, la construction d’un modèle d’endommagement simple, fiable sur le plan mathématique et thermodynamique et offrant une réponse pertinente pour les matériaux quasi-fragiles jusqu’à l’apparition d’une localisation de l’endommagement, constitue à l’heure actuelle un enjeu important. Il représente en effet une étape indispensable avant de pouvoir espérer modéliser de manière satisfaisante le comportement jusqu’à la ruine de nombreux ouvrages du génie civil. L’objectif du travail de thèse est d’améliorer les capacités prédictives d’un modèle simple d’endommagement par microfissuration existant qui prend en compte les effets unilatéraux liés à l’ouverture-fermeture des microfissures. La nouvelle approche proposée est basée sur l’introduction d’un second phénomène dissipatif susceptible d’être induit lors de la fermeture des microdéfauts : le glissement avec frottement des lèvres en contact. La modélisation de ce nouveau mécanisme dissipatif s’effectue à l’échelle macroscopique en ne faisant référence à l’échelle inférieure ou aux résultats de la micromécanique des milieux microfissurés que pour interpréter ou justifier certaines hypothèses. Une attention particulière est accordée à la continue différentiabilité du potentiel thermodynamique proposé. L’étude et la simulation de différents essais permettent d’illustrer la pertinence des choix retenus. / Under loading, materials called 'quasi-brittle' as concrete and many rocks often exhibit progressive loss of stiffness, as well as anisotropic behavior, and asymmetric hysteretic. It is now widely accepted that this behavior highly nonlinear and complex, is mainly related to the creation, development and set of opening and closing of microcracks accompanied networks and sliding friction between the lips of microdefects in contact. In the context of a serious industrial use, the construction of a damage model simple, thermodynamically and mathematically reliable and providing an appropriate response for quasi-brittle materials until the onset of localization damage, is currently an important issue. It is indeed a necessary step before adequately modelling behavior to the ruin of many civil engineering works. The objective of this thesis is to improve the predictive capabilities of an existing simple model of damage by microcracking which takes into account unilateral effects related to the opening and closing of microcracks. The new approach is based on the introduction of a second dissipative phenomenon may be induced when closing microdefects: frictional sliding of the lips of microcracks. Modeling of this new dissipative mechanism occurs at the macroscopic scale by only referring to the lower scale or the results of the micro environments that microcracked to interpret or justify certain assumptions. Particular attention is paid to the continuous differentiability of the thermodynamic potential proposed. The study and simulation of various tests enable to illustrate the relevance of the choices made.

La réaction sulfatique interne est une pathologie qui affecte certains bétons hydrauliques ayant subi une élévation de température excessive au jeune âge. La formation tardive d'ettringite provoque un gonflement du béton, incompatible avec la rigidité du matériau et sa faible capacité en extension, ce qui engendre des fissurations dans la structure et des déformations différentielles incompatibles avec le fonctionnement en service de l'ouvrage. Le mécanisme de la réaction est assez complexe et il ne fait pas encore l'objet d'un accord complet dans la littérature. La description phénoménologique des gonflements nécessite la prise en compte de nombreux paramètres (composition du béton, conditions environnementales, histoire thermique et hydrique du béton...). Les modélisations proposées sont peu nombreuses, elles cherchent surtout à estimer l'amplitude finale maximale des gonflements et ne permettent pas de calculer l'état actuel d'un ouvrage où la réaction progresse plus ou moins en fonction du couplage avec les différents paramètres influents. S'appuyant sur ces constats et la nécessité de gérer les ouvrages atteints en prévoyant leur évolution, la présente recherche vise à développer une modélisation des effets mécaniques de la formation différée d'ettringite qui permette d'estimer l'état mécanique d'une structure atteinte. On présente donc une modélisation chimico-mécanique, formulée à l'échelle macroscopique. Le modèle est basé sur une approche thermodynamique décrivant la formation d'un cristal à l'intérieur d'un milieu poreux. Le comportement mécanique se trouve couplé à l'évolution d'une variable chimique décrivant l'avancement de la réaction, ce qui se traduit à chaque pas de temps par une déformation chimique imposée. L'amplitude et l'évolution de cette déformation sont décrites par une loi sigmoïdale modifiée dont les paramètres sont liés à la composition du béton et peuvent être identifiés expérimentalement dans des conditions standardisées. La valeur de calcul de la déformation chimique imposée tient également compte de l'histoire thermique au jeune âge du béton (qui a un effet sur le gonflement potentiel) et des conditions environnementales (température et humidité) qui ont un effet sur l'amplification des gonflements à chaque pas de temps. Un programme expérimental spécifique a permis de confirmer quantitativement le couplage proposé entre le potentiel d'expansion et l'histoire thermique au jeune âge. Le modèle est également écrit pour tenir compte de l'effet de la contrainte sur l'anisotropie du gonflement, qui constitue un phénomène important à l'échelle des ouvrages atteints, du retrait de séchage et de l'endommagement du module de Young en fonction de la déformation chimique induite par la réaction. Ce modèle a été implémenté dans le code de calcul CESAR-LCPC sous le nom RGIB, en intégrant et élargissant les fonctionnalités du module ALKA destiné aux structures atteintes d'alcali-réaction et constituant ainsi un nouveau module destiné au recalcul des structures atteintes de réaction de gonflement d'origine interne. On a appliqué ce module au recalcul de deux ouvrages ou parties d'ouvrages réels, afin de prédire leur comportement. On a adopté dans notre présentation des résultats une démarche progressive qui permet d'illustrer les différentes fonctionnalités du module. Les résultats trouvés sont satisfaisants et leur comparaison aux résultats in-situ montre une bonne coïncidence. Si le modèle proposé dans ce module RGIB rend compte des connaissances actuelles sur la RSI et ses effets, il met aussi en évidence les manques de connaissance quantitative sur cette réaction et les couplages qui l'influencent et l'importance de calibrages appropriés pour un recalcul précis des ouvrages atteints.

Les Alliages à Mémoire de Forme sont utilisés dans un grand nombre d'applications. Or celles-ci imposent généralement un chargement cyclique qui fait évoluer leur comportement. Nous avons donc étudié ce comportement en réalisant une base d'essais en super-élasticité et en effet mémoire assisté montrant l'apparition d'une déformation résiduelle au cours du cyclage. À la fin de ces essais l'application d'un flash thermique a permis de déterminer que l'origine de cette déformation résiduelle provient majoritairement de martensite résiduelle pour l'alliage utilisé. Un modèle macroscopique a ensuite été développé afin de prendre en compte cet aspect du comportement des Alliages à Mémoire de Forme. C'est un modèle à seuil permettant de prendre en compte les différentes propriétés des Alliages à Mémoire de Forme telles que la dissymétrie traction-compression, l'effet point-mémoire, la réorientation de la martensite lors de chargements multiaxiaux non-proportionnels ainsi que l'apparition de martensite bloquée lors de chargements cycliques. Le modèle a été implanté dans un code de calcul par éléments finis afin de simuler le comportement de structures sous chargement cyclique. L'utilisation du modèle pour la validation de comportement ou l'aide à la conception a été montrée sur deux applications courantes utilisant des Alliages à Mémoire de Forme.

La congestion des autoroutes est un problème qui apparait de façon récurrente et qui a un large impact économique, environnemental et social. Ce problème peut être résolu en augmentant la capacité des autoroutes ou en diminuant la demande de trafic. Ces solutions sont longues à mettre en oeuvre et sont très coûteuses. Une solution accessible à plus court terme consiste à mettre en oeuvre un système de gestion du trafic. Dans cette optique, plusieurs actions et mesures de contrôle ont été développées pour améliorer l’efficacité des autoroutes. Parmi ces actions, on peut citer le contrôle d’accès et la limitation dynamique de la vitesse. Le contrôle d’accès consiste en une régulation du flux de véhicules désirant entrer sur une autoroute à partir d’une rampe. Nous avons développé la stratégie DFC (Différence de Flux Caractérisée par une densité désirée). Elle vise à maintenir sur la chaussée principale, au niveau de la rampe d’entrée,une densité inférieure à une cible déterminée au préalable à l’aide de simulations. Cette nouvelle stratégie a été comparée aux stratégies existantes telles que ALINEA et PI-ALINEA. La stratégie DFC présente l’intérêt de ne pas générer de phénomènes oscillatoires dans les trajectoires du flux et de ne pas nécessiter de paramètres à régler. La limitation dynamique de la vitesse impose sur plusieurs tronçons de la chaussée principale une limitation de vitesse qui dépend des conditions de circulation. L’objectif est d’éviter la congestion au niveau d’un goulot d’étranglement qui se trouve en aval. Nous avons proposé plusieurs stratégies de limitation dynamique de la vitesse. Elles utilisent toutes le modèle de trafic METANET. Deux des méthodes proposées exploitent le terme d’anticipation du modèle METANET et la troisième est basée sur le flux. Enfin, les différentes stratégies de limitation dynamique de la vitesse ont été utilisées en coordinationavec le contrôle d’accès DFC. La coordination permet d’obtenir des résultats meilleurs qu’un contrôle d’accès utilisé seul ou une limitation dynamique de la vitesse utilisée seule. / The highways congestion is a problem which appears in a recurring way and which has a wide economic, environmental and social impact. This problem can be resolved by increasing the highways capacity or by decreasing the traffic demand. These solutions are long to operate and are very expensive. An accessible solution in the shorter run consists in implementing a traffic management system.In this optics, several actions and control measures were developed to improve the efficiency of highways. Among these actions, we can quote the ramp metering control and the dynamic speed limits.The ramp metering consists of a regulation of the vehicles flow wishing to enter on a highway from an on-ramp. We developed the DFC strategy (Différence de Flux Characterisée par une densité désirée). It aims at maintaining on the main road, at the vicinity of the on-ramp, a density lower than a target beforehand determined by means of simulations. This new strategy was compared with the existing strategies such as ALINEA and PI-ALINEA. The DFC strategy presents the interest not to generate oscillatory phenomena in the trajectories of flow and not to require parameters to be adjusted. The dynamic speed limits imposes on several sections of the main road a speed limit which depends on traffic conditions. The objective is to avoid the congestion at a downstream bottleneck. We proposed several strategies of dynamic speed limits. They use quite the METANET model of traffic. Two of the proposed methods exploit the model METANET anticipation term and the third is based on the flow. Finally, the various strategies of dynamic speed limits were used in coordination with the DFC ramp metering. The coordination allows to obtain the results better than ramp metering used only or dynamic speed limits used only.

Des couches minces contenant des phases intermétalliques présent et des propriétés et de combinaisons de propriétés qui ne sont que partiellement explorées. Elles portent des solutions potentielles pour conférer des multifonctionnalités à des matériaux avancés requis par les secteurs industriels et sont source derupture et de l'innovation. Leur élaboration par dépôt chimique en phase vapeur à partir de précurseurs métallo-organiques (MOCVD) permet un dépôt conforme sur, et la fonctionnalisation de surfaces complexes, avec un temps de traitement court et à un coût modéré.Pour ceci, il est nécessaire de contrôler les réactions chimiques complexes et des mécanismes de transport impliqués. La modélisation informatique du procédé, alimentée avec des données obtenues par des expériences de dépôt ciblées, est un outil intégré pour l'étude et la compréhension des phénomènes qui se produisent à différentes échelles,de l’échelle macroscopique à celle nanométrique. La MOCVD de composés intermétalliques Al-Fe est étudiée en tant que paradigme de la mise en oeuvre d'une telle approche combinée, expérimentale et théorique. La phase approximanteAl13Fe4 est particulièrement ciblée,en raison de son intérêt comme alternative peu onéreuse aux catalyseurs à base de métaux noble dans l'industrie chimique. La mise au point du dépôt de la phase Al13Fe4est subordonnée à l'étude des proc /min à 185oC. La simulation du procédé prédit des vitesses de croissance en bon accord avec ces résultats, en particulier dans la gamme 139oC-227oC. La modélisation multi-échelle prédit la rugosité RMS avec précision, permettant ainsi le contrôle des propriétés telles que la résistivité électrique. La possibilité d'obtenir des films MOCVD de Fe à faible contamination en O et C est explorée dans la gamme 130oC-250oC à partir de fer pentacarbonyle, Fe(CO)5. La morphologie de la surface des films dépend fortement de la température de dépôt; elle devient plus lisse au-dessus de200oC, qui correspond aussi à la vitesse de croissance maximale, 60nm/min. La vitesse de dépôt diminue fortement lorsque la pression augmente. Les prédictions de la modélisation macroscopique reproduisent précisément ce comportement. Elles indiquent que la diminution de la vitesse de croissance à des températures et des pressions élevées est due à l’augmentation de la décomposition du précurseur en phase gazeuse et à l'inhibition de la réactivité de surface par le ligand CO. Le modèle multi échelle conduit à des valeurs RMS en bon accord avec les mesures expérimentales, en particulier à des températures plus élevées. Suite à l’étude des deux procédés, des co-dépôts d'Al-Fe effectués à 200oCrésultent en des films riches en Alavec une microstructure poreuse et rugueuse. Ceux-ci ne contiennent pas de phases intermétalliques et sont riches en oxygène dû à la réaction d'Al avec les ligandscarbonyles. Afin d’éliminer la contamination, des dépôts séquentiels d'Al et de Fe sont réalisés, ce dernier dans des conditions modifiées à 140oC, 40Torr et 10 min. Ces films sont exemptes d’hétéroélements et présentent un rapport atomique Al:Fe13:4. Diffraction des rayons X et microscopies électroniques révèlent qu’un recuit in situ à 575oC pendant 1 h conduit à des films à gradient de la composition sur l'épaisseur,composés de la phase approximantem-Al13Fe4 conjointement avec des phases intermétalliques Al-Fesecondaires. Il est ainsi démontré que des procédés MOCVD sont appropriés pour obtenir des films constitués d'alliages intermétalliques.Ces films multifonctionnels,appliqués de façon conforme sur des surfaces complexes sont utiles pour un grand nombre d'applications. / Films containing intermetallic compounds exhibit properties and combination of properties which are only partially explored. They carry potential solutions to confer multifunctionality to advanced materials required by industrial sectors and to become a source of breakthrough and innovation.Metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD) potentially allows conformal deposition on, and functionalization of complex surfaces, with high throughput and moderate cost. For this reason, it is necessary to control the complex chemical reactions and the transport mechanisms involved in a MOCVD process. In this perspective, computational modeling of the process, fed with experimental information from targeted deposition experiments, provides an integrated tool for the investigation and the understanding of the phenomena occurring at different length scales, from the macro- to the nanoscale. The MOCVD of Al-Fe intermetallic compounds is investigated in the present thesis as a paradigm of implementation of such a combined, experimental and theoretical approach. Processing of the approximant phase Al13Fe4 is particularly targeted, due to its potential interest as low-cost and environmentally benign alternative to noble metal catalysts in the chemical industry. The attainment of the targeted Al13Fe4 intermetallic phase passes through the investigation of the MOCVD of unary Al and Fe films. The MOCVD of Al from dimethylethylamine alane (DMEAA) in the range 139oC-241oC results in pure films. Increase of the deposition temperature yields higher film density and decreased roughness. The Aldeposition rate increases to a maximum of 15.5 nm/min at 185oC and then decreases. Macroscopic simulations of the process predictdeposition rates in sufficient agreement with experimental measurements, especially in the range 139oC-227oC. At higher temperatures, competitive gas phase and surface phenomena cannot be captured by the applied model. Multiscale modeling of the process predicts the RMS roughness of the films accurately, thus allowing the control of properties such as electrical resistivity which depend on the microstructure. The MOCVD of Fe from iron pentacarbonyl, Fe(CO)5, is investigated in the range 130oC-250oC for the possibility toobtain fairly pure Fe films with low Oand C contamination. The surface morphology depends strongly on the temperature and changes are observed above 200oC. The Fe deposition rate increases up to 200oC, to a maximum of 60 nm/min, and then decreases. Moreover, the deposition rate decreases sharply with increasing pressure. Computational predictions capture accurately the experimental behavior and they reveal that the decrease athigher temperatures and pressures is attributed to the high gas phase decomposition rate of the precursor and to inhibition of the surface fromCO. The multiscale model calculates RMS roughness in good agreement with experimental data, especially at higher temperatures. Upon investigation of the two processes, aseries of Al-Fe co-depositions performed at 200oC results in Al-rich films with a loose microstructure. They contain no intermetallic phases and they are O-contaminated due to the reaction of the Al with the carbonyl ligands. Sequential deposition of Al and Fe followed by in situ annealing at 575oC for 1 h is applied to bypass the Ocontamination. The process conditions of Fe are modified to 140oC, 40 Torr and 10 min resulting in O-free films with Al:Fe atomic ratio close to the targeted 13:4 one. Characterization techniques including X-ray diffraction, TEM and

Dans le cadre de la conception des structures automobiles et de la modélisation de leur tenue au crash, la prédiction du comportement mécanique et de la rupture des assemblages soudés par point par résistance, s’avère encore délicate. En introduisant une nouvelle génération d’assemblages multi-tôles en aciers multigrades soudés par point, la prédiction de leur tenue mécanique est devenue encore plus complexe. En effet, malgré une utilisation croissante de ces assemblages, l’étude expérimentale de leur comportement mécanique est encore très limitée, tandis que leur modélisation macroscopique n’a pas encore été proposée. Dans ce contexte, un dispositif expérimental approprié de type Arcan est proposé pour caractériser la tenue mécanique et la rupture des assemblages trois tôles soudés par points, en chargements purs et combinés et dans les différentes configurations possibles. Une approche de modélisation macroscopique est également proposée pour simuler le comportement des assemblages trois tôles soudés, pour des applications de type structure. Un modèle d’élément équivalent ’connecteur’ est tout d’abord proposé, identifié et validé par rapport un assemblage deux tôles soudé par point. Ensuite, une approche de modélisation utilisant trois connecteurs est proposée pour simuler le comportement mécanique et la rupture d’un assemblage trois tôles soudé par point par résistance. Une stratégie d’identification est aussi détaillée pour simplifier la procédure d’identification des paramètres du modèle. Le modèle est identifié et validé par rapport aux résultats expérimentaux des essais de caractérisation de type Arcan réalisés au cours de cette thèse. / Resistance spot welding (RSW) is widely used in the automotive industry. However, the prediction of their non-linear mechanical behavior and their failure in structural crashworthiness computations remains a challenge. The introduction of a new generation ofmulti-sheet multi-steel grade spot welded assemblies makes the prediction of their mechanical strength more complex.Despite the increasing use of these assemblies, the experimental study of their mechanical behavior is still very limited, while their macroscopic modeling has not yet been studied. An experimental device based on Arcan principle is thus proposed to characterize the mechanical strength and the failure of three-sheet spot welded assemblies, in pure and combined loads for different loading configurations. A macroscopic modeling approach is also proposed to simulate their mechanical behavior for structural applications. As a first step, a ’connector’ element is proposed, identified and validated for a two-sheet spot welded assembly. Then, a modeling approach using three connectors is proposed to simulate the mechanical behavior and the rupture of a three-sheet multi- steel grade spot welded assembly. An identification methodology is also presented to simplify the identification procedure of the model parameters. The model is identified and validated based on the experimental results of the Arcan tests carried out during this thesis.

Les approches 1D sont valides pour la modélisation des écoulements en rivière tant qu'ils peuvent être négligés dans la plaine d'inondation. Quand ces approximations sont invalides, il est fait appel aux modèles 1D à casiers ou aux modèles 2D. Dans le premier cas, les transferts de quantité de mouvement sont toutefois négligés. Pour la modélisation 2D des écoulements en rivière, un maillage précis du lit mineur doit être réalisé pour une prise en compte correcte de sa topographie. Le maillage est donc composé de mailles de petite taille et le pas de temps de calcul doit donc être réduit pour garantir la stabilité du schéma numérique. Une méthode alternative consiste à coupler les modèles 1D et 2D. Ces modèles 1D-2D ne sont généralement pas complètement satisfaisant dans la mesure où seuls les transferts de masse entre les modèles sont pris en compte. Dans le logiciel proposé SW12D, le couplage est réalisé en incluant le modèle 1D dans le 2D et en prenant en compte les transferts de masse et de quantité de mouvement. Ce formalisme permet une réduction considérable du nombre de mailles, en comparaison à un maillage 2D classique, et par conséquent de la durée de simulation. Des tests numériques ainsi que des exemples sur topographie réelle ont été réalisés avec un modèle 2D classique et SW12D. L'approche proposée représente correctement les pertes de charge dues à la sinuosité de l'écoulement ainsi que les court-circuits de méandre. Par ailleurs, les résultats sont suffisamment précis pour des applications d'ingénierie courante et obtenus avec un temps de calcul réduit. Cela constitue une amélioration significative par rapport aux modèles 1D et 2D.