Fiber Metal Laminates (FML) are hybrid composites with alternate layers of orthotropic fiber reinforced polymers (FRP) and isotropic metal alloys. FML can exhibit a nonlinear thermo-viscoelastic behavior under the influence of external mechanical and non-mechanical stimuli. Such a behavior can be due to the stress and temperature dependent viscoelastic response in one or all of its constituents, namely, the fiber and matrix (within the FRP layers) or the metal layers. To predict the overall thermoviscoelastic response of FML, it is necessary to incorporate different responses of the individual constituents through a suitable multi-scale framework. A multi-scale framework is developed to relate the constituent material responses to the structural response of FML. The multi-scale framework consists of a micromechanical model of unidirectional FRP for ply level homogenization. The upper (structural) level uses a layered composite finite element (FE) with multiple integration points through the thickness. The micromechanical model is implemented at these integration points. Another approach (alternative to use of layered composite element) uses a sublaminate model to homogenize responses of the FRP and metal layers and integrate it to continuum 3D or shell elements within the FE code. Thermo-viscoelastic constitutive models of homogenous orthotropic materials are used at the lowest constituent level, i.e., fiber, matrix, and metal in the framework. The nonlinear and time dependent response of the constituents requires the use of suitable correction algorithms (iterations) at various levels in the multi-scale framework. The multi-scale framework can be efficiently used to analyze nonlinear thermo-viscoelastic responses of FML structural components. The multi-scale framework is also beneficial for designing FML materials and structures since different FML performances can be first simulated by varying constituent properties and microstructural arrangements.

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.