Dès ma thèse de doctorat, je me suis intéressé au comportement des géomatériaux et au développement d'outils de modélisation et de caractérisation des matériaux hétérogènes et nonlinéaires. Ma double formation (matériaux et mécanique) m'a permis de travailler sur plusieurs types de matériaux doués de propriétés intéressantes et largement utilisés en génie civil tant au niveau du sous-sol (géomatériaux) qu'au niveau de la structure elle-même (bois, granulats, bitume). Ces matériaux constituent non seulement le terrain d'expression pour de nombreuses disciplines scientifiques comme la science des matériaux, la physico-chimie, la mécanique et la rhéologie mais également un vecteur de développement économique et social. - Période doctorale : Les grandes déformations des matériaux inélastiques anisotropes ; - Période post-doctoral : Le séchage sous vide du bois : Pourquoi et comment ? ; - Période professionnelle . La durabilité des matériaux de chaussées (apport du multi-échelle).

Les principales thématiques que j’ai abordées depuis ma nomination en tant que maitre de conférences en 1995, sont très diversifiées. Ce mémoire s’articule autour de 3 chapitres. Le premier " Mécanique-Matériaux " expose dans une première partie, les travaux que nous avons menés sur un mode de dégradation des bétons, l’alcali-réaction et notre proposition de réparation par matériaux composites des ouvrages atteints. La seconde partie expose nos travaux sur des lois d’interfaces substitutives à des couches minces souples et rigides par une modélisation asymptotique. Le deuxième chapitre " Matériaux souples – Structures pressurisées " développe une méthode d’identification des termes en cisaillement de la matrice d’élasticité de matériaux composites souples. D’un point de vue structural, nous avons étudié le comportement mécanique d’éléments pressurisés cylindriques en considérant l’orthotropie du matériau. Nous avons orienté nos travaux vers des poutres de Timoshenko dans l’espace en tenant compte de l’aspect orthotrope du matériau, des non-linéarités géométriques et des forces suiveuses induites par la pression interne. Le dernier chapitre " Mécanique appliquée à la biomécanique " expose 3 projets transversaux liés à la biomécanique. Le premier projet porte sur le développement d’attelles orthopédiques de maintien d’enfants atteints d’Invalidité Motrice et Cérébrale. Le deuxième projet traite d’un dispositif interne destiné à corriger la scoliose chez l’enfant tout en s’auto-adaptant à sa croissance. Le dernier projet concerne la conception et la réalisation d’un mannequin de jambe destiné à des crashtests pour l’amélioration de la sécurité des piétons. L’ensemble de ces travaux couvrent des approches très variées où les aspects théoriques, expérimentaux et numériques sont abordés.

Ce mémoire de thèse porte sur l'exploitation de l'effet Seebeck pour la caractérisation thermo-physique des matériaux thermoélectriques (TE) solides et liquides. Lors de travaux récents au sein du laboratoire, la technique photothermoélectrique (PTE) a été développée pour la caractérisation thermique de matériaux TE solides de faibles conductivités électriques. Dans ce travail, l'utilisation de cette technique a été généralisée à tous les matériaux TE solides (de faibles ou de hautes conductivités électriques). Cela est rendu possible par la prise en compte de la nature gaussienne de l'excitation thermique modulée à laquelle le matériau est soumis ainsi que par la compréhension des effets de couplage des mécanismes de transport thermique et électrique dans les matériaux TE. Dans cette thèse, plusieurs matériaux thermoélectriques solides ont été étudiés : le trisulfure de titane (TiS₃), les oxydes types Bi₂Ca₂Co₁,₇Oₓ, le séléniure du tellurure de bismuth (Bi₂Te₂,₄Se₀,₆). La tension auto-induite par effet Seebeck a été aussi exploitée pour la détection des transitions de phases que présentent certains matériaux thermoélectriques, ici le cas du séléniure de cuivre a été étudié. Une nouvelle procédure qui permet de déterminer l'évolution de la diffusivité thermique d'un matériau TE en fonction de la température est présentée. En plus des matériaux TE solides, la technique PTE a été étendue à l'étude des matériaux thermoélectriques liquides (LTE). Un modèle théorique qui décrit le signal délivré par un matériau LTE soumis à une excitation thermique périodique a été développé. Ensuite, une étude de l'évolution des propriétés thermiques d'un matériau LTE en fonction de la concentration d'un soluté a été réalisée. Enfin, l'approche dite de cavité résonnante d'ondes thermiques (TWRC) a été utilisée pour investiguer thermiquement des matériaux LTE. À notre connaissance, c'est la première fois que l'approche TWRC est utilisée pour l'analyse du signal généré par un liquide thermoélectrique. L'utilisation des LTE comme capteurs thermiques a été aussi abordée dans ce travail. / The use of the self-induced Seebeck effect in thermophysical characterization of solid and liquid thermoelectric (TE) materials is described in this manuscript. In previous works, the photothermoelectric technique (PTE) has been developed in our laboratory for the thermal characterization of solid TE materials having low electrical conductivities. In this work, we first generalized the use of the PTE technique to all solid thermoelectric materials (with high or low electrical conductivities). This is achieved by taking into account the Gaussian shape of the thermal source exciting the material as well as by the understanding of the coupling effects between thermal and electrical transport mechanisms when a TE material is submitted to a modulated thermal excitation. In this thesis, several solid thermoelectric materials were studied : Titanium trisulfide (TiS₃),Bi₂Ca₂Co₁,₇Oₓ oxydes and Bismuth Selenido-telluride (Bi₂Te₂,₄Se₀,₆). Then, the self-induced Seebeck voltage was used for the detection of phase transitions exhibited by certain thermoelectric materials. The case of the copper selenide (Cu₂Se) was studied. A new procedure allowing to follow the temperature dependance of the thermal diffusivity of solid TE materials is also presented. In this work, the PTE technique was extended to liquid thermoelectric (LTE) materials. Indeed, a theoretical model describing the signal delivered by a LTE material subject to a periodic thermal excitation has been developed. Then, a study of the evolution of the thermal properties of an electrolyte as function of a solute concentration was performed. Finally, the thermal-wave resonator cavity (TWRC) approach was used to characterize thermally LTE materials. As far as we know, this is the first method proposing a TWRC approach applied directly to the sensor itself. The use of LTE such as heat sensors was also addressed here.

Les absorbeurs de chocs en matériaux composites sont capables de dissiper une grande quantité d'énergie, grâce à une compétition de deux mécanismes que sont le délaminage et la fragmentation des plis en compression. Ce second mode de rupture a pour origine le plissement, qui s'initie de façon intrinsèque à l'échelle des fibres. Cette thèse est une contribution à la modélisation multi-échelles de la rupture en compression pour la simulation de structures composites. A cette fin, on propose une stratégie en trois étapes. La première consiste à construire un modèle microscopique capable de représenter la physique du plissement. La difficulté est d'intégrer les influences pertinentes en termes de contrainte ultime et d'énergie absorbée, en particulier l'influence des défauts et du cisaillement. La seconde étape consiste à homogénéiser la réponse de ce micromodèle pour une variété de chargements représentatifs. Un modèle de comportement original et paramétré par les défauts de la microstructure est proposé. Il intègre des lois de comportement déterministes, identifiées par des simulations du micromodèle numérique. Enfin, la troisième étape a pour objet d'intégrer ce comportement basé sur la micromécanique dans un modèle à l'échelle du pli, existant et validé. L'implantation est réalisée dans le cadre d'un code de calcul hybride continu/discret, pour mener des simulations d'échantillons et observer les interactions entre le plissement et les autres modes de dégradation.

Ce travail est dédié au traitement numérique de la fissuration au sein d'une structure dont la rupture résulte d'un endommagement ductile. Trois points importants sont ainsi à considérer : la modélisation du comportement du matériau, la modélisation de la fissure au sein de la structure, la méthode de propagation couplant les deux modélisations précédentes. L'étude est conduite en 2D en déformations planes (DP), dans le cadre des petites perturbations. Une procédure dynamique a été choisie avec un schéma de résolution implicite, en utilisant le code de calculs industriel Abaqus. Le comportement du matériau est modélisé via un modèle de type GTN modifié (GTNm), voir Longère et al, Int. J. Dam. Mech. (2012), prenant en compte les effets combinés de l'écrouissage, de l'adoucissement thermique, de la viscoplasticité et de l'endommagement ductile. Le modèle GTNm a été implanté en 2D DP dans Abaqus via une routine utilisateur (umat). Pour décrire les conséquences cinématiques de la présence d'une fissure au sein de la structure ainsi que de sa propagation, nous avons retenu la méthode des éléments finis étendus (X-FEM), voir Moes et al, Int. J. Numer Meth. Engng (1999). La méthode X-FEM a été implantée en 2D DP dans Abaqus via une routine utilisateur (uel). Afin de permettre le couplage entre la X-FEM et le comportement fortement non linéaire du matériau, certains choix ont dû être faits, notamment en ce qui concerne la forme du champ de déplacement enrichi ainsi que l'intégration numérique. Comme dans le travail de Haboussa et co-auteurs, voir Haboussa et al, Int. J. Numer Meth. Engng (2011), certaines grandeurs sont moyennées dans une pastille située en pointe de fissure dans le but d'atténuer la dépendance des résultats numériques au maillage. L'originalité de ce travail réside sans doute dans la méthode de propagation, dont le but est de reproduire une rupture induite par endommagement ductile. En premier lieu, la direction de propagation potentielle de la fissure est calculée via une analyse de bifurcation dans le cas d'un état matériau figé. Le principe est en effet de considérer que la direction de propagation de la fissure est la direction dans laquelle la déformation s'est localisée, comme c'est le cas dans la phase de coalescence Dans un second temps, un critère d'amorçage basé sur une énergie stockée en pointe de fissure a été défini. Si cette énergie dépasse une valeur critique, nous considérons que la fissure se propage. Nous calculons alors la longueur du nouvel incrément de fissure via une des deux méthodes retenues dans notre étude : une méthode dite par épuisement (MEPUI) et une méthode par contrôle de la vitesse de fissuration (MCVF). La MEPUI est basée sur le principe que la fissure se propage tant que le critère d'amorçage de la fissure est vérifié et est valable quelle que soit la vitesse de chargement de la structure. A contrario, la MCVF est basée sur la loi de Kanninen qui permet de contrôler la vitesse de fissuration et n'est valable que pour des vitesses de chargement élevées. Ces deux méthodes de propagation (MEPUI et MCVF) ont été implantées dans Abaqus via une routine utilisateur (uel). Afin de tester les deux méthodes mises en place dans notre étude (MEPUI et MCVF), des simulations numériques sur des plaques fissurées et entaillées ont été conduites. Considérant quelques simplifications, ce travail permet de reproduire la propagation d'une fissure dans une structure 2D dont la rupture résulte d'un endommagement par germination et croissance de cavités.

Ce travail s'inscrit dans le contexte des techniques de renforcement des sols, permettant d'améliorer les performances mécaniques de terrains de qualité médiocre. Parmi ces techniques, l'utilisation d'inclusions souples prenant la forme de colonnes ou de tranchées croisées connaît une diffusion croissante. Même si les aspects relatifs à leur procédé de construction sont aujourd'hui bien maîtrisés, les méthodes de dimensionnement de ces ouvrages en sols renforcés restent à améliorer. Dans cette thèse, nous proposons d'utiliser la méthode d'homogénéisation afin d'analyser le comportement global des ouvrages en sols renforcés, dans le cadre de la théorie de l'élasticité (propriétés de rigidité) aussi bien que dans celle du calcul à la rupture (propriétés de résistance). Tenant compte de la périodicité géométrique des différentes configurations de renforcement, nous déterminons le comportement des sols renforcés tout d'abord au niveau local puis à l'échelle de l'ouvrage. Pour évaluer les capacités de résistance des ouvrages en sols renforcés, les approches statique et cinématique du calcul à la rupture sont mises en oeuvre analytiquement ou numériquement selon la nature du matériau de renforcement utilisé. Par des formulations numériques innovantes adaptées à cette théorie, nous parvenons notamment à évaluer les domaines de résistance macroscopiques des sols renforcés par colonnes ou tranchées croisées, qui peuvent ensuite être pris en compte dans le comportement à la rupture des ouvrages en sols renforcés. Deux exemples d'application de cette procédure, relatifs au problème de capacité portante d'une semelle de fondation reposant sur un sol renforcé d'une part et à l'analyse de la stabilité d'un remblai d'autre part, sont effectués.

Les sources de couplage thermomécanique dans les matériaux viscoélastiques sont multiples : thermo-élasticité, dissipation visqueuse, évolution des caractéristiques mécaniques avec la température. La simulation numérique de ces couplages en calcul des structures présente encore un certain nombre de défis, spécialement lorsque les effets de couplage sont très marqués (couplage fort). De nombreuses approches algorithmiques ont été proposées dans la littérature pour ce type de problème. Ces méthodes vont des approches monolithiques, traitant simultanément l'équilibre mécanique et l'équilibre thermique, aux approches étagées, traitant alternativement chacun des sous-problèmes mécanique et thermique. La difficulté est d'obtenir un bon compromis entre les aspects de précision, stabilité numérique et coût de calcul. Récemment, une approche variationnelle des problèmes couplés a été proposée par Yang et al. (2006), qui permet d'écrire les équations d'équilibre mécanique et thermique sous la forme d'un problème d'optimisation d'une fonctionnelle scalaire. Cette approche variationnelle présente notamment les avantages de conduire à une formulation numérique à structure symétrique, et de permettre l'utilisation d'algorithmes d'optimisation. Dans ce travail on utilise l'approche variationnelle pour résoudre le problème thermo-visco-élastique fortement couplé, puis on compare plusieurs schémas algorithmiques afin de trouver celui qui présente les meilleures performances.

In this work passive piezoelectric devices for vibration damping are studied. It is developed the basic idea of synthesizing electrical wave guides to obtain an optimal electro-mechanical energy exchange and therefore to dissipate the mechanical vibrational energy in the electric form. Modular PiezoElectroMechanical (PEM) structures are constituted by continuous elastic beams (or bars) coupled, by means of an array of PZT transducers, to lumped dissipative electric networks. Both refined and homogenized models of those periodic systems are derived by an energetic approach based on the principle of virtual powers. Weak and strong formulation of the dynamical problem are presented having in mind future studies involving the determination of numerical solutions. In this framework the effectiveness of the proposed devices for the suppression of mechanical vibrations is investigated by a wave approach, considering both the extensional and flexural oscillations. The optimal values of the electric parameters for a fixed network topology are derived analytically by a pole placement technique. Their sensitivities on the dimensions of the basic cell of the periodic system and on the design frequency are studied. Moreover the dependence of damping performances on the frequency is analyzed. Comparing the performances of different network topological configurations, the advantages of controlling a mechanical structure with an electric analog are shown. As a consequence of those results, new interconnections of PZT transducers are proposed. An experimental setup for the validation of the analytical and numerical results is proposed and tested. A classical experience on resonant shunted PZT is reproduced. Future experimental work is programmed.

Ce travail de thèse s'insère dans les thèmes développés dans l'équipe "MécaWet" du laboratoire PMMH. Le fil conducteur de ces activités est l'étude de structures élancées (tiges, plaques, coques) en lien avec les autres thèmes développés au laboratoire. En particulier, nous nous intéresserons à la déformation de tubes flexibles par des forces capillaires, à l'écoulement de petits grains ou au contraire de gros objets dans des tubes souples et au flambement de ces tubes sous l'effet d'une dépression. L'approche expérimentale est fidèle à l'esprit du laboratoire. Nous développerons ainsi des expériences macroscopiques modèles afin d'extraire les ingrédients physiques d'un problème. Des expé- riences à taille humaine permettent en effet de contrôler facilement les paramètres expérimentaux sur plusieurs ordres de grandeur.

La rupture des matériaux quasi-fragiles, tels que les céramiques ou les bétons, peut être représentée schématiquement par la succession des étapes de nucléation et de coalescence de micro-fissures. Modéliser ce processus de rupture est un enjeu particulièrement important lorsque l'on s'intéresse à la résistance des structures en béton, en particulier à la prédiction de la perméabilité des structures endommagées. La démarche choisie est une vision multi-échelle où le comportement global est caractérisé par la mécanique de la rupture, et le comportement local représenté par la méthode des éléments discrets. Le modèle représente la fissuration par des grandeurs généralisées, qui seront définies dans le cadre de la mécanique de la rupture. Afin de prendre en compte l'aspect non linéaire de la fissuration dans les matériaux quasi-fragiles, la cinématique usuelle de la mécanique de la rupture est enrichie par l'ajout de degrés de libertés supplémentaires chargés de représenter la part non linéaire du champ de vitesse. L'évolution du comportement est alors condensé par l'évolution de facteurs d'intensité. Le modèle proposé permet de prédire le comportement lors de chargements de mode mixte I+II proportionnel et non-proportionnel. Enfin, une campagne d'essais visant à caractériser le comportement en fissuration du mortier à été réalisée. Les résultats obtenus montrent un rôle important de la fissuration par fatigue. La méthode de changement d'échelle a également été appliquée sur les champs de vitesse en pointe de fissure, confirmant la représentation du comportement en pointe de fissure par une cinématique enrichie.