Cette thèse a permis de développer un modèle analytique pour la prédiction de la température critique de poutrelle cellulaire fabriquée à base de profilés laminés en situation d'incendie. Ces résultats seront basés sur la mise au point d'un nouveau modèle analytique de poutrelle cellulaire isostatique soumise au feu. Pour assurer la fiabilité du modèle developpé, les étapes suivantes ont été considérées : La réalisation de tests en grande échelle en laboratoire ; La mise au point d'un modèle éléments finis dans le logiciel SAFIR ; La validation du modèle éléments finis en comparaison des essais en laboratoire ; Le développement du modèle analytique simplifié ; La validation de cette méthode analytique par une étude paramétrique utilisant le modèle éléments finis. Le modèle éléments finis et le modèle analytique sont capable de reproduire avec un niveau satisfaisant de précision le comportement complexe des poutrelles cellulaires en cas d'incendie

Les structures en béton armé sont amenées à répondre à différentes exigences pouvant dépasser la simple résistance mécanique. Pendant le processus de fissuration, les contraintes dans le béton armé sont progressivement redistribuées entre l’acier et le béton via l’interface entre ces deux matériaux. Cette redistribution de contraintes a un impact direct sur l’état de fissuration final et doit donc être prise en compte dans la modélisation. Il existe différents modèles numériques capables de représenter les effets de la liaison acier-béton. Cependant, leur usage est, pour l’instant, incompatible avec les applications concernant les structures de grandes dimensions (difficultés de maillage, coût de calcul…). Dans ce cadre d’application, l’hypothèse de liaison parfaite entre l’acier et le béton (déplacement identique) est donc toujours utilisée. On se propose ici de développer un nouveau modèle éléments finis de liaison acier-béton qui soit à la fois représentatif des phénomènes physiques se produisant à l’interface entre les deux matériaux et compatible avec les contraintes de modélisation des structures de grandes dimensions. Ce travail de thèse se découpe en trois grandes parties : - le développement d’un modèle élément fini de liaison acier-béton adapté aux contraintes de modélisation des structures de grandes dimensions. Ce modèle numérique permet ainsi de tenir compte des interactions mécaniques entre le béton et les armatures d’acier représentées à l’aide d’éléments barres. - la caractérisation du comportement de la liaison acier-béton. Un modèle de loi d’adhérence (évolution de la contrainte d’adhérence en fonction du glissement) basé sur des observations expérimentales (campagne expérimentale de pull-out menée au cours de la thèse et données bibliographiques) est proposé. Il permet en particulier de différencier le cas d’une rupture par arrachement, d’une rupture par éclatement en tenant compte des caractéristiques matériaux et géométriques de la structure. - l’application du modèle proposé à un élément structurel (poutre). Un essai de poutre en flexion quatre points visant à caractériser l’évolution de la fissuration (évolution de l’ouverture de fissure mesurée à l’aide de la technique de corrélation d’images notamment) a ainsi été proposé. Ces résultats ont ensuite été comparés à ceux de simulations numériques tenant compte de la liaison acier-béton d’une part ou de l’hypothèse de liaison parfaite d’autre part. Les deux modélisations donnent une bonne approximation du comportement extérieur de la structure (comportement global et ouvertures de fissure des surfaces extérieures de la poutre). Le modèle de liaison acier-béton apporte cependant une meilleure caractérisation de la phase de fissuration active (apparition des fissures) et modifie plus particulièrement le comportement local de la structure à proximité directe des armatures (limitant le développement de l’endommagement du béton le long des renforts). / Reinforced concrete structures may have to fulfill functions that go beyond their simple mechanical resistance. During the cracking process, stresses are progressively transferred from steel to concrete through the steel-concrete interface. This stress transfer has a direct impact on the crack properties. Taking into account these effects seems thus essential to predict correctly the cracking of reinforced concrete structures. Different models exist to represent the steel-concrete bond behavior. However, these models are rarely compatible with large scale simulations (meshing difficulties, heavy computational cost…). To overcome these difficulties, a perfect relation between steel and concrete (same displacements) is generally considered for structural applications. In this contribution, a new finite element approach is proposed to represent the steel-concrete bond effects in a context adapted for large scale simulations. This thesis is divided in three parts: - the development of a finite element steel-concrete bond model adapted for large scale structural applications . This model takes into account mechanical interactions between concrete and steel reinforcement represented by truss elements. - the characterization of the steel-concrete bond behavior. A model for the bond stress-slip law based on experimental observations (experimental campaign on pull-out test carried out during the thesis and data of literature) is proposed. This model differentiates the case of a pull-out failure and of splitting failure and takes into account the material properties and the geometric characteristics of the structure. - an application of the proposed model on a structural element (beam). A four point bending beam is experimentally tested. This test aims to characterize the crack evolution (in particular the crack opening using the image correlation technique). Experimental results are then compared with numerical simulations taking into account the bond–slip effect between steel and concrete or considering the perfect relation hypothesis. The two simulations give a good approximation of the external behavior of the structure (global behavior and crack opening on the external face of the beam). Nevertheless, the bond model improves the cracking description during the active cracking phase (beginning of crack apparition) and influences the local behavior of the structure especially near the steel bars (avoiding the propagation of the damage of concrete along the steel reinforcement).

Le présent mémoire de thèse propose de nouvelles méthodes de simulation pour la prédiction du comportement dynamique des bâtiments sous séisme. En s'appuyant sur la similitude architecturale des étages d'un immeuble, une méthode d'homogénéisation des milieux à périodicité unidirectionnelle est élaborée afin de réduire son modèle structural tridimensionnel à un modèle simplifié (poutre équivalente). La structure simplifiée est ensuite étudiée en interaction avec le sol. La dispersion significative observée sur les propriétés du sol est introduite sous la forme d'une matrice d'impédance aléatoire construite à l'aide du maximum d'entropie. L'ensemble est soumis à un signal sismique naturel et la réponse dynamique est calculée dans le domaine linéaire (cas déterministe et stochastique) et dans le domaine non-linéaire (décollement de fondation). Dans le cas non-linéaire, une sous structuration de type Craig-Bampton permet de déterminer la réponse de la structure par analyse modale / This PhD thesis presents new numerical methods of simulation dedicated to the prediction of the dynamic response of buildings under seismic loads. Assuming the architectural similarity of stories of a building, a homogenization method for media with one-dimensional periodicity is created in order to reduce its three-dimensional structural modeling to a homogeneous beam model. The simplified structure is then studied by taking into account soil-structure interaction represented by an impedance matrix. The usually significant uncertainties of soil properties are taken into account by using random matrices whose probability density function is built by using the maximal entropy principle. The dynamic response of the structure is then obtained under seismic loading in linear case and in nonlinear case when the uplifting of the foundation is taken into account. A modal analysis of the structure is possible even in the non-linear case by using a Craig-Bampton sub-structuration

Ce travail répond à la question de l’identification de l'équation du mouvement à partir des mesures expérimentales. Les structures considérées ont soit une soit deux dimensions. La méthode présentée utilise les méthodes inverses locales qui se basent sur les mesures du champs vibratoire stationnaire. Ces méthodes sont indépendantes des conditions aux limites qui sont inconnues pour l'observateur. Deux méthodes de sélection des modèles sont utilisées pour choisir l'équation du mouvement la plus adaptée parmi un ensemble des modèles a priori. La méthode est appliquée a des nombreux cas expérimentaux. Trois problématiques sont traités: identification de la force axiale dans les poutres et membranes, identification de l'orthotropie de la plaque et identification d'un panel sandwich épais. / This works deals with a question of identification of the equation of motion based on experimental measurements. The considered structures are either one or two-dimensional plane structures. The developed methodology employs local inverse methods based on local steady-state vibration field and it is therefore independent of boundary conditions. Two different model selection techniques are used to select the most adapted equation of motion from a set of apriori candidate models. The method is applied to various experimental case studies as identification of axial force in beams and membranes, identification of plate orthotropy and identification of thick sandwich panel model.

Cette thèse s’effectue au sein de l’université de Bordeaux. Ce projet concerne la construction en bois et en particulier la compréhension des phénomènes à l’origine des fissures dans les structures bois. L’un des objectifs étant de concevoir des méthodes efficaces de renforcement local pour les éléments de structure. Pour cela, l’étude se décompose en plusieurs étapes, la compréhension des phénomènes mis en jeu dans la création des fissures sur des bois de construction. Ce travail s’orientera sur la modélisation de fissure en mode mixte, la recherche de solution de renforcement avec compréhension fine de l’impact de types de renforts sur la propagation de la fissure. Cette étude sera accompagnée d’une campagne d’essais, afin de vérifier l’efficacité des renforcements choisis et d’identifier l’impact de l’effet d’échelle sur les modèle de prédiction. Des essais de grandes dimensions seront donc réalisés pour mieux appréhender les effets de groupes et les effets d’échelle sur du matériau d’emploi. On vise ensuite à définir des outils prédictifs de la résistance des systèmes renforcés et de moyens de contrôles pour les Plan d’Assurance Qualité. / The purpose of reinforcing assemblies and structural elements inwood is to overcome the resistance limits of the material, by transferring greaterefforts in areas which can lead to premature cracking in structures. The reinforcementsused can be made of steel, composite materials or wood. Their hook can bemechanical (screwed bodies) or by adhesion (structural bonding like glued-in rodsfor example). In both cases, the transfer of solicitations remains poorly known, andthe effect of the beginning and the deflection of crack are not well apprehended. Inengineering techniques, the wood resistance in the reinforced area is neglected, whichis in line with the precautionary principle. Currently, the scientific investigations areinterested in the resistance of those kind of techniques without considering the interactionsbetween the quasi-brittle behavior of the wood and the reinforcementswhich govern the gain in mechanical performance. However, these solutions can leadto a failure caused by the progressive splitting of the wood and the anchor loss ofthe reinforcement. So it seems accurate to propose predictions of the short-termstrength for splitting of reinforced and unreinforced beams, which can be used tofurther exploration of the long-term failure mechanism. That is why, in this study, aglobal prediction model of the ultimate strength of structural components subjectedto splitting, reinforced and unreinforced ones, was developed. It considers the quasibrittlebehavior of the wood and crack propagation in mixed mode, using a mixinglaw established on the R-curves. The relevance of this modeling was then comparedto the current dimensioning methods of the Eurocodes 5, for notched beams, withexperimental campaigns conducted at different scales.

Nous nous intéressons au cas de structures poutres vibrantes soumises à des précharges. Ces précharges influent sur les fréquences propres. Elles induisent un comportement non linéaire de la structure. L'attention est portée en particulier sur les poutres préchargées en rotation uniforme. Celles-ci subissent alors les effets des forces d'inertie centrifuge et aérodynamiques. Les effets rigidifiants augmentent la raideur en flexion des poutres et décalent les modes propres. Il apparaît alors une matrice de raideur géométrique, et une matrice de raideur cinétique dans le cas des poutres en rotation. Nous utilisons une méthode développée par D. GAY permettant une modélisation unidimensionnelle d'une structure réelle composite tridimensionnelle. Cette méthode s'appuie sur le concept d'homogénéisation avec prise en compte des effets de gauchissement. Des paramètres intégraux de déplacements et de rotation «moyens» de la section permettent alors la constitution d'un élément fini de poutre. Nous avons rédigé et mis au point le code de calculs correspondant, qui permet d'effectuer des calculs de fréquences et modes de poutres composites à ligne moyenne rectiligne avec des conditions aux limites variées en déplacement et en efforts. Afin de valider les outils informatiques développés, nous avons réalisé des vérifications expérimentales sur des poutres soumises à des précontraintes de traction et de flexion pure. Ces essais, menés conjointement aux calculs numériques ont montré une bonne corrélation

Cette thèse s'inscrit dans le cadre de la recherche ECOLEADER des programmes européens d'accès aux grades installations ayant comme objectif l'amélioration de nos connaissances sur la vulnérabilité des structures à voiles porteurs sous chargement sismique. Une stratégie de modélisation simplifiée basée sur des éléments de poutre multifibre Euler - Bernoulli ou Timoshenko est présentée. Les lois utilisées pour le béton et l'acier sont basées sur la mécanique de l'endommagement et la plasticité respectivement. Malgré sa simplicité, le modèle permet de modéliser de façon satisfaisante le comportement global des structures en béton armé sous chargement dynamique. De plus, il est capable de reproduire qualitativement les tendances du schéma de fissuration et la position des zones d'endommagement. Les calculs non linéaires dynamiques sont les seuls capables d'évaluer les marges de variation de l'effort normal, d'étudier l'état des sections vis-à-vis de l'état ultime et de fournir ainsi les informations nécessaires dans la phase de conception. Outil disponible pour l'ingénierie, cette approche doit être considérée comme pouvant être utilisée en parallèle avec les méthodes classiques de dimensionnement et elle est en mesure de conforter les décisions des concepteurs.

Les travaux effectués dans le cadre de cette thèse portent sur une stratégie de modélisation simplifiée des structures en béton armé soumises à des chargements de type dynamique et s'inscrivent dans le programme Européen ICONS - TMR. La modélisation de la maquette CAMUS III du programme est premièrement effectuée en utilisant des éléments 2D poutres multicouches et des lois uniaxiales locales. Une nouvelle stratégie de modélisation simplifiée 2D pour des voiles soumis à des cisaillements dynamiques est ensuite présentée. Le concept du Béton Armé Equivalent (BAE) est fondé sur une équivalence milieu continu milieu discontinu en treillis. Des lois locales uniaxiales sont utilisées pour le béton et les armatures. Le BAE est validé avec les résultats expérimentaux des maquettes T5 et T12 du programme SAFE et la maquette du programme NUPEC. Les problèmes 3D sont finalement abordés avec le développement d'un élément fini poutre multifibre Timoshenko valable pour des sections quelconques (hétérogènes et sans symétrie). La solution adoptée est celle d'un élément fini à deux nœuds avec des fonctions de forme de degré supérieur pour les déplacements et les rotations. L'élément est présenté en détail ainsi que sa validation à partir des résultats expérimentaux (poteaux sous chargement cyclique, murs en U du programme ICONS).

Une méthodologie générale de simplification de modèles éléments finis de structures à comportement de poutre est proposée dans ce mémoire. Elle concerne les structures mécaniques constituées de composants qui présentent un comportement dynamique global de poutre dans le domaine fréquentiel d'utilisation. C'est en particulier le cas des véhicules automobiles, dont l'ossature comporte des corps creux et des profilés modélisés finement par des éléments finis de type coque. Le principe de simplification mis en oeuvre consiste à remplacer le maillage fin de ces sous-structures par un modèle " équivalent " constitué d'éléments finis de poutre adéquats, réduisant ainsi de manière drastique la taille du modèle sans dégradation significative de sa précision. On propose une méthode originale permettant d'identifier de manière automatique tous les paramètres physiques à introduire dans le modèle équivalent, basé sur la formulation de Timoshenko et prenant en compte le couplage dynamique flexion-torsion. Les nombreux tests numériques présentés mettent en évidence les performances et la fiabilité de la stratégie élaborée. Son adaptation à des structures industrielles de forme complexe, ainsi que l'efficacité du logiciel d'application développé à cet effet, sont illustrées dans ce mémoire.

Ce travail de recherche est dédié à la simulation de la réponse transitoire des assemblages de poutres soumis à des chocs. De tels chargements entraînent la propagation d'ondes haute fréquence dans l'ensemble de la structure. L'énergie qu'elles transportent peut être dommageable pour son fonctionnement ou celui des équipements embarqués. Dans des études précédentes, il a été observé sur des structures expérimentales qu'un régime vibratoire diffusif tend à s'installer pour des temps longs. Le but de cette étude est donc de développer un modèle robuste de la réponse transitoire des assemblages de poutres soumis à des chocs permettant de simuler, entre autres, cet état diffusif. Les champs de déplacement étant très oscillants et la densité modale élevée, la simulation numérique de la réponse transitoire à des chocs peut difficilement être menée par une méthode d'éléments finis classique. Une approche utilisant un estimateur de la densité d'énergie de chaque mode de propagation a donc été mise en œuvre. Elle permet d'accéder à des informations locales sur les états vibratoires, et de contourner certaines limitations intrinsèques aux longueurs d'onde courtes. Après avoir comparé plusieurs modèles de réduction cinématique de poutre à un modèle de Lamb de propagation dans un guide d'ondes circulaire, la cinématique de Timoshenko a été retenue afin de modéliser le comportement mécanique haute fréquence des poutres. En utilisant ce modèle dans le cadre de l'approche énergétique évoquée plus haut, deux groupes de modes de propagation de la densité d'énergie vibratoire dans une poutre ont été isolés : des modes longitudinaux regroupant un mode de compression et des modes de flexion, et des modes transversaux regroupant des modes de cisaillement et un mode de torsion. Il peut être également montré que l''evolution en temps des densités d'énergie associées obéit à des lois de transport. Pour des assemblages de poutres, les phénomènes de réflexion/transmission aux jonctions ont du être pris en compte. Les opérateurs permettant de les décrire en termes de flux d''energie ont été obtenus grâce aux équations de continuité des déplacements et des efforts aux jonctions. Quelques caractéristiques typiques d'un régime haute fréquence ont été mises en évidence, tel que le découplage entre les modes de rotation et les modes de translation. En revanche, les champs de densité d'énergie sont quant à eux discontinus aux jonctions. Une méthode d'éléments finis discontinus a donc été développée afin de les simuler numériquement comme solutions d''equations de transport. Si l'on souhaite atteindre le régime diffusif aux temps longs, le schéma numérique doit être peu dissipatif et peu dispersif. La discrétisation spatiale a été faite avec des fonctions d'approximation de type spectrales, et l'intégration temporelle avec des schémas de Runge-Kutta d'ordre élevé du type "strong stability preserving". Les simulations numériques ont donné des résultats concluants car elles permettent d'exhiber le régime de diffusion. Il a été remarqué qu'il existait en fait deux limites diffusives différentes : (i) la diffusion spatiale de l''energie sur l'ensemble de la structure, et (ii) l'équirépartition des densités d'énergie entre les différents modes de propagation. Enfin, une technique de renversement temporel a été développée. Elle pourra être utile dans de futurs travaux sur le contrôle non destructif des assemblages complexes et de grandes tailles.