Des panneaux sandwichs thermoplastiques imprimés en 3D avec des cœurs en nid d'abeille sont étudiés afin d'être utilisés dans la conception d'engins d'exploration lunaire. C'est dû à leur rigidité en flexion élevée, leur faible densité et leur basse conductivité thermique. Les matériaux thermoplastiques ne sont pas aussi bien documentés en termes de comportement mécanique que d'autres matériaux. La recherche est donc nécessaire pour prédire le comportement mécanique de structures en composite thermoplastique fabriquées par impression 3D. À cette fin, ce projet avait trois objectifs principaux. Le premier était de caractériser le comportement mécanique d'un polymer thermoplastique (polylactide ou PLA) imprimé en 3D. Le deuxième était de prédire le comportement mécanique de panneaux sandwichs en PLA avec des simulations. Le troisième était de développer un modèle homogénéisé du cœur en 2D pour les simulations à grande échelle. Les spécimens en PLA ont été caractérisées en traction et en compression. Un module d'élasticité en traction de 2,46 ± 0,07 GPa et un module d'élasticité en compression de 2,68 ± 0,04GPa ont été mesurés. Des essais ont également été réalisés pour des panneaux imprimés soumis à des chargements de compression hors-plan, de flexion trois-points et d'indentation. Ces essais ont été ensuite modélisés par éléments finis. Les modèles 3D, constitués d'éléments coques 2D pour modéliser les cellules du cœur et les peaux, ont prédit le module d'élasticité et la contrainte maximale à 10 % près pour la compression et la flexion. Les modes de flambement, cependant, n'ont pas été si bien modélisés par les simulations de compression et d'indentation, ce qui montre une limite de la méthode. Ce modèle a été ensuite utilisé pour déterminer les propriétés élastiques équivalentes du cœur Ces propriétés, ainsi que les propriétés calculées par des méthodes analytiques, ont été appliquées à des modèles 2D représentatifs des panneaux sandwichs. En comparant ces modèles, il a été établi que le comportement linéaire en traction et en compression dans le plan était similaire. En flexion, le modèle qui utilise des propriétés équivalentes obtenues analytiquement prédit à moins de 5 % la rigidité du modèle 3D complet, tandis que le modèle qui utilise des propriétés équivalentes obtenues numériquement était à moins de 15 %. Étant donné qu'un modèle analytique précis ne sera pas disponible pour prédire les propriétés équivalentes pour chaque géométrie de cœur et pour des matériaux non-isotropes, utiliser es propriétés équivalentes du cœur obtenues par éléments finis dans un modèles coques 2D qui représente le panneau sandwich est une méthode valide pour prédire le comportement mécanique d'une structure sandwich. Avec ce modèle premier comme base, les travaux de modélisation s'étendre aux composites thermoplastiques renforcé par des fibres de carbone qui serviraient à concevoir un engin d'exploration lunaire résistant à son environnement. D'autres travaux peuvent également être effectués sur différents panneaux qui, grâce à la flexibilité de l'impression 3D, ont une densité ou une géométrie variable. Ces panneaux sandwichs aideront à optimiser la structure d'un engin d'exploration lunaire capable de survivre à des cycles jour-nuit complets sur la lune. / 3D printed thermoplastic composite sandwich panels with honeycomb cores are being researched as a structural element for lunar rovers. This is for their high flexural rigidity, low density, and low thermal conductivity. However, thermoplastic materials are not aswell-documented in terms of structural behaviour as other commonly-used materials like aluminum. Therefore, work is needed to develop a model for these thermoplastics. To that end, this project had three main objectives. The first was to characterize a 3D printed thermoplastic polymer (polylactic acid or PLA). The second was to establish a model to predict the mechanical behaviour of printed honeycomb core sandwich panels. The third was to develop an equivalent core model for large-scale simulations. Parts made with PLA were characterized in tension and compression. These tests measured an elastic modulus in tension of 2.46 ± 0.07 GPa and an elastic modulus in compression of 2.68 ± 0.04 GPa. Tests were also performed for printed panels undergoing out-of-plane compression, three-point bending, and indentation, which were then simulated. Three-dimensional simulation models, constructed by modelling the core cells and the skins with two-dimensional shell elements, accurately predicted the elastic modulus and maximum stress to within 10% for both the compression and bending simulations. The buckling modes were less accurately modelled for both compression and indentation simulations, which shows the limit of the current method's predictive capabilities. This model was then used to determine the equivalent elastic properties of the honeycomb core. These properties, along with properties calculated analytically, were applied to 2D plate models that represented the sandwich panels. Comparing these models, it was found that the linear behaviour for in-plane tension and compression were very similar. In bending it was found that the core model that used analytically determined equivalent properties predicted within 5 % the rigidity of the full 3D model. The 2D core model that used numerically determined equivalent properties was within 15 %. Given that a precise analytical model is not available for every core geometry and for non-isotropic materials, the utilization of a core with equivalent properties obtained from finite element analysis of a sandwich panel represented by 2D shell elements is a valid method to predict the mechanical behaviour of a sandwich structure. With this model, progress can be made on the production and modelling of reinforced thermoplastic composites for a lunar rover. Further work can also be done on different panels that have variable densities or geometries that change throughout the core. These sandwich panels will help to optimize a rover's structure to be the first to survive full lunar day-night cycles.

Titre de l'écran-titre (visionné le 15 janvier 2024) / La fabrication additive de matériaux composites suscite aujourd'hui un grand intérêt dans de nombreux domaines d'études différents dont l'exploration spatiale. Cependant, l'introduction de fibres dans le filament FDM (Fused Deposition Modeling) entraîne de nouveaux défis et une sensibilité à des aspects spécifiques de l'environnement de fabrication. Un matériau utilisé pour les applications spatiales doit pouvoir être fabriqué avec une grande consistance et permettre des simulations mécaniques fiables. Il est important de comprendre les propriétés mécaniques des structures composites imprimées en 3D et comment optimiser la fabrication. Le PEEK renforcé par 20% de fibres courtes de carbone (FC) est intéressant pour l'exploration spatiale en raison de sa haute résistance et de sa résilience thermique. La relation entre les paramètres d'impression et la résistance mécanique résultante pour le PEEK avec des concentrations élevées de FC n'est pas bien connue dans la littérature. Les propriétés mécaniques orthotropes de ce matériau sont également inconnues. L'objectif de cette recherche est d'étudier les paramètres affectant la résistance mécanique et la qualité de la microstructure de l'éprouvette de PEEK renforcé à 20% FC et de caractériser le matériau. Des tests mécaniques et des analyses par micro-tomographie ont été utilisés pour étudier la qualité des échantillons fabriqués dans différentes conditions. L'étude a pu définir les paramètres qui ont le plus d'impact sur la résistance mécanique résultante et la présence de micropores dans les échantillons, ainsi que la manière d'optimiser la production pour obtenir une résistance mécanique maximale à partir de FDM en utilisant du PEEK à haute teneur en FC. Avec ces informations, des éprouvettes ont été fabriquées et testées afin de caractériser le comportement mécanique orthotrope du matériau. Notamment, le comportement en traction, compression et cisaillement le long de la direction d'orientation du filament, dans le plan transversal et normal au plan d'impression a été étudié. Ces travaux ont permis de déterminer un ensemble de paramètres d'impression pour fabriquer du PEEK renforcé par 20% de fibres de carbone ainsi que des données expérimentales sur le comportement orthotrope de ce matériau. / Additive manufacturing of composite materials is of great interest today in many different fields of study including space exploration. However, introducing fibers into Fused Deposition Modeling (FDM) filament results in new challenges and sensitivity to specific aspects of the fabrication environment. A material used for space applications has to be manufacturable with high consistency and permit reliable mechanical simulations. It is important to understand mechanical properties of 3D printed composite structures and how to optimize fabrication. PEEK reinforced by 20% short carbon fibers (CF) is of interest for space exploration due to its high strength and thermal resilience. The relationship between printing parameters and resulting mechanical strength for PEEK with high CF concentrations is not well known in literature. The orthotropic mechanical properties of this material are also unknown. The goal of this research is to study the parameters affecting the mechanical strength and quality of the specimen microstructure for PEEK reinforced with 20% CF and characterize the material. Mechanical testing and micro tomography analysis was used to study the quality of specimens fabricated under different conditions. The study was able to outline which parameters are the most impactful to the resulting mechanical strength and the presence of micropores in the specimens as well as how to optimize production to obtain maximum mechanical strength from FDM using PEEK with high CF content. With this information, specimens were fabricated and tested in order to characterize the orthotropic mechanical behavior of the material. In particular, the behavior in tension, compression, and shear along the direction of orientation of the filament, in the plane transverse and normal to the printing plane has been studied. This work made it possible to determine a set of printing parameters for manufacturing PEEK reinforced with 20% carbon fibers as well as experimental data on the orthotropic behavior of this material.

Des simulations numériques thermomécaniques sont nécessaires afin de prédire l'apparition des déchirures à chaud, survenant en fin de solidification, dans les procédés de coulée directes des alumineries. Toutefois, ces simulations nécessitent plusieurs intrants notamment des propriétés mécaniques et des lois de comportement à différentes températures. Pour ce projet, un analyseur mécanique dynamique est utilisé afin de caractériser ces intrants pour un alliage d'aluminium 5182 (4.5pds% Mg). L'analyse dynamique en flexion est utilisée pour la première fois afin d'étudier l'évolution du module élastique avec la fraction liquide dans la microstructure. Également, des séries d'essais de fluage sont effectuées en mode traction afin de proposer des lois de comportement. L'utilisation d'un modèle de calcul de parcours de solidification considérant la rétrodiffusion permet d'estimer la fraction liquide en cours d'essais selon la température. Les éprouvettes utilisées pour les différents essais mécaniques ont été usinées à partir d'un lingot d'aluminium 5182 coulé par le procédé de coulée directe. Afin d'étudier l'effet de la microstructure, des éprouvettes ont été usinées à partir de trois positions selon la largeur du lingot. Plus l'éprouvette provient d'une position près de la surface et plus la microstructure est affinée. Les microstructures fines semblent être moins rigides lorsque du liquide est présent dans la microstructure. Également, trois taux de chauffe ont été étudiés pour les analyses dynamiques (10⁰C/min, 20⁰C/min et 30⁰C/min). La température du solidus diminue avec l'augmentation du taux de chauffe puisque l'homogénéisation partielle lors de la chauffe est moins importante. Un plan d'expérience a été effectué pour les essais de fluage avec des éprouvettes provenant de deux positions dans le lingot (surface, centre), testées à trois niveaux de températures(555⁰C, 560⁰C, 565⁰C) et à deux niveaux de contraintes (0.25MPa et 0.50 MPa). Cinq comportements en fluage ont été observés : un fluage uniforme, une fissuration partielle, une localisation suivie d'une rupture, une rupture fragile et un retour de la déformation. Des températures élevées et des contraintes élevées augmentent la prévalence des localisations et des ruptures tandis que les retours de la déformation ne sont observés qu'à plus basse température avec une faible contrainte. Les courbes de fluage uniforme et de fissuration partielle ont été modélisées par des lois de comportements mécaniques. / Numerical thermomechanical simulations are necessary to predict the occurrence of hot tears, occurring at the end of solidification, in direct casting processes of aluminum smelters. However, these simulations require several inputs including mechanical properties and behavior laws at different temperatures. For this project, a dynamic mechanical analyzer is used to characterize these inputs for an aluminum alloy 5182 (4.5wt% Mg). Dynamic bending analysis is used for the first time to study the evolution of the elastic modulus with the liquid fraction in the microstructure. Also, series of creep tests are performed in tensile mode to propose behavioral laws. The use of a calculation model of solidification path considering the back diffusion allows to estimate the liquid fraction during the tests according to the temperature. The specimens used for the various mechanical tests were machined from a AA5182 ingot cast by the direct casting process. In order to study the effect of the microstructure, test specimens were machined from three positions according to the width of the ingot. The closer the specimen is to the surface, the more refined the microstructure. The fine microstructures appear to be less rigid when liquid is present in the microstructure. Also, three heating rates were studied for dynamic analyses (10⁰C/min, 20⁰C/min and 30⁰C/min). The solidus temperature decreases with increasing heating rate since the partial homogenization during heating is smaller. A design of experiment was performed for creep tests with test specimens from two positions in the ingot (surface, center), tested at three temperature levels (555⁰C, 560⁰C, 565⁰C) and at two stress levels (0.25MPa and 0.50 MPa). Five creep behaviors were observed: uniform creep, partial cracking, localization followed by failure, brittle failure, and deformation recovery. High temperatures and high stresses increase the occurrence of localization and failure while deformation recovery is observed only at low temperatures and stresses. The uniform creep and partial cracking curves were modeled by mechanical behavior laws.

La capacité des cellules à s'adapter au stress mécanique est essentielle. Cependant, peu est connu sur les forces relatives qui s'exercent de l'intérieur vers l'extérieur de la cellule. Ce projet a pour but de montrer que ces forces peuvent être mesurées avec l'aide de la microscopie de force photonique (MFP). Une contrainte mécanique est appliquée par une trappe optique via une bille de polystyrène. Cette bille est attachée à la cellule grâce aux points d'adhésion focaux. La mesure de la force est effectuée quand la bille est en position d'équilibre entre la force photonique et la tension cellulaire. La réponse du système a été comparée à une simulation numérique. Nous avons observé une augmentation de la déformation des cellules H4 suite à un traitement à la cytochalasineD. Cette observation corrèle avec une diminution de la force observée en MFP. Dans l'ensemble, nos résultats montrent qu'il est possible d'évaluer quantitativement la tension intracellulaire par MFP. / The ability of cells to sustain mechanical stress is essential. It is however not very well understood how tension is expressed from the inside of the cell to the exterior. Here we show that these forces can be measured by photonic force microscopy (PFM). Forces are applied to the cell by an optical trap through a polystyrene bead attached to the cell. The reaction of the cell is monitored when the bead is in an equilibrium state between the photonics forces and the membrane elasticity and cell stiffness. The calibration of the system was compared with numerical simulation. We observed increased deformation of H4 cells treated with cytocholasin D. This observation is correlated to an overall decrease in the force by the photonic force microscope. Our results suggest that cell stiffness can be assessed by the PFM, which allows quantification of a tension within cells with sufficient precision.

L’objet de ce travail est de produire et de caractériser des composites structuraux à base de polypropylène et de mousse. La première partie est consacrée au renforcement du polypropylène avec des fibres de chanvre en étudiant l’effet de la concentration de la fibre, de la taille des fibres et de la concentration en agent de couplage sur les propriétés mécaniques. Une étude morphologique par photomicrographies a permis d’expliquer les résultats mécaniques en tension et flexion. On montre que 2% d’agent couplant est suffisant pour optimiser les modules. Dans la deuxième partie, des mousses de polypropylène sont produites par compression avec différentes concentrations d'agent gonflant afin de déterminer l’effet de la réduction de densité et du profil de densité sur les propriétés en tension et flexion. Une caractérisation complète de la morphologie des mousses en termes de taille de cellules, de densité de cellules et d’épaisseur de la peau est faite. L'utilisation du profil de densité est nécessaire afin d’obtenir une bonne prédiction des propriétés mécaniques. Finalement, des structures sandwich avec différents pourcentages de peau et de densité de cœur sont produites. Une analyse morphologique du cœur est rapportée avec les propriétés mécaniques en tension et flexion. On montre qu’une très bonne prédiction peut être faite en utilisant simplement la loi des mélanges et le modèle quadratique avec le profil de densité pour l’effet de la peau et du cœur, respectivement. / The aim of this work is to produce and characterize polypropylene structural composite foams. To do so, the work is divided in three parts. The first part is devoted to study the reinforcement of polypropylene with hemp fibres by changing the fibre content, fibre size and coupling agent concentration. Micrographs are used to explain the results of the mechanical properties measured under tensile and flexural stress. It is found that 2% of coupling agent gives the optimum modulus values. In the second part, polypropylene foams are produced by compression moulding with different concentrations of blowing agent to determine the effect of density reduction and density profile on the tensile and flexural properties. The morphological characteristics (cell size, cell density and skin thickness) of the foams are also examined. It is found that the use of the complete density profile is necessary to predict with high precision the mechanical results. Finally, sandwich structures are produced with different skin ratio and core densities. A complete morphological analysis is reported with mechanical properties (tensile and flexural). It is shown that the simple law of mixture and the square power-law combined with the density profile are enough to predict the effect of the skins and core, respectively.

L'objectif principal de cette étude a été d'établir l'effet de la teneur en humidité d'équilibre sur les propriétés du bois à deux niveaux de température. Deux espèces feuillues tempérées ont été étudiées, soit le bouleau jaune et le hêtre à grandes feuilles. La région près du point de saturation des fibres (PSF) a été particulièrement visée. Deux méthodes de désorption d'humidité aux températures de 25ʻC et 50ʻC ont été appliquées, soit la méthode des solutions salines saturées et celle de la membrane poreuse sous pression. Celles-ci ont été couplées avec des mesures du retrait ainsi qu'à des essais de compression tangentielle. Les résultats ont montré qu'à l'équilibre de sorption, le retrait du bois a commencé avant même d'atteindre le PSF. Alors, ces résultats indiquent qu'une perte de l'eau hygroscopique a lieu en présence d'eau liquide. L'eau liquide qui reste à ce moment serait localisée dans les tissus les moins perméables du bois, soit les rayons ligneux. Une augmentation de la température augmenterait la perméabilité de ces tissus en facilitant la désorption de l'eau restante. Ainsi, la teneur en humidité d'équilibre marquant le début des changements des propriétés du bois diminue avec une augmentation de la température. Cette valeur se rapprocherait ainsi du PSF au fur et à mesure que la température s'élève. De plus, le retrait du bois de hêtre à 50ʻC semble avoir été affecté par un léger collapse localisé dans les zones plus faibles du bois. Enfin, l'hygroscopicité et les propriétés mécaniques du bois ont été plus faibles à 50ʻC qu'à 25ʻC.

Les lames de plancher d’ingénierie (LPI) sont des composites multicouches à base de bois. La structure en couches croisées est conçue pour donner aux LPI une bonne stabilité dimensionnelle pendant les changements de conditions environnementales. Toutefois, pendant la saison d’hiver en Amérique du Nord, l’humidité relative dans les habitations peut descendre de façon significative et générer une déformation en tuilage de LPI importante. L’amplitude de cette déformation dépend des propriétés physiques et mécaniques de chaque couche et du changement d'humidité. Le contreplaqué est largement utilisé comme substrat dans la fabrication de LPI. L’industrie canadienne des lames de plancher utilise couramment le contreplaqué de bouleau baltique (CBB [russe et finlandais]) dans leurs constructions de LPI haut de gamme. L’objectif général de ce projet de doctorat était de développer un panneau OSB (Oriented Strand Board) spécial afin de remplacer le contreplaqué utilisé comme substrat dans la fabrication de LPI. Les objectifs spécifiques de ce travail de recherche étaient de développer un panneau OSB spécial en vue d’être utilisé comme substrat dans les LPI, de fabriquer et évaluer des prototypes de LPI en utilisant ce substrat, de comparer les propriétés de ces prototypes avec celles d’autres LPI usuels et de caractériser les contraintes développées dans les LPI jusqu’à l’apparition des délaminations. Des panneaux OSB composés de trois couches ont été fabriqués à partir de deux types de lamelles de bois : un mélange de 90% de peuplier faux-tremble (Populus tremuloides Michx.) et 10% de bouleau à papier (Betula papyrifera Marsh.) et 100% de pin ponderosa (Pinus ponderosa Dougl. ex Laws.). Une expérience factorielle a été utilisée pour évaluer l’effet de trois facteurs de fabrication sur les propriétés des panneaux. Les facteurs choisis ont été la teneur en adhésif, le profil de densité et le rapport entre les couches de surface et la couche médiane. Afin de choisir les meilleures combinaisons de trois facteurs, des tests de flexion, de cohésion interne et de gonflement en épaisseur ont été effectués pour chaque type de panneaux. Des prototypes de LPI ont été fabriqués en utilisant comme substrat : l’OSB grade sheating, l’OSB web stock, le contreplaqué russe et les deux types de panneaux d’OSB spéciaux. Ces prototypes ont été testés dans une chambre de conditionnement. Les constructions de LPI ayant un substrat en contreplaqué russe ont présenté les plus faibles valeurs en tuilage. Des différences non significatives ont été observées entre les LPI utilisant comme substrat le contreplaqué russe et le panneau OSB fabriqué à partir du mélange peuplier/bouleau. Cependant, des délaminations dans le substrat en OSB ont été observées après le test en chambre de conditionnement. La modélisation par éléments finis a été utilisée afin de caractériser les contraintes développées dans le substrat de LPI pendant les changements de teneur en humidité. Les propriétés mécaniques et physiques du substrat en OSB nécessaires à la modélisation ont été déterminées expérimentalement sur des panneaux OSB avec un profil de masse volumique aplati. La modélisation par éléments finis a été réalisée à l’aide du code MEF++. Une bonne corrélation a été trouvée entre la déformation en tuilage de LPI mesurée en chambre de conditionnement et celle calculée par le modèle. Le champ de contraintes simulé correspond aux délaminations observées sur les échantillons de LPI. Les résultats obtenus, montrent la faisabilité d’utiliser le panneau OSB comme substrat dans la fabrication de LPI. / Engineered wood flooring (EWF) is a multilayer composite flooring product. The cross layered structure is designed to give EWF good dimensional stability under transient environmental conditions. However, during winter season in North America the indoor relative humidity could dramatically decrease and generate an important cupping deformation. The magnitude of this distortion depends on the physical and mechanical properties of each layer and moisture content changes. Baltic Birch Plywood (BBP [Russian and Finnish]) is widely used as substrate in the high quality EWF products, especially by Canadian manufacturers. The overall objective of this study was to develop an oriented strand board (OSB) as a substitute for the plywood used as a substrate for EWF. The specific objectives of this project were to develop a special OSB formulation to be used as a substrate for EWF; to manufacture and evaluate the EWF prototypes made with this substrate, to compare the prototype properties with those of commonly-used EWF; and to characterize the stresses developed in the substrate until delamination appears. Three-layers oriented strand boards were manufactured from two types of strands: a mixture of 90% aspen (Populus tremuloides Michx.) and 10% paper birch (Betula papyrifera Marsh.), and 100% ponderosa pine (Pinus ponderosa Dougl. ex Laws.). The OSB panels were fabricated following a factorial design of three resin contents, two vertical density profiles, and three weight ratios of the face and core layers. In order to choose the best combinations of the three factors, tests to determine bending properties, density, internal bond and thickness swelling were performed for each type of panel. Prototypes of EWF were made using five types of substrates: BBP, sheathing grade OSB, web stock OSB and the two prototypes of specialty OSB panels. The tests in conditioning chamber showed that BBP substrate constructions present the lowest distortion between humid and dry conditions. There were no significant differences in the distortion measured for BBP and aspen/birch OSB substrates. However, delaminations were observed in the OSB substrate after the test in conditioning chamber. A finite element model was used in order to characterize stresses developed in the EWF substrate in transient moisture content conditions. The physical and mechanical properties of OSB substrate were experimentally determined in laboratory on the OSB panels with a flat density profile. The finite element (FE) modeling was performed using the FE code MEF++. Good agreement has been found between the numerical and experimental EWF cupping deformation. The high stress regions in the distribution correspond to the delaminations observed on the OSB substrate. The results of this work demonstrate the potential of OSB to be used as substrate in EWF construction.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2016-2017 / Cette thèse s’inscrit dans le contexte d’une optimisation industrielle et économique des éléments de structure en BFUP permettant d’en garantir la ductilité au niveau structural, tout en ajustant la quantité de fibres et en optimisant le mode de fabrication. Le modèle développé décrit explicitement la participation du renfort fibré en traction au niveau local, en enchaînant une phase de comportement écrouissante suivie d’une phase adoucissante. La loi de comportement est fonction de la densité, de l’orientation des fibres vis-à-vis des directions principales de traction, de leur élancement et d’autres paramètres matériaux usuels liés aux fibres, à la matrice cimentaire et à leur interaction. L’orientation des fibres est prise en compte à partir d’une loi de probabilité normale à une ou deux variables permettant de reproduire n’importe quelle orientation obtenue à partir d’un calcul représentatif de la mise en oeuvre du BFUP frais ou renseignée par analyse expérimentale sur prototype. Enfin, le modèle reproduit la fissuration des BFUP sur le principe des modèles de fissures diffuses et tournantes. La loi de comportement est intégrée au sein d’un logiciel de calcul de structure par éléments finis, permettant de l’utiliser comme un outil prédictif de la fiabilité et de la ductilité globale d’éléments en BFUP. Deux campagnes expérimentales ont été effectuées, une à l’Université Laval de Québec et l’autre à l’Ifsttar, Marne-la-Vallée. La première permet de valider la capacité du modèle reproduire le comportement global sous des sollicitations typiques de traction et de flexion dans des éléments structurels simples pour lesquels l’orientation préférentielle des fibres a été renseignée par tomographie. La seconde campagne expérimentale démontre les capacités du modèle dans une démarche d’optimisation, pour la fabrication de plaques nervurées relativement complexes et présentant un intérêt industriel potentiel pour lesquels différentes modalités de fabrication et des BFUP plus ou moins fibrés ont été envisagés. Le contrôle de la répartition et de l’orientation des fibres a été réalisé à partir d’essais mécaniques sur prélèvements. Les prévisions du modèle ont été confrontées au comportement structurel global et à la ductilité mis en évidence expérimentalement. Le modèle a ainsi pu être qualifié vis-à-vis des méthodes analytiques usuelles de l’ingénierie, en prenant en compte la variabilité statistique. Des pistes d’amélioration et de complément de développement ont été identifiées. / This Ph.D. project has been prepared within the context of an industrial and economic optimisation of UHPFRC structural elements to ensure ductility at the structural level, while adjusting the amount of fibre and optimising the manufacturing process. The model developed explicitly describes the participation of local fibre reinforcement in tension, thanks to a hardening behaviour followed by a softening one. The constitutive law is a function of the local fibre content, of the fibre orientation with respect to tensile principal directions, of the fibre slenderness and other usual material parameters related to the fibres, the cementitious matrix and their interaction. The fibre orientation is taken into account using a normal probability distribution with one or two variables to reproduce any orientation either obtained from a representative simulation of casting fresh UHPFRC or informed by experimental analysis on prototypes. Lastly, the model reproduces the cracking of UHPFRC based on the principle of smeared rotating crack models. The constitutive law is implemented in a structural finite element software as a predictive tool of reliability and overall ductility of UHPFRC elements. Two experimental campaigns were carried out, one at Laval University in Québec and one at Ifsttar, Marne-la-Vallée. The first one is used to confirm the model ability to reproducethe overall behaviour under typical tensile and bending loads in simple structural elements for which the preferential fibre orientation was measured by microtomography. The second experimental campaign demonstrates the capabilities of the model, in an optimisation process, to help manufacture relatively complex ribbed triangular plates of industrial interest in which different manufacturing process and fibre volume have been considered. The identification of fibre distribution and orientation has been performed using mechanical tests on sawn samples. The model predictions have been compared to the global structural behaviour, and to the ductility demonstrated experimentally. The model could be qualified through comparison with conventional analytical engineering methods, taking into account the statistical variability. Improvement and additional developments have been identified.

Titre de l'écran-titre (visionné le 5 juin 2023) / La fabrication additive (impression 3D) par fusion sélective au laser (FSL) permet de concevoir des pièces de géométries complexes en utilisant une large gamme de poudres métalliques. Cependant, la performance mécanique de ces pièces est affectée par trois facteurs : les porosités, l'anisotropie de la microstructure et les contraintes résiduelles (CR). À ce jour, l'inspection aux ultrasons pour le contrôle immédiat de la qualité des pièces n'a pas fait l'objet d'une étude systématique et complète. Ce projet de recherche a permis de développer des méthodologies aux ultrasons permettant de révéler et de quantifier la présence de défauts dans les pièces métalliques produites par fusion sélective au laser. D'abord, des échantillons d'acier (316L) et de titane (Ti-6Al-4V) de différentes densités, tailles de porosité et orientations granulaires ont été fabriqués en variant la vitesse et l'espacement entre les passes du laser. Ensuite, des échantillons porteurs de différents niveaux de contraintes internes ont été fabriqués en faisant varier la température du lit de déposition. Finalement, tous les échantillons ont été analysés aux ultrasons (vélocité, atténuation et fréquence de référence), ont fait l'objet d'une étude métallographique complète et ont été analysés par rayons X (niveau de CR). Les résultats de ces travaux ont démontré que l'analyse par ultrasons des pièces imprimées par FSL en acier et en titane était possible, et ce avec des fréquences ultrasonores allant de 5 MHz à 20 MHz. L'approche systématique utilisée a permis d'identifier et de quantifier les caractéristiques ultrasonores qui sont modifiées par les défauts métallurgiques présents dans des pièces issues de FSL. De plus, une corrélation a été établie entre les signatures ultrasonores et la masse volumique des échantillons. Cette étude permet de confirmer l'intérêt d'intégrer des pièces étalons issues de la fabrication additive dans le processus d'inspection aux ultrasons de pièces d'acier inoxydable et de titane issues elles aussi de procédés de fabrication additive. / The process of additive manufacturing (3D printing) by selective laser melting (SLM) enables the design of geometrically complex parts from a wide variety of alloys. However, their mechanical performance is impacted by the three following factors: porosity, microstructure anisotropy, and residual stress. Today, ultrasonic inspection for in-situ quality control of 3D-printed parts has not been subject to a systematic and comprehensive study. This project allows the development of a methodology using ultrasounds that reveals and quantifies metallurgic flaws inside parts manufactured by SLM. At first, samples of steel (316L) and titanium (Ti-6Al-4V) were produced by SLM at various densities, pore sizes, and grain orientations. These characteristics were obtained by varying the manufacturing speed and space between each path of the laser. Then, samples with different residual stress levels were produced by varying the build platform temperature. Finally, all the samples were analyzed with ultrasounds (velocity, attenuation, frequency), and were subject to a complete metallographic and X-ray study (residual stress). The results showed that the ultrasonic inspection of steel and titanium SLM parts was possible by using inspection frequencies between 5 MHz and 20 MHz. This systematic method revealed and quantified the ultrasonic characteristics affected by the metallurgic flaws contained in the SLM samples. Correlations between ultrasonic signature and density of samples were revealed. Overall, this study confirms the relevance of preliminary studies with standards made of metal parts produced by additive manufacturing, for the development of ultrasound-based nondestructive inspection procedures adapted to 3D-printed metal parts.

L'expérience récente montre que l'endommagement des fondations profondes sous des chargements statiques, cycliques ou dynamiques est une des causes majeures des dommages que peuvent subir les superstructures. La mise hors-service de la structure, son renversement ou son effondrement sont des effets couramment observés. Des méthodes ont été développées afin de mieux comprendre l'interaction sol-fondation-structure et ainsi contrer les effets futurs que peut engendrer un chargement latéral. Le comportement des fondations profondes sous un tel chargement est complexe et suscite grandement l'intérêt des géotechniciens. Au Québec, le phénomène est connu, Marche et Lacroix (1972) ayant présenté et analysé quelques problèmes d'instabilité. De plus, le Ministère des Transports du Québec (MTQ) utilise la méthode de Broms (1964) pour le dimensionnement de fondations profondes. Ce projet de maîtrise vise à approfondir la compréhension du phénomène d'instabilité des fondations profondes soumises à un chargement latéral statique ou cyclique. A notre connaissance, les méthodes utilisées pour le dimensionnement des pieux n'ont encore jamais été validées pour les sols post-glaciaires de l'est du Canada. L'objectif principal est donc de vérifier l'applicabilité des méthodes existantes pour les argiles sensibles du Québec par l'intermédiaire de courbes p-y obtenues expérimentalement. Pour ce faire, une revue de littérature est d'abord réalisée pour connaître l'état des connaissances sur la méthode p-y. Un programme expérimental a ensuite été développé afin de comprendre et fournir des résultats sur le comportement d'un pieu chargé latéralement. L'expérimentation a été réalisée à partir d'échantillons d'argile prélevés à Louiseville, sol réputé pour sa grande homogénéité. L'essai pot-test (Matlock, 1970) est un essai à échelle réduite qui permet la simulation d'un pieu soumis à des sollicitations statiques et cycliques. Les résultats obtenus en comportement statique fournissent les courbes p-y de l'argile étudiée. Une comparaison de ces résultats avec les méthodes théoriques existantes a ensuite été réalisée. La méthode de Matlock (1970) donne des résultats qui s'apparentent le mieux à ceux obtenus expérimentalement. Par la suite, l'analyse des résultats cycliques a permis de développer un critère de rupture, qui indique une déformation critique de l'argile sous sollicitations cycliques.