L'industrie automobile demande sans cesse des manufacturiers de pièces fabriquées par métallurgie des poudres des produits présentant des propriétés mécaniques supérieures tout en minimisant les coûts. L'emploi des poudres autotrempantes est particulièrement bien adapté pour répondre à ses demandes, car ces dernières permettent la trempe directe à la fin du cycle de frittage, éliminant ainsi les étapes supplémentaires habituellement nécessaires pour le traitement thermique. Cette thèse présente les résultats de la modélisation de l'influence des éléments préalliés et prémélangés sur l'optimisation de la compressibilité et de l'autotrempabilité. La planification d'expériences a été utilisée afin de minimiser le nombre d'expériences nécessaires afin de caractériser l'effet des différents facteurs étudiés. De petites quantités de poudres atomisées ont été produites par atomisation à l'eau au laboratoire de métallurgie des poudres de l'Université Laval. Un premier plan d'expériences a permis d'étudier l'effet d'éléments préalliés (nickel, chrome, molybdène et manganèse) et prémélangés (nickel, chrome, cuivre et manganèse). Les propriétés mécaniques ont aussi été mesurées. Un deuxième plan d'expériences a été construit à partir des résultats obtenus lors de la première série. Les résultats montrent que de tous les éléments étudiés, seuls le nickel, le chrome et le molybdène préalliés ont un effet significatif sur la compressibilité et l'autotrempabilité. De plus, pour l'intervalle de composition chimique étudié, la composition chimique de la poudre qui optimise la compressibilité et l'autotrempabilité est : 1,5%-pds Ni, 0,40-0,55%-pds Cr et 1,00-1,25%-pds Mo.

Ce mémoire présente la recherche effectuée concernant le développement d'une nouvelle méthode de dimensionnement spécifiquement dédiée aux sections en acier en I très élancées par l'entremise de l'Overall Interaction Concept (O.I.C.). Le comportement en section est défini par deux comportements extrêmes, soit la résistance et l'instabilité pure. Les méthodes de calculs couramment utilisées dans les normes nécessitent d'abord de classer la section pour ensuite calculer les propriétés de la section efficace. Ces méthodes comportent quelques incohérences ainsi qu'un manque de précision. Une nouvelle méthode de dimensionnement qui considère la section entière - qui ne requiert donc plus de calculer les propriétés efficaces - et l'interaction entre les plaques peut et doit être développée. La considération des imperfections tant géométriques que matériels permet d'atteindre une plus grande précision, et l'utilisation d'outils numériques performants permet également d'augmenter l'efficacité des calculs. L'Overall Interaction Concept permet de calculer rapidement la résistance en section en fonction de l'élancement relatif généralisée, au moyen de courbes d'interaction. L'objectif principal de cette maîtrise est donc d'adapter l'O.I.C. aux sections ouvertes en I très élancées, comme celles utilisées dans le domaine des ponts, soumises à des cas de chargement simples (compression pure ou flexion d'axe fort seulement). Un modèle numérique a d'abord été développé en réalisant entre autres une étude de densité de maillage et des études sur les imperfections géométriques et matérielles à utiliser. Cette dernière étude doit être fait minutieusement et les choix effectués doivent être justifiés convenablement puisqu'aucune donnée expérimentale n'est disponible pour calibrer le modèle. Une fois le modèle fiable développé, une campagne numérique comptabilisant plus de 3500 simulations a été faite, permettant ainsi d'analyser l'effet de certains paramètres sur la résistance en section. Sur la base de ces simulations numériques, une proposition de méthode de dimensionnement a été faite en fonction des paramètres déterminants, c'est-à-dire le choix des contraintes résiduelles, du type de chargement et des propriétés géométriques géométrique de la section par l'entremise du paramètre μ. La formulation d'Ayrton-Perry a été adaptée pour définir les courbes d'interaction servant à prédire la résistance. En parallèle au développement de la méthode, des études ont été effectuées pour comparer les résultats obtenus pour la résistance en section selon les normes canadiennes, américaines et européennes avec les résultats obtenus numériquement. Ainsi, il a été possible d'observer la capacité d'amélioration des méthodes couramment utilisées tant en termes de précision que de simplicité. / This dissertation presents research developments related to the design of very slender open steel sections through the Overall Interaction Concept (O.I.C.). The cross-sectional behaviour is defined by two extreme, ideal behaviours: pure resistance and pure instability. Methods used in the current standards need to classify the section, and, in the case of bridge sections, to calculate effective properties. This method presents some inconsistencies, as well as accuracy issues. A new design approach considering the whole section - and by that interaction between plates - was developed. By including the geometrical and material imperfections, more accuracy can be reached, and using numerical tools can increase the efficiency as well. The Overall Interaction Concept allows to calculate fast the resistance of a cross-section by using a generalized relative slenderness, so-called interaction curves. The main aim of this master is to adapt the O.I.C. to very slender open I-sections subjected to simple load cases (major-axis bending moment and pure compression). A numerical model has been developed by carry out mesh density study, and imperfections studies. This part had to be carefully detailed and assessed since no experimental data can be available to calibrate the numerical models. Once a reliable model was settled, a numerical campaign of more than 3500 simulations has been undertaken, allowing to analyse the effects of many key parameters. Based on these numerical simulations, design proposals were made as based on the identified governing parameters, i.e. the residual stresses pattern, load case and geometrical properties by means of newly-proposed parameter μ. An extension of the Ayrton-Perry formulation is finally used to define cross-section interaction curves. Besides, systematic comparison with Canadian, American and European Standards are done with the results from numerical simulations allowing to observe the improvement capacity of the current methods, in terms of accuracy and simplicity.

Le comportement de l'acier est significativement différent à des températures élevées par rapport à la température ambiante. Avec l'augmentation de la température, la relation contrainte-déformation devient non linéaire et la résistance et la rigidité de l'acier diminuent. Les normes de conception au feu de l'acier existantes ne parviennent pas à prédire avec précision la résistance à des températures élevées en suivant les mêmes approches de conception à température ambiante avec de petites modifications. Cette recherche vise à proposer une approche de conception innovante des profilés creux en acier en situation d'incendie au moyen du Overall Interaction Concept (O.I.C.). Le Overall Interaction Concept (O.I.C.) est basé sur l'interaction résistance-instabilité en utilisant un rapport d'élancement généralisé et s'est avéré plus précis et cohérent que les normes actuelles. Un modèle d'éléments finis a été développé pour étudier le comportement des sections carrées et rectangulaires en acier à haute température. La précision du modèle a été confirmée par la validation avec des résultats expérimentaux. Le modèle validé a été utilisé pour effectuer des études paramétriques incluant différentes dimensions géométriques, températures et cas de charge. Les résultats des études paramétriques ont ensuite été utilisés pour identifier le paramètre de conception principal et proposer O.I.C. équations en situation d'incendie. Pour présenter un meilleur niveau de précision et de cohérence de l'O.I.C. propositions, leur performance a été comparée aux approches actuelles de conception anti-incendie, y compris les normes européennes, américaines et canadiennes. / The behavior of steel is significantly different at elevated temperatures compared to the ambient temperature. With increasing temperature, the stress-strain relationship gets nonlinear and the strength and stiffness of steel reduce. Existing steel fire design standards fail to accurately predict the resistance at high temperatures by following the same design approaches at room temperature with small modifications. This research is aimed to propose an innovative design approach for steel hollow sections in fire situations by means of the Overall Interaction Concept (O.I.C.). The Overall Interaction Concept (O.I.C.) is based on the resistance-instability interaction using a generalized slenderness ratio and has been proved to be more accurate and consistent than the current standards. A finite element (F.E.) model was developed to study the behavior of steel square and rectangular sections at high temperatures. The accuracy of the model was confirmed through validation with experimental results. The validated model was used to perform parametric studies including different geometrical dimensions, temperatures, and load cases. The results of the parametric studies were then used to identify the leading design parameter and propose O.I.C. equations in fire situations. To exhibit a better level of accuracy and consistency of the O.I.C. proposals, their performance was compared to the current fire design approaches including European, American, and Canadian Standards.

Les Barres d’Hopkinson sont couramment utilisées pour tester les matériaux à des hauts taux de déformations. Souvent, différents systèmes de barres sont utilisés pour tester les matériaux en tension ou en compression. Par contre, il serait pratique d’utiliser un seul système, pour prendre des mesures en tension et en compression. Des études ont été faites pour convertir le système de compression existant du centre de Recherche et Développement pour la Défense Canada (RDDC) de ValCartier. Un concept a été choisi parmi 6 systèmes de tension déjà existants. Le choix a été validé avec un modèle d’éléments finis fait sur LS-Dyna. Le modèle a été calibré sur des résultats de compression fournis par le RDDC. Il fut ensuite modifié pour intégrer le nouveau concept. À cause d’un manque de ressources, les résultats de simulation sur LS-Dyna n’ont pu être comparés avec des résultats expérimentaux, puisqu’un premier prototype n’a pu être fabriqué. / The Split Hopkinson Pressure Bars (SHPB) is a common method used to characterize materials at high rates of strain. First used to experiment on materials in compression, the method was adapted to do tests in tension and torsion. The compression apparatus consists of a specimen sandwiched between 2 pressure bars, called the input bar and the output bar. A third bar, the striker, is launched at the input bar. Upon impact, a compressive pulse traveling toward the specimen is generated. This load is partially transmitted into the specimen and the output bar, the rest of it being reflected back into the input bar. Using measurements of the input, transmitted and reflected pulse, it is possible to develop the stress-strain response of the material deforming at high strain rates. This is achieved using strain gages adequately placed on both pressure bars. Many researchers use a different SHPB system when it comes to tension tests. Many methods exist, but all of them are based on compressive experiments. It would therefore be convenient to only have one system, which is capable of taking measurements both in compression and tension. Based on the compressive SHPB apparatus used by the Defense, Research and Development Canada (DRDC) center in ValCartier, studies were made to convert the compressive system into a tensile setup. The goal was to modify it with minimum changes possible, in order to easily go back and forth between the two configurations. A design choice was made, considering 6 existing tension systems. To validate the decision, a finite element model was created using LS-Dyna. The modal was first aligned with the compression results provided and then modified to implement the selected design. Because of a lack of available resources, LS-Dyna simulation results were not compared with experimental data, as it was not possible to create a first prototype.

Le projet porte sur la résistance structurale et durabilité d’un plancher de ponton fait d’extrusions d’aluminium assemblées par insertion rapide. C’est une étude qui vise à valider le nouveau concept et d’implémenter la technique d’assemblage par insertion rapide dans la construction d’un ponton. Les nouvelles pièces nécessaires au projet sont déjà conçues et la présente étude se limite à l’étude du comportement de la nouvelle structure. Le projet comporte deux parties, numérique et pratique. La partie numérique consiste à effectuer des simulations numériques sur les deux modèles de pontons nouveau et actuel. Les simulations effectuées ont montré que les deux pontons (ancien et nouveau) ont des comportements similaires. Deux cas de chargement ont été analysés, le premier représente un déplacement des pontons sur l’eau et le deuxième impose une torsion sur les structures des deux pontons. Les valeurs des déplacements obtenues pour le premier cas de chargement sont de 1.195 mm et 1.357 mm pour l’ancien et le nouveau ponton respectivement. Pour le deuxième cas de chargement les déplacements sont de 15.18 mm dans le cas du ponton actuel et 13.43 mm pour le nouveau modèle. De plus les contraintes correspondantes à ces déplacements sont très faibles par rapport à la limite élastique de l’aluminium. La valeur maximale obtenue pour tous les tests est de 65 MPa pour le ponton actuel dans le cas de torsion et de 50 MPa pour le nouveau ponton dans les mêmes conditions. Les simulations numériques ne peuvent pas montrer tous les détails de la structure, comme les clips des nouvelles extrusions qui forment le plancher de ponton. Pour tester ces parties il fallait effectuer des essais pratiques en fatigue et en statique sur des sections partielles de 4 extrusions du plancher du nouveau ponton. D’après les tests statiques, on a pu déterminer les configurations des clips qui permettent aux sections partielles de résister à la force appliquée, et de rester assemblées. Ce sont les clips partiels ou complets qui offrent cette résistance. Après les tests statiques, les tests en fatigue ont déterminé que les sections partielles résistent à une force locale de 2 250 N (500 lb) pendant 1 500 000 cycles ce qui équivaut à environ 3500 lbs de charge répartie sur l’ensemble du ponton. Enfin des essais sur l’eau sont réalisés sur un prototype du nouveau ponton. Aucun bris n’est parvenu au niveau des clips et l’analyse des données regroupées durant les tests permet de valider que la structure du nouveau ponton est résistante.

La réparation des structures en béton est en plein essor. Utilisées majoritairement pour pallier à des défaillances d'ordre esthétique et fonctionnel, les réparations peuvent compenser des dysfonctions structurales. Cependant, les connaissances sur la participation des réparations au comportement structural des ouvrages sont majoritairement empiriques. L'objectif principal de ce projet est de donner une base scientifique fiable permettant de choisir des matériaux et des techniques de réparation pour des éléments structuraux chargés axialement comme les colonnes. Plus spécifiquement, le projet est approché selon une utilisation combinée de la modélisation et de l'expérimentation. Le but est ainsi d'évaluer la distribution de la charge à l'intérieur de la colonne (substrat + réparation) en faisant varier les conditions aux limites (préchargement, géométrie de la réparation) pour analyser l'influence des propriétés de base des matériaux de réparation (rigidité) sur la répartition des contraintes. Ainsi, dans la première phase du projet, une analyse numérique a été réalisée pour examiner l'influence des principaux paramètres (taille de la réparation, type de béton, épaisseur de la réparation) et pour guider le plan expérimental. Dans la seconde phase du projet, 36 colonnes ont été fabriquées en laboratoire et réparées par la suite avec cinq différents matériaux de réparation choisis principalement pour leur rigidité. Une fois instrumentées, les colonnes ont été testées sur une presse asservie hydrauliquement. L'analyse qui s'ensuit révèle une concordance des résultats numériques et expérimentaux. Les conclusions principales de l'étude montrent que le type de transfert de charge vers la réparation influence le comportement mécanique du système réparé. En effet, la rigidité de la réparation semble être un paramètre influent pour les réparations en contact uniquement par l'adhérence avec le support. Pour ce type de réparation, les réparations rigides et épaisses sont défavorables sur le comportement mécanique du système global. Mots clés : Béton, capacité structurale, colonne, compression, MEF, propriétés mécaniques, réparation

Comprendre et pouvoir prédire l’effet combiné du temps et des conditions ambiantes sur le comportement mécanique du bois et de ses assemblages est un sujet récurrent pour l’ingénierie de construction. Cette étude tend à établir l’influence du taux de chargement à la résistance du bois à l’enfoncement de boulon dans différentes conditions de service. La partie expérimentale du projet consiste à mesurer la résistance à l’enfoncement de boulon parallèle au fil du bois. Les attaches des éprouvettes de pin gris (Pinus banksiana) de 31×89×660 mm sont assemblées à l’aide d’un boulon de 12,5 mm de diamètre et de deux plaques de jonction en acier de 6 mm d’épaisseur à chaque extrémité. Chaque assemblage est réalisé après conditionnement du bois selon trois régimes : 1) l’état humide supérieur à 24%, 2) l’état sec à environ 12%, et 3) l’état très sec proche de 8%. Pour chacune des trois conditions d’humidité, sept taux de chargement descendant de 115 KN/min à 0,1N/min en intervalles logarithmiques sont appliqués jusqu'à rupture. Dans chaque série de tests, six éprouvettes sont incluses. Une distribution de la densité du bois et de ses défauts est établie dans chaque série de tests pour que l’étude soit représentative face à ce matériau hétérogène et variable. La rigidité élastique, la limite d’élasticité, le seuil de plasticité, la résistance maximale ainsi que la densité et la teneur en humidité sont mesurés pour chaque zone de test. Une comparaison des données de test avec les équations empiriques de durée de chargement est présentée dans cette étude. Pour 12% de teneur en humidité, la résistance à l’enfoncement montre le même comportement face à la durée de chargement que celui en flexion ou en compression. La perte de résistance à l’enfoncement est analysée et corrélée aux valeurs de résistance ainsi qu’aux coefficients d’ajustement des normes de calcul européenne, canadienne, et américaine. Les pondérations des normes nord-américaines semblent correspondre aux résultats de ce projet en se basant sur un temps de référence à rupture de 10 minutes. / Understanding and predicting the effect of load duration and ambient conditions on mechanical behavior of wood is an important subject in wood engineering. The aim of the study is to establish the influence of the rate of loading on the embedding strength of wood in various service conditions. The experimental part of the project consists of measuring the embedding strength of wood parallel to grain. Jack pine specimens (Pinus banksiana) of 31×89×660 mm are assembled using one bolt of 12.5-mm in diameter and two 6-mm thick steel side plates at each end. Specimens are assembled after conditioning to one of the following equilibrium moisture contents (MC): 1) green, at least 24 % MC, 2) air-dry, about 12 % MC, and 3) very dry, about 8% MC. Seven rates of loading, varying between 115 KN/min and 0.1N/min, are applied to the specimens in each moisture condition. Given the heterogeneity of the material, the test pieces are matched using visual grading and density distribution to attribute similar wood quality to each test series. Elastic stiffness, proportional limit, yield point, the maximum resistance, MC and specific gravity are determined for each embedding zone after the test. A comparison between test values and empirical equations for duration of load is presented in this study. At 12% MC, embedding strength shows an equal behavior for duration of load, similar to bending and compression. The loss of the dowel embedding strength is analyzed and correlated to the strength values and the adjustment factors of the Canadian, European and American wood design codes. Predictions of the North-American codes appear to fit the results of this research based on 10-min reference test duration.

L'ajout de lithium dans les alliages d'aluminium permet de diminuer leur masse volumique tout en augmentant leur rigidité. En considérant des propriétés mécaniques aux moins égales aux alliages traditionnels d'aluminium, il est facile de comprendre pourquoi ces nouveaux alliages deviennent intéressants dans le domaine de l'aéronautique. En effet, la diminution de la masse volumique permettra de diminuer la consommation d'essence due au poids plus faible des composantes. Le domaine de l'aéronautique demandant des contraintes de sécurité majeures, il est donc important de bien comprendre les propriétés mécaniques des alliages d'aluminium-lithium ainsi que les différents phénomènes influençant ces propriétés. La résistance mécanique des alliages d'aluminium-lithium est améliorée par la présence de plusieurs types de précipités qui entravent le mouvement des dislocations. Les alliages Al-Li-x actuels utilisent plusieurs précipités semi-cohérents et cohérents pour le durcissement. L'avantage d'utiliser une co-précipitation de δ' (Al₃Li), T1 (Al₂CuLi) et de S' (Al₂CuMg) provient du fait que ces phases métastables précipitent sur différents plans, ce qui optimise le blocage du mouvement des dislocations. La microstructure obtenue en est une qui est rarement recristallisée dû à la présence de précipités cohérents Al₃Zr qui empêche la recristallisation. Par conséquent, ces alliages présentent des propriétés mécaniques anisotropes, qui ne sont pas équivalentes dans toutes les directions. Ceci est causé par la présence de textures cristallographiques, particulièrement la texture fibre <111>. Les propriétés mécaniques obtenues dans l'alliage 2099 T83 étudié varient selon les emplacements et selon l'orientation des échantillons par rapport à l'axe de déformation (extrusion). Les résistances sont plus élevées dans la direction longitudinale d'un profilé cylindrique qui présente aussi les plus fortes intensités de texture fibre <111>. Grâce à la caractérisation mécanique, microstructurale et de la texture cristallographique, des modèles permettant de prédire l'anisotropie et les propriétés mécaniques en fonction de l'intensité de la texture fibre <111> ont pu être développés. Par la suite, l'effet de la densité de précipités T₁ sur l'anisotropie des propriétés mécaniques statiques a pu être démontrée.

Dans ce travail, du polyéthylène linéaire de densité moyenne (LMDPE) et des microcapsules Expancel ont été utilisés pour produire des mousses polymères avec un gradient de densité. En contrôlant indépendamment les plaques supérieure et inférieure d'un moule de compression à des températures différentes et en contrôlant le temps de moulage, des mousses symétriques et asymétriques ont été produites. Aussi, l’effet du type et de la concentration des agents gonflants sur le profil de densité et la morphologie (taille des bulles et la densité des bulles) des mousses a été étudié. Finalement, on rapporte et on discute les propriétés mécaniques en flexion et en tension en relation avec le profil de densité et la morphologie. / In this work, linear medium density polyethylene (LMDPE) and Expancel microbeads were used to produce density graded polymer foams using compression molding. By controlling independently the top and bottom plate temperatures in the mold, different temperatures and molding times were used to produce symmetric and asymmetric foams. The effect of blowing agent type and content were also studied to control the density profile and foam morphology (cell size and cell density) across thickness. Finally, the mechanical behavior in flexion and tension is reported and discussed in relation with foam morphology and structure.

La dégradation des matériaux poreux par l'intrusion d'une solution saline est connue depuis longtemps, mais demeure aujourd'hui un phénomène complexe à étudier en raison des multiples paramètres à considérer. Ce document propose des pistes d'amélioration du comportement des matériaux cimentaires afin de s'intégrer dans le cadre plus vaste de la prédiction du comportement des matériaux cimentaires face à la formation de phases expansives dans leur structure poreuse. La première partie de cette thèse se consacre à la revue bibliographique de la dégradation par l'action externe des sulfates et dresse le cadre général de l'étude des milieux poreux et du transport hydrique ainsi que le principe de dégradation par croissance d'un cristal de sel dans un milieu poreux. La stratégie de recherche qui en résulte s'articule autour de deux campagnes expérimentales. La première concerne l'application de la microfluidique, science qui mesure le comportement des fluides à l'échelle du micron, pour améliorer notre compréhension des phénomènes de saturation et de séchage d'un matériau poreux selon diverses solutions. Deux types de dispositifs ont été envisagés soit par lithographie au plasma et par érosion chimique après altération d'un substrat de verre par le passage d'un faisceau laser concentré. La seconde campagne expérimentale s'attache à l'analyse de matériaux cimentaires soumis à des solutions agressives diverses et dans des conditions de variation hydriques afin d'évaluer la combinaison de dégradations physico-chimiques par réactions chimiques avec les hydrates et par précipitation de sels. Finalement, un modèle de transport réactif multiphasique est présenté ainsi qu'une nouvelle approche basée sur la répartition de la distribution poreuse pour calculer les pressions induites à différentes échelles matériau. Le système d'équations appliqué à la poromécanique est alors développé en vue d'une résolution numérique des pressions générées par expansion d'une phase. Pour conclure ce document, des perspectives de modification des normes relatives aux attaques sulfates sont entrevues et de nouvelles avenues possibles grâce à l'émergence de nouvelles technologies sont esquissées. Des propositions de développement additionnel du modèle sont également adressées. / The degradation of porous materials by the intrusion of saline solution is known for centuries but still nowadays remains a complex phenomenon to be considered. This thesis proposes ways of improving the behavior of cementitious materials in order to integrate into the larger framework of predicting the behavior of cementitious materials in the face of the formation of expansive phases in their porous structure. This document is divided into five main parts. The first two parts are devoted to the bibliographic review of the degradation by the external action of sulfates and establish the general framework of the study of porous media and water transport as well as the principle of degradation by an expansion of a crystal salt into a porous medium. The resulting research strategies are centered around two experimental campaigns and the establishment of a poromechanical model with reactive transport model. The third part concerns the application of microfluidics, innovative science that measures fluid behavior at the micron scale, to improve our understanding of the saturation and drying phenomena of a porous material exposed to various saline solutions. Two types of devices are studies either by plasma lithography and by chemical erosion after the alteration by the passage of a concentrated laser beam of a glass substrate. The fourth part deals with the analysis of cementitious materials exposed to various aggressive solutions and wetting/drying condition in order to combine chemical reactions with hydrates and salts precipitation. The fifth part sets up a multiphasic reactive transport model and a new approach based on the pore size distribution repartition to calculate the pressures induced on pore walls at several material scales. Poromechanics equation system is then developed to solve pressure generation for numerical resolutions of the degradation. Finally, ideas to improve the standards for understanding the interaction of sulfates and possible new avenues through the advent of new technologies are outlined. Additional development proposals for the model are also addressed.