Ce travail de recherche est axé sur le développement de composites à liant phosphatique et fibres de renfort en verre E pour diverses applications structurales en Génie Civil. Dans une première partie, un bilan bibliographique nous permet d'identifier les principaux facteurs aux différentes échelles (nano, micro, méso et macro) ayant une influence sur le comportement global de composites à matrice minérale. Dans un second temps, les propriétés mécaniques et physico-chimiques des constituants sont présentées. Nous développons une méthodologie spécifique de caractérisation en traction, en compression et en cisaillement. Le développement de procédures expérimentales particulières en compression et en cisaillement permet l'identification des lois de comportement et l'évaluation des seuils d'endommagement et charges de rupture. La prévision des différents termes de rigidité élastique des systèmes composites est évaluée à partir d'expressions reprenant les principes de base de la micromécanique des composites. L'analyse du comportement à rupture est abordée au plan mésoscopique en considérant deux critères de résistance en plasticité, anisotropie (Tsai-Wu) et en contrainte normale, de cisaillement (Mohr-Coulomb). La deuxième partie de la recherche est consacrée à l'étude d'éléments structuraux mettant en oeuvre les formulations pultrudés de ces systèmes composites. L'expérimentation de poutres, présentant un rapport de la hauteur de la section à la portée de la poutre compris entre 1/15 et 1/50, met en évidence des modes de rupture spécifiques confirmant les faibles caractéristiques du matériau vis-à-vis de l'effort tranchant, du cisaillement interlaminaire et de la décohésion fibre/matrice. L'optimisation de la conception et du dimensionnement des poutres se poursuit en considérant des modifications d'ordre technologique : modification des sections par addition d'entretoises, confinement des sections par tressage circonférentiel, application d'un confinement par stratification directe. Pour chaque type de structures, nous cherchons à définir les limites de validité des méthodes de dimensionnement usuelles en examinant plus particulièrement la conformité des hypothèses de calcul (Navier-Bernoulli, Saint Venant), la cohérence des équations d'équilibre au regard de la cinématique dans chaque section. Dans un second temps, nous considérons des développements intégrant les non linéarités de comportement ou des modèles d'équilibre de type force adaptés à la redistribution interne des efforts tranchants.

Durant le procédé de thermoestampage, le renfort tissé/préimprégné peut subir des grandes rotations de fibres dues aux fortes déformations de cisaillement dans le plan. Ces rotations sont importantes surtout dans les zones à géométries complexes telles que celles à double courbure. Par conséquent, la réorientation des fibres dans le nouveau renfort cisaillé affecte significativement la résistance et la performance du produit final. L'objectif de ce travail de thèse est de développer un modèle de comportement qui tient compte des changements d'angle entre les réseaux de mèches (directions chaine et trame). Un modèle de comportement hypo élastique a été proposé afin de simuler la mise en forme des tissés secs. La simulation de la mise en forme permet de déterminer les réorientations finales entre les mèches par l'intermédiaire des angles de cisaillement. Ces derniers sont transférés dans un modèle élastique orthotrope élaboré pour effectuer une analyse structurelle d'un composite durci après sa mise en forme. Le modèle orthotrope a été validé expérimentalement par un test de traction sur des éprouvettes durcies après un bias extension test. Finalement, pour démontrer la performance de ce modèle élastique orthotrope (avec la prise en compte de la réorientation des mèches), des analyses EF sur un hémisphère et un double dôme durcis ont été réalisés. Les résultats obtenus par le modèle orthotrope ont été comparés avec ceux issus d'un modèle sans la prise en compte de la réorientation des mèches. / During the forming process, the woven fabric/prepreg can undergo large fiber rotations due to plane shear deformation. These rotations are mostly important in zones with complexe gometries such as double curvature. Therefore, the fiber reorientations in the new sheared fabric affects significantly the strength and performance of final product. The aim of this thesis work is to develop a constitutive model that taking into account the angle's between the weft and warp yarns. An hypoelastic model has been developed in order to simulate the forming of dry fabric. The forming simulation allows to determine the final reorientations between yarns through the shear angles. The later are transferred into an orthotropic elastic model, developed to perform a structural analysis of a cured composite after its forming. The orthotropic model has been validated by a tensile test on cured specimens after a bias extension test. Finally, to demonstrate the performance of this orthotropic model (taking into account the reorientation of yarns), FE analysis on cured hemisphere and double dome have been performed. The results obtained by the orthotropic model have been compared with those obtained from a model without taking into account the reorientation of yarns.

Ce travail de recherche est axé sur le développement de composites à liant phosphatique et fibres de renfort en verre E pour diverses applications structurales en Génie Civil. Dans une première partie, un bilan bibliographique nous permet d’identifier les principaux facteurs aux différentes échelles (nano, micro, méso et macro) ayant une influence sur le comportement global de composites à matrice minérale. Dans un second temps, les propriétés mécaniques et physico-chimiques des constituants sont présentées. Nous développons une méthodologie spécifique de caractérisation en traction, en compression et en cisaillement. Le développement de procédures expérimentales particulières en compression et en cisaillement permet l’identification des lois de comportement et l’évaluation des seuils d’endommagement et charges de rupture. La prévision des différents termes de rigidité élastique des systèmes composites est évaluée à partir d’expressions reprenant les principes de base de la micromécanique des composites. L’analyse du comportement à rupture est abordée au plan mésoscopique en considérant deux critères de résistance en plasticité, anisotropie (Tsai-Wu) et en contrainte normale, de cisaillement (Mohr-Coulomb). La deuxième partie de la recherche est consacrée à l’étude d’éléments structuraux mettant en oeuvre les formulations pultrudés de ces systèmes composites. L’expérimentation de poutres, présentant un rapport de la hauteur de la section à la portée de la poutre compris entre 1/15 et 1/50, met en évidence des modes de rupture spécifiques confirmant les faibles caractéristiques du matériau vis-à-vis de l’effort tranchant, du cisaillement interlaminaire et de la décohésion fibre/matrice. L’optimisation de la conception et du dimensionnement des poutres se poursuit en considérant des modifications d’ordre technologique : modification des sections par addition d’entretoises, confinement des sections par tressage circonférentiel, application d’un confinement par stratification directe. Pour chaque type de structures, nous cherchons à définir les limites de validité des méthodes de dimensionnement usuelles en examinant plus particulièrement la conformité des hypothèses de calcul (Navier-Bernoulli, Saint Venant), la cohérence des équations d’équilibre au regard de la cinématique dans chaque section. Dans un second temps, nous considérons des développements intégrant les non linéarités de comportement ou des modèles d’équilibre de type force adaptés à la redistribution interne des efforts tranchants. / This PhD thesis focuses on the development of E-glass reinforced Inorganic Phosphate Cement (IPC) matrix composites for structural applications in Civil Engineering. First, a bibliographical review highlights the main parameters occurring at different scales (nano, micro, meso and macro) influencing the global behaviour of the composite. Mechanical and physico-chemical properties of the different components are presented, followed by a characterization methodology in tension, in compression and in shear. The development of specific experimental procedures in compression and in shear leads to the identification of the constitutive equations and to the assessment of the damage and failure thresholds. The prediction of the different terms of elastic stiffness is assessed using micromechanical expressions. The failure is analysed at the macroscopic scale considering two failure criteria: Tsai-Wu and Mohr-Coulomb. The second part of the study is devoted to the analysis of loadbearing elements in glass reinforced mineral matrix. The realised beams show a height-to-span ratio between 1/15 and 1/50. The experimentation highlights specific failure modes confirming the weak shear performance of the composite in terms of shear force, interlaminar shear and fibre/matrix decohesion. Some technological modifications allow the optimisation of the design: the use of internal reinforcing struts, external confinement by fiber braiding and external wrapping. For each type of structure, we define the validity limits of the usual design methods examining the design hypotheses (Navier-Bernoulli, Saint Venant) and the equilibrium equations in function of the kinematics. In a second time, we consider the development of a force equilibrium model integrating a non-linear behaviour adapted to the internal redistribution of the shear forces.