This thesis presents experimental work and numerical analysis that has been undertaken to assess the bearing capacity of perforated offshore foundations. Perforated foundations may be used to support subsea infrastructure, including as mudmats into which a number of perforations have been made, or as grillages which consist of a series of structurally connected strip footings. Larger gravity base foundations, such as for offshore wind turbines or oil and gas platforms, may adopt a single central perforation. The advantages of using perforated foundations can include reduced material requirements and easier offshore handling as a result of smaller weight and lower hydrodynamic forces during deployment. Limited guidance currently exists for assessing the bearing capacity of these foundation types. Bearing capacity of perforated foundations has been examined in this thesis under conditions of combined vertical, horizontal and moment loading which is typical in offshore settings. Undrained soil conditions have been considered, except for the case of grillages in which drained conditions are often most relevant. Experimental work has included centrifuge testing of ring and square annular foundations on clay, and 1g testing of grillage foundations on sand. Finite element modelling has also been undertaken to assess perforated foundation capacity. A Tresca material subroutine (UMAT) and an adaptive meshing scheme have been developed to improve the accuracy of the finite element analysis carried out. The results showed that perforated foundations can be an efficient foundation solution for accommodating combined loading. As a ratio of their vertical load capacity, perforated foundations may be able to withstand higher moment and horizontal loads compared with unperforated foundations. The experimental and numerical results have been used to develop design expressions that could be employed by practitioners to estimate the vertical and combined load bearing capacity of these foundation types.

Analyse limite : formulations analytique et numérique avec application aux structures en géotechnique, pour les milieux isotropes et orthotropes de révolution.

Résumé Nous présentons en premier lieu dans ce travail les principales notions de la théorie de l'Analyse Limite (AL) — ou théorie des charges limites — en mécanique. Puis nous proposons une méthode de point intérieur destinée à résoudre des problèmes de programmation convexe posés par la méthode statique de l'AL, en vue d'obtenir des bornes inférieures de la charge limite (ou de ruine) d'un système mécanique. Les principales caractéristiques de cette méthode de point intérieur sont exposées en détail, et particulièrement son itération type. En second lieu, nous exposons l'application de cet algorithme sur un problème concret d'analyse limite, sur une large gamme de tailles numériques, et nous comparons pour validation les résultats obtenus avec ceux déjà existants ainsi qu'avec ceux calculés à partir de versions linéarisées du problème statique. Nous analysons également les résultats obtenus pour des problèmes classiques avec matériaux de Gurson, pour lesquels la linéarisation ou la programmation conique ne s'applique pas. La deuxième partie de cet ouvrage a trait à la méthode cinématique de l'analyse limite, qui, elle, s'occupe de fournir des bornes supérieures des charges limites. En premier lieu, nous traitons de l'équivalence entre la méthode cinématique classique et la méthode cinématique mixe, en partant d'une l'approche variationnelle fournie précédemment par Radenkovic et Nguyen. Ensuite, prenant en compte les exigences particulières aux formulations numériques, nous présentons une méthode mixte originale, parfaitement cinématique, utilisant aussi bien des champs de vitesses linéaires que quadratiques, continus ou discontinus. Son modus operandi pratique est tiré de l'analyse des conditions d'optimalité de Karush, Kuhn et Tucker, fournissant par là un exemple significatif d'interaction fructueuse entre la mécanique et la programmation mathématique. La méthode est testée sur des problèmes classiques avec les critères de plasticité de von Mises/Tresca et Gurson. Ces test démontrent l'efficacité remarquable de cette méthode mixte — qui par ailleurs n'utilise que le critère de plasticité comme information sur le matériau — et sa robustesse, laquelle s'avère même supérieure à celle de codes commerciaux récents de programmation conique. Enfin, nous présentons une approche de décomposition, elle aussi originale, des problèmes de bornes supérieures en analyse limite. Cette approche est basée à la fois sur la méthode cinématique mixte et l'algorithme de point intérieur précédents, et elle est conçue pour utiliser jusqu'à des champs de vitesse quadratiques discontinus. Détaillée dans le cas de la déformation plane, cette approche apparaît très rapidement convergente, ainsi que nous le vérifions sur le problème du barreau comprimé de von Mises/Tresca dans le cas de champs de vitesse linéaires continus. Puis elle est appliquée, dans le cas de champs quadratiques discontinus, au problème classique de la stabilité du talus vertical de Tresca, avec des résultats particulièrement remarquables puisqu'ils améliorent nettement les solutions cinématiques connues jusqu'à présent dans la littérature sur le sujet. Cette caractéristique de forte convergence qualifie particulièrement cette méthode de décomposition comme algorithme de base pour une parallélisation directe— ou récursive — de l'approche par éléments finis de l'analyse limite. Abstract Firstly, the main notions of the theory of Limit analysis (LA) in Mechanics —or collapse load theory – is presented. Then is proposed an Interior Point method to solve convex programming problems raised by the static method of LA, in order to obtain lower bounds to the collapse (or limit) load of a mechanical system. We explain the main features of this Interior Point method, describing in particular its typical iteration. Secondly, we show and analyze the results of its application to a practical Limit Analysis problem, for a wide range of sizes, and we compare them for validation with existing results and with those of linearized versions of the static problem. Classical problems are also analyzed for Gurson materials to which linearization or conic programming does not apply. The second part of this work focuses on the kinematical method of Limit Analysis, aiming this time to provide upper bounds on collapse loads. In a first step, we detail the equivalence between the classical an general mixed approaches, starting from an earlier variational approach of Radenkovic and Nguyen. In a second step, keeping in mind numerical formulation requirements, an original purely kinematical mixed method—using linear or quadratic, continuous or discontinuous velocity fields as virtual variables—is proposed. Its practical modus operandi is deduced from the Karush-Kuhn-Tucker optimality conditions, providing an example of crossfertilization between mechanics and mathematical programming. The method is tested on classical problems for von Mises/tresca and Gurson plasticity criteria. Using only the yield criterion as material data, it appears very efficient and robust, even more reliable than recent conic commercial codes. Furthermore, both static and kinematic present approaches give rise to the first solutions of problem for homogeneous Gurson materials. Finally, an original decomposition approach of the upper bound method of limit analysis is proposed. It is based on both previous kinematical approach and interior point solver, using up to discontinuous quadratic velocity. Detailed in plane strain, this method appears very rapidly convergent, as verified in the von Mises/Tresca compressed bar problem in the linear continuous velocity case. Then the method is applied, using discontinuous quadratic velocity fields, to the classical problem of the stability of a Tresca vertical cut, with very significant results as they notably improved the kinematical solutions of the literature. Moreover its strong convergence qualifies this decomposition scheme as a suitable algorithm for a direct—or recursive—parallelization of the LA finite element approach.

L’objectif de ce travail de thèse est d’étudier quelques problèmes elliptiques et paraboliques d’écoulement de fluides non Newtoniens incompressibles et non isothermes gouvernés par l’équation aux dérivées partielles de Stokes avec la condition de Tresca sur une partie du bord quand la viscosité dépend à la fois de la température, de la vitesse et du module du tenseur des taux de déformations. Dans le premier chapitre, on a fait une introduction générale. Dans le deuxième chapitre, nous nous intéressons au couplage entre le système de Stokes et l’équation de la chaleur en régime stationnaire. On montre l’existence de la solution de l’inéquation variationnelle décrivant le système de Stokes pour une température donnée quand la viscosité dépend à la fois de la température, de la vitesse et du module du tenseur des taux de déformations en utilisant la méthode de monotonie pour la vitesse et le théorème de De Rham pour la pression. Dans un deuxième temps, on étudie l’existence et l’unicité de la température solution de l’équation de la chaleur avec un terme L1(Ω) au second membre quand la viscosité dépend à la fois de la température, de la vitesse et du module du tenseur des taux de déformations. On montre ensuite l’existence de la solution du problème variationnel couplé avec la viscosité dépend de la température et du module du tenseur des taux de déformations, en utilisant le théorème de point fixe de Schauder. Dans le troisième et le quatrième chapitre, on traite l’existence et l’unicité de la solution du système de Stokes en régime instationnaire quand la viscosité dépend de la température et du module du tenseur des taux de déformations dans les cas p = 2, p > 2 et 6 5 < p < 2 en utilisant la notion des semi-groupes et la méthode de monotonie pour la vitesse et le théorème de De Rham pour la pression. Par contre, lorsque la viscosité dépend de plus de la vitesse on obtient seulement l’existence par le théorème de point fixe de Schauder / The objective of this thesis is to study some elliptic and parabolic problems of the non-Newtonian flow of an incompressible and non isothermal fluid governed by partial differential equation of Stokes with Tresca’s condition on a part of the boundary when the fluid viscosity depends on temperature and also on the modulus of strain rate tensor and the velocity of the fluid. In the first chapter, we did a general introduction. In the second chapter, we consider the coupling between the Stokes systemand the heat equation in steady state. We prove the existence of a solution of the variational inequality describing the Stokes system when the fluid viscosity depends on temperature and also on the modulus of strain rate tensor and the velocity of the fluid of a given temperature by using the monotony methods for the velocity and De Rham’s theorem for the pressure. We study the existence and uniqueness of the temperature solution of the heat equation with L1 (Ω) term to the second member when the fluid viscosity depends on temperature and also on the modulus of strain rate tensor and the velocity of the fluid. We show the existence of a solution of the coupled variational problem when the fluid viscosity depends on temperature and also on the modulus of strain rate tensor by using Schauder fixed point theorem. In the third and the fourth chapter, we treate the existence and uniqueness of a solution of the Stokes system in unsteady state when the fluid viscosity depends only on temperature and on the modulus of strain rate tensor in the cases p = 2, p > 2 and 6 5 < p < 2 by using the notion of semigroup and monotony methods for the velocity and De Rham’s theorem for the pressure. However, when the fluid viscosity depends also on the velocity of the fluid we obtain only the existence by Schauder fixed point theorem

Dans cette thèse, nous étudions quelques problèmes de lubrification par des fluides non-Newtoniens isothermes et non-isothermes, dans un domaine mince $\Omega^{\varepsilon}$ d'épaisseur de l'ordre de ${\varepsilon}$, avec la condition de frottement de Tresca sur le bord inférieur de $\Omega^{\varepsilon}$. Dans le premier chapitre, nous considérons un fluide non-Newtonien isotherme dont la viscosité suit la loi de puissance. Nous montrons l'existence et l'unicité de la solution $(u^{\varepsilon}, p^{\varepsilon})$ en utilisant des résultats abstraits des opérateurs pseudo-monotones. Ensuite, nous étudions le comportement asymptotique des solutions lorsque $\varepsilon \rightarrow 0$. Nous obtenons ainsi un problème limite, et nous montrons l'unicité des ses solutions. Dans le deuxième chapitre, nous étudions le problème dans le cas non-isotherme. Le système obtenu est complexe, fortement non linéaire, couplant l'équation de la conservation de la quantité du mouvement avec l'équation de la chaleur. La difficulté ici est la preuve du théorème donnant l'existence des solutions, ainsi que les estimations a priori sur la température. Dans le troisième chapitre, nous étudions une variante des équations de Navier-Stokes, où le paramètre $\varepsilon $ est présent aussi dans l'équation de la conservation de la quantité du mouvement sous forme d'un nombre de Reynolds $\varepsilon^{\gamma}$ et dans la condition de frottement de Tresca. Nous montrons l'existence et l'unicité de la solution sous des conditions sur $\varepsilon$ et $\gamma$. Par des techniques semblables à celles utilisées dans les chapitres précédents, nous obtenons le résultat de convergence de la solution $(u^{\varepsilon},p^{\varepsilon})$ vers la solution du problème limite et nous montrons l'unicité de sa solution. Dans le dernier chapitre, nous étudions un autre modèle de fluide non-Newtonien, le fluide visco-plastique de Bingham. Nous supposons en plus de la condition de Tresca sur le bord inférieur, une condition de Fourier sur le bord supérieur. Nous suivons le même schéma d'étude que précédement, les difficultés sont techniques et concernent les estimations a priori, surtout la majoration des termes aux bords.

Ce travail de thèse a pour but d'étudier des écoulements non stationnaires de fluides incompressibles Newtoniens et non isothermes. Le problème est décrit par les lois de conservation de la masse, de la quantité de mouvement et de l'énergie. Nous nous intéressons au couplage entre le système de Navier-Stokes et l'équation de la chaleur hyperbolique (le résultat de la combinaison entre la loi de conservation d'énergie et la loi de Cattaneo). Cette dernière est une modification de la loi de Fourier utilisée habituellement, elle permet de surmonter ''le paradoxe de la chaleur'' et d'obtenir une description plus précise de la propagation de la chaleur. Le système couplé est un problème hyperbolique-parabolique dont la viscosité dépend de la température, alors que la capacité thermique et le terme de dissipation dépendent de la vitesse. Afin d'obtenir un résultat d'existence de solutions du problème couplé, nous démontrons d'abord l'existence et l'unicité de la solution du problème hyperbolique puis nous introduisons une discrétisation en temps et nous étudions la convergence des solutions approchées vers celles du problème original. Dans un deuxième temps nous étudions l'existence et l'unicité de la solution du système de Navier-Stokes muni des conditions aux limites de type Tresca puis de type Coulomb en dimension 2 et 3. Dans le chapitre 3, nous proposons une discrétisation en temps du problème d'écoulement dans le cas de la condition au limite de type Tresca et nous établissons la convergence des solutions approchées. Le dernier chapitre de ce mémoire est consacré à l'étude du problème couplé dans le cas de conditions aux limites de type Tresca. L'existence d'une solution est obtenue par un argument théorique de point fixe en dimension 2 et également par une méthode de discrétisation en temps qui conduit à résoudre sur chaque sous intervalle de temps un problème découplé pour la vitesse et la pression d'une part et la température d'autre part.

In this thesis, the Generalized Finite Difference (GFD) method is applied to analyze the elastoplastic deformation behavior of a long functionally graded (FGM) tube subjected to internal pressure. First, the method is explained in detail by considering the elastic response of a rotating FGM tube. Then, the pressurized tube problem is treated. A long FGM tube with fixed ends (axially constrained ends) is taken into consideration. The two cases in which the modulus of elasticity only and both the modulus of elasticity and the yield limit are graded properties are analyzed. The plastic model here is based on incremental theory of plasticity, Tresca&#039 / s yield criterion and its associated flow rule. The numerical results are compared to those of analytical ones. Furthermore, the elastic response of an FGM tube with free ends is studied considering graded modulus of elasticity and Poisson&#039 / s ratio. The results of these computations are compared to those of Shooting solutions. In the light of analyses and comparisons stated above, the applicability of the GFD method to the solution of similar problems is discussed. It is observed that, in purely elastic deformations the accuracy of the method is sufficient. However, in case of elastic-plastic deformations, the discrepancies between numerical and analytical results may increase in determining plastic displacements. It is also noteworthy that the predictions for tubes with two graded properties, i. e. the modulus of elasticity and the yield limit, turn out to be better than those with one graded property in this regard.

The stress distribution in a rotating solid shaft with temperature dependent yield stress subject to a temperature cycle is investigated. It is presumed that the shaft is in a state of generalized plane strain and obeys Tresca&rsquo / s yield criterion and the flow rule associated with it. By the temperature cycle it is meant that the surface temperature of the shaft is increased to a limiting value, it is held at this temperature for a while, and then slowly decreased at the same rate to the reference temperature. The isothermal shaft is rotated up to around elastic limit rotation speed and then the temperature cycle is applied to the surface of the shaft. Even in an initially purely elastic shaft, two plastic regions with different forms of the yield condition emerge simultaneously at the centre and expand into the elastic region. However, the expansion of the plastic zone ceases soon thereafter, and an unloaded region spreads into the plastic core. It is shown that the stress distribution is altered significantly by the temperature cycle, hence also leading to non-zero residual stresses at stand-still.

La modélisation des problèmes de contact pose de sérieuses difficultés : conceptuelles, mathématiques et informatiques bien plus complexes que celles qui proviennent de la mécanique des structures linéaire classique. Motivés par le rôle fondamental que joue le contact dans les applications en calcul de structures, nous nous intéressons aux problèmes de contact unilatéral et frottement (statique et dynamique) en petites déformations. Cette thèse est consacrée à l'étude de certaines formulations et méthodes pour résoudre ce problème et se décompose en deux grandes parties. La première partie est consacrée à la présentation de la discrétisation hybride du problème de contact unilatéral avec frottement de Coulomb. Une formulation avec projection est étudiée et un résultat d'existence et d'unicité est donné pour le problème discret. Différentes méthodes de résolution sont présentées (Newton, méthode itérative, points fixes, Uzawa) et comparées en termes de nombre d'itérations et en termes de robustesse par rapport au coefficient de frottement. La deuxième partie concerne le problème de contact élastodynamique. Plusieurs schémas classiques d'intégration en temps (la θ-méthode, schéma de Newmark, point milieu) sont présentés dans cette partie. On donne aussi de nouvelles stratégies (schéma de Paoli et Schatzman, schéma avec la loi de contact équivalente, schéma avec la matrice de masse équivalente) pour venir à bout des difficultés rencontrées avec les schémas précédents. Cette dernière méthode nous permet de conserver l'énergie du problème et de montrer un résultat d'existence d'une solution lipschitzienne pour le problème de contact élastodynamique discret. Ces résultats sont validés par des simulations numériques.

Cette thèse traite le problème de la stabilité des ouvrages souterrains creusés en terrain meuble à faible profondeur. La stabilité de ce type d'ouvrages est normalement étudiée en utilisant des méthodes justifiées par l'expérience mais dont les hypothèses ne sont pas toutes cohérentes au plan mécanique. L'application systématique du calcul à la rupture et de l'analyse limite fournit des encadrements pour les chargements conduisant à la rupture d'un système donné. Le mémoire décrit la mise en oeuvre numérique d'une forme régularisée de l'approche cinématique de l'analyse limite pour l'étude de la stabilité des ouvrages souterrains. La résistance des sols est modélisée par des critères de Tresca, de Tresca tronqué en traction et de Mohr-Coulomb en conditions bidimensionnelles, et par des critères de Tresca et de Mohr-Coulomb pour les calculs tridimensionnels. Les calculs reproduisent les modes de rupture observés dans les travaux souterrains et sur modèles. Les charges limites calculées sont voisines des valeurs expérimentales.