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Les Essais Non Destructifs (END) par ultrasons permettent de caractériser le béton, sans le dégrader en raison de leurs liens avec ses propriétés mécaniques et sa composition. Cependant, les signaux mesurés résultant de diffusions successives et multiples des ondes sont complexes à analyser. Afin d’optimiser les techniques ultrasonores, il est nécessaire de mieux comprendre les interactions onde-matière dans ce type de milieu et de modéliser au mieux les phénomènes associés. Afin d’aller au-delà des limites des modèles analytiques d’homogénéisation, dans ce travail de thèse un modèle numérique bidimensionnel décrivant la propagation d’ondes ultrasonores dans un milieu hétérogène, adapté au béton, est construit dans le logiciel SPECFEM2D. Ce modèle est comparé à des modèles analytiques, et validé expérimentalement à l’aide d’un milieu synthétique à forte hétérogénéité en comparant les deux paramètres effectifs cohérents : vitesse de phase et atténuation. Il permet également de prendre en compte la viscoélasticité du mortier par l’intermédiaire d’un facteur de qualité. Celui-ci est déterminé à partir des mesures effectuées pour une série de mortiers étudiés.L’outil numérique complet peut être utilisé à plusieurs fins: d’une part, la réalisation d’études afin d’évaluer l’influence de certains paramètres sur la propagation d’onde (la forme et la distribution des granulats), et d’autre part, la simulation des configurations de mesure mises en œuvre sur structure afin de les optimiser en fonction des paramètres qui interviennent, en particulier la fréquence des ondes. Cette meilleure maîtrise des mesures permettra de conduire à terme à l’amélioration du diagnostic. / Ultrasonic non-destructive testing (NDT) is used to characterize concrete, without degrading it, because of its relationship to its mechanical properties and composition. However, the measured signals resulting from successive diffusions and thus from multiple scattering are therefore complex to analyze. In order to optimize ultrasonic techniques, it is thus necessary to better understand the wave-material interactions in this type of medium and to better model the associated phenomena. In order to go beyond the limits of analytical homogenization models, in this thesis a two-dimensional numerical model describing the propagation of ultrasonic waves in a heterogeneous medium, adapted to concrete, is built in the SPECFEM2D software package. This model is compared to analytical models, and validated experimentally using a synthetic medium with high heterogeneity by comparing the two effective parameters of coherent waves: phase velocity and attenuation. This numerical model also makes it possible to take into account the viscoelasticity of the mortar by means of a quality factor. This quality factor is determined from measurements made for a series of mortars that we study. The complete set of numerical tools developed in this work can be used for several purposes: firstly, to carry out studies to evaluate the influence of certain parameters on wave propagation (the shape and distribution of aggregates), and secondly, the simulation of the measurement configurations implemented for a structure in order to optimize them in terms of the parameters involved, in particular the wave frequency. This better control of the measures will ultimately lead to better diagnosis.

Ces travaux de thèse portent sur l'étude expérimentale approfondie d'un composite à base polyamide 66/6 renforcé par des fibres de verres tissés suivant un motif sergé 2/2. L’objectif est de proposer des solutions de Contrôle Non Destructif (CND) basées sur les ultrasons afin de détecter différents niveaux d’endommagement induis. Pour cela, une étude approfondis des mécanismes d’endommagement apparaissant lors de sollicitations en traction suivant l’axe des fibres et hors axes est réalisé. Le cas d’impact induis par poids tombant est également étudiés. En effet, ces différents cas de sollicitions entraînent l’apparition de différent mécanismes d’endommagement. Ces derniers, ainsi que leur ordre d’apparition, sont caractérisés par Microscopie Electronique à Balayage (MEB) et tomographie à rayons X principalement. L’évaluation de la réduction du module élastique pré et post chargement ainsi que la fraction volumique de vide montrent une évolution de l’endommagement plus importante lors de chargement en traction hors axes des fibres que lors de chargement suivant l’axe. Lors des essais d’impact par poids tombant différents niveaux d’énergie sont considérés en restant proche du domaine des BVID en vue d’éprouver la sensibilité des méthodes de CND. Deux méthodes de CND par ultrasons étudiées durant ce projet peuvent être mises en avant. Premièrement, par mesure de la vitesse de propagation des ondes dans plusieurs directions du composites, le tenseur de rigidité est estimé dans tous ces cas de sollicitation mécanique pour différents niveaux d’endommagement. Des indicateurs d’endommagement basés sur ces mesures montrent une évolution de l’état d’endommagement similaire à celle discutée précédemment. Deuxièmement, une étude de la détection de l’endommagement par ondes guidées est menée. Aucun changement des modes transmit n’est visible lors de l’augmentation de l’état d’endommagement. L’évolution de l’énergie du signal transmis est alors proposée et validée comme indicateur d’endommagement efficace pour des chargements en traction mais pas pour l’impact. La mesure du décalage temporel à en revanche permis une localisation et une quantification de l’endommagement induit par impact. / The present study is focused on the experimental study of a polyamide 66/6 based composite reinforced by a 2/2 twill weave glass fabric. The aim is to propose Non Destructive Evaluation (NDE) methods based on ultrasound that can efficiently distinguish different damage state. In order to do so, an investigation of the damage mechanisms induced by different type of mechanical solicitations. Tension along and off the axis of the fibers was considered as well as the case of drop weight impact. Those solicitations were shown to induce different damage mechanisms. The latter were characterized by means of Scanning Electronic Microscopy (SEM) and X-Ray tomography mostly. The decreasing of the elastic modulus and the void volume fraction evolution were shown to be more significant for the samples loaded in tension off-axis. During the drop weight impact tests, the energies were considered in order to remain close to the Barely Visible Impact Damage (BVID) regime in order to experience the capability of the ultrasound based NDE methods. Two NDE methods investigated during this study deserve to be highlighted. Firstly, the stiffness tensor was estimated by means of phase velocities measurements in different propagation direction. Damage indicators based on results from this method were proposed. They were found to give results similar with the one from the evaluation of damage discussed earlier on. Secondly, a study of the damage detection using guided waves was performed. No mode conversion effect was observed from this investigation. Consequently, the signal energy was proposed as damage indicator and was found to be suitable to detect damage induced by tension but not by impact. The measure of time shift allowed obtaining a localization and evaluation of the damage induced by impact.

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V této diplomové práci jsou popsané SHM metody používané v letectví a dále jsou udělány MKP simulace šíření ultrazvoukových vln v celokompozitním tenkostěnném materiálu používaném u leteckých konstrukcí. Pro simulaci byla zvolena SHM metoda nazývaná pitch-catch. Simulace byla provedena na dvou různých kompozitových materiálech a každý z nich byl testován třemí různými konfiguracemi s trhlinou a jednou konfigurací bez trhliny. Jako prepocessor byl použit MSC.Patran a jako post processory byli použity MSC.Nastran a MSC.Dytran, jejichž výsledky byli na závěr porovnány. Simulace prokázali, že rychlost šíření a amplituda vln šířících se v simulovaném panelu je trhlinami ovlivněna. Při konfiguracích s trhlinami rychlost šíření i amplituda vln byli menší, než v případě bez trhliny. Jako vhodnější post processor při MKP simulacích se ukázal MSC.Nastran, jehož výsledky byli přesnější a zárověň bylo i snažší správně odečítat hodnoty dat z grafů pro podrobnější pozorování šíření vln.

Analyse pétrophysique et anisotropie des roches détritiques dans des systèmes en compression et sous influence de failles actives : Exemple des prismes de Taiwan et du prisme de Nankai (Japon)L'objectif de cette thèse est l'étude de la déformation enregistrée par des roches d'origine détritique dans des domaines sujets au raccourcissement tectonique sub-horizontal (Layer Parallel Shortening) et à des failles actives. Cette étude est basée sur la caractérisation de diverses propriétés physiques et de leur anisotropie à l'échelle de l'échantillon dans le but de décrire à plus grande échelle la structure d'un prisme d'accrétion. Deux prismes ont ainsi été échantillonnés, le premier est le prisme inactif de Taiwan dans le cadre du projet TCDP et le second considéré comme actif celui de Nankai dans le cadre du projet NanTroSeiZE. La microstructure d'une roche sédimentaire, y compris en l'absence de déformation tectonique, présente toujours une ou plusieurs caractéristique(s) anisotrope(s) liée(s) à la forme, à l'orientation préférentielle ou à l'arrangement de ses éléments constitutifs. De nombreux travaux ont porté sur les conséquences de ces anisotropies sur les propriétés physiques, d'abord dans un but prédictif, puis selon une démarche inverse visant à caractériser, à l'aide de modèles, microstructures et histoire tectonique associée. Dans cette thèse la confrontation des résultats obtenus pour différentes propriétés physiques (principalement vitesses des ondes acoustiques, susceptibilité magnétique et aimantation rémanente) met en évidence des réponses sélectives liées à un fort contrôle de la lithologie.Au niveau de prisme de Taiwan, deux résultats majeurs ont été obtenus. D'une part, la comparaison des anisotropies magnétiques et acoustiques a permis de montrer une évolution différentielle de la déformation entre les roches riches en matrice (siltite) par et celles plus riches en grain sableux (grès). D'autre part, les résultats combinés de l'anisotropie des ondes P, l'étude microstructurale et la minéralogie magnétique, montrent un comportement particulier des échantillons situé dans le mur de la faille FZB1136, considérée comme responsables du séisme de Chi-Chi en 1999. Un réseau de structures dilatantes fortement perméable à permis la circulation de fluides, de néo-cristallisation de calcite et de néoformation de minéraux magnétique. Sur le prisme de Nankai, une estimation de la quantification de la déformation enregistrée par les échantillons du prisme est modélisée en utilisant le modèle de March et les paramètres de susceptibilité magnétique. Les différents travaux réalisés dans cette thèse mettent en évidence un couplage direct de certaines propriétés physiques mesurées avec certains effets de déformation, chaque propriété caractérisant un point précis de la fabrique enregistré dans les roches.Mots-clefs : Anisotropie, susceptibilité magnétique, vitesses d'ondes ultrasoniques, déformation, fabrique, microstructures, faille inverse, TCDP, NanTroSeiZE. / Petrophysics of sedimentary rocks in compressive regime near active faults: examples of the Taiwan and Nankai accretionary prismsThe objective of this PhD is to study the deformation recorded by detrital rocks in areas subject to sub-horizontal tectonic shortening (Layer Parallel Shortening) and active faults. This study is based on the characterization of various physical properties and their anisotropy at sample scale in order to describe larger-scale structure of an accretionary prism. Two prisms have been sampled, the first is the inactive in Taiwan prism (TCDP project) and the second active the Nankai prism (NanTroSeiZE project).Sedimentary rocks microstructures, regardless of the degree to which they were loaded tectonically, always present some anisotropic characteristic emerging from a preferential shape, orientation or distribution of its constituents. Numerous studies have focused on the effect of such anisotropies on physical properties, first for prediction purposes, then to conversely get diffuse strain insight through the use of various effective medium models. In this thesis, the comparison between results obtained in discrete samples for various physical properties (essentially acoustic wave velocities, magnetic susceptibility and remanent magnetization) reveals selective responses due to a strong lithologic control.In TCDP, two significant results are reported. On the one hand, comparison of magnetic and acoustic anisotropy showed a differential evolution of deformation between the matrix-rich rocks (siltstones) and those with coarser granular fraction (sandstone). On the other hand, the combined results of the anisotropy of P waves velocity, microstructural analysis and magnetic mineralogy, show a peculiar behavior of the samples located in the wall of the fault FZB1136, considered to be responsible of the Chi-Chi earthquake in 1999. A network of highly permeable dilatant structures allowed the circulation of fluids, neo-crystallization of calcite and neoformation of magnetic minerals. On the Nankai prism, an estimate of quantifying the deformation recorded by the samples of the prism is modeled using a simple March-type model and the parameters of magnetic susceptibility. The various work in this thesis show a direct coupling of physical properties measured with some aspect of deformation, each property characterizing a specific point of the fabric recorded in rocks.Keywords : Anisotropy, magnetic susceptibility, ultrasonic wave velocity, strain, fabric, microstructures, thrust fault, TCDP, NanTroSeiZE.

The determination and following up the development of properties during the fresh state and early ages of concrete are important in order to schedule the work and to obtain the desired properties in the hardened concrete. As the traditional methods such as Vicat and Penetrometer mostly depend on the experience of the operator and do not provide a continuous picture of the development of properties, reliable and objective non-destructive test methods are needed for the quality control of fresh concrete. The purpose of this thesis is to observe the development of properties of fresh pastes and mortars continuously by longitudinal ultrasonic waves. For this purpose, cement pastes and mortars with three different w/c ratios were prepared with ordinary portland cement. The ultrasonic pulse velocities were determined continuously during hydration. The setting times were also determined by standard test methods. The flexural and compressive strength were determined at 1, 2, 3, 7 and 28 days by standard test method and the volume of permeable pores were also obtained at the same ages. Lastly, the heat of hydration of cement pastes of similar w/c ratios were determined by isothermal calorimetry. UPV (Ultrasonic Pulse Velocity) development was compared with the results of standard tests applied on the samples. The results revealed that the UPV is a useful method in monitoring the hydration process of cementitious materials.

Pastilhas de dióxido de urânio (UO2) são empregadas como combustível nos reatores nucleares de potência, onde as condições operacionais introduzem elevados gradientes térmicos nas pastilhas. Potências elevadas propiciam a fusão da parte central das pastilhas. O inchamento das pastilhas de dióxido de urânio (UO2), decorrente dos produtos de fissão, pode causar o trincamento do material, em função disso, o estudo do seu comportamento mecânico é importante. Esse trabalho avaliou a aplicação de método ultrassônico na obtenção de constantes elásticas. Em função das dificuldades no manuseio do material nuclear, optou-se por um estudo comparativo em pastilhas de alumina (Al2O3). Foram fabricados e usados dois conjuntos de 10 pastilhas de Al2O3 com densidades de 92% e 96%. Foi desenvolvida técnica ultrassônica por transmissão obtendo medidas do tempo de percurso de ondas ultrassônicas, longitudinais e transversais, usadas para a determinação das constantes elásticas do material. Equações relacionando a velocidade da onda ultrassônica ao módulo de elasticidade, módulo de cisalhamento e coeficiente de Poisson, permitiram obter essas constantes elásticas, que apresentaram excelente concordância com a literatura disponível para o Al2O3.

Pastilhas de dióxido de urânio (UO2) são empregadas como combustível nos reatores nucleares de potência, onde as condições operacionais introduzem elevados gradientes térmicos nas pastilhas. Potências elevadas propiciam a fusão da parte central das pastilhas. O inchamento das pastilhas de dióxido de urânio (UO2), decorrente dos produtos de fissão, pode causar o trincamento do material, em função disso, o estudo do seu comportamento mecânico é importante. Esse trabalho avaliou a aplicação de método ultrassônico na obtenção de constantes elásticas. Em função das dificuldades no manuseio do material nuclear, optou-se por um estudo comparativo em pastilhas de alumina (Al2O3). Foram fabricados e usados dois conjuntos de 10 pastilhas de Al2O3 com densidades de 92% e 96%. Foi desenvolvida técnica ultrassônica por transmissão obtendo medidas do tempo de percurso de ondas ultrassônicas, longitudinais e transversais, usadas para a determinação das constantes elásticas do material. Equações relacionando a velocidade da onda ultrassônica ao módulo de elasticidade, módulo de cisalhamento e coeficiente de Poisson, permitiram obter essas constantes elásticas, que apresentaram excelente concordância com a literatura disponível para o Al2O3.