For usual concrete structure built in several phases, concrete deformations are restrained during the hardening process. When shrinkage is restrained, tensile stresses are induced and a cracking risk occurs. Modelling the evolution of an early age set of parameters on concrete is necessary to predict the early age behaviour of concrete structures. The difficulty lies in the fact that the modelling of concrete properties must be based on experimental data at early age and this data must be obtained automatically because the hardening process of the concrete takes place rapidly during the first hours and also the first days. The thesis deals with experimental and numerical study of the early age properties of cement based materials and more specifically the development of the autogenous deformation, the coefficient of thermal expansion, the E-modulus and the basic creep in compression and tension. For this purpose, a comprehensive work was carried out at ULB and Ifsttar involving the development of a new approach with new test procedures and the design of new testing devices to generate experimental data since the setting of the material. The methodology is based on two repeated testing methods. For the characterization of the viscoelastic behaviour of a concrete since setting, a permanent loading coupled to a test with repeated minute-long loadings is needed. Whereas, the autogenous strain, the coefficient of thermal expansion and the setting are characterized with repeated thermal variations on a concrete sample. The new approach was defined on an ordinary concrete and then extended to the study of the following parameters: the water-cement ratio, the restrained effect of aggregate on the cement paste in the development of concrete properties at early age, the substitution of cement by mineral addition and the difference of behaviour in tension and in compression. Based on these experimental results, new models were developed for the characterization of the early age properties of cement based materials since setting time. An adapted version of the Model Code 2010 for modelling of basic creep is also proposed. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Dans le domaine de la construction, la détection automatisée et à distance de l’endommagementdes structures en béton est d’une importance capitale. En effet, lescontraintes économiques actuelles imposent une réduction des coûts de maintenancetandis que les impératifs en termes de sécurité et de qualité sont de plus en plus stricts.Dans le cadre de cette thèse, des transducteurs piézoélectriques intégrés sont utilisésafin de suivre en temps réel le comportement du béton. Ces transducteurs sont faitsde PZT, une céramique piézoélectrique particulièrement adaptée au suivi à l’aide d’ultrasonsde par ses faibles dimensions, son faible coût et la large bande de fréquenced’utilisation. Un système de monitoring ultrasonore à faible voltage et ultra rapide a étéentièrement conçu dans le cadre de cette thèse. Le système est basé sur des mesuresultrasonores bilatérales entre un émetteur et un récepteur. Le système d’acquisitiondes données développé permet d’atteindre jusqu’à 150 mesures par seconde et decalculer en temps réel un indice d’endommagement sur base des mesures effectuées.L’indice d’endommagement est basé sur la première partie de l’onde transmise (ondedirecte) plutôt que sur l’onde tardive. Le système a démontré qu’il est capable de détecterl’apparition de fissures dans le béton avant qu’elles ne soient visuellement apparenteset qu’il permet de suivre de suivre l’initiation de l’endommagement jusqu’à la rupturepour des mécanismes de fissuration très rapides, voire fragiles. Le fait d’intégrer lestransducteurs à l’intérieur de la structure permet potentiellement d’améliorer l’efficacitédes transducteurs ultrasonores à condition que les couches d’enrobage de l’élémentpiézoélectrique soient adéquatement choisis. Une partie importante du travail réaliséa été consacrée au développement d’une méthode innovante et fiable pour concevoirde nouveaux designs de transducteurs optimisés à la fois dans du béton frais ou durci.Nous avons choisi de tirer avantage du mode radial de vibration de disques piézoélectriquepeu coûteux au mode de vibration selon l’épaisseur. Ce dernier requiert en effetdes éléments plus épais ou des matériaux piézoélectriques composites plus coûteuxet dès lors peu appropriés à être intégré définitivement dans une structure en béton.Nous démontrons par ailleurs que les matériaux piézoélectriques composites à base dematériaux cimentaires qui sont abondamment étudiés semblent en réalité peu adaptés àêtre utilisés comme transducteurs ultrasonores, contrairement à des composites plusclassiques. Une attention particulière a été portée à comparer le fonctionnement destransducteurs externes et intégrés. Nous montrons par exemple que si les performancesdes transducteurs externes peuvent être améliorées sur base de la théorie d’adaptationde l’impédance acoustique, il en va tout autrement pour les transducteurs intégrés / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / info:eu-repo/semantics/nonPublished

The cement being used in the construction industry is the result of a chemical process<p>linked to the decarbonation of limestone conducted at high temperature and results in a<p>significant release of CO2. This thesis is part of the project EcoBéton (Green concrete) funded<p>by the French National Research Agency (ANR), with a purpose to show the feasibility of<p>high substitution of cement by mineral additions such as blast furnaces slag, fly ash and<p>limestone fillers. Generally for high percentages of replacements, the early age strength is<p>lower than Portland cement concrete. To cope with this problem, an optimisation method for<p>mix design of concrete using Bolomey’s law has been proposed. Following the encouraging<p>results obtained from mortar, a series of tests on concretes with different substitution<p>percentages were carried out to validate the optimisation method. To meet the requirements of<p>the construction industry related to performance of concrete at early age, which determine<p>their durability, a complete experimental study was carried out. Standard tests for the<p>characterization of the mechanical properties (compressive strength, tensile strength, and<p>setting) allowed to validate the choice of mix design on the basis of equivalent performance.<p>We focused on the hydration process to understand the evolution of the mechanical<p>properties. Setting time measurement by ultrasound device at different temperatures (10°C,<p>20°C and 30°C) showed that ground granulated blast furnace slag (GGBFS) and fly ash<p>delayed the setting process, while use of limestone filler may accelerate this process.<p>Calorimetric studies over mortars and concretes made possible to calculate the activation<p>energy of the different mixtures and a decrease in heat of hydration of concretes with mineral<p>additions was observed which is beneficial for use in mega projects of concrete. Scanning<p>Electron Microscopy observations and thermal analysis have given enough information about<p>the hydration process. It was observed that the hydration products are similar for different<p>concrete mixtures, but the time of their appearance and quantity in the cement matrix varies<p>for each concrete mix.<p>Last part of the thesis was dedicated to the study of main types of shrinkage. First of all,<p>deformations measured were correlated to hydration, capillary depression and porosity<p>evolution. Results allowed concluding that the use of mineral additions has an actual effect on<p>the plastic shrinkage behaviour, but its impact is not proportional to the percentage of<p>additions. Substitution of cement by the additions seems to have a marked influence on the<p>kinetics of the shrinkage without any effect on its long term amplitude. The study of<p>restrained shrinkage under drying conditions by means of ring tests showed that concretes<p>with high percentage of slag addition seem more prone to cracking than the Portland cement<p>concretes. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

In the present work, a settlement-based method is proposed to design piled raft foundation. The proposed design method is found to be very efficient, economical and requires less calculation time. Simple software can be used to execute all the interactions and loop calculations.<p>Unlike methods with numerical techniques, there are practically no limitations for the number of individual piles under the raft, size of the group and the group shape or layout. It can also be applied to piles with different length or piles that are located within multi-layered soils.<p>The raft is designed first according to the allowable settlement that is pre-defined by the structural requirements and with the necessary factor of safety. When raft suffers excessive settlement, then the load that causes excess raft settlement beyond the required limit is to be transferred to the fully mobilised frictional piles. <p>The fully mobilised shaft (with no end bearing) piles are designed with factor of safety close to unity since their function is only to reduce raft settlement and since the raft has an adequate bearing capacity.<p>Geometry of these piles is chosen to fully mobilise their shafts capacity with low settlement level in order to comply with load/settlement requirement and reduce raft settlement to the pre-defined level. <p> / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Dans cette thèse, une nouvelle loi d'endommagement en traction des roches sous chargement exploisif est établie. Basée sur l'approche micro-mécanique et énergétique, la loi d'évolution d'endommagement dynamique est conçue à l'aide de la méthode mathématique d'homogénéisation basée sur le développement asymptotique, et en tenant compte de l'effet inertiel lors de la propagation de fissure. Les simulations numériques sont présentées en vue d'illustrer la capacité du modèle à décrire les comportements connus comme les effets de taille pour la réponse structurelle, la sensibilité au taux de déformation, la transition fragile-ductile et la dispersion de l'onde.<p><p>La loi est implémentée dans le code aux éléments finis LAGAMINE pour étudier la réponse macroscopique du modèle. Plusieurs cas d'applications en dynamique ont été examinés.\\<p><p>- En 1D, les problèmes de localisation ont été étudiés dans une barre sollicitée en traction dynamique par une rampe de chargement. Selon l'amplitude de chargement, trois réponses ont été identifiées: a) comportement purement élastique pour des faibles charges, b) localisation à l'extrémité encastrée de la barre pour des chargements modérés et c) localisation à la tête de la barre pour des chargements élevés. L'influence de la taille microstrurelle sur la localisation a été examinée. Des simulations numériques de l'essai de traction dynamique par écaillage ont été éffectuées. Des essais expérimentaux de traction dynamique par écaillage ont été réalisés sur la bauxite et ont permis de valider le modèle en comparant l'analyse post mortem de l'éprouvette aux résultats des simulations numériques d'écaillage. Ces essais ont aussi permis de déterminer les caractéristiques mécaniques du matériau, la résistance mécanique en traction dynamique, l'instant de rupture et la vitesse de déformation à rupture.\\<p><p>- En 2D, des simulations numériques sont efféctuées pour reproduire le comportement d'une mine sous charge explosive. Le modèle a été capable de reproduire l'endommagement en traction sous charge explosive. L'influence des paramètres du modèle tels que: l'orientation de fissures, la taille de microstructure et la valeur initial d'endommagement sur la distribution de l'endommagement autour du trou de charge a été étudiée. Enfin, un cas d'application sur les mines de bauxite de Guinée a été étudié, incluant un calcul de l'extension de la zone endommagée ainsi qu'une prédiction numérique du niveau de vibration engendrée suite aux tirs à l'explosif. La prédiction du modèle est globalement en accord avec les résultats de la littérature. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

L’influence de l’eau sur les propriétés mécaniques des roches a fait l’objet de peu d’études jusqu’à présent. Or dans de nombreuses situations, la différence entre le comportement mécanique de la roche sèche et saturée en eau peut être appréciable. De nouveaux champs d’application, tels que l’analyse des risques liés à l’après-mine ou les problématiques relatives au stockage souterrain des déchets nucléaires, requièrent actuellement une connaissance plus approfondie de ces aspects.<p><p>Cette étude expérimentale se propose donc de contribuer à une meilleure compréhension du comportement hydromécanique de matériaux rocheux partiellement saturés. Pour ce faire, la démarche suivie a consisté à se baser sur des techniques et outils bien établis pour les sols (meubles), et à les adapter aux matériaux rocheux. Dans ce contexte, une première étude a été menée sur un matériau rocheux argileux, le schiste de Beringen, et a permis d’évaluer l’influence de la succion pour les états de compression simple. <p><p>Suite à cette première étude, d’autres états de contrainte ont été envisagés, principalement au moyen de l’essai triaxial. Le contrôle de la succion en cours d’essai a demandé d’importantes transformations au système triaxial déjà disponible au laboratoire. En parallèle, un nouvel équipement, comprenant notamment un contrôle de la succion par la méthode de translation d’axes, a été conçu et mis en service. La suite du programme expérimental a été réalisée sur une roche poreuse et très homogène :le calcaire de Sorcy.<p><p>A l’état sec, les résultats d’essais triaxiaux et polyaxiaux ont permis la construction de surfaces de charge tridimensionnelles. En plan méridien, comme pour d’autres roches poreuses, la résistance augmente avec la pression de confinement lorsque celle-ci reste assez faible (inférieure à 15 MPa environ) ;le comportement est fragile. Aux confinements plus élevés, le comportement devient ductile. En plan octaédrique, la forme de la surface évolue depuis le triangle jusqu’au cercle dans la partie fragile, puis continue à évoluer vers un triangle (inversé par rapport au premier) dans le domaine ductile.<p><p>En conditions saturées, un ensemble cohérent de paramètres poroélastiques a été mesuré, parmi lesquels le coefficient de Biot (qui a été évalué à environ 0.85). La variabilité de ces paramètres entre échantillons et en fonction de l’état de contrainte a été examinée. Dans le domaine poroplastique, c’est la contrainte effective de Terzaghi qui se révèle contrôler le comportement mécanique, malgré que le coefficient de Biot soit inférieur à 1. En plan méridien, l’enveloppe obtenue pour le matériau saturé se rapproche de celle du matériau sec, moyennant une normalisation par rapport à sa longueur horizontale. Ceci suggère que la prise en compte des conditions non saturées pourrait se faire, comme souvent pour les sols, par l’ajout d’un axe supplémentaire :la succion.<p><p>En conditions non saturées, les essais réalisés en conditions isotropes à succion contrôlée montrent une forte augmentation du module d’incompressibilité drainé avec la pression de confinement et une faible augmentation avec la succion. Ceci tend à conforter les hypothèses adoptées.<p> / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

This thesis aims at Multi-Objective Optimization under Uncertainty in structural design. We investigate Polynomial Chaos Expansion (PCE) surrogates which require extensive training sets. We then face two issues: high computational costs of an individual Finite Element simulation and its limited precision. From numerical point of view and in order to limit the computational expense of the PCE construction we particularly focus on sparse PCE schemes. We also develop a custom Latin Hypercube Sampling scheme taking into account the finite precision of the simulation. From the modeling point of view, we propose a multifidelity approach involving a hierarchy of models ranging from full scale simulations through reduced order physics up to response surfaces. Finally, we investigate multiobjective optimization of structures under uncertainty. We extend the PCE model of design objectives by taking into account the design variables. We illustrate our work with examples in sheet metal forming and optimal design of truss structures. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

The scope of this research concerns the passive damping of structural vibrations by the use of viscoelastic layers. It is motivated by the need for efficient numerical tools to deal with the medium frequency behaviour of industrial viscoelastic sandwich products. The sandwich modelling technique is based on the use of an interface element: the two deformable plates are modelled by special plate elements while the intermediate dissipative layer is modelled with interface elements. This interface element is based on the first-order shear deformation theory and assume constant peel and shear stresses in the polymer thickness. This element couples the lower and upper layers without additional degrees of freedom. The partition of unity finite element method (PUFEM) is applied to the development of enriched Mindlin plate elements. The element shape functions are obtained as the product of<p>partition of unity functions with arbitrary chosen enrichment functions. Polynomial enrichment leads to the generation of high-order polynomial shape functions and is therefore similar to a p-FEM technique. Numerical examples illustrate the use of both PUFEM Mindlin plate elements and interface elements for the simulation of viscoelastic sandwich structures. / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished

In this work, a Representative Volume Element (RVE) generator based on the distance fields of arbitrary shaped inclusion packing is used to obtain morphologies of open-foam materials. When the inclusions are spherical, the tessellations of the resultant packing creates morphologies that are similar to physical foam samples in terms of their face-to-pore ratio, edge-to-face ratio and strut length distribution among others. Functions that combine the distance fields can be used to obtain the tessellations along with the necessary variations in the strut geometry and extract these open-foam morphologies. It is also possible to replace the inclusion packing with a predefined set of inclusions that are directly extracted from CT-scan based images.The use of discrete level-set functions results in steep discontinuities in the distance function derivatives. A multiple level-set based approach is presented that can appropriately capture the sharp edges of the open-foam struts from the resultant distance fields. Such an approach can circumvent the discontinuities presented by the distance fields which might lead to spurious stress concentrations in a material behavior analysis.The individual cells are then extracted as inclusion surfaces based on said combinations of the distance functions and their modifications. These surfaces can be joined together to obtain the final geometry of the open-foam morphologies. The physical attributes of the extracted geometries are compared to the experimental data. A statistical comparison is presented outlining the various features. The study is extended to morphologies that have been extracted using CT-scan images. With the help of mesh optimization tools, surface triangulations can be obtained, merged and developed as finite element (FE) models. The models are ready to use in a multi-scale study to obtain the homogenized material behavior. The upscaling can help assess the practical applications of these models by comparing with experimental data of physical samples. The material behavior of the RVEs are also compared with the experimental observations. To increase the computational efficiency of the study, a neural network based surrogate is presented that can replace the micro-scale boundary value problem (BVP) in the multi-scale analysis. The neural networks are built with the help of modules that are specifically designed to predict history dependent behavior and are called Recurrent Neural Networks (RNN). The surrogates are trained to take into account the randomness of the loading that complex material undergo during any given material behavior analysis. / Dans ce travail, un générateur de volumes élémentaires représentatifs (VER) basé sur les champs de distance d'un agrégat d'inclusions de forme arbitraire est développé dans le cadre de matériaux moussés à structure ouverte. Lorsque les inclusions sont sphériques, la tessellation de l'agrégat résulte en des morphologies similaires aux échantillons de mousse physique en termes de rapports des nombres de face par pores et de bords par faces, ainsi que de la distribution de la longueur des entretoises, entre autres. Les fonctions qui combinent les champs de distance peuvent être utilisées pour obtenir des tesselations avec les variations nécessaires aux géométries des entretoises et extraire ces morphologies de mousse ouverte. Il est également possible de remplacer l'agrégat d'inclusions par un ensemble prédéfini d'inclusions qui sont directement extraites d'images tomographiques.L'utilisation de fonctions de niveaux discrètes entraîne de fortes discontinuités dans les dérivées des champs de distance. Une approche basée sur des ensembles de niveaux multiples est présentée qui peut capturer de manière appropriée les arêtes vives des entretoises des mousses ouvertes à partir des champs de distance résultants. Une telle approche peut contourner les discontinuités présentées par les champs de distance qui pourraient conduire à des concentrations de contraintes parasites dans une analyse ducomportement des matériaux.Les pores individuels sont ensuite extraits en tant que surfaces d'inclusions sur la base desdites combinaisons des fonctions de distance et de leurs modifications. Ces surfaces peuvent être réunies pour obtenir la géométrie finale des morphologies de mousse ouverte. Les attributs physiques des géométries extraites sont comparés aux données expérimentales. Une comparaison statistique est présentée décrivant les différentes caractéristiques. L'étude est étendue aux morphologies qui ont été extraites à l'aide d'images tomographiques.À l'aide d'outils d'optimisation de maillage, les triangulations des surfaces peuvent être obtenues, fusionnées et développées sous forme de modèles d'éléments finis (FE). Les modèles sont prêts à être utilisés dans une étude multi-échelle pour obtenir le comportement homogénéisé du matériau. La mise à l'échelle peut aider à évaluer les applications pratiques de ces modèles en les comparant aux données expérimentales d'échantillons physiques. Le comportement des matériaux des VERs est également comparé aux observations expérimentales.Pour augmenter l'efficacité de calcul de l'étude, un modèle de substitution basé sur un réseau neuronal est présenté. Ce modèle peut remplacer le problème aux valeurs limites à l'échelle micro dans une analyse multi-échelle. Les réseaux de neurones sont construits à l'aide de modules spécialement conçus pour prédire le comportement dépendant de l'histoire et sont appelés réseaux de neurones récurrents (RNN). Les modèles de substitution sont entrainés pour prendre en compte le caractère aléatoire du chargement que subit un matériau complexe lors d'une analyse de comportement d'un matériau. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les Cendres Volantes d’Electrofiltres (CVE) d’incinération d’ordures ménagères sont considérées comme des déchets dangereux et mises en décharges après une phase de stabilisation et de solidification par un liant hydraulique. Leur utilisation dans des matériaux cimentaires permet l’élimination d’un déchet en diminuant la demande de matériaux de construction. Cependant, avant leur incorporation dans des matériaux cimentaires, les CVE doivent subir plusieurs traitements. Premièrement, un lavage à l’eau permet de diminuer fortement la concentration en chlorures. Dans un deuxième temps, une séparation granulométrique des CVE est appliquée afin de ne sélectionner que la fraction la moins contaminée en métaux lourds, notamment en plomb et en zinc, ces métaux lourds étant connus comme retardateurs de prise. Enfin, une troisième étape consiste à oxyder l’aluminium métallique présent dans les CVE à l’aide d’un lavage basique à l’hydroxyde de sodium. S’il n’est pas oxydé durant la phase de traitement, l’aluminium métallique se transforme en aluminates dans la matrice cimentaire tout en produisant de l’hydrogène, responsable de l’apparition de vides et de fissures endommageant ainsi le matériau. Une fois traitées, les CVE peuvent alors être utilisées en substitution partielle du ciment pour une étude de leur réactivité potentielle. Les résultats de cette étude ont montré que l’activité des CVE traitées à l’hydroxyde de sodium est principalement d’origine physique (granulométrique et surface développée). Les CVE ne présentent pas de nature pouzzolanique. Les essais de lixiviation ont montré une durabilité équivalente et une très bonne stabilisation du chrome, du plomb et du zinc, qui permet de respecter les normes environnementales européennes./Municipal Solid Waste Incineration (MSWI) Electrofilter Fly Ash (EFA) is considered as hazardous waste and landfilled after stabilisation and solidification with a hydraulic binder. Its use in cementitious materials allows the elimination of a waste and a decrease of construction materials use. However, before its incorporation in cementitious materials, EFA has to be treated. Firstly, a water washing allows an important decrease in chloride concentration. In a second time, size-based separation is used to select the less heavy metals contaminated fraction, especially in lead and zinc. Indeed, these heavy metals are knows as setting retarders. Finally, a third step involves oxidizing of metallic aluminium contained in EFA during a basic washing with sodium hydroxide. Indeed, if it is not oxidize during the treatment, metallic aluminium converts in aluminates in the cementitious material, and produces hydrogen, generating cracking and voids, and damaging the cementitious material. After the treatment step, a study of the potential reactivity of EFA used in partial replacement of cement is carried out. Results show the activity of EFA treated with sodium hydroxide is mainly physical (grading and developed surface). EFA presents not pozzolanic effect. Leachability tests show an equivalent durability and a very efficient stabilisation of chrome, lead and zinc, allowing the respect of the European environmental standard. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished