Cette thèse est consacrée aux études expérimentales et numériques du comportement mécanique et poromécanique et de l’évolution de la perméabilité du grès en prenant en compte l’anisotropie du matériau. Après une analyse par la microscopie électronique à balayage (MEB) et les rayons X, les échantillons sont utilisés pour réaliser des essais de compression hydrostatique et de compression triaxiale sous différentes pressions de confinement. Les évolutions des coefficients de Biot et de la perméabilité sont mesurées respectivement et étudiées en prenant en compte le comportement mécanique. Un modèle élastoplastique couplé à l’endommagement en se basant sur l'approche discrète est proposé et appliqué aux grés secs. Les essais en compression sont simulés, l’évolution et la distribution de la variable d’endommagement et de l’écrouissage plastique sont analysées. Le modèle proposé est validé de nouveau par les simulations des essais réalisés (y compris le comportement mécanique, les coefficients de Biot et la perméabilité) sur des échantillons saturés. Une très bonne concordance est obtenue entre les prédictions et les données expérimentales. Enfin, on développe un modèle anisotropique poroplastique couplé avec l’endommagement afin de décrire les propriétés poromécaniques du grès saturé. Le modèle proposé est appliqué pour décrire le comportement du matériau dans les essais triaxiaux en condition non-drainée, et dans les essais triaxiaux en appliquant une pression interstitielle. En général, la aussi nous obtenons une bonne concordance entre modélisation et expérimentation. / This thesis presents the laboratory and numerical investigations on anisotropic mechanical, poromechanical and fluid transport behavior of sandstone. After the X-ray and SEM tests, the samples were stressed under triaxial loading to study the initial and stress-induced mechanical behavior. The evolution of anisotropic Biot’s coefficients and axial permeability are also investigated and related to mechanical behavior. A plastic damage model is presented based on discrete approach. The proposed model is applied to simulate the mechanical behavior of dry sandstone under different loading conditions, the evolution and distribution of damage variable and plastic hardening variable are also discussed. Furthermore, the proposed model is applied to simulate the previous experimental results (including mechanical behavior, Biot's coefficients and permeability) of saturated sandstones. The comparisons between the numerical result and test data show a good performance of the present model. Finally, an anisotropic poroplastic damage model is developed to describe the poromechanical behavior of saturated sandstone. The comparisons between numerical simulation and experimental data is given for the triaxial compression tests under drained and undrained condition, the tests of strain response to pore pressure increment is also simulated, a good accordance is obtained.

Abstract The purpose of this essay is to analyse and interpret artist Hans Hedberg’s monumental, ceramic reliefs in Sweden and France. Hedberg is internationally famous for his ceramic fruits and eggs in different glaces and formats. A mostly unknown side of his artistic production is that he produced about 50 ceramic reliefs during the 1950s and up to the 1970s in public buildings. Hedberg was one of very few foreign artists in France, who, during a long period of time, produced monumental, public reliefs for the French state. The essay analyses the European Postwar Period in France and Hedberg’s reliefs from his early figurative works to his abstract reliefs. It also links Hedberg to Nouveau Réalisme and the Renaissance in Italy.

Le présent travail explore la possibilité d'adapter des matériaux poro-élastiques légers pour des applications spécifiques. En particulier, une approche de conception est présentée, combinant simulations par la méthodes des éléments finis et techniques d'optimisation, permettant ainsi d'améliorer les propriétés dynamiques et acoustiques de panneaux multicouches comprenant des matériaux poreux.Les modèles numériques sont fondés sur la théorie de Biot qui utilise des modèles équivalents fluide/solide avec des propriétés macroscopiques spatialement homogénéisées, décrivant le comportement physique des matériaux poro-élastiques. Afin de systématiquement identifier et comparer certaines propriétés spécifiques, bénéfiques ou défavorables, le modèle numérique est connecté à un optimiseur fondé sur les gradients. Les paramètres macroscopiques utilisés dans la théorie de Biot étant liés, il ne peuvent être utilisés comme variables indépendantes. Par conséquent, des lois d'échelle sont appliquées afin de connecter les propriétés macroscopiques du matériau aux propriétés géométriques microscopiques, qui elles peuvent être modifiées indépendamment.L'approche de conception est également combinée avec l'optimisation de la masse d'un panneau sandwich structure, afin d'examiner les possibilités de combiner exigences structurelles et acoustiques, qui peuvent être en conflit. En prenant le soin d'établir un équilibre entre composantes acoustiques et structurelles, des effets de synergie plutôt que destructifs peuvent être obtenus, donnant lieu à des panneaux multifonctionnels. Cela pourrait rendre l'ajout de traitements acoustiques redondant, qui par ailleurs annulerait tout ou partie du gain en masse obtenu par optimisation.Les résultats indiquent un véritable potentiel d'amélioration des propriétés dynamiques et acoustiques de panneaux multi-couches, pour un ajout minimum en termes de masse et volume. La technique de modélisation développée pourrait également être implémentée au sein d'outils numériques futures pour la conception de panneaux légers de véhicules. Cela aurait le potentiel de réduire substantiellement la masse tout en limitant, voire supprimant l'impact négatif sur les propriétés acoustiques et vibratoires, pourtant une conséquence courante de la réduction de la masse, participant ainsi à l'effort de développement de véhicules futures plus légers et efficaces. / The present work explores the possibilities of adapting poro-elastic lightweight acoustic materials to specific applications. More explicitly, a design approach is presented where finite element based numerical simulations are combined with optimization techniques to improve the dynamic and acoustic properties of lightweight multilayered panels containing poro-elastic acoustic materials.The numerical models are based on Biot theory which uses equivalent fluid/solid models with macroscopic space averaged material properties to describe the physical behaviour of poro-elastic materials. To systematically identify and compare specific beneficial or unfavourable material properties, the numerical model is connected to a gradient based optimizer. As the macroscopic material parameters used in Biot theory are interrelated, they are not suitable to be used as independent design variables. Instead scaling laws are applied to connect macroscopic material properties to the underlying microscopic geometrical properties that may be altered independently.The design approach is also combined with a structural sandwich panel mass optimization, to examine possible ways to handle the, sometimes contradicting, structural and acoustic demands. By carefully balancing structural and acoustic components, synergetic rather than contradictive effects could be achieved, resulting in multifunctional panels; hopefully making additional acoustic treatment, which may otherwise undo major parts of the weight reduction, redundant.The results indicate a significant potential to improve the dynamic and acoustic properties of multilayered panels with a minimum of added weight and volume. The developed modelling techniques could also be implemented in future computer based design tools for lightweight vehicle panels. This would possibly enable efficient mass reduction while limiting or, perhaps, totally avoiding the negative impact on sound and vibration properties that is, otherwise, a common side effect of reducing weight, thus helping to achieve lighter and more energy efficient vehicles in the future.

Ces travaux de thèse portent sur la caractérisation des milieux poreux fortement déformables afin de modéliser le transfert réalisé au cours du séchage. La théorie de consolidation de Biot traduit le couplage hydromécanique se produisant durant la déshydratation d’un milieu poreux déformable. Le modèle de Cáceres s’appuie sur cette théorie et sur la loi classique de Darcy. Il est adapté aux grandes déformations du squelette solide et utilise un tenseur de contraintes de décomposition Terzaghi. Une simulation de la déshydratation par l’intermédiaire de ce modèle nécessite au préalable le renseignement de celui-ci en termes de caractéristiques thermophysiques. Deux dispositifs expérimentaux ont été mis en place : l’un mesurant la relaxation de charge, l’autre réalisant la pressurisation dynamique (DP). La 1ère expérience nous a permis de caractériser la perméabilité, le coefficient de Poisson et le module d’Young en fonction de la teneur en eau du gel. La 2ème expérience a révélé l’importance de la prise en considération de la compressibilité de la phase solide dans la modélisation du séchage du gel d’agar ainsi que, la nécessité de corriger la valeur du module de compressibilité de l’eau contenant du gaz dissout. Suite à cette étape expérimentale, nous avons concentré nos efforts sur la modélisation liée à notre étude. Tout d’abord, la DP étant conforme à l’hypothèse de faibles déformations, un modèle numérique basé sur les équations de Biot a été réalisé afin de valider les paramètres mesurés et de corriger la valeur estimée de la perméabilité. Un second modèle traduit le couplage thermo-hydro-mécanique lors du séchage convectif d’un milieu poreux fortement déformable comme les gels d’agar et d’alumine. Ce dernier s’appuie sur la théorie de Biot et d’une part s’adapte aux fortes déformations et d’autre part utilise l’approche eulérienne. Ce modèle constitue donc un compromis entre les modèles de Biot et de Cáceres et s’appuie sur l’étude thermodynamique de Coussy ce qui est une avancée dans la modélisation des gels déformables. / This thesis focuses on the characterization of strongly deformable porous media in order to model the transfer taking place during drying. The theory of consolidation of Biot reflects the hydro-mechanical coupling occurring during dehydration of a deformable porous medium. Cáceres developed a model based on this theory and on the classical Darcy’s law. It is suitable for large deformations of the solid skeleton and the stress tensor is decomposed according to the so-called Terzaghi’s principle. A simulation using this model requires the information in thermo-physical terms of characteristics. Two experimental setups were developed : one measuring the relaxation charge, the other called dynamic pressurization (DP). The first experiment allowed us to characterize the permeability, Poisson’s ratio and Young’s modulus as functions of water content of the gel. The second experiment showed the importance of taking into account the compressibility of the solid phase in the modeling of the drying of agar gel as well as the effect of the existence of bubbles on the bulk modulus of the water. The establishment of two models followed this experimental study. First, the DP is consistent with the hypothesis of small deformations, a numerical model based on Biot’s equations was carried out to validate the parameters measured and to correct the estimated value of the permeability. A second model reflects the thermo-hydro-mechanical coupling in the convective drying of highly deformable porous media such as agar gel and alumina. The latter is based on the Biot’s theory and on the thermodynamics study of Coussy. It uses the Euler’s method while staying adapted to large deformations.

Η παρούσα εργασία μελετά αναλυτικά – αριθμητικά υπό συνθήκες επίπεδης παραμόρφωσης τη δυναμική απόκριση οδοστρώματος επί εδάφους δύο στρώσεων σε κινούμενα με σταθερή ταχύτητα φορτία. Η ανώτερη στρώση αποτελείται από ασφαλτικό σκυρόδεμα, η μεσαία στρώση από ποροελαστκό υλικό χωρίς νερό στους πόρους και το κατώτερο στρώμα με ποροελαστικό πλήρως κορεσμένο υλικό. Το όλο σύστημα υποστηρίζεται από απαραμόρφωτο βραχώδες υλικό. Στο σύστημα οδοστρώματος – εδάφους χρησιμοποιήθηκε η θεωρία του Biot με την τροποποίηση των Mei and Foda για το μεσαίο και το κατώτερο στρώμα και η θεωρία ιξωδοελαστικότητας των Sousa and Monismith για το ασφαλτικό σκυρόδεμα. Το φορτίο καθώς και η απόκριση προσομοιώνονται με σειρές Fourier. Έτσι οι εξισώσεις για κάθε στρώση καταλήγουν σε συνήθεις διαφορικές που επιλύονται αναλυτικά. Για τις συνοριακές συνθήκες του προβλήματος ισχύει η ισορροπία των ενεργών τάσεων και πιέσεων και η συνέχεια των μετακινήσεων και έτσι δημιουργείται ένα σύστημα 14 εξισώσεων με 14 αγνώστους. Η λύση του συστήματος δίνει τα διαγράμματα των τάσεων, των παραμορφώσεων και της πίεσης του νερού των πόρων σε οποιοδήποτε σημείο του εδαφικού όγκου, κάθε χρονική στιγμή. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται γραφικά και συγκρίνονται για διάφορες τιμές των παραμέτρων με αντίστοιχα άλλων εργασιών. Η παρούσα μέθοδος περιγράφει επαρκώς τόσοτην απόκριση ενός μέσου τριών στρώσεων που υπόκεινται σε κινούμενη φόρτιση, όσο και την εξάρτηση των παραμέτρων αυτών μεταξύ τους. / -

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. 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. 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. 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. 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. 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.

The present work explores the possibilities of adapting poro-elastic lightweight acoustic materials to specific applications. More explicitly, a design approach is presented where finite element based numerical simulations are combined with optimization techniques to improve the dynamic and acoustic properties of lightweight multilayered panels containing poro-elastic acoustic materials. The numerical models are based on Biot theory which uses equivalent fluid/solid models with macroscopic space averaged material properties to describe the physical behaviour of poro-elastic materials. To systematically identify and compare specific beneficial or unfavourable material properties, the numerical model is connected to a gradient based optimizer. As the macroscopic material parameters used in Biot theory are interrelated, they are not suitable to be used as independent design variables. Instead scaling laws are applied to connect macroscopic material properties to the underlying microscopic geometrical properties that may be altered independently. The design approach is also combined with a structural sandwich panel mass optimization, to examine possible ways to handle the, sometimes contradicting, structural and acoustic demands. By carefully balancing structural and acoustic components, synergetic rather than contradictive effects could be achieved, resulting in multifunctional panels; hopefully making additional acoustic treatment, which may otherwise undo major parts of the weight reduction, redundant. The results indicate a significant potential to improve the dynamic and acoustic properties of multilayered panels with a minimum of added weight and volume. The developed modelling techniques could also be implemented in future computer based design tools for lightweight vehicle panels. This would possibly enable efficient mass reduction while limiting or, perhaps, totally avoiding the negative impact on sound and vibration properties that is, otherwise, a common side effect of reducing weight, thus helping to achieve lighter and more energy efficient vehicles in the future. / <p>QC 20120815</p>

<p>This thesis concerns the modelling of acoustical and vibrational properties of open cell porous foams in multi-layered structures, especially multi-layered panels. The object is to enable optimisation of the microscopic geometry of the foam with respect to macroscopic quantities such as sound pressure level, surface velocity, total mass or cost. The developed method is based on numerical solutions to Biot's equations were scaling laws has been used to connect the microscopic geometry of the foam to macroscopic properties such as density, flow resistivity and characteristic length. Efforts have also been made to establish a scaling law for tortuosity that allows for adaptation to different strut shapes.</p>

A scaled-up gas turbine vane model was constructed in such a way to achieve a Biot number (Bi) representative of an actual engine component, and experiments were performed to collect temperature data which may be used to validate computational fluid dynamics (CFD) codes used in the design of gas turbine cooling schemes. The physical model incorporated an internal impingement plate to provide cooling on the inner wall surface, and film cooling over the external surface was provided by a single row of holes located on the suction side of the vane. A single row of holes was chosen to simplify the operating condition and test geometry for the purpose of evaluating CFD predictions. Thermocouples were used to measure internal gas temperatures and internal surface temperatures over a range of coolant flow rates, while infra-red thermography was used to measure external surface temperatures. When Bi is matched to an actual engine component, these measured temperatures may be normalized relative to the coolant temperature and mainstream gas temperature to determine the overall cooling effectiveness, which will be representative of the real engine component. Measurements were made to evaluate the overall effectiveness resulting from internal impingement cooling alone, and then with both internal impingement cooling and external film cooling as the coolant flow rate was increased. As expected, with internal impingement cooling alone, both internal and external wall surfaces became colder as the coolant flow rate was increased. The addition of film cooling further increased the overall effectiveness, particularly at the lower and intermediate flow rates tested, but provided little benefit at the highest flow rates. An optimal jet momentum flux ratio of I=1.69 resulted in a peak overall effectiveness, although the film effectiveness was shown to be low under these conditions. The effect of increasing the coolant-to-mainstream density ratio was evaluated at one coolant flow rate and resulted in higher values of overall cooling effectiveness and normalized internal temperatures, throughout the model. Finally, a 1-dimensional heat transfer analysis was performed (using a resistance analogy) in which overall effectiveness with film cooling was predicted from measurements of film effectiveness and overall effectiveness without film cooling. This analysis tended to over-predict overall effectiveness, at the lowest values of the jet momentum flux ratio, while under-predicting it at the highest values. / text

The present work explores the possibilities of adapting poro-elastic lightweight acoustic materials to specific applications. More explicitly, a design approach is presented where finite element based numerical simulations are combined with optimization techniques to improve the dynamic and acoustic properties of lightweight multilayered panels containing poro-elastic acoustic materials.The numerical models are based on Biot theory which uses equivalent fluid/solid models with macroscopic space averaged material properties to describe the physical behaviour of poro-elastic materials. To systematically identify and compare specific beneficial or unfavourable material properties, the numerical model is connected to a gradient based optimizer. As the macroscopic material parameters used in Biot theory are interrelated, they are not suitable to be used as independent design variables. Instead scaling laws are applied to connect macroscopic material properties to the underlying microscopic geometrical properties that may be altered independently.The design approach is also combined with a structural sandwich panel mass optimization, to examine possible ways to handle the, sometimes contradicting, structural and acoustic demands. By carefully balancing structural and acoustic components, synergetic rather than contradictive effects could be achieved, resulting in multifunctional panels; hopefully making additional acoustic treatment, which may otherwise undo major parts of the weight reduction, redundant.The results indicate a significant potential to improve the dynamic and acoustic properties of multilayered panels with a minimum of added weight and volume. The developed modelling techniques could also be implemented in future computer based design tools for lightweight vehicle panels. This would possibly enable efficient mass reduction while limiting or, perhaps, totally avoiding the negative impact on sound and vibration properties that is, otherwise, a common side effect of reducing weight, thus helping to achieve lighter and more energy efficient vehicles in the future.