Cette étude porte sur l'intégration de l'aluminium et de matériaux composites de type Polymère Renforcé de Fibre de Verre (PRFV) dans les ponts transportables ferroviaires. Ces matériaux ont un intérêt particulier en raison de leur résistance aux conditions environnementales rudes et leur légèreté. Cependant, la combinaison de ces matériaux légers avec les matériaux traditionnels dont l'acier est peu fréquente dans les structures de génie civil. De plus les références de conception fournissent très peu d'informations pour le dimensionnement de ce type d'assemblage. Il existe néanmoins des références de conception des assemblages simplement en aluminium ou simplement en PRFV. Cependant, en comparaison avec l'acier, les recommandations proposées pour l'aluminium et les PRFV sont basées sur un nombre restreint d'essais et le dimensionnement optimal d'un assemblage boulonné entre des pièces d'acier et d'aluminium ou de PRFV peut s'avérer difficile. Aussi, l'objectif principal de la thèse est d'identifier les paramètres géométriques optimum des assemblages boulonnés aluminium-acier et PRFV-acier et d'effectuer une analyse critique des recommandations de conception existantes et si nécessaire les améliorer et enfin, d'évaluer la contribution de la colle dans les assemblages boulonnés/collés. Sur la base de l'état des connaissances disponibles, des études expérimentales et/ou numériques des assemblages boulonnés, collés, et boulonnés/collés des plaques aluminium-acier et PRFV-acier ont été menées. Pour les assemblages boulonnés, des configurations à un boulon et deux boulons ont été expérimentalement et analytiquement analysées. Les résultats obtenus ont permis d'évaluer l'effet des paramètres géométriques tels que l'épaisseur des plaques, les pinces longitudinale et transversale, et les pas longitudinal et transversal sur la résistance de l'assemblage. Par la suite, les paramètres géométriques optimums des assemblages boulonnés en PRFV-acier et aluminium-acier ont été identifiés et l'analyse critique des équations de dimensionnement des assemblages en aluminium et en PRFV recommandés dans les références de conception a été effectuée. Dans le cas des assemblages aluminium-acier, une amélioration des équations de résistance à la pression diamétrale et de résistance en traction et cisaillement combinés ont été proposées. Pour les assemblages en PRFV-acier, une étude semi-empirique a permis de proposer une équation de résistance en section nette adaptée aux PRFV pultrudés. Pour les assemblages collés et boulonnés/collés, seules les configurations à un boulon ont été testées. Des adhésifs méthacrylate et époxyde ont été utilisés et l'effet de ces derniers sur les assemblages multi-matériaux a été évalué. Il est apparu que le type d'adhésif a un effet important tant sur la résistance de l'assemblage que sur son mode de rupture. En outre la rigidité des plaques a un grand impact dans la capacité portante de l'assemblage collé. La contribution de la colle dans un assemblage boulonné a été trouvée avantageuse seulement dans le cas de l'assemblage PRFV-acier. Dans le cas de l'assemblages aluminium-acier, pas d'accroissement significatif n'a été observé.

L'utilisation des matériaux composites de polymères renforcés de fibres (PRF) est devenue relativement courante dans les usages d'infrastructures. La plupart des usages existants impliquent des structures en béton. Néanmoins, des travaux novateurs se sont concentrés dans l'utilisation de ces matériaux dans structures d'acier. Le but de cette recherche est de développer une méthodologie de renforcement et de réparation de connexions adaptée aux cornières à l'aide de matériaux composites. Différentes configurations de PRF de carbone permettant d'augmenter la résistance en aire nette et d'améliorer le comportement de connexions sont étudiés. Un programme expérimental constitué de quatre phases est développé à cet effet: une série d'essais de traction sur des joints à recouvrement double ont été réalisés avec différentes longueurs d'ancrage de PRFC pour la première phase, une évaluation de la contribution de PRFC selon le ratio aire nette/aire brute sur des plaques d’acier avec trous pour la deuxième phase, une étude de l’effet du nombre des couches de PRFC sur des plaques d’acier pour la troisième phase et la quatrième et dernière phase a porté sur le renforcement de connexions de cornières boulonnées en traction. Dans cette recherche il a été trouvé que la contribution du renforcement de PRFC se manifeste principalement dans la partie élastique du comportement de tous les spécimens ainsi que l’effet très significatif de la préparation de la surface sur la capacité en traction des joints. Une défaillance par décollement à l’interface adhésif-acier a été identifiée comme le mode de défaillance pour tous les spécimens.

Le travail de thèse présenté dans ce manuscrit est consacré au développement d’une nouvelle méthode de contrôle de la qualité d’un assemblage boulonné. Cette méthode utilise les courbes couple de serrage/angle de rotation de l’écrou obtenues lors d’un serrage et, plus précisément, les différents changements de pentes qui l’affectent. L’idée principale est d’utiliser ces changements de pentes pour découper la courbe en différents segments, correspondant chacun à un événement qu’il est alors possible d’identifier. Ces événements sont tout d’abord constitués d’une phase de freinage de l’écrou, suivie d’un « plateau », d’une éventuelle phase de réduction des jeux et enfin, d’un dernier segment linéaire traduisant le serrage. Afin de valider cette méthode, deux modèles, l’un analytique et l’autre de calcul par la méthode des éléments finis, ont été développés afin de créer une base de référence. Le modèle analytique est issu de la littérature tandis que le modèle éléments finis apporte une originalité car il simule la rotation de l’écrou mais également son freinage à travers une déformation préliminaire. Ces modèles sont ensuite validés lors d’une première campagne d’essais qui débute par le serrage d’échantillons de référence sans défaut. Puis des défauts sont introduits (jeux, bavures, copeaux…) afin d’évaluer les capacités de détection de la méthode. Des limitations sont alors découvertes, entraînant une modification des moyens de mesure. Un premier prototype est donc réalisé en instrumentant une visseuse pour pouvoir mesurer le couple de réaction (celui qui maintient la vis) en plus du couple de serrage. Cet ajout permet alors d’identifier des défauts qui restaient masqués. Finalement, un second prototype est conçu et réalisé, permettant de contrôler directement le serrage et ainsi de mettre en place de nouvelles stratégies pour le serrage prenant en compte les résultats obtenus lors des différentes campagnes d’essais. / The subject of the thesis presented in this manuscript is the development of a new method to control the quality of a bolted assembly. This method uses the tightening torque-turn angle of the nut curves, gathered during the tightening and, more precisely, the changes of slope that affects it. The main idea is to use these changes to divide the curve into segments, each corresponding to an event that it is then possible to identify. These events are: a nut locking phase, followed by a constant torque area, a possible gap reduction phase and finally, a last linear part corresponding to the actual tightening. To validate this method two models, one analytical and the other using the finite element method, have been developed to create a baseline. The analytical model is derived from the literature as the finite element model provides originality because it simulates the rotation of the nut but also the locking through a preliminary deformation. These models are then validated in a first test campaign, which begins with the tightening of reference sample without defects. Then, defects are introduced (gaps, burrs, chips...) in order to evaluate the method detection capabilities. Limitations are discovered leading to a modification of the measures means. A first prototype is designed by instrumenting a screwdriver to be able to measure the reaction torque (the one that holds the screw) in addition to the tightening torque. This addition improves the method by detecting hidden defects. Finally a second prototype was designed and built, with full control of the tightening and thus develop new strategies for tightening, taking into account the results obtained during the various test campaigns.

L'utilisation des matériaux composites en proportion grandissante dans les structures des avions de nouvelle génération oblige, pour des questions de sécurité et de coûts, les constructeurs à établir des règles de dimensionnement prenant en compte les spécificités du comportement physique en général, mécanique en particulier, du comportement des structures composites. Ce projet concerne la tolérance aux dommages sur assemblages boulonnés des plaques à fibres de carbone Module Intermédiaire/matrice époxy T800/M21. Dans un premier temps, le comportement mécanique de ces liaisons boulonnées a été étudié grâce à des essais de traction sur éprouvettes représentatives de plaques aéronautiques assemblées en simple recouvrement. La seconde partie de l'étude a consisté à impacter des assemblages en simple recouvrement proche d'une ligne de fixation, de comprendre et de modéliser la tenue résiduelle en traction après impact. La dernière partie décrit l'effet d'impact à basse vitesse sur le comportement des éprouvettes en tension initiale (pour simuler le comportement en fonctionnement de l'assemblage) en utilisant un montage spécifique, pour comparer l'effet des impacts avec et sans tension initiale sur la tenue résiduelle de l'assemblage. Enfin, une modélisation numérique par éléments finis introduisant l'endommagement et la rupture à l'échelle du pli, a permis de réaliser des comparaisons essais-calculs sur un assemblage et une stratification. Le modèle permet de retranscrire les phases d'endommagement rupture relevées expérimentalement. Il constitue une base pour une suite du développement futur des modèles. / The proportion of use of composites materials in the structures of the new generation airplane is growing, for the questions of safety and costs, the manufacturers have established rules of sizing taking into account generally the specificities of the physical behavior, mechanics in particular, behavior of the composite structures. This project concerns the tolerance in damage on assemblies screwed by plates with intermediate modulus fiber carbon / epoxy matrix T800 / M21. As a first time, the mechanical behavior of bolted junctions was studied thanks to essays of traction on representative specimens of aeronautical plates assembled in single lap shear (SLS) joint. The second part of the study is consisted to impact on the assemblies in single lap close to a fastening line, understanding and modeling the residual tensile strength after impact.The last part describes the effect of low speed impact on the specimens behavior which have been submitted to initial tension (to simulate the behavior in operation of the assembly) using a specific test, to compare the effect of the impacts with and without initial tension on the residual behavior of the composite bolted joint. Finally, a numerical finite element model with a ply damage and failure behaviors, made it possible to make comparisons between tests and numerical computations for a specific lay-up. The model shows the different phases of damages and failures observed experimentally. It provides a good basis for further development of these numerical models.

L'accroissement des performances des équipements de Traction ferroviaire, reposait essentiellement jusqu'à maintenant, sur l'intégration des innovations dans le domaine des composants électriques et des matériaux diélectriques mais la standardisation de sous-ensembles réutilisables nous conduit à reconsidérer les assemblages structuraux des coffres de traction (convertisseurs de puissance). Ces coffres de traction sont assemblés actuellement avec des éléments de fixation mécanique (boulon, rivet), le but est donc d'améliorer la connaissance des comportements mécaniques de ces types d'assemblages à travers d'une étude expérimentale basée sur des essais statiques et dynamiques sur des joints boulonnés et rivetés. Ces essais nous ont permis de valider des modèles numériques par des éléments finis en utilisant les codes de calcul ABAQUS et ANSYS. La deuxième partie de la thèse concerne les assemblages par collage structural. Nous avons étudié la possibilité de remplacer les assemblages mécaniques classiques par l'assemblage par collage structural. La première phase de notre travail a été de recenser et sélectionner des adhésifs structuraux susceptibles de répondre à notre cahier de charge. Dans cette partie les travaux suivants ont été réalisés : - Etude des comportements des adhésifs en tant que matériau, ce qui a nécessité de réaliser des éprouvettes massiques. - Réalisation d'essais expérimentaux en statique et en dynamique sur des joints collés avec l'adhésif sélectionné. - Création des modèles numériques non linéaires en 3D sur ABAQUS pour les joints collés. - Etude hygrothermique accélérée afin d'étudier l'effet du vieillissement sur les assemblages collés en fonction de l'humidité et de la température. / Increased performance of railway traction equipment, until now relied primarily on the integration of innovations in the field of electrical and dielectric materials, but the standardization of subassemblies reusable us to reconsider the structural assemblies of the traction cubicles (power converters). These cubicles are assembled now with mechanical fasteners (bolts, rivets), the first goal is to improve knowledge of the mechanical behaviour of these types of joints through an experimental study based on statics and dynamics tests of bolted and riveted joints. These tests have allowed us to validate numerical models of finite elements by using the computer codes ABAQUS® and ANSYS®. The second part of the thesis deals with the structural adhesive joints. We studied the possibility of replacing conventional mechanical assembly structural bonding. The first phase of our work was to identify and select structural adhesives that could meet our specifications. In this section the following work has been made: - Study of thermo-mechanical behaviour of the adhesive with the bulk Adhesive Test Specimens. - Statics and dynamics test in the bonded joint. - Non-linear 3D finite elements models. - Hygrothermal accelerated to study the effect of aging on the adhesive according to the humidity and temperature.

Cette étude consiste en l'élaboration d'un modèle éléments finis tridimensionnel décrivant le comportement des assemblages brochés et boulonnés des structures bois sous actions thermiques. Ce modèle intègre les champs de températures dans un modèle mécanique non linéaire. La validation du modèle réalisé à l'aide d'essais est faite en trois étapes : la validation mécanique à froid, celle thermique et celle thermomécanique. Après validation, le comportement des assemblages brochés unitaires est modélisé pour différentes durées d'exposition au feu. Enfin, la modélisation d'assemblages multiples met en évidence la caractérisation du nombre effectif en fonction des champs thermiques.