Dans de nombreux domaines industriels et scientifiques, en particulier dans les domaines du génie civil et de génie mécanique, des matériaux à l’échelle de la microstructure, un très hétérogène par rapport à la nature du comportement mécanique. Cette fonctionnalité peut faire la prédiction du comportement de la structure soumise à différents types de chargement, nécessaires pour la conception durable, assez difficile. Le contrôle du comportement des ouvrages de génie civil est très complexe en raison de la diversité de la charge à laquelle ils sont soumis. La construction est maintenant réglementée partout dans le monde: les normes sont plus strictes et pris en compte, jusqu’à un état limite, en raison de différentes charges, par exemple des charges sévères tels que l’impact ou tremblement de terre. Modèles de comportement des matériaux et des structures doivent inclure l’élaboration de ces critères de conception et deviennent plus complexe. Ces modèles sont souvent basées sur des approches phénoménologiques, sont capables de reproduire la réponse du matériau au niveau ultime. Réponses de contrainte-déformation des matériaux sous sollicitations cycliques, dont de nombreuses recherches ont été exécutées dans les années précédentes afin de caractériser et le modèle, sont définies par différents types de propriétés de plasticité cycliques tels que l’écrouissageue, l’effet rochet et de de relaxation. En utilisant les modèles de comportement existants, ces réponses mentionnées peuvent être simulés d’une manière raisonnable. Cependant, il peut y avoir échec dans certains simulation des réponses structurelles et la déformation locale et globale. Insuffisance de ces études peut être résolu par le développement de solides modèles de comportement à l’aide d’expériences et de la connaissance des principes de fonctionnement des différents mécanismes de comportement inélastique ensemble. Dans ce travail, nous présentons un modèle phénoménologique constitutive qui est capable de coupler deux principaux mécanismes de comportement inélastique, plasticité et endommagement. Le modèle vise les applications de chargement cycliques. Ainsi, dans une partie de plasticité ou de dommages, les effets de durcissement isotropes et linéaires cinématiques à la fois sont pris en compte. Le principal avantage de ce modèle est l’utilisation de la plasticité indépendante contre les critères de l’endommagement pour décrire les mécanismes inélastiques. Un autre avantage concerne la mise en oeuvre numérique d’un tel modèle fourni en hybride-stress variationnel, obtenu avec une précision très améliorée et calcul efficace du stress et des variables internes dans chaque élément. Plusieurs exemples sont présentés afin de confirmer l’exactitude et l’efficacité de la formulation proposée en application à un chargement cyclique. / In many industrial and scientific domains, especially in civil engineering and mechanical engineering fields, materials that can be used on the microstructure scale, are highly heterogeneous by comparison to the nature of mechanical behavior. This feature can make the prediction of the behavior of the structure subjected to various loading types, necessary for sustainable design, difficult enough. The construction of civil engineering structures is regulated all over the world: the standards are more stringent and taken into account, up to a limit state, due to different loadings, for example severe loadings such as impact or earthquake. Behavior models of materials and structures must include the development of these design criteria and thereby become more complex, highly nonlinear. These models are often based on phenomenological approaches, are capable of reproducing the material response to the ultimate level. Stress-strain responses of materials under cyclic loading, for which many researches have been executed in the previous years in order to characterize and model, are defined by different kind of cyclic plasticity properties such as cyclic hardening, ratcheting and relaxation. By using the existing constitutive models, these mentioned responses can be simulated in a reasonable way. However, there may be failure in some simulation for the structural responses and local and global deformation. Inadequacy of these studies can be solved by developing strong constitutive models with the help of the experiments and the knowledge of the principles of working of different inelastic behavior mechanisms together. This dissertation develops a phenomenological constitutive model which is capable of coupling two basic inelastic behavior mechanisms, plasticity and damage by studying the cyclic inelastic features. In either plasticity or damage part, both isotropic and linear kinematic hardening effects are taken into account. The main advantage of the model is the use of independent plasticity versus damage criteria for describing the inelastic mechanisms. Another advantage concerns the numerical implementation of such model provided in hybrid-stress variational framework, resulting with much enhanced accuracy and efficient computation of stress and internal variables in each element. The model is assessed by simulating hysteresis loop shape, cyclic hardening, cyclic relaxation, and finally a series of ratcheting responses under uniaxial loading responses. Overall, this dissertation demonstrates a methodical and systematic development of a constitutive model for simulating a broad set of cycle responses. Several illustrative examples are presented in order to confirm the accuracy and efficiency of the proposed formulation in application to cyclic loading.

On étudie une approche de type multimécanimes intermédiaire entre deux classes de modèles: les modèles micromécaniques et les modèles macroscopiques. Le but visé par l'application de ces modèles est d'essayer de reproduire simultanément les phénomènes les plus classiques au sens du comportement des matériaux, mais aussi de faire en sorte que les éléments du comportement généralement moins bien décrits soient également pris en compte. Le couplage entre les variables cinématiques des différents mécanismes permet de décrire: (1) l'effet normal à la vitesse de chargement et l'effet inverse à cette vitesse, (2) l'interaction entre plasticité et fluage, (3) du rochet à haute contrainte moyenne et de l'accommodation ou de l'adaptation quand cette contrainte est moins élevée. Par ailleurs, on s'est intéressé à une méthode d'intégration numérique pour minimiser les temps de calcul dans l'analyse de structures viscoplastique sous chargements cycliques par la méthode des EF. Cette méthode dite de sauts de cycles, est basée sur des pas de calcul qui se chiffrent en nombre de cycles. Cet algorithme a été appliqué à des exemples industriels complexes. La méthode de sauts de cycles permet une diminution du temps de calcul d'un facteur 2 à 10. Enfin on s'est intéressé à l'étude de problèmes d'optimisation. Des exemples ont été traités : l'optimisation de forme et l'optimisation de matériau. La méthodologie qu'on a adoptée consiste à utiliser deux logiciels différents dans leur version standard. Le premier logiciel est le code de calcul par éléments finis 2ebulon, et la deuxième est le code d'identification de paramètres Sidolo. Ce dernier est destiné initialement à identifier des paramètres de modèles physique sur des expériences réelles. Les expériences, dans la procédure d'identification, sont remplacées, dans le cas de l'optimisation, par des objectifs à atteindre selon des critères donnés.

La mise en place de trains à grande vitesse a rendu de plus en plus cruciale la compréhension et la prévision du comportement dynamique à long terme des voies ferrées. En particulier, le tassement des infrastructures conditionne le coût de maintenance des voies. Ce tassement d’infrastructure est par ailleurs étroitement lié aux propriétés des matériaux constitutifs sollicités par le chargement cyclique. La thèse décrit les résultats obtenus pour la caractérisation d’un matériau de type « micro-ballast » de constitution semblable à celle d’un ballast utilisé en infrastructure ferroviaire, mais de taille de grain réduite (d/D=6/24). L’expérimentation utilise des appareils triaxiaux de deux diamètres F300mm et F100 mm. 1. Essais sous sollicitation monotone: Les essais poussés jusqu’à rupture ont permis de mettre en évidence une courbure de la courbe intrinsèque sous faible niveau de chargement et un effet d’échelle sensible entre les deux tailles d’échantillon. 2. Essais sous chargement cyclique: Le plan d’expériences a permis de prendre en compte l’influence de la fréquence d’application de la sollicitation cyclique, de la pression de confinement, de la charge appliquée et du nombre de cycles. Les résultats obtenus sont interprétés dans le cadre d’une loi de comportement adaptée à l’étude de sollicitations cycliques à grand nombre de cycles / The use of high-speed trains makes it crucial to understand and predict the long term dynamic behavior of railway tracks. In particular, the settlement of infrastructures incurs track maintenance costs. This settlement of infrastructure is besides closely linked to the physical properties of the material, when stressed by a cyclic loading. The thesis describes the experimental results obtained on a so called « micro-ballast » material whose grain properties are similar to those of a ballast used for train tracks, but having reduced grain size (d/D=6/24) . Experiments are performed by using triaxial testing on tow diameters (300 mm and 100 mm). 1. Tests under monotone compression: failure tests provided evidence for a curvature of the failure envelop and a significant scale effect between both sample sizes. 2. Tests under cyclic loading: The experimental plane took into account the influence of the application frequency used for the cyclic loading, the confining pressure, the applied charge and the number of cycles. An interpretation of the results in the context of constitutive equations which can be used for the simulation of a high number of cycles is presented

Un grand nombre de systèmes thermomécaniques industriels se trouve confronté à des régimes transitoires plus ou moins rapides suivant la fréquence de fonctionnement. L'amélioration de leurs performances nécessite l'utilisation de nouvelles structures du type multimatériaux ou barrière thermique. En effet, ces matériaux peuvent être de type multicouche en associant plusieurs couches rangées de façon à améliorer le comportement mécanique et thermique d’un système ou alors constitués d’un substrat revêtu d’une succession de couches minces obtenues par projection thermique par exemple.Dans un système donné, ces matériaux subissent généralement des sollicitations cycliques qui peuvent être d’origine thermique et/ou mécanique. Il est donc nécessaire de mieux connaître leur comportement thermomécanique en régimes élastique et plastique. Ainsi, l'étude présentée dans ce travail, limitée ici à des conditions périodiques uniquement d’origine thermique, traite de l'évolution de l'endommagement d'un matériau sous une ou plusieurs formes de fatigue thermique.L'origine de la sollicitation imposée provient d'une condition de flux périodique (sous forme d’échelon, de triangle ou de sinus) prenant en compte les pertes par convection. Sur le plan mécanique, le matériau est supposé fixe sur l’une de ses deux extrémités et libre de se déformer sur l’autre. Les contraintes et les déformations mécaniques dans le matériau proviennent essentiellement des différences des coefficients de dilatation thermique et des gradients de température dans le matériau. La nature variable et transitoire du comportement thermique du matériau permet de suivre l’évolution de la distribution des contraintes et des déformations au sein du matériau.L’étude de son endommagement est menée selon les cas, soit sur des modèles établis directement à partir du comportement thermo élastique soit sur des modèles nécessitant l’étude thermo-élastoplastique. Dans les deux cas, comme la plupart des modèles d’endommagement (Lemaître et Chaboche) rencontrés dans la littérature ne sont valides que sur des matériaux uniformes et homogènes, une recherche de matériau équivalent du multi-matériau étudié était nécessaire. L’équivalence entre le matériau réel et le matériau équivalent repose sur un critère d’équivalence thermique. Les modèles étudiés fournissent dans les deux cas, l'évolution de l'endommagement du matériau, en fonction des paramètres géométriques et aussi de la forme des sollicitations thermiques imposées telles que le coefficient d'échange par convection, l’amplitude et la période du flux imposé.Une application de ces modèles sur un exemple de moteur à combustion interne est proposée à la fin de ce mémoire. Elle montre une prédiction du nombre de cycles (durée de vie) du cylindre moteur en fonction des conditions de fonctionnement utilisées. / A great number of industrial thermo-mechanical systems are facing today transitory regimes with different speeds according to the functioning frequencies. Enhancing their performance imposes the use of new materials of different types; multimaterials is a good example. In fact, these new materials may be constituted of different layers where the layers are associated together in a way to enhance the mechanical and thermal behavior of the system. They may be also constituted of a substrate dressed by a succession of slim layers obtained by thermal projection.In a given system, the constituting materials are generally subject to cyclic thermal or mechanical solicitations. It is very important to know at best their thermomechanical behavior in elastic and plastic regimes. Therefore, the study done during this thesis work, limited here uniquely to periodical solicitations resulting from thermal sources, deals with the evolution of the damage of these materials under multiple forms of thermal fatigue in plastic and elastic functioning regimes.The imposed solicitations are obtained from a periodical thermal source (rectangular, triangular and sinusoidal form). The thermal loss resulting from the convection is also considered. On the mechanical side, the material is considered fixed on one of its extremities and free on the other one (subject to strain). The mechanical stress and strain in the material come essentially from the differences between the coefficients of thermal dilation and the gradient of temperature in the material. The transitory and variable thermal behavior of the material permits to track the evolution and the distribution of the stress and strain in the material.The study of the damage is performed according the given case, either using models directly established from the thermomechanical elastic behavior, or using models that need a thermo-elastoplastic study. In the two cases, and because the majority of damage models (Lemaître and Chaboche) seen in the literature are valid and can be applied only to uniform and homogeneous materials, a research of an equivalent material to the studied multi-material was necessary. The equivalency between the real material and the equivalent one is based mainly on thermal equivalent criteria. The study provides in the two cases the damage evolution in the multimaterial function of the geometric parameters, depending on the form of the imposed thermal solicitations such as the heat transfer coefficient, the amplitude, the period and the shape of the imposed thermal flow.An application of these models to an internal combustion engine is proposed at the end of this thesis. It gives a prediction of the number of cycles (lifetime) of the cylinder of the engine depending on the used functioning conditions.

Bien qu'utilisé depuis longtemps dans les voies ferrées, le ballast in situ a un comportement encore mal connu. L'objet de ce mémoire est donc de décrire le processus d'identification d'une loi de tassement du ballast et d'un modèle de dégradation réaliste des voies ballastées. Le travail expérimental, réalisé au moyen d'un essai à échelle un tiers sert à identifier la loi de tassement du ballast -sous une traverse- dans le plan vertical. Pour cela, des lois de similitude décrivent le passage des grandeurs associées au modèle réel à celle du modèle réduit. Elles sont basées sur la conservation du matériau ballast et la conservation des champs de contraintes au sein de l'éprouvette. L'éprouvette de ballast est soumise à un chargement vertical reproduisant la charge appliquée sur le ballast lors du passage d'un bogie de TGV. Les résultats de cet essai servent à établir la loi de tassement du ballast qui relie le tassement à la déflexion élastique de l'ensemble formé par le ballast et le sol sur lequel il repose. Les paramètres intervenant dans le chargement, la qualité du sol supportant le ballast et l'épaisseur de la couche de ballast sont discutés. La simulation numérique vient compléter l'expérience, en étendant l'étude à une portion de voie. L'objectif est d'analyser l'évolution des défauts de voie en fonction du trafic. Les défauts considérés peuvent être d'ordre géométrique (irrégularités du nivellement lors de la mise en place de la voie) ou porter sur des variations de raideur du ballast et du sol. Un modèle de véhicule en circulation a aussi été développé pour calculer les efforts dynamiques exercés sur le rail. Ces efforts dynamiques sont ensuite injectés dans un modèle quasi-statique de voie prenant en compte le comportement du ballast identifié expérimentalement. Les évolutions de profils de voie ainsi calculées démontrent que les défauts de raideur du ballast et du sol sont plus endommageants pour la voie que les défauts de géométrie. Ce mémoire se termine par une analyse micromécanique du ballast, considéré pour l'occasion, comme un assemblage de corps rigides, discrets et tridimensionnels en contact. L'intérêt principal de cette étude est de démontrer la possibilité de modéliser, de façon discrète, le comportement unilatéral du ballast. Le modèle numérique ainsi développé reproduit fidèlement les résultats obtenus expérimentalement.

Les enquêtes récentes sur les séismes ont fait ressortir l'importance des murs en béton armé en tant que partie intégrante des structures. L'évolution des règlements prend en compte ces considérations, par contre le bâti existant doit subir des renforcements dans l'objectif de leur mise en conformité. Dans cette thèse une étude expérimentale faite sur douze murs (six élancés et six courts) renforcés par un collage externe en composite a été conduite. Les murs ont été conçus en étant sous-renforcés à la flexion et cisaillement. Quatre de ces six échantillons ont été renforcés par des bandes de PRFC collées. Deux spécimens, un témoin et un renforcé, ont été soumis à un test de chargement statique et quatre échantillons, l'un témoin et trois rénovés, ont été soumis à des essais de charge cyclique. La discussion et l'analyse des tests incluent la description de la fissuration, l'analyse de la rigidité, de la capacité de charge ultime, de la ductilité.

Un grand nombre de systèmes thermomécaniques industriels se trouve confronté à des régimes transitoires plus ou moins rapides suivant la fréquence de fonctionnement. L'amélioration de leurs performances nécessite l'utilisation de nouvelles structures du type multimatériaux ou barrière thermique. En effet, ces matériaux peuvent être de type multicouche en associant plusieurs couches rangées de façon à améliorer le comportement mécanique et thermique d'un système ou alors constitués d'un substrat revêtu d'une succession de couches minces obtenues par projection thermique par exemple.Dans un système donné, ces matériaux subissent généralement des sollicitations cycliques qui peuvent être d'origine thermique et/ou mécanique. Il est donc nécessaire de mieux connaître leur comportement thermomécanique en régimes élastique et plastique. Ainsi, l'étude présentée dans ce travail, limitée ici à des conditions périodiques uniquement d'origine thermique, traite de l'évolution de l'endommagement d'un matériau sous une ou plusieurs formes de fatigue thermique.L'origine de la sollicitation imposée provient d'une condition de flux périodique (sous forme d'échelon, de triangle ou de sinus) prenant en compte les pertes par convection. Sur le plan mécanique, le matériau est supposé fixe sur l'une de ses deux extrémités et libre de se déformer sur l'autre. Les contraintes et les déformations mécaniques dans le matériau proviennent essentiellement des différences des coefficients de dilatation thermique et des gradients de température dans le matériau. La nature variable et transitoire du comportement thermique du matériau permet de suivre l'évolution de la distribution des contraintes et des déformations au sein du matériau.L'étude de son endommagement est menée selon les cas, soit sur des modèles établis directement à partir du comportement thermo élastique soit sur des modèles nécessitant l'étude thermo-élastoplastique. Dans les deux cas, comme la plupart des modèles d'endommagement (Lemaître et Chaboche) rencontrés dans la littérature ne sont valides que sur des matériaux uniformes et homogènes, une recherche de matériau équivalent du multi-matériau étudié était nécessaire. L'équivalence entre le matériau réel et le matériau équivalent repose sur un critère d'équivalence thermique. Les modèles étudiés fournissent dans les deux cas, l'évolution de l'endommagement du matériau, en fonction des paramètres géométriques et aussi de la forme des sollicitations thermiques imposées telles que le coefficient d'échange par convection, l'amplitude et la période du flux imposé.Une application de ces modèles sur un exemple de moteur à combustion interne est proposée à la fin de ce mémoire. Elle montre une prédiction du nombre de cycles (durée de vie) du cylindre moteur en fonction des conditions de fonctionnement utilisées.

L'emploi de textiles comme additif à des ouvrages en terre est devenu un des procédés majeurs d'amélioration des sols. Ce rmémoire aborde ainsi le thème général de l'interaction d'un milieu fibreux et d'un milieu granulaire sous ses différents aspects géomécaniques. Une première partie est consacrée à la fonction hydraulique d'un géotextile et la seconde partie à la fonction de renforcement. 1 - Fonction hydraulique d'un géotextile : Une loi de perméabilité est proposée pour les milieux fibreux, prenant en compte les paramètres de structure, fibrométrie, porosité, liaisons inter-fibres et anisotropie. A partir des résultats obtenus sur deux fluides, on définit un nombre de Reynolds critique, en -dessous duquel on peut garantir la précision de la mesure. L'application de l'analyse morphométrique permet une formulation de la porométrie d'un textile non-tissé en fonction de la densité des fibres. A partir de là l'auteur propose une détermination théorique de l'ouverture maximale du géotextile (paramètre standard des critères de filtres) basée sur la probabilité de passage d'une particule au travers d'une épaisseur textile de porométrie définie et en déduit une interprétation des divers modes opératoires relatifs à cette mesure . En ce qui concerne le comportement en filtration, l'auteur fait apparaître les contradictions existant entre les différents critères actuellement proposés et une étude expérimentale est présentée, portant principalement sur ces cas de divergence : le mécanisme de rétention des particules par le filtre dépend essentiellement de l'uniformité du sol, de la contrainte de confinement et du gradient hydraulique . 2- Fonction de renforcement d'un géotextile : Les géotextiles constituent des armatures à faible rigidité en traction et à faible raideur en flexion . Le calcul à la rupture d'un sol renforcé devra donc prendre en compte les grandes déformations du complexe sol-textile. Une fois défini le comportement en traction et en ancrage d'une nappe textile, l'auteur présente le traitement complet d'un problème type : il s'agit du poinçonnement d'un bicouche sol pulvérulent sur sol mou, renforcé à l'interface, représentant le problème d'une chaussée sur sol compressible. L'étude comprend une partie expérimentale synthétisant les résultats d'essais de chargement quasi -statique ou cyclique effectués en grande cuve, et une partie théorique où il est proposé une estimation du gain de portance dû au géotextile à partir de la théorie des membranes et de la définition des lois d'interaction sol-textile. Le mécanisme proposé considère un double effet du renforcement, un effet membrane et un effet répartiteur.

De nombreux ouvrages de génie civil nécessitent une bonne connaissance du mode de transmission des efforts de la structure vers le sol. Ce transfert se fait à travers une fine couche de sol, appelée interface. Un nouvel appareil, l'appareil de cisaillement simple annulaire a été développé pour analyser le comportement d'interface entre un matériau granulaire et un élément de structure en acier. Dans un premier temps, nous proposons une description détaillée de ce nouvel appareil. Le principe de l'essai à l'appareil de cisaillement simple annulaire consiste à cisailler la partie interne d'un échantillon de sol annulaire par un cylindre métallique en rotation. Les effets de bord sont très réduits et la perte de matériau est nulle. Des capteurs de contrainte totale ont été développés pour permettre une mesure locale de la contrainte radiale au sein de l'interface. Ensuite, des essais sous sollicitation monotone sont présentés, réalisés sur des échantillons de sable d'Hostun RF et de gravier d'Hostun 14~10. Une synthèse met en évidence l'influence des différents paramètres contrôlant le comportement de l'interface : la pression radiale initiale de confinement, les conditions aux limites, l'état de compacité de l'échantillon et la rugosité de l'élément de structure. La visualisation du mouvement des grains au sein de la couche d'interface a été menée à partir des trois études : visualisation directe au cours d'essais sur le gravier 14-10, réalisation d'essais sur des rouleaux de Schneeball, avec une configuration adaptée de l'appareil et simulation numérique par éléments distincts avec le logiciel L.M.G.C. Cette approche, au niveau microscopique, met en exergue le rôle fondamental de la microstructure du milieu, dans la formation de la couche d'interface où les grains subissent de grands déplacements tangentiels et de fortes rotations. A la fin de ce mémoire est présentée une synthèse des premiers essais réalisés sous sollicitation cyclique. Le rôle primordial de l'amplitude de cisaillement a été mis en évidence.

On s'intéresse dans ce travail à l'applicabilité de la sollicitation pressiométrique à l'évaluation des caractéristiques de liquéfaction des sables. Apres une étude bibliographique consacrée au comportement mécanique des sables et aux méthodes actuelles d'évaluation du risque de liquéfaction de massifs sableux, on présente dans un deuxième chapitre les résultats d'un programme expérimental réalisé à l'appareil triaxial pour préciser les caractéristiques de liquéfaction et de mobilité cyclique d'un sable de référence, le sable d'Hostun RF. Dans un troisième chapitre, on présente les résultats d'une étude réalisée au cylindre épais, destinée à simuler un essai d'expansion de cavité cylindrique représentative de la sollicitation pressiométrique, sous chargement monotone et cyclique, en vue de mettre en évidence l'influence de paramètre de base sur la réponse observée. Le quatrième chapitre est consacré à la mise en oeuvre d'une chambre d'étalonnage et à la réalisation d'essais au mini pressiomètre pour valider les essais au cylindre épais. A partir des résultats des chapitres précédents, on propose dans le cinquième chapitre deux méthodes d'utilisation des résultats d'essais d'expansion de cavité pour l'évaluation des caractéristiques de liquéfaction d'un sable, l'une basée sur l'utilisation des essais d'expansion monotone, et l'autre basée sur l'utilisation des essais d'expansion cyclique.