Cette thèse se consacre au comportement d'interface des matériaux granulaires, et particulièrement au phénomène de localisation des déformations au voisinage d'une paroi. À l'aide d'une géométrie annulaire à vitesse de cisaillement et pression de confinement imposées, on confronte des approches expérimentale et numérique. L'approche expérimentale est composée par des expériences avec des matériaux modèles dans deux appareils de cisaillement simple annulaire (ACSA et mini-ACSA). On relie les mesures globales des contraintes et des variations volumiques aux mesures de déformation du milieu granulaire obtenues par corrélation d'images (ACSA) et par imagerie par résonance magnétique (mini-ACSA). L'approche numérique consiste en des simulations discrètes bidimensionnelles (dynamique moléculaire). On étudie l'influence de la géométrie et de la rugosité des parois dans le comportement des interfaces granulaires. En simulation, on complète l'étude avec l'analyse des effets inertiels.

Th.--Méc. des fluides--Toulouse--I.N.P., 1985. N°: 96.

L'élastographie impulsionnelle est une technique de caractérisation tissulaire permettant de mesurer in vivo les propriétés viscoélastiques des tissus vivants en étudiant la propagation d'ondes de cisaillement. Au cours de cette thèse, un outil numérique permettant de simuler des ondes de cisaillement dans des tissus mous viscoélastiques a été développé et validé par comparaison avec un modèle analytique et des données expérimentales. Dans un deuxième temps cet outil de simulation a été utilisé pour étudier dfférentes stratégies permettant de mesurer l'élasticité de milieux hétérogènes. Plusieurs méthodes permettant de mesurer in vivo la viscosité de cisaillement des tissus vivants ont également été étudiées. Ces différentes techniques ont notamment été appliquées à l'étude des propriétés visocélastiques du foie par élastographie impulsionnelle quantative. Enfin, un nouveau système de micro-élastographie permettant de mesurer les paramètres visocélastiques de petis organes ou de tissus situés au contact de la sonde a été proposé. Ce système de micro-élastographie de contact a été appliqué avec succès pour mesurer in vivo l'élasticité du foie sur deux modèles murins : un modèle d'amyloïdose et un modèle de fibrose expérimentale. / Transcient elastography is a tissue characterization technique used to measure non-invasively the viscoelastic properties of human tissues. In hepatology, this new technique is now a common diagnostic toll to assess liver fibrosis. However, it could still benefit from technological and algorithmic improvements to extend its use to order clinical applications. In this thesis, a numerical tool to simulate shear wave propagation in viscoelastic soft tissues was developed. Its results were validated by comparison with those provided by an analytical model and compared to experimental data. This tool was then used to test several inverse methods to compute the shear modulus and the shear viscosity of a medium from the displacements measured using ultrasound. These techniques were applied in vivo to measure the viscoelastic properties of liver. Finally, a novel micro-elastography device dedicated to the measurement of the elasticity of small organs or tissues was introduced and tested to quantify the elasticity of the liver in two murine mdols in vivo : a model of amyloidosis and a model of experimental fibrosis.

L'objectif de cette thèse est de caractériser le comportement confiné en cisaillement du béton sous chargement statique et dynamique. La méthode expérimentale reprend le concept de l'essai 'Punch Through Shear' qui consiste dans un premier temps à soumettre une éprouvette de béton à un chargement radial puis à appliquer au cours d'une deuxième étape un chargement axial qui permet de cisailler la partie centrale de l'échantillon.Deux méthodes ont été utilisées pour appliquer la contrainte de confinement à l'éprouvette avant de la soumettre à un chargement de cisaillement. La première méthode consiste à appliquer une pression hydrostatique via un fluide de confinement. Ces essais sont réalisés avec la presse Giga. La deuxième méthode consiste à utiliser une cellule métallique pré-déformée à l'aide d'une presse hydraulique. Durant le déchargement de la cellule, des contraintes de confinement sont transmises à l'éprouvette de béton. Cette cellule est instrumentée avec des jauges de déformation qui permettent de mesurer le niveau de confinement appliqué au béton.Les éprouvettes de béton confinées avec la cellule sont soumises à deux types de chargement : l'un statique avec une presse hydraulique normale et l'autre dynamique avec un système aux barres de Hopkinson. Cela permet d'étudier le comportement du béton en cisaillement confiné sur une large gamme de vitesse de déformation.Les résultats des campagnes d'essais montrent que la contrainte de cisaillement du béton augmente avec la pression de confinement. D'autre part, des échantillons saturés d'eau et d'autres séchés à l'étuve sont testés afin de vérifier l'influence de la teneur d'eau sur la résistance au cisaillement. Une résistance au cisaillement des échantillons de béton R30A7 sec supérieure à celle des échantillons saturés est observée sur la plage de déformation considérée. Une influence modeste de la vitesse de déformation en comparaison de ce qui est observé sous chargement en traction dynamique a été remarquée. De plus, un béton haute performance a été testé pour étudier l'influence de la composition du béton sur sa résistance au cisaillement. Il a été observé que la résistance au cisaillement du béton haute performance dépasse fortement celle du béton ordinaire. Les résultats obtenus sont comparés à ceux de la littérature, pour lesquelles des méthodes expérimentales différentes avaient été utilisées. / This PhD thesis focuses on studying the confined behavior of concrete under shear loading in static and dynamic conditions. An experimental method based on the Punch-Through Shear (PTS) test is used in order to investigate shear behavior in mode II conditions. The concept of this test is to first subject the specimen to a confining pressure and then an axial loading is applied to punch through the central portion of the core.In order to introduce confinement to the concrete sample prior to testing it under shear, two methods have been used. The first one is an active confinement applied by means of a high capacity triaxial press Giga. The second method consists in confining the sample with a pre-stressed metallic cell instrumented with hoop strain gages in order to evaluate the confinement acting in the ligament of the concrete sample.Samples confined with the pre-stressed cell are subjected to two types of loading; static and dynamic. The static tests are carried out by means of a normal hydraulic press while dynamic shear testing are performed using a modified Split Hopkinson Bar setup which allows to determine the shear response of concrete over a wide range of strain-rates.The results of test campaigns show that the shear strength of the concrete increases significantly with an increase of confining pressure. Furthermore, dry and saturated concrete samples have been tested in order to study the influence of saturation ratio on the shear behavior of concrete. The results show a higher shear strength with dry samples than in wet ones. Moreover, a small influence (compared to what was observed in dynamic tension) of the strain rate was observed. A high performance concrete was also studied to investigate the influence of concrete composition on its shear strength. It was observed that its shear strength strongly exceeds that of the ordinary concrete. The obtained results are compared with data from literature obtained with different experimental methods.

Le bois est un matériau naturel qui partage avec d’autres matériaux cellulaires la propriété de pouvoir subir par exemple de fortes déformations de compression avec un effort stable jusqu’à densification. Cette propriété est particulièrement recherchée dans le cas de structures devant subir des chocs. Le bois est ainsi utilisé dans la conception de conteneurs pour produits radioactifs, et dans la structure isolante de méthaniers. Dans ce dernier cas, il peut être soumis à de fortes déformations, à grande vitesse de déformation, et pour des températures ambiantes à cryogéniques. Pourtant, le comportement du bois et plus particulièrement dans le cas des méthaniers, le comportement du contre-plaqué, n’est que très peu étudié dans ces conditions extrêmes de température cryogéniques et de grande vitesse de déformation. De plus, l’influence de la teneur en humidité du bois sur son comportement en sollicitation sévère n’est que très peu connue. Ces sujets sont au coeur de ce travail de doctorat, avec d’abord l’étude du comportement en compression hors plan d’un contre-plaqué de bouleau de la température ambiante à cryogénique de 100K, pour des vitesses de déformation du régime quai-statique à plusieurs centaines par secondes, et pour des humidités du bois de 2 à 15% ; ensuite par des essais en cisaillement qui ont été effectués à grande vitesse de déformation pour une humidité de 8%. La réalisation de ces essais a nécessité le développement de nouveaux montages et la mise au point de protocoles dont les validations sont discutées à partir de comparaisons aux essais normalisés. / The wood is a natural cellular material. Like other cellular materials, wood is able to carry a stable load under compression up to the densification. This is a key property for the use of cellular materials and wood based materials for cushioning and choc absorber design. Wood is for example used for radioactive material containers and plywood is involved in the insulation complex of LNG carriers. In this case, plywood may be submitted to high strain rate loads at cryogenic temperature. However, the behaviour of plywood under such extreme conditions is not well established in the literature, nor the influence of the moisture content on the mechanical behaviour in such conditions. In the present study, the out of plane compression behaviour of birch plywood is presented for ambient down to cryogenic temperatures, for strain rate from 0,001 up to 700/s and for moisture contents in the range 2-15%. Shear tests are also presented far various strain rates at ambient temperature and 8% moisture content. The apparatus specially designed and the test protocols are discussed, and the results compared to international standards when available.

Dans un contexte de stress hydrique, la micro-irrigation avec des eaux usées traitées constitue une solution visant à réduire les dépenses en eau. Cependant, le colmatage des goutteurs constitue une contrainte à l’utilisation de ces eaux bien chargées à cause des précipitations chimiques et du développement de biofilm. Les objectifs de cette étude sont de: a) Caractériser la précipitation des sels dissous en fonction des conditions opératoires, b) étudier le développement des biofilms sous différentes conditions hydrodynamiques, c) analyser l’interaction entre le carbonate de calcium et le développement du biofilm. En premier lieu une étude fut conduite sur l’impact de la température le pH et la pression partielle du CO2 sur la précipitation chimique. Cette étude a permis de quantifier l’augmentation de la masse du carbonate de calcium en fonction du pH et de la température. Les résultats expérimentaux ont permis de valider et de calibrer un modèle numérique (PHREEQC) qui permet de prédire la précipitation chimique pour une qualité d’eau donnée dans des conditions opératoire variées. Des expérimentations ont ensuite été réalisées à l’aide d’un banc d’essai d’irrigation pour étudier l’influence du carbonate de calcium sur la croissance des biofilms au niveau des conduites et des goutteurs. En parallèle un réacteur de Taylor-Couette fut utilisé pour étudier l’influence de la contrainte de cisaillement sur le développement des biofilms. Le biofilm a tendance à se développer selon la plus forte contrainte de cisaillement (4.4 Pa comparée à des contraintes de 2.2 et 0.7 Pa). Une précipitation du carbonate de calcium a été observée en interaction avec la croissance du biofilm. / In a context of water stress, micro-irrigation with treated wastewater is a solution to reduce water expenditure. However, the clogging of micro-irrigation systems constitutes a constraint on the use of these well-laden waters due to chemical precipitation and the development of biofilm. The objectives of this study are to: a) characterize precipitation of dissolved salts as a function of operating conditions, b) study the development of biofilms under different hydrodynamic conditions and c) analyze the interaction between calcium carbonate and the development of biofilm. First, a study was conducted on the impact of pH, temperature and partial pressure of CO2 on chemical precipitation. This study permits the quantification of the increase in the mass of the precipitate produced in the form of calcite (calcium carbonate) as a function of the increase in pH and temperature. The experimental results allowed validation and calibration of the modeling of the precipitation under PHREEQC’s software. This numerical model allows prediction and quantification of chemical precipitation for a given water quality under various operating conditions. Experiments were then carried out using an irrigation set-up to study the influence of calcium carbonate on the growth of biofilms inside pipes and drippers. In parallel, a Taylor-Couette reactor was used to study the influence of shear stress on the development of biofilms. Biofilm tends to develop under the highest shear stress (4.4 Pa compared to 2.2 and 0.7 Pa). Precipitation of the calcium carbonate in the form of calcite was observed in interaction with the growth of the biofilm.

Les travaux présentés dans cette thèse sont consacrés à l'enrichissement de la méthode de modélisation par éléments finis de type poutre multifibre. La méthode a fait ses preuves pour le calcul dynamique d'éléments de structures élancés, lorsque les contraintes normales prédominent. Toutefois, lorsque les contraintes de cisaillement sont prépondérantes, l'approximation de la cinématique utilisée par les éléments poutre n'est plus assez précise pour obtenir des résultats satisfaisants. L'objet de ces travaux de thèse est d'améliorer la méthode en créant un nouvel élément permettant de tenir compte du gauchissement des sections transversales dû au cisaillement. Ce développement est réalisé en deux étapes. Les éléments sont enrichis dans un premier temps par les déformations de gauchissement sous sollicitation de torsion. Le modèle de gauchissement est validé dans le domaine linéaire par confrontation aux résultats d'une modélisation numérique 3D. Après implémentation du gauchissement de torsion dans l'élément multifibre, des simulations numériques de poutres en torsion pure sont comparées à des résultats d'essais, permettant de valider le comportement des éléments poutre dans les domaines linéaire et non linéaire. Un modèle d'endommagement est utilisé pour le béton, et le gauchissement est mis à jour au fur et à mesure du calcul en tenant compte de l'évolution des propriétés matériau. L'étape suivante d'enrichissement est alors réalisée, avec l'élaboration d'un modèle de gauchissement complet sous toutes sollicitations de cisaillement, couplé au modèle d'endommagement. Une validation locale du profil de gauchissement élastique sous effort tranchant est effectuée par comparaison à la solution analytique, puis le profil de gauchissement sous sollicitations couplées de torsion et d'effort tranchant est validé par confrontation aux résultats d'une modélisation 3D. Outre la prise en compte du cisaillement par effort tranchant, la principale différence de cet enrichissement avec le modèle précédent est le calcul implicite du profil de gauchissement de la poutre au cours du calcul de structure. Les deux modèles développés sont comparés sur le comportement de poutres en torsion monotone, afin de quantifier l'impact de la méthode de calcul sur la précision des résultats et sur l'efficacité du calcul. Finalement, le modèle complet avec gauchissement est appliqué à la simulation sismique d'une structure. L'ensemble de ces cas-tests montre que l'enrichissement de la méthode par éléments finis multifibres est fonctionnel, avec des perspectives d'amélioration en ce qui concerne l'efficacité numérique notamment, et des perspectives intéressantes d'application. / The present work is dedicated to the numerical modeling of structures using multifiber beam elements. This numerical method was proved to be efficient to simulate the behavior of slender structural elements subject to normal stresses. However, the response of the model for shear-dominating stresses lacks of accuracy. This problem is addressed by introducing warping in the kinematics of multibfiber beam elements. A new multifiber element is developed in two steps. Torsional warping is first introduced in the deformations of an arbitrary-shaped composite cross section. The resulting warping profiles are validated by comparison with the axial displacements obtained by three-dimensional modeling of beams in torsion. After implementation of the warping kinematics in a Timoshenko multifiber beam element, the formulation is validated against the experimental behavior of beams subject to pure torsion. The material is modeled by a 3D damage law, and warping is updated throughout the computations to account for damage evolution. A comparison of torque–twist curves predicted with enhanced and classical beam elements to experimental curves highlights the importance of including warping in the model. The second step consists in formulating an element with additional warping degrees of freedom, accounting for the warping deformations due to both transverse shear and torsion. This element is validated using an analytical model for a beam subject to transverse shear. Then the linear elastic behavior of a beam subject to both shear and torsion is successfully compared to the results of a 3D simulation. The complete formulation is coupled to damage through an implicit soulution procedure for the beam and the warping degrees of freedom. The enhanced method is eventually used to compute the behavior of a full structure subject to a seismic loading.

L’objectif principal de ces travaux de thèse est de caractériser lecomportement et l’endommagement d’un matériau HLE durant le procédé depoinçonnage. Ils comportent dans un premier temps, une étude expérimentale quirepose sur des observations micrographiques et des essais macroscopiques àdifférents états de contrainte, afin d’identifier les mécanismes physiquesd’endommagement mis en jeu. Cette étude est complétée par une modélisationnumérique du modèle d’endommagement de Gurson modifié en cisaillement et sonimplémentation dans ABAQUS/Explicit. Une stratégie d’identification des paramètresmatériau basée sur une large gamme de configurations expérimentales a été mise enplace. Des essais de poinçonnage ont été réalisés en faisant varier le jeu poinçon-matrice, afin de tester la capacité prédictive du modèle de Gurson modifié par rapportau modèle de GTN classique et à un critère découplé basé sur l’initiation de rupture.L’influence du jeu poinçon-matrice sur la qualité de découpe et sur les niveaux desétats de contrainte et de déformation a été également mise en évidence. Lesprédictions de rupture obtenues par cette approche et pour le matériau étudié sont enbon accord avec les observations expérimentales. Il reste à valider le modèle pourdes configurations de couples matériau/procédé plus étendues et à réaliser sonenchainement avec les autres procédés de mise en forme. / The main objective of this thesis is to characterize the behavior anddamage of a HSLA materials during the punching process. They comprise in a firsttime, an experimental study based on micrographic observations and macroscopictests at different stress states to identify the physical mechanisms of damage set in.This study is complemented by a numerical simulation modeling of a Gurson damagemodel modified in shear case and its implementation in ABAQUS / Explicit. Anidentification strategy of material parameters based on a wide range of experimentalconfigurations has been realized. Punching tests were performed by varying thepunch-die clearance to test the predictive ability of the modified Gurson modelcompared to the standard GTN model and to decoupled criterion based on the ductilefracture initiation. The influence of the punch-die clearance blanking quality and instress and strain states levels was also highlighted. Predictions of fracture obtainedby this approach and for the material studied are in good agreement withexperimental observations. It remains to validate the model for larger couple’smaterial/process configurations and realize its concatenation with other formingprocesses.

Les ondes de choc de cisaillement dans les solides quasi-incompressibles sont un type d'onde peu exploré car accessible à la mesure seulement depuis une douzaine d'années. Elles se distinguent des ondes de choc de compression par leur non-linéarité cubique au lieu de quadratique. Les faibles vitesses des ondes de cisaillement, de l'ordre du mètre par seconde, permettent notamment d'atteindre des régimes assez fortement non linéaires sur de faibles distances, et de contrebalancer l'absorption relativement importante dans ces milieux. A notre connaissance, ces ondes ont été étudiées presque exclusivement en ondes planes. Or, la focalisation est un phénomène fondamental dans la physique des ondes et ses applications. C'est cette focalisation que l'on s'est attaché à étudier spécifiquement ici, tant du point de vue théorique et numérique, qu'expérimental. L'objectif était de mettre en évidence la focalisation des ondes de choc de cisaillement. Ce travail est en particulier motivé par son application potentielle en biomécanique. On a ici fait l'hypothèse que les ondes de choc de cisaillement pourraient jouer un rôle dans la formation de certaines lésions cérébrales suite à un traumatisme crânien, la géométrie du crâne induisant leur focalisation. Ces considérations nous ont conduits à dimensionner les phénomènes étudiés en conséquence, en termes de fréquence, d'amplitude et de géométrie. La focalisation a ainsi été montrée dans le cas d'un gel simulant un tissu biologique. Les comparaisons avec le modèle théorique et numérique se sont avérées favorables. Pour approfondir l'analyse de l'hypothèse, il resterait à prouver que ces ondes de choc peuvent induire des lésions. / Shear shock waves in quasi-incompressible soft solids have been observed experimentally only twelve years ago. They differ from compression shock waves because their nonlinearity is cubic instead of quadratic. Velocities of shear waves are small, of the order of the meter per second, and thus induce a strong nonlinear behavior over small distances. This allows to counter-balance the quite strong absorption in such media. To our knowledge, these shear shock waves have been studied only for plane waves. However, focusing is a fundamental phenomenon in the wave physics and its applications. This is why our objective is to investigate the focusing of shear waves theoretically, numerically, and experimentally. This work was in particular motivated by a potential application in biomechanics. We have hypothesized that shear shock waves could play a role in the formation of some traumatic brain injuries, the geometry of the skull producing the focusing effect. These hypotheses have governed our studies for the choice of the different parameters such as the frequency, the amplitude and the geometry. The focusing has been demonstrated in a biological tissue-mimicking gel. Comparisons with the theoretical and numerical model have shown a good agreement. Further studies should concern the possible formation of lesions by shear shock waves.

Les maladies chroniques du foie constituent un problème majeur de santé publique. L’évaluation précise du degré de fibrose hépatique apporte au clinicien une estimation du pronostic dès la prise en charge initiale de ces patients, mais permet également la réalisation d’une surveillance évolutive, et intervient dans la décision et le choix d’un traitement. L’évaluation noninvasive de la fibrose hépatique par élastographie a permis de révolutionner la prise en charge des malades atteints d’une maladie chronique du foie. L’objectif de notre travail est d’évaluer les performances diagnostiques d’une nouvelle technique d’élastographie hépatique, appelée « Supersonic ShearImaging » (SSI), et d’analyser sa plus-value dans l’évaluation non-invasive des maladies chroniques du foie.Dans une première étude, nous avons prospectivement analysé et comparé les performances diagnostiques de l’élastographie SSI par rapport au FibroScan et l’ARFI pour le staging de la fibrose hépatique sur une série de 349 patients avec une maladie chronique du foie diagnostiquée et gradée par ponction-biopsiehépatique.Dans une seconde étude, nous avons prospectivement étudié l’impact diagnostique de l’élastographie SSIsur le foie et la rate chez une population de 401 patients avec cirrhose pour l’évaluation de la gravité de la maladie cirrhotique.Dans une troisième étude, nous avons réalisé une analyse prospective bicentrique (Angers et Bordeaux)de la performance diagnostique de l’élastographie SSI par rapport au FibroScan et l’ARFI dans l’évaluation non invasive de la fibrose hépatique sur une série de 291 patients avec stéatopathie non-alcoolique et ponction-biopsiehépatique. / Abstract :The management and the prognosis for chronic liver diseases are widely based on the presence and the development of a liver fibrosis. The progressive worsening of liver fibrosis leads in a certain number of patients to the development of cirrhosis and its complications. Thus, the development of non-invasive diagnostic tools for the diagnosis and the monitoring of the liver fibrosis is of crucial interest. Liver elastography is one of the most promising techniques that have recently emerged in the field of chronic liver diseases. In this study, we aim to assess the diagnostic accuracy of a new elastography technique, named “Supersonic Shear Imaging” (SSI), and toanalyse its added value in the non invasive diagnosis of chronic liver diseases.In a first study, we prospectively analysed and compared the diagnostic performances of SSI elastography versus FibroScan and ARFI for the staging of liver fibrosis in a cohort of 349 patients with chronic liver diseases that consecutively underwent a liver biopsy. In a second study, we prospectively analysed the impact of liver and spleen SSI elastography in a cohortof 401 cirrhotic patients for the non invasive diagnosis of cirrhosis severity and oesophageal varices.In a third study, we assessed the clinical use of liver stiffness measurement evaluated by SSI, FibroScan,and ARFI in a cohort of nonalcoholic fatty liver disease patients who underwent liver biopsy. A total of 291 NAFLD patients were prospectively enrolled at 2 French university hospitals (Angers and Bordeaux).