Bien que certaines règles générales aient été déterminées pour la conception de joints tubulaires collés structuraux, aucune procédure systématique d'optimisation ne permet de déterminer la nature des configurations optimales ou les règles de conception du joint qui sont propres à l'application envisagée. Dans ce contexte, l'objectif principal de cette Thèse est d'élaborer une procédure d'optimisation multiobjectif qui permet d'identifier des configurations globalement optimisées de joints tubulaires collés à simple recouvrement soumis à différents types de chargements simples et à un chargement combiné. La procédure d'optimisation proposée se détaille en quatre étapes : 1) identifier les propriétés et loi de comportement des matériaux pour toutes les pièces qui forment le joint, 2 ) élaborer un modèle numérique d'analyse par éléments finis dans lequel toutes les dimensions géométriques constituent des paramètres dimensionnels, 3) réaliser une étude paramétrique pour identifier les paramètres qui influent de façon non négligeable les fonctions objectif impliquées dans les études d'optimisation subséquentes et 4) définir le problème d'optimisation, c'est-à-dire les variables d'optimisation, les fonctions objectif et les fonctions de contrainte, et exécuter les études d'optimisation. Cette procédure est employée pour réaliser un total de 17 études d'optimisation pour un joint tubulaire collé à simple recouvrement soumis à un chargement en traction pure (4), en torsion (2) et en flexion ordinaire (4) de même qu'à un chargement combiné (7). Les résultats de ces études fournissent de 20 à 229 configurations optimales et permettent de faire ressortir des règles de conception propres à l'application du joint. Les originalités apportées par cette Thèse ont principalement trait à la généralité de l'approche proposée pour la recherche d'une conception optimale d'un joint tubulaire collé. Plus spécifiquement, l'introduction de paramètres dimensionnels qui définissent l'entièreté du modèle du joint, la considération de plusieurs fonctions objectif conflictuelles dans l'optimisation sans accorder d'importance relative à chacune d'entre elles et l'application d'un chargement composé d'une combinaison de chargements simples (traction, torsion et flexion) constituent les éléments d'originalité de cette Thèse.

Dans un contexte où l’on cherche à limiter l’empreinte écologique milieu bâti et à valoriser les ressources locales, le bois s’est imposé comme un matériau incontournable dans le secteur de la construction. Parmi les produits de bois d’ingénierie, le bois lamellé-collé est l’un des plus fréquemment utilisés. Les produits actuellement offerts sont presque exclusivement composés d’espèces résineuses. Toutefois, un regain d’intérêt pour les espèces feuillues est aujourd’hui manifeste, en raison de leurs propriétés mécaniques impressionnantes ainsi que de leur apparence noble et distinctive. L’objectif de ce projet était d’évaluer la faisabilité technique d’un bois lamellé-collé structural composé d’espèces feuillues du nord-est de l’Amérique du Nord. Le chapitre consacré à l’identification des propriétés indicatrices pertinentes à la prédiction de la résistance en traction des espèces étudiées a permis de conclure qu’il est possible de classer ces dernières selon leur résistance à partir de propriétés mesurables en contexte industriel. Le chapitre consacré à l’évaluation de la résistance au cisaillement d’assemblages composés de différentes espèces feuillues et adhésifs structuraux a permis d’identifier les combinaisons les plus appropriées pour un produit d’ingénierie structural composé de ce type. Le troisième et dernier chapitre a permis de sélectionner un profil de joint à entures multiples qui convient aux espèces étudiées et de mettre à l’essai des poutres pleine grandeur. Les résultats ont confirmé que la rupture de l’élément se produit consécutivement à la rupture d’un joint situé dans la lamelle inférieure de la poutre. Une optimisation plus poussée des paramètres d’aboutage permettrait d’augmenter considérablement la résistance du produit. Les poutres fabriquées et mises à l’essai ont atteint une résistance de 47,0 MPa pour le frêne d’Amérique et de 41,6 MPa pour le bouleau jaune, pour des modules d’élasticité respectifs de 15 078 et 16 712 MPa. La rigidité supérieure constitue un atout majeur du produit. / The current growing demand for engineered wood products in the construction sector is largely attributable to their outstanding ecological performance. Aware of the market opportunities as well as of the lack of high value-added opportunities for some wood species, industry and policy-makers from several jurisdictions have recently joined forces to develop products made from non-conventional species, especially with hardwoods. In addition to the possibility of creating products with a noble and distinctive appearance, the high mechanical properties of some hardwood species offer the opportunity to create engineered products of outstanding strength. The objective of this study was to assess the technical feasibility of a glued-laminated timber made from northeastern North American hardwood species. Work presented in the first chapter confirmed that it is feasible, using a modelling approach, to predict the UTS of white ash and yellow birch lumber from the density, dynamic modulus of elasticity, sinus of the maximum local grain deviation (SGDmax) and Knot Area Index (KAI). Work presented in chapter 2 has shown that acceptable wood failure levels can be achieved in bondline shear strength tests with commercially available structural adhesives. Tensile tests on finger-jointed lamellae presented in chapter 3, allowed to select the 15 mm finger joint as the most appropriate for the jointing of the investigated species. Bending tests conducted on full-size hardwood glued-laminated timber beams, also presented in chapter 3, confirmed the possibility to achieve a bending strength up to 47.0 MPa for white ash and 41.6 MPa for yellow birch, with a corresponding modulus of elasticity of respectively 15 078 and 16 712 MPa. Since the failure of the beams initiated at the finger joints, further study and optimization of the finger-jointing parameters would lead to a superior bending strength.

Ce mémoire de recherche-création documente les qualités et les contraintes du panneau X-LAM. Le potentiel d’utilisation mis en exergue par une recension de littérature est ensuite mis à contribution dans un projet de création architecturale pour en explorer les possibilités structurales et architecturales en contexte canadien. Le projet de création consiste en un bâtiment de hauteur moyenne situé dans l’écoquartier de la Pointe-aux-Lièvres à Québec. En effectuant une portion de la démarche par l’exploration architecturale, cette recherche-création veut approfondir non seulement les connaissances, mais aussi les pratiques liées à l’utilisation du panneau X-LAM. La présence simultanée de recherche et d’expérimentation vise aussi à questionner les liens qui unissent la recherche et la création en conception architecturale. / This research-creation thesis addresses the qualities and constraints of X-LAM panels. Its proprieties, first gathered in a literature review, are used as input in an architectural creation project to explore the panel structural and architectural potential in Canadian context. The conception project is a mid-rise building located in Pointe-aux-Lièvres’s econeighborhood, in Québec city. By completing part of the process with architectural exploration, this research-creation seeks to deepen the knowledge and practice related to the uses of X-LAM panels. The simultaneous presence of research and experimentation also wants to question the relationship uniting research and creation in architectural conception.

On assiste à une reprise d’intérêt pour l’utilisation du bois comme matériau structural dans la construction de ponts et d’édifices. Le bois lamellé-collé (BLC) est généralement le produit de bois d’ingénierie retenu pour la fabrication des poutres de bois à longue portée. Cependant, de nouvelles approches sont nécessaires afin d’augmenter la longueur des portées actuellement réalisables avec ce matériau compte tenu des limites imposées par les propriétés mécaniques du bois et par les caractéristiques géométriques des sections de BLC. Une approche abordée dans ce mémoire est le développement de sections composites combinant le BLC avec d’autres matériaux. Ce mémoire rapporte la conception et les essais sur des configurations innovatrices de poutres en bois lamellé-collé assemblées avec une ou des planches en béton fibré à ultra-haute performance (BFUP) et des bars d’armature en acier ou en polymère renforcé de fibres (PRF). Le document fournit des détails sur les concepts généraux étudiés, décrit certains des problèmes rencontrés lors de la fabrication des poutres composites et fait ressortir les résultats des essais de flexion en quatre points qui ont été effectués sur les spécimens.

L’objectif de cette étude est de comprendre le comportement d’éléments en bois lamellé-collé sollicités en compression selon un angle donné incluant le renforcement par frettage de vis. Les résultats expérimentaux montrent que le critère en absence de renforcement fonctionne sur l’association de la résistance de compression et de la résistance de cisaillement associée à trois facteurs fonction des données géométriques. Cette association est par la suite traduite par un calcul géométrique d’une longueur efficace tenant compte des longueurs de débord et zones d’interaction. En présence de renforcement, le critère fonctionne sur l’association de cette longueur efficace traduisant un effet de diffusion de l’effort et de l’effort repris par les vis de renforcement. Une démarche est proposée pour choisir entre les deux modes de rupture dits unitaires observés sur une vis ; la portance de la vis et le flambement de la vis. Cependant, l’effort apporté par les vis peut être traduit par un calcul géométrique d’une longueur efficace permettant d’intégrer le troisième mode de rupture, appelé « Compression en pointe de vis ». Cet objectif a donc permis au final d’élaborer une règle de dimensionnement pour les éléments sollicité en compression selon un angle donné avec ou sans renforcements / The objective of this study is to understand and model the behaviour of glulam beam solicit compression at given angle to the grain including reinforcement of self-tapping screw. Experimental results show that the tests in the absence of reinforcement operate on the association between the compression strength and the shear strength associated with three factors based on geometric data. This association is translated by a geometric calculation of effective length taking into account the lengths of overhang and interactions. In the presence of reinforcement, the test works on the association of the effective length reflecting a spreading effect and the effort takes by reinforcing screws. An approach is proposed to choose between the two failures modes observed on a screw called; the withdrawal of the screw and the buckling of the screw. However, the effort made by the screws can be translated by a geometric calculation of effective length for integrating third failure mode called "Compression in a plane formed by the screw tips". This objective has therefore enabled the development of a final dimensioning rule for the elements under compression at a given angle with or without reinforcements

Le SA-160 est un avion monomoteur biplace dont le fuselage est constitué d’un châssis en tubulure d’acier recouvert d’une peau en composites non structurale. Quoi que robuste et fiable, cet assemblage est coûteux à fabriquer et pèse près de 180 lbs (80 kg). Aviatech Services Techniques (AST) désire réduire le poids de la structure de l’appareil ainsi que son coût de fabrication en retirant l’arrière du châssis d’acier pesant à lui seul près de 40 lbs. La conception de la peau en composites a donc été revue dans le cadre de cette recherche, afin qu’elle puisse assurer un rôle structural pouvant compenser le retrait de l’arrière de la structure d’acier. Mis à part les modifications apportées au châssis, les nouvelles caractéristiques géométriques du fuselage sont les suivantes : - Ajout d’un plancher permettant de déposer et fixer les bagages; - Intégration du stabilisateur vertical au fuselage; - Ajout de cloisons internes augmentant la raideur globale du fuselage; - Points de fixation des mécanismes et surfaces de contrôle préservés. La fabrication de la peau de ce nouveau fuselage se fera par infusion au moyen de renforts en fibres de carbone et de verre ainsi qu’une résine d’époxyde pour l’infusion. Les propriétés structurales de ces matériaux ont été caractérisées et ont servi à faire la conception du fuselage au moyen de simulations par éléments finis. Selon ces simulations, le concept final peut résister aux cas de chargement statiques ultimes prescrits par Transport Canada, sans rupture et sans subir de flambage, et ce avec une rigidité similaire à celle du précédent fuselage. Le poids projeté du concept final est 151 lbs ce qui constitue une réduction de 26 lbs en incluant l’économie engendrée par l’intégration du stabilisateur vertical. La nouvelle structure permet donc de réaliser un gain intéressant avec une réduction de poids de 15% par rapport à la structure originale. Cette économie de poids permettra l’augmentation de la charge utile comme de l’essence, des bagages ou d’autres équipements. Une économie substantielle devrait être réalisée lors de la fabrication du châssis puisque le nombre de pièces soudées sera grandement réduit. La fabrication de la peau pourra être faite dans les anciens moules réutilisés mais nécessitera l’utilisation de matériaux avancés plus onéreux tels la fibre de carbone. De plus, la résine thermodurcissable choisie requiert une cuisson de 16 heures à 80°C ce qui augmentera la cadence de production par rapport à la cuisson à température ambiante. Ce procédé nécessitera toutefois l’acquisition d’un four de dimensions imposantes pour réaliser cette cuisson. Ce mémoire présente la démarche ayant mené à l’obtention du nouveau concept de fuselage pour le SA-160. Les résultats de cette recherche permettront à Aviatech d’effectuer a fabrication et la certification de cette nouvelle structure en vue de sa mise en production.

La technique de collage est déjà largement utilisée en Génie Civil dans le cadre de la réparation d'ouvrages, et la voie semble ouverte pour le développement de nouvelles applications en collage structural (connexions de ponts mixte acier/béton, assemblages de structures en béton fibré, etc.). Il existe donc une demande croissante de la part des maîtres d'œuvre pour disposer d'un outil de modélisation permettant de prévoir la durabilité de ce type d'assemblages collés. L'objectif de ce travail de thèse est justement de développer un modèle mécanique prédictif capable d'intégrer les propriétés physico-chimiques de l'adhésif et leurs évolutions dans le temps. La première partie de ce mémoire rassemble les données bibliographiques concernant les mécanismes de vieillissement des adhésifs époxydes utilisés en génie civil ainsi que les modèles phénoménologiques qui décrivent ces phénomènes en terme de cinétique. Il est également ressorti de cette étude, que les modèles mécaniques de zone cohésive sont particulièrement adaptés pour simuler le processus complexe de fissuration des interfaces dans les assemblages collés. Certains de ces modèles font intervenir des paramètres autres que mécaniques dans les équations d'évolution de l'endommagement surfacique et permettent prendre en compte de manière élégante les lois d'évolutions physico-chimiques des adhésifs. La seconde partie est consacrée à l'étude expérimentale des phénomènes de vieillissement des adhésifs massiques et des joints adhésifs dans les assemblages collés. Les effets du vieillissement physique et du vieillissement en milieu humide ont été analysés, mettant en évidence des différences de comportement entre les adhésifs massiques et les joints de colle, qui peuvent être attribuées à des effets d'interface et à des répartitions de contraintes spécifiques dans le polymère confiné au sein des joints. Les modèles phénoménologiques issus de la littérature ont ensuite permis de dégager des lois de comportement visant à prédire l'évolution des propriétés de ces adhésifs au cours du temps. La dernière partie du travail a permis de développer un outil de modélisation mécanique basé sur la théorie du premier gradient de l'endommagement, qui permet de décrire l'état de l'interface dans les assemblages collés à travers une variable d'endommagement. L'originalité de ce modèle réside dans le fait que les équations d'évolution de l'interface font intervenir des coefficients caractéristiques du comportement physico-chimique de l'adhésif. Dans un premier temps, le modèle a été confronté à l'expérience dans une configuration simplifiée de traction homogène. Les expérimentations ont mis en évidence des phénomènes de raidissement du joint en début d'essai puis de fluage aux temps longs, qui n'étaient pas prévus par le modèle initial. Les équations d'évolution ont donc été modifiées pour tenir compte de la nature viscoélastique du polymère, ce qui a permis de valider le modèle dans les conditions de chargement et de déchargement des assemblages collés. Nous avons ainsi pu identifier quatre des cinq coefficients du modèle relatifs au comportement de l'adhésif. Dans un second temps, une configuration expérimentale non homogène a été proposée afin de valider le modèle pour un problème avec gradient d'endommagement, et identifier le dernier coefficient théorique. Des études ultérieures pourront se baser sur ce modèle optimisé pour dégager les lois d'évolution des coefficients théoriques en fonction des phénomènes de vieillissement mis en évidence sur les joints adhésifs.

Cette recherche présente des résultats théoriques et expérimentaux sur le renforcement de poutres en lamellé collé par composite à base de fibres, l'application recherchée étant la proposition de structures de tabliers de ponts de haute résistance. Le concept retenu est une structure multi renforcée par la disposition de lamelles de composites entre les lamelles en bois dans la zone de traction. On montre que ce type de renfort possède expérimentalement, à taux de renfort donnée, des propriétés plus élevées que celles obtenues par des méthodes courantes consistant au renforcement en face inférieure d'une seule couche de composite. On montre en particulier que la distribution statistique de la rupture en traction du bois est resserrée grâce à la présence du composite. Ainsi, un renfort de faible épaisseur, réparti convenablement entre les lamelles de bois, a un double effet, celui attendu de diminuer les contraintes dans les fibres de bois, mais aussi, celui de réduire la distribution statistique de résistance. La prise en compte des renforts dans les calculs revient donc à redéfinir une résistance caractéristique d'un bois homogène équivalent ayant les propriétés du bois renforcé. De plus, on montre qu'il existe des configurations telles que les fissures transverses dans les lamelles de bois engendrées par la contrainte normale de traction sont stoppées par les lamelles de renfort et qu'il est possible d'obtenir un schéma de rupture multi fissuré. Un critère de rupture par délaminage de l'interface bois-composite est proposé et déterminé expérimentalement à cette fin. Enfin, des expérimentations sur prototypes hybrides constituées d'un multi couches bois-carbone-béton ultraperformant, est présentée. Les résultats ont permis de valider la méthode proposée de répartition du renfort en couches réparties de faible épaisseur.

Actuellement, les moules utilisés pour la réalisation de pièces composites aéronautiques sont à base d'alliages métalliques (FeNi, Invar) très appréciés pour leur faible coefficient de dilatation. Toutefois, ces alliages présentent plusieurs inconvénients (poids, prix, délais de livraison) qui incitent les industriels à se toumer vers d'autres matériaux. Dans ce contexte, les matériaux composites époxy/fibres de carbone sont une altemative intéressante compte tenu de leurs propriétés mécaniques proches del'Invar tout en alliant légèreté et facilité de mis en æuvre. Cependant, avec de tels moules des phénomènes d'adhésion risquent d'intervenir entre la résine époxyde infusée, constituant la future pièce, et le moule lui-même composé d'une résine époxyde. Leur nature proche est susceptible de favoriser des phénomènes de diffusion ou d'interactions moléculaires impliqués dans l'adhésion des polymères.Les travaux présentés dans cette thèse ont donc pour but de minimiser l'ensemble des phénomènes favorisant I'adhésion entre deux résines époxydes (l'une étant réticulée au contact de la seconde). Pour cela, les travaux sont concentrés sur la modification pérenne de la physicochimie ainsi que de la topographie de surface de la résine époxyde composant le moule. Ces deux paramètres sont en effet identifiés comme indispensables pour l'obtention de surfaces au caractère faiblement mouillant, pré-requis pour une bonne adhésion avec un tiers corps. Dans un premier temps, la physicochimie de surface de la résine du moule a étémodifiée durablement grâce à un additif fluoré préalablement greffé à la résine époxyde. Le mécanisme de fluoration de la surface a été étudié et une étape cruciale de migration de l'additif fluoré vers I'interface air / résine au cours de réticulation a été identifiée. Dans un deuxième temps, une rugosité contrôlée à l'échelle micrométrique est appliquée à la surface de la résine ainsi modifiée. Les propriétés de surface qui en découlent sont étudiées et montrent une accentuation du caractère faiblement mouillant des résines fluorées. Enfin, les propriétés d'interfaces entre les résines époxydes modifiées constituant le moule et une résine époxyde vierge représentant une pièce injectée sont étudiées via un test mécanique. Les résultats obtenus (force et type de rupture) sont mis en relation avec les propriétés superficielles de la résine époxyde modifiée.

Actuellement, les moules utilisés pour la réalisation de pièces composites aéronautiques sont à base d'alliages métalliques (FeNi, Invar) très appréciés pour leur faible coefficient de dilatation. Toutefois, ces alliages présentent plusieurs inconvénients (poids, prix, délais de livraison) qui incitent les industriels à se toumer vers d'autres matériaux. Dans ce contexte, les matériaux composites époxy/fibres de carbone sont une altemative intéressante compte tenu de leurs propriétés mécaniques proches del'Invar tout en alliant légèreté et facilité de mis en æuvre. Cependant, avec de tels moules des phénomènes d'adhésion risquent d'intervenir entre la résine époxyde infusée, constituant la future pièce, et le moule lui-même composé d'une résine époxyde. Leur nature proche est susceptible de favoriser des phénomènes de diffusion ou d'interactions moléculaires impliqués dans l'adhésion des polymères.Les travaux présentés dans cette thèse ont donc pour but de minimiser l'ensemble des phénomènes favorisant I'adhésion entre deux résines époxydes (l'une étant réticulée au contact de la seconde). Pour cela, les travaux sont concentrés sur la modification pérenne de la physicochimie ainsi que de la topographie de surface de la résine époxyde composant le moule. Ces deux paramètres sont en effet identifiés comme indispensables pour l'obtention de surfaces au caractère faiblement mouillant, pré-requis pour une bonne adhésion avec un tiers corps. Dans un premier temps, la physicochimie de surface de la résine du moule a étémodifiée durablement grâce à un additif fluoré préalablement greffé à la résine époxyde. Le mécanisme de fluoration de la surface a été étudié et une étape cruciale de migration de l'additif fluoré vers I'interface air / résine au cours de réticulation a été identifiée. Dans un deuxième temps, une rugosité contrôlée à l'échelle micrométrique est appliquée à la surface de la résine ainsi modifiée. Les propriétés de surface qui en découlent sont étudiées et montrent une accentuation du caractère faiblement mouillant des résines fluorées. Enfin, les propriétés d'interfaces entre les résines époxydes modifiées constituant le moule et une résine époxyde vierge représentant une pièce injectée sont étudiées via un test mécanique. Les résultats obtenus (force et type de rupture) sont mis en relation avec les propriétés superficielles de la résine époxyde modifiée. / Currently , the molds used for making aircraft composite piecess are made of metal alloys ( FeNi Invar ) popular for their low coefficient of expansion. However, these alloys have several drawbacks ( weight, price , delivery time ) which encourage manufacturers to rotate to other materials. In this context, the epoxy composites / carbon fibers are an interesting altemative given their mechanical properties similar to Invar while combining lightness and ease of implementation . However , with such molds, phenomena of adhesion may occur between the infused epoxy resin constituting the future piece , and the mold itself made of an epoxy resin. Their close nature promotes diffusion phenomena or molecular interactions involved in the adhesion of polymers.The works presented in this thesis is therefore to minimize all phenomena promoting the adhesion between two epoxy resins (one being cured in contact with the second). To do this, the work is focused on sustainable change in the physicochemistry and the surface topography of the epoxy resin component mold. These two parameters are indeed identified as essential for obtaining surfaces prerequisited low wetting character , for good adhesion with a third body. At first , the physicochemistry of the resin surface of the mold was permanently changed using a fluorinated additive grafted beforehand on the epoxy resin. The mechanism of fluorination of the surface has been studied and a critical step in migration of the fluorinated additive towards the air / resin interface during curing has been identified. In a second step , a controlled micrometer scale roughness is applied to the surface of the resin as amended . The surface properties arising are studied and show an accentuation of low wetting character of fluorinated resins . Finally, the properties of interfaces between the modified epoxy resins constituting the mold and blank epoxy resin representing a molded part are studied via a mechanical test. The results obtained ( strength and type of failure ) are put in contact with the surface of the modified epoxy resin properties.