Les leçons tirées des tremblements de terre passés ont permis d’introduire un nouveau concept dans l’étude des structures: le dimensionnement basé sur la performance (DBP). Depuis des décennies, ce concept est utilisé dans l'aéronautique et la construction automobile. Son but principal consiste à fixer à l'avance la performance de la structure souhaitée. Autrement dit, on prédit son niveau d'endommagement éventuel après l'avoir soumis à un état de contrainte. Une phase expérimentale permet de vérifier si la performance souhaitée a été atteinte, et si c'est le cas, on lance une chaîne de production. Cependant, malgré le succès du concept, son application en génie civil était limitée. En effet, chaque ouvrage de génie civil est unique, tout comme le sol sur lequel il est construit. D'autre part, les moyens techniques et économiques ne permettaient guère de soumettre un ouvrage à un tremblement de terre afin de s'assurer que les prévisions de performance ont été atteintes. Par conséquent, l'application du dimensionnement basé sur la performance dans la construction des ponts et des bâtiments était très difficile. Les progrès effectués dans l`évaluation de l'aléa sismique, les installations expérimentales et les applications informatiques ont récemment favorisé l'introduction du DBP dans les codes de construction. L'utilisation du concept de DBP est devenue courante dans la réhabilitation et la conception parasismique des structures. Les codes de calcul parasismique des structures (par exemple le CSA S6-06) le recommandent dans la conception des nouvelles structures et l'adaptent en cherchant des améliorations par rapport aux anciennes structures construites suivant les anciens codes. Le DBP consiste à dimensionner les structures de pont à partir du niveau de performance souhaité et de l'aléa sismique de la zone de construction. On associe à chaque niveau de performance un état limite, qui est lui-même lié à un endommagement physique d'un des éléments structuraux. D'où l'importance de définir les états limites par les codes et les normes réglementaires. La finalité étant que la capacité demeure supérieure à la demande. De ce fait, il est indispensable de connaître la performance sismique des piliers construits selon les recommandations des anciennes normes. Dans cette optique, un pilier de pont à échelle réelle fut construit et testé dans le laboratoire du Centre de recherche en génie parasismique et en dynamique des structures (CRGP) de l'Université de Sherbrooke. Le spécimen a été construit conformément au détail de ferraillage de l'armature transversale. Celui-ci a présenté une série d'endommagement dont le déroulement s'est réalisé comme suit: la fissuration du béton, la plastification de l'armature longitudinale, l'écrasement du béton d'enrobage, le flambement de plusieurs barres longitudinales et la rupture d'une barre en compression. Les résultats de ces recherches ont révélé que le pilier possédait une grande capacité à dissiper de l'énergie, un excellent taux d'amortissement et une ductilité en déplacement de 7,28 alors que les codes préconisent au moins 3,0.

Les tremblements de terre survenus à San Fernando en 1971, à Loma Prieta en 1989, à Northridge en 1994 et au Chili en 2010 ont permis de découvrir les déficiences des ouvrages construits selon les anciennes normes de conception parasismique. Deux des causes majeures de ces déficiences ont été le manque de confinement des sections critiques et les problèmes liés au recouvrement à la base. De ces leçons, les nouvelles normes de construction au Québec adoptent la philosophie du dimensionnement à la performance, interdissent le recouvrement à la base et recommandent un détail de ferraillage plus rigoureux. Étudier le comportement sismique des piliers de ponts au Québec en suivant la philosophie du dimensionnement est l'objectif principal d'un ensemble de projets, dont celui-ci, qui est en cours au Centre de recherche en génie parasismique (CRGP) de l'Université de Sherbrooke. Pour leur réalisation, le pont Chemin des dalles, situé dans la région de Trois-Rivières, a été retenu comme pont type. Étudier le comportement sismique des piliers de ponts en béton armé d'armatures en spires hélicoïdales est l'objectif spécifique de ce projet de maîtrise. De ce fait, un spécimen à échelle réelle a été conçu, construit, instrumenté et testé au laboratoire de structures de l'Université de Sherbrooke. Le renforcement du pilier en béton par des spires hélicoïdales a permis de ceinturer les barres d'armatures longitudinales, d'avoir un comportement plus ductile et une grande capacité à dissiper de l'énergie. En utilisant la méthode par poussée progressive, les états limites et d'endommagement, et les indicateurs liés à la ductilité, à la dissipation d'énergie, à l'endommagement et à l'amortissement du pilier construit ont été déterminés. Certaines réponses du pilier ont été prédites à l'aide de logiciels d'éléments finis. Ces prédictions ont été assez proches de celles mesurées lors de l'essai réalisé au laboratoire. La cartographie de l'endommagement a été aussi prédite. Pour situer l'endommagement du pilier, des formulations sur l'évaluation de la longueur de la rotule plastique ont été utilisées. Le pilier à l'étude a eu un comportement assez ductile, une bonne capacité à dissiper de l'énergie et une stabilité de capacité. La quantification des états d'endommagement du pilier testé, en se basant sur la description des états limites, a été comparable à celles proposées pour d'autres piliers.

Le but de cette étude est d'étudier l'évolution de la microstructure et des propriétés de transfert des géomatériaux sous chargement dynamique rapide. Le chargement dynamique est généré par des ondes de chocs dues à la décharge électrohydraulique d'un arc (PAED) sous l'eau. L'évolution de la fissuration et de l'endommagement est illustrée par celle de sa microstructure et de la perméabilité intrinsèque du matériau. La perméabilité augmente avec le niveau du pic de pression et le nombre de chocs. Une bonne corrélation est observée entre les propriétés du mortier, de la perméabilité, de la porosité et les clichés issus de la microtomographie. Après avoir exposé les résultats d'une campagne expérimentale, des développements sur le modèle d'endommagement anisotrope de R. Desmorat ainsi qu'un couplage avec la perméabilité sont proposés, finalement l'ensemble du processus est simulé numériquement à l'aide des codes Europlexus et Cast3M.

Le stockage de CO2 dans les formations géologiques profondes est considéré comme un moyen envisageable de réduire les émissions de gaz à effet de serre dans l'atmosphère. L'état des roches constituant le réservoir est un paramètre clé dont dépendent aussi bien la sûreté que l'efficacité du stockage. L'objectif de cette thèse est de caractériser les risques générés par une modification possible des propriétés mécaniques et de transfert des matériaux du sous-sol suite à une injection de CO2. Des simulations à grande échelle visant à représenter le processus d'injection de CO2 à l'état supercritique dans ut réservoir souterrain ont été réalisées. Une analyse des champs de contraintes obtenus met en évidence la possibilité de rencontrer pour d'importants débits d'injection divers régimes de détérioration des matériaux. Le travail est consacré à l'étude de l'apparition de fissures ouvertes. A la suite d'une étude analytique simplifiée de la formation et de ta propagation de fissures ouvertes dans le milieu considéré basée sur un modèle probabiliste on montre que la formation d'un réseau de fissures est possible. On s'attache alors à développer dans te Code_Aster un outil numérique permettant de simuler la formation de réseaux de fissures. Un modèle non local basé sur une régularisation des contraintes est proposé. Un critère portant sur le facteur d'intensité des contraintes est utilisé pour décrire la propagation des fissures. L'amorçage de nouvelles fissures est décrit par un modèle de Poisson-Weibull. Les paramètres utilisés sont identifiés par une campagne expérimentale menée sur des échantillons prélevés sur un site de stockage géologique de CO2. Le modèle développé est ensuite validé sur des cas numériques, puis par rapport à la campagne expérimentale réalisée.

Trois types d'argile ont été étudiés dans cette thèse, l'argile de Mol (argile plastique), l'argile du Mont Terri (argile à opalines) et l'argile de L'Est (argile raide). La thèse comprend trois parties: une partie expérimentale qui a permis d'identifier le phénomène de cicatrisation et de fermeture des fissures. On a cherché à travers plusieurs types d'essais à déterminer l'évolution de la perméabilité des échantillons argileux intacts et endommagés en fonction du temps et en fonction des différents chargements hydromécaniques appliqués. Une loi rhéologique pour décrire le phénomène de cicatrisation a été développée à partir des observations expérimentales et sous certaines hypothèses. Les paramètres du modèle de cicatrisation ont pu être déterminés suite à une simulation numérique. Pour prendre en compte des effets de structures à grandes échelles, la modélisation d'un tunnel a permis de mieux identifier le phénomène de cicatrisation et d'analyser la stabilité à long terme de cet ouvrage.

L'utilisation des cristaux de saphir dopé Titane de grande dimensions au sein des chaînes laser ultra-rapides de fortes puissance crêtes rend cruciale la problématique de l'endommagement laser de ces cristaux. Les travaux présentés ici ont pour but de quantifier le seuil d'endommagement des cristaux de Titane : Saphir sous irradiation femtoseconde, picoseconde et nanoseconde, régimes d'interaction qui sont représentatifs à la fois des conditions rencontrées dans les chaînes laser et des régimes d'interaction laser matière distincts. De plus, l'influence de paramètres propres à l'utilisation des cristaux tels que la cryogénie, les traitements anti-reflets ou le type de pompage optique (impulsion temporellement monomode ou non) est ensuite étudiée. Les résultats obtenus permettent de mieux comprendre les mécanismes d'endommagement et d'identifier les paramètres clés qui devront être optimisés dans les futures chaînes laser ultra-rapides de fortes puissances crêtes. / The use of large Ti:Sapphire crystals in ultra fast high peak power laser amplifiers makes crucial the problem of crystal laser induced damage. These works aim to qualify the laser induced damage threshold of Ti:Sapphire crystals under femtosecond, picosecond and nanosecond laser pulse irradiations, which are typically encountered in such laser chains and representative of laser matter interaction regimes. Furthermore, the influence of parameters peculiar to Ti:Sapphire crystals use in laser systems, such a cryogenic conditions, anti-relection coatings, or optical pumping kind (temporally monomode or multimode pulses), has been performed. The results are important to understand the mechanisms leading to the damage, and to reveal the key parameters which will have to be optimized in future high peak power laser chains.

Ce travail concerne le développement d’une approche multiéchelle du comportement mécanique adaptée aux matériaux composites à renfort tissé. Le modèle DMD (Discrete Micro Damage) proposé repose sur une description de l’architecture du renfort tissé et de l’arrangement des constituants, de leurs propriétés et de leurs modes d’endommagement. Les variables internes du modèle décrivent directement l’état de fissuration du matériau et les décohésions associées. L’endommagement est introduit sous forme discrète dans des cellules élémentaires représentatives du matériau. Les effets de l’endommagement sont ensuite calculés grâce à des essais numériques d’homogénéisation. Des outils de changement d’échelle spécifiques nécessaires au calcul numérique ont été développés afin de prendre en compte les particularités des composites tissés. Le modèle DMD est identifié et validé pour un matériau composite tissé multicouche à matrice céramique. Enfin, le modèle est implanté dans le code de calcul ZéBuLoN et appliqué à trois cas-tests de calcul de structure. / This work proposes a multiscale model of the mechanical behavior of woven composite materials. The DMD model (Discrete Micro Damage) is based on a physical description of the geometry of the reinforcement, the properties of the constituents and their damage mechanisms. The internal state variables of the DMD model are defined as crack densities and debounding lengths, to measure directly the extent of the microstructural damage. A finite number of discrete damage states is introduced into representative periodic cells and the effective properties are computed using a numerical homogenization scheme. Specialized multiscale numerical tools have been developed in order to take into account the specificities of the woven composite materials. The DMD model has been identified and validated for a ceramic-matrix woven composite. Finally, it has been implemented into a general finite-element code and applied to several structural tests.

Le sujet de la thèse initié dans le cadre de l'ANR UV-Borate s'inclut dans le projet UV-Conversion labellisée par 2 pôles de compétitivité (Matériala - Lorraine - et Route des lasers - Aquitaine -) soumis à l'ANR en 2011. Les études se portent particulièrement sur les borates YxLaySc4-(x+y)(BO3)4 (LYSB) et YAl3(BO3)4 (YAB), cristaux Optiques Non Linéaires (ONL) possédant la même structure cristallographique (R32). La croissance de ces cristaux est effectuée par les collaborateurs industriels et universitaires de l'ANR. Ces deux matériaux présentent en effet des possibilités de conversion de fréquence jusqu'à des longueurs d'onde λ < 300 nm, de plus une non hygroscopicité procure une plus grande durée de vie des échantillons et par conséquent un net intérêt pour les applications industrielles. L'endommagement laser étant lié à l'absorption et ainsi, en partie, aux impuretés, une étude de la qualité cristalline et de l'homogénéité de nos cristaux a été effectuée. Les résultats ont permis de relier des défauts de structure (dislocations et etch pits) à la croissance de la maille rhomboédrique via des caractérisations par ombre portée (Photography Schlieren) et par attaque chimique suivi d'une observation par microscopie optique, MEB et MFA. Par ailleurs, des études théoriques et expérimentales d'accord de phase (détermination de Θ et φ) lors de conversions de type I principalement ont été réalisées sur les cristaux de YAB, LYSB ainsi que sur des cristaux de référence tel que ß-BaB2O4 (ß-BBO). L'aspect de l'endommagement laser dans les matériaux ONL a été abordé dans les locaux de l'Institut Fresnel de Marseille au sein de l'équipe Interaction Laser Matière (ILM) sur des échantillons de Li2B4O7 (LTB). L'équipe a effectivement développé un dispositif de mesure de la probabilité d'endommagement laser et de mesure de tenue du seuil d'endommagement laser des matériaux optiques. Par ailleurs, un effort a été mené dans la conception d'un dispositif de mesure de la transmission optique et absorption à température ambiante et aux basses températures afin de révéler des défauts absorbants. Des premiers résultats ont été obtenus et discutés sur des échantillons de ß-BBO et LYSB / The purpose of my thesis, performed within the program of the ANR UV-Borate, was integrated in the UV-Conversion project certified by 2 poles of competitiveness (Matériala - Lorraine - and Route des lasers - Aquitaine -). The project concerned the study of borates YxLaySc4-(x+y)(BO3)4 (LYSB) and YAl3(BO3)4 (YAB), Non-Linear Optical (NLO) crystals which have the same crystallographic structure (R32). The growth of the crystals was realized by industrials and academics collaborators of the ANR. Those two materials present possibilities of frequency conversion until wavelengths λ < 300 nm. Because they are not hygroscopic, they have a bigger time life compare to other materials which offer a most important interest for the industrial applications. We have studied the quality and the homogeneity of our crystals. Indeed, the use of strong optical beam can lead to damages on the crystal and degrade the properties of the materials which are related to the absorption and to impurities of the crystals. Our results allowed to related defaults in the structure (dislocations and etch pits) to the growth of the rhombohedral crystal system by using characterization techniques as the "Photography Schlieren" or optical microscopy (before which a "Chemical Etching" was performed) or by using SEM and AFM. In the fridge of the previous work, theoretical and experimental phase matching studies (determination of Θ and φ) during conversions of frequency of type I were realized on the YAB and LYSB crystals and on the reference crystals such as ß-BaB2O4 (ß-BBO). The aspect of optical damage was investigated at the Institut Fresnel of Marseille in the team Intéraction Laser Matière (ILM). The team has developed a device to measure the Laser Induced Damage (LID) probability and to measure of the Laser Induced Damage Threshold (LIDT) of optical materials. Laser-Induced-Damages studies in NLO materials were also realized on Li2B4O7 (LTB) samples. A strong effort was performed in the design of a device for the measurement of the optical transmission and the absorption at room temperature and low temperatures to reveal absorbent defaults. First state-of-art results were obtained and discussed for ß-BBO and LYSB samples

Cette thèse a plusieurs objectifs différents. La première est de concevoir de nouveaux composites élastomères charge renforcée sur la base de mélange de deux types d'élastomères différents vulcanisés dans des conditions différentes (température de vulcanisation, système de vulcanisation etc.) afin d'obtenir de meilleures performances de traitement et de propriétés. La deuxième est de caractériser les mélanges nouvellement créées en utilisant différentes méthodes et différentes conditions de fonctionnement. Le troisième est d'étudier la possibilité de remplacer une partie de la charge conventionnelle (noir de carbone) avec de la résine époxy ou l'utilisation de particules fines comme le SiC et Al2O3. Au stade final de la thèse, nous avons proposé des conditions de travail optimales et les applications industrielles. Une proposition très pratique a été donnée pour l'optimisation de la composition pour différentes applications industrielles. À la suite de la recherche à l’échelle industrielle qui est l'objet de cette thèse, nous avons proposé des compositions originales de haute qualité adaptés pour différentes applications. / This thesis has several different aims. First one is to design new filler-reinforced elastomeric composites based on mixing together of two different types of elastomers vulcanized under different conditions (vulcanization temperature, vulcanization system, etc.) in order to obtain better processing and performance properties. Second one is to characterize the newly created mixtures by using variety of methods and different operating conditions. The third one is to investigate the possibility to replace part of the conventional filler (carbon black) with epoxy resin or the use of fine particles as SiC and Al2O3. At the final stage of the thesis, we have suggested the optimal working conditions and industrial applications. A very practical proposal was given for the optimization of the composition for different industrial applications. As a result of the full scale investigation which is the object of this thesis, we have proposed original high quality compositions suitable for different engineering applications.

Dans le cadre de la discrétisation par élément finis, les fissures sont décrites comme paires de surfaces interrompant la continuité du corps, et les comportements anélastiques du matériau sont décrits globalement par des lois cohésives, obtenues dans le cadre d'une approche thermodynamique. L'approche développée ici permet aux surfaces cohésives de se développer selon les frontières des éléments solides. Ainsi, une procédure automatique capable de modifier de manière adaptative la topologie d'un maillage a été développée. Bien qu'un tel choix puisse réduire la possibilité de décrire exactement le chemin de la fissure, le procédure a été validée par la simulation de nombreuses expériences de rupture dynamique. Des applications à la rupture dynamique de matériaux fragiles classiques, de matériaux ductiles, de polymères et composites, et de tissus biologiques ont montré que la méthodologie est capable et prédictive. Dans le contexte de problèmes dynamiques, la présence d'une échelle temporelle caractéristique confère aux modèles cohésifs une dépendance en vitesse. Pour conclure ce travail, nous proposons une nouvelle façon de décrire le comportement d'un matériau basée sur les théories cohésives. Le modèle construit explicitement des microstructures particulières basées sur l'introduction de surfaces cohésives equi-espacées dans une matrice solide. Le modèle décrit l'élasticité, la nucléation des défauts et le comportement cohésif et frictionnel. Les microstructures peuvent caractériser ainsi le matériau sur plusieurs échelles de longueur. Un tel modèle est approprié pour décrire le comportement dynamique des matériaux fragiles sous chargement compressif jusqu'à rupture / In the framework of finite element discretization, cracks are modelled explicitly as a pair of surfaces breaking the continuity of the body, and the inelastic behaviors exhibited by the are described globally through cohesive laws derived from a sound thermodynamic background. The approach pursued here allows the cohesive surfaces to develop along boundary surfaces of solid elements. An automatic procedure able to modify adaptively geometry and topology of a solid mesh has been developed. Although such choice may reduce the possibility to describe accurately the crack path, since the crack segments are intrinsically dependent on the initial mesh size, the procedure has been validated through the simulation of a number of dynamic fracture experiments. Applications to dynamic fracture of classic brittle materials, ductile materials, polymers and composites, and biological tissues proved that the methodology is reliable and highly predictive. The presence of a characteristic time scale confers to cohesive models combined with dynamics an intrinsic rate-dependence without the need of modelling viscosity explicitly. As closing part of this work, we propose an innovative material model based on cohesive theories. We directly construct special micro-structures by distributing equi-spaced cohesive surfaces in a continuum material. The model accounts for elasticity of the bulk, nucleation of faults and cohesive and frictional behavior. Micro-structures can the material with several length scales. Such material model is suitable to describe the dynamic behavior up to failure of brittle materials, undergoing compressive loading