La résistance au cisaillement des éléments en béton armé reste un sujet d'un grand intérêt pour l'ingénierie des structures civiles. En service, la plupart des éléments structuraux sont soumis à des sollicitations de cisaillement et/ou de poinçonnement avec un risque accru de rupture fragile. Différentes méthodes de calcul des résistances à l’effort tranchant existent, mais présentent des dispersions considérables notamment pour les éléments structuraux non armés transversalement. Ceci est dû principalement à la non-prise en compte de l’ensemble des mécanismes entrant dans le phénomène de cisaillement. L’objectif du présent travail de thèse est de contribuer à la compréhension des mécanismes de transfert de l’effort tranchant dans les poutres en béton armé. Pour cela, une campagne expérimentale est réalisée sur des poutres en béton armé sans armatures transversales et de différentes tailles afin d’étudier l’effet d’échelle sur l’effort tranchant. Le processus de fissuration marqué par la présence d’une fissure diagonale est analysé par deux techniques expérimentales : Corrélation d’images numériques et l’émission acoustique. Par la combinaison des résultats de la corrélation d'images et les jauges de déformations collées sur les armatures longitudinales, il est possible de distinguer la contribution du mécanisme d’engrènement des granulats et de l'action d’effet de goujon. L’influence de l’effet d’échelle sur chaque mécanisme de transfert est analysée par des modèles numériques et empiriques simplifiés en se basant sur les résultats expérimentaux à l’échelle locale. Les résultats confirment que l’engrènement des granulats joue un rôle décisif dans la contribution à la résistance de cisaillement pour les éléments en béton armé sans armatures transversales. Cette contribution dépend essentiellement des variables cinématiques(ouverture de fissure et glissement) et l’angle d’inclinaison de la fissure diagonale. Ce mécanisme est très dépendant de la taille de l’élément et de la forme de la fissure. / The shear strength of reinforced concrete elements remains a subject of great interest for the civil engineering structures. During service,most structural elements are subjected to shear and /or punching stresses with an increased risk of brittle failure. Different methods of calculation of shear strengths exist but have considerable discrepancy especially for the structural elements without transverse reinforcement. It is mainly by not taking into consideration all the mechanisms which are involved in the shear behavior. The objective of thisdoctoral thesis is to contribute towards the understanding of the shear force transfer mechanisms in reinforced concrete beams. For this,an experimental campaign is carried out on reinforced concrete beams without transverse reinforcement and of different geometrically similar sizes in order to investigate the size effect on the shear force. The cracking process manifested by thepresence of a diagonal crack is analyzed by two experimental techniques: Digital Image Correlation and Acoustic Emission. By combining the results of the digital image correlation and the strain gauges glued on the longitudinal reinforcement, it is possible to distinguish the contribution of the aggregate interlocking mechanism and the dowel action on the transfer of shear forces. The influence of size effect on each transfer mechanism is analysed by simplified numerical and empirical models based on experimental results at the local scale. The results confirm that the aggregate interlocking mechanism plays a critical role in the contribution to shear strength for reinforced concrete elements without transverse reinforcement. This contribution depends essentially on the kinematic variables (crack opening and sliding) and the angle of inclination of the diagonal crack. This mechanism is strongly dependent on the size of the element and the shape of the crack.

Pour répondre au besoin des clients ainsi qu’aux réglementations gouvernementales, les constructeurs de camions doivent diminuer la consommation et les émissions de leurs véhicules. Une solution-clé est d’améliorer le rendement de la transmission du camion, dont le pont fait partie. Leur design n’a longtemps été optimisé qu’en fonction de critères de durabilité et de bruit. L’objectif de ce travail est donc de caractériser le rendement des ponts de camion. La dissipation de puissance au sein du pont est causée par l’engrènement, les roulements, les joints et le barbotage. Des méthodes permettent d’estimer globalement ces pertes de puissance, mais elles ne sont pas forcément adaptées aux ponts. En effet, l’élément principal du pont est un engrenage spiro-conique ou hypoïde et son importance est étudiée : sa forme influe sur le barbotage, tandis que sa géométrie de denture et sa cinématique gouvernent le frottement à l’engrènement. Il semble ainsi important d’évaluer le frottement de ces couples coniques par une approche locale et d’étudier l’influence des paramètres de denture. Cependant, les pertes de puissance dépendent de la température, via les propriétés de l’huile. Des expériences montrent un important écart de température entre les composants. Il faut donc considérer des températures locales plutôt qu’une température d’huile globale. Le rendement et la durabilité peuvent être impactés par des points chauds. La méthode des réseaux thermiques permet de modéliser les échanges thermiques du pont ainsi que la distribution de températures. Les tests classiques de rendement mesurent uniquement la perte globale et la température d’huile : rien ne permet de confirmer la répartition des pertes entre sources. Une campagne d’essais avec mesures de température est donc réalisée et valide le modèle pour le calcul des températures locales et pour l’estimation des pertes de chaque composant. Ce modèle peut alors être utilisé lors du design de futurs ponts. / To fulfil customer demands, but also government regulations, the truck industry must decrease the fuel consumption and emissions of its vehicles. A key development is to improve the efficiency of the powertrain, which includes the axle. Until recently, optimisation of axle design has mainly concerned durability and noise aspects. The aim of this study is then to characterise the efficiency of truck axles. As for most of the mechanical transmissions, power dissipation in axles is due to gear mesh, rolling element bearings, seals and oil churning. Formulae already exist to estimate these power losses at a global level, but they are not always adapted to axles. Indeed, the main component of axles is a spiral bevel or a hypoid gear set. The influence of these special gears on efficiency is investigated here: their shape drives oil churning losses, while their tooth geometry and their kinematics impact friction at gear mesh. Therefore, the meshing friction of the gear set is also evaluated thanks to a local approach. The influence of some gear parameters is studied. However, power losses are influenced by temperature through oil viscosity. As previous experiments underline non-negligible temperature difference between components, it is necessary to consider local temperatures instead of a global oil temperature. Efficiency but also durability can be impacted by local hot spots. The thermal network method is used to model the thermal exchanges inside and outside the axle and to calculate temperature distribution. Usual efficiency tests on axles measure only global power loss and oil temperature: no evidence allows to confirm a power loss breakdown. Thus, a test campaign with temperature measurements is done and validates the model on local temperature calculation but also on estimation of component power losses. The model can be used at design stage for future development of axles.

Ce travail de thèse, réalisé dans le cadre d’une collaboration avec la société Hispano-Suiza (groupe SAFRAN) porte sur la modélisation et l’analyse des vibrations et surcharges dynamiques sur les engrènements d’un réducteur aéronautique multi-étage constitué de plusieurs cascades d’engrènements situés dans des plans décalés. Une modélisation originale est proposée qui repose sur le couplage entre la résolution des équations du mouvement et la prise en compte des conditions de contact instantanées sur l’ensemble de tous les engrènements. Le modèle gère les phases relatives entre engrènements ainsi que l’influence des modifications de corrections de forme des dentures. En s’appuyant sur de nombreux exemples d’application, il est montré que des corrections de profil linéaires et symétriques adaptées permettent d’abaisser très sensiblement le niveau de surcharges dynamiques sur une plage de vitesse de rotation importante. Il est également confirmé que les efforts dynamiques sur les engrènements sont fortement corrélés aux amplitudes des variations temporelles des erreurs de transmission locales pour un fonctionnement quasi-statique sous charge. Considérant différentes architectures de transmissions, des optimisations conduites grâce à un algorithme génétique montrent que les paramètres optimaux de corrections de profil sont à choisir au voisinage d’une ‘courbe maîtresse modifiée’, initialement définie pour un seul engrènement et dont les propriétés semblent pouvoir être extrapolées à des systèmes avec plusieurs engrènements simultanés. Les résultats de simulations prouvent que l’ensemble des corrections sélectionnées sur les courbes maîtresses modifiées améliorent sensiblement le comportement dynamique des systèmes d’engrenages multi-étages. En revanche, pour des systèmes soumis à des niveaux de charge différents, des corrections optimales courtes semblent plus adaptées en termes de dynamique de l’engrènement tandis que des corrections optimales longues semblent plus efficaces en ce qui concerne le niveau de contraintes en pied de dents. / This research work, conducted in cooperation with Hispano-Suiza (SAFRAN group), is focused on the modelling and analysis of vibrations and dynamic loads in aeronautical multi-mesh gears comprising several spatial gear arrangements (idler gears, several pinions on one shaft). An original model is presented which relies on the simultaneous solution of the equations of motion and the instant contact conditions for all the tooth contacts and all the meshes. The phasing between the various meshes along with tooth shape modifications are integrated in the simulations. Based on a number of simulation results, it is shown that linear symmetric profile modifications can substantially reduce dynamic tooth loads over of broad range of speeds. It is also confirmed that dynamic mesh forces are strongly correlated with the time-variations amplitudes of local quasi-static transmission errors under load. Considering several gear arrangements, tooth profile optimisations have been performed using a genetic algorithm which indicate that optimum reliefs always lie in the vicinity of the so-called ‘modified Master Curve’ initially defined for a single pinion-gear pair. This finding suggests that the concept of Master Curve can probably be extended to more complex gear systems. The simulation results prove that all the optimal profile modifications on the Master Curve improve the dynamic tooth loading conditions in multi-mesh gears. However, for systems submitted to several load levels, short optimal reliefs seem preferable whereas long optimal reliefs are more effective in terms of root stresses.

Les engrenages spiro-coniques sont utilisés dans les transmissions de puissance nécessitant un renvoi d’angle, par exemple dans le domaine aéronautique ou automobile. Ces engrenages admettent des puissances et des vitesses importantes. La fabrication des engrenages spiro-conique est complexe. De nombreuses études ont été réalisées sur son optimisation pour définir les profils des dents en contacts. Des travaux existent également pour le dimensionnement statique des dentures. L’aspect dynamique est l’objectif du travail de cette thèse. Des approches théoriques et numériques, pour simuler les vibrations d’engrènement dans des couples spiro-coniques, sont présentées et discutées. Plusieurs modèles ont été développés : torsionnel et tridimensionnel, incluant la prise en compte de défauts de position et d’alignement. Un modèle original (tridimensionnel local), est proposé. Il repose sur des analyses quasi-statiques préalables. Il permet de suivre les évolutions des conditions de contact instantanées sur les flancs de denture. Une approche alternative est également présentée, qui conduit à construire des termes d’excitation globaux en termes d’erreurs de transmission et de raideurs d’engrènement, permettant ainsi de s’affranchir d’algorithmes de contact au cours de la résolution dynamique. Des comparaisons ont été menées avec des résultats quasi-statiques et dynamiques issus de la littérature. / Spiral bevel gears are employed in power transmissions which require motion transfer between crossed axes in aerospace and automotive applications for instance. Such gears can transmit large powers and high speeds. The manufacturing of spiral bevel gears is complex. A number of studies have been conducted in order to optimise the mating tooth flank geometry and the static load distribution on the teeth. The main objective of this work is to tackle the dynamic behaviour of spiral bevel gears. Several theoretical and numerical approaches aimed at simulating mesh vibrations are presented and commented upon. Several models have been developed which comprise torsional and three-dimensional models including the influence of position errors and misalignments. An original three-dimensional local model is set up which is based on prior quasi-static analyses and makes it possible to follow the instant contact conditions on the tooth flanks. An alternative formulation is also introduced which relies on global forcing terms derived from transmission errors together with mesh stiffness and does not necessitate the use of a contact algorithm when integrating the equations of motion. A number of comparisons with quasi-static and dynamic results from the literature are presented which illustrate the interest of the proposed methodology.

Les spectres de bruit mesurés en cabine d’hélicoptère montrent que la boîte de transmission principale (BTP) est un des principaux contributeurs au bruit perçu par les usagers. Elle génère en effet plusieurs raies émergeant fortement du bruit large bande et dont les fréquences se situent dans la plage de sensibilité maximale de l’oreille humaine. Dans un contexte d’amélioration permanente du confort acoustique des usagers, un modèle numérique est développé pour prédire le comportement dynamique des BTP. Les équations du mouvement sont écrites sur la base de fonctions du temps représentatives des excitations générées par l’engrènement (raideur d’engrènement et erreurs de transmission). Plusieurs éléments de validation sont présentés pour confirmer la pertinence de la formulation proposée. Différents résultats numériques et expérimentaux de la littérature sont utilisés à des fins de comparaison, montrant que le modèle s’applique aux systèmes à simple étage de réduction, par engrenage cylindrique ou spiro-conique. La validation est ensuite étendue aux systèmes à deux étages de réduction et les résultats confirment que la formulation basée sur les erreurs de transmission permet de tenir compte des corrections de profil. Finalement, le modèle est utilisé pour diverses applications. Premièrement, l’influence des erreurs de pas sur le comportement dynamique de transmissions par engrenages est discutée, ainsi que l’influence combinée du niveau de chargement appliqué. Dans un second temps, la relation entre l’erreur de transmission dynamique et différents coefficients dynamiques est étudiée. Le contenu spectral de la réponse au niveau des roulements est ensuite analysé pour des systèmes à deux engrènements cylindriques et l’influence de différents paramètres est discutée. Enfin, une application est réalisée sur un système comprenant un engrenage cylindrique et un engrenage spiro-conique. Les phénomènes de couplage entre les étages successifs sont mis en évidence ainsi que la contribution des deux engrènements au contenu spectral de la réponse aux roulements. / Noise measurements have shown that helicopters main gearboxes highly contribute to the overall cabin noise. Gear mesh vibrations propagate through the shafts to the rolling element bearings and the casing which becomes a source of radiated noise. The latter is characterized by high-amplitude tones emerging from broadband noise whose frequencies lie in the range of maximum human ear sensitivity. In the context of continuous improvement in the acoustic comfort of helicopter passengers, it is therefore necessary to analyse and optimize gearbox vibrations in order to reduce casing noise radiations. The research work presented in this memoir is focused on the development of a numerical model dedicated to the prediction of gear system dynamic behaviour, comprising several gear stages and different types of gears. This model relies on classic beam and lumped parameter elements along with specific two-node gear elements for both cylindrical (spur, helical) and spiral-bevel gears. The equations of motion are developed based on time-varying functions representative of mesh excitations which comprise: (a) mesh stiffness functions, (b) quasi-static transmission error under load, and (c) kinematic (or no-load) transmission error. A number of comparisons with benchmark numerical and experimental results from the literature are presented which demonstrate that the proposed approach is sound as far as single-stage systems with spur, helical or spiral-bevel gears are considered. Validations are then extended to double-stage gears and, here again, it is confirmed that the proposed transmission error based formulation is accurate and can account for tooth shape modifications. In the second part of the memoir, several examples of application are presented and commented upon. First, the combined influence of tooth pitch errors and load on the dynamic behaviour of gear transmissions is tackled. An extended three-dimensional model and a reduced torsional version are then confronted in order to investigate the dependency between dynamic transmission errors and mesh force / root stress dynamic factors. Further investigations on bearing dynamic response in two-stage spur gear systems are conducted and the particular contributions of profile modifications are analysed. Finally, a system combining a cylindrical gear and a spiral-bevel gear is considered and particular attention is paid to the dynamic couplings between the various meshes and their influence on bearing dynamic responses.