Ce travail de recherche est axé sur la compréhension du comportement en flexion, statique et instantané, des structures multimatériaux acier-béton collées du génie civil. La première étape consiste à mener une analyse expérimentale et numérique par éléments finis non linéaire sur la caractérisation de la connexion. L’essai Push-Out a été retenu : deux dallettes de béton C25/30 sont connectées à un profilé métallique. Nous faisons varier la géométrie des dallettes et du joint de colle. La ruine est cohésive dans le béton proche de l’interface par cisaillement. Un effet favorable du frottement entre dallette et presse peut se développer et induire le développement de contraintes de compression et augmenter la contrainte de cisaillement moyenne à l’interface. Les dimensions des éprouvettes et du joint de colle influent sur la charge de ruine. Ainsi, l’essai Push-Out est, dans l’état actuel de connaissances, difficile à utiliser pour la caractérisation de la connexion collée acier-béton en vue du dimensionnement de structures. La seconde partie est consacrée à l’analyse du comportement de poutres mixtes acier béton collées. Un essai sur poutre constituée de prédalles et d’une dalle de compression confirme que le collage est une alternative aux connexions traditionnelles. Nous développons aussi un modèle de calcul en variables généralisées et en variables locales en 3D non linéaire. La modélisation par éléments finis apporte plus de précisions, notamment sur l’état de contraintes à proximité de l’interface et à l’approche de la ruine. Les dimensions du joint de colle et la plastification du profilé influent sur la zone de rupture dans le béton. / This PhD thesis investigates the connection of steel-flexural members by bonding and focuseson static and instantaneous behavior. First, experimental and numerical analyses are performed. A push out test is used : two concrete blocks are connected to steel members. The influence of the concrete blocks and bonding joint geometry is examined. Cohesive shear failure appears in concrete near the interface. Failure can occur when the average shear strain is twice the tension limit of concrete, which can be explained by favorable slipping between the concrete block and the support. In this case, the bonding joint is not only solicited in shear but also in compression. Results depend on the length of bonding joint and concrete blocks geometry. So, push out test cannot be now used to characterize the bonding connection between steel and concrete in order to design structures. The second is about the analysis of the behavior of steel concrete composite beams. A precast beam with compressive concrete was tested. Results show that a bonding connection can be an alternativesolution regardless of the slab manufacturing. We develop two numerical models. The first one is based on multi-layer beam modeling and the second one is a nonlinear 3D finite element model. The stress distribution close to the interface and near failure is more accurate with the finite element model than with the generalized model. Bonding joint geometry and plastification of steel girder have an influence on the failure region in the concrete.

En France, en 2015 les motocyclistes représentent 43% des blessés graves victimes d'accidents de la circulation routière. Au même moment, même si les accidents de chocs de motocyclistes contre les dispositifs de retenue routiers ne représentent en moyenne que 10% des accidents de la circulation routière, les motocyclistes présentent un risque de décès 30 à 80 fois supérieur au risque de décès des usagers de véhicules impliqués dans le même type d'accidents.Pour renforcer la sécurité des motocyclistes, les dispositifs de retenue pour automobiles (dispositifs traditionnels) sont équipés à leur partie inférieure d'écran de protection motards. Les écrans motards ont pour but d'amortir de manière progressive les chocs des motocyclistes en les empêchant dans le même temps de passer à travers la partie inférieure des dispositifs de retenue pour automobiles, de percuter un poteau et d'être sévèrement blessés. Les écrans motards doivent subir des essais de chocs normatifs et répondre à certaines exigences afin de pouvoir être installés sur le bord des routes européennes et de garantir surtout la sécurité des motards. Cependant, il n'existe que des procédures normatives pour tester ces dispositifs, la procédure LIER dans le contexte Français et la procédure normative EN 1317-8 dans le contexte Européen. Afin d'évaluer ces deux procédures normatives et de proposer de nouvelles dispositions pouvant servir de procédure normative plus avancée sur le protocole d'essais d'évaluation de performances d'écrans motards, des simulations numériques ont été réalisées. Un modèle numérique complet de dispositif de retenue routier équipé d'écran motard en acier a été développé et corrélé sur un essai de choc réel sur un dispositif de même type. Une fois corrélé,le modèle a été utilisé afin d'évaluer l'influence des conditions d'essais et des caractéristiques mécaniques matériaux de l'écran sur les performances de l'écran motard. Enfin, une nouvelle démarche d'évaluation de performances d'écran de protection motard a été mise en place / In France, in 2015,motorcyclists represent 43% of seriously injured accident victims in road traffic. At the same time, even though motorcyclists impact crashes against the road restraint systems represent on average 10% of accidents in road traffic, motorcyclists present a risk of death from30 to 80 times upper than the risk of death for users of vehicles involved in the same type of accidents. To enhance the safety of motorcyclists, Vehicle Restraints Systems (VRS) arefitted to the lower part of restraint systems for motorcyclists. Motorcyclist’s Restraint Systems (MRS) are designed to absorb shocks gradually and to preventmotorcyclists to pass through the lower part of VRS, to hit a post and be severely injured. Before being installed on the roadsides, MRS have to be crash-tested according to standards in order to evaluate their safety and ensure motorcyclists safety. However, there are only normative procedures to testMRS, the LIER procedurein the French context and the procedure EN1317-8 in the European context. To assess both normative procedures and propose new provisions which can be used as normative procedure more advanced on the protocol of MRS performances evaluation tests, numerical simulations were performed. A numerical model of MRS was developed and correlated on one real impact test on other device of same type. Once correlated, the model was used to conduct a parametric study on the test conditions and thematerialsmechanical properties of the MRS. Finally, a new demarche of MRS performances evaluation was developed

Le soudage par électrofusion est la technique majoritairement utilisée pour assembler les tubes et les accessoires en polyéthylène utilisés sur le réseau gazier. Ses très bons résultats initiaux ont été ternis ces dernières années par un certain nombre de dysfonctionnements relevés tant sur le terrain qu'en laboratoire. Ils se traduisent par des soudures de qualité médiocre du fait de la présence de zones de très faible cohésion. L'objectif de ce travail est de développer des outils experts tant expérimentaux que numériques permettant d'optimiser les conditions de soudage par électrofusion. L'originalité de notre étude a été de développer un modèle éléments finis tridimensionnel prenant en compte les différents mécanismes et phénomènes physiques sous-jacents, responsables de la formation de la soudure. Le modèle permet de calculer le taux de transformation de la matière, de prendre en compte les enthalpies de fusion et de cristallisation, de calculer le taux d'interdiffusion des macromolécules à l'interface entre les différents corps à souder pour finalement prédire la qualité de la soudure en fonction des conditions de chauffage imposées. Pour valider le modèle numérique, tout en facilitant l'accès aux grandeurs expérimentales, nous avons conçu et réalisé un dispositif expérimental se présentant sous la forme d'une géométrie relativement simple et plane mais respectant les caractéristiques d'un accessoire réel. La confrontation entre résultats numériques et expérimentaux a permis de démontrer les capacités du modèle numérique à reproduire fidèlement la réalité. Les différents outils ont alors été utilisés pour étudier l'influence des conditions de soudage sur la soudure et pour étudier le soudage de géométries plus complexes telles que celles rencontrées dans les pièces industrielles. / The Electrofusion welding process is widely used to join polyethylene components in gas distribution networks. Even trusty as a technique, the field feedback points out some divergences whose influence on the long term performance of the weld. One of the well-known consequences of these divergences is the “sticking” (aka “cold weld”) that is the result of an uncompleted or even inexistent interdiffusion of the macromolecules of the materials to join. Most numerical simulations are two-dimensional whereas the process is usually three-dimensional both in terms of heat transfer and mechanical aspects. The main objective of the work was to develop a 3D finite element model and to validate it by comparing to a real situation the temperature evolution and the thermally affected areas in a simple planar welding geometry with the same dimensional characteristics as a real fitting chosen to make easier the instrumentation. The numerical model takes into account the fitting parameters such as polyethylene thermal and mechanical properties (i.e. melting and crystallization kinetics, phase transition, thermal expansion) and the electrical and geometrical settings. It computes a criterion based on the macromolecular interdiffusion theory able to determine whether a good welding occurred or not at the end of the welding cycle. The computed results (temperature, melted and cold areas and fracture surfaces) were compared with experimental data and gave very good agreement in terms of temperature, liquid phase fraction distribution and fracture surfaces. Finally the numerical model and the experimental process were used to study the influence of welding conditions on the weld itself and to study the welding of complex geometries such as the industrial fittings.

Les fractures de l'os temporal constituent une pathologie fréquente insuffisamment étudiée sur le plan biomécanique, et mal prise en charge sur le plan thérapeutique. Leur complexité biomécanique et leur polymorphisme clinique ont donc été analysés dans cette étude. Ainsi une base de données prospectives de patients pris en charge pour fractures temporales a été initiée afin d'évaluer les séquelles et leur impact sur la qualité de vie. Une étude expérimentale de traumatismes temporaux a été réalisée afin d'apporter des données dans la caractérisation biomécanique de l'os temporal. En complément, un modèle éléments finis d'os temporal a été developpé, et un traumatisme temporal a été simulé. La régénération du nerf facial traumatisé a été étudiée, et un effet thérapeutique de la vitamine D3 a été recherché par une étude expérimentale animale. Nos résultats montrent qu'une amélioration de la prévention des fractures temporales est nécessaire surtout par adaptation et utilisation des casques dans le cadre de la pratique du vélo. Cette prévention doit se reposer sur la caractérisation biomécanique des traumatismes temporaux par une double approche, expérimentale et numérique. La vitamine D3 augmente significativement la récupération fonctionnelle et la myélinisation dans un modèle animal de traumatisme du nerf facial. Cette étude ouvre la perspective d'essais cliniques. La fréquence des séquelles cochléo-vestibulaires invalidantes après fractures temporales et leur impact sur la qualité de vie montrent la nécessité d'un suivi des patients dans un cadre multidisciplinaire. / Temporal bone fracture is a frequent pathology insufficiently studied on terms of biomechanical, and poorly managed on terms of therapeutic. The biomechanical complexity and the clinical polymorphism of temporal bone trauma were analysed in this study. Our dynamic was to zoom from patient with temporal bone trauma to lesional process of temporal bone fracture. A prospective database of patients with temporal bone fracture was initiated to analyse sequelae and their impact on quality of life. An experimental study of temporal bone trauma was conducted to bring data in biomechanical characterization of temporal bone. In addition, a finite element model of the temporal bone was designed, and a lateral impact was simulated. The regeneration of traumatized facial nerve was studied, and a therapeutic effect of vitamin D3 (cholécalciférol) was evaluated with animal experimental study. Our results showed that an improvement of temporal fracture prevention is necessary by promoting the use of helmets and improvements in helmet design as part of cycling practice. This prevention must base on biomechanical characterization of temporal bone trauma with experimental and numerical approach. Vitamin D3 increases significantly functional recovery and myelination in an animal model of facial nerve trauma. It paves further the way for clinical trials. The frequency of cochleovestibular sequelae after temporal bone fracture and their impact on quality of life demonstrate the importance of, and the need for, on-going follow up with a multidisciplinary management.

La compression élastique (CE) est un traitement médical qui est prescrit en cas d'insuffisance veineuse. Récemment, la CE rencontre aussi un certain succès auprès des sportifs pour la récupération. Cependant, malgré l’utilisation de plus en plus massive de la CE, son action biomécanique sur le membre inférieur n'est pas encore bien caractérisée. Pour contribuer à cette caractérisation, un modèle biomécanique 3D des tissus mous de la jambe sous CE a été développé et appliqué à un panel de sujets. Chaque modèle est personnalisé : la géométrie est reconstruite à partir des images tomographiques 3D de la jambe de chaque sujet et les conditions aux limites reproduisent fidèlement la pression localement appliquée par la CE sur la peau. De plus, les propriétés hyper-élastiques des tissus mous sont identifiées pour chaque sujet par recalage du modèle. Une méthode de recalage originale a été spécifiquement développée et mise en œuvre pour cette application : elle consiste à utiliser les images tomographiques 3D de la jambe déformée comme données expérimentales pour le recalage. Finalement, le modèle donne accès au champ de pression transmis par la CE aux tissus mous internes. Les principales conclusions sont que le champ de pression à l'intérieur de la jambe n'est pas transmis uniformément et qu'il y a de fortes variabilités inter-sujets. En outre, le modèle permet d'obtenir des indications sur le confort et l'efficacité de la CE. Il a ainsi été possible de montrer que l'intensité des pressions maximales subies par les tissus mous de la jambe est inversement proportionnelle à l’épaisseur du tissu adipeux. Les principales perspectives du travail concernent la validation clinique de ces conclusions sur un nombre significatif de sujets, puis leur exploitation en vue d’améliorer les traitements. / Elastic compression (EC) is a medical treatment prescribed in case of venous insufficiency. Recently, EC is also employed for recovery after efforts in sports. Nevertheless, despite the more and more common use of EC, its biomechanical action onto the lower limb remain partially unknown . To address this issue, a 3D biomechanical model of the soft tissues of the leg under EC has been developed and applied on a group of subjects. Each model is patient-specific: the geometry is reconstructed from the 3D CT-scan images of each subject’s legs and the boundary conditions are prescribed according to the local pressure applied by the EC onto the skin. Furthermore, the hyper-elastic properties of the soft tissues are identified for each subject using an inverse approach. The inverse approach is original: it consists in using the 3D CT-scan images of the deformed leg as experimental data for calibrating the model. The resulting model provides the pressure fields in the internal soft tissues induced by the EC. The main conclusions are that the pressure is not transmitted evenly and that significant inter-subject variability exists. Moreover, it is shown that the magnitude of the pressure undergone by the soft tissues is inversely proportional to the thickness of adipose tissues. The main perspectives of this work are to validate the conclusions on a significant number of subjects and to continue improving the treatments of venous insufficiency by EC.

This work is focused on oxide scale failure and characteristics created in high temperature – supercritical processes. The presence of high temperature corrosion in supercritical processes is minimalised by selection of the right material. For this work was selected material X10CrMoVNb9-1, where formulas of present oxidation scales are Fe2O3, Fe3O4 and FeCr2O4. Each oxidation scale has its own mechanical properties thus it is important to notice scale arrangement, thickness and geometry. Oxide scale mechanical properties, scale failure mechanisms and oxidation scale growth is evaluated in this work. Tension and pressure oxide scale failure are determined by critical values, which are mentioned in this work. Thanks to these values there was possibility to verify the authenticity of the finite element model. Oxidation scales created in heat exchangers are badly accessible thus it is difficult to observe them or remove them mechanically. Tube finite element model with oxidation scales was created in this work. There are simulations of scales on selected steel in supercritical conditions (pressure 24 MPa, temperature 500 °C). Simulation and analytic results are compared. Failure operative conditions are searched for scale FeCr2O4 until its compleate delamination and separation from metal. Aim of this work is to create an oxidation scale model with a possibility of futher use.

<div>Aluminum 6061 is extensively used in industry and welding and additive manufacturing (AM) of Al6061 offer flexibility in manufacturing. Solid-state welding and AM processes can overcome the shortcomings of fusion-based processes, such as porosity and hot cracking. In this thesis, friction stir welding and friction stir additive manufacturing, which are both based on the concepts of friction stir processing (solid-state), were studied. The welding parameters for a sound weld during friction stir welding of Al6061-T6 alloy were determined based on the experimental and numerical analysis. Formation of tunnel defects and cavity defects was also studied. A Coupled Eulerian-Lagrangian (CEL) finite element model was established to analyze the process, where the workpiece was modeled as an Eulerian body, and the tool as Lagrangian. The model was validated by conducting experiments and correlating the force measured by a three-axis dynamometer. The experimentally validated simulation model was used to find an optimum parameter set for the sound weld case.</div><div>To demonstrate the friction stir additive manufacturing process, a 40 mm × 8 mm × 8 mm (L×B×H) material was fabricated by adding five 1.6 mm thick plates. A similar coupled Eulerian-Lagrangian based finite element model was used to predict the effects of sound process parameters, such as the tool’s rotational speed and the translational speed. The temperature predicted by the model was used to predict the microhardness distribution in the sample and to further elucidate the hardness change in the weld zone, which showed a good agreement with the experimental results. The microstructure of the samples was analyzed, and the mechanical properties of the additive manufactured samples were characterized and compared with those of other AM techniques via tensile tests and tensile shear tests.</div>

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Although the construction of flexible culverts involves simplicity in comparison to similar concrete structures, the complexity of the beneficial interaction between soil and steel materials requires good understanding for their composite action and performance. Current design methods have certain validity limitations with regard to applicable slopes above the structures. Given the short construction time of flexible culverts, there is an urge to explore the feasibility and the constructability of such as cost-effective structures in sloping terrain, where they may function as an avalanche protection structure for a given road, a culvert under a ski slope, or even as a protection canopy for tunnel entrances. This report compiles the efforts carried out toward gaining knowledge about the different factors that may affect the behaviour of flexible culverts in sloping environment. The report includes an extended summary of the investigation, which is mainly presented in two appended papers. The study involved numerical simulation of three case studies to investigate their performances with regard to soil loading and avalanche loads as well. The height of cover, surface slope intensity, slope stability, soil support conditions, and avalanche proximity, were studied and discussed. The study results allowed realizing the susceptibility of flexible culverts to low heights of soil cover when built in sloping terrain, which is reflected in the deformation response and the incremental change in sectional forces, especially the bending moments. It is also found that increasing the depth of soil cover may feasibly improve the structural performance under asymmetrical soil loading and avalanche loads, where it subsequently help in reducing the bending moments in the wall conduit. The presence of a flexible culvert may affect adversely the soil stability in sloping terrain and thus need to be addressed in design. Furthermore, the flexural response of a flexible culvert is directly influenced by the soil support configuration at the downhill side of the structure. In addition, the report also attempts to highlight some general guidelines about the design aspects of flexible culverts in sloping terrain, and seeks to reflect some of the findings on the design methodology for flexible culverts used in Sweden. / <p>QC 20151130</p>

The design of back-anchored retaining walls in Sweden has traditionally not included global elastic instability of the retaining wall as a possible failure mode. Eurocode 3 part 5 (SS-EN 1993-5) requires design of steel structural members for retaining walls to assess the risk of buckling if the normal force exceeds 4 % of the critical buckling load of the retaining wall. The geological conditions in Eastern Sweden are characterized by the intersection of very hard Precambrian rock and very soft Holocene clays. Thus often ground anchors anchored in rock at a 30-50 degree angle to the vertical plane are used to support retaining walls, resulting in a very high utilization of the ground anchor and a significant normal force in the retaining wall. The threshold value for buckling risk is consequently frequently exceeded and the specific failure mode, of global buckling, is often limiting the use of the structural members in practical design. The buckling load can either be calculated using Euler’s second or third buckling mode, or by modelling the soil-structure interaction by a suitable model. Since no such model is specified in the code, the aim of this thesis was to develop a model which takes into account the stabilizing effect of the soil for the calculation of the buckling force and to model the soil-structure interaction with a beam-spring model connected to Winkler springs. The model simulations show that the soil has a significant influence on the critical load, especially when the retaining wall base is driven to depths greater than 2 meters below excavation depth. The model simulations suggest that higher utilization, with up to 4 times greater critical load, of the steel members is possible for some specific cases and an idealized design factor is also elaborated. / Dimensioneringen av bakåtförankrade spontväggar har traditionellt sett i Sverige inte tagit hänsyn till risken för global knäckning. I och med införandet av Eurokod 3 kapitel 5 (SS-EN 1993-5) som styrande dokument vid dimensionering av sponter måste risken för knäckning nu mera beaktas när normalkraften överstiger 4 % av den kritiska knäckningslasten. De geologiska förhållandena i de östra delarna av Sverige, med lösa leror som täcker hårt berg, leder till att bakåtförankrade sponter med brant lutande stag ofta används. Detta leder till en hög utnyttjandegrad av ankaret och också stora normalkrafter i sponten, vilket leder till att knäckning ofta blir dimensionerande brottmod för sponten. Metoden för att beräkna knäckningslasten kan enligt SS-EN 1993-5 göras med Eulers andra eller tredje knäckningsfall eller med en modell som tar hänsyn till jordens stabiliserande effekt. Idag finns ingen sådan numerisk modell att hitta i litteraturen, varför målet med detta arbete har varit att finna en lämplig modell för att ta hänsyn till jordens inverkan vid bestämning av knäckningslasten. För att modellera samverkan mellan jorden och sponten användes en balkmodell med Winkler fjädrar. Simuleringarna visar att jorden har en signifikant inverkan på den kritiska knäckningslasten, särskilt när nedslagsdjupet är större än 2 meter. Flera simulerade geometrier har gett drygt fyra gånger högre knäcklast jämfört med den knäcklast som erhålls om SS-EN 1993-5 följs. Om jorden tas hänsyn till i dimensioneringen av en spont skulle således slankare konstruktioner kunna användas.