La propagation des ondes acoustiques ou élastiques dans un milieu fini à faible atténuation se traduit par des signaux mesurés de longue durée (réverbération). Dans les techniques de contrôle non destructif et imagerie conventionnelles, seuls les premiers paquets d’ondes sont ordinairement exploités et l’information potentiellement contenue dans les codas de réverbération est alors perdue. Le travail présenté dans cette thèse a pour objectif d’exploiter le comportement d’ensemble des codas enregistrées dans des structures de type plaques, afin d’extraire le maximum d’information à partir d’un nombre limité de capteurs et traitement simple. Nous avons développé des modèles statistiques permettant de prévoir le comportement des ondes acoustiques réverbérantes dans une plaque (sous la forme de moyennes d’ensemble), à partir d’un ensemble limité de paramètres accessibles expérimentalement. Ainsi, il est montré que les moyennes des enveloppes, des corrélations ou de l’intégrale dite de Schroeder des signaux de réverbération reçus par quelques points contiennent des informations potentiellement utiles sur les propriétés structurelles du milieu, des sources ou des défauts. Après une validation numérique et expérimentale des modèles, des applications potentielles sont présentées telles que l’estimation de propriétés structurelles d’une plaque ou la localisation d’une source. La particularité de ces estimations est qu’elles ne nécessitent pas de mesure de temps, ni de synchronisation entre les capteurs, ce qui pourrait autoriser une implémentation avec peu de ressources embarquées. Ce type de méthode pourrait également être utilisé pour caractériser un défaut dans une structure réverbérante, de façon éventuellement complémentaire aux techniques classiques de CND et contrôle-santé de structures. / The propagation of acoustic and elastic waves in a finite media with low attenuation leads to measured signals of long durations (reverberation). In conventional techniques for non-destructive testing and imaging, only the first wave packets are usually exploited, and the information potentially contained in reverberation codas is lost. The work presented in this thesis aims to exploit the overall behavior of codas recorded in plate-like structures, in order to extract the maximum information from a limited number of sensors and simple processing. We have developed statistical models to predict the behavior of reverberant acoustic waves in a plate (in the form of ensemble-averages), from a limited set of experimentally accessible parameters. Thus, it is shown that theoretical expressions for the mathematical expectations of the envelopes, the correlation functions or the so-called Schroeder’s integral of reverberant signals received at some points contain potentially useful information about the structural properties of the medium, the sources or the defects. After numerical and experimental validation, potential applications are presented, such as the estimate of structural properties of a plate or source location. In addition, these techniques do not require any time measurement or even trigger synchronization between the input channels of instrumentation, thus implying low hardware constraints. Such methods could also be used to characterize a defect in a reverberant structure and can be considered as complementary to conventional NDT techniques and structural health monitoring.

Nondestructive testing is used extensively throughout the industry for quality assessment and detection of defects in engineering materials. The range and variety of anomalies is enormous and critical assessment of their location and size is often complicated. Depending upon final operational considerations, some of these anomalies may be critical and their detection and classification is therefore of importance. Despite the several advantages of using Nondestructive testing for flaw detection, the conventional NDT techniques based on the heuristic experience-based pattern identification methods have many drawbacks in terms of cost, length and result in erratic analysis and thus lead to discrepancies in results. The use of several statistical and soft computing techniques in the evaluation and classification operations result in the development of an automatic decision support system for defect characterization that offers the possibility of an impartial standardized performance. The present work evaluates the application of both supervised and unsupervised classification techniques for flaw detection and classification in a semi-infinite half space. Finite element models to simulate the MASW test in the presence and absence of voids were developed using the commercial package LS-DYNA. To simulate anomalies, voids of different sizes were inserted on elastic medium. Features for the discrimination of received responses were extracted in time and frequency domains by applying suitable transformations. The compact feature vector is then classified by different techniques: supervised classification (backpropagation neural network, adaptive neuro-fuzzy inference system, k-nearest neighbor classifier, linear discriminate classifier) and unsupervised classification (fuzzy c-means clustering). The classification results show that the performance of k-nearest Neighbor Classifier proved superior when compared with the other techniques with an overall accuracy of 94% in detection of presence of voids and an accuracy of 81% in determining the size of the void in the medium. The assessment of the various classifiers’ performance proved to be valuable in comparing the different techniques and establishing the applicability of simplified classification methods such as k-NN in defect characterization. The obtained classification accuracies for the detection and classification of voids are very encouraging, showing the suitability of the proposed approach to the development of a decision support system for non-destructive testing of materials for defect characterization.

Nondestructive testing is used extensively throughout the industry for quality assessment and detection of defects in engineering materials. The range and variety of anomalies is enormous and critical assessment of their location and size is often complicated. Depending upon final operational considerations, some of these anomalies may be critical and their detection and classification is therefore of importance. Despite the several advantages of using Nondestructive testing for flaw detection, the conventional NDT techniques based on the heuristic experience-based pattern identification methods have many drawbacks in terms of cost, length and result in erratic analysis and thus lead to discrepancies in results. The use of several statistical and soft computing techniques in the evaluation and classification operations result in the development of an automatic decision support system for defect characterization that offers the possibility of an impartial standardized performance. The present work evaluates the application of both supervised and unsupervised classification techniques for flaw detection and classification in a semi-infinite half space. Finite element models to simulate the MASW test in the presence and absence of voids were developed using the commercial package LS-DYNA. To simulate anomalies, voids of different sizes were inserted on elastic medium. Features for the discrimination of received responses were extracted in time and frequency domains by applying suitable transformations. The compact feature vector is then classified by different techniques: supervised classification (backpropagation neural network, adaptive neuro-fuzzy inference system, k-nearest neighbor classifier, linear discriminate classifier) and unsupervised classification (fuzzy c-means clustering). The classification results show that the performance of k-nearest Neighbor Classifier proved superior when compared with the other techniques with an overall accuracy of 94% in detection of presence of voids and an accuracy of 81% in determining the size of the void in the medium. The assessment of the various classifiers’ performance proved to be valuable in comparing the different techniques and establishing the applicability of simplified classification methods such as k-NN in defect characterization. The obtained classification accuracies for the detection and classification of voids are very encouraging, showing the suitability of the proposed approach to the development of a decision support system for non-destructive testing of materials for defect characterization.

The analytical tools used in displacement based design and assessment procedures require accurate strain limits to define the performance levels. Additionally, recently proposed changes to modeling and acceptance criteria in seismic regulations for both flexure and shear dominated reinforced concrete structural walls proves that a comprehensive study is required for improved limit state definitions and their corresponding values. This is due to limitations in the experimental setups, such that most previous tests used a single actuator at the top of the wall, which does not reflect the actual loading condition, and infeasibility of performing tests of walls of actual size in actual structural configuration. This study utilizes a well calibrated finite element modeling tool to investigate the relationship between the global drift, section rotation and curvature, and local concrete and steel strains at the extreme fiber of rectangular structural walls. Functions defining more exact limits of modeling parameters and acceptance criteria for rectangular reinforced concrete walls were developed. This way a strict evaluation of the requirements embedded in the Turkish Seismic Code and other design guidelines has become possible. Several other aspects of performance evaluation of structural walls were studied also. Accurate finite element modeling strategies and analytical models of wall and frame-wall systems were developed for seismic response calculations. The models are able to calculate both the static and dynamic characteristics of wall type buildings efficiently. Seismic responses of wall type buildings characterized with increasing wall area in the plan were analyzed under design spectrum compatible normal ground motions.

Physiological cross sectional area (PCSA) is used to compare force-producing capabilities of skeletal muscles. PCSA has been defined as the summation of the cross sectional area of the fiber bundles composing the muscle. As PCSA cannot be measured directly from a specimen, a formula requiring averaged muscle architectural parameters has traditionally been used. The purpose of this study was to develop a finite element method (FEM) to calculate PCSA of extensor carpi radialis longus (ECRL) and brevis (ECRB) directly from digitized fiber bundle data obtained throughout the volume of the muscle and to compare the PCSAs calculated using the FEM and formula methods. Differences were found between the FEM and formula method for both muscles. The FEM provides an approach that takes into account architectural variances while minimizing the need for averaged architectural parameters.

Physiological cross sectional area (PCSA) is used to compare force-producing capabilities of skeletal muscles. PCSA has been defined as the summation of the cross sectional area of the fiber bundles composing the muscle. As PCSA cannot be measured directly from a specimen, a formula requiring averaged muscle architectural parameters has traditionally been used. The purpose of this study was to develop a finite element method (FEM) to calculate PCSA of extensor carpi radialis longus (ECRL) and brevis (ECRB) directly from digitized fiber bundle data obtained throughout the volume of the muscle and to compare the PCSAs calculated using the FEM and formula methods. Differences were found between the FEM and formula method for both muscles. The FEM provides an approach that takes into account architectural variances while minimizing the need for averaged architectural parameters.

A ce jour il n'est toujours pas possible de prédire avec exactitude le phénomène d'érosion par cavitation. La raison principale est qu'il est difficile de caractériser l'agressivité de l'écoulement. Cette thèse propose d'utiliser une méthode inverse pour estimer l'agressivité de l'écoulement à partir de l'observation des cratères (pits) imprimées sur la surface dans les premiers instants de l'érosion de cavitation. Trois matériaux ont été testés dans la veine d'écoulement PREVERO disponible au LEGI de Grenoble dans les mêmes conditions expérimentales. La géométrie des pits laissés sur la surface est précisément mesurée à l'aide d'une méthode systématique permettant de s'affranchir de l'effet de rugosité. Supposant que chaque pit a été généré par une bulle unique dont le champ de pression est assimilé à une forme Gaussienne, des calculs par éléments finis permettent d'estimer le chargement qui a créé l'empreinte résiduelle. On montre que la distribution des chargements suit une loi universelle indépendante du matériau testé; le matériau le plus tendre (alliage d'aluminium) mesurant les plus faibles impacts tandis que le matériau le plus résistant (Acier inoxydable) donne accès aux plus grandes pressions d'impact. On en conclu que le matériau peut être utilisé comme capteur de pression mesurant le niveau d'agressivité de l'écoulement. La méthode inverse repose sur une caractérisation mécanique des matériaux prenant en compte la sensibilité de la contrainte à la vitesse de déformation. On montre que les essais de nanoindentation sont mieux adaptés que les essais de compression pour déterminer les paramètres de la loi de comportement, notamment pour l'alliage d'aluminium pour lequel la microstructure est très hétérogène. Des essais de compression à haute vitesse par barres de Hopkinson complètent la loi de comportement en donnant la sensibilité à la vitesse de déformation. Des simulations prenant en compte la dynamique du chargement montrent que des impacts de fort amplitude mais appliqués sur un temps court ne laissent pas d'empreinte résiduelle si la fréquence est plus élevée que la fréquence naturelle du matériau assimilé à un oscillateur amorti. Un mécanisme d'accumulation dynamique de la déformation plastique pouvant conduire à la rupture par fatigue est proposé. Finalement, la courbe de perte de masse est simulée en appliquant aléatoirement sur un maillage 3D, la population d'impacts estimée par la méthode inverse. / Numerical prediction of cavitation erosion requires the knowledge of flow aggressiveness, both of which have been challenging issues till-date. This thesis proposes to use an inverse method to estimate the aggressiveness of the flow from the observation of the pits printed on the surface in the first moments of the cavitation erosion. Three materials were tested in the same experimental conditions in the cavitation tunnel PREVERO available LEGI Grenoble. The geometry of the pits left on the surface is precisely measured using a systematic method to overcome the roughness effect. Assuming that each pit was generated by a single bubble collapse whose pressure field is treated as a Gaussian shape, finite element calculations are run for estimating the load that created each residual imprint. It is shown that the load distribution falls on a master curve independent of the tested material; the softer material (aluminum alloy) measuring the lowest impacts while the most resistant material (duplex stainless steel) provides access to the largest impact pressures. It is concluded that the material can be used as a pressure sensor measuring the level of aggressiveness of the flow. The inverse method is based on a material characterization taking into account strain rate effects. It is shown that nanoindentation tests are more suitable than compression tests to determine the parameters of the behavior law, particularly for the aluminum alloy for which the microstructure is very heterogeneous. High-speed compression tests with split Hopkinson pressure bars complement the constitutive law giving the sensitivity to the strain rate. Simulations considering the dynamic loading show that impacts of strong amplitude but applied in a short time do not leave any residual pit if the frequency is higher than the natural frequency of the material treated as a damped oscillator. A dynamic mechanism of plastic strain accumulation that could eventually lead to fatigue failure is proposed. Finally, the mass loss curve of cavitation erosion is simulated by applying randomly on a 3D mesh, the impact force population estimated by the inverse method.

Cette thèse s'inscrit dans le contexte de l'électronique de spin et traite plus particulièrement de l'interaction réciproque entre un courant polarisé en spin et l'aimantation des structures magnétiques. Au cours de ce travail, les équations du transport diffusif dépendant du spin ont été couplées de façon auto-cohérente à l'équation de la dynamique d'aimantation dans l'approche micromagnétique au sein du code éléments finis. Cet outil numérique est appliqué à l'étude de la dynamique de parois de domaines dans différentes géométries sous l'action d'un courant polarisé. Il a permis de mettre en évidence plusieurs nouveaux phénomènes liés à l'interaction mutuelle entre l'aimantation et les spins des électrons. Pour des rubans à section rectangulaire, l'impact de cette interaction, habituellement négligée dans les modèles simplifiés, est quantifié via le calcul de la vitesse de déplacement de parois et du courant critique de Walker. Ces paramètres ont été étudiés en fonction de la largeur de paroi, du courant appliqué et des longueurs caractéristiques du transport polarisé en spin. L'augmentation du paramètre de non-adiabaticité du système, liée à l'augmentation du gradient d'aimantation ainsi qu'à une forte non-localité du modèle couplé, a été démontrée. Pour des fils à section circulaire et à diamètre modulable, une contribution supplémentaire à la non-adiabaticité du système liée, à la géométrie confinée, a été mise en évidence. Puis, les différents régimes dynamiques ainsi que les conditions de dépiégage de la paroi ont été caractérisés en fonction de la taille de constrictions. / In the context of spintronics this thesis studies the mutual interaction between a spin polarised current and the magnetization of magnetic structures. During this work, the diffusive spin transport equations were coupled in a self-consistent manner with the magnetization dynamics equations in the micromagnetic approach in our homemade finite element code. This numerical tool applied to the study of domain walls dynamics in different geometries under the action of spin polarized current highlighted several new phenomena related to the mutual interaction between the magnetization and the spins of electrons. For rectangular cross section stripes, the impact of this interaction, usually neglected in simplified models, is quantified by the computation of the domain wall velocity and the Walker critical current. These quantities were studied as a function of the domain wall width, the applied current, and the spin polarised transport characteristic lengths. Increasing the non-adiabatic parameter of the system related to the increase in the magnetization gradient and a strong non-locality of the coupled model was demonstrated. For circular cross section wires with a modulated diameter, an additional contribution to the non-adiabaticity of the system related to the confined geometry is highlighted. Then the different dynamic regimes and domain wall unpinning conditions are characterised according to the constriction size.

Ce travail s’inscrit dans le projet Fusible Ecologiquement et Economiquement Efficace destiné à la protection des onduleurs à commutation en tension (FE2E) porté par la société Mersen. Les fusibles étudiés sont constitués de lames d’argent noyées dans du sable de silice aggloméré. Lors d’un court-circuit, un arc électrique apparaît au niveau de rétrécissements dans les lames d’argent (« sections réduites »). Les coupures ultrarapides (moins de 100 microsecondes) ont été très peu étudiées. La structure formée après coupure (fulgurite) est constituée d’un canal d’arc entouré de silice fondue. C’est sur ces structures que cette étude a été réalisée.Après une étude bibliographique, un travail expérimental a été mené pour comprendre comment l’énergie de l’arc est absorbée par la matière. Des observations de coupures par radiographie in situ réalisées à l’ESRF ont permis d’établir des liens entre les phénomènes de création de fulgurite et les mesures électriques. Des observations et des mesures ont été réalisées. Elles ont conduit à établir des corrélations entre le volume, la nature et la structure de la masse isolante générée lors de la coupure et les caractéristiques électriques de l’arc. Les mesures ont en particulier permis d’obtenir des dimensions et des formes caractéristiques des zones affectées thermiquement lors des coupures aux grands di/dt.Grâce à ces informations, des modèles numériques ont été développés, avec pour objectifs de décrire la formation du canal d’arc et d’estimer l’effet du confinement de l’arc par le sable de silice. Des géométries 1D axisymétriques puis 2D ont été utilisées. L’arc électrique était considéré comme une densité de puissance et le sable comme un milieu continu équivalent. Deux cas extrêmes ont été testés, l’un dans lequel la matière vaporisée est confinée dans un canal d’arc fermé, l’autre dans lequel elle s’échappe instantanément. Cela a permis d’identifier les conséquences du confinement sur les phénomènes lors de la coupure.La corrélation entre modélisation et expérience a conduit à un modèle simple dont les résultats sont conformes aux mesures expérimentales et qui permettent de donner des éléments pour le dimensionnement des nouveaux fusibles. Les phénomènes à prendre en compte dans le futur ont été identifiés, comme la propagation de la silice liquide et l’écoulement du gaz dans le milieu granulaire et la formation de l’arc. / This work is part of a project called Environmentally and Economically Effective Fuses (FE2E) driven by the Mersen company. The studied fuses are silver blades embedded in agglomerated silica sand. In case of short circuit, an electric arc appears in shrinked parts (“notches”) of silver blades. The structure formed after the cut (fulgurite) consists in an arc channel surrounded by amorphous silica. Extremely fast cuts (less than 100 microseconds) have been poorly studied.After a bibliographical review, an experimental work was performed to understand how the arc power is absorbed by the surrounding material. Power cuts observations using in situ radiography performed at the ESRF allowed to establish links between fulgurite formation phenomena and electric measurements. Observations and measurements led to correlations between volume, nature and structure of the insulating mass generated during the power cut and electrical characteristics of the arc. In particular, these measurements provided characteristic sizes and shapes for heat affected zones during power cuts at high di/dtNumerical models were developed on this basis for describing the arc channel formation and determining the role of silica sand containment. 1D then 2D axisymmetric geometries were used. The electric arc was considered as a power source and the sand as an equivalent continuous medium. Two extreme cases were tested: when the vaporized material was confined to a closed arc channel and when it escapeed immediately from the arc channel. The results helped identify the consequences of gas containment in the arc channel during power cut.Modeling vs experience correlations led to a simple model which gives information for optimizing new fuses. Some phenomena to be taken into account in future works have been identified, such as the liquid silica penetration and gas flow in the granular packing and the early stages of arc formation.

Cette contribution, en s’appuyant sur expérimentation et modélisation numérique vise à une meilleure compréhension du comportement des dalles en béton armé sous sollicitations de cisaillement. Une campagne expérimentale a été réalisée sur des dalles épaisses à pleine échelle de centrales nucléaires. Ces dalles sans armatures d’effort tranchant sont soumises à une sollicitation de cisaillement en chargement quasi-statique. Les essais sont réalisés en faisant varier différents paramètres qui peuvent influencer le comportement au cisaillement. Sont ainsi étudiés : résistance en compression du béton, épaisseur, taux d’armatures longitudinales et transversales, taille des granulats, longueur de la plaque de chargement. L’influence des efforts de membrane, de compression ou de traction, sur le comportement au cisaillement a également été analysée. Les résultats des essais sont ensuite comparés aux prédictions des codes de calcul. Ces résultats ont d’abord permis d’apporter une réponse aux divergences qui existent entre l’Eurocode 2 et l’Annexe Nationale Française quant à la prédiction du cisaillement. Ont également été évalués le niveau de précision donné par d’autres normes de dimensionnement au cisaillement: la norme américaine ACI 318-14, le code nucléaire AFCEN ETC-C 2010, le fib-Model Code 2010 et l’approche par la théorie de la fissure critique de cisaillement CSCT. Ensuite est évalué la possibilité d’analyses non-linéaire par élément finis (EF) pour reproduire le phénomène du cisaillement dans les dalles. Un modèle de béton élastoplastique avec endommagement est combiné à une analyse quasi-statique à schéma de résolution explicite. Des lois de comportement non linéaires appropriées du béton avec des comportements post-pic associés à un critère énergétique ont été considérées. La bonne concordance entre le modèle proposé et les résultats expérimentaux en termes de résistance au cisaillement et de modes de rupture permet de valider la modélisation proposée. Une étude paramétrique a été réalisée sur la base du modèle proposé avec les mêmes propriétés mécaniques de béton. Des lois simplifiées permettant d’estimer les capacités en cisaillement en fonction des différents paramètres étudiés sont finalement proposées. / This study, based on experiments and numerical modeling, aims at a better understanding of the shear behavior of reinforced concrete slabs. An experimental campaign was carried out on full-scale thick slabs typical of nuclear power plant slabs. These slabs without shear reinforcement are subjected to a quasi-static shear loading. The tests are carried out by varying different parameters that can influence the shear behavior: the concrete compressive strength, the slab depth, the bottom longitudinal and transverse reinforcement ratio, the concrete aggregate size, the loading plate length. The influence on shear behavior of compression or tension membrane forces has also been analyzed. The results of tests are then compared with the predictions of the calculation codes. These results first of all helped to answer the differences between the Eurocode 2 and the French National Annex concerning the prediction of the shear capacity of reinforced concrete slabs. The level of accuracy given by other shear dimensioning standards was also assessed: The American standard ACI 318-14, the AFCEN ETC-C 2010 code used for nuclear buildings, the fib-Model 2010 and the Critical Shear Crack Theory. Next, we evaluate the possibilities of a non-linear finite element analysis (EF) to reproduce the phenomenon of shear in slabs. An elastoplastic concrete model with damage was used and combined with a quasi-static analysis using an explicit resolution scheme. Appropriate nonlinear behavior laws of concrete with post-peak behaviors associated with an energy criterion were considered. The good agreement between the proposed model and the experimental results in terms of shear strength and failure modes allowed validating the proposed modeling. A parametric study was conducted based on the numerical proposed model with the same mechanical properties of concrete. Simplified laws allowing estimating the shear capacities according to the different parameters studied are proposed.