L'objectif de cette thèse est de développer une approche micromécanique pour modéliser l'endommagement et le frottement dans des géomatériaux initialement anisotropes. Dans ce but, deux modèles d'endommagement micromécaniques en 3D ont été proposés. L'estimation du tenseur de Hill pour les microfissures sphéroïdales 3D dans une matrice isotrope transverse est le cœur de ces deux modèles. Les propriétés élastiques effectives du milieu fissuré sont déterminées par trois schémas d'homogénéisation (schéma Dilué, schéma MT, schéma PCW) et analysées par une série d'études de sensibilité. Le premier modèle d'endommagement formulé dans le cadre de la thermodynamique irréversible est proposé pour prendre en compte des interactions entre l'anisotropie initiale et la fissuration induite. Ensuite, le deuxième modèle micromécanique est développé pour modéliser l'endommagement et le glissement plastique par frottement dans des fissures fermées. Les évolutions des déformations inélastiques sont provoquées par deux phénomènes couplés: le glissement avec frottement et l'endommagement induit par la propagation des microfissures. Elles sont décrites par des critères spécifiques locaux de l'endommagement et du frottement en fonction des forces thermodynamiques conjuguées. Les principales caractéristiques du comportement mécanique des géomatériaux initialement anisotropes (la croissance des microfissures induites, les déformations irréversibles, boucles d'hystérésis causées par les effets du frottement qui apparaissent sur les lèvres des microfissures fermées, le couplage entre l'anisotropie inhérente et celle induite, les effets de la pression de confinement et de la dilatance volumétrique) sont prises en compte. / The objective of this thesis is to develop a micromechanical method for modeling induced damage and friction sliding for a class of initially anisotropic quasi-brittle materials. To this end, two three-dimensional micromechanical damage models have been developed respectively for open and closed microcracks. The key step of these two models is an efficient numerical method to estimate Hill's tensor for three dimensional spheroidal microcracks in a transversely isotropic solid matrix. Then, the effective elastic properties of cracked material are determined through a rigorous up-scaling procedure based on three homogenization methods (Dilute scheme, MT scheme, PCW scheme) and analyzed by a series of sensitivity studies. Further, a damage model based on the irreversible thermodynamics framework is proposed to account for interactions between initial anisotropy and induced growth of cracks. Furthermore, the second micromechanical model for frictional closed cracks is developed for the description of induced damage and frictional sliding in initially anisotropic materials. The evolutions of inelastic strains due to frictional sliding and induced damage by the propagation of microcracks are coupled and described by specific local friction and damage criteria as functions of conjugate thermodynamic forces. The main features of mechanical behaviors of initially anisotropic quasi-brittle materials are taken into account, such as induced growth of micro-cracks, irreversible deformation and hysteretic loops due to friction effects of crack surfaces, coupling between inherent anisotropy and induced anisotropy, effects of confining pressure and volumetric dilatancy.

Dans un contexte économique compétitif au niveau des coûts de fabrication et des matières premières utilisées, un procédé innovant de conception et de fabrication des essieux ferroviaires est mis en place. Il consiste à forger des axes creux permettant une réduction significative de la consommation d’acier. Il s’agit d’analyser en quoi ces modifications de conception et de fabrication ont un impact sur la tenue en service et notamment sur la résistance aux sollicitations cycliques pouvant conduire à une rupture par fatigue. Suivant cet objectif, une chaîne numérique a été développée, allant de la simulation du procédé de fabrication jusqu’à l’analyse de la sollicitation cyclique en conditions de service. La première étape est la modélisation du procédé de forgeage afin de prédire les contraintes résiduelles et les déformations plastiques initiales. A partir de cet état de sollicitation, l’opération d’usinage et d’assemblage de la roue sur l’essieu, par frettage, est ensuite simulée afin d’analyser la redistribution des contraintes et des déformations. La dernière étape consiste à obtenir les trajets de sollicitations cycliques issus des sollicitations répétées du service permettant de disposer des données nécessaires pour l’analyse en fatigue. Les difficultés de ce type de simulation résident dans la conservation des états de contraintes et de déformations résiduelles aux différents stades de la simulation et dans la détermination de l’état mécanique stabilisé sous sollicitation cyclique. La méthode développée s’appuie sur la détermination de l’état mécanique asymptotique, permettant d’utiliser un critère de fatigue afin d’évaluer le risque d’amorçage de fissure. / In today’s competitive business environment, it has become increasingly important to reduce manufacturing and raw materials cost. For this purpose, an innovative process of design and manufacturing railway axles is developed. It is based on forging hollow axles, which allows a significant reduction in steel consumption. In this work, we tried to analyze how these modifications induced by the new process and design impact the service behavior and particularly the durability face to cyclic loadings that can lead to fatigue failure. In the present study, a numerical chain has been developed going from the simulation of the manufacturing process up to the analysis in fatigue. In the first step, the forging process is modeled in order to predict the residual stress field and the initial plastic strain. From this initial condition, the assembly operation of the wheel on the axle is simulated before the redistribution of stresses and strains under cyclic load. The final objective is to obtain the cyclic loading paths, in order to provide the data needed for the analysis of fatigue. The difficulties of this type of simulation are not only to keep the residual stress and deformation states at different stages of the numerical chain but also to obtain the stabilized cyclic response of the structure. The method developed is based on an implicit resolution to determine the asymptotic mechanical condition of the structure, which allows the use of a multiaxial fatigue criterion in order to evaluate the crack initiation risk.

Orientador: Célio Percinoto / Resumo: O objetivo deste trabalho foi avaliar a efetividade do Er:YAG laser na infiltração marginal em cicatrículas e fissuras oclusais. Foram selecionados 50 pré-molares superiores hígidos, recém extraídos, por indicação ortodôntica, divididos aleatoriamente em cinco grupos, de dez dentes, identificados de acordo com as seguintes condições experimentais: GI) utilização do selante de fóssulas e fissuras (compômero) Vitro seal Alpha (DFL); G II) utilização do condicionamento ácido fosfórico a 37% por 20 segundos, seguido da aplicação do selante Vitro seal Alpha; G III) emprego do laser de Er:YAG seguido da aplicação do selante Vitro seal Alpha; G IV) emprego do laser de Er:YAG, seguido do condicionamento com ácido fosfórico e da aplicação do selante Vitro seal Alpha e G V) emprego somente do laser de Er:YAG. Todos os dentes foram submetidos a um tratamento da superfície oclusal, através de profilaxia coronária com jato abrasivo de bicarbonato de sódio. Em seguida, os dentes foram impermeabilizados e submetidos a ciclagem térmica. Após o processo de termociclagem, todos os grupos foram armazenados e submersos em fucsina a 0,5%, a 37oC por 24 horas. Os espécimes foram então incluídos em cilindros de resina poliestrirênica, adaptados à maquina de corte e, para cada espécime cerca de quatro secções foram obtidas. Estas foram analisadas microscopicamente para avaliação qualitativa da penetração do corante. A análise estatística empregando-se o teste de Kruskall-Wallis e Dunns Méthod, demonstrou haver diferença significante entre os grupos testados, com um nível de significância de p< 0,001 para os grupos V x II e V x IV. Os demais grupos apresentaram-se semelhantes. / Abstract: The objective of this work was to evaluate the effectiveness of the Er:YAG laser in the marginal infiltration in cicatrículas and fissures oclusais. 50 premolar superior hígidos, recently extracted, were selected by indication ortodôntica, divided aleatoriamente in five groups, of ten teeth, identified in agreement with the following experimental conditions: GI) use of the fóssulas selante and fissures (compômero) Vitro seal Alpha (DFL); G II) use of the conditioning acid fosfórico to 37% for 20 seconds, following by the application of the selante Vitro seal Alpha; G III) I use of the laser of Er:YAG following by the application of the selante Vitro seal Alpha; G IV) I use of the laser of Er:YAG, following by the conditioning with acid fosfórico and of the application of the selante Vitro seal Alpha and G V) I only use of the laser of Er:YAG. All the teeth were submitted the a treatment of the surface oclusal, through coronary prophylaxis with abrasive jet of bicarbonate of sodium. Soon afterwards, the teeth were waterproof and submitted the thermal ciclagem. After the termociclagem process, all of the groups were stored and submerged in fucsina to 0,5%, to 37oC for 24 hours. The specimens were included then in cylinders of resin poliestrirênica, adapted to it plans her/it of cut and, for each specimen about four secções were obtained. These were analyzed microscopicamente for qualitative evaluation of the penetration of the color. The statistical analysis being used the test of Kruskall- Wallis and Dunns Méthod, it demonstrated there to be significant difference among the tested groups, with a level of significância of p <0,001 for the groups V x II and V x IV. The other groups came similar. / Doutor

Dans ce travail, une démarche d'analyse en fatigue des structures mécano-soudées industrielles soumises à des environnements mécaniques complexes est proposée. Basée sur une approche multi-échelle et sur le principe de superposition, elle utilise la méthode des éléments finis pour déterminer une carte du dommage de la structure avant de se focaliser sur l'amorçage de fissures. La propagation est traitée en couplant l'approche locale du dommage - le multi amorçage -, avec la prise en compte de la souplesse de la stucture fissurée au moyen d'éléments ressorts et grâce au developpement de Boites à Fissures, utilisées pour le calcul des facteurs d'intensité de contrainte, l'analyse de la bifurcation et de l'ouverture des fissures pour les chargements variables. Tous ces développements ont permis de créer une démarche et un outil permettant de traiter, sans remaillage, de l'amorçage d'une fissure jusqu'à la ruine, et qui ont été mis en oeuvre sur une structure industrielle

Thesis (M.S.)--University of Michigan, 1979.

Thesis (M.S.)--University of Michigan, 1979.

Cette Thèse a porté sur l’étude en fatigue oligocyclique et en fissuration des joints soudés des aciers inoxydables superausténitique (Alloy28) et duplex (UNS S32550). L’effet de la présence du joint soudé dans la structure a été examiné.La première étape de ce travail a consisté à étudier le comportement monotone et cyclique du métal de base et du métal d’apport de chaque nuance d’acier inoxydable de l’étude. Les lois de comportement à température ambiante ont été ainsi identifiées.Des essais de fatigue oligocyclique sous différents niveaux de déformation imposée ont été effectués sur les aciers inoxydables et leurs joints soudés. Les résultats indiquent que la durée de vie des soudures est plus faible que celle du métal de base. Les analyses des mécanismes d’endommagement montrent que la durée de vie réduite des joints soudés est attribuée à l’accélération de la phase d’amorçage.Enfin, les essais de propagation de fissure sur l’Alloy28 montrent que le rapport de charge a un effet sur la cinétique de propagation dû au phénomène de fermeture par rugosité et par plasticité. Les vitesses de propagation de fissure dans le métal d’apport sont très similaires à ceux du métal de base. Ceci est dû à la compensation de plusieurs effets comme le phénomène de fermeture, la rugosité et les contraintes résiduelles. L’acier inoxydable duplex ne présente pas d’effet de rapport de charge sur la cinétique de fissuration. Les vitesses de propagation de fissure du métal d’apport sont aussi comparables à celles du métal de base. / This thesis focused on the study of low cycle fatigue and crack growth of welded joints of superaustenitic (Alloy28) and Duplex (UNS S32550) stainless steels. The effect of the presence of the welded joint in the structure was also examined.The first part of this work was to study the monotonous and cyclic behavior of the base metal and weld metal of each stainless steel. The behavior laws of each material were identified at room temperature.Low cycle fatigue tests at different levels of deformation were performed on stainless steels and their welded joints. The results indicate that the fatigue life of welded joints is lower than the base metal. The analyses of damage mechanisms show that the short life of welded joints is attributed to the acceleration of the initiation phase.Finally, crack propagation tests in Alloy28 stainless steel show that load ratio has an effect on the crack growth rate due to the closure phenomenon by roughness and plasticity. The crack growth rate in the weld metal is very similar to that of the base metal. This is due to the compensation of various effects such as the roughness, the residual stress and the closure phenomenon. The duplex stainless steel does not present load ratio effect on the crack growth rate. The crack growth rates of the weld metal of the duplex stainless steel are also comparable to those of the base metal.

An extensive experimental/research program has taken place at the University of Sherbrooke FRP Durability Facility. The program, consisting of four phases, studies the creep performance of FRP bars as well as the overall long-term behaviour of FRP reinforced concrete beams. Phase 1 deals with the creep performance of two types of GFRP bars subjected to different levels of sustained axial load; causing creep rupture at higher levels. In Phase 2, six different types of GFRP bars are tested under two levels of allowable service load, according to the currently available North American standards. The test duration, for the two phases, exceeded 10000 hours (417 days) wherein regular monitoring' of creep strain evolution took place and. the creep coefficient of GFRP bars was calculated. Residual tensile tests and microstructural analysis followed the long-term testing period. It was found that 45 % of the GFRP bars' tensile strength, fu,ave , is a safe limit for GFRP exhibiting sustained load, in standard laboratory conditions. Microstructural analysis shows that the increase in creep strain, after the 10000 hour period, is negligible for GFRP bars under allowable service load. Phase 3 consists of twenty reinforced concrete beams (ten pairs) comprising GFRP, CFRP, and steel reinforcing bars. The dimensions of which are 100 mm x 150 mm x 1800 mm, installed under third-point sustained load, for a period exceeding one year. Exhibiting a maximum applied moment of 25 % of their nominal moment capacity, Mn , all beams were regularly monitored in terms of (i) time-dependent deflection, (ii) strain increase in concrete and reinforcement and (iii) crack widths. Theoretical predictions for immediate deflection were calculated, using three methods (ACI 440.1R-06, CAN/CSA S806-02 and the ISIS Canda Design Manual (2007)), and compared to the obtained experimental results. Results showed that the calculations, regarding immediate deflection, under estimate by 67 %; underestimate by 10 %; overestimate by 11 %, for the aforementioned methods, respectively. The long-term to immediate deflection ratio, .l, was calculated for all beams and compared to ACI 440.1R-06 and CAN/CSA S806-02 predictions. Results showed that the North American standards are conservative as regards long-term deflection prediction. Immediate crack width results were compared to the prediction equations adopted by ACI 440.1R-06 and CAN/CSA S6-06, on the one hand, and by the ISIS Canada Design Manual (2007) on the other hand. Satisfactory results were found when the k b bond-coefficient factor is taken as 1.2 and 1.0, respectively. From the obtained data, the time-dependent kt multiplier, accounting for crack width increase after one year, was deduced as 1.7 and 1.5 for both models, respectively. Phase 4 deals with four full-scale GFRP reinforced concrete beams, of dimensions (215 mm x 400 mm x 4282 mm), subjected to uniform distributed load for a period of six months. Sizeable concrete blocks (of dimensions 610 mm x 762 mm x 1219 mm and weight = 13334 kN) were arranged on top of the beams to simulate sustained uniform distributed load. The main study parameters, of this phase, are (i) bottom reinforcement ratio and (ii) type of upper/compression reinforcement (GFRP and/or steel). The applied moment ranges from 15 to 21 % of the nominal moment capacity for the beams. Numerical modelling took place using a computer program (Fortran-2003) based on the age-adjusted effective modulus method, to predict the long-term deflection of the beams. The creep and shrinkage coefficients were calculated based on the ACI Committee 209 recommendations (1992) and CEB-FIP Model Code (1990). The theoretical curves were in very good agreement with the measured values. Furthermore, the empirical models available in ACI 440.1R-06 and CAN/CSA S806-02 were used for long-term deflection prediction. These predictions showed that both models can serve as upper bound and lower bound limits for the measured long-term deflection curves, respectively. As regards crack width prediction, the equations adopted by ACI 440.1R-06 (same as that of CAN/CSA S6-06) and by the ISIS Canada Design Manual (2007) yield satisfactory results when the kb bond-coefficient factor is 1.2 and 1.0 respectively (similar to phase 3). For both equations the time-dependent kt multiplier is deduced as 1.4, after six months.--Résumé abrégé par UMI.

Les risques liés à la propagation de fissures sous impact sont encore très difficiles à estimer. La détermination de critères de rupture dynamique uniquement à partir de résultats expérimentaux reste délicate. Ainsi la première étape pour valider des lois de propagation de fissures sous impact passe par le développement d'outils de simulation numérique. Depuis les années 1970, de nombreux codes de calcul mécanique ont été dédiés à l'étude de la propagation de fissures, notamment dans le cas du phénomène de fatigue. La principale difficulté consiste dans la nécessité de suivre la géométrie de la fissure au cours du temps. Ces dernières années, des méthodes alternatives basées sur la partition de l'unité ont permis une description implicite des discontinuités mobiles. C'est le cas de la méthode des éléments finis étendue (X-FEM) qui paraît particulièrement adaptée à la simulation de la propagation dynamique de fissures sous chargement mixte où les trajets de fissures ne sont pas connus a priori. Si ces outils numériques permettent maintenant de représenter l'avancée dynamique d'une fissure, les résultats numériques doivent être comparés à des résultats expérimentaux pour s'assurer que les lois introduites sont physiquement fondées. Notre objectif est donc de développer conjointement des techniques expérimentales fiables et un outil de simulation numérique robuste pour l'étude des phénomènes hautement transitoires que sont l'initiation, la propagation, l'arrêt et le redémarrage de fissures sous impact.<br />Des expériences de rupture dynamique ont donc été réalisées sur du Polyméthacrylate de méthyle (PMMA) durant lesquelles la mixité du chargement varie et des arrêts et redémarrages de fissures se produisent. Deux bancs d'essais différents ont été utilisé, le premier basé sur la technique des barres de Hopkinson (ou barres de Kolsky), le second mettant en jeu un vérin rapide. Le PMMA étant transparent, la position de la fissure au cours de l'essai a été acquise grâce à des caméras rapides mais aussi en utilisant un extensomètre optique (Zimmer), habituellement dédié à la mesure de déplacements macroscopiques d'un contraste noir/blanc. L'utilisation de cet extensomètre pour suivre la fissure au cours de l'essai a permis d'obtenir une localisation très précise de la pointe de la fissure en continu, permettant ainsi l'étude des phases transitoires de propagation. Afin d'étudier le même phénomène dans des matériaux opaques comme les aluminiums aéronautiques (Al 7075), des techniques de corrélation d'images numériques ont été employées en mouchetant les éprouvettes impactées. De nouveaux algorithmes ont été développés afin de traiter les images issues d'une caméra ultra-rapide (jusqu'à 400 000 images par seconde).<br />Plusieurs géométries ont été envisagées afin d'étudier différents cas de propagation dynamique : initiation en mode I pur, initiation en mode mixte, propagation, arrêt, redémarrage, interaction entre deux fissures, influence d'un trou sur le trajet d'une fissure, branchement dynamique de fissures. Ces expériences ont ensuite été reproduites numériquement afin de valider les algorithmes et les critères de rupture choisis.

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.