Nous avons étudié divers aspects de la morphogenèse dans des liquides et des<br />solides confinés - instabilités, singularités et phéomènes multi-échelles -<br />en combinant expériences, simulations numériques et outils analytiques. Dans<br />un premier temps, nous abordons le compactage et le flambage de tiges et de<br />plaques et nous relions le flambage à la croissance différentielle dans le<br />vivant. Ensuite, nous considérons des films liquides sur un substrat solide<br />et en particulier la dynamique d'une ligne de contact. Enfin, nous analysons<br />deux formes d'auto-organisation : des goutes rebondissant sur un liquide et<br />la coalescence élastocapillaire d'une assemblée de tiges.

Dans cette thèse nous nous intéressons à l'étude des interactions élasto-capillaires. Souvent négligeable à grande échelle, la tension de surface d'un liquide devient considérablement importante à petite échelle, et elle peut engendrer une déformation d'un solide suffisamment souple. Elle peut induire en particulier une flexion sur une structure élancée (tige, lamelle) ou très fine (plaque). Ce type d'interaction a souvent été traité de manière statique ou quasi-statique. Nous présentons ici l'une des premières études de dynamique élasto-capillaire, concernant le problème de repliement d'une membrane élastique induit par l'impact d'une goutte. Nous montrons que le repliement dynamique est possible, ce qui permet d'obtenir très rapidement une forme 3D stable. Nous montrons aussi que le rôle de la vitesse peut être exploité pour sélectionner la forme finale du système goutte-membrane. Après avoir défini une expérience-modèle 2D, nous présentons deux approches qui permettent de prédire avec précision le comportement du système expérimental. Dans une deuxième partie, nous nous intéressons à l'interaction d'un ménisque liquide avec une lamelle élastique, problème où interagissent élasticité, capillarité et pression hydrostatique. Nous décrivons le comportement à l'équilibre du système et présentons une technique pour prédire l'apparition d'instabilité. Ce problème présente une forte analogie avec le flambage de poutre à la surface d'un liquide : nous montrons comment cette analogie peut être utilisée pour généraliser la solution analytique du problème de flambage, récemment découverte, vers une famille continue de solutions d'équilibre.

La thèse concerne l'instabilité des couches minces et en particulier à la délamination des couches sur substrat rigide. La première partie du travail s'intéresse aux contraintes résiduelles dans les couches minces de molybdène déposées par pulvérisation cathodique. Elle a permis d'étudier et développer des couches fortement compressives pour la délamination. Dans la seconde partie du travail ces couches fortement contraintes sont utilisées pour provoquer la délamination par cloquage d'un empilement contenant une interface faible. La propagation ainsi que la morphologie des délaminations ont été étudiés. Les paramètres qui affectent la morphologie des délamination sont identifiés et permettent la construction d'un diagramme de phase. Dans la dernière partie du travail un modèle numérique couplant flambage d'une plaque mince et zone cohésive est développé afin de modéliser le phénomène de délamination par cloquage. Les résultats obtenus par la méthode des éléments finis sont en accord avec les expériences.

Les filaments d'actine sont des polymères biologiques très abondants dans le cytosquelette des eucaryotes. Leur auto-assemblage et leur auto-organisation sont très dynamiques et ils jouent un rôle majeur dans la motilité cellulaire et dans les déformations de la membrane. Nous présentons dans cette thèse trois approches de modélisation, à différentes échelles, afin de mieux comprendre les mécanismes de régulation de l'assemblage, de l'organisation et de la production de forces par des filaments biologiques tels que les filaments d'actine. Nous avons tout d'abord développé un outil de simulation multi-agent stochastique pour l'étude de la dynamique de filaments biologiques prenant en compte les interactions à l'échelle du nanomètre. Ce nouvel outil nous a permis de mettre en évidence l'accélération du turnover des monomères d'actine par fragmentation des filaments par l'ADF/Cofiline ainsi que les ruptures de symétries induites par cette protéine, résultats concordant avec les expériences de l'équipe de L. Blanchoin (CEA Grenoble). Nous avons également mené l'étude d'un modèle continu pour le flambage de filaments qui a permis d'estimer les forces exercées in vivo et in vitro en fonction des conditions d'attachement des extrémités et de donner des conditions limites de certains paramètres permettant le flambage. Troisièmement, nous avons développé un cadre pour l'organisation des données de cinétique biochimique de réseaux de régulation que nous avons utilisé pour la régulation de la polymérisation de l'actine. Ces trois approches de modélisation ont permis d'améliorer la connaissance sur la dynamique de l'actine et sont complémentaires aux approches expérimentales de la biologie.

Cette thèse est une contribution à la résolution du problème d'optimisation sous contrainte de fiabilité. Cette méthode de dimensionnement probabiliste vise à prendre en compte les incertitudes inhérentes au système à concevoir, en vue de proposer des solutions optimales et sûres. Le niveau de sûreté est quantifié par une probabilité de défaillance. Le problème d'optimisation consiste alors à s'assurer que cette probabilité reste inférieure à un seuil fixé par les donneurs d'ordres. La résolution de ce problème nécessite un grand nombre d'appels à la fonction d'état-limite caractérisant le problème de fiabilité sous-jacent. Ainsi,cette méthodologie devient complexe à appliquer dès lors que le dimensionnement s'appuie sur un modèle numérique coûteux à évaluer (e.g. un modèle aux éléments finis). Dans ce contexte, ce manuscrit propose une stratégie basée sur la substitution adaptative de la fonction d'état-limite par un méta-modèle par Krigeage. On s'est particulièrement employé à quantifier, réduire et finalement éliminer l'erreur commise par l'utilisation de ce méta-modèle en lieu et place du modèle original. La méthodologie proposée est appliquée au dimensionnement des coques géométriquement imparfaites soumises au flambement.

Au travers de plusieurs expériences, nous explorons le lien entre dissipation et mouvement d'interfaces liquides. Dans une première partie, nous étudions le mouvement de gouttes en caléfaction sur différents substrats. Ce mouvement peut être accéléré, si le substrat est asymétrique, ou ralenti, s'il est symétrique. La décélération des gouttes nous permet alors d'étudier différents types de friction spéciale. Sur un solide lisse, celle-ci est très faible et essentiellement due à l'air environnant. Sur un solide crénelé, elle est due à l'impact du liquide sur les marches. Enfin, si la goutte glisse sur un autre liquide, elle ralentit à cause de la résistance de vague qui résulte du sillage qu'elle engendre. La seconde partie de ce travail porte sur les déformations de filaments visqueux. Si ceux-ci sont comprimés ou tordus, nous mettons en évidence plusieurs phénomènes de flambage visqueux, que nous comparons à leurs analogues élastiques. Enfin, si les filaments sont libres de se déformer, leur forme et leur dynamique découlent d'une compétition entre viscosité, gravité et effets capillaires.

En région montagneuse, les infrastructures et les voies de communications sont soumises à de nombreux risques naturels dont les phénomènes d’origine gravitaire. Au-delà du danger pour les usagers, les conséquences des interruptions du trafic deviennent problématiques d’un point de vue économique et il devient indispensable de sécuriser les itinéraires. La mise en place d’écrans de filets pare-pierres est une des solutions possibles pour la protection contre les éboulements rocheux. Cette thèse porte sur l’étude des écrans souples ou filets métalliques de protection contre les chutes de blocs et plus précisément sur l’écran développé par l’entreprise GTS. Le filet constitutif de ces écrans se différencie par rapport aux systèmes conventionnels par un comportement orthotrope, dû à un maillage spécifique. Dans cette étude nous caractérisons le comportement de ces écrans de filets sous des chargements statiques et dynamiques de type impact par une approche couplant l’expérimentation et la modélisation numérique. L’étude procède pas à pas, les divers constituants sont évalués de façon quasi-statique, en laboratoire, et également in-situ pour reproduire les conditions réelles d’utilisation, en particulier l’aspect dynamique. Une attention particulière concernant les dissipateurs d’énergie, qui représentent l’élément centrale de ce type de structure, nous a permis de mettre au point un élément fusible robuste et fiable. Une campagne d’essais en grandeur réel sur les écrans de filets étudiés a permis de valider deux classes énergétiques (3000 kJ et 5000 kJ) selon les recommandations européennes. Les données recueillis lors des expérimentations ont permis de calibrer et valider différentes modélisations numériques de type éléments finis et éléments discrets. La pertinence de la modélisation a été évaluée au niveau des différentes échelles étudiées, échelle d’une maille, échelle d’une nappe, échelle du dissipateur d’énergie et échelle de la structure entière. Les performances et les limites des deux approches, MEF (méthode des éléments finis) et MED (méthodes des éléments discrets) ont été évaluées pour ce qui est de nos modélisations. / In mountainous areas, infrastructures, roads and railways are subject to various natural hazards due to the gravitational phenomena. Beyond the danger to users, the consequences of traffic interruptions becomes, from an economic point of view, more and more problematic and it becomes essential to secure these itineraries. An existing method to protect against the rockfall is to set up rockfall barriers made by metallic nets. This thesis focuses on the study of the rockfall protection barriers made by metallic net developed by the company GTS. The net of these barriers is different compared to conventional systems by an orthotropic behavior, due to a special form of the mesh. In this study we characterize the behavior of these barriers under static and dynamic loading (impact) by an approach combining the experimentation and the numerical modeling. The study proceeds step by step, the components are evaluated in quasi-static, in laboratory, and also in-situ to simulate the real conditions of use, especially the dynamic aspect. A special attention concerning the energy dissipators, which represent the principal element of this structure, has enabled us to develop a robust and reliable fuse element. A campaign of full-scale tests on the studied rockfall barriers allows the validation of two energy classes (3000 kJ and 5000 kJ) according to the European recommendations. The data collected during experiments permits to develop various numerical models of finite elements and discrete elements. The relevance of the modelisation was evaluated at the different studied scales, the mesh scale, the net scale, the energy dissipators scale and the scale of the entire structure.

Cette thèse est une contribution à la résolution du problème d’optimisation sous contrainte de fiabilité. Cette méthode de dimensionnement probabiliste vise à prendre en compte les incertitudes inhérentes au système à concevoir, en vue de proposer des solutions optimales et sûres. Le niveau de sûreté est quantifié par une probabilité de défaillance. Le problème d’optimisation consiste alors à s’assurer que cette probabilité reste inférieure à un seuil fixé par les donneurs d’ordres. La résolution de ce problème nécessite un grand nombre d’appels à la fonction d’état-limite caractérisant le problème de fiabilité sous-jacent. Ainsi,cette méthodologie devient complexe à appliquer dès lors que le dimensionnement s’appuie sur un modèle numérique coûteux à évaluer (e.g. un modèle aux éléments finis). Dans ce contexte, ce manuscrit propose une stratégie basée sur la substitution adaptative de la fonction d’état-limite par un méta-modèle par Krigeage. On s’est particulièrement employé à quantifier, réduire et finalement éliminer l’erreur commise par l’utilisation de ce méta-modèle en lieu et place du modèle original. La méthodologie proposée est appliquée au dimensionnement des coques géométriquement imparfaites soumises au flambement. / This thesis is a contribution to the resolution of the reliability-based design optimization problem. This probabilistic design approach is aimed at considering the uncertainty attached to the system of interest in order to provide optimal and safe solutions. The safety level is quantified in the form of a probability of failure. Then, the optimization problem consists in ensuring that this failure probability remains less than a threshold specified by the stakeholders. The resolution of this problem requires a high number of calls to the limit-state design function underlying the reliability analysis. Hence it becomes cumbersome when the limit-state function involves an expensive-to-evaluate numerical model (e.g. a finite element model). In this context, this manuscript proposes a surrogate-based strategy where the limit-state function is progressively replaced by a Kriging meta-model. A special interest has been given to quantifying, reducing and eventually eliminating the error introduced by the use of this meta-model instead of the original model. The proposed methodology is applied to the design of geometrically imperfect shells prone to buckling.

Aujourd’hui, la technologie du béton ayant fortement évolué, il est, sous certaines conditions, réaliste de construire des éléments structuraux en béton ayant à la compression une résistance de 90N/mm² voire nettement plus. En conséquence, l’ingénieur concepteur peut être amené dans le cadre du dimensionnement des colonnes à en diminuer les dimensions transversales pour des raisons esthétiques ou d’encombrement. <p><p>Inévitablement, cette diminution de la section transversale induit une augmentation de l’élancement et augmente ainsi les risques des instabilités de flambement. <p>A cette question de flambement, il faut adjoindre l’influence d’une préconception qui veut qu’une structure en béton à haute résistance soit moins ductile qu’une structure construite avec un béton normal !De ceci résulte la question à la base de ce travail :<p><p>« Peut-on arriver à diminuer la section transversale d’une colonne en utilisant des résistances de béton plus élevées tout en imposant la même valeur de capacité portante et en ne réduisant pas leur ductilité ?»<p><p>Afin de répondre à cette question, le travail s’est articulé autour de deux axes essentiels qui sont d’une part une campagne d’essais (afin d’obtenir des résultats fiables) sur 12 colonnes en béton armé à haute résistance (90N/mm²) d’élancement 74 et 82 dont l’excentricité de la charge est une variable, et d’autre part l’implémen- tation de deux programmes informa- tiques utilisant le principe de l’analyse au second ordre en vue de réaliser une étude paramétrique dont l’excentricité, la hauteur des colonnes, la proportion d’acier, la résistance du béton sont les variables.<p><p>Trop souvent encore, les ingénieurs de bureau d’études hésitent à effectuer un calcul au second ordre et placés devant la question des dimensions de section à donner à une colonne de hauteur et de capacité portante imposées, déterminent celles-ci pour se satisfaire d’un calcul au 1er ordre. Au terme de notre étude, nous avons montré que cette approche est loin d’être optimale, qu’il est possible, au prix d’un calcul au second ordre (mais il est fait à l’ordinateur), de tirer profit d’une augmentation de la résistance du béton pour réduire les dimensions des sections et aboutir en toute sécurité à un dimensionnement plus économique en consommation de matériaux (acier, béton, ciment).<p><p> / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished

The considerable progress in the research and development of thin-walled beam structures responds to their growing use in engineering construction and to their increased need for efficiency in strength and cost. The result is a structure that exhibits large shear strains and important non uniform warping under different loadings, such as non uniform torsion, shear bending and distortion.<p><p>A unified approach is formulated in this thesis for 3D thin walled beam structures with arbitrary profile geometries, loading cases and boundary conditions. A single warping function, defined by a linear combination of longitudinal displacements at cross sectional nodes (derived from Prokic work), is enhanced and adapted in order to qualitatively and quantitatively reflect and capture the nature of a widest possible range of behaviors. Constraints are prescribed at the kinematics level in order to enable the study of arbitrary cross sections for general loading. This approach, differing from most published theories, has the advantage of enabling the study of arbitrary cross sections (closed/opened or mixed) without any restrictions or distinctions related to the geometry of the profile. It generates automatic data and characteristic computations from a kinematical discretization prescribed by the profile geometry. The amount of shear bending, torsional and distortional warping and the magnitude of the shear correction factor is computed for arbitrary profile geometries with this single formulation.<p><p>The proposed formulation is compared to existing theories with respect to the main assumptions and restrictions. The variation of the location of the torsional center, distortional centers and distortional rotational ratio of a profile is discussed in terms of their dependency on the loading cases and on the boundary conditions.<p><p>A 3D beam finite element model is developed and validated with several numerical applications. The displacements, rotations, amount of warping, normal and shear stresses are compared with reference solutions for general loading cases involving stretching, bending, torsion and/or distortion. Some examples concern the case of beam assemblies with different shaped profiles where the connection type determines the nature of the warping transmission. Other analyses –for which the straightness assumption of Timoshenko theory is relaxed– investigate shear deformation effects on the deflection of short and thin beams by varying the aspect ratio of the beam. Further applications identify the cross sectional distortion and highlight the importance of the distortion on the stresses when compared to bending and torsion even in simple loading cases. <p><p>Finally, a non linear finite element based on the updated lagrangian formulation is developed by including torsional warping degrees of freedom. An incremental iterative method using the arc length and the Newton-Raphson methods is used to solve the non linear problem. Examples are given to study the flexural, torsional, flexural torsional and lateral torsional buckling problems for which a coupling between the variables describing the flexural and the torsional degrees of freedom occurs. The finite element results are compared to analytical solutions based on different warping functions and commonly used in linear stability for elastic structures having insufficient lateral or torsional stiffnesses that cause an out of plane buckling. <p> / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished