Dans les dernières années, les incendies majeurs dans les tunnels ont causé des dommages importants. Dans ces conditions extrêmes (la température dépasse rapidement 1200 °C), l'augmentation de pression dans les pores, la dilatation thermique empêchée, l'incompatibilité de dilatation thermique entre la pâte du ciment et des granulats, la déshydratation ... sont des principaux mécanismes de dégradation qui peuvent être à l'origine de l'écaillage. L'écaillage progressif pendant l'incendie se manifeste par le détachement de la surface du béton par petits morceaux réduisant ainsi la section résistante et pouvant conduire à une rupture prématurée de la structure. Dans cette thèse, un modèle éléments finis THM est enrichi par un modèle d'écaillage progressif en proposant un critère d'écaillage de type détachement-flambement. La partie thermo-hydrique du modèle THM est basée sur l'approche à trois fluides en milieux partiellement saturés. Le comportement mécanique est développé dans le cadre d'une approche thermo-poro-mécanique couplée à l'endommagement et à la plasticité adoucissante. Cette modélisation de l'écaillage conduit à un problème avec frontière et conditions aux limites évolutives. Une stratégie de résolution numérique sans remaillage a été développée pour transférer les conditions aux limites THM simultanément avec l'occurrence de l'écaillage. L'implémentation du modèle dans le code aux éléments finis CESAR-LCPC a permis de procéder à différentes études paramétriques et à des confrontations avec des essais pour évaluer les capacités opérationnelles du modèle à décrire l'occurrence de l'écaillage et identifier les paramètres majeurs qui la contrôlent

Cette thèse s’inscrit dans le cadre de l’étude du post-flambement local des grandes struc- tures composites raidies. La simulation du post- flambement par la méthode des éléments- finis est aujourd’hui limitée par le coût du calcul en particulier pour les grandes structures. Seules des zones restreintes peuvent être étudiées, en négligeant les interactions global/local. L’objectif de cette thèse est de proposer une stratégie de calcul performante pour la simula- tion du post-flambement local des grandes structures raidies à partir des connaissances sur le comportement mécanique des structures en post-flambement et d’un découpage naturel le long des raidisseurs favorable au calcul parallèle.Dans la littérature, les méthodes de réduction de modèle adaptative ont démontré leur ca- pacité à réduire le nombre d’inconnues tout en maîtrisant l’erreur d’approximation de la solution des problèmes non-linéaires. Par ailleurs, les méthodes de décomposition de do- maine avec localisation non-linéaire sont particulièrement adaptées au calcul parallèle en mécanique des structures en présence de non-linéarités locales.Les travaux de thèse portent dans un premier temps sur une stratégie de réduction de modèle adaptative spécifique au cas du post-flambement. Dans le cas d’un flambement local d’une grande structure raidie une combinaison avec une méthode de décomposition de domaine primale est ensuite proposée. Toutes ces stratégies sont implémentées dans un code de re- cherche programmé pendant la thèse. / This thesis is part of the study of local post-buckling of large stiffened composite struc- tures. The finite element simulation of structures subjected to post-bucking still faces com- putational limits, especially for large structures. Only restricted area may be studied for now, neglecting global/local interactions.The aim of the thesis is to propose an efficient computational strategy for local post-buckling analysis of large stiffened structures from knowledge on mechanical behavior of post-buckling structures and a natural partitionning along stiffeners conducive to parallel computation. In litterature, the adaptive model reduction solving techniques have demonstrated their abi- lity to drastically reduce the number of unknowns as well as to control the approximation error of solving non-linear problems. Furthermore, domain decomposition methods with a non-linear local step are suited to parallel computation in structural mechanics in the pre- sence of local non-linearities.Our work deals first with an adaptive model reduction strategy dedicated to post-buckling problems. In order to adress larger stiffened structures subjected to local post-buckling, like an aircraft fuselage, partitioning is then performed. The model reduction, as well as the adap- tive procedure are written in the framework of the primal domain decomposition method with a non-linear local step. These strategies are implemented in a research code developed for the purpose of the thesis.

Cette thèse porte sur le flambement d'une interface chargée en particules: une monocouche de grains denses et athermaux à une interface liquide-fluide plane que l'on appelle radeau granulaire. Ces radeaux se rident et se plient lorsqu'ils sont compressés comme des films élastiques. Nous étudions cette instabilité de flambement expérimentalement et théoriquement dans ces deux systèmes dans le cadre de la mécanique des milieux continus. Nous commençons par examiner les plis dans des films élastiques denses. Nous soulignons l'influence du poids du film dans la formation du pli. Puis nous explorons le régime des très grandes déformations, après que le film soit entré en contact avec lui-même. Suivant la densité du film, le pli se replie vers l'interface ou s'enfonce vers le fond de la cuve. Ensuite nous étudions les rides et les plis dans les radeaux granulaires compressés uniaxialement. A mesure que la compression augmente, nous observons deux motifs de ride distincts, puis la déformation se localise en un unique pli. Nous prédisons la forme et la taille des plis avec un modèle élastique résolu numériquement. Nous insistons sur les limitations de ce modèle et montrons que le caractère granulaire de ces radeaux n'est pas toujours négligeable. Enfin, nous déposons des gouttes d'eau à la surface des radeaux. Lorsque les particules sont hydrophobes et suffisamment grandes, elles capturent un film d'huile qui sépare la goutte du bain et empêche la coalescence. Puis nous modifions la taille de ces gouttes qui prennent des formes inhabituelles. Ces gouttes peuvent ensuite être encapsulées dans une fine couche de particules et d'huile conduisant à des gouttes d'eau dans l'eau. / This thesis is concerned with the buckling of a model particle laden interface: a monolayer of dense, athermal particles at a planar liquid-fluid interface that we call a granular raft. Under compression granular rafts wrinkle and fold like elastic sheets. We investigate this buckling instability experimentally and theoretically for these two systems under the continuum mechanics framework. We first look at folds in custom made dense floating elastic sheets. We highlight the influence of the sheet's own weight in the fold formation and shape. Then we explore the regime of very large deformations, after the sheet contacts itself. Depending on the sheet density, the fold in self-contact either bends back toward the interface or sinks down toward the bottom of the tank. We then look at wrinkles and folds in granular rafts. Our experimental apparatus allows us to compress the rafts uniaxially and extract their morphology. As compression increases, we observe two distinct wrinkling patterns, then the deformations localise in a unique fold. We develop an elastic model that we solve numerically to predict the fold shape and size. We then highlight the limitations of the model and show that the granular nature of these rafts cannot always be neglected. Finally, we deposit water droplets on top of granular rafts. If the particles are hydrophobic and large enough, the raft can inhibit coalescence indefinitely via particle bridging. When we vary the size of these floating drops, they take unusual shapes which depend on the raft properties. These drops can then be encapsulated in a thin composite oil-particle layer leading to water droplets in water.

Le recours aux logiciels de simulation basés sur la méthode des éléments finis devenant de plus en plus systématique dans les différents secteurs de l'industrie, l'efficacité et la précision de ces derniers deviennent des propriétés déterminantes. Dans les situations les plus courantes, les structures minces nécessitent une analyse précise et efficace, rendue possible par les éléments coques. En présence de structures dans lesquelles coexistent des parties minces et des zones plus épaisses, l'utilisation de ces éléments est encore plus cruciale. Ce travail est une contribution au développement et à la validation d'éléments finis solide-coques. Les déplacements nodaux sont les seuls degrés de liberté et ils sont munis d'un ensemble de points d'intégration distribués le long d'une direction préférentielle, désignée comme “l'épaisseur”. Une intégration réduite dans le plan moyen est utilisée. La loi élastique 3D est modifiée pour s'approcher de la situation coque et atténuer les verrouillages. Grâce à ses formulations particulières, ces éléments solide-coques se connectent naturellement aux éléments 3D et présentent une bonne performance dans des applications de structures minces et pour des problèmes dominés par la flexion. Il s'agit des trois nouveaux éléments isoparamétriques SHB6, SHB15, et SHB20. L'analyse détaillée d'une potentielle déficience du rang de la matrice de raideur a révélé que ces derniers ne possèdent pas de modes à énergie nulle et qu'aucune stabilisation n'est donc nécessaire. Néanmoins, nous proposons des modifications basées sur la méthode bien connue “Assumed Strain”, pour l'opérateur gradient discrétisé de l'élément SHB6, dans le but d'améliorer sa vitesse de convergence. Pour illustrer les capacités de ces éléments, ses performances sont évaluées sur un ensemble de cas tests en configurations linéaire ou non-linéaire, communément utilisés dans la littérature pour tester les éléments finis de type coques. En particulier, il est montré que le nouvel élément SHB6 joue un rôle très utile en tant que complément à l'élément hexaèdre SHB8PS, ce qui nous permet ainsi de mailler des géométries arbitraires.

Ce sujet est d’actualité suite à une évolution rapide des types de conception de structures élancées utilisées dans les installations provisoires. C’est seulement depuis une vingtaine d’années que ces structures sont préfabriquées en cadres multidirectionnels (de sections tubulaires en acier ou en aluminium). Ces structures sont légères et leur stabilité réside seulement dans les raideurs internes au niveau des files de montants et au niveau horizontal par les planchers ainsi que dans les liaisons avec l’ouvrage. Ce travail concerne l’étude des instabilités (flambement-déversement) en tenant compte de différents types d’imperfections. De nouvelles courbes de flambement ainsi que les facteurs d’imperfection associés sont proposés dans cette thèse. Ces courbes sont obtenues en imposant une déformée initiale représentant les défauts géométriques et mécaniques (contraintes résiduelles). Les résultats expérimentaux confrontés avec les prévisions théoriques de l’Eurocode 3 montrent que les valeurs des imperfections figurant dans la littérature sont extrêmement exagérées. Les valeurs préconisées dans ce travail pourraient présenter un certain intérêt pour une modification éventuelle des courbes européennes de flambement pour ce type de structure. En ce qui concerne l’instabilité latérale, une méthodologie originale d’essais en vraie grandeur de poutres à treillis formés d’éléments tubulaires a été également mise au point. Le système de chargement à « roues libres » développé permet de libérer le point d’application de l’effort dès le début de l’instabilité. Cette technique conduit à des mesures plus précises du moment critique de déversement. / This subject becomes topical following a rapid evolution of design procedures for slender structures used widely in the temporary installations. Only through the last twenty years that these structures are prefabricated of multidirectional frames (steel or aluminium tubular sections). These structures are lightweight and their stability lies only in the internal stiffness at rows of posts and horizontally by the planking as well as the links with the building. This work concerns the study of instabilities (buckling - lateral torsional buckling) taking into account different types of imperfections. New buckling curves and the associated imperfection factors are proposed in this thesis. These curves are obtained by imposing an initial deformed representing the geometrical and mechanical defects (residual stress). The experimental results were confronted with theoretical predictions of Eurocode 3 which show that the values of the imperfections in the literature are extremely exaggerated. The values advocated in this work could be of interest for a possible adjustment of the European buckling curves for this type of structure. Regarding the lateral instability, an original methodology in real scale tests of trusses consist of tubular elements was also developed. The developed loading system of "free wheels" allows releasing the point of application of the force from the beginning of instability. This technique leads to more accurate measurements of the critical lateral torsional buckling moment.

Les ingénieurs sont constamment mis au défi de concevoir des avions plus légers et moins polluants. En même temps, ils se doivent de respecter un certain nombre de critères de dimensionnement établis pour assurer l'intégrité des structures aéronautiques. Pour répondre à ce double défi, les chercheurs du milieu industriel et académique travaillent à l'unisson pour constamment repousser les limites du savoir scientifique. Ces collaborations aboutissent notamment au développement de nouveaux outils mathématiques, numériques, expérimentaux et de production.On trouve de nombreuses pièces métalliques parmi les composants aéronautiques les plus critiques, comme les trains d’atterrissages, les arbres moteurs ou les chapes. Ces structures subissent des chargements extrêmes de par leur environnement thermique ou leur intense sollicitation mécanique ponctuelle ou cyclique. Pour ces structures élastoplastiques, la ruine peut généralement être causée par l'apparition et la propagation de fissures, ou l'émergence d'instabilités locales, comme la localisation de la déformation plastique, ou d'instabilités globales, comme le flambement.Dans les travaux présentés dans ce manuscrit, nous nous sommes intéressés à la détection d’instabilités locales et globales dans des structures élastoplatiques en grandes déformations. Alors qu'elles sont classiquement considérées indépendamment, nous avons fait le choix d'étudier les deux types d'instabilités simultanément pour mieux comprendre la compétition entre ces deux phénomènes. Pour ce faire, plusieurs développements analytiques sont présentés et fondés sur le critère de stabilité de Hill (1958) et le critère de localisation de la déformation de Rice (1976), ainsi que la proposition d'une nouvelle méthode d'"analyses de stabilité affaiblie" permettant d'investiguer la sensibilité aux types de conditions limites imposées. Tous ces critères ont été implémentés dans le code de calcul par éléments finis Zset, ce qui nous a permis, entre autres, d'analyser l’apparition d'instabilités élastoplastiques dans différentes éprouvettes de traction/torsion, des tubes en torsion et une chape en traction. / Aeronautical engineers are constantly challenged to provide lighter structures in order to reduce fuel consumption, and thus the environmental impact and flight costs. At the same time, the design of aeronautical structures is subjected to strict regulation aimed at ensuring the integrity of the aircraft and the safety of the passengers. To tackle this challenge, the limits of structural and material mechanics are consistently explored which in turn leads to the development of new, mathematical, numerical, experimental and manufacturing tools.There are numerous metallic parts in the most critical aeronautical structures, like landing gears, engine shafts, or mechanical lugs. These parts are subjected to extreme loading conditions due to the thermal environment or to the intense mechanical ultimate or cyclic loading. The failure of these elastoplastic structures is generally caused by the initiation and propagation of cracks or by the emergence of local instabilities, such as plastic strain localization, or global instabilities, such as buckling.In the present work, we focus on the detection of local and global elastoplastic instabilities in a finite deformation framework. While they are generally studied separately, it was chosen to study both phenomena together in order to analyze and better understand the competition between localization and buckling in elastoplastic structures. For this purpose, multiple analytical developments are presented founded on Hill's global stability criterion (1958) and Rice's strain localization criterion (1976). The new "weakened stability analysis" has been introduced in order to analyze the sensitivity to the type of prescribed boundary conditions. All these criteria have been implemented in the finite element software Zset, which allowed us to analyze the emergence of elastoplastic instabilities in various experimental samples, tubes loaded in torsion, and a lug loaded in tension.

Ce travail vise à étudier le comportement mécanique des composites renforcées par des fibres de lin ainsi que le comportement mécanique et hydrique des composites hybrides. Un taux de porosité élevée observée chez ces matériaux conduit à une dégradation des propriétés mécaniques. Des essais de traction et de flambement avec suivi par émission acoustique ont permis d’identifier les mécanismes d’endommagements qui règnent dans ces matériaux et à mettre en évidence leur chronologie d’apparition. Des observations microscopiques des faciès de rupture ont permis de valider ces résultats. Une optimisation des propriétés mécaniques et notamment en termes de réduire le taux de porosité a été testée et ceci en insérant des fibres de carbone dans la structure. Les résultats ont montré que la position des fibres de carbone est primordiale dans l’amélioration des propriété hydrique et mécaniques. / This work aims to study the mechanical behavior of composites reinforced by flax fibers as well as the mechanical and water behavior of hybrid composites. A high porosity rate observed in these materials leads to a degradation of the mechanical properties. Tensile and buckling tests with acoustic emission monitoring have identified the mechanisms of damage that reign in these materials and highlight their chronology appearance. Microscopic observations of fracture facies validated these results. An optimization of the mechanical properties particularly in terms of reducing the porosity rate has been tested by inserting carbon fibers in the structure. The results showed that the position of carbon fibers is essential in the improvement of water and mechanical properties.

Les éléments de construction en béton renforcé par plaque constituent une technologie de construction émergente dont l’utilisation commence à se développer. Ces éléments sont constitués de deux plaques en acier en parement d’un béton de remplissage. Les plaques, connectées entre elles par des tiges métalliques, travaillent de façon composite pour octroyer à la structure ses propriétés de résistance mécanique. En cas de voilement local, les transferts d’action acier-béton ne sont plus développés entraînant une perte de résistance globale de la structure. Le présent document est consacré au risque voilement local induit par une élévation de la température. Deux aspects seront particulier étudiés : définir un domaine de flambement tenant compte de la plasticité local et obtenir une estimation de la déformée à une température donnée. Les résultats seront confrontés aux solutions issues de la simulation numérique et de l'expérimentation. / Steel concrete structures are a new building technology and its use starts to spread in civil engineering. these structures are made of two steel plates connected by tiebars and a concrete core. In order to provide resistance, steel and concrete must develop composite actions. In case of buckling of the steel plate, the transfer of the actions between steel and concrete is lost. This paper focus on preventing buckling failure’s mode of the structure in case of thermal loading. Two main issues are studied : defining an analytic operating for steel concrete structures regarding thermal buckling aspect including yielding coupling and getting an analytic estimation of the deflection. The results are finally confronted with numerical simulation and experimentation.

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. Inévitablement, cette diminution de la section transversale induit une augmentation de l’élancement et augmente ainsi les risques des instabilités de flambement. 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 : « 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 ? » 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. 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).

Ces travaux concernent l’étude numérique et expérimentale d’un panneau composite autoraidi fabriqué par le procédé d’infusion de résine (Liquid Resin Infusion LRI). Le procédé LRI permet d’intégrer des structures sur les peaux d’un panneau représentatif d’un fuselage composite. Dans l’étude numérique, des modèles éléments finis sont réalisés, pour étudier le comportement global du panneau en post-flambement. Cela permet de mettre au point un dispositif d’essai. L’approche expérimentale consiste en l’application de différentes méthodes pour contrôler la pièce et réaliser l’essai. Des essais de caractérisation sont aussi réalisés pour obtenir les propriétés mécaniques nécessaires à l’élaboration de modèles numériques locaux, permettant de décrire la décohésion des structures intégrées. / These works are related to the numerical and experimental study of a composite stiffened panel, which is manufactured by a resin infusion process (Liquid Resin Infusion LRI). This manufacturing process allows structures to be integrated onto the skins of a panel being representative of a composite fuselage. Finite element models are built along with the numerical study, in order to deal with the post-buckling global behaviour of this panel. This leads to perfect a test set-up addressed during the experimental investigation. Several experimental methods are used to check the test panel and achieve the test. Material properties are also determined through material testing intended for the development of local numerical models, describing the integrated structures decohesion.