L'objectif de cette étude fut d'établir l'effet de l'humidité d'équilibre du bois de trois espèces tropicales sur ses propriétés physiques dans la zone de la saturation des membranes. Deux techniques expérimentales ont été utilisées: soit la méthode des solutions salines saturées (de 58% à 90% d'humidité relative), soit celle de la membrane poreuse sous pression (au-dessus de 96% d'humidité relative). Ces essais de sorption ont été couplés avec des mesures de retrait ainsi qu'à des essais de compression tangentielle. Les résultats indiquent qu'à l'équilibre, les retraits radial, tangentiel et volumétrique débutent au-dessus de la saturation des membranes cellulaires. Ces résultats peuvent être expliqués par l'effet de l'hystérèse à la saturation sur les propriétés du bois. Ce phénomène implique que la perte d'eau hygroscopique se produit déjà en présence d'eau liquide. Contrairement au retrait, les résultats des essais mécaniques ne furent pas si concluants. Ainsi, l'humidité d'équilibre à laquelle le bois avait déjà commencé à éliminer l'eau des membranes s'est située autour de 51,5% pour le tornillo, 36,3% pour le pumaquiro et 77,3% pour le huayruro.

Recréer des tissus en laboratoire pour remplacer ou améliorer la fonctionnalité d’un organe défaillant, ou créer un tissu modèle pour tester de nouveaux médicaments comme alternative aux expérimentations animales, n’est plus aujourd’hui du domaine de la science fiction. L’ingénierie tissulaire vasculaire s’appuie sur la capacité des cellules à régénérer un néo-tissu lorsque placées dans des conditions de culture appropriées. Face au manque de vaisseaux sanguins autologues lors de pontages coronariens ou périphériques, elle apporte un nouvel espoir de plus en plus concret quant à la création de substituts en laboratoire pour le remplacement de vaisseaux sanguins de petit diamètre (< 6 mm). L’approche adoptée dans le cadre de cette thèse consiste à utiliser une protéine naturelle, le collagène, comme support de la croissance des cellules vasculaires, acteurs majeurs de la régénération tissulaire. Cependant, en dépit des grandes performances biologiques du collagène (reconstitué en laboratoire), son utilisation est limitée par un manque de propriétés mécaniques. L’objectif de cette thèse est de renforcer les structures de collagène supportant les cellules, afin de pouvoir soumettre ces dernières à des stimulations mécaniques et biochimiques requises pour la maturation du tissu en croissance et appliquées dans un bioréacteur "dynamique". Dans un contexte où aucune norme de caractérisation mécanique des hydrogels n’existe, cette thèse a permis de définir les conditions les plus appropriées pour évaluer les comportement mécanique et viscoélastique des échafaudages de collagène seuls : ils doivent être testés dans un environnement pseudo-physiologique (bain de PBS à 37°C) sans préconditionnement mécanique, et mesurés en relaxation de contrainte, qui permet notamment d’accéder au module élastique, paramètre important lorsqu’un matériau subit des sollicitations mécaniques cycliques. Par la suite, et après avoir montré les effets modérés d’un agent de réticulation physique (exposition aux UVs), le développement d’un bioréacteur dit « statique » a permis de mettre en évidence le fort potentiel des cellules musculaires lisses à renforcer les structures tubulaires de collagène lors d’une période de culture statique. Les résultats des techniques de caractérisation mécanique spécifiquement développées et des techniques d’imagerie microscopique montrent qu’à l’issue de cette culture la réorganisation des cellules ainsi que des fibrilles de collagène s’accompagnent d’un remarquable renforcement mécanique et viscoélastique de la construction artérielle, prête à être placée dans un bioréacteur dynamique. Dans la perspective de la régénération tissulaire, outre l’importance de la relation structure-propriété et des interactions cellulesmatrice extracellulaire, ce projet souligne le rôle primordial de la culture en conditions statiques avant la culture dans un bioréacteur dynamique. / Designing biological tissues in laboratory in order to replace or improve the functionality of a failing organ, or create a tissue which could be a model to test new medicinal formulations as alternative to animal experiments, is no longer a dream and is worth being considered. Tissue engineering is based on the ability of cells to regenerate a neo-tissue when cultured in adequate culture conditions. To address the lack of autologous blood vessels for peripheral or coronary bypass, vascular tissue engineering brings new hopes in creating substitutes in vitro in order to replace small diameter blood vessels (< 6 mm). The scientific approach of this thesis work consists in using a natural protein, collagen, as a scaffold to make the vascular cells proliferate. The main objective of this thesis is to reinforce the collagen structures supporting cells, in order to be able to mechanically and biochemically stimulate them during the maturation of the growing tissue in a "dynamic" bioreactor. It is noteworthy to point out that there is no standard method to mechanically characterize hydrogels. This thesis work managed to define the most adequate conditions to estimate the mechanical and the viscoelastic properties of collagen scaffolds: they must be tested in a pseudo-physiological environment (PBS bath at 37°C) without mechanical preconditioning and measured in stress relaxation, which gives the elastic modulus, an important parameter to consider when a material is subjected to cyclic mechanical stimulation. Then, after having shown relative effects of a physical reticulation agent (UVs exposure), the development of a "static" bioreactor showed the high potential of smooth muscle cells to reinforce the tubular collagen structure during a static culture period. The results of the mechanical characterization techniques specifically developed for this project, and microscopic imaging techniques, show that at the end of this culture period, the reorganization of the cells and of the collagen fibrils leads to a noteworthy mechanical and viscoelastic reinforcement of the vascular construct, mature enough to be put in place in a dynamic bioreactor. In the perspective of tissue regeneration, and considering the importance of the structure-properties relations and cells-extracellular matrix interactions, this thesis project establishes the important role of the static culture period preceding the culture period in the dynamic bioreactor.

La réponse mécanique d'une cellule à une force externe permet d'inférer sa structure et fonction. Les pinces optiques s'avèrent une approche particulièrement attrayante pour la manipulation et caractérisation biophysique sophistiquée des cellules de façon non invasive. Cette thèse explore l’utilisation de trois types de pinces optiques couramment utilisées : 1) statiques (static), 2) à exposition partagée (time-sharing) et 3) oscillantes (oscillating). L’utilisation d’un code basé sur la méthode des éléments finis en trois dimensions (3DFEM) nous permet de modéliser ces trois types de piégeage optique afin d’extraire les propriétés mécaniques cellulaires à partir des expériences. La combinaison des pinces optiques avec la mécanique des cellules requiert des compétences interdisciplinaires. Une revue des approches expérimentales sur le piégeage optique et les tests unicellulaires est présentée. Les bases théoriques liant l’interaction entre la force radiative optique et la réponse mécanique de la cellule aussi. Pour la première fois, une simulation adaptée (3DFEM) incluant la diffusion lumineuse et la distribution du stress radiatif permet de prédire la déformation d’une cellule biconcave –analogue aux globules rouges—dans un piège statique double (static dual-trap). À l’équilibre, on observe que la déformation finale est donnée par l’espacement entre les deux faisceaux lasers: la cellule peut être étirée ou même comprimée. L’exposition partagée (time-sharing) est la technique qui permet de maintenir plusieurs sites de piégeage simultanément à partir du même faisceau laser. Notre analyse quantitative montre que, même oscillantes, la force optique et la déformation sont omniprésentes dans la cellule : la déformation viscoélastique et la dissipation de l’énergie sont analysées. Une autre cellule-type, la tige cubique, est étudiée : cela nous permet d’élucider de nouvelles propriétés sur la symétrie de la réponse mécanique. Enfin, l’analyse de la déformation résolue en temps dans un piége statique ou à exposition partagée montre que la déformation dépend simultanément de la viscoélasticité, la force externe et sa forme tridimensionnelle. La technique à force oscillante (oscillating tweezers) montre toutefois un décalage temporel, entre la force et la déformation, indépendant de la forme 3D; cette approche donnerait directement accès au tenseur viscoélastique complexe de la cellule. / The mechanical response of a cell to external forces carries information about its structure and function. Because cell manipulation should ideally be non-invasive while performing sophisticated biophysical characterization, the radiation force of optical tweezers has become highly attractive. In this thesis, we explore three types of recently-developed optical tweezers: 1) static, 2) time-sharing and 3) oscillating. Using a full three-dimensional finite element method (3DFEM), modeling of each of these regimes allows us to fit experiments and access the cell mechanical properties. Combining optical trapping with cell mechanics requires interdisciplinary efforts. A survey of the various experimental approaches for optical trapping and measurements on isolated cells is presented. We then lay the theoretical background linking the interaction of optical fields to the cell’s mechanical response. We are the first to implement a 3DFEM calculation including light scattering and the radiation stress distribution to predict the deformation of a biconcave cell –emulating a red blood cell– in static dual-trap optical tweezers. At equilibrium, the final deformation is given by the separation distance of the two trapping beams, revealing how the cell can be elongated or shrunk. Time-sharing optical tweezers realize multiple traps to manipulate objects ranging from macromolecules to biological cells. Our quantitative analysis shows how, although jumping, the local stress and strain is omnipresent in the cell. The viscoelastic object deformation and internal energy dissipation are analyzed. Another cell shape, a cubic rod, is also studied, elucidating novel symmetrical properties of the mechanical response. Finally, the analysis of the time-dependent deformation –creep testing– of a cell in static and time-sharing optical tweezers, shows that deformation of the object depends altogether on the object’s viscoelasticity, significantly on its 3D shape and the mechanical loading. However, dynamic testing with oscillating optical tweezers surprisingly shows a phase shift between the loading stress (external force) and strain (deformation) independent on the 3D cell shape. This is a novel avenue giving access to the cell’s viscoelasticity dynamic complex modulus directly in the time-domain.

L'industrie automobile demande sans cesse des manufacturiers de pièces fabriquées par métallurgie des poudres des produits présentant des propriétés mécaniques supérieures tout en minimisant les coûts. L'emploi des poudres autotrempantes est particulièrement bien adapté pour répondre à ses demandes, car ces dernières permettent la trempe directe à la fin du cycle de frittage, éliminant ainsi les étapes supplémentaires habituellement nécessaires pour le traitement thermique. Cette thèse présente les résultats de la modélisation de l'influence des éléments préalliés et prémélangés sur l'optimisation de la compressibilité et de l'autotrempabilité. La planification d'expériences a été utilisée afin de minimiser le nombre d'expériences nécessaires afin de caractériser l'effet des différents facteurs étudiés. De petites quantités de poudres atomisées ont été produites par atomisation à l'eau au laboratoire de métallurgie des poudres de l'Université Laval. Un premier plan d'expériences a permis d'étudier l'effet d'éléments préalliés (nickel, chrome, molybdène et manganèse) et prémélangés (nickel, chrome, cuivre et manganèse). Les propriétés mécaniques ont aussi été mesurées. Un deuxième plan d'expériences a été construit à partir des résultats obtenus lors de la première série. Les résultats montrent que de tous les éléments étudiés, seuls le nickel, le chrome et le molybdène préalliés ont un effet significatif sur la compressibilité et l'autotrempabilité. De plus, pour l'intervalle de composition chimique étudié, la composition chimique de la poudre qui optimise la compressibilité et l'autotrempabilité est : 1,5%-pds Ni, 0,40-0,55%-pds Cr et 1,00-1,25%-pds Mo.

La conception de la structure d’une chaussée dépend en grande partie des caractéristiques du sol qui constituera l’infrastructure, telles que ses propriétés mécaniques réversibles et sa sensibilité à l’eau et au gel. Ces paramètres peuvent être mesurés en laboratoire grâce à l’exécution d’essais très fiables, mais laborieux et dispendieux comme par exemple les essais en cellule triaxiale et celui du potentiel de ségrégation en cellule de gel. L’utilisation des équipements portatifs, comme le déflectomètre LWD et le Percomètre®, permet d’effectuer une évaluation des propriétés du sol. Dix types de sols d’infrastructure ont été testés en laboratoire; les résultats ont été validés avec des essais in situ et corrélés avec les modules réversibles et les potentiels de ségrégation obtenus en laboratoire. Des modèles mathématiques ont été développés permettant une quantification adéquate du module réversible et du potentiel de ségrégation en fonction des propriétés géotechniques du sol.

Dans ce travail du polyéthylène de basse densité et de l'azodicarbonamide ont été utilisé afin de produire des mousses structurales par un procédé de moulage par compression. En particulier, l'étude a porté sur la fabrication et la caractérisation de sandwichs symétriques et asymétriques. Les résultats ont été caractérisés en termes de densité, morphologie (épaisseurs des peaux de chaque côté, densité de bulles, tailles de bulles) et propriétés mécaniques (tension, flexion et torsion). En général, la densité de la mousse diminue avec l'augmentation de la concentration d'agent gonflant tandis que le diamètre et la densité des bulles augmentent. Le résultat important de ce travail est de démontrer clairement que la connaissance de la structure complète de la mousse est nécessaire pour bien comprendre son comportement mécanique. De plus, les modules en flexion ont été supérieurs si la force était appliquée sur le côté ayant la peau la plus épaisse en comparaison avec la force appliquée sur le côté le plus mince.

Ce mémoire présente la recherche effectuée concernant le développement d'une nouvelle méthode de dimensionnement spécifiquement dédiée aux sections en acier en I très élancées par l'entremise de l'Overall Interaction Concept (O.I.C.). Le comportement en section est défini par deux comportements extrêmes, soit la résistance et l'instabilité pure. Les méthodes de calculs couramment utilisées dans les normes nécessitent d'abord de classer la section pour ensuite calculer les propriétés de la section efficace. Ces méthodes comportent quelques incohérences ainsi qu'un manque de précision. Une nouvelle méthode de dimensionnement qui considère la section entière - qui ne requiert donc plus de calculer les propriétés efficaces - et l'interaction entre les plaques peut et doit être développée. La considération des imperfections tant géométriques que matériels permet d'atteindre une plus grande précision, et l'utilisation d'outils numériques performants permet également d'augmenter l'efficacité des calculs. L'Overall Interaction Concept permet de calculer rapidement la résistance en section en fonction de l'élancement relatif généralisée, au moyen de courbes d'interaction. L'objectif principal de cette maîtrise est donc d'adapter l'O.I.C. aux sections ouvertes en I très élancées, comme celles utilisées dans le domaine des ponts, soumises à des cas de chargement simples (compression pure ou flexion d'axe fort seulement). Un modèle numérique a d'abord été développé en réalisant entre autres une étude de densité de maillage et des études sur les imperfections géométriques et matérielles à utiliser. Cette dernière étude doit être fait minutieusement et les choix effectués doivent être justifiés convenablement puisqu'aucune donnée expérimentale n'est disponible pour calibrer le modèle. Une fois le modèle fiable développé, une campagne numérique comptabilisant plus de 3500 simulations a été faite, permettant ainsi d'analyser l'effet de certains paramètres sur la résistance en section. Sur la base de ces simulations numériques, une proposition de méthode de dimensionnement a été faite en fonction des paramètres déterminants, c'est-à-dire le choix des contraintes résiduelles, du type de chargement et des propriétés géométriques géométrique de la section par l'entremise du paramètre μ. La formulation d'Ayrton-Perry a été adaptée pour définir les courbes d'interaction servant à prédire la résistance. En parallèle au développement de la méthode, des études ont été effectuées pour comparer les résultats obtenus pour la résistance en section selon les normes canadiennes, américaines et européennes avec les résultats obtenus numériquement. Ainsi, il a été possible d'observer la capacité d'amélioration des méthodes couramment utilisées tant en termes de précision que de simplicité. / This dissertation presents research developments related to the design of very slender open steel sections through the Overall Interaction Concept (O.I.C.). The cross-sectional behaviour is defined by two extreme, ideal behaviours: pure resistance and pure instability. Methods used in the current standards need to classify the section, and, in the case of bridge sections, to calculate effective properties. This method presents some inconsistencies, as well as accuracy issues. A new design approach considering the whole section - and by that interaction between plates - was developed. By including the geometrical and material imperfections, more accuracy can be reached, and using numerical tools can increase the efficiency as well. The Overall Interaction Concept allows to calculate fast the resistance of a cross-section by using a generalized relative slenderness, so-called interaction curves. The main aim of this master is to adapt the O.I.C. to very slender open I-sections subjected to simple load cases (major-axis bending moment and pure compression). A numerical model has been developed by carry out mesh density study, and imperfections studies. This part had to be carefully detailed and assessed since no experimental data can be available to calibrate the numerical models. Once a reliable model was settled, a numerical campaign of more than 3500 simulations has been undertaken, allowing to analyse the effects of many key parameters. Based on these numerical simulations, design proposals were made as based on the identified governing parameters, i.e. the residual stresses pattern, load case and geometrical properties by means of newly-proposed parameter μ. An extension of the Ayrton-Perry formulation is finally used to define cross-section interaction curves. Besides, systematic comparison with Canadian, American and European Standards are done with the results from numerical simulations allowing to observe the improvement capacity of the current methods, in terms of accuracy and simplicity.

Le comportement de l'acier est significativement différent à des températures élevées par rapport à la température ambiante. Avec l'augmentation de la température, la relation contrainte-déformation devient non linéaire et la résistance et la rigidité de l'acier diminuent. Les normes de conception au feu de l'acier existantes ne parviennent pas à prédire avec précision la résistance à des températures élevées en suivant les mêmes approches de conception à température ambiante avec de petites modifications. Cette recherche vise à proposer une approche de conception innovante des profilés creux en acier en situation d'incendie au moyen du Overall Interaction Concept (O.I.C.). Le Overall Interaction Concept (O.I.C.) est basé sur l'interaction résistance-instabilité en utilisant un rapport d'élancement généralisé et s'est avéré plus précis et cohérent que les normes actuelles. Un modèle d'éléments finis a été développé pour étudier le comportement des sections carrées et rectangulaires en acier à haute température. La précision du modèle a été confirmée par la validation avec des résultats expérimentaux. Le modèle validé a été utilisé pour effectuer des études paramétriques incluant différentes dimensions géométriques, températures et cas de charge. Les résultats des études paramétriques ont ensuite été utilisés pour identifier le paramètre de conception principal et proposer O.I.C. équations en situation d'incendie. Pour présenter un meilleur niveau de précision et de cohérence de l'O.I.C. propositions, leur performance a été comparée aux approches actuelles de conception anti-incendie, y compris les normes européennes, américaines et canadiennes. / The behavior of steel is significantly different at elevated temperatures compared to the ambient temperature. With increasing temperature, the stress-strain relationship gets nonlinear and the strength and stiffness of steel reduce. Existing steel fire design standards fail to accurately predict the resistance at high temperatures by following the same design approaches at room temperature with small modifications. This research is aimed to propose an innovative design approach for steel hollow sections in fire situations by means of the Overall Interaction Concept (O.I.C.). The Overall Interaction Concept (O.I.C.) is based on the resistance-instability interaction using a generalized slenderness ratio and has been proved to be more accurate and consistent than the current standards. A finite element (F.E.) model was developed to study the behavior of steel square and rectangular sections at high temperatures. The accuracy of the model was confirmed through validation with experimental results. The validated model was used to perform parametric studies including different geometrical dimensions, temperatures, and load cases. The results of the parametric studies were then used to identify the leading design parameter and propose O.I.C. equations in fire situations. To exhibit a better level of accuracy and consistency of the O.I.C. proposals, their performance was compared to the current fire design approaches including European, American, and Canadian Standards.

Les Barres d’Hopkinson sont couramment utilisées pour tester les matériaux à des hauts taux de déformations. Souvent, différents systèmes de barres sont utilisés pour tester les matériaux en tension ou en compression. Par contre, il serait pratique d’utiliser un seul système, pour prendre des mesures en tension et en compression. Des études ont été faites pour convertir le système de compression existant du centre de Recherche et Développement pour la Défense Canada (RDDC) de ValCartier. Un concept a été choisi parmi 6 systèmes de tension déjà existants. Le choix a été validé avec un modèle d’éléments finis fait sur LS-Dyna. Le modèle a été calibré sur des résultats de compression fournis par le RDDC. Il fut ensuite modifié pour intégrer le nouveau concept. À cause d’un manque de ressources, les résultats de simulation sur LS-Dyna n’ont pu être comparés avec des résultats expérimentaux, puisqu’un premier prototype n’a pu être fabriqué. / The Split Hopkinson Pressure Bars (SHPB) is a common method used to characterize materials at high rates of strain. First used to experiment on materials in compression, the method was adapted to do tests in tension and torsion. The compression apparatus consists of a specimen sandwiched between 2 pressure bars, called the input bar and the output bar. A third bar, the striker, is launched at the input bar. Upon impact, a compressive pulse traveling toward the specimen is generated. This load is partially transmitted into the specimen and the output bar, the rest of it being reflected back into the input bar. Using measurements of the input, transmitted and reflected pulse, it is possible to develop the stress-strain response of the material deforming at high strain rates. This is achieved using strain gages adequately placed on both pressure bars. Many researchers use a different SHPB system when it comes to tension tests. Many methods exist, but all of them are based on compressive experiments. It would therefore be convenient to only have one system, which is capable of taking measurements both in compression and tension. Based on the compressive SHPB apparatus used by the Defense, Research and Development Canada (DRDC) center in ValCartier, studies were made to convert the compressive system into a tensile setup. The goal was to modify it with minimum changes possible, in order to easily go back and forth between the two configurations. A design choice was made, considering 6 existing tension systems. To validate the decision, a finite element model was created using LS-Dyna. The modal was first aligned with the compression results provided and then modified to implement the selected design. Because of a lack of available resources, LS-Dyna simulation results were not compared with experimental data, as it was not possible to create a first prototype.

Le projet porte sur la résistance structurale et durabilité d’un plancher de ponton fait d’extrusions d’aluminium assemblées par insertion rapide. C’est une étude qui vise à valider le nouveau concept et d’implémenter la technique d’assemblage par insertion rapide dans la construction d’un ponton. Les nouvelles pièces nécessaires au projet sont déjà conçues et la présente étude se limite à l’étude du comportement de la nouvelle structure. Le projet comporte deux parties, numérique et pratique. La partie numérique consiste à effectuer des simulations numériques sur les deux modèles de pontons nouveau et actuel. Les simulations effectuées ont montré que les deux pontons (ancien et nouveau) ont des comportements similaires. Deux cas de chargement ont été analysés, le premier représente un déplacement des pontons sur l’eau et le deuxième impose une torsion sur les structures des deux pontons. Les valeurs des déplacements obtenues pour le premier cas de chargement sont de 1.195 mm et 1.357 mm pour l’ancien et le nouveau ponton respectivement. Pour le deuxième cas de chargement les déplacements sont de 15.18 mm dans le cas du ponton actuel et 13.43 mm pour le nouveau modèle. De plus les contraintes correspondantes à ces déplacements sont très faibles par rapport à la limite élastique de l’aluminium. La valeur maximale obtenue pour tous les tests est de 65 MPa pour le ponton actuel dans le cas de torsion et de 50 MPa pour le nouveau ponton dans les mêmes conditions. Les simulations numériques ne peuvent pas montrer tous les détails de la structure, comme les clips des nouvelles extrusions qui forment le plancher de ponton. Pour tester ces parties il fallait effectuer des essais pratiques en fatigue et en statique sur des sections partielles de 4 extrusions du plancher du nouveau ponton. D’après les tests statiques, on a pu déterminer les configurations des clips qui permettent aux sections partielles de résister à la force appliquée, et de rester assemblées. Ce sont les clips partiels ou complets qui offrent cette résistance. Après les tests statiques, les tests en fatigue ont déterminé que les sections partielles résistent à une force locale de 2 250 N (500 lb) pendant 1 500 000 cycles ce qui équivaut à environ 3500 lbs de charge répartie sur l’ensemble du ponton. Enfin des essais sur l’eau sont réalisés sur un prototype du nouveau ponton. Aucun bris n’est parvenu au niveau des clips et l’analyse des données regroupées durant les tests permet de valider que la structure du nouveau ponton est résistante.