Ce travail de thèse porte sur les instabilités dans les structures minces hyperélastiques. Nous analysons les mécanismes de sélection du motif de flambement dans un solide prismatique fortement pré-contraint. Pour ce système, le modèle de poutre classique d'Euler-Bernoulli n'est pas pertinent du fait de cette forte précontrainte et il est nécessaire de recourir à une description 3-d pour expliquer l'apparition de modes instables de petite longueur d'onde. Notre analyse, fondée sur la théorie de l'élasticité finie incrémentale, montre que la longueur typique du motif de flambement est sélectionnée par l'importance relative de la pré-contrainte et du rapport d'aspect du solide prismatique. Nous nous interrogeons ainsi sur les limites du modèle classique et proposons une piste de réflexion pour la construction de nouveaux modèles. Celle-ci repose sur un développement à deux échelles combiné aux équations d'équilibre du système formulées sous forme faible. Il est alors facile de résoudre les équations exactes à chaque ordre, ce qui donne accès à la cinématique complète du système. Nous mettons en œuvre cette méthode pour l'exemple simple d'un barreau homogène en compression, ce qui nous permet d'établir le modèle classique d'Euler-Bernoulli à partir des équations de l'élasticité 3-d. La dernière partie de ce travail de thèse porte sur l'étude du flambement de systèmes invariants d'échelle : l'étude expérimentale et numérique de la compression d'un prisme à base triangulaire met en lumière une transition inédite d'un mode de flambement étendu vers des motifs localisés. / This Ph.D. work deals with buckling instabilities arising in thin hyper-elastic structures. We focus on instabilities arising in a prismatic solid submitted to finite incompatible pre-strains. We observe that the traditional 1-d Euler-Bernoulli beam model is not applicable to such a system because of the finite inhomogeneous pre-stress. The latter triggers short-wavelength instabilities that are note described by the classical 1-d models. We rely on the 3-d elasticity theory and propose a quantitative criterion on the ratio between the pre-stress and the cross-sectional aspect-ratio of the prismatic solid, that predicts the typical wavelength of the buckling pattern. This work questions the validity of classical 1-d models and suggests that extensions of these models are possible. We propose a method for the systematic derivation of reduced models. It relies on asymptotic expansions of the variational formulation of the equilibrium equations, starting from the complete expression of the energy. In this framework, kinematics can be entirely determined by solving the exact equations, order by order. We successfully apply this method to a homogeneous and isotropic beam submitted to a homogeneous compression and recover the classical Euler-Bernoulli beam model. In a last part of the manuscript we investigate the transition from extended wrinkling to localized creasing in a scale-invariant system made of a prismatic solid with a triangular cross-section, both experimentally and numerically.

Le soudage du bois constitue un nouveau procédé d’assemblage, deux pièces de bois sont assemblées sans aucun adhésif, ni organe métallique. Ce travail étudie la faisabilité d’éléments de construction en bois lamellé à échelle 1 comme des poutres, des parois et des planchers, en utilisant le soudage de chevilles (Fagus sylvatica) dans des avivés (Picea abies) des forêts locales (VOSGES). La maîtrise du procédé étant primordiale pour étudier sa reproductibilité, une machine prototype est développée. Les paramètres d’asservissement et la mesure des efforts appliqués sont maîtrisés précisément par un logiciel. La fabrication contrôlée d’échantillons et de poutres soudées permet de caractériser les propriétés mécaniques élémentaires.L’étude du comportement des poutres et des planchers fait appel à la théorie des poutres à connexions imparfaites. Une approche par éléments finis montre que le modèle analytique de KREUZINGER n’approche pas suffisamment la distribution des contraintes dans la section composite, un modèle analytique est développé selon l’approche de GIRHAMMAR : le modèle exact généralisé. Les essais de poutres montrent une trop grande souplesse de la liaison et sa sensibilité au fluage. Les essais sur le plancher conduisent à des caractéristiques intéressantes en termes de rigidité et de confort. Les parois, non optimisées, montrent des résultats prometteurs pour le contreventement. Les premiers éléments sur l’utilisation du soudage du bois dans la construction sont présentés. Cette technologie se révèlerait compétitive dans la réalisation d’éléments constructifs en 3D. Dans un contexte de développement durable, cette approche constructive est porteuse d’avenir / Wood welding is a new assembly concept; two pieces of wood can be connected without any adhesive or any metal fastener. This study present the feasibility in usable scale, to produce laminated elements for construction like beams, walls and floors, using welded dowels (Fagus sylvatica) to connect planks (Picea abies) from local forests (Vosges). To be used, it is essential that the welding process has to be reproducible; a prototype machine was designed in this aim. It mastered the main parameters of welding like rotation speed and efforts. A convivial software pilot efficiently the machine. This allows a controlled fabrication of welded samples and beams to characterize their basic resistance properties. The behaviour of beams and floors is given by composite beam with interlayer slip theory. A finite elements approach showed that the KREUZINGER’s analytical model does not allow to describe well enough the stress distribution in a multi layer composite section, an analytical model is then develop from GIRHAMMAR’s composite beams theory: the so call generalized exact model. Tests of beams show that the dowel connection is too weak and will have then a great sensitivity to creep. Tests on floor provide interesting features in terms of rigidity and comfort. The walls which are not optimized show encouraging results for racking resistance. The first items for the use of wood welding in construction are presented. This technology will be competitive in achieving constructive elements in 3D. In a context of sustainable development, this constructive approach takes its full meaning

Les propriétés physiques et chimiques exceptionnelles du matériau diamant ont suscité l'intérêt des chercheurs pour le développement d'applications industrielles, comme par exemple dans les domaines de la dissipation thermique ou de l'électronique de puissance. En particulier, les propriétés mécaniques remarquables de ce matériau peuvent être exploitées avantageusement pour la conception de résonateurs MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems). Même si certains dispositifs MEMS à base de diamant avaient été décrits dans la littérature, les propriétés mécaniques de ce matériau n'avaient jamais été associées à ses propriétés chimiques pour la réalisation de transducteurs chimiques ou biochimiques à base de résonateurs MEMS. Ainsi, l'objectif cette thèse a été de démontrer l'intérêt de ce matériau innovant pour la fabrication de ces capteurs. Les MEMS offrent la possibilité de faire de la détection en temps réel de manière directe (sans marqueur), rapide et sensible, sur de faibles quantités d'analytes. De plus ils permettent d'adresser des cibles non électro-actives qui ne peuvent pas être détectées par des capteurs électrochimiques. Dans cette étude, nous avons développé dans un premier temps des procédés de micro-structuration spécifiques du diamant. Ces procédés entièrement compatibles avec des techniques de salle blanche ont permis d'aboutir à la réalisation de nombreux transducteurs à base de micro-leviers en diamant sur des substrats en silicium de 4 pouces. De plus les approches développées permettent d'éviter la gravure fastidieuse du matériau diamant. Leur caractérisation mécanique en régime dynamique a permis de caractériser le module d'Young E du matériau diamant synthétisé en fonction des conditions de croissance. Dans le meilleur cas une valeur de E très élevée de l'ordre de 1100 GPa a été obtenue, ce qui est très proche de la valeur du diamant monocristallin (1200GPa). Par ailleurs, nous avons pu vérifier que les propriétés de résonance (fréquence de résonance et facteur de qualité) des structures en diamant réalisées étaient supérieures à celles de structures identiques en silicium. En particulier, cela rend ces résonateurs plus aptes à être exploités en milieux liquides. Nous avons montré que dans de tels milieux les micro-leviers en diamant étaient très peu sensibles à une variation massique. En revanche leur sensibilité à une variation de masse volumique du liquide est de l'ordre de 3Hz.kg-1.m3 et donc significative. Par ailleurs, en fonctionnalisant des micro-leviers en diamant par de l'acide caproïque, nous avons mis en évidence que des variations de densité de charges à la surface des micro-leviers pouvaient induire des variations de fréquence de résonance de plusieurs dizaines de Hz dans le cas de structures vibrant à quelques kHz. Ceci a permis de mettre en évidence la grande sensibilité de nos transducteurs en diamant à des interactions moléculaires. Dans ce contexte nous avons pu réaliser un capteur d'ADN permettant la reconnaissance spécifique en temps réel de brins d'ADN cibles de 24 paires de bases sans marqueur. En parallèle de ces travaux, des structures d'actionnement et de lecture ont été intégrées et évalué sur des dispositifs résonants à base de diamant. Ceci a permis de les interfacer à un premier prototype de système d'acquisition électronique portable dédié réalisé au cours de cette thèse / Diamond material is very promising for future technological applications due to its outstanding physical and chemical properties. In particular, its remarkable mechanical features may be used advantageously for MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) devices development. However, even though several diamond-based MEMS devices have been reported in the literature, the mechanical properties of this material have never been combined to its chemical properties for developing resonating MEMS-based biochemical transducers. Thus, the purpose of this study was to demonstrate the interest of such diamond transducers for chemical or biochemical sensing applications. MEMS devices are indeed attractive because they allow fast, label free and sensitive detection in real time on small volumes due to their miniaturized size. Moreover they offer the possibility to address non electroactive target species which are undetectable using classical electrochemical methods. In this study, we developed specific clean room compatible processes for diamond micro-structuring. The bottom-up approaches undertaken here were based on diamond patterns growth. Hence they avoid time consuming diamond etching steps. These processes allowed fabricating several diamond micro-cantilever transducers over 4-inches substrates. The mechanical characterization of the cantilevers in oscillating regime was performed in order to extract the material Young's modulus E when the structures were made of different polycrystalline diamond qualities. In the best case, a value of E as high as 1100 GPa and very close to the Young's modulus of monocrystalline diamond (1200 GPa) was achieved. In parallel, we verified that both cantilevers resonance frequency and Q-factor were significantly higher than those of identical silicon structures (on average twice higher). This makes diamond mechanical structures more suitable for use in liquid media. In such damping media a very poor sensitivity to mass changes was determined. Nevertheless, their sensitivity to liquid density changes was found to be significant (-3Hz.kg-1.m3). More importantly, by functionalizing diamond micro-cantilevers with caproic acid, an evidence of these transducers high sensitivity to surface molecular interactions was shown. Especially, when charge density variations occurs several tens Hz changes were measured on kHz-range oscillating cantilevers. In this context, a label free DNA sensor was achieved and allowed the specific detection of 24-mer target DNA in real time. In parallel to this work, actuation and boron doped diamond-based readout gauges were integrated to the resonant cantilevers and characterized. They allowed interfacing the cantilevers to a dedicated acquisition electronic prototype developed in the course of this study

Cette thèse a pour objet la modélisation de poutres composites piézoélectriques et l`application au contrôle passif des vibrations. Une première partie présente un modèle de poutre du type Euler-Bernoulli électromécanique. Le modèle est construit à partir d'un principe variationel mixte qui, sans introduire des degrés de liberté supplémentaires, tienne compte des effets 3D des champs électromécaniques et du potentiel électrique induit. Une deuxième partie propose des techniques numériques et expérimentales pour l'analyse modale et la déduction d'un modèle d'ordre réduit pour des poutres avec actionneurs piézoélectriques distribués. Enfin, des applications au contrôle passif de vibrations au moyen de circuits électriques sont étudiées. Dans de tels systèmes, l'énergie mécanique est dissipée dans des réseaux résistifs-inductifs. Chaque partie comprend des validations numériques et expérimentales. Un premier prototype d'un système pour le contrôle passif distribué est proposé.

Ce mémoire présente plusieurs études sur l'équilibre, la stabilité et les vibrations de poutres élastiques en grande rotation. Le modèle utilisé est d'abord présenté de deux manières différentes : les équations de Kirchhoff sont introduites (i) comme une théorie directe de Cosserat, (ii) par une approche asymptotique 3D->1D. Une étude relativement complète des équilibres avec et sans auto-contact d'une poutre sous contrainte de tension et torsion et encastrée en ses deux extrémités est ensuite exposée. Le modèle est d'autre part appliqué au sur-enroulement de la molécule d'ADN et aux expériences sur molécule individuelle. Le cas d'une poutre naturellement courbe enroulée autour d'un obstacle cylindrique est ensuite traité. Les équations d'équilibre obtenues sont appliquées au cas d'une plante grimpante autour d'un tuteur ainsi qu'aux configurations dimériques de la protéine kératine. Enfin la dynamique d'une poutre plane est analysée sous deux angles différents : (i) le relâchement d'une poutre console qui donne lieu au phénomène de renforcement de courbure, et (ii) les vibrations d'une poutre post-flambée, encastrée en ses deux extrémités, avec comparaison des cas extensibles et inextensibles. La conclusion mentionne quelques problèmes d'intérêt qui seront l'objets d'études futures.

Thèse doctorat : Génie Civil : Villeurbanne, INSA : 2004. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 175-180.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Génie civil : Reims : 2005. / Titre provenant de l'écran titre. Bibliogr. f. 179-182.

Reproduction de : Thèse doctorat : Mécanique et génie civil : Reims : 2008. Reproduction de : Thèse doctorat : Mécanique et génie civil : Université de Sofia : 2008. / Thèse soutenue en co-tutelle. Titre provenant de l'écran titre. Bibliogr. p. 181-195.

Les propriétés physiques et chimiques exceptionnelles du matériau diamant ont suscité l'intérêt des chercheurs pour le développement d'applications industrielles, comme par exemple dans les domaines de la dissipation thermique ou de l'électronique de puissance. En particulier, les propriétés mécaniques remarquables de ce matériau peuvent être exploitées avantageusement pour la conception de résonateurs MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems). Même si certains dispositifs MEMS à base de diamant avaient été décrits dans la littérature, les propriétés mécaniques de ce matériau n'avaient jamais été associées à ses propriétés chimiques pour la réalisation de transducteurs chimiques ou biochimiques à base de résonateurs MEMS. Ainsi, l'objectif cette thèse a été de démontrer l'intérêt de ce matériau innovant pour la fabrication de ces capteurs. Les MEMS offrent la possibilité de faire de la détection en temps réel de manière directe (sans marqueur), rapide et sensible, sur de faibles quantités d'analytes. De plus ils permettent d'adresser des cibles non électro-actives qui ne peuvent pas être détectées par des capteurs électrochimiques. Dans cette étude, nous avons développé dans un premier temps des procédés de micro-structuration spécifiques du diamant. Ces procédés entièrement compatibles avec des techniques de salle blanche ont permis d'aboutir à la réalisation de nombreux transducteurs à base de micro-leviers en diamant sur des substrats en silicium de 4 pouces. De plus les approches développées permettent d'éviter la gravure fastidieuse du matériau diamant. Leur caractérisation mécanique en régime dynamique a permis de caractériser le module d'Young E du matériau diamant synthétisé en fonction des conditions de croissance. Dans le meilleur cas une valeur de E très élevée de l'ordre de 1100 GPa a été obtenue, ce qui est très proche de la valeur du diamant monocristallin (1200GPa). Par ailleurs, nous avons pu vérifier que les propriétés de résonance (fréquence de résonance et facteur de qualité) des structures en diamant réalisées étaient supérieures à celles de structures identiques en silicium. En particulier, cela rend ces résonateurs plus aptes à être exploités en milieux liquides. Nous avons montré que dans de tels milieux les micro-leviers en diamant étaient très peu sensibles à une variation massique. En revanche leur sensibilité à une variation de masse volumique du liquide est de l'ordre de 3Hz.kg-1.m3 et donc significative. Par ailleurs, en fonctionnalisant des micro-leviers en diamant par de l'acide caproïque, nous avons mis en évidence que des variations de densité de charges à la surface des micro-leviers pouvaient induire des variations de fréquence de résonance de plusieurs dizaines de Hz dans le cas de structures vibrant à quelques kHz. Ceci a permis de mettre en évidence la grande sensibilité de nos transducteurs en diamant à des interactions moléculaires. Dans ce contexte nous avons pu réaliser un capteur d'ADN permettant la reconnaissance spécifique en temps réel de brins d'ADN cibles de 24 paires de bases sans marqueur. En parallèle de ces travaux, des structures d'actionnement et de lecture ont été intégrées et évalué sur des dispositifs résonants à base de diamant. Ceci a permis de les interfacer à un premier prototype de système d'acquisition électronique portable dédié réalisé au cours de cette thèse

Th. doct.-ing.--Génie civil--Toulouse--I.N.S.A., 1982. N°: 64.