La réhabilitation parasismique de piliers de ponts et de poteaux de bâtiments en béton armé peut être réalisée efficacement par le confinement à l'aide de polymères renforcés de fibres de carbone (PRFC), ce qui a été étudié dans le présent projet par des essais en compression-flexion sur huit poteaux, dont quatre ont été réhabilités avec des PRFC. Les ponts, viaducs et bâtiments canadiens construits selon les codes de conception datant d'avant les années 1970 sont propices à subir d'importants dommages lors d'un séisme et même à poser un risque pour la sécurité des utilisateurs/occupants. Depuis, les normes parasismiques ont été grandement améliorées. De plus, avec le vieillissement des infrastructures, des dilemmes importants forcent les décideurs à choisir entre la réhabilitation et la reconstruction. Il importe de quantifier l'amélioration de la performance sismique apportée par le confinement des poteaux avant d'adopter cette technique à grande échelle. Pour cela, il faut étudier la ductilité et la résistance des poteaux confinés et non confinés et évaluer l'amélioration de la capacité de dissipation de l'énergie sismique. Les résultats ont de plus été comparés aux prédictions du modèle de confinement de Eid et Paultre afin d'évaluer la précision de ce modèle. Pour répondre à ces objectifs, huit spécimens ont été construits, quatre ont été réhabilités et tous les poteaux ont été testés par chargements axial constant et latéral cyclique. L'espacement des étriers, le niveau de charge axiale ainsi que l'usage de confinement ont été étudiés. Des courbes d'hystérésis ont ensuite été tracées afin de calculer les gains en capacité de dissipation d'énergie sismique. L'hypothèse de départ était que les poteaux confinés reprendraient une charge latérale maximale légèrement plus élevée, mais surtout qu'ils se déformeraient davantage et qu'ils dissiperaient plus d'énergie avant la rupture. Cette recherche vient combler un manque criant de données expérimentales sur le comportement en flexion-compression des poteaux confinés à l'aide de PRF. Les prochaines recherches pourront se baser sur ces résultats pour explorer d'autres paramètres expérimentaux et éventuellement proposer des articles de normes.

L'ajout de charges (agrégat de taille submicronique) dans une matrice élastomère apporte des propriétés physiques qualitativement différentes de celles de la matrice pure : module complexe dépendant de la température, forts effets non linéaires, forte dissipation... Ces propriétés sont liées à la nature de la matrice et des charges, à leur fraction volumique, et enfin à la force des interactions charge / matrice. Nous présentons d'abord les différents systèmes et la caractérisation de leurs propriétés mécaniques, de façon à clarifier le rôle des différents paramètres.La cristallisation sous traction du caoutchouc naturel a un effet important sur ses propriétés mécaniques. Nous l'avons donc mesurée quantitativement dans chacune des formulations. Nous montrons que le taux de cristallisation à la rupture est toujours de l'ordre de 13%. La nature de l'interface silice / matrice a un effet sur les propriétés mécaniques mais pas sur la cristallisation. Nous avons ensuite étudié le comportement en traction simple d'échantillons pré-entaillés. Nous montrons que la plus grande résistance à la propagation d'entaille du caoutchouc naturel renforcé est corrélée à la présence d'instabilités de propagation (rotation d'entaille). Les mécanismes physiques à l'origine de la rotation d'entaille ne sont pas compris. Nous décrivons la dynamique de propagation des rotations à différentes échelles, et les caractéristiques des rotations.La combinaison de la cristallisation induite et de la présence des charges induit dans le matériau une très grande anisotropie qui pourrait être à l'origine des rotations.

La circulation routière toujours croissante est à l’origine d’un nombre grandissant de collisions entre les véhicules et les piliers de ponts. Pourtant, les impacts causés par les camions sur les ponts ont fait état de très peu d’études et les normes de dimensionnement comportent donc de nombreuses lacunes à leur égard. Des solutions visant à prévenir et réparer les dommages causés par ces charges d’impact sont actuellement à l’étude dont le confinement des piles par des polymères renforcés de fibres (PRF). L’objectif de ce projet est de déterminer les effets d’un tel recouvrement sur le comportement des piles de ponts lorsqu’elles sont préalablement soumises à des charges d’impact. L’effet doit être déterminé tant sur la capacité de la pile que sur sa détérioration à long terme. Afin d’atteindre cet objectif, des essais dynamiques sont effectués, en laboratoire, sur des piles avec et sans recouvrement de PRF. Ces résultats expérimentaux permettent de créer un modèle d’éléments finis à l’aide du logiciel LS-Dyna. Grâce à ce modèle, les avantages et inconvénients d’utiliser le recouvrement de PRF sont évalués. La méthode par sous-structure est utilisée afin d’analyser les effets sur l’ensemble du pont et non seulement sur la pile elle-même. Il faut s’attendre à obtenir de nombreux avantages sur le comportement des piles à suite de la pose d’un recouvrement de PRF. Toutefois, il est difficile de prévoir si ces avantages sont suffisants pour justifier le coût de construction engendré. Ce projet est donc hautement pertinent afin de quantifier les bienfaits d’une solution possible à une cause majeure d’effondrement des ponts. À plus grande échelle, cette recherche contribuera à perfectionner la norme canadienne de calculs des ponts routiers.

Cette thèse a été financée par l’équipementier automobile Cooper Standard afin de développer des éléments de pièces automobiles en polypropylène (PP) renforcés par des fibres végétales. Son objectif majeur est d’identifier les paramètres clés permettant l’obtention de composites performants pour ensuite les développer industriellement. Une grande diversité de parois végétales a été testée mécaniquement, étape primordiale pour l’analyse du comportement des composites. Les fibres sélectionnées ont ensuite été mélangées au PP et l’étude du compoundage a mis en évidence son impact sur les propriétés des futurs composites et la difficulté de mélanger des fibres végétales dans une matrice fondue. Les compounds PP/fibres végétales ont ensuite été transformés par extrusion et les travaux menés ont permis de développer des composites renforcés par des fibres de bois respectant le cahier des charges de Cooper Standard. Une comparaison entre l’injection et l’extrusion a souligné l’effet de la mise en œuvre sur les propriétés mécaniques et la microstructure des composites. Des composites modèles unidirectionnels renforcés par des fibres longues ont permis de comprendre les mécanismes de renforcement d’une matrice polypropylène par des fibres végétales de jute et de lin, et ont mis en évidence l’importance des propriétés mécaniques des constituants. Au contraire des composites injectés et renforcés par des fibres courtes de lin et de jute ont, eux, montré la prépondérance de la microstructure, par rapport aux performances des fibres, sur les propriétés mécaniques des pièces / This thesis was funded by the automotive supplier Cooper Standard to develop auto parts in polypropylene (PP) reinforced with plant fibers. Its major objective is to identify key parameters for obtaining high performance composites and then develop industrially. A great variety of plant cell walls was tested mechanically, critical step for the composite behavior analysis. The selected fibers were then mixed in PP and the study of compounding highlighted its impact on the properties of future composite and the difficulty of mixing plant fibers into a molten matrix. The compounds PP / vegetal fibers were then processed by extrusion and the work carried out has allowed the development of composite reinforced with wood fibers respecting the specifications of Cooper Standard. A comparison between extrusion molding and injection molding has showed the effect of molding process on mechanical properties and microstructure of composites. Unidirectional composites models reinforced with long fibers helped to understand the mechanisms of strengthening of a polypropylene matrix with jute and flax fibers, and highlighted the importance of constituents’ mechanical properties. Unlike injected composites and reinforced by short jute and flax fibers have them, showed the predominance of microstructure, compared with the performance of the fibers, on the mechanical properties of the parts.

Les structures sont parfois soumises à des sollicitations extrêmes telles que des chocs et des séismes, dont les conséquences peuvent être désastreuses. La réduction de la vulnérabilité au séisme du bâti existant est un enjeu de société de première importance. Le renforcement d'éléments structuraux par matériaux composites collés offre une solution intéressante, mais les règles de dimensionnement concernant l'application de tels matériaux pour le renforcement parasismique n'ont pas encore toutes été clairement établies. Le présent travail de thèse se propose de contribuer à l'établissement de ces règles pour le renforcement de poteaux en béton armé, par matériaux composites. Une campagne expérimentale a donc été menée sur plusieurs poteaux en béton armé, d'échelle représentative ; diverses configurations de renforcement ont été appliquées sur ces corps d'épreuve, qui ont ensuite été testés en flexion composée alternée. Ces différents essais nous ont permis d'analyser le comportement des poteaux selon la présence ou non de confinement (tissu de fibres de carbone), de renforcement à la flexion (lamelles), et d'ancrage des lamelles de renfort en matériaux composites. Cette notion d'ancrage des composites a fait l'objet d'une campagne expérimentale complémentaire, visant à caractériser une technique d'ancrage innovante et à en vérifier les performances. Grâce à ces différents essais, les gains en termes d'énergie dissipée apportés par les différentes configurations de renforcement, les gains en termes de ductilité globale de la structure ainsi qu'en termes d'augmentation de la charge portante ont été vérifiés. Outre ces aspects quantitatifs, ce travail a permis de proposer des pistes pour l'établissement de règles de dimensionnement de ces renforts spécifiques à la réhabilitation parasismique, en lien avec les normes actuelles, et notamment l'Eurocode 8 / Structures can be submitted to severe loadings, especially impacts and earthquakes, and reducing the seismic vulnerability of existing structures is thus an important issue. Retrofitting by Fibre-Reinforced Polymer (FRP) is an interesting technical solution but design rules have to be developed concerning their application for seismic strengthening. This thesis aims to contribute to the development of design rules concerning the strengthening of reinforced concrete columns by FRP. For this purpose, an experimental campaign carried out on full-scale reinforced concrete columns has been undertaken. Different strengthening configurations have been applied to columns, which were then tested under combined axial and lateral load. Those tests helped to analyze the behaviour of columns depending on the FRP confinement (carbon FRP jacket), on flexural reinforcement (carbon plates) and on anchorage of FRP. An additional experimental campaign has been undertaken in order to characterize an innovative anchoring system and assess its performance. The purpose of the study was to evaluate the effectiveness of the different strengthening configurations in increasing the dissipated energy and the ductility. In addition to the quantitative aspects, it was made possible to propose design rules for the use of FRP in seismic rehabilitation, linked to current rules, especially Eurocode 8

L'ajout de charges (agrégat de taille submicronique) dans une matrice élastomère apporte des propriétés physiques qualitativement différentes de celles de la matrice pure : module complexe dépendant de la température, forts effets non linéaires, forte dissipation... Ces propriétés sont liées à la nature de la matrice et des charges, à leur fraction volumique, et enfin à la force des interactions charge / matrice. Nous présentons d'abord les différents systèmes et la caractérisation de leurs propriétés mécaniques, de façon à clarifier le rôle des différents paramètres.La cristallisation sous traction du caoutchouc naturel a un effet important sur ses propriétés mécaniques. Nous l'avons donc mesurée quantitativement dans chacune des formulations. Nous montrons que le taux de cristallisation à la rupture est toujours de l'ordre de 13%. La nature de l'interface silice / matrice a un effet sur les propriétés mécaniques mais pas sur la cristallisation. Nous avons ensuite étudié le comportement en traction simple d'échantillons pré-entaillés. Nous montrons que la plus grande résistance à la propagation d'entaille du caoutchouc naturel renforcé est corrélée à la présence d'instabilités de propagation (rotation d'entaille). Les mécanismes physiques à l'origine de la rotation d'entaille ne sont pas compris. Nous décrivons la dynamique de propagation des rotations à différentes échelles, et les caractéristiques des rotations.La combinaison de la cristallisation induite et de la présence des charges induit dans le matériau une très grande anisotropie qui pourrait être à l'origine des rotations. / The subject of this PhD thesis is the resistance to tear of reinforced elastomers. The general context of this work is related to the performances of reinforced elastomers, specifically silica reinforced natural rubber, as regards various usage properties : wear of tyre tread, fatigue and tear resistance of tyre flanks, etc. Wear and fatigue mechanisms are very complex. This PhD thesis is a first step towards understanding these mechanisms. We focussed on the parameters which control ultimate properties (resistance to failure, resistance to tear propagation) of uniaxially stretched samples. Reinforced elastomers are nanocomposite materials made of an elastomer matrix in which submicrometric filler particles or aggregates are dispersed. Adding fillers considerably enhances usage properties, specifically ultimate properties. Mechanical and physical properties qualitatively different from those of the pure elastomer matrix are induced: a strongly temperature dependent complex modulus, strong non linear effects (Payne effect), large dissipation, hysteresis, plasticity and long time recovery (Mullins effect). The material parameters which have an influence on the properties are: the nature of the elastomer matrix (natural or synthetic rubber) and of the reinforcing fillers (carbon black or silica), the volume fraction and dispersion state of the fillers, the nature and strength of interactions at filler-matrix interfaces.This work is an experimental study of the resistance to failure and to tearing of uniaxially stretched samples. The various systems which have been studied are presented first. Their mechanical properties have been characterized in the various regimes of strain amplitude. The various samples have been compared systematically in order to clarify the effect of the various material parameters.Natural rubber crystallizes under strain. This phenomenon is very sensitive to the formulation of the various materials and has a tremendous effect on mechanical and ultimate properties. Thus, we have measured quantitatively the amount of crystallinity induced as a function of the applied strain during elongation cycles and up to sample failure. The influence of the nature and volume fraction of the fillers and of the matrix-filler interfaces has been studied. The crystallinity is close to 13% in all studied materials. In samples filled with silica, the nature of the filler-matrix interactions (covalent coupling vs no coupling) has very little influence on crystallization, whereas it modifies strongly the mechanical properties.Then we have studied the resistance to failure of uniaxially stretched pre-notched test samples. Within a macroscopic approach, we have related the ultimate property (energy density at break) to the various tear propagation modes which are observed. We have studied the effect of temperature and drawing speed. It has been shown that the higher resistance to failure of reinforced natural rubber is related to the appearance of spectacular instabilities of the propagation direction (the so-called ‘tear rotation’). The appearance of tear rotation is specific to pre-notched reinforced natural rubber samples. The physical mechanisms responsible for tear rotation are not yet fully understood. The combination of reinforcement due to fillers and of strain-induced crystallization may lead to a strong anisotropy of the elastic material constant of the material in front of the tear tip, and this might be the driving force for tear rotation. The rotation length has been identified as an important parameter which correlates well to the ultimate properties. The tear propagation is described at various scales. The typical length scales associated to tear rotation which are observed have been related to the material properties.

Les matériaux composites thermoplastiques constituent une solution technologique de premier ordre pour la fabrication de pièces et de composants fonctionnels ou de structure notamment pour l'industrie automobile. Le travail abordé dans le cadre de cette thèse constitue une contribution à la compréhension et à la modélisation de la cinétique d'endommagement dans les thermoplastiques renforcés par des fibres de verre courtes (PA6

L'infusion de résine liquide est un procédé de mise en forme des produits composites dit à bas coût. Grâce aux avancées technologiques dans le domaine, l'industrie aéronautique commence à s'intéresser de plus en plus à ce type de procédé afin de s'affranchir des contraintes liées au procédé classique de moulage en autoclave, caractérisé par des coûts d'exploitation élevés. La littérature montre l'existence d'un nombre limité d'approches de représentation structurée des connaissances du domaine des composites. Notre méthodologie vise à identifier les paramètres pertinents du triptyque Produit-Processus-Ressource impactant sur l'industrialisation des produits. Une modélisation UML a été adoptée pour représenter les objets d'entreprise dans le cadre d'une collaboration industrielle. Une approche algorithmique a été employée pour générer les gammes de fabrication possibles par le traitement des connaissances capitalisées. Une approche multicritères a été utilisée pour évaluer les activités afin de qualifier les alternatives selon des indicateurs de performance de type : Qualité, Coût, Délai en vue d'aider la prise de décision lors de l'industrialisation des nouveaux produits. Une maquette informatique a été développée comme support de la méthodologie proposée.

Les structures sont parfois soumises à des sollicitations extrêmes telles que des chocs et des séismes, dont les conséquences peuvent être désastreuses. La réduction de la vulnérabilité au séisme du bâti existant est un enjeu de société de première importance. Le renforcement d'éléments structuraux par matériaux composites collés offre une solution intéressante, mais les règles de dimensionnement concernant l'application de tels matériaux pour le renforcement parasismique n'ont pas encore toutes été clairement établies. Le présent travail de thèse se propose de contribuer à l'établissement de ces règles pour le renforcement de poteaux en béton armé, par matériaux composites. Une campagne expérimentale a donc été menée sur plusieurs poteaux en béton armé, d'échelle représentative ; diverses configurations de renforcement ont été appliquées sur ces corps d'épreuve, qui ont ensuite été testés en flexion composée alternée. Ces différents essais nous ont permis d'analyser le comportement des poteaux selon la présence ou non de confinement (tissu de fibres de carbone), de renforcement à la flexion (lamelles), et d'ancrage des lamelles de renfort en matériaux composites. Cette notion d'ancrage des composites a fait l'objet d'une campagne expérimentale complémentaire, visant à caractériser une technique d'ancrage innovante et à en vérifier les performances. Grâce à ces différents essais, les gains en termes d'énergie dissipée apportés par les différentes configurations de renforcement, les gains en termes de ductilité globale de la structure ainsi qu'en termes d'augmentation de la charge portante ont été vérifiés. Outre ces aspects quantitatifs, ce travail a permis de proposer des pistes pour l'établissement de règles de dimensionnement de ces renforts spécifiques à la réhabilitation parasismique, en lien avec les normes actuelles, et notamment l'Eurocode 8

Nous nous intéressons au comportement asymptotique de plusieurs urnes de type Polya fortement renforcées et interagissantes. Le principal de notre étude porte sur les renforcements exponentiels ou assimilés ainsi que sur les interactions temporelles, c'est-à-dire lors desquelles les urnes n'interagissent qu'à certains instants aléatoires. Dans ce cas, nous mettons en évidence une transition de phase selon la fréquence des interactions. Si celle ci est supérieure à 1/2, les urnes se fixent toutes sur la même couleur tandis que si elle est inférieure à 1/2, une couleur majoritaire se dégage mais certaines urnes peuvent continuer à tirer une autre couleur aux instants où il n'y a pas interaction. Lorsque le renforcement devient infini, nous pouvons calculer la loi du nombre d'urnes se comportant de cette dernière façon quand le nombre total d'urnes est égal à deux ou est un nombre impair.Quand l'interaction est totale, c'est-à-dire quand toutes les urnes interagissent à tout instant, nous montrons alors qu'un renforcement fort et croissant, mais plus nécessairement exponentiel, suffit à obtenir la fixation de toutes les urnes sur la même couleur.Pour finir, nous discutons brièvement du modèle d'interaction spatiale dans lequel les urnes sont situées sur les sommets d'un graphe et n'interagissent qu'avec leurs voisines. Nous dégageons alors quelques propriétés préliminaires concernant les sous-graphes susceptibles de se fixer sur une couleur avec une probabilité positive. / We study the asymptotic behavior of several Polya-type strongly reinforced interacting urns. The main results deal with exponential or exponential-like reinforcements and temporal interactions, that is when the urns interact only at some random times. In that case, we show the existence of a transition of phase depending on the frequency of interactions. If this frequency is larger than 1/2, all the urns eventually fixate on the same color, while if it is smaller than 1/2, a majority color will be fixed after some finite random time but while some of the urns eventually draw only the majority color, there can be other urns that still draw other colors at times where there is no interactions. When the reinforcement becomes infinite, we can calculate the law of the number of urns of later type when the total number of urns is two or an odd integer greater than two.When the interaction is maximal, that is when all the urns interact at any time, we show that a strong and non-decreasing reinforcement, but not necessarily exponential, suffices to obtain the fixation of all the urns on the same color.At the end, we consider briefly the spatial interaction model in which the urns are located on the vertices of a graph and interact only with their neighbors. In that case, we discuss some properties of sub-graphs that can fixate on one color with positive probability.