Rozprawy doktorskie na temat „Matériaux hybrides – Contraintes (mécanique) – Détérioration”

Ce travail de thèse a été réalisé dans un contexte de valorisation des matériaux composites à base de nanocharges. La connaissance du comportement mécanique des nanocomposites dopés par des nanocharges soumis à des sollicitations dynamiques sévères est une donnée importante pour les concepteurs des structures composites dédiées aux applications civiles et militaires. Ce comportement doit être caractérisé dans un large domaine de déformation ; pour des vitesses de déformation pouvant atteindre 10⁵s⁻¹. Une attention particulière est portée au système des barres d’Hopkinson (SHPB) en raison de son utilisation fréquente dans une telle gamme de vitesses de déformation qui correspond à la gamme de vitesses de la plupart des applications industrielles. Dans ce contexte, nous avons mené dans un premier temps une étude centrée sur l’effet des nanocharges sur le comportement dynamique et la cinétique de l’endommagement d’un composite de référence à base de fibres de carbone noyées dans une matrice époxy. Nous avons opté pour le choix de deux types de nanocharges présentant une compositions chimiques pareilles (basé sur le carbone pur) mais deux géométries différentes (quasi-1D pour les nanotubes de carbone (NTC) et 2D pour les nanofeuillets de graphène (GNP)). On a préparé les deux séries de nanocomposites NTC et GNP dans les mêmes conditions tout en utilisant des fractions massiques communes (0.5%, 1% et 2%) pour pouvoir mener une étude comparative concernant les deux systèmes. Une campagne d’essais de compression dynamique, hors-plan (OP) et dans le plan (IP) et, ainsi qu’une étude numérique ont été menées. Il a été démontré que le comportement dynamique et la cinétique d’endommagement des matériaux sont très sensibles à la vitesse de déformation et à la direction de sollicitation. Les résultats de ces essais nous ont aussi permis d’appréhender l’influence de l’ajout des nanocharges sur la réponse des matériaux. Le pourcentage de 1% GNP montre des performances optimales en rigidité, contrainte maximale et résistance à l’endommagement. Toutefois, les nanocomposites peuvent être très sensibles aux conditions environnementales, en particulier au vieillissement hygrothermique qui peut réduire leurs performances mécaniques. De ce fait, l’effet du vieillissement hygrothermique (60°C/80% HR) sur la durée de vie des nanocomposites est alors étudié expérimentalement (chargement dans le plan). Des baisses de différentes propriétés mécaniques en fonction du temps (15, 40 et 100 jours) et de la teneur en eau absorbée sont mises en évidence pour chaque fraction massique. Cependant, il a été démontré que l’introduction de nanocharges, sauf dans le cas 0.5% NTC, entraine une dégradation plus importante du composite de référence
This thesis work was carried out in a context of valorization of composite materials based on nanofillers. The knowledge of the mechanical behavior of nanocomposites doped by nanofillers submitted to high dynamic loading is an important data for the designers of composite structures dedicated to civil and military applications. This behavior must be characterized in a wide range of deformation; for strain rates in the range of 10² to 10⁵s⁻¹. Particular attention is devoted to the Hopkinson pressure bar system (SHPB) because of its frequent use in such a wide range of deformation which corresponds to the strain rate deformation range of most industrial applications. In this context, we first conducted a study focused on the effect of nanofillers on the dynamic behavior and damage kinetics of a carbon/epoxy composite. We have chosen two types of nanofillers with similar chemical compositions (based on pure carbon) but two different geometries (quasi-1D for carbon nanotubes (CNT) and 2D for graphene nanoplatelets (GNP). The two series of nanocomposites CNT and GNP were prepared under the same conditions while using common mass fractions (0.5%, 1% and 2%) in order to conduct a comparative study of the two nanocomposite systems. A dynamic compression test (in-plane (IP) and out-of-plane (OP)) and a numerical study were conducted. It has been shown that the dynamic behavior and damage kinetics of the materials are very sensitive to the strain rate and the direction of solicitation. The results of these tests also allowed us to understand the influence of the addition of nanofillers on the response of the materials. The percentage of 1% GNP shows optimal performances in stiffness, maximum stress and resistance to damage. However, nanocomposites can be very sensitive to environmental conditions, in particular to hygrothermal aging that can reduce the mechanical performances. Therefore, the effect of hygrothermal aging (60°C/80%RH) on the lifetime of nanocomposites is studied experimentally (in-plane loading). Decreases of different mechanical properties as a function of time (15, 40 and 100 days) and absorbed water content are highlighted for each mass fraction. However, it was shown that the introduction of nanofillers, except in the case of 0.5% CNT, leads to a more significant degradation of the reference composite

Les nouvelles formulations de peintures marines anticorrosion sans solvant, respectueuses des normes environnementales récentes, doivent être étudiées et comparées aux peintures classiques « avec solvant » dans le but de déterminer leur performance et leur durée de vie. Si les principaux facteurs de dégradation des polymères sont connus (l’eau, la température, les sollicitations mécaniques et la lumière), les tests de vieillissement accéléré, utilisés pour évaluer la durée de vie des peintures marines n’intègrent jamais réellement l’ensemble de ces paramètres, ni leur hiérarchie, en particulier l’aspect contrainte mécanique que l’on rencontre dans le cas des structures métalliques en zone de marnage. Dans notre travail, nous avons suivi le vieillissement des peintures sous forme de films libres et de films déposés sur un substrat acier en milieu naturel et en eau de mer synthétique (solution NaCl 3%), pour différentes températures et différentes contraintes mécaniques visco-élastiques appliquées. La dégradation des peintures est caractérisée par des modifications de la température de transition vitreuse et des propriétés mécaniques qui font suite à une prise en eau que l’on peut étudier en associant des techniques de spectroscopie d’impédance électrochimique et de gravimétrie. Notre étude démontre que la prise en eau est un phénomène diffusionnel thermiquement activé, sensible à un état de contrainte. Ce dernier peut conduire à des phénomènes antagonistes favorisant ou non la diffusion. Cet aspect a été interprété dans un cadre thermodynamique en termes de réarrangements de chaînes du polymère affectant le nombre de chemins de diffusion possibles pour les molécules d’eau et la barrière d’énergie associée à ce déplacement. Ces deux mécanismes sont très dépendants de la nature de la peinture. De plus, un phénomène de désorption d’espèces organiques et minérales, en compétition avec l’absorption d’eau a été mis en évidence. Par ailleurs, la variation de température en milieu naturel, engendrant des contraintes internes dans les peintures, semble affecter de façon significative les cinétiques de prise en eau ainsi que la dégradation des peintures. Finalement, des synergies entre les facteurs de vieillissement ont pu être établies : il apparaît que le couplage des contraintes entraîne des cinétiques de dégradation supérieures à celle obtenue par la somme des effets individuels
New formulations of marine organic coatings, with or without solvent, abiding by recent environmental standards, must be studied and compared to classical solvent-borne organic coatings in order to determine their performance and durability. If the main degradation factors of polymers are known (water, temperature, mechanical solicitations and light), the accelerated ageing tests used to assess the organic coatings lifetime do not take into account of these parameters together or their hierarchical effects. This is particularly true when a mechanical stress is applied onto a metallic structure in tidal zone. In this work, we studied the ageing of organic coatings as free films and as attached films onto a steel substrate in natural and synthetic seawater (3% NaCl solution) for different temperatures and different mechanical visco-elastic mechanical stresses. The coating degradation was analyzed by monitoring the glass transition temperature evolution and the mechanical properties modifications after a water uptake that was measured using electrochemical impedance spectroscopy and gravimetry techniques. Our results show that the water uptake is a thermally activated diffusionnal phenomenon, sensitive to a stress state. This latter can lead to antagonist phenomena which favour or not diffusion. A thermodynamic interpretation was proposed in terms of polymer chains rearrangements affecting the number of possible water distribution paths and the energy barrier associated with this move. These two mechanisms are very dependent on the nature of the coating. Moreover, a desorption phenomenon of organic and mineral species, in competition with the water absorption, was identified. Besides, the temperature variation in natural environment, which implies internal stresses in organic coatings, seems to affect significantly the kinetics of water uptake and the degradation of coatings. Finally, synergies between the ageing factors were established: the association of stress leads to a higher degradation kinetic than the sum of individual effects

L'objectif de ce travail est d'apporter une aide à la décision quant au choix d'un matériau composite à renfort tissé hybride et non hybride pour une application où les effets du vieillissement conditionnent la décision. Cet objectif nécessite à la fois une approche expérimentale et théorique. L'approche expérimentale est menée, à partir d'essais standards (traction, flexion et torsion), par une caractérisation des propriétés élastiques et ultimes de chaque constituant (résine et unidirectionnel) et de chaque composite à renfort tissé. L'identification des mécanismes d'endommagement est ensuite obtenue sur la base des essais précédents puis d'essais de délaminage (mode I, II et mixte (I+II)) par l'utilisation d'une méthodologie associant les techniques d'émissions acoustiques et de microscopie. L'analyse met en évidence l'influence du vieillissement des résines, des fibres et des interfaces sur les modes de rupture du composite pouvant ainsi être très différents avant et après vieillissement. La seconde partie est consacrée à la modélisation du comportement mécanique des composites à armure hybride ou non dans les domaines élastiques et jusqu'à rupture. A partir d'une décomposition de la cellule de base, l'application de la théorie du stratifié permet de déterminer les propriétés élastiques 3D du composite en fonction des constituants, de l'armure, du titre des mèches et des caractéristiques géométriques puis de prédire les ruptures locales et finales du composite après prise en compte des endommagements successifs des constituants (résine et mèches). Le modèle aboutit à un logiciel de calcul nommé Mesotex permettant d'analyser aisément l'influence des paramètres structuraux (titre des mèches, armure, quantité de résine et hybridation) sur les propriétés élastiques et à rupture du composite. L'étude paramétrique conduit à faciliter le choix d'un matériau et d'atteindre un compromis coût/masse/performance optimisé.

Initialement conçues pour les liaisons intercontinentales, les fibres ont vu leur domaine d'utilisation s'étendre aux réseaux de distribution locale et ce, en raison d'une demande croissante, toujours plus gourmande en débit d'informations. En pénétrant chez l'abonné la fibre se trouve exposée à des contraintes plus sévères du fait des sollicitations mécaniques et des variations climatiques. La compréhension des mécanismes de rupture et de vieillissement de la fibre optique est donc essentielle afin d'assurer la fiabilité du réseau. L'objet de cette thèse est d'étudier les mécanismes de rupture de la fibre optique de silice et de mieux comprendre les phénomènes physico-chimiques liés au vieillissement. On pourra ainsi mieux maîtriser l'évolution dans le temps des propriétés mécaniques de la fibre.

Une technique conforme et convergente d'éléments finis singuliers est présentée pour le calcul des facteurs d'intensité de contrainte dans les structures fissurées avec matériaux isotopes, anisotropes ou composites. Elle est basée sur la formulation des éléments finis hybrides métis de déplacement. Selon le type de chargement appliqué, nous avons traité des plaques fissurées en état de membrane ou en flexion. Les solutions asymptotiques de champ singulier de contraintes au voisinage du fond de la fissure sont introduites dans un élément singulier par la discrétisation du champ de contraintes. Nous garderons également dans les éléments singuliers, la partie régulière du champ des contraintes afin qu'ils puissent avoir des dimensions de l'ordre de la longueur de la fissure. Afin d'assurer la convergence de l'élément, il est nécessaire d'introduire non seulement la singularité des contraintes mais également celle des déplacements/déformations dans les éléments singuliers. La singularité de déplacement/déformation est obtenue par celle de la matrice jacobienne de l'élément isoparamétrique, en positionnant les nœuds d'interface au quart des côtés des éléments comme dans l'élément de Barsoum. Ces techniques permettent de déduire diverses méthodes de calcul des facteurs d'intensité de contraintes KM : 1) MCI : les KM peuvent être directement obtenus par résolution de l'équation structurale du système. 2) MCII : Les KM peuvent être indirectement obtenus par chaque élément singulier après la solution de l'équation structurales du système. 3) MD : les KM peuvent être indirectement obtenus en fonction de valeurs des déplacements des nœuds de l'élément singulier situés sur les lèvres de la fissure. Pour la plaque fissurée en flexion, l'apparition de nature tridimensionnelle de KM et la non linéarité de fermeture de la fissure dans la zone de compression, nous conduisent à combiner les éléments 3-D hybride métis singuliers et la méthode mixte du problème de contact. De nombreux exemples sont traités numériquement pour l'évaluation de la méthode présentée. Pour le problème de plaque fissurée en état de membrane, les éléments HSM ont montré une haute convergence des facteurs d'intensité de contraintes, tant pour les matériaux isotropes qu'anisotropes. Pour le problème de plaque fissurée en flexion, les résultats présentés sont en bon accord avec les solutions théoriques de Hartranft et Sih, malgré un maillage grossier. Les autres tests numériques (3-D, plaque composite stratifiée, fermeture de fissure) ont également prouvé que les éléments présentés assurent une analyse performante de la structure fissurée ou non.

L’utilisation des matériaux composites est en plein essor depuis quelques années, notamment dans le secteur aéronautique. C’est dans le cadre d’un partenariat avec Eurocopter que s’inscrivent ces travaux de thèse visant à analyser expérimentalement et à modéliser le comportement jusqu’à rupture de structures composites stratifiées sous chargements statique et de fatigue. Pour décrire le comportement mécanique des matériaux composites, plusieurs mécanismes de dégradation sont à considérer. Un modèle, basé sur la Mécanique de l’Endommagement, a récemment été développé au LMA. Il traduit les effets des endommagements transverse et de cisaillement, se caractérisant par la formation de petites fissures évoluant le long des fibres. Ce modèle a été intégré dans le code de calcul Abaqus/Standard afin d’étudier le comportement de structures stratifiées soumises à un chargement statique ou de fatigue. Les comparaisons essais / simulation ayant mis en évidence le fait que les critères de rupture classiques ne fonctionnent pas si le champ de déformation n’est pas homogène, une approche non locale a été développé. Basée sur un Volume Caractéristique de Rupture, elle permet de prendre en compte l’effet des concentrations de contraintes pour décrire la rupture de structures stratifiées. Une confrontation expérimentale a permis de valider le modèle de comportement associé à l’approche non locale pour divers matériaux, stratifiés et géométries pour des cas de chargements statiques. L’application aux cas de chargements de fatigue est encore à l’étude. Toutefois, les premières comparaisons entre les résultats de simulations et les essais sont encourageants
Recent developments in the aeronautics industry have accelerated interest in the use of composites as primary structural materials. This project is based on a collaboration with Eurocopter. The objectives are to experimentally analyse and model the behaviour until failure of laminated composite structures under static and fatigue loadings. To describe the mechanical behaviour of composite materials, several damage mechanisms have to be considered. A model, based on the Continuum Damage Mechanics and recently developed at the LMA, takes into account the effects of transverse and shear damages characterized by the creation of small cracks which run along the fibres. This model was integrated into Abaqus/Standard in order to study the behaviour of laminated structures under static and fatigue loadings. The comparisons between experimental data and numerical simulations have proved that conventional failure criteria do not work if the strain field is inhomogeneous. A non local approach, based on the definition of a Fracture Characteristic Volume, has been developed. This method takes into account the effects of stress concentrations on the failure of laminated structures. Comparisons with experimental data allows to valid thebehaviour model associated to the non local approach for various materials, laminates and geometries in the case of static loading conditions. The application in the case of fatigue loading is in progress and first results are promising

Cette étude porte sur le comportement thermomécanique d'un matériau agrégataire quasi-compact. Elle a pour objectif le développement d'un modèle de comportement répondant aux exigences requises pour une exploitation industrielle. Les réponses expérimentales mettnt en évidence un comportement comparable à celui des bétons, à savoir le caractère asymétrique (différence entre traction et compression) ainsi qu'une sensibilité à l'endommagement et à la pression hydrostatique. Une différence importante avec le comportement du béton concerne le comportement réversible qui est ici viscoélastique. Les modèles existants pour les matériaux du même type que celui étudié ne sont pas appropriés pour décrire complètement le comportement constaté. Par conséquent, un protocole expérimental spécifique a été développé à cette occasion. Il est présenté ainsi que le modèle qui en découle. Ce dernier est construit à partir des réponses issues des essais de traction, de compression uni-axiale et de compression tri-axiale sous confinement hydrostatique. Le modèle est isotrope et n'inclut qu'un nombre limité de paramètres. La limite de plasticité est décrite au moyen d'un critère parabolique à écrouissage isotrope. La règle d'écoulement est non-associée et un endommagement scalaire complète le modèle. Le modèle a été implanté dans le code de calcul Abaqus/standard sous la forme d'une procédure en Fortram. Une extension en température vient compléter la modélisation du comportement du matériau. La validation du modèle est effectuée sur la base de comparaisons avec plusieurs essais homogènes et sur structures
This research is achieved in the general frame work of the study of the thermomechanical behaviour of a quasi-compact aggregate. It has for objective the development of a new behaviour model satisfying to the particular requirements for an industrial exploitation. The model is isotropic and includes only a limited number of parameters. The experimental response shows a behaviour material comparable to concrete, to know the following characteristics : viscoelastic, damageable and sensitive to the hydrostatic pressure. For such materials, existing models were generally developped within the framework of the dynamic and static behaviour. They are not appropriate to simulate completely the material behaviour researched. Consequently, a specific model and an experimental protocol are presented. The model is derived from the tensile tests, the compressive tests and the triaxial compresssion tests under hydrostatic containment. The plastic limit is described by the means of a parabolic criterion with isotropic hardening. The flow rule is non-associated ; an isotropic damage achieves the model. Then, the developed model is implanted in the code of calculation standard abaqus by means of a numeric integration dealed with the shape of a procedure in Fortram. An extension in temperature comes to complete the modelling of the material behaviour. The dependance in temperature of the model parameters is taken into account in the Fortram subroutine. The validation of the model is done on the basis of several homogeneous tests as well as tests on structures by comparisons data/simulation

Le dimensionnement des structures composites passe par des modèles numériques toujours plus complexes dont la qualité découle de la capacité à reproduire le comportement du matériau. Pour les composites stratifiés, le comportement en compression dans la direction des fibres s’avère complexe et reste encore mal identifié. Une des principales difficultés pour ce type de sollicitation est la partie expérimentale notamment à cause des effets de structure (flambage et concentrations de contraintes) qui précipitent la ruine des éprouvettes.C’est dans ce cadre que nous proposons une étude expérimentale comportant deux volets. Le premier s’intéresse à la mesure de la résistance en compression sur des éprouvettes saines à travers différents essais (compression pure sur tubes et sur plaques). Il est montré que le comportement jusqu'à rupture est bien identifié. Le second volet vise à montrer que l’endommagement (micro-fissuration de la résine) affecte significativement la résistance en compression sens fibre. Ces résultats permettront une meilleure compréhension de la rupture des stratifiés pour des chargements complexes
To design composite structures it is required to access materials properties and to understand mechanisms of failure for different types of load. Shear and tensile tests are quite easy to do. That is why ply properties are well identified for these types of load. Yet in the case of compression, experimental methods are complex and then the knowledge of materials properties remains poor.When the slenderness of the specimen is excessive in compression test, buckling will affect the failure. But when the coupon is smaller, stress concentration generates a failure in the clamped-end. Structural effects are here the reason of the failure. It is then not possible to conclude about the materials properties.That is why an experimental study is proposed. This work is divided in two main parts. The first one talk about the measure of the compressive strength on undamaged samples with different geometries. It is shown that the behavior up to failure is well identified. In a second part it is demonstrated that damage decreases significantly the compressive strength. These results will finally be apply to the global design of laminates for any type of load

Une étude sur la durabilité d'assemblages collés en milieu chaud et humide est proposée dans ce manuscrit. L'objectif a été de construire un outil numérique capable de prédire le comportement mécanique après vieillissement des assemblages collés en vue de leurs dimensionnements. A cette fin, une importante étude expérimentale a été menée sur un adhésif structural de type époxy chargé élastomère et des assemblages collés simple recouvrement acier/époxy/acier, destinés à des applications du secteur automobile. Les résultats de ces essais ont permis le développement d'un modèle de diffusion non linéaire physiquement motivé, capable de prédire la pénétration de l'eau dans l'adhésif pour une température donnée et les contraintes qui en résultent. Ces dernières ont été obtenues grâce à une loi de comportement thermohydromécanique couplée, développée spécialement pour l'adhésif structural. Toutes ces lois ont été intégrées dans un modèle éléments finis capable de simuler l'essai de traction/cisaillement sur l'assemblage avec ou sans vieillissement. L'impact du vieillissement sur la tenue de l'adhésif et/ou de l'interface dans l'assemblage a été discuté pour améliorer la compréhension des observations expérimentales.

L'objectif de cette étude a été d'améliorer la description du vieillissement des isolants organiques solides ou polymères sous contrainte électrique. De ce fait, une large étude bibliographique a été effectuée afin d'analyser, comparer et améliorer les scénarios de vieillissement des polymères isolants. Cette étude bibliographique a montré que, par souci de simplification, des paramètres pertinents ont été négligés dans la description du vieillissement électrique des polymères; à savoir leur structure hétérogène et la distribution de leurs propriétés. Cette étude présente une nouvelle approche sur le vieillissement des isolants organiques solides ayant pour premier objectif de prendre en compte la complexité de leur structure mise en évidence expérimentalement. Pour cela, le matériau a été assimilé à un ensemble de sites représentant des états énergétiques différents et donc des propriétés et une vitesse de vieillissement différentes selon chaque site. Les principaux paramètres en jeu au cours du processus de dégradation tels que la variation du volume spécifique, l'évolution de la rigidité diélectrique ainsi que la valeur locale du champ électrique ont été définis. L'expression du temps de retard de chacun des processus élémentaires de vieillissement en fonction de ces paramètres a été établie. Finalement une forme distribuée de ces temps de retard a été présentée. Notre approche phénoménologique est donc une approche multi-sites qui, complétée par une étude expérimentale, permettrait l'établissement d'une équation qui relierait le temps de vie de l'isolant aux différents paramètres en jeu tout en respectant leur distribution sur l'ensemble des sites au sein du polymère
The aim of this study is to improve the description of solid organic insulators or polymers ageing under electrical stress. With this objective in view, the different ageing scenarios existing in the literature were analyzed, compared and improved. This theoretical study showed that many parameters related to their heterogeneous structure and the distribution of their properties were neglected in order to simplify the modelling. This study presents a new approach in the description of solid organic insulators ageing by taking into consideration their experimentally demonstrated structural complexity. In this approach, the polymer material has been assimilated to a set of sites representing different energy states, thereby different properties as well as ageing rates depending on each site. The principal parameters involved during the ageing process, such as the specific volume variation, the dielectric strength evolution and the local value of the electrical field have been defined. The expression of the retardation time specific to each elementary ageing process has been established. Finally, a distributed form of those retardation times has been presented. Our "phenomenological" approach is thus a multi-sites one permitting, along with an experimental study, to establish an equation relating the life time of polymer electrical insulators to the different parameters at play, all along respecting their distribution over the entire set of sites within the polymer

Le sujet de la thèse est l'étude de la dégradation des caractéristiques élastiques d'une roche fragile induite par le chargement. En particulier on s'intéresse à l'anisotropie induite et à son influence sur le caractère fragile de la rupture. L'étude présente le développement d'un modèle de comportement approprié à ce phénomène, une étude expérimentale pour l'étalonnage et la validation du modèle et enfin une application à un problème aux limites particulier représentant l'étude de la rupture d'un cylindre creux et d'une excavation souterraine profonde. Le cadre théorique utilisé est celui de la mécanique de l'endommagement continu. Le modèle développé est caractérisé par un tenseur de vitesse d'endommagement anisotrope d'ordre deux. Les lois d'évolution des trois composantes du tenseur d'endommagement sont obtenues expérimentalement à partir d'essais de compression triaxiale. Les essais ont été réalisés sur deux roches d'origine sédimentaire : une calcarénite italienne, la pietra leccese, et un grès français, le grès de Rothbach. L'influence des conditions de réalisation des essais (élancement des échantillons, frettage ou lubrification des bases des échantillons) a été étudiée. Nous avons simulé le comportement d'un cylindre creux et d'une cavité cylindrique soumise à un état de contraintes isotrope à l'infini. Les résultats de cette simulation numérique ont montré que plus l'anisotropie induite est forte, plus le comportement de la roche est fragile et plus élevé est le nombre de stabilité.

L’objectif de ce travail est d’étudier l’effet de différents types de vieillissement sur le comportement mécanique en traction de matériaux composites à fibres de lin et de verre et hybrides lin-verre. L’effet de plusieurs types de vieillissement a été d’abord analysé dans le cas de matériaux composites stratifiés à fibres de lin. Cette étude a permis de suivre l’absorption d’eau dans ces matériaux, et de déterminer leurs paramètres de diffusion en utilisant les modèles de Fick 1D et 3D. Ces paramètres ont été estimés en utilisant une procédure itérative développée à l’aide du logiciel Matlab. Ensuite, une caractérisation des propriétés élastiques et ultimes, à partir des essais de traction des matériaux composites non vieillis et vieillis a été réalisée. Dans le but de réduire l’absorption d’eau et d’améliorer les propriétés mécaniques des composites à fibres de lin, l'hybridation des renforts sergé lin-verre a été choisie. Après l’analyse du comportement mécanique des différents matériaux, l’identification des mécanismes d’endommagement est ensuite menée en utilisant une méthodologie associant la technique d’émission acoustique (EA) et des observations microscopiques. Les signaux d’EA ont été analysés, en considérant une analyse multivariable avec le Logiciel Noesis. La dernière partie aborde une 1ère étape de la modélisation des propriétés élastiques des composites hybrides lin-verre. A partir d’une décomposition de la cellule de base, l’application de la théorie des stratifiés a permis de déterminer les propriétés élastiques du composite en fonction de ses constituants (fibres et matrice) en tenant compte de la géométrie de l’armure
The main objective of this work is to study the effect of several ageing processes on the tensile mechanical behaviour of flax-glass fibres non-hybrid and hybrid composite materials. First, the effect of several types of ageing was analysed in the case of flax fibre reinforced composites. This study enabled to determine the diffusion parameters of these materials by using 1D and 3D Fick’s model. For this purpose, an analytical modelling was applied, using optimisation toolbox of Matlab. The second part aims at analysing the tensile mechanical properties of the unaged and aged composite materials. With the aim to improve the mechanical properties as well as the moisture resistance behaviour of flax fibre reinforced composites, hybridation of twill flax-glass fibres was proposed. Next, the Acoustic Emission (AE) technique combined with scanning electron microscopy observations was used to identify the damage events leading to overall failure of the studied composites. The AE signals obtained during mechanical tensile tests were analysed and classified using a non-supervised method with Noesis Software. The last part is devoted to the first step in determining the elastic behaviour of flax-glass hybrid composites. By discretizing the unit-cell of the composite, the use of the classical thin laminate theory made it possible to determine the elastic properties of the composite, considering constituents (resin and fibres) and microstructure geometry

La construction de bâtiments en pisé est une technique ancienne qui connaît un nouvel essor aujourd'hui dans le monde grâce à la performance énergétique de ce matériau dans tout le cycle de vie d'un bâtiment: phases de construction, d'occupation et de démolition. Ce point fort permet de considérer le pisé comme un matériau prometteur du secteur du bâtiment dans le contexte du développement durable. Pourtant, il subsiste des problèmes de quantification de la durabilité, des performances mécaniques et thermiques qui empêchent la population d’utiliser ce matériau. Cette thèse est consacrée à l’étude de ces problèmes, notamment les deux premiers. L’étude de la durabilité du pisé a été réalisée sur les murets en pisé exposés pendant 20 ans dans les conditions naturelles sur site. Une méthode de mesure de l'érosion des murs en pisé est mise au point à partir de la méthode de stéréophotogrammétrie. Des résultats obtenus ont montré une durée de vie de plus de 60 ans pour des murs en pisé non-stabilisé. L’étude des caractéristiques mécaniques en compression du matériau pisé a été réalisée sur trois échelles différentes. La première est l'échelle des murs sur site. Des mesures dynamiques ont été réalisées sur site pour déterminer des fréquences propres des murs. Le module d'élasticité est déterminé à partir des fréquences propres mesurées en utilisant une modélisation par éléments finis. La deuxième est l'échelle des échantillons représentatifs du matériau pisé (des dimensions proches des murs sur site) fabriqués et testés en laboratoire. Finalement, en ce qui concerne la dernière échelle (microscopique), des essais sont réalisés sur des blocs de terre comprimée (BTC) équivalents
Rammed earth construction is an ancient technique which is attracting renewed interest throughout the world today, thanks to the energy performance of this material throughout the lifecycle of a building: construction, occupation and demolition phases. Although rammed earth is currently regarded as a promising material in the construction sector in the context of sustainable development, it is still difficult to quantify its durability, as well as its mechanical and thermal performances, which discourages people from using it. This thesis is devoted to the study of these problems, especially the two first ones. The study of the durability of rammed earth was carried out on rammed earth walls exposed for 20 years to natural weathering, in a wet continental climate. A method to measure the rammed earth walls erosion by stereo-photogrammetry has been developed. The result shows a lifetime longer than 60 years in the case of the unstabilised rammed earth wall. This shows a potential for the use of unstabilised rammed earth in the similar climatic conditions with this study. The method of stereo-photogrammetry used to measure the erosion of rammed earth walls on site may also help to calibrate and develop more pertinent laboratory test to assess the durability of rammed earth wall. The study of the mechanical characteristics of rammed earth in compression was carried out on three different scales. The first is the scale of in-situ walls. Dynamic measurements were carried out on site to determine the Eigen frequencies of the walls. The elastic modulus was determined from the frequencies measured by using a finite element model. The second is the scale of a representative volume element (RVE). Rammed earth RVE samples with dimensions similar to those of the walls on site were manufactured and tested in the laboratory. Finally, at the last scale, called the micro-mechanical scale, tests were performed on equivalent compressed earth blocks (CEBs), which can replace the rammed earth RVE samples to facilitate laboratory tests. An exploratory study of seismic characteristics of rammed earth houses has also been established. The comparison of Eigen periods of rammed earth houses obtained from in-situ measurements and those of empirical formula proposed by seismic standards has been done. The strengthening techniques to improve the seismic capacity of rammed earth houses were also discussed

L’isolation des cuves des méthaniers, utilisant la technologie de membrane MarkIII, est garantie par l’agencement de barrières thermiques réalisées à l’aide de blocs de mousse polyuréthane renforcée. La membrane est dimensionnée pour résister aux diverses sollicitations mécaniques et thermiques de service. De plus, dans le cadre de l’étude de scénarios de sécurité critiques, il doit être démontré que l’occurrence d’un évènement rare de type pénétration d’eau, n’engendre pas de dommages sévères des composants de la membrane.L’objet de ce travail est d’étudier le comportement de la mousse polyuréthanne renforcée par des fibres de verre en immersion afin d’aider à une meilleure compréhension des mécanismes de diffusion et de l’impact de la pénétration de l’eau sur les propriétés du matériau.La mise en place d’essais de sorption à température ambiante, suivant trois conditionnements « libre », « bloqué » et « couplé » a permis d’identifier respectivement une loi de gonflement, une loi de chargement et une loi d’endommagement.En conditionnement « libre », l’architecture cellulaire et les positionnements de fibres de verre dans les plans XY induisent un couplage hygro-mécanique anisotrope. Le gonflement de la direction Z, joue un rôle très important sur les niveaux de solubilité de l’eau.En conditionnement « bloqué », le blocage du déplacement des faces perpendiculaires à la direction Z induit une augmentation du niveau de contrainte interne en fonction de la progression du front de pénétration.En conditionnement « couplé », l’enchaînement d’un vieillissement hydrique et d’un vieillissement cryogénique engendre un endommagement, dont le degré est proportionnel au niveau de gonflement de la structure cellulaire.L’impact de ces différents conditionnements sur la durabilité des propriétés mécaniques du matériau a été évalué
The insulation of containment membrane of liquid natural gas carrier using the MarkIII membrane system, consists of load-bearing system made of panels in glass fiber reinforced polyurethane foam. The membrane is designed to resist to mechanical and thermal service load cases. As stated by IGC code regulation, and more specifically in some critical safety scenario, it has to be demonstrated that the cargo containment system will keep its integrity and main functions when subjected to water leakage through the inner hull wall (ballast).The challenge of this study is to appreciate the behavior of the reinforced polyurethane foam in immersion, which could widen the understanding of both water diffusion mechanisms and the impact of water penetration on the properties of the material.The setting up of water sorption tests at ambient temperature, according to three conditioning "free", "blocked" and "coupled" has allowed to identify a swelling law, a loading law and a damage law.In "free" conditioning, the cellular structure and the orientation of glass fibers in XY planes induce an anisotropic hygro-mechanical coupling. The swelling of Z direction has an important impact on the water solubility levels.In "blocked" conditioning, the blocking of the displacement of the faces perpendicular to the Z direction induces an increase in the internal stress levels as a function of the progression of the penetration front. In "coupled" conditioning, the sequence of the water aging and the cryogenic aging causes several damages. The damage degree is proportional to the hygroscopic swelling level of the cellular structure.The impact of these different conditionings on the durability of the material mechanical properties has been evaluated

Les absorbeurs de chocs en matériaux composites sont capables de dissiper une grande quantité d'énergie, grâce à une compétition de deux mécanismes que sont le délaminage et la fragmentation des plis en compression. Ce second mode de rupture a pour origine le plissement, qui s'initie de façon intrinsèque à l'échelle des fibres. Cette thèse est une contribution à la modélisation multi-échelles de la rupture en compression pour la simulation de structures composites. A cette fin, on propose une stratégie en trois étapes. La première consiste à construire un modèle microscopique capable de représenter la physique du plissement. La difficulté est d'intégrer les influences pertinentes en termes de contrainte ultime et d'énergie absorbée, en particulier l'influence des défauts et du cisaillement. La seconde étape consiste à homogénéiser la réponse de ce micromodèle pour une variété de chargements représentatifs. Un modèle de comportement original et paramétré par les défauts de la microstructure est proposé. Il intègre des lois de comportement déterministes, identifiées par des simulations du micromodèle numérique. Enfin, la troisième étape a pour objet d'intégrer ce comportement basé sur la micromécanique dans un modèle à l'échelle du pli, existant et validé. L'implantation est réalisée dans le cadre d'un code de calcul hybride continu/discret, pour mener des simulations d'échantillons et observer les interactions entre le plissement et les autres modes de dégradation.

Les structures en béton des centrales nucléaires peuvent être soumises à des contraintes thermo- hydriques modérées, caractérisées par des températures de l'ordre de la centaine de degrés aussi bien en conditions de service qu'accidentelles. Ces contraintes peuvent être à l'origine de désordres importants notamment la fissuration qui a pour effet d'accélérer les transferts hydriques dans la structure. Dans le cadre de l'étude de la durabilité de ces structures, le modèle THMs a été développé au Laboratoire d'Etude du Comportement des Bétons et des Argiles (LECBA) du CEA Saclay pour simuler le comportement du béton face à des sollicitations couplées thermo-hydro-mécaniques. Dans cette thèse on s'est intéressé à l'amélioration dans le modèle THMs d'une part de l'estimation des paramètres mécaniques et hydromécaniques du matériau en conditions partiellement saturées et en présence de fissuration et d'autre part de la description de la fissuration. La première partie a été consacrée à la mise au point d'un modèle basé sur une description multi-échelle de la microstructure des matériaux cimentaires, en partant de l'échelle des principaux hydrates (portlandite, ettringite, C-S-H, etc.) jusqu'à l'échelle macroscopique du matériau fissuré. Les paramètres investigués sont obtenus à chaque échelle de la description par des techniques d'homogénéisation analytiques. Dans la seconde partie on s'est attaché à décrire numériquement de façon précise la fissuration notamment en termes d'ouverture, de localisation et de propagation. Pour cela une méthode de réanalyse éléments finis/éléments discrets a été proposée et validée sur différents cas-test de chargement mécanique. Enfin la procédure a été mise en œuvre dans le cas d'un mur chauffé et une méthode de recalcul de la perméabilité a été proposée permettant de montrer l'intérêt de la prise en compte de l'anisotropie du tenseur de perméabilité lorsqu'on s'intéresse à l'étude des transferts de masse dans une structure en béton fissurée. Mots clés : matériaux cimentaires, homogénéisation, modélisation multi-échelle, microfissures, éléments discrets, éléments finis, chargements thermo-hydro-mécaniques.