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Glacier flow over rough hard beds is controlled by basal processes, such as friction, the opening of cavities behind obstacles and any interaction between the glacier bed and basal ice. In this PhD, we study a multitude of these processes.Current theories to describe drag of glaciers over hard beds are formulated on the basis that ice is free of debris and slides without friction over the glacier bed.However, debris at the basal layers and cold ice cause additional resistance to glacier flow.We provide an analytical model of glacier sliding that accounts for the effect of local shear stress at the ice-bed interface in the framework of Weertman (1957), and expand the solution to account for the opening of cavities.This additional drag slows glacier sliding but due to additional strain enhancement of the basal ice, the viscosity of the ice decreases and the basal speed is higher than expected.The inclusion of local shear stress makes the friction law implicit, complicating the identification of scaling parameters from the geometry alone.We further study this problem using a numerical finite element model of glacier sliding over a sinusoidal bed under steady-state conditions.We find that the law with non-zero local shear stress at the base retains the overall form of the friction law with zero local shear stress, such that an appropriate scaling can be obtained.The similarity between a friction law with zero and non-zero local shear stress is convenient for generalising empirical friction laws at the field scale, although it complicates the identification of the effect of local shear stress on glacier flow.Glacier internal deformation is controlled by the ice rheology which is described by the Glen’s law through two material parameters, the creep factor A and the flow law exponent n.There is great uncertainty in the values of these parameters as a result of scarce observations at the natural scale.One of the techniques that has been used to study ice deformation and constrain material properties is borehole inclinometry.We present here the results of an inclinometry study carried out at the ablation zone of Glacier d'Argentière, a temperate glacier in the French Alps.We monitored glacier deformation during 2020 with borehole-installed tiltmeters that record tilt change every 30 minutes. We are able to reconstruct the deformation rates profile with depth and the deformation velocity. Complementing our dataset with a dense network of GPS stations we are able to indirectly observe the basal velocity during the studied period. We infer the rheological parameters by comparing our observations with the deformation rates retrieved with a three-dimensional model solving the Stokes equation.We demonstrate that the yearly-averaged deformation rates profile has limited sensitivity to the flow law exponent n and instead mainly reflects an increase in the creep factor A with depth which could be explained with depth-increasing interstitial water content.The depth-averaged creep factor is found to be 1.5 times higher than the recommended one for temperate ice. We further show that internal ice deformation exhibits seasonal variability, such that surface velocity changes cannot be attributed solely to changes in basal conditions.At longer timescales, surface velocity variability is better explained with changes in the deformation rates, while shorter velocity variability (weeks or days) is better explained with changes in basal velocity.Further work remains to be conducted in order to confirm if the observed creep enhancement is due to depth-increasing water content, and to determine the causes behind the seasonal changes in internal deformation and basal velocity. Our results will help future assessment of the state and evolution of the cryosphere.; L'écoulement des glaciers sur des lits durs et rugueux est contrôlé par des processus basaux, tels que la friction, l'ouverture de cavités derrière des obstacles et toute interaction entre le lit du glacier et la glace basale. Dans cette thèse, nous étudions une multitude de ces processus.Les théories actuelles pour décrire la traînée des glaciers sur des lits durs sont formulées sur la base que la glace est exempte de débris et glisse sans friction sur le lit du glacier.Cependant, les débris dans les couches basales et la glace froide causent une résistance supplémentaire à l'écoulement.Nous fournissons un modèle analytique du glissement des glaciers qui tient compte de l'effet de la contrainte de cisaillement locale à l'interface glace-lit dans le cadre de Weertman (1957), et étendons la solution pour tenir compte de l'ouverture des cavités.Cette traînée supplémentaire ralentit le glissement du glacier, mais en raison de l'augmentation de la déformation de la glace basale, la viscosité diminue et la vitesse basale est plus élevée que prévu.L'inclusion de la contrainte de cisaillement locale rend la loi de friction implicite, ce qui complique l'identification des paramètres d'échelle à partir de la géométrie seule.Nous constatons que la loi avec une contrainte de cisaillement locale non nulle à la base conserve la forme générale de la loi de friction avec une contrainte de cisaillement locale nulle, de sorte qu'une mise à l'échelle appropriée peut être obtenue. La similitude entre une loi de friction avec une contrainte de cisaillement locale nulle et non nulle est pratique pour généraliser les lois de friction empiriques à l'échelle du champ, bien qu'elle complique l'identification de l'effet de la contrainte de cisaillement locale sur l'écoulement des glaciers. La déformation interne des glaciers est contrôlée par la rhéologie de la glace qui est décrite par la loi de Glen à travers deux paramètres matériels, le facteur de fluage A et l'exposant n de la loi d'écoulement. Il existe une grande incertitude quant aux valeurs de ces paramètres en raison de la rareté des observations à l'échelle naturelle. Nous présentons ici les résultats d'une étude d'inclinométrie réalisée dans Glacier d'Argentière, un glacier tempéré des Alpes françaises.Nous avons suivi la déformation du glacier au cours du 2020 grâce à des inclinomètres installés dans des forages qui enregistrent les changements d'inclinaison toutes les 30 minutes.Nous pouvons reconstruire le profil des taux de déformation avec la profondeur et la vitesse de déformation. Nous complétons notre ensemble de données par un réseau de stations GPS qui permet d'observer la vitesse basale pendant la période étudiée.Nous déduisons les paramètres rhéologiques en comparant nos observations avec les taux de déformation obtenus à l'aide d'un modèle tridimensionnel résolvant l'équation de Stokes.Le profil des taux de déformation en moyenne annuelle a une sensibilité limitée à l'exposant n de la loi d'écoulement et reflète principalement une augmentation de A avec la profondeur qui pourrait être expliquée par une augmentation de la teneur en eau interstitielle en profondeur.Nous montrons également que la déformation interne de la glace présente une variabilité saisonnière, de sorte que les changements de vitesse de surface ne peuvent être attribués uniquement aux changements des conditions basales. Sur des échelles de temps plus longues, la variabilité de la vitesse de surface est mieux expliquée par les changements dans les taux de déformation, tandis que la variabilité de la vitesse plus courte est mieux expliquée par les changements à la base.D'autres travaux restent à mener pour confirmer si l'augmentation du fluage observée est due à l'augmentation de la teneur en eau, et déterminer les causes des changements saisonniers de la déformation et de la vitesse basale. Nos résultats contribueront à l'évaluation future de l'état et de l'évolution de la cryosphère.

This thesis develops a field electron emission model to simulate the emission of electrons by quantum tunneling enabled by the local field enhancement around the apex of micro/nanostructures located at a cathode surface. The study focuses more specifically on the self-heating of the emitting structures caused by the combined action of the Joule and Nottingham effects that come along with the electric current. When the local field reaches several gigavolts per meter, the positive feedback loop between current and temperature can cause the thermal destruction of the emitters. This phenomenon reduces the lifetime of electron sources that are based on field emitter arrays and can also be the cause of an electrical breakdown damaging ultra-high-voltage vacuum devices. By solving in time the coupled heat and current equations using a finite element method, the simulations offer new insights into the evolution of the electron emission. In particular, a thorough parametric analysis has unveiled for some specific cases the occurrence of a previously undocumented thermal instability which is related to the inversion of the Nottingham effect. The simulations show that this instability causes the thermal failure to occur sooner for carbon nanometric emitters whose properties approximate the experimental situation of an electron source currently under development. In parallel, a study of the electrical and thermal interac- tions between nearby emitters enabled us to develop an efficient method of dimension reduction from 3D to N×2D to ease the simulation of the self-heating of a large number N of axisymmetric emitters. This method could help to systematically take into account the emitter self-heating in such configurations., Cette thèse développe un modèle d’émission électronique par effet de champ pour simuler l’émission d’électrons par effet tunnel rendue possible par le renforcement de champ électrique au sommet de structures micro/nanométriques distribuées à la surface d’une cathode. Plus spécifiquement, l’étude porte sur l’autoéchauffement des structures émettrices par l’action combinée des effets Joule et Nottingham qui accompagnent l’émission. Lorsque le champ local atteint plusieurs gigavolts par mètre, la boucle de rétroaction positive entre courant et température peut causer la destruction thermique des émetteurs. Ce phénomène réduit la durée de vie des sources d’électrons basées sur des réseaux d’émetteurs et peut être à l’origine d’un claquage électrique dommageable pour les machines opérant sous vide à très haute tension. En résolvant temporellement par la méthode des éléments finis les équations couplées de la chaleur et du courant, les simulations offrent un éclairage nouveau sur l’évolution de l’émission électronique. En particulier, une analyse paramétrique approfondie a permis de mettre en évidence un phénomène de bistabilité thermique, non documenté jusqu’ici. Cette bistabilité est reliée à un emballement de l’effet Joule ensuite amorti par l’effet Nottingham devenu refroidissant. Lorsque l’amortissement est insuffisant, l’instabilité résistive cause la destruction prématurée des émetteurs, comme observé pour le cas d’émetteurs nanométriques en carbone dont les propriétés s’approchent de la situation expérimentale d’une source d’électron actuellement en développement. En parallèle, une étude des interactions électriques et thermiques entre émetteurs proches a abouti sur une méthode efficace de réduction de dimension 3D vers N×2D pour simplifier la simulation de l’autoéchauffement d’un grand nombre N d’émetteurs axisymétriques. Cette méthode pourrait permettre de généraliser la prise en compte de l’autoéchauffement dans ce type de configuration.

In some dry contacts, such as in fretting, the relative motion between the two bodies generates particles of wear debris. These debris particles, mixed with external particles, form the third body. This third body plays several roles, and in particular allows transmitting the loads while accommodating velocity. The understanding of the influence of the third body flows within the contact is the issue of this thesis. Several lines of study are examined. Numerical simulations are conducted using the MELODY2D software which allows representing the third body as a set of deformable particles. Depending on the properties of these particles, the third body adopts different behaviours: plastic, granular or agglomerated. These flow regimes generate stresses, and damage that can cause wear. Other parameters have consequences on this wear: the thickness of the third body and the sliding direction. To analyse these numerical results, a mathematical tool is developed : the coherence. It allows to quantify the agglomeration phenomenon. The characterisation of the third body resulting from experimental tests is the subject of an experimental bench, designed on this occasion. Coupled with numerical simulations, it could allow determining the flow regimes of the third body in the contacts experimentally. These results open the way towards a consideration of the behaviour and flow regimes of the third body in the interface, and allow to consider a multiscale model of wear., Dans certains contacts secs, comme dans le cas du fretting, le mouvement relatif entre les deux corps génère des débris d’usure. Ces débris, mélangés à des particules extérieures, forment le troisième corps. Ce troisième corps joue plusieurs rôles, et permet notamment de transmettre les charges tout en accommodant les vitesses. La compréhension de l’influence des écoulements de troisième corps au sein du contact forme l’enjeu de cette thèse. Plusieurs axes d’études sont examinés. Des simulations numériques sont menées à l’aide de MELODY2D. Ce logiciel permet de représenter le troisième corps comme un ensemble de particules déformables. En fonction des propriétés de ces particules, le troisième corps adopte des comportements différents : plastiques, granulaire ou aggloméré. Ces régimes d’écoulement génèrent des contraintes, puis des endommagements susceptibles de causer de l’usure. D’autres paramètres ont des conséquences sur cette usure : l’épaisseur de troisième corps et le sens de glissement. Pour analyser ces résultats numériques, un outil mathématique est développé : la cohérence. Il permet de quantifier le phénomène d’agglomération. La caractérisation du troisième corps issu d’essais expérimentaux fait l’objet d’un banc expérimental, conçu à cette occasion. Couplé à des simulations numériques, il pourrait permettre de déterminer expérimentalement les régimes d’écoulement de troisième corps qui se trouvent dans les contacts. Ces résultats ouvrent la voie vers une prise en compte du comportement et des régimes d’écoulement du troisième corps dans l’interface, et permettent d’envisager un modèle multi-échelle de l’usure.

This thesis provides insights into the hydrological processes in the Cambodian Mekong delta, as well as their relationship to ecosystem services from which the local population benefits. In particular, the role of the Prek channels is examined. First constructed during the period of the French protectorate in the early20th century, these channels diverge perpendicularly from the Mekong and its deltaic distributary, the Bassac, and provide a connection between the river mainstream and its low-lying floodplains by breaching the elevated river banks. The aim of this thesis is to assess how large-scale changes in the Mekong basin,such as climate and land use change, as well as hydropower development, are reflected at a local scale in its delta. It also aims to elucidate how local infrastructure such as Preks catalyzes these processes and could help mitigate negative effects of future scenarios.To address all of these research questions, a multi-method approach was chosen. First, a thorough literature review of the complex challenges facing the Mekong basin and its delta was carried out. Subsequently, an analysis of long-term trends in water levels, precipitation patterns, and inundation extents and dynamics at the scale of the Cambodian Mekong delta is provided. Water level time series at four hydrological stations maintained by the Mekong River Commission (MRC) are subjected to a trend and break point analysis. Furthermore, precipitation data from three in-situ stations, as well as remotely sensed CHIRPS data are compared. Inundation extents are assessed on the basis of a new model developed in the course of this thesis: WAFL - Water Level Flood Link. WAFL uses in-situ water level time series and inundation maps derived from Sentinel-1 and -2 images taken between 2017 and 2020, and establishes a correlative link between them, accounting for flood propagation delays and attenuation. It can then be used to reconstruct past inundation extents based on water levels, overcoming spatial data sparsity. It is able to reconstruct earlier events (floods in the 1990’s and 2000s) with good accuracy, in comparison to historical Landsat-derived maps. This indicates that long-term changes of flood patterns are mostly due to shifts in boundary inflow, rather than in the local configuration of the link between the riverand its floodplains. Overall, average inundation durations have declined by 19 days and the incidence of inundations in the early wet season (July and August) has decreased by an average of to 21 Furthermore, fieldwork was carried out in a case study area on the banks of the Bassac river, which encompasses ten Preks. Local stakeholders, such as farmers and village chiefs, were interviewed to gain a better understanding of the ecosystem services linked to local hydrological processes, and the capacity in which the Preks catalyze these processes. The interviews also served as a basis to characterize typical cropping patterns and practices, from irrigation to average and maximum yield. To further enhance the understanding of the role of the Preks for local communities and agricultural practices archival research was undertaken. In addition, local land use and its variations depending on the spatial configuration of hydrological processes and Preks was analyzed using a land use - land cover (LULC) classification based on Sentinel imagery and a supervised Gradient Tree Boosting machine learning approach.Finally, to formalize the understanding of the role of Preks for local hydrological processes and ecosystem services in the Cambodian Mekong delta, and to simulate future scenarios, a numerical model was constructed in Python. It uses the data generated through interviews, literature research, and remote sensing analyses as input and simulates four future scenarios with respect to local climate variables, the configuration of Prek channels and river water levels, the latter depending on basin-wide climate change and hydropower development. Flood-related and non-flood related ecosystem services were simulated separately, to central role of annual monsoon inundations. The results show that under likely future precipitation, temperature, and water level patterns, agricultural production is set to decrease, but that this decrease could be compensated by Prek rehabilitation., Cette thèse fournit des informations sur les processus hydrologiques dans le delta du Mékong cambodgien, ainsi que sur leur relation avec les services écosystémiques dont bénéficie la population locale. En particulier, le rôle des canaux de Prek est examiné. Construits à l’époque du protectorat français, au débutdu 20e siècle, ces canaux divergent perpendiculairement du Mékong et de son distributaire deltaïque, le Bassac, et assurent une connexion entre le cours principal du fleuve et ses plaines inondables de faible altitude en ouvrant des brèches dans les berges élevées du fleuve. L’objectif de cette thèse est d’évaluer comment les changements à grande échelle dans le bassin du Mékong, tels que le changement climatique et l’utilisation des terres, ainsi que le développement de l’hydroélectricité, se reflètent à une échelle locale dans son delta. Elle vise également à élucider comment les infrastructures locales telles que Preks catalysent ces processus et pourraient contribuer à atténuer les effets négatifs des scénarios futurs.Pour répondre à toutes ces questions de recherche, une approche multi-méthodes a été choisie. Tout d’abord, une analyse documentaire approfondie des défis complexes auxquels sont confrontés le bassin du Mékong et son delta a été réalisée. Ensuite, une analyse des tendances à long terme des niveaux d’eau, desmodèles de précipitations, de l’étendue et de la dynamique des inondations à l’échelle du delta du Mékong cambodgien est fournie. Les séries chronologiques des niveaux d’eau de quatre stations hydrologiques maintenues par la Commission du Mékong (MRC) sont soumises à une analyse des tendances et des points de rupture. De plus, les données de précipitation de trois stations in situ, ainsi que les données de télédétection CHIRPS sont comparées. L’étendue des inondations est évaluée sur la base d’un nouveau modèle développé au cours de cette thèse : WAFL - Water Level Flood Link. WAFL utilise des séries temporelles de niveaux d’eau in-situ et des cartes d’inondation dérivées d’images Sentinel-1 et -2 prises entre 2017 et 2020, et établit un lien corrélatif entre elles, en tenant compte des délais de propagation et de l’atténuation des inondations. Elle peut ensuite être utilisée pour reconstruire les étendues d’inondation passées sur la base des niveaux d’eau, en surmontant la rareté des données spatiales. Elle est capable de reconstruire des événements plus anciens (inondations des années 1990 et 2000) avec une bonne précision, en comparaison avec les cartes historiques dérivées de Landsat. Cela indique que les changements à long terme des modèles d’inondation sont principalement dus à des changements dans le flux d’entrée frontalier, plutôt que dans la configuration locale du lien entre la rivière et ses plaines d’inondation. Globalement, la durée moyenne des inondations a diminué de 19 jours et l’incidence des inondations au début de la saison des pluies (juillet et août) a diminué en moyenne de 21 %.En outre, le travail de terrain a été réalisé dans une zone d’étude de cas sur les rives du fleuve Bassac, qui englobe dix Preks. Les parties prenantes locales, telles que les agriculteurs et les chefs de village, ont été interrogées afin de mieux comprendre les services écosystémiques liés aux processus hydrologiques locaux et la capacité des Preks à catalyser ces processus. Les entretiens ont également servi de base pour caractériser les modèles et pratiques culturales typiques, de l’irrigation au rendement moyen et maximal. Afin d’améliorer la compréhension du rôle des Preks pour les communautés locales et les pratiques agricoles, des recherches archivistiques ont été entreprises. En outre, l’utilisation locale des terres et ses variations en fonction de la configuration spatiale des processus hydrologiques et des Preks ont été analysées à l’aide d’une classification de l’utilisation des terres et de la couverture des terres (LULC) basée sur l’imagerie Sentinel et une approche d’apprentissage automatique supervisée de type Gradient Tree Boosting.Enfin, pour formaliser la compréhension du rôle des Preks pour les processus hydrologiques locaux et les services écosystémiques dans le delta du Mékong cambodgien, et pour simuler des scénarios futurs, un modèle numérique a été construit en Python. Il utilise les données générées par les entretiens, la recherche documentaire et les analyses de télédétection comme données d’entrée et simule quatre scénarios futurs en ce qui concerne les variables climatiques locales, la configuration des canaux Prek et les niveaux d’eau du fleuve, ces derniers dépendant du changement climatique à l’échelle du bassin et du développement de l’hydroélectricité. Les services écosystémiques liés et non liés aux inondations ont été simulés séparément, en tenant compte du rôle central des inondations annuelles dues à la mousson. Les résultats montrent que dans le cadre des modèles probables de précipitations, de températures et de niveaux d’eau futurs, la production agricole devrait diminuer, mais que cette diminution pourrait être compensée par la réhabilitation des Preks.

In order to better understand their interactions in an urban environment, simultaneous modelling of hydrological transfers (TEB-Hydro) and tree vegetation (TEB-Tree), processes recently implemented within the TEB urban canopy model, is launched for the first time. The objective is to study how the domain of Paris metropolitan area responds to weather conditions from 2000 to 2017 in terms of hydrological (combined sewer overflows), micro-climatic (urban heat island, thermal stress) and coupled (hydric stress) vulnerabilities. A simulation configuration has been developed for this purpose. It is based on the refinement of an urban land use database with the inclusion of a precise description of the vegetation, the choice of a soil texture database and the integration of the characteristics of the sewer network. The model was hydrologically calibrated by regionalisation on this large domain of 39 catchments and evaluated.; Afin de mieux comprendre leurs interactions en milieu urbain, la modélisation simultanée des transferts hydrologiques (TEB-Hydro) et de la végétation arborée (TEB-Tree), processus récemment implémentés au sein du modèle de canopée urbaine TEB, est mise en œuvre pour la première fois. L'objectif est d'étudier comment le domaine de Paris et sa petite couronne répond aux conditions météorologiques de 2000 à 2017 en termes de vulnérabilités hydrologiques (déversements), micro-climatiques (îlot de chaleur urbain, stress thermique) et couplées (stress hydrique). Une configuration de simulation a été développée à cette fin. Elle repose sur le raffinement d'une base de données urbaine d'occupation du sol avec l'inclusion d'une description précise de la végétation, le choix d'une base de données de texture de sol et l'intégration des caractéristiques du réseau d'assainissement. Le modèle a été calé hydrologiquement par régionalisation sur ce large domaine de 39 bassins versants et évalué.

The drilling process is a complex operation generating high forces, torques and temperatures in a very localized and confined area. This thermomechanical loading can trigger early damage to the tools and impair the generated surfaces, especially when drilling Ti6Al4V, a material that is difficult to machine. The objective of this thesis is to improve the understanding of the involved cutting phenomena and provide a reliable and relevant evaluation of the loadings induced by the passage of the tool on the wall of the drilled hole. Experimentally, due to the high speeds and the difficult access to the cutting zone, obtaining reliable and quality information is a challenging task. The experimental part of this thesis therefore focus on the implementation and realization of tests for the measurement of thermomechanical fields at different scales of study. This multi-scale approach enables to identify the phenomena involved at different levels, but also to compare the studies at different scales in order to validate them and allow the change of scale. In addition, a numerical study is conducted. Faced with experimental difficulties, numerical modeling appears to be a relevant alternative in the assessement of the desired data. The approach adopted here is to couple it to the experimental strategy in order to develop a robust multi-scale model of Ti6Al4V drilling. This modeling is based on behavior and damage laws presenting an explicit coupling of thermal and mechanical phenomena, as well as on a fine determination of friction laws and partition coefficients. Finally, a comparison of the numerical and experimental results is carried out at each scale of study and enabled to conclude on the relevance of the proposed numerical model.; Le procédé de perçage consiste en une opération complexe générant d’importants efforts, couples et températures au sein d’une zone très localisée et confinée. Ce chargement thermomécanique peut conduire à l’usure prématurée des outils et à l’altération des surfaces générées, notamment lors du perçage du Ti6Al4V, matériau difficilement usinable. L’objectif de ces travaux de thèse est de fournir les clés pour une meilleure compréhension des phénomènes en jeu et une évaluation fiable et pertinente de ce chargement induit par le passage de l’outil sur la paroi du trou percé. Expérimentalement, du fait des vitesses élevées et de la zone de coupe difficile d’accès, obtenir des informations fiables et de qualité constitue un réel défi. Le volet expérimental de cette thèse a donc porté sur la mise en place et la réalisation d’essais pour la mesure de champs thermomécaniques à différentes échelles d’étude. Cette approche multi-échelle a permis d'identifier les phénomènes mis en jeu à différents niveaux, mais aussi de confronter les études aux différentes échelles afin de les valider et de permettre le changement d'échelle. En complément, une étude numérique est menée. Face aux difficultés expérimentales, la modélisation numérique apparaît comme une alternative pertinente pour l’évaluation des données souhaitées. La démarche adoptée ici est de la coupler à la stratégie expérimentale en vue d'élaborer une modélisation multi-échelle du perçage du Ti6Al4V qui se veut robuste. Cette modélisation est basée sur des lois de comportement et d'endommagement présentant un couplage explicite des phénomènes thermiques et mécaniques, ainsi que sur une détermination fine des lois de frottement et des coefficients de partage. Finalement, une confrontation des résultats numériques et expérimentaux est réalisée à chaque échelle d’étude et a permis de statuer sur la pertinence du modèle numérique proposé.

Steel-Concrete-Steel (SCS) structures are sandwich composite structures combining steel plates and a concrete core through a connection system. Their high strength, stiffness, durability, sustainability and modularity make them an increasingly competitive choice of structure for the construction of high-rise buildings, submerged tunnels or even in the nuclear field. To enable their use and to better understand, characterize and predict their behavior, numerical studies are conducted. This work presents a refine methodology to modelling SCS structures. The developed strategy allows, among other, to finely reproduce the response of the concrete around the connectors, an area in which this material is exposed to significant localized compression and shear stresses, as well as the shear behavior of the connectors, one of the phenomena at the origin of the failure of the connection system. Applied first to a push-out test, then to SCS beams in bending, these modelling allow to observe the variations of behavior that can be seen between full and partial composite action SCS structures. Based on this refine modelling, a simplified modelling strategy is also developed and applied to the study of SCS structural connection. This study allows to analyze the response and to identify the weak points of this type of complex structure.; Les structures « Steel-Concrete-Steel » (SCS) sont des structures composites combinant des plaques d’acier et un cœur de béton à l’aide d’un système de connexion. Leur fortes résistance, rigidité, durabilité, étanchéité et leur modularité en font un choix de structure de plus en plus concurrentiel pour la construction d'immeubles de grande hauteur, des tunnels submergés ou encore dans le domaine du nucléaire. Pour permettre leur utilisation et afin de mieux comprendre, caractériser et prédire leurs comportements, des études numériques sont réalisées. Ces travaux présentent une méthodologie fine de modélisation des structures SCS. La stratégie développée permet entre autres, de reproduire finement la réponse du béton autour des connecteurs, zone dans laquelle ce matériaux subit d’importantes sollicitations de compression et cisaillement localisées, ainsi que le cisaillement des connecteurs, l’un des phénomènes à l’origine de la ruine de la zone de connexion. Appliquée dans un premier temps à des essais push-out, puis à des poutres SCS en flexion, ces modélisations permettent d’observer les variations de comportement observables entre des structures SCS à action composite complète et partielle. À partir de cette modélisation fine, une stratégie de modélisation simplifiée est également développée et appliquée à l’étude de jonction d’ossature SCS. Cette étude permet d’analyser la réponse et d’identifier les points faibles de ce type de structure complexe.

Concrete is well known for its durability. However, it is exposed to aggressive agents, such as water and chlorides, leading to its degradation. The DC-electrical resistivity method is a technique devoted to non-destructive evaluation (NDE). However, when applying this measurement technique to reinforced concrete structures, the measurements may be highly influenced by the presence of reinforcement. To study the influence of reinforcements and estimate the impact of their effect on resistivity measurements on concrete, we model their contribution by finite element numerical analysis. Electrical measurements in reinforced and unreinforced concrete slabs were modelled and actual experimental measurements were used. This article presents the numerical study results that are compared to the experimental data for validation purposes. By validating the presented approach, it will be possible to fully account for the effect of the reinforcements, as an alternative to measurement strategies that aim at minimizing the disturbance due to reinforcements.

The construction of high-rise buildings in urbanized area can be subject to several constraints. When the loads transferred to the foundations become high a shallow foundation becomes insufficient. This is where piles are used to transfer the loads to deeper soil layers or to reduce the settlement. The design of the structure and the foundations starts by a good understanding of the behavior of the ground, the piles and the pile-soil interface subjected to high loads. In the framework of the project “Fondasilex”, this thesis proposes the study of the pile foundations in the tower “Silex2” built in Lyon, France. It is founded on 20 piles, 1.22 m in diameter and 15.5 m deep, which are bored into three layers of fluvial alluviums and anchored in the Miocene molasse. The soil in Lyon is poorly characterized in the literature, which is likely to lead to an oversizing of the foundations and consequently a high increase in construction costs. This thesis presents the geotechnical auscultation and numerical modeling performed within this project which aim to characterize the soil of Lyon and the pile-soil interaction, to predict the long-term behavior of the structure, the foundations and the soil and then to constitute a base of experience to help in the study of other towers planned on the Part-Dieu neighborhood. This work was accompanied by laboratory testing carried out on the alluvial and molasse samples extracted from the site. In the first part, an instrumentation of the foundations and the soil was set up to enable the real-time monitoring of their behavior. It consists of a fiberglass rod extensometer connected to 6 displacement sensors that measure the settlement of the soil at six different depths, concrete pressure cells and strain gages of two types (electrical resistance and vibrating wire) which measure respectively the stress on the head of the piles and the deformation at three positions. At the same time, the pile deformation was also measured using fiber optic sensors using the OFDR technique based on Rayleigh scattering. These measurements were analyzed in the light of the construction progress of the steel structure. In the second part, numerical models were carried out on FLAC3D, based on the finite difference method. A sensitivity analysis performed on an isolated pile model helped to understand the influence of each of the model parameters on the pile’s response. Models with two or more piles were also used to study the group effect that may occur. A perfectly plastic elastic law with a Mohr-Coulomb criterion and the Plastic-Hardening Model were found suitable to represent the behavior of the alluviums and molasse respectively. These laws have been calibrated and validated using the instrumentation and laboratory tests (triaxial, oedometer and shear box tests) carried out, due to the absence of a static pile load test., La construction de tours de grande hauteur peut être sujet à plusieurs contraintes. Dans ce type de projets, on a en général recours à des fondations profondes pour transférer les charges à des couches de sol plus profondes ou pour réduire le tassement. Un bon dimensionnement de la structure et des fondations et par conséquent une optimisation des coûts exige alors une bonne compréhension du comportement du sol, des pieux ainsi que l’interface sol-pieu. Dans le cadre du projet « Fondasilex », cette thèse propose l’étude des fondations de la tour silex2 construite à Lyon. Elle est fondée sur 20 pieux de 1.22 m de diamètre et 15.5 m de long et qui traversent trois couches d’alluvions du Rhône pour s’ancrer dans une couche de molasse du Miocène. L’absence de caractérisation précise de ces sols peut entraîner un surdimensionnement et par conséquent une augmentation des coûts de construction. Cette thèse présente l’auscultation géotechnique et la modélisation numérique réalisées dans ce projet pour mieux comprendre le mécanisme de transfert des charges et améliorer leur dimensionnement. Elle permet ainsi de caractériser le sol lyonnais et l’interaction pieux-sol, de prédire le comportement à long terme des fondations et du sol et par la suite constituer une base de données pour les autres tours prévues sur le même site. Ce travail a été accompagné d’essais de laboratoire sur les échantillons de sol prélevés du site. En première partie, une instrumentation des fondations et du sol a été mise en place afin de suivre leur comportement pendant la construction de l’ouvrage et lors de sa mise en service. Elle est constituée d’un extensomètre multipoint qui mesure le tassement du sol à 6 profondeurs, de capteurs de pression totale et de déformation (électriques ou à corde vibrante) qui ont mesuré respectivement la contrainte sur la tête des pieux et la déformation sur toute leur longueur. Cette dernière a été en même temps mesurée à l’aide de fibres optiques par réflectométrie fréquentielle avec diffusion de Rayleigh. Les mesures effectuées ont été analysées à la lumière de l’avancement de la construction de la charpente métallique. En deuxième partie, des modèles numériques ont été réalisés sur FLAC3D, basés sur la méthode des différences finies. Une étude paramétrique sur un modèle de pieu isolé a permis d’analyser l’influence de chacun des paramètres du sol sur la réponse du pieu. Dans le but d’analyser l’effet de groupe qui pourra avoir lieu dans le projet, des modèles qui comportent deux pieux ou plus ont été établis. Une loi élastique parfaitement plastique avec un critère de Mohr-Coulomb et le Plastic-Hardening Model ont été jugés bien adéquats aux alluvions et à la molasse respectivement. Ces modèles ont été calibrés et validés à l’aide de l’instrumentation et des essais de laboratoire (triaxiaux, œdométriques et à la boîte de cisaillement) qui ont été réalisés, en raison de l’absence d’un essai de chargement statique.

As tooth decays are the most widespread pathologies, dental restoration is a global public health problem. Manufacturers of dental composite resins must therefore offer increasingly high performance and lasting materials while meeting health recommendations. The development process is costly but could be improved by a better understanding of their mechanical behaviour and the development of theoretical and numerical predictive models for their properties. In this work, an experimental material is tested before and after accelerated ageing protocols (thermocycling). A detailed experimental protocol has been established so that the results are reproducible and comparable between them. Predictive models of the yield stress and the elastic modulus, initially proposed for other applications, are compared with experimental results and then adapted to the specificities of dental composites, with high filler ratios. The use of a numerical model of a composite material also makes it possible to enrich the experimental database by playing for instance on the modulus of the the components, without having to produce the materials. Despite some limits of this innovative approach, the comparison of experimental, theoretical and numerical results give promising outlooks. They allow to predict essential characteristics of composites in an easier way and to make direct links between macroscopic and microscopic properties. Finally the understanding of the ageing mechanisms was improved.; Les lésions carieuses étant les pathologies les plus répandues, la restauration des tissus lésés est un problème de santé publique mondial. Les fabricants de résines composites de restauration se doivent donc de proposer des matériaux toujours plus performants et durables tout en répondant aux recommandations sanitaires. Ce processus de développement est coûteux et pourrait être amélioré par une meilleure compréhension de leur comportement mécanique et par l’élaboration de modèles théoriques et numériques prédictifs de leurs propriétés. Dans cette thèse, un matériau expérimental est testé avant et après des protocoles de vieillissement accéléré (thermocyclage). Un protocole expérimental détaillé a été établi pour que les résultats soient reproductibles et comparables entre eux. Des modèles prédictifs de la limite élastique et du module élastique, initialement proposés pour d’autres applications, sont confrontés aux résultats de campagnes expérimentales puis adaptés aux spécificités des composites dentaires, fortement chargés. Le recours à un modèle numérique de composite permet en outre d’enrichir la base de données expérimentale en jouant par exemple sur les modules des constituants, sans avoir à produire réellement les matériaux. Malgré certaines limitations de cette approche innovante, la confrontation des résultats expérimentaux, théoriques et numériques offre des perspectives très encourageantes. Ils permettent notamment de prédire plus simplement des caractéristiques essentielles des composites, d’effectuer des liens directs entre des propriétés macroscopiques et microscopiques, et d’améliorer la compréhension des mécanismes de vieillissement de ces matériaux.

The Bengal delta is the largest in the world. It is formed by the confluence of three transboundary rivers - Ganges, Brahmaputra, and Meghna. Flooding induced by large seasonal continental discharge, strong tide, and frequent deadly storm surges, regularly strikes this densely populated (density > 1000 person/km2), low-lying coastal region (

Mitigation of seismic risk components related to the building damages in sedimentary valleys needs an accurate estimation of buildings response accounting for seismic ground motion amplification in near-surface geological deposits. Current building seismic codes and seismic hazard analysis are mainly using proxies to account for 1D soil response (1D site effects) in seismic design spectra. In 2D sedimentary valleys, the finite lateral confinement of surface geological deposits leads to valley edge generated diffracted surface waves that are horizontally trapped within the valley in addition to body waves reverberation (1D site effects), leading to an increase of ground motion amplification and duration lengthening compared to 1D site effects. These 2D dimensional site effects are not yet accounted in seismic hazard assessment nor seismic design. This PhD thesis focus on better understanding and quantifying building damages in 2D valleys, especially the difference of damages caused by 1D and 2D site effects. For vertically incident SH plane waves, 1D and 2D impulse time responses at several receivers at free surface for an extensive suite of different 2D valleys in terms of geometrical and elastic properties have been computed within the EU NERA project. These impulse time responses have been convolved with input synthetic earthquakes spanning a wide range of magnitude and epicenter distances. Maximum top displacement at various buildings (reinforced concrete, steels…) from RISK-EU and HAZUS typologies have then been computed and, hence, damage states on outcropping rock, 1D sites and 2D valleys. Several other indicators related to the seismic ground motion at outcropping rock and sediments, geometrical and elastic properties of valleys, have been extracted along with computation of damage states.From the resulting huge database, we show that, while the input ground motion intensities (PGA, Arias Intensity) and the coincidence of frequencies between building and soil are the key factors to explain differences of damages between rock and soil, for 1D and 2D valleys, the spatial distribution of over-damage between 2D and 1D soil structures is mainly controlled by the velocity contrast between sediment and rock, the narrowness of the valley and the angle of the valley slope. Maximum over-damage occurs near the valley edges and in the center of the valley (especially for the narrowest valleys) while under-damage is observed on the steepest valley slopes. These over-damages occur for ratios between 1D fundamental soil and building fundamental frequencies greater than 1, as a direct consequence of 2D site effects that amplify ground motion over a wide frequency range beyond the 1D resonance frequency. This mechanism is as strong as the valley is narrow and the velocity contrast is large. We highlight the control of surface waves diffracted on the valley edges and trapped inside the valley on the over-damage and the body waves wedge effects occurring on the edges on the lower-damage. The over- or under-damage effects are not found to be sensitive to building typologies, which opens the perspective to develop “damage aggravation factor” to account for the 2D site effects in building damages distribution compared to 1D site effects, whatever the building type.This study's last objective is to extract, from in situ measurements, the resonance frequencies of the 2 main building typologies (RC and steel) in Tehran city (Iran), which is located on a 3D deep sedimentary basin. The results are compared to the Iranian seismic code and worldwide empirical relationships, leading us to include the Iranian buildings' horizontal sizes in the empirical relationships., La réduction de la composante du risque sismique liée aux dommages causés aux bâtiments dans les vallées sédimentaires nécessite une estimation précise de la réponse des bâtiments tenant compte de l'amplification des mouvements sismiques dans les dépôts géologiques de surface. Les codes parasismiques actuels et les études d'aléa sismique utilisent principalement des proxys pour tenir compte de la réponse sismique 1D (effets de site 1D) dans les spectres réponse. Dans les vallées sédimentaires 2D, le confinement latéral des dépôts géologiques conduit à la génération d’ondes de surface diffractées sur les bords de vallée qui sont piégées dans la vallée, ce qui, en plus de de la réverbération des ondes de volume (effets de site 1D), entraîne une amplification et un allongement de la durée du mouvement sismique par rapport aux effets de site 1D. Ces effets de site 2D ne sont pas encore pris en compte dans l'évaluation de l’aléa sismique et la conception parasismique. Cette thèse propose de mieux comprendre et quantifier les dommages aux bâtiments dans les vallées 2D, en particulier la différence entre les dommages causés par les effets de site 1D et 2D. Dans le cadre du projet européen NERA, des réponses impulsionnelles temporelles 1D et 2D ont été calculées sur plusieurs récepteurs à la surface libre pour un grand nombre de vallées 2D différentes en termes de propriétés géométriques et élastiques. Ces réponses impulsionnelles ont été convoluées avec des séismes synthétiques couvrant une large gamme de magnitude et de distances épicentrales. Le déplacement maximal au sommet de bâtiments (béton armé, aciers...) issus des typologies RISK-UE et HAZUS est ensuite calculé ainsi que les dommages au rocher, dans les structures 1D et les vallées 2D. Outre le calcul des dommages, plusieurs autres indicateurs liés au mouvement du sol au rocher et aux sediments et aux propriétés géométriques et élastiques des vallées ont été extraits.À partir de la base de données ainsi construite, nous montrons que, si l’intensité de mouvement du sol et la coïncidence des fréquences entre le bâtiment et le sol sont les facteurs clés expliquant les différences de dommages entre les sédiments et le rocher pour les vallées 1D et 2D, la distribution spatiale des sur-endommagements entre les vallées 2D et 1D est principalement contrôlée par le contraste de vitesse entre les sédiments et le rocher, l'étroitesse de la vallée et la pente des bords de la vallée. Les sur-endommagements maximaux se produisent près des bords de vallées et à leur centre (en particulier pour les vallées les plus étroites) tandis que les sous-endommagements sont observés sur les pentes les plus fortes. Ces sur-endommagements se produisent principalement pour des rapports entre fréquences des sols 1D et des bâtiments supérieures à 1, conséquence des effets de site 2D qui amplifient le mouvement du sol sur une large gamme de fréquences au-delà de la fréquence de résonance 1D. Ce mécanisme est d'autant plus fort que la vallée est étroite et que le contraste de vitesse est important. Nous montrons le contrôle des ondes de surface diffractées sur les bords de la vallée sur les sur-endommagements ainsi que les effets de bord de vallée sur les sous-endommagements. Les effets de sur- ou de sous-endommagement ne dependent pas des typologies de bâtiments, ouvrant la perspective de développement de "facteur d'aggravation de dommages" visant à inclure les effets de site 2D dans la distribution des dommages , quel que soit le type de bâtiment. Le dernier objectif de cette thèse vise à extraire, à partir de mesures in situ, les fréquences de résonance des 2 principales typologies de bâtiments (RC et acier) dans la ville de Téhéran (Iran) située sur un bassin sédimentaire 3D profond. Les résultats, comparés au code parasismique iranien et aux relations empiriques existantes dans le monde, montrent la nécessité d’inclure les dimensions horizontales des bâtiments iraniens dans les relations empiriques

SF6, though its excellent dielectric and physical properties is still a greenhouse gas with global warming potential, GWP of ~23900 over a period of 100 years. With an increase in climate regulations and calls for its replacement in electro technical applications, proper evaluation of possible alternatives such as compressed air, CO2, HFO etc. ought to be done. However, semi-empirical sizing methods used currently are not optimized for alternatives with slightly lower dielectric properties and different breakdown regimes at different pressures. The main objective of this work is to develop a numerical model to understand the physical mechanisms responsible for the evolution of the streamer type electrical discharges in different gaseous media.As gases in electro technical applications are used under pressure, it is imperative to study the influence of their pressures on the discharges in these medias as well. This has been done for Air, N2, CO2 and SF6 which are all gases of different electronegative levels. The study of streamer discharges in these gases have been done in COMSOL™ Multiphysics for short gaps (d ≤ 5 mm) and in longer gaps (10 mm ≤ d ≤ 50 mm) using AfivoStreamer (Both using a plasma fluid model approach). The distribution of electric field, streamer velocity and diameter, and the effect of the high electronegativity of the gas on streamer evolution are presented for positive polarity in a point to plane geometry. Verification and validation of the numerical simulation results have been done using experimental results focusing specifically on the streamer velocity and diameter.Index terms – Streamers, numerical modelling, influence of pressure, electronegative gases, Le SF6, malgré ses excellentes propriétés diélectriques et physiques, reste un gaz à effet de serre avec un PRG de ~23900 sur une durée de 100 ans. Avec l'augmentation des réglementations climatiques et les appels à son remplacement dans les applications électrotechniques, une évaluation appropriée des alternatives possibles telles que l'air comprimé, le CO2, le HFO, etc. devrait être effectuée. Cependant, les méthodes de dimensionnement semi-empiriques utilisées actuellement ne sont pas optimisées pour les alternatives ayant des propriétés diélectriques légèrement inférieures. L'objectif principal de ce travail est de développer un modèle numérique pour comprendre les mécanismes physiques responsables de l'évolution de décharges électriques type streamer dans les différents milieux.Comme les gaz sont utilisés sous pression dans les applications électrotechniques, il est impératif d'étudier l'influence de leurs pressions sur les décharges dans ces milieux également. Cela a été fait pour l'air, le N2, le CO2 et le SF6 qui sont tous des gaz de différentes électronégativités. L’étude de l’évolution des streamers dans ces différents gaz a été réalisé dans COMSOL™ Multiphysics pour des distances courts (d ≤ 5 mm) et en utilisant AfivoStreamer pour des distances plus longs (10 mm ≤ d ≤ 50 mm). La distribution du champ électrique, de la vitesse et du diamètre du streamer et de l'effet de la forte électronégativité du gaz sur l’évolution du streamer sont présentés pour une polarité positive dans une géométrie pointe/plan. La vérification et la validation des résultats ont été effectuées à l'aide de résultats expérimentaux utilisant la vitesse et le diamètre du streamer.Mots clés – Streamers, modélisation numérique, influence de la pression, gaz électronégatifs

In a nuclear power plant, the nuclear fuel is contained within fuel clads made of cold-work stress relieved Zircaloy-4 alloy. During a LOCA (Loss Of Coolant Accident), claddings are subjected to severe thermo-mechanical loading, as a consequence of temperature and over pressure rise. As a consequence, the clads undergo major and unstable deformation leading to ballooning until rupture. LOCA is acomplex transient in which the clads are simultaneously subjected to a temperature ramp up to 100°C/s and an overpressure up to100bar. Furthermore, the temperature is not homogeneous over the clad surface. The aim of this work is a better comprehension of this phenomenon by carrying out a specific experimental campaign and the development of modelling, capable of reproduce the tests and improving the prediction of the ballooning and rupture for LOCA-representative conditions. A semi-integral LOCA test device was used to realize realistic transients. Constant-temperature creep tests were performed under three different temperatures (650°C, 700°C,750°C) and height overpressures (30bar, 40bar, 50bar, 60bar, 70bar, 80bar, 90bar, 100bar) in order to better understand the ballooning phenomenon under non-dynamic conditions. Ramp-tests were also performed for three different ramp rates (1°C/s, 5°C/s et 10°C/s) for similar overpressures than constant-temperature creep tests. Thermal field being a first order parameter, efforts have been made to characterize it. This characterization was made for constant-temperatures and for different ramp-rates by means of an equipped cladwith welded thermocouples and an infrared thermographic camera. Furthermore, high-resolution camera was used throughout the experiment to measure the strain during the experiments. The experiments showed a remarkable reproducibility of the results compared to the majority of similar tests conducted so far. The second part of this work is dedicated to the numerical modelling of ballooning. A temperature-dependent visco-plastic behavior law was identified from our experiments. A semi-analytical method based on a simplified shell analysis has been developed, allowing the ballooned geometry to be taken into account. The main advantages are a better comprehension of the influence of the model parameters upon the ballooning phenomenology and the computation time, infinitely lowerthan a finite elements simulation. The applicability has been proved for LOCA-representative conditions. The last part of the work is dedicated to the simulation of the tests using Code Aster®. A function has been found to describe the temperature field of our device and 3D computations were conducted that enabled to model the ballooning deformation with gradients values that did not allowed it until then., En centrale, le combustible nucléaire est contenu dans des tubes de gainage en Zircaloy-4 issus d’un procédé de formage à froid suivi d’un traitement de détensionnement. Lors d’un Accident de Perte de Réfrigérant Primaire (APRP), les gaines subissent une chargement thermomécanique sévère sous l’effet conjugué de l’augmentation de la température et de la pression interne. En résulte un phénomène instable qui conduit au ballonnement et à la rupture du fait des grandes déformations. L’APRP est un transitoire complexe au cours duquel les gaines sont simultanément soumises à des rampes de température allant jusqu’à 100°C/s et des surpressions pouvant atteindre 100bar. De plus, le champ de température n’est pas homogène sur la surface de la gaine. L’objectif de ce travail est de gagner en compréhension sur le phénomène en menant une campagne d’essais ciblée et de développer des simulations capables de les reproduire, et éventuellement de prédire la rupture pour des conditions données représentatives d’un chargement représentatif d’un APRP. Un dispositif d’essai semi-intégral a été utilisé afin de réaliser des transitoires réalistes. Des essais à température constante ont été conduits pour trois températures (650°C, 700°C,750°C) et huit valeurs de surpression (30bar, 40bar, 50bar, 60bar, 70bar, 80bar,90bar, 100bar) afin de mieux comprendre le phénomène de ballonnement en le découplant de la dynamique thermique. Des essais en rampes ont aussi été réalisés pour trois vitesses (1°C/s, 5°C/s et 10°C/s) et une gamme de pression similaire au fluage. Les gradients de température jouant un rôle d’ordre un dans le développement du ballon, une attention particulière a été portée à sa caractérisation. Celle-ci a été faite tant en plateau qu’en rampe de température en utilisant une gaine instrumentée de thermocouples soudés ainsi qu’une caméra thermique. De plus, un système de mesure de la déformation a été mis en place afin de suivre l’évolution de la déformation à l’aide de caméras haute résolution. La seconde partie de ce travail a été dédiée à la simulation numérique du ballonnement. Une loi constitutive a été identifiée sur notre campagne d’essais et prend en compte l’effet de la viscoplasticité et de la température. Une méthode de calcul semi-analytique basée sur un modèle simplifié de coque a été mise en place et permet de prendre en compte la géométrie du ballon. Son intérêt porte sur la compréhension de l’influence des paramètres du modèle sur la phénoménologie et sur le temps de calcul, infiniment plus faible qu’une modélisation par éléments finis. La faisabilité de l’utilisation de ce modèle a été démontrée pour des conditions représentatives d’un APRP. Pour finir des modélisations par éléments finis ont été réalisées en utilisant Code Aster®. Le gradient mesuré expérimentalement a été imposé au maillage grâce à l’écriture d’une fonction d’interpolation déduite du champ mesuré. En suivant cette stratégie, un bon accord est atteint entre l’expérience et la simulation et permet d'apporter une meilleure compréhension des modèles aux éléments finis

Understanding the fracture behaviour of composite materials is a challenge for the aeronautics industry. The problem is even more complex in a high temperature environment (150°C) within PEEK thermoplastic matrix composites reinforced with woven carbon fibers. Among the most critical failure mechanisms, the translaminar failure associated with fiber breakage requires specific approaches depending on the stress mode (traction, compression, bending). This work has allowed the comparison of different experimental methods, with particular emphasis on optical methods coupled with field measurements making it possible to monitor crack propagation at high temperature. The G-R curves obtained, showing the evolution of the strain energy release rate as a function of the crack length, characterize the translaminar fracture and give essential information on the influence of the thickness of the laminate as well as its draping according to the type of stress. A numerical model implemented in the Abaqus Finite Elements code was used to predict the translaminar fracture behavior. This model, based on an energetic criterion of rupture and a law of plasticity, allows to: (i) simulate the tensile and compressive fracture behaviour – (ii) dissociate the mechanisms responsible for energy dissipation during translaminar fracture. Fracture mechanics and finite elements modelling provide a very efficient framework for better understanding the fracture behavior of woven-ply PEEK-based laminated composites as well as the origin of their damage tolerance. However, the characteristics values of fracture toughness and corresponding G-R curves can be difficult to determine and to interpret. Ultimately, the present work also emphasized the limitations of fracture mechanics concepts applied to laminated composite structures., Appréhender le comportement mécanique à rupture des matériaux composites est un véritable enjeu pour l’industrie aéronautique. La problématique est encore plus complexe dans un environnement haute température (150°C) au sein des composites à matrice thermoplastique PEEK renforcée par des fibres de carbone tissées. Parmi les mécanismes de rupture les plus critiques, la rupture translaminaire associée à la rupture des fibres nécessite des approches spécifiques selon le mode sollicitation (traction, compression, flexion). Ces travaux ont permis de comparer différentes méthodes expérimentales mettant l’accent notamment sur des méthodes optiques couplées à des mesures de champ rendant possible le suivi de la propagation de fissure à haute température. Les courbes G-R obtenues, traduisant l’évolution du taux de restitution d’énergie en fonction de la longueur de fissure, caractérisent la rupture translaminaire et donnent des informations essentielles sur l’influence de l’épaisseur du stratifié ainsi que son drapage selon le type de sollicitation. Un modèle numérique implémenté dans le code Eléments Finis Abaqus a été exploité afin de prédire le comportement en rupture translaminaire. Ce modèle, basé sur un critère énergétique de rupture et une loi de plasticité, permet de : (i) simuler le comportement à rupture en traction et en compression – (ii) dissocier les mécanismes responsables de la dissipation d’énergie lors de la rupture translaminaire. Ainsi, les outils de la mécanique de la rupture et la modélisation par éléments finis sont des approches complémentaires permettant de mieux comprendre le comportement à rupture ainsi que l'origine de la tolérance aux dommages des composites à matrice PEEK et renfort tissé. Cependant, les valeurs caractéristiques de la ténacité à la rupture et les courbes G-R correspondantes peuvent être difficiles à déterminer et à interpréter. Enfin, ces travaux ont également mis en évidence les limites des concepts de mécanique de la rupture appliqués aux structures composites stratifiées.

Precious metals (such as gold and silver), and base metals (such as copper and others) are mined from the underground by excavation, creating voids of various sizes called (stope) which are interconnected by galleries or drifts (for circulation and draw point). In the case of cut-and-fill mining, these voids are usually filled with cemented paste backfill (CPB) which is a mixture made of concentrator mill tailings, of a binding agent (e.g., cement) and mixing water. Since the CPB is placed in the liquid state (solid-liquid suspension) in the underground stopes, it is necessary to use a retaining structure to contain it during backfilling. This retaining structure is called a barricade and can be constructed from wood, concrete, bricks, shotcrete or from waste rock available underground and which come from the drift’s development. Barricades built from waste rock are the most common in Quebec and Canada because they are economical, readily available (underground) and promote water drainage during backfilling, which promotes self-weight consolidation of the CPB, and therefore, reduction of pore water pressure. To date, little information exists on the real in situ characteristics of these barricades (such as their grain size distributions, their failure strength, the probable mechanism of their rupture and the standard dimensions used) to support their design in a meaningful way to ensure the safety of workers and mining equipment, which would contribute to the reduction of the mining cycle, and consequently, to the increase of mining productivity. The work of this thesis project was based on physical and numerical modeling to better understand the complex geomechanical behavior of waste rock barricades. A reduced-scale physical model of a mine stope was developed and constructed from translucent plexiglass plates to simulate backfilling in underground mines. A specific methodology was developed for the execution of the tests: instrumentation of the reduced-scale model using pressure sensors (total and pore water), calibration of the sensors, filling of the reduced-scale model with CPB, continuous monitoring of the tests using high-definition cameras. The tests carried out have made it possible to highlight the main probable mechanism of rupture of the waste rock barricades, as well as the estimation of the maximum pressure at the time of their rupture. The effect of waste rock particle size distribution on the stability and integrity of waste rock barricades due to the CPB pressure was also analyzed. Part of the tests carried out on the reduced-scale model were modeled using the Geostudio 2018 numerical code (GeoSlope Intl.) through calibration with the experimental results. The results of the simulations performed reproduced well the general behavior observed during the tests on the reduced-scale model, but with a significant difference in the pressure values. Simplified analytical solutions based on limit equilibrium have also been proposed based on experimental observations for the stability analysis (with respect to sliding and friction) of waste rock barricades. Some recommendations were proposed to take this study further by including the effect of various factors (e.g., the position of the barricade in the drift or draw point, the viscosity, and the shear yield stress of the backfill or its solids mass concentration, the shear parameters of the waste rock barricades, the arching effect, etc.)., Les métaux précieux (tels que l'or et l'argent), et les métaux de base (tels que le cuivre et d'autres) sont extraits du sous-sol par excavation, en créant des vides de différentes tailles appelés (chantiers d’abattage) qui sont reliés entre eux par des galeries (de circulation et de soutirage). Dans le cas de l’exploitation par chambres-remblayées, ces vides ou chambres sont généralement remplis avec du remblai en pâte cimenté (RPC) qui est un mélange fait des rejets de concentrateur (appelés résidus), d’un agent liant (ex. ciment) et de l’eau de malaxage. Vu que le RPC est déposé à l’état liquide (mélange solide-liquide) dans les chantiers d’abattage, il est nécessaire d’utiliser un ouvrage de retenue afin de le contenir pendant le remblayage. Cet ouvrage de retenue est appelé barricade et peut être construit en bois, en béton, en briques, en béton projeté ou à partir des roches stériles disponibles sous terre et qui sont issues du développement des galeries. Les barricades construites à partir des roches stériles sont les plus courantes au Québec et au Canada car elles sont économiques, disponibles (sous terre) et favorisent le drainage de l'eau lors du remblayage; ce qui favorise la consolidation gravitaire du RPC, et donc, la réduction de la pression interstitielle. À ce jour, peu d'informations existes sur les caractéristiques réelles in situ de ces barricades (telles que leur granulométrie, leur résistance à la rupture, le mécanisme probable de leur rupture et les dimensions standards utilisées) afin d’appuyer leur conception de manière à assurer la sécurité des travailleurs et des équipements miniers; ce qui contribuerait à la diminution du cycle de minage, et par conséquent, à l'augmentation de la productivité minière. Les travaux de cette thèse se sont appuyés sur les modélisations physiques et numériques afin de mieux comprendre le comportement géomécanique complexe des barricades de roches stériles. Un modèle physique à l'échelle réduite d’un chantier d’abattage a été développé et construit à partir de plaques en plexiglass translucides, afin de simuler le remblayage dans les mines souterraines. Une méthodologie spécifique a été développée pour l’exécution des essais : instrumentation du modèle réduit à l’aide de capteurs de pression (totale et interstitielle), calibrage des capteurs, remplissage du modèle réduit avec du RPC, suivi en continu des essais avec des caméras haute définition. Les essais réalisés ont permis de mettre en évidence le principal mécanisme probable de rupture des barricades de roches stériles, ainsi que l’estimation de la pression maximale au moment de leur rupture. L'effet de la distribution de la taille des particules de roches stériles sur la stabilité et l’intégrité des barricades de roches stériles à la suite de la poussée exercée par le RPC a également été analysé. Une partie des essais réalisés sur le modèle réduit a été modélisée à l’aide du code de calculs numériques Geostudio 2018 (GeoSlope Intl.) par calibrage avec les résultats expérimentaux. Les résultats des simulations réalisées reproduisaient correctement le comportement général observé lors des essais sur le modèle réduit, avec une différence significative au niveau des valeurs des pressions. Des solutions analytiques simplifiées basées sur l’équilibre limite ont également été proposées sur la base des observations expérimentales pour l’analyse de stabilité (par rapport au glissement et au frottement) des barricades de roches stériles. Des recommandations ont été proposées afin de pousser cette étude plus loin en incluant l’effet de différents facteurs (ex. la position de la barricade dans la galerie de soutirage, la viscosité et le seuil d’écoulement du remblai ou son pourcentage de solides, les paramètres de cisaillement des barricades de roches stériles, l’effet d'arche, etc.).

The past decades have been marked by a significant increase in research interest in nonlinearities in cracked solids. As a result a number of different nonlinear methods have been developed for damage detection. However, there still limited understanding of physical mechanisms related to the various nonlinearities due to contacts. This thesis is addressed to study the nonlinear interaction between a wave and an interface while taking into account adhesion, in order to, eventually, propose an efficient NDT method for characterization of contact interfaces. The study of the second-harmonic evolution to characterize the damage will be the focus of this work. The nonlinear interaction between a longitudinal wave and a contact interface is considered in one-dimensional medium by using the Finite Elements method.Numerically, the contact interface is modelled by combining two approaches. One is based on acoustic methods and used in traction, while the other one is based on vibration methods and used in compression. The first one, consists in modelling the contact with an RCCM law. The study propose a detailed analysis on the interface behaviour in traction while taking into account the adhesion. It allows identifying the key parameters that govern the nonlinear signature of the RCCM contact law and so better understanding the interaction between a compression wave and a contact interface that exhibits adhesion in traction. The second one, used in compression, is based on a nonlinear interface stiffness model where the stiffness property of the contact interface is described as a function of the nominal contact pressure. The study consists in a complementary numerical and experimental analysis of nonlinear vibrational response due to the contact interface. It shows that the stiffness-pressure trend at lower pressures has a major effect on the nonlinear response of systems with contact interfaces.Finally, in order to exploit the proposed contact law defined in compression and traction, a strategy to identify the interface parameters during the interaction between a wave and an interface is proposed. The numerical results are promising in view of the characterization of contact interfaces.; Les dernières décennies ont été marquées par un intérêt accru pour les non-linéarités dues aux défauts localisés dans les solides (les fissures fermées par exemple) et aux interfaces de contact en général. En conséquence, un certain nombre de méthodes non-linéaires ont été développés pour la détection de ces défauts et caractérisation des interfaces de contact. Cependant, la compréhension des mécanismes physiques liés aux non-linéarités due contact reste limitée. Dans ce cadre, ce travail de thèse vise à étudier l'interaction non-linéaire entre une onde et une interface tout en intégrant plusieurs mécanismes liés au contact, afin de proposer, à terme, une méthode CND efficace pour la caractérisation des interfaces. L'étude de l'évolution du second harmonique pour caractériser ce type de défauts localisés et plus généralement les interfaces de contact sera au coeur de ce travail.L'interaction non-linéaire entre une onde longitudinale et une interface de contact est modélisée en combinant deux approches. L'une est basée sur des méthodes acoustiques et utilisée en traction, tandis que l'autre est basée sur l’analyse vibratoire structurelle et utilisée en compression. La première consiste à modéliser le contact avec une loi RCCM. L'étude propose une analyse détaillée du comportement de l'interface en traction tout en intégrant l'adhérence. Elle permet d'identifier les paramètres clés qui régissent la signature non-linéaire de la loi RCCM et ainsi permet de mieux comprendre la physique derrière cette interaction non-linéaire. La deuxième méthode, utilisée en compression, est basée sur un modèle de rigidité d'interface non-linéaire où la rigidité d'interface est décrite en fonction de la pression de contact nominale. L'étude consiste en une analyse numérique et expérimentale complémentaires de la composante non-linéaire de la réponse dynamique du système due à la présence d'interface de contact. Elle montre que la tendance de la rigidité à faibles pressions a un effet majeur sur la réponse non-linéaire des systèmes avec des interfaces de contact. Enfin, les lois de contact proposées en compression et traction sont combinées en une seule loi pour permettre une meilleure corrélation entre les différents mécanismes de contact en compression et en traction et donc une meilleure caractérisation de la réponse non-linéaire du système. Les résultats numériques sont prometteurs en vue de la caractérisation d'interfaces de contact à partir de la réponse non-linéaire du système excité par une source extérieure et applicables à la détection non-destructive de l’endommagement.

The geomagnetic field is generated by dynamo action in the Earth's liquid outer core. In this thesis, the force balance controlling the convective flow dynamics which drive this dynamo mechanism is studied using numerical simulations. To this end, we compute and analyse a large series of models. We find that most numerical dynamos are governed by a so-called quasi-geostrophic Magneto-Archimedean-Coriolis (QG-MAC) balance. This type of force equilibrium refers to a physical setup in which the dominant force balance is between Coriolis and pressure forces (geostrophic balance), while Lorentz, buoyancy and ageostrophic Coriolis forces, i.e. the part of the Coriolis force not compensated by pressure, equilibrate at the next order. Inertia and viscous forces represent secondary contributions. In QG-MAC dynamos with a strong magnetic field, the Lorentz force becomes dominant towards the smallest flow length scales such that these are in a magnetostrophic (Coriolis-Pressure-Lorentz) balance. Spectral analysis of the force balance shows that in QG-MAC models, the length scale at which buoyancy and Lorentz forces are of equal magnitude controls the dominant scale of convection. In addition, we show that the scale at which the prevailing force balance changes from large-scale geostrophy to small-scale magnetostrophy, can be related to the loss of the axial invariance of the flow. Our results suggest that the Earth’s core is most likely controlled by a QG-MAC balance, in which the dominant force equilibrium transitions into a magnetostrophic balance towards small scales. Extrapolation of theoretical scalings which assume this type of force balance to the conditions of the Earth’s core suggests that the dominant flow length scale of the geodynamo is about 200 km, while magnetostrophic effects are deferred to scales below 50 km.; Le champ géomagnétique est généré par l'action de la dynamo dans le noyau externe liquide de la Terre. Dans cette thèse, l'équilibre des forces qui contrôle la dynamique de l'écoulement convectif à l'origine de ce mécanisme de dynamo est étudié à l'aide de simulations numériques. À cette fin, nous calculons et analysons une grande série de modèles. Nous constatons que la plupart des dynamos numériques sont régies par une balance dite quasi-géostrophique Magnéto-Archimédienne-Coriolis (QG-MAC). Ce type d'équilibre des forces fait référence aux cas dans lesquels l'équilibre des forces dominantes est celui entre les forces de Coriolis et les forces de pression (équilibre géostrophique), tandis que les forces de Lorentz, de flottabilité et de Coriolis agéostrophique, c'est-à-dire la partie de la force de Coriolis non compensée par la pression, s'équilibrent à l'ordre suivant. L'inertie et les forces visqueuses représentent des contributions secondaires. Dans les dynamos QG-MAC à fort champ magnétique, la force de Lorentz devient dominante vers les plus petites échelles de longueur d'écoulement, de sorte que celles-ci sont en équilibre magnétostrophique (Coriolis-Pressure-Lorentz). L'analyse spectrale de la balance des forces montre que dans les modèles QG-MAC, l'échelle de longueur à laquelle la flottabilité et les forces de Lorentz sont en équilibre contrôle l'échelle dominante de convection. De plus, nous montrons que l'échelle à laquelle la balance des forces dominante passe de la géostrophie à grande échelle à la magnétostrophie à petite échelle, peut être liée à la perte de l'invariance axiale de l'écoulement. Nos résultats suggèrent que le noyau de la Terre est probablement contrôlé par une balance QG-MAC, dans laquelle l'équilibre de force dominant passe d'une balance géostrophique à une balance magnétostrophique à petite échelle. L'extrapolation des échelles théoriques qui supposent ce type d'équilibre des forces aux conditions du noyau terrestre suggère que l'échelle dominante de longueur de flux de la géodynamo est d'environ 200 km, tandis que les effets magnétostrophiques sont décalés vers des échelles inférieures à 50 km.