Les fondations basculantes offrent un mécanisme potentiel pour améliorer la performance sismique en permettant un soulèvement et un tassement contrôlés, mais les incertitudes dans les interactions sol-fondation limitent leur utilisation généralisée. Les modèles actuels nécessitent des simulations numériques complexes, qui ne représentent pas de manière précise l'interface sol-fondation.
L'objectif principal de cette thèse est de modéliser la transition des effets locaux (friction, soulèvement) à la réponse globale de la structure (basculement, tassement et glissement) sous des charges sismiques, en utilisant une approche expérimentale et numérique combinée. Il s'agit donc d'assurer une modélisation numérique fiable des structures basculantes. Les objectifs clés incluent :
• Étudier la sensibilité des paramètres physiques dans la réponse sismique des systèmes sol-structure basculants en utilisant l'apprentissage automatique et des analyses numériques.
• Développer et réaliser des tests expérimentaux sous charges monotones puis dynamiques pour mesurer les réponses sol-fondation-structure en condition de basculement.
• Implémenter des simulations numériques pour tenir compte des effets d'interaction locaux et valider les résultats avec des résultats expérimentaux.
Enfin, cette recherche vise à proposer un cadre expérimental et numérique fiable pour améliorer la résilience sismique dans la conception en ingénierie. Cette thèse fournira à l'étudiant des compétences pratiques en ingénierie, ainsi qu'une expertise dans les tests en laboratoire et la modélisation numérique. Les résultats seront publiés dans des revues internationales et nationales et présentés lors de conférences, faisant avancer la recherche dans le domaine de la dynamique des sols et des structures.

Ces travaux s'intéressent au passage des modèles constitutifs traditionnels vers un cadre de Mécanique Computationnelle Basée sur des Données (Data-Driven Computational Mechanics, DDCM), discipline introduite il y a peu [1]. Au lieu de s'appuyer sur des équations constitutives complexes, cette approche utilise une base de données d'états contrainte-déformation pour modéliser le comportement des matériaux. L'algorithme minimise la distance entre les états mécaniques calculés et les entrées de la base de données, garantissant le respect des équilibres et des conditions de compatibilité. Ce nouveau paradigme vise à surmonter les incertitudes et les défis empiriques associés aux méthodes conventionnelles.

Outil corollaire de la DDCM, l'Identification Basée sur des Données (Data-Driven Identification, DDI) a émergé comme une méthode puissante pour identifier les réponses en contrainte des matériaux [2, 3]. Elle fonctionne avec peu d'hypothèses et sans modèles constitutifs, ce qui la rend particulièrement adaptée à un potentiel étalonnage de modèles complexes couramment utilisés dans l'industrie.

Les objectifs clés de cette recherche incluent l'adaptation des stratégies de la DDCM vers la DDI pour la plasticité [4] et la rupture [5] en perfectionnant l'existant, l'amélioration de la DDI pour le calcul haute performance, et l'évaluation des équations constitutives à partir d'une base de données uniquement basée sur la donnée expérimentale. La méthodologie proposée consiste à collecter des cartes de mesures de champ à partir d'un essai hétérogène, en utilisant une caméra à haute vitesse et la corrélation d'image numérique. Elle adaptera la DDCM aux scénarios de fracture ductile pour la DDI, mettra en œuvre un solveur DDI dans un cadre de calcul haute performance et réalisera une évaluation d'un modèle constitutif. L'accent sera mis sur l'acier 316L, un matériau largement utilisé dans l'industrie nucléaire.

Cette thèse représente une collaboration des laboratoires CEA et Centrale Nantes qui sont spécialisés en mécanique computationnelle, mathématiques appliquées, l'ingénierie logicielle et traitement de signal.

[1] Kirchdoerfer, Trenton, and Michael Ortiz. "Data-driven computational mechanics." Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering 304 (2016): 81-101.
[2] Leygue, Adrien, et al. "Data-based derivation of material response." Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering 331 (2018): 184-196.
[3] Dalémat, Marie, et al. "Measuring stress field without constitutive equation." Mechanics of Materials 136 (2019): 103087.
[4] Pham D. et al, Tangent space Data Driven framework for elasto-plastic material behaviors, Finite Elements in Analysis and Design, Volume 216, 2023, https://doi.org/10.1016/j.finel.2022.103895.
[5] P. Carrara, L. De Lorenzis, L. Stainier, M. Ortiz, Data-driven fracture mechanics, Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, Volume 372, 2020, https://doi.org/10.1016/j.cma.2020.113390.

Dans les centrales nucléaires, la protection biologique en béton (CBS) est conçue à proximité de la cuve du réacteur. Cet élément, qui joue également le rôle de structure porteuse, absorbe donc les radiations. Il est ainsi exposé pendant la durée de fonctionnement de la centrale à des niveaux élevés de radiations qui peuvent avoir des conséquences à long terme. Ces radiations peuvent notamment entraîner une diminution des propriétés mécaniques des matériaux et de la structure. Etant donné son rôle clé, il est donc nécessaire de développer des outils et des modèles, pour prédire les comportements de telles structures à l'échelle macroscopique.
Sur la base des résultats existants obtenus à une échelle inférieure - simulations mésoscopiques, à partir desquelles une meilleure compréhension de l'effet de l'irradiation peut être obtenue, et des résultats expérimentaux qui viendront alimentés la simulation (propriétés des matériaux en particulier), il est proposé de développer une méthodologie macroscopique pour le comportement de la protection biologique en béton. Cette approche inclura différents phénomènes, parmi lesquels l'expansion volumétrique induite par le rayonnement, le fluage induit, les déformations thermiques et le chargement mécanique.
Les outils seront développés dans le cadre de la mécanique de l'endommagement. Les principaux défis numériques concernent la proposition et l'implémentation de lois d'évolution adaptées, et en particulier le couplage entre l'endommagement microstructural et l'endommagement au niveau structurel dû aux contraintes appliquées sur la structure.
Ce travail numérique pourra être réalisé dans un contexte de collaboration internationale. Il permettra au candidat retenu de développer un ensemble de compétences autour de la simulation de structures en béton armé en environnement complexe.

Les phénomènes d'interaction fluide-structure (IFS) sont omniprésents dans les installations industrielles où des structures sont en contact avec un fluide sous écoulement qui exerce un chargement mécanique. Pour des structures élancées et souples, l’IFS peut induire des phénomènes vibratoires et des instabilités mécaniques à l’origine de grandes amplitudes de déplacements. L'industrie nucléaire est confrontée à cette problématique, notamment au niveau des tuyauteries, des assemblages de combustible, des grappes de commande ou encore des générateurs de vapeur. Dans le cadre de la prévention et de la maîtrise des risques vibratoires, les codes de calcul sont des outils essentiels, qui, à partir de plusieurs paramètres d’entrée, permettent d’accéder à des quantités d’intérêt (variables de sortie) souvent inaccessibles expérimentalement. Cependant, la connaissance des paramètres d’entrée est parfois limitée à cause d’un manque de caractérisation (erreur de mesure ou manque de données) ou tout simplement par la nature intrinsèquement aléatoire de ces paramètres. Il est alors nécessaire de prendre en compte des incertitudes sur les paramètres d’entrée et d’effectuer une analyse de sensibilité pour les variables de sortie.

Dans ce cadre, l'objectif de cette thèse est d’analyser la réponse vibratoire d'une structure mince dont les caractéristiques géométriques sont incertaines (structure présentant un défaut de courbure, localisé ou global). Nous chercherons en particulier à comprendre comment les incertitudes géométriques affectent la stabilité de la structure flexible. Cette caractérisation se fera de manière théorique et numérique. Les calculs numériques seront réalisés avec le code TrioCFD, développé par le CEA. En fonction de l’avancée des travaux, l’effet de différentes incertitudes (liées par exemple aux caractéristiques matérielles de la structure ou aux propriétés de l’écoulement incident) pourront être envisagées. In fine, le travail réalisé dans le cadre de cette thèse permettra d’améliorer la prédiction et le contrôle des vibrations de structures minces sous écoulement axial.

Les interactions fluides-structures et les instabilités associées sont présentes dans de nombreux domaines, que soit en aéronautique avec les phénomènes de flottement d’ailes, dans le nucléaire avec les vibrations de composants sous écoulements, en biologie pour la compréhension de la locomotion animale sous-marine, dans la botanique pour la compréhension des croissances végétales, dans le sport pour l’optimisation des performances, dans la récupération d’énergie des structures flexibles excitées par un fluide. La thèse permettra à l’étudiant d’acquérir de nombreuses compétences en mathématiques, en simulation numérique, en mécanique des fluides, en mécanique des solides, de se former à la recherche dans le domaine de la mécanique des fluides et des solides, pour in-fine une carrière dans ce domaine, que ce soit dans le monde académique ou de la R&D appliquée dans de nombreux domaines d’intérêt pour les scientifiques et plus généralement pour la société. Un sujet de stage de 6 mois est également proposé en préambule de la thèse (optionnel).

Niveau exigé : Master 2 / Dernière année d’École d’Ingénieur.
Formation exigée : mécanique des milieux continus, résistance des matériaux (théorie des
poutres et des plaques), mécanique des fluides, interaction fluides-structures, simulation
numérique (éléments finis).