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Caractérisation des mécanismes physiques lors d’une sollicitation de fatigue ultrasonique à partir de l'analyse de la génération d'harmoniques d’ordres supérieurs
No full textResearch into the very high cycle fatigue (VHCF) regime is made possible through the usage of ultrasonic fatigue tests, which can achieve billions of cycles in just a few days. However classical measurement and analysis are insensitive to microplasticity and/or damage (microcracks and microvoids), which eventually lead to fatigue failure. Consequently, these fatigue mechanisms are difficult to detect at early stages. However, the material nonlinearities maybe sensitive to high-frequency loading and exhibit nonlinear behavior such as higher harmonic generation at multiples of the applied frequency. Thus, the standing wave vibration of the fatigue specimen is explored in the context of nonlinear harmonic generation.The modeling of different nonlinear material phenomena is explored at their different length scales. Mesoscopic models of diffuse microplastic inclusions and microcracks are at a length scale of the same order as the vibration wavelength, and is attributed to be a potential source of harmonic generation. The multi-harmonic input given by the ultrasonic fatigue testing machine significantly influences the sensitivity and behavior of harmonic generation of the material nonlinearities. To address this, a multiscale fatigue specimen model which accompanies this boundary condition is employed. The experimental setup is modified to include an additional laser vibrometer to account for this effect. Accurate signal processing algorithms for the extraction of experimental harmonic parameters are benchmarked, and a new algorithm is developed for speed and accuracy. A non-convex penalty is introduced for data-driven sparse nonlinear system identification, surpassing existing state-of-the-art algorithms. Finally, the ultrasonic fatigue test vibration signals from copper and steel fatigue specimens in the VHCF regime are used to assess the multiscale model's ability to model the observed harmonic generation.La recherche sur le régime de fatigue à très haut cycle (VHCF) est rendue possible par l'utilisation d'essais de fatigue ultrasonore qui permettent d'atteindre en quelques jours des milliard de cycles. Les mesures et analyses classiques sont cependant limitées car peu sensibles à la microplasticité ou aux dommages (microfissures et microvides) qui conduisent finalement à la rupture par fatigue lors de ces essais. Ces mécanismes de fatigue sont donc en pratique difficiles à détecter expérimentalement à un stade précoce. Cependant, les dommages décrits précédemment peuvent présenter un comportement dynamique non linéaire qui peut être exploiter pour surveiller l'apparition d'endommagement par fatigue. Ainsi, les vibrations non-linéaires d'ondes stationnaires dans un l'échantillon de fatigue endommagé sont étudiées dans le contexte de la détection d'endommagement lors d'essais de fatigue ultrasonore.La modélisation de différents phénomènes non linéaires est étudiée à différentes échelles spatiales. Les modèles mésoscopiques d'inclusions microplastiques diffuses et de microfissures se situent à une échelle de longueur du même ordre que la longueur d'onde de la vibration, et sont considérés comme une source potentielle de génération d'harmoniques. L'entrée multi-harmonique fournie par la machine d'essai de fatigue ultrasonique influence de manière significative la sensibilité et le comportement de la génération d'harmoniques des non-linéarités du spécimen. Pour y remédier, un modèle de spécimen de fatigue multi-échelle qui accompagne cette condition limite est utilisé. Le dispositif expérimental est modifié pour inclure un vibromètre laser supplémentaire afin de tenir compte de cet effet. Des algorithmes de traitement du signal permettant l'extraction des paramètres harmoniques expérimentaux sont comparés, et un nouvel algorithme est développé et sélectionné pour sa rapidité et sa précision. Une pénalité non convexe est introduite pour l'identification de systèmes non linéaires guidée par les données, surpassant les algorithmes de pointe existants. Enfin, les signaux de vibration des essais de fatigue par ultrasons des éprouvettes de fatigue en cuivre et en acier dans le régime VHCF sont utilisés pour évaluer la capacité du modèle multi-échelle à modéliser la génération d'harmoniques observée
Avancées en holographie laser doppler pour l'imagerie du flux sanguin rétinien
No full textLaser Doppler holography (LDH) is a relatively new technique designed to image blood flow in the eye fundus. This work presents advancements that bring LDH closer to clinical use and exploit the acquired data to obtain relevant biomarkers. In the first part, a subaperture correlation-based digital aberration correction was implemented and adapted to the unique requirements of holography. Additionally, a first model for blood flow quantification was proposed. Furthermore, based on a previous demonstration of feasibility of retinal elastography measurements, processing allowing to improve the SNR and automate the analysis was proposed. A preliminary comparison between arteries and veins was performed.L'holographie laser Doppler (HLD) est une technique relativement nouvelle conçue pour imager le flux sanguin dans le fond de l'œil. Ce travail présente des avancées qui rapprochent l'HLD de l'utilisation clinique et exploitent les données acquises pour obtenir des biomarqueurs pertinents. Dans la première partie, une correction d'aberration numérique basée sur la corrélation de sous-ouvertures a été mise en œuvre et adaptée aux exigences uniques de l'holographie. De plus, un premier modèle de quantification du flux sanguin a été proposé. Par ailleurs, sur la base d'une démonstration antérieure de la faisabilité des mesures d'élastographie rétinienne, un traitement permettant d'améliorer le rapport signal/bruit (SNR) et d'automatiser l'analyse a été proposé. Une comparaison préliminaire entre les artères et les veines a été effectuée
Caractérisation expérimentale, physique, mécanique et modélisation numérique du comportement de placages de bois sans défaut tenant compte de leur variabilité intra-spécimen
No full textContext and objectives The use of biobased materials is intended to increase in the future for the ecological and inclusive transition, in particular to achieve the objectives of energy renovation and modernization in buildings and to help reduce CO2 emissions from transport industries. Wood-based plywood-type panels are already used in transport: train floors, refrigerated truck bodies, ship planks, etc. Their development towards more specialized uses requires a fine-grained approach to integrate the inherent specificities materials from living organisms: unlike synthetic materials, the properties of wood are very variable because they are linked to the growing conditions of trees. The many advances made in scientific equipment for the characterization of materials, in numerical calculation and dimensioning tools suggest that researchers and engineers are currently equipped to ensure a robust and lasting integration of these materials in the field of transport. This thesis project aims to remove this barrier by optimizing and homogenizing heterogeneous and variable wood-based materials by stratification and hybridization with natural fiber composites for structural applications in transport. Expected works The first work of the doctoral student will be to develop a method allowing a precise characterization of the folds of the wood composite (called veneers). This fine mapping of the properties of each veneer allows a faithful modeling of more complex reconstituted technical products. For this, LaBoMaP has developed expertise in local measurement of the orientation of wood fibers and its modeling [1-3]. These are recent methods with great potential that the doctoral student will have to continue to develop. We are thinking in particular of a better representation of the orientation of the fibers in space, requiring geometric modeling of the problem taking into account, for example, the angle of insertion of the branches into the tree, their diameter, etc. In a second step, a mechanical model will have to be developed taking into account the variation of the mechanical properties according to the variation of the angle of the fibers. This modeling will have to take into account the density characteristics, as proposed by the models in the current literature, but also characteristics at the micro or nanometric scale (angle of cellulose microfibrils). Perhaps surprisingly, the simple fundamental knowledge of the mechanical characteristics of a wood veneer as a function of the angle of the fibers is not trivial and will therefore require considerable modeling and experimentation. How the modulus and the longitudinal resistance of a wood specimen vary with the angle of the fibers, and how precisely we are able to know this, constitutes the main scientific block of this thesis. The idea is to seek to validate these models on increasingly heterogeneous woods, in order to determine their limits. Finally, the final objective is to achieve a modeling of a high performance single or multi-species LVL laminate by finely characterizing its mechanical characteristics, in order to be able to offer a reliable biobased material for transport applications. Interactions with project partners from the femto-ST and DRIVE laboratories will also determine the effect of the addition of composite materials to the skin of the laminate on the performance and reliability of the product. The work envisaged is a work of analytical and numerical mechanical modeling, of "geometric" modeling to take into account the angles of fibers in space, with a strong experimental component.Contexte et objectif L'utilisation de matériaux biosourcés est un enjeu d'avenir pour la transition écologique et solidaire, en particulier pour atteindre les objectifs de rénovation et modernisation énergétique dans le bâtiment et pour contribuer à la diminution des émissions de CO2 des industries du transport. Les panneaux à base de bois type contreplaqués sont déjà utilisés dans les transports : planchers/cloisons de trains, caisse de camion frigorifique, bordés et aménagements de bateaux, etc… Leur développement vers des usages plus pointus nécessite une approche fine pour intégrer les spécificités inhérentes aux matériaux issus du vivant : à l'opposé des matériaux de synthèse, les propriétés du bois sont très variables car liées aux conditions de croissance des arbres. Les nombreux progrès réalisés dans les équipements scientifiques de caractérisation des matériaux, dans les outils de calcul numérique et de dimensionnement laissent penser que les chercheurs et ingénieurs sont à ce jour armés pour assurer une intégration robuste et pérenne de ces matériaux dans le domaine du transport. Cette thèse a pour objectif de lever ce verrou par l'optimisation et l'homogénéisation des matériaux hétérogènes et variables à base de bois par stratification et hybridation avec des composites à fibres naturelles pour des applications structurales dans le transport. Travaux attendus Le premier travail du doctorant sera de parvenir à mettre au point une méthode permettant une caractérisation précise des plis du composite bois (appelés placages). Cette cartographie fine des propriétés de chaque placage permet une modélisation fidèle de produits techniques reconstituées plus complexes. Pour cela, le LaBoMaP a développé une expertise sur la mesure locale de l'orientation des fibres du bois et sa modélisation [1-3]. Il s'agit de méthodes récentes avec un fort potentiel que le·la doctorant·e devra continuer à développer. On pense notamment à une meilleure représentation de l'orientation des fibres dans l'espace, nécessitant une modélisation géométrique du problème tenant compte par exemple de l'angle d'insertion des branches dans l'arbre, leur diamètre, etc. Dans un second temps, un modèle mécanique devra être développé prenant en compte la variation des propriétés mécaniques suivant la variation de l'angle des fibres. Cette modélisation devra tenir compte des caractéristiques de densité, comme le propose les modèles de la littérature actuelle, mais aussi des caractéristiques à l'échelle micro ou nanométrique (angle de microfibrilles de cellulose). De manière peut être étonnante, la simple connaissance fondamentale des caractéristiques mécaniques d'un placage de bois en fonction de l'angle des fibres n'est pas triviale et nécessitera donc un travail de modélisation et d'expérimentation conséquent. Comment le module et la résistance longitudinales d'une éprouvette de bois varient en fonction de l'angle des fibres, et à quel degré de précision sommes-nous capables de le savoir, constitue le principal verrou scientifique de cette thèse. L'idée est de chercher à valider ces modèles sur des bois de plus en plus hétérogènes, afin d'en déterminer les limites. Enfin, l'objectif final est d'aboutir à une modélisation d'un stratifié LVL mono ou multi-essences hautes performances en caractérisant finement ses caractéristiques mécaniques, ce afin de pouvoir proposer un matériau biosourcé fiable pour des applications de transport. Des interactions avec les partenaires du projet des laboratoires femto-ST et DRIVE permettront aussi de déterminer l'effet de l'ajout de matériaux composites en peau du stratifié sur les performances et la fiabilité du produit. Le travail envisagé est un travail de modélisation mécanique analytique et numérique, de modélisation « géométrique » pour tenir compte des angles des fibres dans l'espace, avec une forte composante expérimentale
Proposition d’une démarche d'éco-conception centrée sur l’intégration de matière plastique recyclée issue des DEEE dans le cadre d’une économie circulaire pour les équipements électriques et électroniques
No full textPlastics recycling from WEEE is underperforming. The complexity of this type of waste, combined with the technological limitations of polymer regeneration processes, limit the volume of material available on the market. Therefore, recycled plastics are scarcely used for the manufacturing of new equipment. The lack of available data on these materials often induces a lack of trust towards the use of recycled plastics. To bring a solution to this issue, a common document has been created, that eases the communication between recycled plastics users and suppliers, while gathering useful and relevant information on the materials. In order to evaluate the retrievability and the capacity of re-integration into new equipment of recycled plastics, key performance indicators have been developed, in order to offer a multicriteria analysis of the design of EEE. Based on those indicators, an ecodesign method has been created, to evaluate the level of ecodesign of a product during the design phase and produce ecodesign guidelines when needed. The results of this method are presented in a matrix, in order to be as user-friendly as possible. The ergonomic aspect and the quality of evaluation of this method have been validated by assessing its results on a case study. An EEE in the field of sports and recreation has been evaluated, and targeted ecodesign guidelines have been drawn out.La catégorie de déchets des équipements électriques et électroniques (DEEE) comporte des produits très variés, en masse, en quantité, et en composition. En outre, les DEEE sont des produits complexes, constitués de nombreux matériaux de natures diverses. Par conséquent, le processus de traitement d’un équipement est long et nécessite l’intervention de plusieurs acteurs de la filière du traitement des déchets. En sortie de la chaîne de recyclage, une matière plastique recyclée (MPR) peut être remise sur le marché, ce qui donne lieu à des études permettant de comparer la composition des DEEE en entrée de la chaîne de recyclage, et aux polymères recyclés présents à l’issue de cette dernière.Le recyclage des matières plastiques recyclées et leur réintégration dans de nouveaux équipements électriques et électroniques soulève donc plusieurs problématiques. De manière générale, les acteurs de la filière des MPR mettent en avant des obstacles liés à quatre aspects. Premièrement, l’état général de la matière semble être source d’inquiétude. Deuxièmement, les difficultés liées au recyclage des plastiques identifiées préalablement se montrent pertinentes. Ce manque de matière se traduit par une incertitude au niveau de l’approvisionnement potentiel en MPR, et érode la confiance des utilisateurs en ces matières.Afin d’améliorer la communication entre les différents acteurs de la filière des matières plastiques recyclées (MPR), un format de communication standardisé doit être créé. Ce document, un référentiel de qualité pour les MPR, prend la forme d’une liste de paramètres qui s’appuie sur 28 normes européennes concernant les méthodes d’évaluation de ces derniers. La qualité des plastiques recyclée est donc définie de manière exhaustive et objective, et cette définition peut donc être utilisée comme référence par les fournisseurs et utilisateurs de MPR. En outre, le contenu de ce référentiel pourra ensuite être utilisé comme base pour le calcul d’indicateurs de performance pour l’écoconception.Les indicateurs et indices de performance permettent de synthétiser des grandeurs physiques mesurées de nature parfois différente. Premièrement, certains indicateurs permettent une évaluation du choix des matériaux en conception. D’autres indicateurs sont utiles à l’évaluation des choix d’assemblage du produit. Enfin, les derniers ont pour but de s’assurer que l’équipement étudié pourra bien s’insérer dans une filière de traitement des déchets. Huit indicateurs mettant en jeu tous ces paramètres ont été créés à partir de sous-indicateurs, eux-mêmes calculés à partir de grandeurs physiques mesurées. Deux groupes de quatre indicateurs ont été agrégés afin de former deux indices : l’indice de récupérabilité des matériaux, et l’indice de réintégrabilité des matériaux.Il apparaît qu’une démarche d’écoconception gagne en efficacité si elle est mise en place au plus tôt dans le cycle de développement d’un produit. La comparaison de méthodes d’ACV simplifiée sur plusieurs études de cas détaillés dans la littérature nous a amenés à choisir de combiner nos indicateurs d’écoconception avec une méthode d’ACV dit matricielle, qui nous permet de communiquer les résultats de façon structurée, tout en gardant une évaluation environnementale quantitative des choix de conception pour un produit donné.Les choix d’indicateurs, et le choix de méthode d’écoconception effectués précédemment sont mis en œuvre sur deux cas d’application réels. Nous allons appliquer notre méthode d’écoconception à ces cas d’étude afin de valider notre démarche. Nous allons pouvoir évaluer les différents aspects de la conception de ces produits, et le cas échéant, dresser des lignes directrices d’écoconception pour améliorer ces derniers. Cette validation expérimentale a également pour but de s’assurer de la facilité d’utilisation de notre méthode, au travers de la mise en place des calculs, mais également de la communication des résultats
Différentiateurs d'état d'ordre fractionnaire non asymptotiques basés sur la méthode améliorée des fonctions modulatrices
No full textMotivated by the complexity and inefficiencies in current modulating function state estimation methods based on input-output differential equations, this thesis aims to introduce improved modulating functions-based state estimation methods to simplify the estimation process and improve the estimation efficiency. They can be used to non-asymptotically and robustly estimate not only the states for integer and non-integer order linear systems in noisy environments, but also their fractional derivatives and integrals. First, an improved state estimator is advanced for integer order systems. Then this approach is generalized to fractional order systems for estimating the fractional integral of the state. Noise error analysis is also provided. In contrast to the previous work, the presented scheme applies to the observable canonical form, obtaining algebraic integral formulas directly, without the need for estimating the derivatives of output and a set of fractional initial values. In the proposed improved method, the fractional derivatives of the state can be obtained via the Gr"{u}nwald-Letnikov scheme. To obtain directly the algebraic integral formulas of the fractional derivatives and integrals of the states, we first cleverly transform the observable canonical form into a new fractional order system. Thus, the fractional derivatives and integrals of the states are directly estimated for integer and non-integer order systems by designing modulating functions, which is the second improved method proposed. Furthermore, we consider applications for DC motors. The efficiency and robustness of the proposed improved estimators are verified by numerical simulations in this thesis. Finally, a summary of this work and an insight into future work are drawn.Motivée par la complexité et les inefficacités des méthodes de fonctions modulatrices actuelles d'estimation d'état basées sur des équations différentielles d'entrée-sortie, cette thèse vise à introduire des méthodes améliorées d'estimation d'état basées sur des fonctions modulatrices afin de simplifier le processus d'estimation et d'améliorer son efficacité. Elles peuvent être utilisées pour estimer de manière non asymptotique et robuste non seulement les états pour les systèmes linéaires d'ordre entier et non entier dans des environnements bruités, mais aussi leurs dérivées et intégrales fractionnaires. Tout d'abord, un estimateur d'état amélioré est développé pour les systèmes d'ordre entier. Ensuite, cette méthode est généralisée aux systèmes d'ordre fractionnaire pour estimer l'intégrale fractionnaire de l'état. Une analyse d'erreurs dues aux bruits est aussi donnée. Contrairement aux travaux précédents, le schéma présenté s'applique à la forme canonique observable, obtenant directement des formules intégrales algébriques, sans avoir besoin d'estimer les dérivées de la sortie et un ensemble de valeurs initiales fractionnaires. Dans la méthode améliorée proposée, les dérivées fractionnaires de l'état peuvent être obtenues via le schéma de Grünwald-Letnikov. Pour obtenir directement les formules intégrales algébriques des dérivées et intégrales fractionnaires de l'état, nous transformons astucieusement la forme canonique observable en un nouveau système d'ordre fractionnaire. Ainsi, les dérivées et intégrales fractionnaires de l'état sont directement estimées pour les systèmes d'ordre entier et non entier en concevant des fonctions modulatrices, ce qui constitue la deuxième méthode améliorée proposée. De plus, nous examinons les applications pour les moteurs à courant continu. L'efficacité et la robustesse des estimateurs améliorés proposés sont vérifiées par des simulations numériques dans cette thèse. Enfin, un résumé de ces travaux et un aperçu des travaux futurs sont dressés
Fondations et optimisation d'échantillonneurs de Langevin
No full textMolecular dynamics allows to compute many physical quantities of interest, such as the pressure of a system or the heat capacity of a material, starting from a microscopic description of systems. These calculations are based on estimating the average of observables over a given thermodynamic ensemble. In practice, one needs to sample a high-dimensional probability measure. For this purpose, the scientific community relies on Markov Chain Monte Carlo (MCMC) algorithms, where the averages of observables are estimated using trajectory averages. In this thesis, we focus on MCMC algorithms based on discretizations of Langevin dynamics, which are stochastic differential equations modeling a physical system interacting with its environment via energy exchanges at a fixed temperature.The numerical integration of these dynamics is very costly. Indeed, the system is generally composed of many particles, and its evolution requires the computation of numerous interaction forces. The time step used for discretizing the dynamics must be small enough to correctly account for all the system's frequencies, and for the integration to be stable in the first place. Moreover, the reliability of estimates of mean values for observables is ensured only after long integration times of the dynamics, thus necessitating a large number of iterations. To limit the computational cost, the first chapters of this thesis investigate the introduction of a non-constant diffusion coefficient in Langevin dynamics, in order to accelerate the convergence of algorithms.In the first work of this thesis, we analyze Hamiltonian Monte Carlo (HMC) algorithms for any Hamiltonian, and show how to generically unbias them; in particular the Riemann Manifold HMC (RMHMC) algorithm which allows the introduction of a non-constant diffusion into kinetic Langevin dynamics. In the second work, we study the optimization of the diffusion coefficient for overdamped Langevin dynamics. We propose a methodology to compute an optimal diffusion, study its behavior in the homogenized limit (with periodic boundary conditions), and obtain a simple analytical expression. In the third work, we suggest a diffusion that optimizes the exploration of the effective dynamics of overdamped Langevin dynamics, as seen through the lens of a collective variable. We show how this diffusion adapts to high-dimensional systems, can be learned on-the-fly during simulations and can be used in combination with the RMHMC algorithm.The final chapter of this manuscript is devoted to the latest advances in the community of diffusion models for estimating normalization constants. We show how these methods can be adapted to compute free energy differences, and test them on a simple molecular dynamics system. We also suggest some ideas for algorithms that could be more suitable for high-dimensional systems.La dynamique moléculaire permet de calculer de nombreuses quantités physiques d'intérêt, comme la pression d'un système ou la capacité thermique d'un matériau, à partir d'une modélisation à l'échelle microscopique. Ces calculs reposent sur l'estimation de moyennes d'observables dans un ensemble thermodynamique donné. En pratique, il s'agit d'échantillonner une mesure de probabilité en dimension grande. Pour cela, la communauté scientifique s'appuie sur les algorithmes de type Markov Chain Monte Carlo (MCMC), où les moyennes d'observables sont estimées par des moyennes trajectorielles. Dans cette thèse, nous étudions principalement les algorithmes MCMC qui reposent sur des discrétisations de dynamiques de Langevin, qui sont des équations différentielles stochastiques modélisant un système physique en interaction avec son environnement via des échanges d'énergie à une température fixée. L'intégration numérique de ces dynamiques s'avère très coûteuse. En effet, les systèmes physiques considérés sont généralement composés de beaucoup de particules et l'intégration en temps de leur évolution requiert de calculer de nombreuses forces d'interactions, le pas de temps utilisé pour la discrétisation de la dynamique devant être suffisamment petit pour correctement rendre compte de tous les mouvements du système et garantir la stabilité de l'intégration numérique. De plus, la fiabilité des estimations des moyennes d'observables est assurée seulement après des long temps d'intégration de la dynamique, demandant ainsi d'effectuer un grand nombre d'itérations. Afin de limiter le coût de calcul, nous étudions dans les premiers chapitres de cette thèse l'introduction d'un coefficient de diffusion non constant dans les dynamiques de Langevin, afin d'accélérer la convergence des algorithmes. Dans le premier travail de cette thèse, nous analysons les algorithmes Hamiltonian Monte Carlo (HMC) pour un Hamiltonien quelconque, et montrons comment les débiaiser génériquement, en particulier pour l'algorithme Riemann Manifold HMC (RMHMC) qui permet d'introduire une diffusion non constante dans la dynamique de Langevin cinétique. Dans le deuxième travail, nous étudions l'optimisation du coefficient de diffusion pour des dynamiques de Langevin suramorties. Nous proposons une méthodologie pour calculer une diffusion optimale, étudions son comportement dans la limite homogénéisée (avec des conditions aux bords périodiques), et obtenons une expression analytique simple de cette diffusion limite. Dans le troisième travail, nous proposons une diffusion permettant d'optimiser l'exploration de la dynamique effective de Langevin suramortie vue par le prisme d'une variable collective. Nous montrons comment cette diffusion s'adapte aux systèmes en grandes dimensions, peut être apprise au cours d'une simulation et peut être utilisée conjointement avec l'algorithme RMHMC.Le dernier chapitre de ce manuscrit est consacré aux dernières avancées dans la communauté des modèles de diffusion pour l'estimation de constantes de normalisation. Nous montrons comment ces méthodes peuvent être adaptées pour calculer une différence d'énergie libre, et testons ces méthodes sur un cas simple de dynamique moléculaire. Nous proposons aussi quelques pistes de réflexion vers des algorithmes potentiellement plus adaptés à des systèmes en dimension grande
Films d'hydrogels thermo-stimulables à propriétés UCST pour des applications biologiques
No full textPolymers with UCST (Upper Critical Solution Temperature) are still largely understudied compared to LCST (Lower Critical Solution Temperature) polymers, despite their great potential. Their interest relies on their ability to absorb and expel water depending on temperature, opening up perspectives in the biomedical field. This thesis focuses on the study of thin UCST hydrogel films grafted on solid substrates for biological applications. This involves the development of new neutral polymers, non-sensitive to the presence of salts, to ensure their stability and performance in biological environments. We have synthesized and studied an acrylamide-based UCST polymer, poly(N-methacryloyl glycinamide) (PMAGA), whose thermo-responsive properties have not yet been reported neither in solution nor at the solid/liquid interface.The first objective of this project was the synthesis of the non-commercial monomer, N-methacryloyl glycinamide (MAGA). We have sought to propose the simplest possible synthesis using non-toxic products to obtain a well-purified monomer. MAGA was then copolymerized with varying amounts of allyl methacrylate (AMA) to obtain allyl-functionalized copolymers. Their thermo-responsive properties were characterized in solution and the main parameters influencing the UCST transition temperature were determined.Subsequently, thin films and patterns of poly(MAGA-co-AMA) hydrogels grafted onto surfaces were developed. These polymer networks, covalently fixed to solid plane substrates, were synthesized using a versatile and easy-to-implement approach based on thiol-ene click chemistry. This method involves depositing the ene-functionalized polymers in the presence of dithiol cross-linkers onto thiol-modified substrates, allowing simultaneous cross-linking of polymer chains and their grafting to the surface through the thiol-ene reaction. This reaction can be initiated thermally or by UV irradiation, enabling the creation of patterns through conventional photolithography techniques, notably with photomasks. This strategy, known as CLAG (acronym for Cross-Linking And Grafting), has enabled the synthesis of reliable, reproducible and chemically stable hydrogel films over a wide range of thicknesses.These grafted hydrogel films showed thermo-responsive properties with swelling observable in a wide variety of aqueous environments, ranging from ultrapure water to more complex aqueous media. In particular, these characterizations have enabled us to gain a better understanding of the molecular mechanisms, such as hydrogen bondings, involved in the swelling of hydrogels in aqueous media. The UCST behavior of PMAGA-based films was also compared to other UCST polymers, such as poly(N-acryloyl glycinamide) (PNAGA) and poly(2-(methacryloyloxy) ethylureido glycinamide) (PMEGA), with a more in-depth study carried out.Finally, the evaluation of the cytocompatibility of the UCST hydrogels presented in this project demonstrated their short-term biocompatibility, as well as the effectiveness of the CLAG method in producing clean films. This study opens up promising perspectives in various fields such as microfluidics or controlled drug delivery.Les polymères à UCST (Upper Critical Solution Temperature) restent aujourd'hui largement sous-étudiés par rapport à leurs homologues à LCST (Lower Critical Solution Temperature) bien que très prometteurs. Leur potentiel réside dans leur capacité à absorber et expulser l’eau en fonction de la température, ouvrant notamment des perspectives en recherches biomédicales. Cette thèse porte sur l'étude de films minces d'hydrogels à UCST greffés sur des surfaces pour des applications biologiques. Cela inclut le développement de nouveaux polymères neutres, insensibles à la présence de sels, afin d'assurer leur stabilité et leur performance en environnements biologiques. Nous avons ainsi synthétisé et étudié un polymère à UCST à base d’acrylamide, le poly(N-methacryloyl glycinamide) PMAGA, dont les propriétés thermosensibles n’ont encore jamais été rapportées ni en solution ni à l’interface solide/liquide.Le premier objectif de ce travail réside dans la synthèse du monomère non commercial, le N-methacryloyl glycinamide (MAGA). Nous avons cherché à développer une synthèse impliquant l’utilisation de produits non toxiques et d’une quantité limitée de solvant afin d’obtenir un monomère bien purifié. Le MAGA a ensuite été copolymérisé avec des quantités variables de méthacrylate d’allyle (AMA) afin d’obtenir des copolymères fonctionnalisés par des alcènes pendants. Leurs propriétés thermosensibles ont été caractérisées en solution, avec une détermination des principaux paramètres influençant la température de transition UCST.Par la suite, des films et des patterns d'hydrogels de poly(MAGA-co-AMA) greffés sur des surfaces ont été élaborés. Ces réseaux de polymères, fixés de manière covalente sur des substrats solides plans, ont été synthétisés grâce à une approche polyvalente et simple à mettre en œuvre, basée sur la chimie click thiol-ène. Cette méthode consiste à déposer les polymères fonctionnalisés par des groupes alcène en présence de réticulants dithiol sur des substrats modifiés au thiol, permettant ainsi la réticulation simultanée des chaînes polymères et leur greffage à la surface via la réaction click thiol-ène. Cette réaction peut être initiée thermiquement ou par irradiation UV, permettant également la création de motifs grâce à des techniques de photolithographie classique, notamment avec des photo-masques. Cette stratégie appelée CLAG (acronyme de Cross-Linking And Grafting) a permis la synthèse de films d'hydrogels fiables, reproductibles et chimiquement stables, ainsi que l’obtention d’une large gamme d'épaisseurs.Ces films d’hydrogels greffés ont montré des propriétés thermosensibles avec un gonflement observable dans une grande variété d'environnements aqueux, allant de l’eau ultrapure à des milieux aqueux plus complexes. Ces caractérisations ont notamment permis de mieux comprendre les mécanismes moléculaires, tels que les liaisons hydrogène, impliquées dans le gonflement de l’hydrogel en milieux aqueux. Le comportement UCST des films à base de PMAGA a également été comparé à d'autres polymères à UCST, comme le poly(N-acryloyl glycinamide) (PNAGA) et le poly(2-(methacryloyloxy) ethylureido glycinamide) (PMEGA), dont une étude plus approfondie a été réalisée.Enfin, l'évaluation de la cytocompatibilité des hydrogels à UCST présentés dans ce projet a démontré leur biocompatibilité à court terme ainsi que l'efficacité de la méthode CLAG dans la production de films stables et purs. Cette étude ouvre des perspectives prometteuses dans des domaines variés tels que la microfluidique ou encore la libération contrôlée de médicaments
Essais sur les choix alimentaires, le pouvoir d'achat, les empreintes carbones et les inégalités
No full textFood is at the center of multiple challenges. In the context of rising environmental and nutritional issues, this dissertation investigates how households adapt their food consumption behaviors to external shocks and explores socio-economic disparities in carbon footprints. Using detailed transaction-level and consumption data from France, the four independent chapters provide new insights into the response of food demand to purchasing power shocks, food-related carbon emissions, and the drivers of food preferences.The first chapter examines how energy price shocks, particularly rising fuel prices, affect food consumption patterns. It shows that food is a key adjustment margin for households who respond to fuel price increases by reducing total food expenditure, with an elasticity of -0.25. The chapter explores the mechanisms households rely on to decrease food spending, revealing that households reduce both purchase volumes and the unit value of the products they buy. They adjust their purchasing patterns by shopping less frequently, visiting discount stores, substituting products, and buying in bulk. These findings suggest that policies targeting energy prices should consider the indirect effects on household food consumption to avoid unintended consequences on diet quality and food security.The second chapter addresses the heterogeneity in food-related carbon footprints, a dimension often underexplored due to a lack of detailed consumption data. By linking transaction-level purchase data with environmental impact estimates, this chapter uncovers important differences in carbon footprints across households, with those in the highest emission quartile producing 2.5 times more emissions than those in the lowest quartile. Price elasticities are estimated using a structural demand approach to examine how the composition of food baskets responds to price variations. The findings indicate that high-emission households are more price-sensitive, particularly when it comes to carbon-intensive products like red meat. Policy simulations demonstrate that even a modest food carbon tax can effectively reduce food-related emissions, though it may also lead to trade-offs in diet quality.The third chapter investigates gender, an overlooked aspect of heterogeneity in carbon footprints. Using individual-level data matched with detailed product-level emissions for food and transport—two sectors that account for half of individuals' total carbon footprints—this chapter documents a significant gender gap in carbon footprints, with women emitting 27% less carbon than men. Women's lower emissions are not solely attributed to biological factors, such as lower calorie requirements or men traveling longer distances. The gender gap in carbon footprints is also driven by women's consumption of lower-emission food products and their use of less carbon-intensive transportation. The magnitude of the gender gap highlights the importance of considering gender when addressing carbon footprint inequalities.The final chapter explores income as a driver of food preferences, particularly how it influences food choices and leisure activities. Building on stylized facts that show high-income households tend to adopt healthier diets and engage in more out-of-home leisure activities, it investigates how a large shock to out-of-home leisure affects food choices. The COVID-19 lockdowns of 2020 provide a natural experiment, demonstrating that higher-income households experience a sharper decline in diet quality when out-of-home leisure is restricted. This suggests substitution patterns between leisure activities and unhealthy food consumption, with important implications for understanding income-driven nutritional inequalities.L'alimentation est au cœur de multiples défis. Dans le contexte de préoccupations croissantes sur les aspects environnementaux et nutritionnels, cette thèse examine comment les ménages adaptent leurs comportements alimentaires face aux chocs de prix. Elle explore ensuite les empreintes carbones alimentaires des ménages, afin d'évaluer l'impact de politiques environnementales, comme une taxe carbone sur l'alimentation. En utilisant des données détaillées d'achat et de consommation en France, les quatre chapitres indépendants de cette thèse apportent de nouvelles perspectives sur les déterminants de la demande alimentaire des ménages, les émissions carbones associées à cette demande, ainsi que la réaction des ménages aux chocs de pouvoir d'achat.Le chapitre 1 examine comment les variations du revenu disponible des ménages affectent leurs habitudes de consommation alimentaire. Ces variations sont approximées à partir des variations des prix de l'énergie, sous l'hypothèse que les ménages ont des dépenses énergétiques contraintes. Il montre que l'alimentation constitue une marge d'ajustement importante. Les ménages réagissent à l'augmentation des prix du carburant en réduisant les dépenses alimentaires totales, avec une élasticité de -0,25.Le chapitre 2 traite de l'hétérogénéité des empreintes carbone des ménages liées à leur alimentation. En reliant les données d'achat transactionnelles aux estimations d'impact carbone, ce chapitre révèle des différences importantes dans les empreintes carbone alimentaires entre les ménages, les ménages du quartile d'émission le plus élevé émettant 2,5 fois plus que ceux du quartile le plus bas. L'estimation structurelle de la demande révèle que les ménages fortement émetteurs sont plus sensibles aux prix, en particulier pour les produits intensifs en carbone tels que la viande rouge.Le chapitre 3 explore la question de l'hétérogénéité de genre dans les empreintes carbones. En utilisant des données individuelles et des émissions détaillées par produit pour l'alimentation et le transport — deux secteurs représentant la moitié des empreintes carbone —, ce chapitre montre un écart de genre significatif : les femmes ont des empreintes carbones 27 % plus faibles que les hommes. Cet écart ne s'explique pas seulement par des différences biologiques, comme les besoins caloriques ou les distances de déplacement plus longues pour les hommes. Il résulte aussi de la consommation de produits alimentaires moins polluants et de l'utilisation de modes de transport moins carbonés.Le chapitre 4 examine les déterminants des préférences alimentaires, en particulier l'influence du revenu sur les choix alimentaires et les activités de loisirs. Une première analyse descriptive montre que les ménages à haut revenu tendent à adopter des régimes plus sains et à pratiquer davantage de loisirs hors du domicile. En se basant sur ces observations, le chapitre analyse comment un choc important sur les loisirs hors domicile affecte les choix alimentaires des ménages. Les résultats suggèrent un schéma de substitution entre les loisirs, auxquels les ménages aisés accèdent en temps normal, et la consommation d'aliments de faible qualité nutritionnelle
Modélisation de la diffusion multiple et dynamique de la lumière dans un éjecta issu d’un choc
No full textIn this doctoral thesis, we aim to model the spectrograms of the optical diagnostic named Photon Doppler Velocimetry (PDV) in the context of characterizing ejecta from shock experiments on metals. To do this, we first establish the link between the PDV spectrogram and a common quantity in statistical optics, the specific intensity. This specific intensity is classically governed by a Radiative Transfer Equation (RTE), which, in the context of this thesis, has been modified to account for the dynamic and statistically inhomogeneous nature of an ejecta. The numerical resolution of this equation using a Monte Carlo scheme allowed us to retrieve, through simulation, the main characteristics of the PDV spectrograms of ejecta and to highlight the importance of multiple scattering. Building on this result, we explore the sensitivity of PDV spectrograms to various parameters such as wavelength, particle size-velocity distribution, and its statistical inhomogeneity. We also study the possibility of quantitatively modeling spectrograms using a simpler approach based on a diffusion equation valid in the regime of very strong scattering. We prove the relevance of this approximation in many regimes, but the inhomogeneity and anisotropy of the velocity distribution of an ejecta render it inadequate. Finally, we explore the impact on PDV spectrograms of the presence of anisotropic objects near the free surface of the metal. We show, using a very simple model, that the presence of these objects substantially modifies the spectrograms, and our study tends to prove that they are the cause of a well-known dip in the spectrograms observed by experimenters.Dans cette thèse de doctorat, nous visons à modéliser les spectrogrammes du diagnostic optique de Vélocimétrie Hétérodyne (VH) dans le cadre de la caractérisation des éjectas issus d’expériences de choc sur des métaux. Pour cela, nous établissons d’abord le lien entre le spectrogramme VH et une quantité usuelle en optique statistique, la luminance. Cette luminance est classiquement régie par une Équation de Transfert Radiatif (ETR) qui, dans le cadre de cette thèse, a été adaptée pour rendre compte de l’aspect dynamique et statistiquement inhomogène d’un éjecta. La résolution numérique de cette équation par méthode de Monte Carlo a permis de retrouver par simulation les principales caractéristiques des spectrogrammes VH d’éjectas et de mettre en avant l’importance de la diffusion multiple. Fort de ce résultat, nous explorons la sensibilité des spectrogrammes VH à différents paramètres comme la longueur d’onde, la distribution taille-vitesse des particules et son inhomogénéité statistique. Nous étudions également la possibilité de modéliser quantitativement les spectrogrammes à partir d’une approche plus simple basée sur une équation de diffusion valide en régime de très forte diffusion. Nous prouvons la pertinence de cette approximation dans de nombreux régimes mais l’inhomogénéité et l’anisotropie de la distribution en vitesse d’un éjecta la mettent en défaut. Enfin, nous explorons l’impact sur les spectrogrammes VH de la présence d’objets anisotropes proches de la surface libre du métal. Nous montrons à partir d’un modèle très simple que la présence de ces objets modifie de manière substantielle les spectrogrammes et notre étude tend à prouver qu’ils sont à l’origine de l’apparition d’un creux bien connu des expérimentateurs dans les spectrogrammes
Résistance à l'effort tranchant et à la torsion des éléments de structure en béton armé en condition d’incendie
No full textThis thesis proposes a method for the design of reinforced concrete beams subjected to shear and torsion under fire conditions.Firstly, semi-analytical formulations are developed to assess the shear resistance of beams exposed to fire on one, two, three, or even four faces, using the kinematic approach of yield design. These formulations are derived from a general virtual mechanism involving rigid body motions separated by plane velocity discontinuity interfaces. Subsequently, two specific mechanisms are introduced to approximate the failure loads due to shear and bending separately. These approximations provide results that are close to the more general semi-analytical formulation, while being simpler and faster to implement. The theoretical predictions are then compared with experimental results from the literature. A second comparison is made with the results of an experimental campaign conducted as part of this thesis. This campaign also contributed to expanding experimental databases by evaluating the shear failure load of reinforced concrete beams exposed to a standard fire, with a shear span equal to three times the effective depth of the section.To further improve the estimation of the shear failure load, numerical simulations using finite element models are developed. In this context, the kinematic approach employs more complex virtual velocity fields than those used in the semi-analytical model, allowing for the exploration of more comprehensive failure mechanisms, beyond rigid body motions or plane velocity discontinuity interfaces. Additionally, the numerical implementation of the static approach confirms the validity of the kinematic approach, as it yields similar results.Finally, a simplified method for determining the torsional failure load of a thin-walled reinforced concrete beam under fire conditions is proposed, by evaluating the shear failure load of each wall separately. This method is compared with a finite element model of a bidimensional-walled beam subjected to a torsional moment, in order to assess its accuracy. A preliminary comparison of this model with an experimental result at ambient temperature, derived from the literature, is also presented.La présente thèse propose une méthode de dimensionnement à l'effort tranchant et à la torsion des poutres en béton armé en condition d'incendie. Tout d'abord, des formulations semi-analytiques sont développées pour évaluer la résistance à l'effort tranchant des poutres exposées au feu sur une, deux, trois, voire quatre faces, en utilisant l'approche cinématique du calcul à la rupture. Ces formulations sont basées sur un mécanisme virtuel général impliquant des mouvements de corps rigides séparés par des interfaces de discontinuité de vitesses planes. Par la suite, deux mécanismes particuliers permettent d'obtenir séparément une approximation de la charge de ruine en flexion et en effort tranchant des poutres. Ces deux approximations offrent des résultats proches de la formulation semi-analytique plus générale, tout en étant plus simples et plus rapides à implémenter. Les prédictions théoriques sont ensuite comparées à des résultats expérimentaux issus de la littérature. Une deuxième comparaison est effectuée avec les résultats d'une campagne expérimentale réalisée dans le cadre de cette thèse. Cette campagne a permis d'enrichir les bases de données expérimentales en évaluant la charge de ruine en effort tranchant de poutres en béton armé exposées à un feu normalisé, avec une portée d'effort tranchant égale à trois fois la hauteur utile de la section. Afin d'estimer au mieux la charge de ruine par effort tranchant des poutres, des implémentations numériques par modèles aux éléments finis ont été développées. Dans ce cadre, l'approche cinématique utilise des champs de vitesses virtuels plus complexes que ceux du modèle semi-analytique, permettant d'explorer des mécanismes de ruine plus complets, sans se limiter aux mouvements de corps rigides ou aux interfaces de discontinuité de vitesses planes. De plus, l'implémentation numérique de l'approche statique confirme la qualité de l'approche cinématique en fournissant des résultats très proches. Enfin, une méthode simplifiée pour déterminer la charge de ruine en torsion d'une poutre à parois minces en béton armé en condition d'incendie est proposée. Elle évalue séparément la charge de ruine en effort tranchant des différentes parois. Cette méthode est comparée à un modèle aux éléments finis de poutres à parois bidimensionnelles soumises à un moment de torsion, afin d'en évaluer la pertinence. Une première confrontation de ce modèle avec un résultat expérimental à température ambiante tiré de la littérature a également été réalisée