Note ABES Study of material responses to fluctuating environmental conditions in a civil engineering applications perspective Étude des réactions des matériaux aux conditions environnementales fluctuantes dans une perspective d'applications en génie civil Caractérisation des matériaux Conception structurelle Assemblage Actionnement Réponse aux stimuli Matériaux multicouches Diffusion de l'eau Conformation des chaînes de polymères État métastable Material characterisation Structural design Assembly Actuation Stimulus response Multi-layer materials Water diffusion Polymer chain conformation Metastable state 531 624 Matériaux -- Détérioration Génie civil -- Recherche Les mouvements autonomes des plantes provoqués par des stimuli externes tels que la lumière, la température et l'humidité relative sont des exemples fascinants de la nature qui peuvent inspirer la fabrication de systèmes d'actionnement révolutionnaires, capables de réagir en fonction des conditions environnementales sans utiliser d'énergie supplémentaire. Dans ce cas, le matériau fonctionne comme une roue qui entraîne l'actionnement, de sorte qu'aucune maintenance n'est nécessaire. La fabrication de tels assemblages nécessite une caractérisation rigoureuse des propriétés des matériaux qui affectent cette réponse, en particulier dans les films minces (en tirant parti du rapport surface/volume). Étant donné que l'actionnement dans les systèmes bicouches dépend principalement de leurs propriétés d'expansion, une modification de l'interféromètre de Michelson pour mesurer les coefficients d'expansion des films minces dans un environnement contrôlé est proposée. L'appareil est utilisé pour quantifier les coefficients d'expansion thermique et hygroscopique de thermoplastiques courants imprimés en 3D et d'un polysaccharide hydrosoluble principalement utilisé dans l'industrie alimentaire, le pullulan. Le comportement hygroscopique particulier de ce polymère naturel a conduit à étudier la conformation de sa chaîne en fonction de la température pendant la mise en solution. Ainsi, l'analyse par courbure expérimentale dans des bandes bicouches de pullulan, complétée par des mesures utilisant la diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS), a permis de concevoir une théorie expliquant le comportement non monotone de la capacité de gonflement de ce polysaccharide. La réponse à l'absorption d'eau de tous les matériaux testés a permis d'étudier la diffusion anormale dans l'alcool polyvinylique (PVA) et le pullulan. La cinétique pendant la sorption de l'eau de ces deux matériaux ne suit pas une diffusion fickienne typique. Au lieu de cela, le comportement est expliqué en considérant les phénomènes de relaxation pendant le processus. Dans le cas du pullulan, sa cinétique d'absorption d'eau est fortement affectée par les conditions de coulée et l'historique de sorption du matériau. L'assemblage de bandes bicouches de PVA et de pullulan a montré une limite lors de l'application du modèle de Timoshenko, le modèle mécanique classique pour décrire les réponses de flexion dans les systèmes bicouches. On a vu que le modèle de Timoshenko ne pouvait pas prédire correctement les courbures linéaires dans les films minces de matériaux hautement hygroscopiques. A l'inverse, il était pertinent d'appliquer un modèle différent qui prenait en compte le changement dimensionnel en pourcentage de la bande. Enfin, sur la base de la caractérisation réalisée au cours de cette recherche et des approches trouvées dans la littérature, la dernière partie de cette thèse détaille une description solide des facteurs nécessaires à prendre en compte lors de la conception et de la fabrication d'actionneurs autonomes pour des applications en architecture et en génie civil. The autonomous movements in plants caused by external stimuli such as light, temperature, and relative humidity are fascinating examples in nature that can inspire the fabrication of revolutionary actuating systems, able to react dependently to their environmental conditions without using additional energy. Here, the material works as the wheel that drives the actuation, so that no maintenance is needed. The fabrication of such assemblies requires a rigorous characterisation of the relevant material properties that affect this response, specifically in thin films (taking advantage of the surface-to-volume ratio). Given that the actuation in bilayer systems depends mainly on their expansion properties, a modification of the Michelson interferometer to measure expansion coefficients of thin films in a controlled environment is proposed. The apparatus is used to quantify thermal and hygroscopic expansion coefficients of common 3D-printed thermoplastics and a water-soluble polysaccharide that is mostly used in the food industry, namely pullulan. The peculiar hygroscopic behaviour of this natural polymer led to investigating its chain conformation as a function of the temperature during solution casting. Thus, the analysis through experimental curvature in bilayer strips of pullulan, complemented with measurements using small‑angle X-ray scattering (SAXS), allowed conceiving a theory that explained the non‑monotonic behaviour of the swellability in this polysaccharide. The water uptake response of all tested materials resulted in the study of anomalous diffusion in polyvinyl alcohol (PVA) and pullulan. The kinetics during the water sorption of these two materials do not follow a typical fickian diffusion. Instead, the behaviour is explained by considering relaxation phenomena during the process. In the case of pullulan, its water uptake kinetics is highly affected by the casting conditions and the sorption history of the material. The assembly of bilayer strips of PVA and pullulan evinced a limitation when applying Timoshenko’s model, the classical mechanical model to describe bending responses in bilayer systems. It was seen that Timoshenko’s model could not correctly predict linear curvatures in thin films of highly hygroscopic materials. Conversely, it was pertinent to apply a different model that considered the percentual dimensional change of the strip. Finally, based on the characterisation conducted during this research and the approaches found in the literature, the last part of this dissertation details a sound description of the necessary factors to consider when designing and fabricating autonomous actuators for applications in architecture and civil engineering. Electronic Thesis or Dissertation Text en PDF 5216656 http://www.theses.fr/2022STRAD032/Document Université de Strasbourg Strasbourg 2023-12-31 application/pdf 4442273 http://www.theses.fr/2022STRAD032/Document https://theses.fr/2022STRAD032/abes photo p. 28, 29, 31, 37, 38, 41, 44, 46 Palacios Santiesteban Oscar Alejandro 1988-01-10 FR 258042613 0EFB1Q03F00 21517060 4200015 https://theses.fr/2022STRAD032 2022STRAD032 https://doi.org/10.70675/1c89b50cza136z4994z9a8dz2261c05763da 2022-03-16 Mécanique des matériaux Strasbourg 131056549 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg (Fribourg-en-Brisgau, Bade-Wurtemberg, Allemagne) MADS_ETABLISSEMENT_DE_COTUTELLE_1 027398714 Doctorat Docteur es non oui Le Houérou Vincent MADS_DIRECTEUR_DE_THESE_1 092253199 Speck Thomas MADS_DIRECTEUR_DE_THESE_2 069132720 Rühe Jürgen MADS_PRESIDENT_DU_JURY 195896734 Vonna Laurent MADS_MEMBRE_DU_JURY_1 153532416 Lichtenegger Helga MADS_MEMBRE_DU_JURY_2 26853957X Rühe Jürgen MADS_RAPPORTEUR_1 195896734 Delorme Nicolas MADS_RAPPORTEUR_2 081978995 École doctorale Mathématiques, sciences de l'information et de l'ingénieur (Strasbourg ; 1997-....) MADS_ECOLE_DOCTORALE_1 269 156504863 Laboratoire des sciences de l'ingénieur, de l'informatique et de l'imagerie (Strasbourg ; 2013-....) MADS_PARTENAIRE_DE_RECHERCHE_1 260728 176969721 ddc:530 ddc:620 Albert-Ludwigs-Universität (Freiburg im Breisgau, Allemagne) Le Houérou Vincent Speck Thomas Rühe Jürgen Vonna Laurent Lichtenegger Helga Rühe Jürgen Delorme Nicolas École doctorale Mathématiques, sciences de l'information et de l'ingénieur (Strasbourg ; 1997-....) Laboratoire des sciences de l'ingénieur, de l'informatique et de l'imagerie (Strasbourg) PDF 5216656 confidentialité 2022-03-16 2027-09-01 confidentialité 2022-03-16 2027-09-01 restriction 2022-03-16 2027-09-01 confidentialité 2022-03-16 2027-09-01 confidentialité 2022-03-16 2027-09-01 confidentialité 2022-03-16 2027-09-01