Orientadores: Flavia Maria Netto, Ricardo de Lima Zollner / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos / Made available in DSpace on 2018-08-21T22:30:18Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Morais_JanainaMadruga_M.pdf: 1775595 bytes, checksum: 5ee1d5b4bacec45d3dfff615d49f7ca8 (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: O leite bovino contém várias proteínas capazes de induzir resposta alérgica, sendo que a ß-lactoglobulina (ß-Lg) e a a-lactalbumina (a-La), proteínas mais abundantes do soro, estão entre as principais proteínas antigênicas. A homogeneização à alta pressão (HAP) é uma tecnologia emergente que pode alterar a estrutura das proteínas do soro de leite (IPS) e, portanto, seu caráter alergênico. Estudos anteriores apontam que a polimerização com a enzima transglutaminase (TG) reduziu o potencial antigênico da ß-Lg. O presente estudo teve como objetivo avaliar o efeito da HAP associada à polimerização por TG na suscetibilidade à digestão gástrica e gastrointestinal e na resposta antigênica da ß-Lg e a-La antes e após a digestão gástrica. Soluções de IPS (1% m/v), tratadas termicamente (72 °C/22 min) ou não, foram homogeneizadas a diferentes níveis de pressão (0, 100, 180 MPa) ou multiprocessadas por 3 ciclos consecutivos a 180 MPa. As amostras foram caracterizadas por turbidez, pelo teor de grupos sulfidrila reativos e livres e por eletroforese em sistema nativo e em SDS-PAGE em condições redutoras e não-redutoras. As amostras processadas foram polimerizadas com TG (25 U g-1 de proteína) e caracterizadas por eletroforese SDS-PAGE em sistema redutor e densitometria dos géis. Foi avaliada a suscetibilidade da ß-Lg e da a-La à digestão gástrica e gastrointestinal após tratamento térmico, HAP e polimerização, associados ou não. As condições de digestão foram: 182 U de pepsina g-1 de proteína e a relação 1:25 (enzima:proteína) para a pancreatina. A caracterização dos digeridos foi realizada por eletroforese SDS-PAGE/Tricina e cromatografia líquida de alta eficiência de fase reversa (CLAE-FR). A antigenicidade das proteínas foi avaliada pelo método ELISA, utilizando soro anti-ß-Lg ou anti-a-La de camundongos BALB/c imunizados com as proteínas nativas. A homogeneização das soluções de IPS, previamente tratadas termicamente ou não, resultou na diminuição da turbidez e do teor de grupos sulfidrila reativos e livres com o aumento dos níveis de pressão. A polimerização com TG resultou na formação de polímeros com massa molecular (MM) acima de 97,4 kDa, principalmente nas amostras tratadas termicamente e homogeneizadas a 180 MPa por 1 e 3 ciclos, alcançando aproximadamente 20% de polímeros de alta MM. As amostras pré-tratadas e polimerizadas foram mais suscetíveis à digestão gástrica e gastrointestinal, resultando em menor residual de proteína intacta em relação às amostras homogeneizadas pré-tratadas termicamente ou não. Foi observado aumento (P< 0,05) da capacidade de ligação à IgE anti-a-La para a amostra de IPS tratado termicamente e homogeneizado a 180 MPa (IPS-TT-180, 27,88 µg IgE mL-1), em relação ao IPS nativo (IPS-N, 12,80 µg IgE mL-1), sugerindo que a associação do tratamento térmico e HAP aumentou a exposição de seus epítopos. Após a digestão gástrica, não foi observada redução da atividade antigênica da a-La em nenhuma das amostras analisadas. Já para a ß-Lg verificou-se que após a digestão gástrica a amostra de IPS tratado termicamente, homogeneizado a 180 MPa e polimerizado (IPS-TT-180 TG) apresentou diminuição (P< 0,05) da resposta antigênica para IgE anti-ß-Lg (13,59 µg IgE mL-1) em relação ao IPS-N (34,21 µg IgE mL-1). Em conclusão, os tratamentos utilizados alteraram a estrutura das principais proteínas do IPS, resultando na diminuição moderada da resposta antigênica da ß-Lg e no aumento da antigenicidade da a-La / Abstract: Bovine milk contains several proteins, which can induce allergic response. The most abundant whey proteins, â-lactoglobulin (â-Lg) and á-lactalbumin (á-La) are among the major antigenic proteins of cow¿s milk. High pressure homogenization (HPH) is an emergent technology which can alter whey proteins (WPI) structures and possibly WPI antigenicity. Previous studies indicated that polymerization with transglutaminase enzyme (TG) reduced the antigenic potential of â-Lg. The objective of the present study was to evaluate the effect of HPH associated to polymerization by TG on the susceptibility to simulated gastric and gastrointestinal digestion and on antigenic response of â-Lg and á-La before and after gastric digestion. Solutions of WPI (1% w/v) previously heat treated (72 °C/22 min) or without heat treatment were homogenized at several pressure levels (0, 100 and 180 MPa) or at 180 MPa for three consecutive cycles. The samples were characterized by turbidity, content of exposed and free sulfhydryl groups and by electrophoresis on native system and SDS-PAGE under non-reducing and reducing conditions. The processed samples were polymerized with TG enzyme (25 U g-1 of protein) and characterized by SDS-PAGE under reducing conditions followed by densitometry of gels. The susceptibility of â-Lg and á-La to gastric and gastrointestinal digestion was evaluated after heat treatment, HPH and polymerization, associated or not with each other. The digestion conditions were: 182 U pepsin g-1 protein and pancreatin:protein ratio of 1:25. Characterization of the digests was carried out by SDS-PAGE/Tricine and reversed-phase high performance liquid chromatography (RP-HPLC). Protein antigenicity was evaluated by ELISA assay, using serum from BALB/c mouse immunized with native â-Lg and á-La. The homogenization of the WPI solutions, previously heat treated or without heat treatment, resulted in reducing both turbidity and exposed and free sulfhydryl group content as the pressure levels increased. The polymerization with TG enzyme resulted in polymers with molecular mass (MM) above 97.4 kDa, mainly in the samples heat treated and homogenized at 180 MPa for 1 or 3 cycles, forming around 20% of high MM polymers. Either polymerized samples previously treated with heat and/or HPH were more susceptible to gastric and gastrointestinal digestion, resulting in less residual intact protein as compared to the homogenized samples previously heat treated or without heat treatment. It was observed higher (P< 0.05) binding capacity to anti-á-La IgE for the sample heat treated and homogenized at 180 MPa WPI (WPI-TT-180, 27.88 ìg IgE mL-1) than for native WPI (WPI-N, 12.80 ìg IgE mL-1) suggesting that the association of heat treatment and HPH increased the exposition of á-La epitopes. After gastric digestion it was not observed a reduction of á-La antigenic activity. In relation to â-Lg antigenicity, after gastric digestion, the WPI sample heat treated, homogenized at 180 MPa and polymerized (WPI-TT-180 TG) showed reduction (P< 0.05) of anti-â-Lg IgE response (13.59 ìg IgE mL-1) as compared to WPI-N (34.21 ìg IgE mL-1). In conclusion, the treatments studied altered the structure of major protein of WPI, resulting in moderate reduction of â-Lg antigenic response and increased á-La antigenicity / Mestrado / Nutrição Experimental e Aplicada à Tecnologia de Alimentos / Mestra em Alimentos e Nutrição

Cette thèse présente des travaux concernant la modélisation mathématique de deux méthodes physiques existantes pour surmonter les barrières biologiques s’opposant à l’administration efficace de médicaments. Dans la première partie, plusieurs manières de modéliser l’électroporation sont exposées, aux échelles tissulaire et cellulaire. Des modèles phénoménologiques existants d’électroporation tissulaire sont présentés et comparés numériquement. Puis un modèle macroscopique d’électroporation est déduit d’un modèle d’électroporation cellulaire bien établi en utilisant des techniques d’homogénéisation. Dans la seconde partie, un nouveau modèle poroélastique est introduit pour décrire les écoulements dans un tissu biologique. Celui-ci prend en compte la dégradation tissulaire consécutive à un traitement par enzyme. Pour finir, un algorithme d’optimisation est proposé dans le but de déterminer un protocole optimal pour effectuer un traitement enzymatique. / This PhD thesis is devoted to the mathematical modeling and simulation of two existing physical methods to overcome the biological barriers to drug delivery. In the first part, several ways to model electroporation are considered, from the cell scale to the tissue scale. Existing phenomenological models of tissue electroporation are presented and numerically compared. Then a macroscopic model of electroporation is derived from a well-established model of cell elecroporation using homogenization techniques. In the second part, a new poroelastic model for the flows in biological tissues is presented to account for tissue degradation after an enzymatic treatment. To finish, an optimization algorithm is suggested in attempt to determine an optimal protocol when considering enzyme based therapies.

La diffusion de l’hydrogène dans les métaux est un paramètre clef pour la compréhension des mécanismes de base de la fragilisation par l’hydrogène. Néanmoins, le rôle des joints de grains dans le processus de diffusion de cet élément reste à éclaircir. Avec une approche numérique, nous avons étudié les effets d’un réseau hétérogène de joints de grains sur la diffusivité macroscopique de l’hydrogène. Pour cela, des essais de perméation ont été simulés par la méthode des éléments finis, en modélisant le matériau comme un composite formé d’une phase intra-associée aux grains et deux phases intergranulaires, avec des propriétés de diffusion différentes. Nous avons montré, en caractérisant la topologie et la connectivité du réseau des joints de grains, qu’il existe des fortes corrélations entre les paramètres de connectivité et le coefficient de diffusion effectif. Il a été démontré également que ces corrélations sont plus importantes dans les matériaux nanocristallins. De plus, en utilisant une approche d’homogénéisation, il a été mis en évidence que le coefficient de diffusion effectif est contrôlé par le caractère percolant du réseau des joints de grains, sans pour autant avoir le même seuil de percolation que ces derniers. Une seconde étude, utilisant des microstructures de nickel obtenues par cartographies EBSD, a permis d’évaluer l’écart entre la connectivité des modèles simplifiés et les structures réelles. Cette étude a permis également de confronter les coefficients de diffusion effectifs obtenus par la simulation à des données de la littérature. En parallèle, une étude expérimentale a été conduite sur le nickel pour analyser l’influence des joints de grains sur la distribution locale de l’hydrogène. Les résultats ont montré des corrélations importantes entre la nature du joint de grains et le profil de concentration de l’hydrogène autour de ce joint, qui ne peuvent pas être expliquées uniquement par le processus de diffusion. / The diffusion of hydrogen in metals is a key factor for understanding the basic mechanisms of hydrogen embrittlement. However, the contribution of grain boundaries to the hydrogen diffusion is not well established. In this this work, we first investigated the effects of a heterogeneous grain boundary networks on the effective diffusivity in polycrystalline materials, using finite elements modeling. To do so, hydrogen diffusion through heterogeneous materials, modeled by a ternary continuum composite media, was simulated. We showed, by characterizing the grain-boundary connectivity, that there are strong correlations between the grain-boundary connectivity parameters and the effective diffusivity. It was found also that these correlations are more significant for nanocrystalline materials. Moreover, by using a homogenization method, it was evidenced that the percolation behavior of the effective diffusivity is controlled by the grain-boundary network evolution, without exhibiting the same percolation threshold than the latter. A second approach, using EBSD-based microstructures, was conducted to evaluate the effect of microstructural constraints on the grain boundary connectivity and to compare the effective diffusivity numerically obtained with experimental data on polycrystalline nickel from literature. In parallel, experimental analyses were performed to analyze the effects of the grain boundaries on the local hydrogen concentration. This highlighted the significant impact of grain-boundary character on the hydrogen distribution around grain boundaries, which can not be explained by the only diffusion process.

L'objectif majeur de ce travail est d'étudier le climat urbain, principalement en mettant l'accent sur les tendances de la température. Il s’agit principalement de l’augmentation des températures grâce à des techniques d'observation et de modélisation. A cet effet, des données températures de 1950 à 2004 ont étudiées sur plusieurs stations de mesure au Pakistan. Les données de températures annuelles et saisonnières moyennes quotidiennes minimales (Tmin) et maximales (Tmax) de 37 observatoires météorologiques du Pakistan (17 urbain, 7 petite ville et 13 rurale) pour la période 1950-2004 ont d'abord été homogénéisées, puis analysées. Les résultats montrent qu’après les années 1980, Tmin et Tmax tendent à augmenter plus vite que la période d'avant 1980 sur les zones urbaines. Au cours de la période 1980-2004, l'augmentation annuelle de Tmin sur les stations urbaines est observée plus élevée que sur les stations des petites villes et les stations rurales. Pour comprendre l’effet de la taille de la ville, le changement du l’utilisation des sols et la hauteur du bâtiment sur l'évolution des températures minimales et maximales des zones urbaines a été étudié en utilisant le model FVM (Finite Volume Model) et des simulations ont faites pour trois jours à partir de 00:00 (GMT) le 19e jour de chaque mois et se terminant à 00:00 (GMT) le 22e jour de chaque mois. Pour chaque mois, 48 combinaisons possibles de scénarios de simulation sont exécutés (4*4*3) et au total, 576 simulations (48*12) sont exécutés pendant un an. Les résultats centre montrent que Tmin et Tmax augmente lorsque fraction urbaine u, taille de la ville r et hauteur du bâtiment h augmente. Mais on remarque que Tmax augmente plus que le Tmin quand u augmente, Tmin augmente plus que Tmax lorsque r augmente et Tmin augmente plus que Tmax lorsque h augmente. Parmi tous les facteurs urbains (fraction urbaine u, taille de la ville r et hauteur du bâtiment h), la taille de la ville est le facteur majeur qui contribue principalement à augmenter la température minimale plus que température maximale dans les zones urbaines. / The objective of this work is to study the urban climate, mainly by focusing on urban temperature trends. The specific focus is to understand the reasons of increase in minimum temperature through observational and modelling techniques. For this purpose, the temperatures data from 1950 to 2004 measured on several meteorological stations of Pakistan is studied and analyzed. Daily averaged annual and seasonal minimum (Tmin) and maximum (Tmax) temperature data of 37 meteorological observatories of Pakistan (17 urban, 7 town and 13 rural) from 1950 to 2004 is first homogenized and then analyzed. The results show that after 1980s Tmin and Tmax increase faster than the period before 1980s at urban areas. During 1980–2004, the increase in Tmin at major urban stations is observed higher than the smaller towns and rural stations. To understand, the effect of the size of the city, changing land use and the building height on the evolution of minimum and maximum temperatures in urban areas has been studied by using the FVM (Finite Volume Model) model and the simulations are run for three days starting at 00:00 (GMT) on 19th day of each month and ending at 00:00 (GMT) on 22nd day of each month. For each month, 48 possible combinations of simulation scenarios are run (4*4*3) and in total, 576 simulations (48*12) are run for a year. The main results show that Tmin and Tmax increase when urban fraction u, city size r and building height h increase. But it is noticed that Tmax increases more than the Tmin when u increases, Tmin increases more than the Tmax when r increases and Tmin increases more than the Tmax when h increases. Among all urban factors (urban fraction u, city size r and building’s height h), city size is the major factor that mainly contributes to increase the minimum temperature more than the maximum temperature in urban areas.

La théorie d'homogénéisation élastodynamique des matériaux hétérogènes initiée par J.R. Willis il y a environ une trentaine d'années a récemment reçu une très grande attention. D'après cette théorie qui est mathématiquement exacte, la loi constitutive homogénéisée est non locale en espace et en temps ; le tenseur des contraintes dépend non seulement du tenseur des déformations mais aussi de la vitesse ; la quantité du mouvement dépend à la fois de la vitesse et du tenseur des déformations, faisant apparaître en général une masse anisotrope. Ces propriétés constitutives effectives, qui pourraient être surprenantes d'un point de vue mécanique classique, se révèlent en fait très utiles pour la conception de métamatériaux acoustiques et de capes acoustiques. Ce travail de thèse consiste essentiellement à proposer et développer deux méthodes numériques efficaces pour déterminer les propriétés élastodynamiques effectives des matériaux périodiquement hétérogènes. La première méthode relève de la méthode des éléments finis alors que la deuxième méthode est basée sur la transformée de Fourier rapide. Ces deux méthodes sont d'abord élaborées pour une microstructure périodique 3D quelconque et ensuite implantées pour une microstructure périodique 2D quelconque. Les avantages et les inconvénients de chacune de ces deux méthodes sont comparés et discutés. A l'aide des méthodes numériques élaborées, la théorie de Willis est appliquée au calcul élastodynamique sur un milieu infini hétérogène et celui homogénéisé. Les différents cas d'homogénéisabilité et de non-homogénéisabilité sont discutés / The elastodynamic homogenization theory of heterogeneous materials initiated by J.R. Willis about thirty years ago has recently received considerable attention. According to this theory which is mathematically exact, the homogenized constitutive law is non-local in space and time; the stress tensor depends not only on the strain tensor but also on the velocity; the linear momentum depends on both the velocity and the strain tensor, making appear an anisotropic mass tensor in general. These effective constitutive properties, which may be surprising from a classical mechanical point of view, turn out in fact to be very useful for the design of acoustic metamaterials and acoustic cloaks. The present work is essentially to propose and develop two efficient numerical methods for determining the effective elastodynamic properties of periodically heterogeneous materials. The first method belongs to the finite element method while the second method is based on the fast Fourier transform. These two methods are first developed for any 3D periodic microstructure and then implanted for any 2D periodic microstructure. The advantages and disadvantages of each of these two methods are compared and discussed. Using the elaborated numerical methods, the Willis theory is applied to the elastodynamic computation over the infinite heterogeneous medium and the homogenized one. The various cases of homogeneisability and non-homogeneisability are discussed

La prédiction précise du comportement à long et court terme des structures en béton dans le domaine nucléaire est essentielle pour assurer des performances optimales (intégrité, capacité de confinement) pendant leur durée de vie. Dans le cas particulier des structures massives en béton, la chaleur produite au jeune âge par les processus d'hydratation ne peut pas s’évacuer rapidement, si bien que des températures élevées peuvent être atteintes et les gradients de température qui en résultent peuvent conduire à la fissuration, en fonction des conditions aux limites et contraintes internes auxquelles ces structures sont soumises. Les objectifs de cette étude sont (1) d'effectuer des simulations numériques afin de décrire et prédire le comportement thermo-chimio-mécanique au jeune âge d'une structure massive en béton dédiée au stockage de déchets en surface, et (2) de développer et appliquer des outils de changement d'échelle pour estimer rigoureusement, à partir de la composition du matériau, les propriétés physiques du béton nécessaires à une analyse au jeune âge. Une étude chimio-thermique visant à déterminer l'influence de la convection, du rayonnement solaire, du re-rayonnement et de la chaleur d'hydratation sur la réponse thermique de la structure est tout d’abord menée. Des recommandations pratiques concernant les températures de bétonnage sont fournies afin de limiter la température maximale atteinte au sein de la structure. Ensuite, au moyen d'une analyse mécanique, des stratégies de modélisation simplifiées et plus complexes (prenant en compte l’endommagement couplé au fluage) sont mises en œuvre pour évaluer des scénarios intégrant différentes conditions aux limites issues de l'analyse chimio-thermique précédente. Dans un second temps, une étude prenant en compte le caractère multi-échelle du béton est réalisée. Un modèle simplifié de cinétique d'hydratation du ciment est proposé. Les évolutions des fractions volumiques des différentes phases au niveau de la pâte de ciment peuvent être alors estimées. Par la suite des outils d’homogénéisation analytiques et numériques développés dans un cadre vieillissant sont présentés et appliqués pour estimer les propriétés mécaniques et thermiques des matériaux cimentaires. Les données d’entrée utilisées dans l'analyse structurelle sont finalement comparées avec les estimations obtenues dans l'analyse multiéchelle. Pour conclure, la stratégie proposée dans cette thèse vise à prédire le comportement des structures massives en béton à partir de la composition du béton au moyen d'une approche séquentielle: le comportement du béton est estimé via les outils de changement d’échelle, fournissant ainsi les données d'entrée pour l'analyse phénoménologique à l’échelle de la structure. / The accurate prediction of the long and short-term behaviour of concrete structures in the nuclear domain is essential to ensure optimal performances (integrity, containment roperties) during their service life. In the particular case of massive concrete structures, at early age the heat produced by hydration reactions cannot be evacuated fast enough so that high temperatures may be reached and the resulting gradients of temperature might lead to cracking according to the external and internal restraints to which the structures are subjected. The goals of this study are (1) to perform numerical simulations in order to describe and predict the thermo-chemo-mechanical behaviour at early-age of a massive concrete structure devoted to nuclear waste disposal on surface, and (2) to develop and apply upscaling tools to estimate rigorously the key properties of concrete needed in an early-age analysis from the composition of the material. Firstly, a chemo-thermal analysis aims at determining the influence of convection, solar radiation, reradiation and hydration heat on the thermal response of the structure. Practical recommendations regarding concreting temperatures are provided in order to limit the maximum temperature reached within the structure. Then, by means of a mechanical analysis, simplified and more complex (i.e. accounting for coupled creep and damage) modelling strategies are used to assess scenarios involving different boundary conditions defined from the previous chemo-thermal analysis. Secondly, a study accounting for the multiscale character of concrete is performed. A simplified model of cement hydration kinetics is proposed. The evolution of the different phases at the cement paste level can be estimated. Then, analytical and numerical tools to upscale the ageing properties are presented and applied to estimate the mechanical and thermal properties of cementbased materials. Finally, the input data used in the structural analysis are compared with the estimations obtained in the multiscale analysis. To conclude, the entire strategy proposed in this thesis aims at predicting the behaviour of massive concrete structures from the composition of the concrete by means of a sequenced approach: concrete behaviour is estimated using the upscaling tools, providing then the input data to the phenomenological analysis at the structure level.

Ce travail de thèse combine des approches expérimentales et théoriques visant à caractériser l'impact des effets géomécaniques lors de l'injection de CO2 dans une formation de calcaire. La première partie est consacrée à l'étude expérimentale des évolutions des propriétés pétrophysiques et géomécaniques du calcaire étudié sous l'effet de l'altération chimique. L'évolution de la microstructure de la roche est également étudiée dans le but de comprendre les phénomènes observés à l'échelle macroscopique. La deuxième partie vise à définir, par approche micromécanique, un modèle de comportement géomécanique prenant en compte la dégradation des propriétés mécaniques de la roche carbonatée sous l'effet de l'attaque acide. L'élasticité et la résistance de la roche ont été modélisées et validées par les données expérimentales / This work composed of both experimental and theoretical studies aims at the characterization of carbonate rocks geomechanical evolution during CO2 injection. The first part of the study deals with the experimental work in order to characterize the petrophysical and geomechanical evolution of carbonate rock under chemical effect. Microstructure evolution has been investigated, in order to provider a better understanding of the observed phenomena at the macroscopic scale. The aim of the second part is to derive macroscopic properties of carbonate rock in framework of a micromechanical approach. The elastic moduli and effective strength in both intact and altered states have been computed and are compared with experimental data

The operational scheduling at coal handling facilities is of the utmost importance to ensure that the coal consuming processes are supplied with a constant feed of good quality coal. Although the Sasol Coal Handling Facility (CHF) were not designed to perform coal blending during the coal handling process, CHF has to blend the different sources to ensure that the quality of the feed supplied is of a stable nature. As a result, the operation of the plant has become an extremely complex process. Consequently, human intelligence is no longer sufficient to perform coal handling scheduling and therefore a scheduling model is required to ensure optimal plant operation and optimal downstream process performance. After various attempts to solve the scheduling model optimally, i.e. with exact solution methods, it was found that it is not possible to accurately model the complexities of CHF in such a way that the currently available exact solvers can solve it in an acceptable operational time. Various alternative solution approaches are compared, in terms of solution quality and execution speed, using a simplified version of the CHF scheduling problem. This investigation indicates that the Simulated Annealing (SA) metaheuristic is the most efficient solution method to provide approximate solutions. The metaheuristic solution approach allows one to model the typical sequential thoughts of a control room operator and sequential operating procedures. Thus far, these sequential rules could not be modelled in the simultaneous equation environment required for exact solution methods. An SA metaheuristic is developed to solve the practical scheduling model. A novel SA approach is applied where, instead of the actual solution being used for neighbourhood solution representation, the neighbours are indirectly represented by the rules used to generate neighbourhood solutions. It is also found that the initial temperature should not be a fixed value, but should be a multiple of the objective function value of the initial solution. An inverse arctan-based cooling schedule function outperforms traditional cooling schedules as it provides the required diversification and intensification behaviour of the SA. The scheduling model solves within 45 seconds and provides good, practically executable results. The metaheuristic approach to scheduling is therefore successful as the plant complexities and intricate operational philosophies can be accurately modelled using the sequential nature of programming languages and provides good approximate optimal solutions in a short solution time. Tests done with live CHF data indicate that the metaheuristic solution outperforms the current scheduling methodologies applied in the business. The implementation of the scheduler will lead to a more stable factory feed, which will increase production yields and therefore increase company profits. By reducing the amount of coal re-handling (in terms of throw-outs and load-backs at mine bunkers), the scheduler will reduce the coal handling facility’s annual operating cost by approximately R4.6 million (ZAR). Furthermore, the approaches discussed in this document can be applied to any continuous product scheduling environment. Additional information available on a CD stored at Level 3 of the Merensky Library. / Dissertation (MEng (Industrial Engineering))--University of Pretoria, 2011. / Industrial and Systems Engineering / unrestricted

Dans cette thèse, on s'intéresse au comportement effectif non linéaire issu de l'homogénéisation d'un milieu désordonné de fibres dans le plan. A partir d'une hypothèse de déformation homogène, on obtient une loi de comportement non linéaire isotrope par intégration sur les orientations de fibres. La particularité du modèle réside dans la représentation du flambement des fibres par une loi de comportement de type ressort avec raideurs asymétriques en traction/compression. Dans un premier temps, la limite d'une raideur nulle en compression est étudiée numériquement par éléments finis sur des géométries planes fissurées. On montre que le champ de contrainte solution est constitué d'un ensemble de graphe de force de traction en équilibre avec le chargement. En particulier, le caractère unilatéral révèle une interaction forte des fissures : la raideur en traction d'une éprouvette fissuré peut-être nulle quand bien même la percolation des fissures n'est pas atteinte. Par ailleurs, on montre que le champ de contrainte est partitionné en régions auto-équilibrées et libres de contrainte Pour finir, on propose une application au calcul des bornes énergétiques de la solution élastique d'un problème aux limites. En perspective, on met en évidence le caractère bi-module d'un voile de fibres de verre avec des mesures de champs de déplacement par corrélations d'images. Un dispositif d'Arcan est mis en place pour exercer un chargement anisotrope sur le voile. Les champs de déplacement mesurés sont utilisés pour identifier une loi de comportement du matériau. Un résultats préliminaire montre que le caractère unilatéral du voile est d'autant plus prononcé que sa densité est faible. / An homogenized non linear mechanical behavior of a 2D disordered fiber mats is considered. Under the homogeneous strain assumptions, a continuum description of an isotropic non linear media is derived by integration over all fibers orientations. The fiber non linearity due to buckling is featured by a lower spring constant in compression than in traction. First, the response of a sheet containing multiple cracks with different geometries is explored numerically in the case of a tension-field material, corresponding to the singular limit where the compressive spring constants goes to zero. It is reported that the stress solution is composed of a set of pattern built from tensile branches in equilibrium with the boundary conditions. In particular, the unilateral feature reveal a strong interaction between multiple cracks : the tensile stiffness of a cracked sheet can be zero even though the sheet is made up of a single piece. Besides the pattern of tensile branches, it is reported a partitioning of the stress into self-equilibrated and stress free regions. Finally, an application is proposed to find good estimates of the energetic bounds of the boundary value problem. As an experimental perspective to this work, it is proposed to estimates the bi-modulus feature of a manufactured fiber glass veil using digital image correlations. An Arcan device is set up to enforce an anisotropic loading on the veil. Measured displacement fields are used to identify a material constitutive law. As a preliminary results, it is reported that the unilateral feature is noticeable in light weight fiber glass veil.

Les écrans de filets pare-blocs sont des structures complexes hétérogènes formés d'un filet métallique maintenu par des câbles, des poteaux et des haubans munis de dissipateurs d'énergie. Le filet intercepte la trajectoire du bloc rocheux et résiste à sa perforation en dissipant l'énergie cinétique de l'impact dans les différents éléments de la structure. Le problème de modélisation posé par ces structures met en jeu de nombreuses non-linéarités tant matérielles que géométriques : l'impact dynamique rapide, les grandes déformations du filet et des câbles, les glissements et les frottements (dans le filet, du filet sur les câbles ou des câbles sur les supports), la plastification du filet ou des éléments dissipateurs, ainsi qu'un très grand nombre de paramètres géométriques ou technologiques (type de filet, type de dissipateur, type d'architecture de kit).Les travaux de doctorat présentés ici proposent deux nouvelles approches pour la modélisation numérique de deux principaux éléments du comportement des écrans de filets pare-blocs : les propriétés élastiques intrinsèques des filets et l'effet rideau, c'est-à-dire le glissement du filet sur les câbles de rives. Sur le premier point, il est à noter que les recherches qui ont été consacrées jusqu'à présent à l'étude du filet se concentrent pour l'essentiel sur des typologies particulières. Dans ce travail, les propriétés intrinsèques des différentes technologies de filets sont déterminées à l'aide de la méthode d'homogénéisation des milieux périodiques discrets dans laquelle chaque filet est remplacé par une membrane homogène. Une comparaison des comportements non-linéaires des principales technologies de filets est effectuée et met en évidence des différences remarquables dans la distribution des efforts aux bords de chaque filet et les caractéristiques des déformations. Concernant le deuxième point, plusieurs études ont montré l'importance de la modélisation des câbles glissants pour reproduire le comportement réel de la structure. Dans la deuxième partie de la thèse, l'effet rideau est modélisé. Un modèle analytique de câble glissant à « n » nœuds est développé. Ensuite, ce modèle est implémenté dans un algorithme numérique mettant en œuvre une utilisation avancée du logiciel de calcul par éléments finis code-aster en statique et en dynamique. Cet algorithme est validé par des calculs analytiques et les limites de la méthode utilisée sont exposées. Enfin, des tests numériques sont conduits sur des modèles de filets en tenant compte de l'effet rideau pour évaluer l'influence du modèle développé sur les résultats. Des remarques, observations et conseils sont déduits afin d'aboutir à un outil numérique d'aide à la conception des écrans de filets pare-blocs / Soft rockfall barriers are complex structures that generally consist of a metallic net supported by steel posts and cables with brake elements. Several experimental and numerical studies have been carried out to evaluate their behaviour and a technical agreement in EU was recently established to certify these barriers based on experimental tests. Actually, manufacturers develop rockfall kits with their own technical specificities. The objective of the present work is to determine the intrinsic properties of most common nets technologies and to investigate their influence on the overall mechanical behaviour of the structure. To this end, a comprehensive comparison between the local behaviours of the different nets is first presented using equivalent homogeneous membranes. Results derived for square nets under static concentrated loading illustrate the influence of the manufacturing technology on the deflection and stresses distribution. Then, a numerical and analytical model for the so-called “curtain effect” is developed and validated. It is focused on the capacity of the proposed methodology to study and evaluate the response of the whole barrier