L’analyse dynamique non linéaire constitue la méthode la plus efficace pour l'évaluation de la réponse non linéaire des structures soumises à de fortes sollicitations sismiques. Compte tenu de la complexité associée à l'analyse non linéaire temporelle, l'utilisation de l'analyse statique équivalente «Push-over » constitue une alternative simple et efficace à l'analyse dynamique temporelle. Cette thèse développe une méthode statique non linéaire innovante pour évaluer le comportement sismique des immeubles de grande hauteur.Dans la première partie, le modèle "continuum" qui est un outil simple et efficace de l'analyse des immeubles de grande hauteur à contreventement mixte est revisité. L'influence de la précision de calcul dans la détermination de la hauteur optimale d'interruption des voiles est examinée tout en analysant la relation entre la hauteur optimale et les sollicitations induites. La deuxième partie propose une nouvelle procédure Push-over adaptative à exécution unique pour l'évaluation sismique des structures. Cette méthode possède deux avantages principaux : elle représente un outil pratique intégrant l’effet des modes supérieurs avec une interaction complète entre eux. D'un autre côté, elle permet d'éviter les critiques relatives aux analyses adaptatives à exécution unique. La troisième partie présente une méthode innovante permettant la détermination du point de fonctionnement des immeubles de grande hauteur. Le principe des méthodes adaptatives Push-over à exécution unique est intégré à la méthode du spectre de capacité proposé par le règlement ATC -40 dont l'application est limitée aux structures oscillant au mode fondamental. / Non linear dynamic analysis constitutes the most powerful method for the assessment of the non linear seismic response of structures subjected to strong earthquake motions. Considering the complexity associated to time history analysis, the use of nonlinear static techniques, or pushover analysis constitutes an efficient and easy to use alternative to dynamic analysis. This thesis develops innovative static nonlinear method to assess the seismic behavior of high-rise buildings. It is composed of three parts:In the first part, the continuum model which constitutes a simple and efficient tool to analyze high-rise wall-frame buildings is revisited. The influence of calculation precision in specifying the optimum level of wall curtailment is discussed. The relationship between the curtailment level and the resulting internal forces is investigated. The second part proposes a new single-run adaptive pushover method for the seismic assessment of shear wall structures. This method has two main advantages: It is practical tool to integrate the effect of higher modes with full interaction between them and it overcomes the criticisms forwarded against the previous single-run adaptive pushover analyses. The proposed method is presented as well as its numerical implementation. The third part presents an innovative method to specifying the seismic peak response quantities of the tall structures. The principle of the single-run adaptive pushover procedures is integrated with the capacity spectrum method proposed by ATC-40 (1996). Where, this latter is limited for structures that vibrate primarily in the fundamental mode.

Les charges dynamiques transmises par le rotor au fuselage, par les vibrations qu’elles génèrent,dégradent la durée de vie des composants et le confort des passagers. Une méthode prometteusemais encore non exploitée par les hélicoptéristes consiste à introduire des couplagesflexion-torsion au sein des pales de façon à modifier les efforts aérodynamiques instationnairesqui les sollicitent.Cette thèse étudie l’apport des couplages aéroélastiques sur les charges dynamiques. Pour cela, unmodèle aéroélastique de rotor isolé est développé. Le modèle élastique est basé sur l’association dela formulation par repère flottant à la méthode des modes prescrits. La base de déformation considéréeest issue de modèles éléments-finis hautes précisions. Le comportement aérodynamique durotor est décrit à partir d’un modèle de vitesse induite multi-harmonique ainsi qu’un modèle deportance basé sur la théorie de l’élément de pale.Le modèle aéroélastique est validé par comparaison avec un logiciel de calcul aéromécanique(HOST) ainsi que par comparaison avec des résultats expérimentaux issus d’essais en vol. Dansun second temps, une étude de l’influence des paramètres de définition du rotor sur les chargesdynamiques est réalisée.Pour finir, des couplages flexion-torsion sont introduits sur la pale à partir de l’anisotropie despales composites ou encore de masses non structurelles déportées par rapport au centre de torsiondes sections. Une étude analytique de ces couplages est réalisée, puis le modèle aéroélastiquecomplet est utilisé pour évaluer leur apport sur les charges dynamiques transmises par le rotor.Des réductions significatives sont observées, démontrant ainsi le potentiel de cette technique etouvrant la voie à des études expérimentales. / Vibrations generated by dynamic loads transmitted from rotor to fuselage degrade components’life and passenger comfort. A promising method not yet exploited in helicopters is introducingflexural-torsional couplings on the blade to correct unsteady aerodynamic forces.To assess this method, an isolated rotor aeroelastic model is elaborated. The elastic model combinesthe floating frame approach with the prescribed mode method. The modal basis stems fromhigh precision finite element models. The rotor’s aerodynamic behaviour is described using amulti-harmonic induced velocity model and the blade element method. The aeroelastic modelis validated first through comparison with software aeromechanics calculation (HOST) and experimentalresults from flight tests and second through a study of the influence of aerodynamicparameters on rotor dynamic loads.Finally, bending-torsion couplings are made on the blade by introducing anisotropy of the compositeblades or non-structural mass offset relative to the sections centre of torsion. An analyticalstudy of these couplings is performed, followed by a full aeroelastic modelling to evaluate theircontribution to dynamic loads transmitted by the rotor. Significant reductions are observed, demonstratingthe potential of this technique and paving the way for experimental studies.

L’utilisation de platelages en aluminium dans les ponts est récente et peu répandue comparativement aux matériaux plus traditionnels tels que l’acier et le béton. Malgré l’introduction récente du chapitre 17 dans la norme canadienne des ponts routiers (CAN/CSA-S6) sur l’utilisation de l’aluminium structural dans les ponts, les connaissances concernant le comportement structural du platelage en aluminium restent limitées. Ainsi, les spécifications du code pour la conception ne fournissent pas des méthodologies suffisantes pour les vérifications de la résistance et de l’état limite d’utilisation. Par exemple, le calcul des fractions de charge de camion à l’aide de la méthode simplifiée pour la distribution transversale dans les platelages en aluminium est basé sur des valeurs spécifiées pour les platelages en madrier de bois, ce qui semble restrictif. Un autre exemple concret est lié au calcul du moment plastique qui permet d’établir la résistance du pont en flexion. La méthode simplifiée de calcul de la largeur effective dans le cas où il y aurait action composite n’est pas adaptée pour un platelage ayant une section alvéolée comme c’est le cas du platelage en aluminium. Une analyse utilisant les méthodes d'éléments finis est nécessaire pour établir ces paramètres de conception. Dans ce mémoire, une étude de la répartition transversale des charges de trafic pour des dispositions d’extrusions longitudinales et transversales par rapport aux poutres en acier est effectuée à l’aide de la méthode des éléments finis. Plusieurs modèles de ponts sont réalisés afin d’étudier l’influence de la portée et de l’espacement des poutres sur les fractions de charge de camion ainsi que sur l’aire effective du platelage dans le cas d’action composite parfaite. Une comparaison avec les valeurs préconisées par la norme CAN/CSA-S6-14 ainsi qu’une comparaison entre les deux types de dispositions sont également effectuées. Il a été déterminé que la norme surestime grandement les valeurs des fractions de charge de camion, allant jusqu’à une surestimation de 25% à 40%. De plus, il s’est avéré que les fractions de charge de camion calculées pour les modèles ayant les extrusions transversales aux poutres étaient toujours inférieures à celles calculées pour les modèles ayant les extrusions installées longitudinalement aux poutres. Pour ce qui est des résultats concernant l’aire effective, les valeurs obtenues avec les extrusions parallèles aux poutres étaient plus basses que celles obtenues avec les extrusions transversales. Enfin, lors de la comparaison avec les valeurs de la norme pour un platelage en béton, les aires effectives trouvées à l’aide des modèles étaient toujours inférieures à celles de la norme. / The use of aluminium decks in bridges has received attention in recent years, as the bridge engineering community discovers the advantages of this material compared with the traditional construction materials such as steel and concrete. Despite the recent introduction of Chapter 17 in the Canadian Highway Bridge Design Code, CAN/CSA S6, which permits engineers to use aluminium for bridge construction, the structural design application still remains a daunting task. Essentially, the code’s specifications for design do not provide concise and detailed methodologies for strength and serviceability verifications. As an example, for the simplified traffic load analysis, it appears that the factors for transverse distribution of traffic loads specified for aluminium bridge decks are based on values specified for wood plank decks, which appears insufficient. Another practical example relates to the determination of the plastic moment required to establish the bending moment capacity for the bridge section. Considering that a bridge deck solution in aluminium consists of a multi-cellular section made from extrusions, the application of the simplified method in determining the effective width of the deck section becomes a non-trivial task. A refined analysis using finite element methods is required to establish these design parameters for an optimized bridge solution in aluminium. In the present study, a finite element analysis is carried out to investigate the transverse distribution of traffic load on aluminium decks made from longitudinal and transverse extrusions, supported by steel girders. A number of bridge models are developed to study the influence of girder spacing and bridge span on the truck load fraction for aluminium decks and for establishing the effective area for the composite aluminium deck with steel girder system. It was determined that the code largely overestimates the values of truck load fractions, up to 25% to 40%. In addition, it was found that the truck load fractions calculated for models with transverse extrusion arrangements were always lower than those calculated for models with longitudinal extrusion. The transverse arrangement is therefore more effective in transferring truck loads to supporting girders. With respect to the effective area, the study showed that these values were lower for longitudinal extrusions than transverse extrusions. Finally, when compared with the values obtained using the simplified method by the code for a concrete deck, the effective areas determined were lower than those obtained from the code.

L’aluminium est le matériau tout désigné pour les donneurs d’ouvrage étant à la recherche de matériaux plus durables pour les ponts routiers. Alliant un excellent ratio résistance/poids à une excellente résistance naturelle à la corrosion, son utilisation sous la forme d’un platelage extrudé connecté à des poutres d’acier assure une structure plus légère et requérant beaucoup moins d’entretien que les structures traditionnelles. Toutefois, la légèreté de l’aluminium, qui est un avantage important lors de la conception de la structure sous-jacente ainsi que lors de la construction, peut se révéler être un défi important d’un point de vue dynamique, en raison des fréquences de vibration qu’elle produit. Considérant que le code canadien sur le calcul des ponts routiers prescrit l’utilisation d’un coefficient de majoration dynamique (CMD) pour prendre en compte les effets dynamiques lors de la conception, et que la valeur de ce coefficient est basée sur le comportement dynamique des ponts traditionnels, des interrogations sont soulevées quant à l’applicabilité de ce coefficient pour des ponts à platelage d’aluminium, ayant un comportement dynamique différent. Afin de répondre à ces questions, des modèles dynamiques simplifiés permettant de représenter deux camions canadiens actuels, le CL-625 et le train double B, ont été développés et implémentés dans Abaqus. Par la suite, ces modèles furent utilisés afin de réaliser plusieurs séries d’analyses dynamiques, cherchant à évaluer l’impact sur la réponse du pont de divers paramètres et comparer les résultats obtenus aux valeurs prescrites. Les résultats obtenus dans cette étude, qui se veut le point de départ de l’analyse du comportement dynamique des ponts à platelage d’aluminium, semblent indiquer qu’en dépit d’un comportement dynamique différent, les valeurs de CMD prescrites par le code canadien sont sécuritaires pour des ponts à platelage d’aluminium. Toutefois, de nombreuses autres études seront nécessaires avant d’émettre des recommandations finales. / Aluminium is a material of choice for any highway bridge owners looking for more durable materials. Combining an excellent strength to weight ratio with an excellent corrosion resistance, an extruded aluminium deck connected to steel girders provides a lighter structure and requires less maintenance than the usual materials, such as steel or concrete. However, the aluminium’s lightweight, which is a huge advantage for the foundations design as well as for the construction, can become a concern when the bridge’s dynamic behavior is considered, due to its higher vibration frequencies. Considering that the Canadian Highway Bridge Design Code prescribes the use of a dynamic load allowance (DLA) factor to account for the dynamic effects of the traffic loads on the bridge, and that the values prescribed are based on the dynamic behavior of traditional bridges, some doubts arose about the applicability of this coefficient to aluminium deck bridges, which are expected to have a different dynamic behavior. To validate these speculations, simplified dynamic models were developed to replicate the dynamic behavior of two Canadian trucks, the CL-625 and the train double B. These models were then implemented in Abaqus and used in a series of dynamic analysis investigating the effect on the bridge response of different parameters, both from the truck and the bridge. Results have shown that, despite having a different dynamic behavior, the dynamic amplifications observed on aluminium deck bridges were always lower than the DLA values prescribed by the Canadian code, indicating that, for the situations studied, those values are safe to use. However, further studies will be required before any final conclusions can be made about the applicability of the DLA values in their current state.

Dans un contexte climatique rigoureux comme celui du Québec, l’interaction entre la charge et le climat a une grande influence sur la performance des structures de chaussées flexibles (Doré et Zubeck, 2009). Pendant le dégel printanier, avec la fonte de la glace, la chaussée s’affaiblit et cet affaiblissement la rend vulnérable à la sollicitation par le trafic lourd ce qui accélère divers phénomènes de dégradation, notamment l’endommagement par fatigue et l’orniérage structural (Farcette, 2010). Afin de minimiser les effets des charges lourdes sur une chaussée affaiblie lors du printemps, les administrations routières choisissent souvent de limiter les charges par essieu ou par véhicule lors du dégel. L’objectif de ce projet est de développer un outil d’aide pour la gestion des restrictions de charge en période de dégel en fonction des données recueillies par les stations de météo routière. Deux sections expérimentales composées des mêmes matériaux mais avec des épaisseurs d’enrobés bitumineux différentes situées au Site Expérimental Routier de l’Université Laval (SERUL) ont été utilisées pour ce projet. Pour bien interpréter le comportement des structures, des jauges de déformations verticales et horizontales, des jauges de contraintes, des jauges de teneur en eau et des thermistances ont été installées dans chaque couche. Pour solliciter mécaniquement la chaussée, un déflectomètre à masse tombante (FWD) a été utilisé. Les résultats obtenus ont permis de de bien comprendre les mécanismes d’affaiblissement de la chaussée durant la période de dégel. Ils ont aussi montré que l’application d’une période de restriction de charge pendant la période de dégel permettait d’avoir un gain sur la durée de vie de la chaussée, cette période de restriction est donc justifiée et efficace. Néanmoins, pour une meilleure gestion du réseau routier, de nouveaux critères pour mieux déterminer la période de restriction de charges sont proposés. / In strict climatic conditions such as in Quebec, the interaction between load and climate has a great influence on the performance of flexible pavement structures (Doré and Zubeck, 2009). During the spring thaw, when ice melts, the weakening of the pavement makes it vulnerable to solicitation by heavy traffic, speeding various phenomena of degradation, including fatigue damage and structural rutting (Farcette, 2010). In order to minimize the effects of heavy loads on a pavement weakened by the spring, road authorities often choose to limit axle loads or vehicle upon thawing. The purpose of this project is to develop a tool for load restrictions management in thaw period based on data gathered by the road weather stations. Two experimental sections built with the same material but with different thicknesses of asphalt concrete located at Laval University Experimental Road Site (SERUL) were used for this project. Each layer of the tested sections was instrumented with strain, stress, moisture, and temperature sensors. A falling weight deflectometer (FWD) was used to simulate heavy loads. The results obtained made it possible to understand the mechanisms of pavement weakening during the thaw. They also showed that the application of a load restriction period during the thaw allowed to have a gain on the life cycle, thus a load restriction period is justified and effective. Nevertheless, for better management of the road network, new criteria to better determine the load restriction period are proposed.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2017-2018 / Dans les régions froides, le gel saisonnier induit une augmentation significative de la capacité portante des chaussées flexibles. Cet accroissement est généré par la réponse viscoélastique de l’enrobé bitumineux et le gel de l’eau interstitielle présente dans les matériaux non liés et les sols. L’augmentation de la rigidité des chaussées incite certaines administrations à adopter leurs législations afin d’octroyer des primes de charge en période hivernale (OPCH). À l’heure actuelle, la problématique principale liée à l’OPCH est la variabilité importante des législations causée, en partie, par l’absence d’un critère décisionnel rationnel et par le peu de documentation technique et précise sur ce phénomène. L’objectif de ce projet est de documenter le comportement mécanique d’une chaussée flexible durant le gel et de définir un critère rationnel pour la mise en application de l’OPCH. Une approche expérimentale avec l’utilisation du simulateur de véhicules lourds et la fosse expérimentale de l’Université Laval a été considérée pour suivre le comportement d’une structure de chaussée construite au-dessus d’un sol argileux. La chaussée a été instrumentée de plusieurs capteurs permettant de mesurer les profils de température, les teneurs en eau, la déflexion de surface et les contraintes et déformations dans chacune des couches. Le simulateur a été utilisé pour appliquer une température de -10 °C à la surface de la chaussée et pour induire des charges périodiques (4550 à 6250 kg). Les mesures ont permis de documenter la variation de la réponse mécanique de la chaussée selon le gel, la température et la charge. Les mesures ont ensuite été comparées à celles d’un projet similaire réalisé entre 2013 et 2016 sur une structure de chaussée bien différente. L’analyse de ces deux projets a démontré qu’il est adéquat d’approximer le comportement mécanique des chaussées durant le gel à l’aide d’analyses élastiques. Puis, une analyse d’endommagement de la chaussée selon la loi de Miner a permis d’établir le lien entre le gain de portance et l’endommagement. Finalement, il a été démontré que le comportement mécanique des chaussées est directement associé à la profondeur de gel. / In cold regions, seasonal freezing induces an important increase in the bearing capacity of flexible pavements. This variation is due to the viscoelastic response of asphalt concrete and to the freezing of pore water in granular materials and soils. The pavement strengthening with frost penetration has led some transportation agencies to allow winter weight premiums (WWP). Currently, the main issue related to WWP programs is the variety of legislation for both among and within jurisdictions. This variety is caused, in part, by the lack of a rational decision criterion for the application of WWP and for the little technical documentation available on this subject. The objective of this project was to document the mechanical behavior of freezing pavements and to develop a rational criterion for the onset of winter load premiums. An experimental approach with the use of Laval University full-scale heavy vehicle simulator was considered to monitor the response of a flexible pavement built in an indoor test pit over a low plasticity clay subgrade soil. The pavement was instrumented to monitor temperature profiles, surface deflection, as well as stress, strain and moisture content in each layer. The simulator was used to apply the air freezing temperature (-10 °C) and to periodically load the pavement surface using a standard dual-wheel set (half axle) varying in the range of 4500 to 6250 kg. The results collected allowed documenting how the response of the pavement changes with respect to frost penetration, temperature and the load magnitude. The results were then compared to a similar project realized between 2013 and 2016 on a different pavement structure. This analysis was able to demonstrate that the pavement behaviour during frost can be predicted by elastic analysis. Subsequently, a damage analysis was performed under Miner’s law to establish a link between the load increase and pavement damage during frost. Finally, it has been demonstrated that the flexible pavements mechanical behaviour is directly link to the frost depth.

L'aluminium est un matériau très durable avec une excellente résistance à la corrosion qui pourrait être un excellent choix soit pour la construction de nouveaux ponts, soit pour la réhabilitation et le remplacement de tabliers de pont détériorés. Les ponts construits avec des platelages d’aluminium extrudé et des poutres d’acier offrent une solution prometteuse au problème du vieillissement de l'infrastructure des ponts. L'aluminium en tant que matériau structurel est aussi connu pour sa légèreté, qui facilite le transport et l'installation, et réduit les coûts des fondations. Cependant, cette caractéristique les rend sensibles vis-à-vis les excitations causées par les surcharges routières. La conception dynamique des ponts routiers par le code canadien de conception des ponts routiers (CSA S6-19) est basée sur le concept de facteurs d'amplification dynamique équivalents (FAD). Cependant, ces facteurs ont été établis principalement pour les ponts construits avec des matériaux traditionnels tels que le béton, le bois et l'acier. Il est donc prudent d'évaluer l'applicabilité de ces facteurs pour le cas des ponts légers construits avec des platelages d’aluminium extrudé. En outre, comme la rugosité de la surface des chaussées joue un rôle important dans le comportement dynamique d'un pont, il est important de considérer l'influence de la rugosité sur la réponse dynamique du pont. L'objectif de cette recherche est d'étudier le comportement dynamique des ponts composés des platelages d’aluminium extrudé et des poutres d’acier sous les surcharges routières en tenant compte de l'effet de la rugosité de la surface, et par conséquent d'évaluer l'applicabilité des FAD de la norme de conception actuelle pour de telles structures. Pour y parvenir, des modèles numériques ont été développés sur Abaqus pour une sélection des paramètres et des configurations des ponts. L'effet de la rugosité de surface sur la réponse dynamique est également étudié en générant l'algorithme de densité spectrale de puissance (DSP) selon la norme ISO 8608. Les résultats ont montré que les FAD dépendent énormément à la fois du ratio des fréquences véhicule-pont ainsi que de la rugosité de la surface. Au fur et à mesure que le ratio des fréquences véhicule-pont augmente, le FAD augmente de manière significative. Avec un ratio des fréquences véhicule-pont approchant 0,5, le FAD calculé dépasse la valeur du FAD recommandée par le code canadien. Il est à noter que les résultats de cette étude sont limités aux configurations de pont considérées à l'étude, et qu'une étude paramétrique approfondie est nécessaire pour tirer une conclusion générale sur l'applicabilité des valeurs actuelles du FAD pour les ponts légers en aluminium extrudé. / Aluminum is a highly durable material with excellent corrosion resistance that could be an excellent choice either for construction of new bridges or for rehabilitation and replacement of deteriorated bridge decks. Extruded aluminum deck-on-steel girder bridges offer promising solution to the aging bridge infrastructure problem. Aluminum as a structural material is also known for its lightweight, which facilitates transportation and installation, and reduces foundation requirements. However, this characteristic makes it sensitive to excitations from vehicular traffic. The dynamic design of highway bridges by the Canadian Highway Bridge Design Code (CSA S6-19) is based on the concept of equivalent dynamic amplification factors (DAF). However, these factors were derived largely for bridges made with traditional materials such as concrete, wood and steel. It is prudent to evaluate whether these factors are applicable to lightweight bridges made with extruded aluminum decks. In addition, since road roughness plays an important role in the dynamic behavior of a bridge, it is important to consider the influence of roughness on the bridge vibration response. The objective of this research is to investigate the dynamic behavior of aluminum deck-on-steel girder bridges under vehicular loads considering the effect of road roughness, and consequently evaluate the applicability of the current design DAFs for such structures. For this purpose, numerical models were developed in Abaqus for a selected bridge configuration and loading parameters. The effect of road roughness on dynamic response is also investigated by generating the power spectral density (PSD) algorithm according to ISO 8608. Results showed that the DAF strongly depend on both the vehicle-bridge frequency ratio and the road roughness. As the vehicle-to-bridge frequency ratio increases, the DAF rises significantly. With a vehicle-to-bridge frequency ratio approaching 0.5, the calculated DAF exceeds the DAF value recommended by the Canadian code. It is noted that results of this study are limited to the bridge configurations considered in the study, and extensive parametric study is required to draw a general conclusion about the applicability of the current DAF values for lightweight extruded aluminum bridges.

La conception des chaussées urbaines et la conception des chaussées rurales nécessitent l'utilisation de deux approches différentes dues aux vitesses de circulation. L'objectif principal du projet est de développer une méthodologie rationnelle de conception des chaussées adaptée au contexte d'exploitation municipal. La méthode de conception projetée permettra le calcul des épaisseurs des couches de la chaussée en fonction de divers facteurs comme le volume de trafic, le climat et la nature des sols en place. Ces paramètres seront utilisés dans la méthode pour évaluer les déformations de la chaussée sous sollicitations mécaniques et thermodynamiques. La méthode proposée portera principalement sur l'application des modèles viscoélastiques pour la détermination de la réponse mécanique des matériaux de chaussées en fonction du temps d'application de la charge. L'intérêt de cette approche est la possibilité de prendre en considération l'effet de la vitesse de circulation qui est un facteur important à considérer dans un contexte de conception urbain. Après avoir établi une méthode de calcul rigoureuse pour l'évaluation de la réponse mécanique, la recherche s'est portée sur le développement de modèles d'endommagement spécifiques au contexte d'exploitation municipal en prenant notamment en considération les effets saisonniers. Ce rapport porte principalement sur le développement des modèles de comportement mécanique de la chaussée en fonction de la vitesse de circulation. Il fait également état du développement des modèles d'endommagement qui permettront de compléter l'outil de conception proposé.