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La présente étude se penche sur la conception et les essais d'un capteur de contraintes pour de la glace. A l'heure actuelle, un grand nombre de capteurs de ce type existent, mais leur conception ne les rend pas amovibles et ne permet pas à l'utilisateur de les déplacer pour effectuer des mesures à un autre endroit. Celui-ci doit donc se contenter de mesures de contraintes en quelques endroits d'un couvert de glace, et n'a pas accès aux mesures sur l'ensemble du couvert. Ce projet a donc pour but de concevoir un nouveau capteur amovible et dont la durée d'une mesure serait raccourcie. Pour cela, un concept de capteur issu des techniques employées pour des forages a été adapté. Le propos de ce mémoire est de construire une première version sur ce capteur, dont les essais et les connaissances acquises permettraient de réaliser une deuxième version éventuellement exploitable sur le terrain. Après une recherche bibliographique permettant de comprendre les défauts des capteurs actuels et de connaître les propriétés mécaniques de la glace, la phase de conception du capteur est expliquée, ainsi que les choix retenus pour le fabriquer. La phase d'expérimentation est ensuite décrite, avec une partie consacrée à l'étalonnage, puis à la conception du système d'essai. Enfin, les résultats des essais sont présentés, avec leur analyse et des recommandations.

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Les glaces de paroi résultent du gel progressif des eaux de ruissellement sur une falaise. Dans le nord de la Gaspésie (Québec, Canada), soixante de ces glaces, parfois volumineuses (> 3000 m3), ont été localisées près des routes. Entre 2000 et 2012, le Ministère des Transports du Québec (M.T.Q.) a effectué 440 interventions pour déblayer les blocs de glace tombés sur la chaussée. Une meilleure compréhension des mécanismes de croissance, de fonte et d’écroulement des glaces de paroi est nécessaire pour améliorer la gestion du risque. Des échantillons de glace ont été prélevés et leur microstructure analysée par tomodensitométrie et polarisation croisée. L’évolution volumétrique de quatre glaces de paroi a été modélisée à l’aide de différents modèles thermodynamiques et validée à partir de mesures du volume de glace effectuées au LiDAR. Une méthode de prévision des chutes de blocs de glace a été développée en comparant les dates des interventions du M.T.Q. avec les données météorologiques d’Environnement Canada. Les résultats ont permis de décrire les mécanismes de croissance des quatre types de glace constituant les glaces de paroi. Les modèles ont permis de démontrer que le gel de l’eau suite au transfert de chaleur par convection de l’air est le principal responsable de leur croissance. La fonte des cascades de glace, issues du gel des eaux d’une chute, est principalement initiée par l’augmentation du débit. Celle des carapaces de glace, issues du gel d’une résurgence, est plutôt le résultat de la convection de l’air et du bilan radiatif. Le calcul des degrés-heures de gel (ou de fonte), s’est avéré efficace pour modéliser l’évolution des carapaces de glace d’orientation nord. L’ajout du bilan radiatif à ce modèle a amélioré ses performances et permis une modélisation convenable de celle exposée au sud. Enfin, les effets des variables météorologiques sur l’occurrence des chutes de blocs de glace ont été simulés à l’aide de modèles logistiques. Le calcul des degrés-jours de fonte et le suivi du meilleur modèle statistique permettent de prédire l’écroulement de certaines glaces de paroi à quelques jours près. C’est une étape importante vers une gestion plus efficace de l’aléa. / The growth of rockwall icings result from the gradual freezing of runoff on a cliff. In northern Gaspésie (Québec, Canada), sixty of these sometimes voluminous ice formations (over 3000 m3) were located near roads. Between 2000 and 2012, 440 interventions to remove ice blocks from the road were conducted by the “Ministère des Transports du Québec” (M.T.Q.). A better understanding of the growth, melt and collapse dynamics of rockwall icings is needed to improve the management of this natural hazard. Ice samples were collected and their microstructure analyzed by computed tomography and under cross polarized light. The ice volume evolution of four rockwall icings was studied using various thermodynamic models and validated from ice volume measurements made with LiDAR imaging. An ice blocks fall forecasting method was developed by comparing the timing of M.T.Q. interventions with meteorological data. The results were used to describe the growth mechanisms of four different types of ice formation found on rockwalls. The models showed that freezing of the water to cold air convection is the main process responsible for their growth. In spring, the melting rate of the ice cascade or frozen waterfall clearly depends on the sensible heat carried by the increasing water flow. The melting of the ice walls formed from the freezing of seeping water coming from underground water resurgences rather is the result of air convection and the radiation heat budget (Qrad). A simple model based on the calculation of the freezing, or melting, degree-hours was also effective for simulating the evolution of the north facing ice walls. Including Qrad to this model improved its performance and allowed accurate modeling of the south facing ice wall. Finally, the effects of meteorological variables on the occurrence of ice blocks falls were simulated using logistic models. By following the trends of the melting degree-days and the best statistical model, it is possible to forecast the collapse of some of the most problematic rockwall icings and target the most hazardous periods along northern Gaspésie roads. This study is an important step towards a more effective management of this natural hazard.

Les barrages hydro-électriques construits dans les climats froids subissent des poussées des glaces importantes. Ces charges doivent être prises en compte pour l’évaluation de la sécurité de ces structures. Bien que les barrages aient été construits et exploités dans différents pays pendant de nombreuses années, il n’y a pas de consensus sur les critères de charge de glace. Les valeurs de conception varient considérablement – plus de 3 fois d’une autorité internationale à l’autre. La nature complexe des poussées des glaces implique de nombreux facteurs et incertitudes qui empêchent encore la pleine compréhension des processus en jeu, malgré les avancées récentes. Cette recherche doctorale vise à donner une nouvelle approche aux calculs des poussées des glaces sur les barrages et, ainsi, faire progresser l’objectif d’harmonisation des critères de conception pour les poussées des glaces. L’approche méthodologique de cette recherche consiste à compiler les modèles existants de comportement rhéologique de la glace et les inclure dans la simulation numérique des principaux événements historiques de poussées des glaces mesurés au Canada. La construction d’un modèle numérique commence par un choix de processus et d’hypothèses clés, ainsi que par des modèles rhéologiques à inclure. Par conséquent, une revue compréhensive de la littérature sur le comportement rhéologique de la glace a été réalisée. Cette thèse décrit un modèle de fluage 3D du comportement rhéologique pour deux types de glace (glace columnaire et glace de neige). Le modèle construit peut être implémenté dans un logiciel d’éléments finis pour simuler le comportement de la glace sous les charges statiques. Au cours du projet, le logiciel ANSYS a été utilisé pour construire un modèle d’éléments finis pour des simulations d’événements mesurés. Le modèle d’éléments finis a été validé et étalonné par rapport à des expériences en laboratoire provenant de la littérature. Par la suite, il a été utilisé dans la simulation d’événements de poussées des glaces sur des barrages au Canada. Seule expansion thermique de la glace a été simulée par le modèle d’éléments finis. Les fluctuations de niveau d’eau ont été indirectement incluses dans le modèle par la simulation de la glace confinée latéralement. L’influence de différents facteurs sur la poussée des glaces simulées a été étudiée. Les conseils et les lignes directrices pour le choix et l’implémentation du modèle rhéologique de fluage dans un logiciel d’éléments finis commercial sont également fournis. La thèse est basée sur des résultats d’études qui ont été publiés dans deux articles de colloques et dans un article de journal. La thèse inclut l’introduction des poussées des glaces sur les barrages, les objectifs du projet, les revues de littérature sur les processus influents des poussées des glaces, sur les propriétés rhéologiques des deux types de glace fréquents sur un réservoir et la modélisation du comportement de la glace, ainsi que la présentation des données de terrain, la description du modèle, les études non encore publiées, la conclusion et les recommandations. La thèse discute du lien entre les expériences en laboratoire sur la glace et les mesures in situ des poussées des glaces sur les barrages. L’étude documente le fait que le fluage élastique retardé de la glace a un effet limité sur les poussées des glaces résultantes pour les grandeurs de grains de 3 mm à 20 mm, et son calcul peut être omis dans des évaluations approximatives des poussées des glaces avec cettes grandeurs de grains moyennes. Il est également montré que la variabilité du coefficient de dilatation thermique de la glace avec la température n’est pas importante pour les températures étudiées. L’importance des conditions initiales et du comportement de la glace en tension pour les poussées des glaces résultantes est également montrée. La thèse met l’accent sur l’importance de la considération correcte du confinement latéral et du type de glace pour les calculs de poussées des glaces sur les barrages. Il a été montré que la hausse du niveau d’eau et le confinement latéral de la glace peuvent produire très grandes forces de poussées, si la glace est principalement columnaire. De ce fait, il devient important d’évaluer la possibilité d’avoir des hivers secs ayant peu d’accumulation de neige sur la glace (les conditions favorables à la formation de la glace columnaire) pour la sélection de la charge de conception. / Hydroelectric dams are subjected to ice loads in cold climates. Withstanding such loads is an important safety requirement for the structures. Although dams have been built and operated by different countries for many years, there is no consensus on a design ice load criteria. Design values vary considerably – by more than 3 times from one international authority to another. The complex nature of ice loads involves many factors and uncertainties that still prevent the full understanding of ice field processes in spite of much progress done in this direction. This doctoral research aims to give new insights into reservoir ice loads, and, thus, to move forward the objective of harmonization of ice load design criteria. The main approach of this research is a compilation of existing models of ice material behaviour and their inclusion in the numerical simulation of key historical ice load events measured in Canada. A construction of a numerical model begins with a choice of key processes and key assumptions as well as material models to include. Therefore, a comprehensive literature review on the topic is required. During the project, diverse literature on ice material behaviour was reviewed. This thesis describes a 3D creep material model for rheological behaviour of two types of ice, namely columnar (S2) ice and snow (T1) ice. The constructed model can be implemented into software to simulate behaviour of ice under the static loads. In this project, the commercial software ANSYS was used for this purpose to build a finite element model (FEM) for simulations of field events. After the FEM was built, it was validated and calibrated against laboratory experiments taken from the literature. Subsequently, the resulting FEM was used for simulation of key Canadian field events. Only thermal expansion of ice was simulated by the FEM with indirect accounting of the impact of water level fluctuations through the modelling of ice cover under lateral confinement. The influence of different factors on the simulated ice load was studied, namely, the influence (i) of selected material constants, (ii) of lateral confinement, (iii) of grain size and of delayed elastic creep, (iv) of variable or constant coefficient of thermal dilatation, (v) of ice type, (vi) of initial stresses as well as (vii) the influence of ice behaviour in tension. The advice and guidelines for the choice and implementation of a creep material model into commercial finite element software are also given. The thesis is based on studies conducted for two conference papers and one journal paper. The thesis includes introduction to the ice loads on dams, objectives of the project, literature reviews on governing ice loading processes, on material properties of two types of ice of frequent occurrence on a reservoir and on modelling of ice behaviour as well as field data presentation, model description, yet unpublished studies, conclusion and recommendations. The thesis discusses the linkage between laboratory experiments on ice and in situ measurements of reservoir ice loads on dams through the numerical modelling of field events. It documents the fact that delayed elastic creep has a limited effect on the resulting ice load for grain sizes of 3 mm – 20 mm, and its calculation can be omitted in approximate assessments of field ice loads for ice cover with these average grain sizes. It is also shown that variability of coefficient of thermal dilatation of ice with temperature is not important for the temperature range studied. The importance of initial conditions and ice behaviour in tension for the resulting ice load is also shown. The thesis emphasizes the importance of correct accounting of lateral confinement and ice type for ice load calculations. It is shown that when water level rises and the ice is confined laterally, if the reservoir consists primarily of columnar ice, the loads can be very substantial. As such, it is recommended that engineers pay particular attention to the possibility of having cold dry winters with little snow accumulations on an ice cover (favorable conditions for columnar ice formation) when choosing their design criteria.

Les phénomènes liés au comportement à la rupture de la glace sous impact sont fréquents dans le génie civil, pour les structures offshore, et les processus de dégivrage. Pour réduire les dommages causés par l'impact de la glace et optimiser la conception des structures ou des machines, l'étude sur le comportement à la rupture dynamique de la glace sous impact est nécessaire. Ces travaux de thèse portent donc sur la propagation dynamique des fissures dans la glace sous impact. Une série d'expériences d'impact est réalisée avec un dispositif de barres de Hopkinson. La température est contrôlée par une chambre de refroidissement. Le processus dynamique de la rupture de la glace est enregistré avec une caméra à grande vitesse et ensuite analysé par des méthodes d'analyse d'images. La méthode des éléments finis étendus complète cette analyse pour évaluer la ténacité dynamique. Au premier abord, le comportement dynamique de la glace sous impact est étudié avec des échantillons cylindriques afin d'établir la relation contrainte-déformation dynamique qui sera utilisée dans les simulations numériques plus tard. Nous avons observé de multi-fissuration dans les expériences sur les échantillons cylindriques mais son étude est trop difficile à mener. Pour mieux comprendre la propagation des fissures dans la glace, des échantillons rectangulaires avec une pré-fissure sont employés. En ajustant la vitesse d'impact on aboutit à la rupture des spécimens avec une fissure principale à partir de la pré-fissure. L'histoire de la propagation de fissure et de sa vitesse sont évaluées par analyse d'images basée sur les niveaux de gris et par corrélation d'images. La vitesse de propagation de la fissure principale est identifiée dans la plage de 450 à 610 m/s ce qui confirme les résultats précédents. Elle varie légèrement au cours de la propagation, dans un premier temps elle augmente et se maintient constante ensuite et diminue à la fin. Les paramètres obtenus expérimentalement, tels que la vitesse d'impact et la vitesse de propagation de fissure, sont utilisés pour la simulation avec la méthode des éléments finis étendus. La ténacité d'initiation dynamique et la ténacité dynamique en propagation de fissure sont déterminées lorsque la simulation correspond aux expériences. Les résultats indiquent que la ténacité dynamique en propagation de fissure est linéaire vis à vis de la vitesse de propagation et semble indépendante de la température dans l'intervalle -15 à -1 degrés. / The phenomena relating to the fracture behaviour of ice under impact loading are common in civil engineering, for offshore structures, and de-ice processes. To reduce the damage caused by ice impact and to optimize the design of structures or machines, the investigation on the dynamic fracture behaviour of ice under impact loading is needed. This work focuses on the dynamic crack propagation in ice under impact loading. A series of impact experiments is conducted with the Split Hopkinson Pressure Bar. The temperature is controlled by a cooling chamber. The dynamic process of the ice fracture is recorded with a high speed camera and then analysed by image methods. The extended finite element method is complementary to evaluate dynamic fracture toughness at the onset and during the propagation. The dynamic behaviour of ice under impact loading is firstly investigated with cylindrical specimen in order to obtain the dynamic stress-strain relation which will be used in later simulation. We observed multiple cracks in the experiments on the cylindrical specimens but their study is too complicated. To better understand the crack propagation in ice, a rectangular specimen with a pre-crack is employed. By controlling the impact velocity, the specimen fractures with a main crack starting from the pre-crack. The crack propagation history and velocity are evaluated by image analysis based on grey-scale and digital image correlation. The main crack propagation velocity is identified in the range of 450 to 610 m/s which confirms the previous results. It slightly varies during the propagation, first increases and keeps constant and then decreases. The experimentally obtained parameters, such as impact velocity and crack propagation velocity, are used for simulations with the extended finite element method. The dynamic crack initiation toughness and dynamic crack growth toughness are determined when the simulation fits the experiments. The results indicate that the dynamic crack growth toughness is linearly associated with crack propagation velocity and seems temperature independent in the range -15 to -1 degrees.