Dans la première partie de cette thèse, une simulation numérique 2D de la formation des structures chevauchantes est proposée. Elle repose sur les hypothèses des coupes équilibrées (conservation du volume dans le plan de coupe parallèle à la direction de transport) avec un plissement isopaque. Chaque coupe équilibrée est construite directement à partir de la géométrie initiale des chevauchements, du raccourcissement et de la cinématique des chevauchement. Ces paramètres initiaux du calcul sont ensuite modifiés par essai et erreur de façon à ajuster la géométrie finale calculée sur les observations géologiques. L'application informatique de ces hypothèses a été rendue possible par l'écriture d'un programme appelé CICERON. Ce modèle permet de simuler des déplacements importants le long de discontinuités cinématiques. Il a été utilisé sur deux types de structures impliquant: 1) seulement la couverture sédimentaire (Jura, Appalaches, prisme de la Barbade); 2) à la fois le socle et la couverture sédimentaire (Appenin du Sud). Dans la deuxième partie de cette thèse, l'évolution de la température pendant la formation d'une structure chevauchante est simulée numériquement grâce avec la méthode des éléments finis. A chaque incrément de déplacement sur le chevauchement, le maillage calculé par le mailleur MODULEF s'appuie sur les géométries fournies par le programme CICERON. L'étude détaillée des résultats de cette modélisation thermique montre que les transferts horizontaux conductifs de chaleur sont importants et accélèrent la mise à l'équilibre thermique de telles structures.

Lors des accidents de la route, les lésions de l’abdomen mettent des vies en jeu et nécessitent un traitement médical long et coûteux. Il est important d’offrir une meilleure prévention des lésions abdominales traumatiques. Des modèles numériques de corps humain ont été développés afin de comprendre les mécanismes lésionnels. L’objectif de cette thèse est de contribuer au développement d’un modèle numérique de foie humain pour la prédiction de lésions hépatiques en cas de choc.Dans un premier temps, une caractérisation morphologique du foie a été réalisée sur 78 scanners et a mis en évidence l’existence de 4 morphotypes. Ensuite, des expérimentations ont mis en évidence l’influence de la pressurisation des vaisseaux sur la déformation de la capsule et ont permis d’identifier la déformation à rupture locale lors d’un choc.Enfin, les modèles numériques des 4 morphotypes identifiés ont été construits pour simuler les essais de décélération réalisés dans la partie expérimentale. / In road accidents, lesions of the abdomen are life-threatening, and require a long and expensive medical treatment. It is important to offer a better prevention of traumatic abdominal injuries. Numerical models of the human body have been developed to understand the mechanisms of injury. The aim of this thesis is to contribute to the development of a numerical model of human liver for the prediction of liver lesions in case of shock.First, a morphological characterization of the liver was performed on 78 healthy patient scanners and highlight the existence of 4 morphotypes.Then, experiments were carried out to highlight the influence of this pressurization of the vessels on the strain state of the Glisson capsule and to identify the local ultimate strain during an impact.Finally, the numerical models of the 4 identified morphotypes were constructed and used to simulate the deceleration tests performed in the experimental part.

L'affouillement est l'arrachement et le transport des sédiments du lit d'un cours d'eau sous l'action érosive d'un écoulement hydraulique. Ce phénomène est accentué par la présence d'obstacles à l'écoulement, tels que les piles et culées de ponts, ou également les quais, les éoliennes et les oléoducs offshores dans un contexte maritime. La présence de fosses d'affouillement engendre une perte de la capacité portante de la structure et menace sa stabilité. Face à ce risque hydraulique, il est crucial de suivre en continu l'évolution de la profondeur d'affouillement au droit des ouvrages d'art et d'évaluer sa conséquence sur le comportement de la structure. Cette thèse est une contribution à l'utilisation de l'analyse vibratoire pour le suivi de l'affouillement, et à la compréhension des phénomènes d'interaction sol-structure mis en jeu. La démarche scientifique retenue intègre deux approches distinctes du suivi d'affouillement: indirecte et directe. L’approche indirecte a pour objectif le développement d'un capteur de profondeur d'affouillement (scour depth sensor SDS). Des études expérimentale et numérique ont été menées afin d'évaluer l'influence de l'affouillement, d'une part sur la réponse dynamique du capteur (fréquences, déformées modales et amortissement), d'autre part sur sa réponse statique sous chargement latéral. Sur la base des résultats obtenus, un modèle théorique de poutre équivalente a été proposé afin de lier la variation de la fréquence du capteur à la profondeur d'affouillement. L’approche directe s'intéresse à l'effet de l'affouillement sur la réponse dynamique de la structure elle-même. Des campagnes d'essais ont été menées sur des modèles réduits en canal hydraulique. Un intérêt particulier a été porté aux effets de la géométrie de la pile et de l'interaction pile-tablier. Un modèle analytique a été proposé pour prédire l'évolution de la fréquence des piles avec l'affouillement. Afin de valider ce modèle, ses résultats ont été comparés aux résultats des essais expérimentaux / Scour is the removal of riverbed sediments by the erosive action of flowing water. Scour depth is greater near structures as a result of the obstruction to the flow by bridge piers and abutments, or docks, wind turbines and offshore pipelines in a marine environment. The existence of scour holes may decrease the bearing capacity of the structure and threaten its stability. Therefore, it is crucial to develop monitoring techniques to track the evolution of scour depth in real-time and evaluate its consequences on the behaviour of the structure. This thesis is a contribution to the use of vibration based techniques for scour monitoring and provides an insight to the soil-structure interactions involved. Two proposed approaches can be distinguished in this study: indirect and direct. The indirect approach aims to develop a scour depth sensor (SDS). Experimental and numerical studies have been conducted to evaluate the effect of scour, on the one hand, on the dynamic response of the sensor (frequencies, modal shapes, damping), on the other hand, on its static response under lateral loading. Based on the findings, a theoretical model of an equivalent cantilever beam was proposed to predict the variation of the sensor frequency as a function of scour depth. The direct approach focuses on the effect of scour on the structure itself. To this end, experimental campaigns were conducted on laboratory scale models tested in a flume. Particular attention was paid to the effect of the pile geometry and the pile-deck interaction. An analytical model was proposed to correlate the variation of the pier frequency to scour depth. Experimental and numerical results were compared to assess the model validity

Cette thèse s’inscrit dans le cadre de l’évolution des Systèmes d’Informations Géographiques (SIG) et de leur capacité à répondre à des problématiques environnementales qui s’expriment de manière globale et transversale. Dans un contexte ou l’information géographique est en plein essor et où la quantité de données disponible ne cesse de croitre, le besoin en terme d’outil d’aide a la décision n’a jamais été aussi fort. Cette étude s’attache tout particulièrement au cadre de la résolution de problématiques liées à l’eau et l’environnement lorsque les données deviennent trop volumineuses pour être traitées par des moyens de calculs séquentiels classiques. Nous proposons une plateforme de calculs répartis sur une grappe d’ordinateurs qui parallélise le calcul de la délimitation des bassins versants des grands fleuves et la détermination des flots d’accumulation. A cette fin nous introduisons une technique de calcul parallèle d’une forêt d’arbres couvrants minimums représentant le parcours de l’eau de chaque point du Modèle Numérique de Terrain (MNT) vers la mer. Cette technique débute par une délimitation des cuvettes (ensemble de points allant vers le même minimum local) contenues dans le MNT. Ensuite une hiérarchie de déversement des cuvettes les unes dans les autres est construite jusqu'à obtenir les bassins versants des fleuves. L’étude se poursuit par la description d’un algorithme parallèle pour le calcul très couteux des flots d’accumulation en chaque point du MNT. Enfin cette thèse présente une version ≪out-of-core≫ de nos algorithmes parallèles afin d’étendre la portée de nos travaux a des grappes de dimensions modestes qui ne peuvent pas charger en mémoire la totalité du MNT traite. / My thesis is part of the development of Geographic Information Systems (GIS) and their ability to respond to environmental challenges that are expressed in a global and transversal way. We consider a context in which geographical information is growing, in addition the amount of data available continues to grow. Therefore, the need a tool for decision support has never been stronger. This study aim to solve problems related to water and the environment when the data become too large for sequential computing. The main objective of the thesis proposes a platform for distributed computing on a cluster of computers that parallelizes the watershed computing of major rivers and the determination of the flow accumulation. The idea is based on the construction of a minimal spanning tree, via a hierarchy of graphs, modeling the water route on the DEM toward the ocean. The technique begins from computing catchment basins that are set of pixels for which a drop of water will end the same local minimum. After that, a hierarchy of basins is computed in order to give the catchment basins of the rivers in the DEM. The study continues with a description of a parallel algorithm for computing the global flow accumulation for automatic drainage network extraction in large digital elevation models. Finally, the thesis presents a version ≪out-of-core≫ of our parallel algorithms to extend the scope of our work in clusters of size small that cannot load into memory the entire treated DEM.

Cette recherche s'inscrit dans la lignée de nombreuses études ayant porté sur les Hautes Chaumes des Monts du Forez. Elle consiste à mettre en place une méthodologie permettant d'expliquer dans quelle mesure un certain nombre de variables physiques (comme les pentes, les expositions, les courbures...) et anthropiques (pratiques pastorales) exercent des contraintes sur la distribution du couvert végétal. Une réflexion sur la notion de paysage nous conduit à l'utilisation de la méthode d'analyse du paysage PEGASE s'est imposée. Il s'agit d'une procédure divisive multivariée basée sur les principes de la Théorie de l'information. Loin de n'être qu'une simple application de l'algorithme, cette recherche se veut innovante. Tout d abord, c'est la première fois que Pegase est utilisé pour traiter des bases de données de grandes tailles (méta-bases de données Pegase). Cet aspect a induit le développement de deux outils complémentaires annexes à Pegase facilitant et automatisant la structure de bases de données. Outre la construction des bases de données, Asc2Peg permet l'utilisation de Pegase dans un contexte S.I.G., puisque qu'il fonctionne à partir de fichiers d'échange ESRI ASCII Grid. D'autre part, un grand nombre de variables ont des effets potentiels sur la distribution de la végétation. Un des aspects de notre travail a consisté à les identifier et à homogénéiser la formulation mathématique de différents indices géomorphométriques, dérivées des modèles numériques de terrains (pentes, expositions, courbures...). Enfin, notre méthodologie est basée sur une approche multi-échelle prenant en compte étendue et résolution et nous a conduit à mettre en évidence un certain nombre de variables que nous avons qualifiées de dominantes. Une multitude d'applications sont envisageables. Notre travail a permis de placer Pegase comme outil potentiel d'aide à la mise en place de cartographies par classification automatique en télédétection.

Ce document regroupe des travaux organisés autour de deux thèmes<br />de recherche.<br /><br />Le premier concerne la stabilisation-frontière de quelques systèmes<br />distribués, en présence de singularités. On s'intéresse principalement à l'équation des ondes et au système élastodynamique pour lesquels de nombreux auteurs ont obtenu des résultats de stabilisation en utilisant la méthode des multiplicateurs sous des conditions géométriques restrictives. Pour étendre ces résultats, on est amené à démontrer certaines propriétés de ``régularité cachée'' des solutions fortes, ce qui nécessite l'analyse des singularités d'un problème elliptique avec conditions aux limites mêlées. La connaissance de ces singularités permet de généraliser une relation de Rellich, cruciale dans l'obtentionédes estimations d'énergie conduisant aux résultats de stabilisation.<br /><br />Le second thème a pour objet l'étude des écoulements de Hele-Shaw à<br />source ponctuelle. Le modèle de Stokes-Leibenson fait apparaître<br />une équation elliptique dont le second membre est la distribution de Dirac au point-source. Ce problème est de plus intrinsèquement non linéaire du fait que le domaine lui-même évolue d'une manière inconnue. On utilise la méthode de Helmholtz-Kirchhoff pour reformuler le problème. Ceci permet de démontrer un résultat d'existence et d'unicité locales d'une solution classique. On construit ensuite un modèle numérique, dit ``modèle quasi-contour'', destiné à étudier certaines propriétés qualitatives de ces écoulements.

Dans cette thèse, nous abordons le problème SLAM pour des robots évoluant en 3D dans de grands environnements, en utilisant la stéréovision. Une implémentation complète des différentes fonctionnalités nécessaires a été conçue, développée et expérimentée dans différents contextes. La première partie de la thèse traite du problème d'association des données :elle présente un algorithme de mise en correspondance de points d'intérêt détectés dans les images, qui est robuste par rapport au bruit et aux changements de point de vue. La deuxième partie de la thèse est dédiée au développement d'une approche du problème SLAM basée sur le filtrage de Kalman. Les amers sont les points d'intérêt détectés dans les images, dont les coordonnées 3D sont fournies par la stéréovision. La dernière partie de la thèse présente et analyse des résultats obtenus dans différents contextes~: sur des trajectoires de plusieurs centaines de mètres effectuées par un ballon dirigeable évoluant à faible altitude, avec un robot évoluant en environnement naturel non structuré, et avec un robot évoluant en environnements intérieurs. Lorsque la trajectoire ``ferme une boucle'', une méthode rapide de correction de l'estimée des différentes positions par lesquelles le robot est passé permet de reconstruire un modèle numérique du terrain.

Il existe aujourd'hui une demande croissante pour des modèles numériques de ville de plus en plus précis. Alors que les travaux récents ont permis la production robuste de modèles polyédriques de bâtiments, les superstructures de toits telles que les cheminées et les chiens assis ne sont pas modélisées, et les erreurs géométriques et topologiques peuvent être importantes. L'approche itérative proposée affine géométriquement et sémantiquement un modèle de bâtiment approché sans superstructures, à l'aide d'un Modèle Numérique de Surface (MNS). Elle alterne la reconstruction de superstructures et le recalage des pans de toit principaux. La détection et la reconstruction de superstructures sont basées sur une bibliothèque de modèles paramétriques de superstructures. Un ensemble de superstructures disjointes est recherché, en se réduisant au problème de recherche d'une clique pondérée maximale. La phase de recalage tire parti des superstructures précédemment détectées afin de mieux estimer les pans de toit principaux. Elle corrige des simplifications tant géométriques telles qu'une symétrie erronée des toits, que topologiques telles que la fusion de sommets proches. Nous utilisons une représentation géométrique des bâtiments par les plans porteurs de chaque facette polyédrique, plus intuitive dans ce contexte que la représentation habituelle par la position de ses sommets. Nous introduisons le problème de triédralisation qui scinde les sommets surcontraints en sommets bien définis à l'intersection de 3 plans seulement. Nous proposons une structure de donnée cinétique garantissant des facettes non auto-intersectantes au cours de la réestimation itérative de leurs plans porteurs.

Un enjeu actuel de la modélisation du laminage de produits plats est de pouvoir prédire l'apparition de défauts d'épaisseur et de planéité. Cela n'est possible qu'avec un modèle tridimensionnel prenant en compte la déformation des cylindres à l'origine de ces défauts. Or la gestion du maillage pour un tel modèle s'avère difficile. La zone de déformation, nécessairement finement maillée, est très petite par rapport à l'ensemble du volume maillé. Une description de maillage adaptée est la méthode Arbitrairement Lagrangienne Eulérienne (ALE). Le maillage ayant une vitesse différente de celle de la matière, il est possible de modéliser de grandes déformations tout en conservant une meilleure qualité du maillage qu'en lagrangien et de concentrer durablement un grand nombre d'éléments dans la zone de déformation en la couplant à un maillage adaptatif. Lors d'un précédent travail, une approche ALE découplée a été implémentée dans Forge3®. A chaque incrément de temps, la vitesse matérielle est tout d'abord calculée (étape purement lagrangienne), puis la vitesse du maillage est déterminée telle que la qualité des éléments soit améliorée à topologie donnée (r-adaptation), enfin a lieu un transport. Un point critique de la méthode ALE est de conserver précisément la frontière du domaine, en particulier lors de forte vitesse tangentielle de la matière, comme en laminage. Pour ce, une nouvelle gestion du maillage a été développée et utilisée pour la tôle. Elle consiste à projeter la position de tout nœud frontière sur la surface réactualisée lagrangienne. Une méthode de lissage des surfaces confère un degré de précision supplémentaire requis pour les zones légèrement courbes et faiblement raffinées, par exemple un bombé apparu lors du laminage. L'ensemble de ces procédures, applicables a priori à tout type de géométrie, sont effectuées localement pour des questions d'efficacité et de facilité d'implémentation. Ce caractère local n'a pas d'influence sur le choix du pas de temps grâce à une méthode de « sous-incrémentation ». La déformation élastique des cylindres est, elle, gérée par une formulation quasi-eulérienne qui conduit à des maillages de taille beaucoup plus faible qu'en lagrangien. Un cas industriel de laminage a été modélisé avec la formulation ALE. Les temps de calculs sont considérablement réduits en comparaison à la formulation lagrangienne de Forge3®. Les résultats en terme d'efforts, de contraintes, etc. sont en général meilleurs en ALE qu'en lagrangien et proches de ceux de la formulation quasi-eulérienne de Lam3.

L'océan Austral joue un rôle crucial dans la régulation du système climatique en absorbant de grandes quantités de CO2 atmosphérique. Toutefois de nombreuses incertitudes demeurent quant à l'évolution récente du puits de carbone austral notamment en raison du manque d'observations et des lacunes des modèles océaniques dans la représentation de processus dynamiques comme les tourbillons. Depuis quelques décennies notamment, l'efficacité du puits de carbone austral diminuerait en raison d'une intensification des vents liée à une tendance positive du Mode Annulaire Austral (SAM). L'objectif de ces travaux de thèse est de décrire et comprendre la variabilité spatiale et temporelle récente des flux air-mer de CO2 dans l'océan Austral. Pour cela, des simulations de sensibilité aux phases positives du SAM sont réalisées dans une configuration régionale de l'océan Austral (sud de 30°S), basée sur un modèle couplé dynamique-biogéochimie forcé par l'atmosphère et résolvant partiellement la méso-échelle océanique. Dans l'océan Austral, la réponse des flux de CO2 au SAM correspond à un dégazage intense de CO2 dans la zone antarctique dû à une augmentation des concentrations de surface de carbone inorganique dissous (DIC). Cette augmentation est pilotée par la dynamique de la couche de mélange et alimentée par un transport méridien de DIC qui résulte essentiellement de la compétition entre circulation induite par les vents et par les méandres stationnaires. Ces travaux montrent l'apport d'une augmentation de la résolution numérique des modèles pour la simulation des flux de CO2.