Thèse en cotutelle, doctorat en génie civil : Université Laval, Québec, Canada, Philosophiæ doctor (Ph. D.) et Université Toulouse III - Paul Sabatier, Toulouse, France / Un modèle de comportement mécanique des bétons fibrés est développé et implanté dans le logiciel éléments finis Cast3m. Il vient compléter le modèle de fissuration orthotrope du béton Fluendo3D, en ajoutant la capacité de traiter des matériaux à fibres courtes, cylindriques et rectilignes. Ce modèle, qui s'appuie sur des données d'essais et certains mécanismes modélisés issus de la littérature, permet d'apporter des éléments de compréhension du comportement de ce type de matériau, et notamment concernant le phénomène de multi-fissuration. La caractérisation des phénomènes mis enjeu durant l'extraction des fibres est le point de départ de cette étude. Les effets de l'inclinaison des fibres par rapport à la direction d'extraction sont pris en compte et interviennent dans le comportement du modèle qui présente la capacité d'utiliser des orientations préférentielles de fibres. Le phénomène de multi-fissuration est représenté grâce à une loi d'effet d'échelle de Weibull qui permet de tenir compte de la dispersion des résistances à la traction du béton et d'expliquer le développement de la multi-fissuration. Cette représentation permet d'obtenir des distributions d'ouvertures de fissures dans des macro-éléments finis, et apporte donc une nouvelle précision dans le calcul des ouvertures de fissures dans des structures de grandes dimensions. / A model for the mechanical behavior of fiber-reinforced concrete is developed and implemented in Cast3m finite element software. It completes the orthotropic concrete cracking model Fluendo3D, by adding the ability to treat materials with short, cylindrical and straight fibers. This model, which is based on tests results and assumptions of mechanisms modelled from litterature, provides elements of understanding of the behavior of this type of material, especially concerning the phenomenon of multi-cracking. The characterization of the phenomena involved during the extraction of the fibers is the starting point of this study. The effects of the inclination of the fibers with respect to the direction of extraction are taken into account and intervene in the behavior of the model which presents the capacity to use preferential orientations of fibers. The multi-cracking phenomenon is represented by a Weibull scaling law that allows to take into account the dispersion of the concrete tensile strengths and to explain the development of multi-cracking process. This representation makes it possible to obtain crack opening distributions in macro-finite elements, and thus brings a new precision in the calculation of cracks openings in large structures.

De nos jours, la conception parasismique des structures en acier repose sur la dissipation d'énergie sismique par l'action de grandes déformations plastiques. Les cadres à diagonales ductiles confinées sont un type de système à contreventements concentriques caractérisé par des membrures qui plastifient autant en traction qu'en compression. Grâce à un mécanisme de restreinte latérale qui renferme un noyau métallique, les diagonales ductiles confinées (DDC) tirent avantage de la ductilité cyclique du matériau. Cependant, les DDC affichent fréquemment une faible rigidité après plastification, causant ainsi d'importantes déformations latérales durant un séisme. De plus, la plastification du noyau est généralement associée à un seul objectif de performance; son comportement sous d'autres intensités sismiques est donc essentiellement inconnu. Les DDC hybrides sont étudiées en tant qu'alternative aux systèmes traditionnels pour pallier leurs limitations. Le concept d'hybridité vise à maîtriser différentes caractéristiques de métaux minutieusement sélectionnés pour obtenir une réponse souhaitable. Cette étude numérique comporte trois objectifs. Les matériaux de noyaux potentiels sont d'abord évalués afin de déterminer les meilleures combinaisons de deux métaux avec des propriétés mécaniques complémentaires. L'analyse de données expérimentales indique que le comportement plastique des DDC hybrides est amélioré par l'emploi d'un acier au carbone 350WT conjointement avec un autre métal qui possède une faible limite élastique et une grande capacité d'écrouissage (p. ex. l'acier inoxydable 304L, l'alliage d'aluminium 5083-O, l'acier au carbone A36, ou l'acier LYP-100). Par la suite, deux nouvelles configurations de DDC hybrides sont conçues afin d'accueillir trois noyaux ductiles connectés en parallèle. La première option proposée comprend un mécanisme de restreinte fait de tubes en acier remplis de béton, tandis que la deuxième option est fabriquée exclusivement à partir de composantes métalliques. Finalement, plusieurs simulations par la méthode des éléments finis sont réalisées sur des modèles numériques pour valider quantitativement l'accroissement de la performance. Comparées aux DDC conventionnelles, les DDC hybrides présentent une réponse d'écrouissage améliorée, une légère augmentation de la rigidité axiale, ainsi qu'une plus grande capacité à dissiper l'énergie. / Contemporary seismic-resistant design of steel structures relies on the dissipation of earthquake energy through significant inelastic deformations. Buckling-restrained braced frames (BRBFs) are a type of concentrically-braced system characterized by braces that yield both in tension and in compression. Thanks to a restraining mechanism that confines a ductile steel core, buckling-restrained braces (BRBs) can take advantage of the cyclic ductility of the steel material. However, BRBs commonly display a low post-yield stiffness, causing substantial interstory drifts and large residual drifts after seismic events. Moreover, yielding of the core is often tied to only a single performance objective, thus making its response at other levels of seismicity largely unpredictable. Hybrid BRB solutions are explored as an alternative to the traditional BRB system to overcome its limitations. The hybrid concept is hinged on harnessing different characteristics from different materials that are carefully combined into one ductile design to achieve a desirable response. This numerical study has three main objectives. Potential core metals are first evaluated to determine the best combinations of two materials with complementary engineering properties. Analysis of experimental data indicates that the post-yield behavior of hybrid BRBs is improved by employing 350WT carbon steel in conjunction with another metal, which possesses a low-yield and high-strain-hardening capacity (e.g., 304L stainless steel, 5083-O aluminum alloy, A36 carbon steel, or LYP-100 low-yield-point steel). Afterwards, two new hybrid BRB systems are designed to accommodate the complex deformation pattern of three core plates connected in parallel. The first proposed option has a restraining mechanism made from concrete-filled steel tubes, while the second hybrid BRB option is fabricated exclusively from metal plate components. Lastly, multiple finite element simulations are carried out on numerical models to quantitatively validate the performance enhancement. Compared to conventional BRBs, hybrid BRBs exhibit an improved strain hardening response, a slight increase in axial stiffness, and a greater energy dissipation capability for an equivalent brace strength.

Titre de l'écran-titre (visionné le 5 septembre 2023) / Au vu de l'urgence climatique actuelle et des différents rapports scientifiques au sujet du dérèglement climatique, il est primordial et même vital de réduire drastiquement la pollution générée par l'Homme. Le dernier rapport du GIEC (Groupe d'experts Intergouvernemental sur l'Évolution du Climat) (2022) indique qu'il faut effectivement réduire de moitié les émissions d'ici 2030 et insiste fortement sur la nécessité d'agir immédiatement afin de préserver la planète. Dans ce sens, l'industrie de la production de béton est responsable de 4 à 8% des rejets totaux humains de dioxyde de carbone et doit donc urgemment évoluer afin de réduire son impact environnemental. L'objectif principal de cette étude est de participer à cette transition industrielle en développant un modèle numérique fiable et exploitable afin d'optimiser la production, diminuer le temps de malaxage et réduire le gaspillage du béton à l'aide des outils technologiques de contrôle qualité déjà mis en place. En effet, développer une simulation numérique permettant de mieux comprendre le comportement et les profils d'écoulement du béton frais à l'intérieur d'une toupie de malaxage est extrêmement prometteur puisqu'elle permet alors d'encore mieux optimiser les temps et les coûts de malaxage. Afin d'espérer exploiter un tel outil numérique complexe, la mise en place de modèles élémentaires d'écoulement du béton frais est essentielle afin de valider, caractériser et calibrer les simulations numériques. Dans ce mémoire, le développement de trois modèles simples d'écoulement est traité et les résultats obtenus ont permis de valider le comportement numérique de l'écoulement du béton frais. Chacun de ces modèles présente des forces et faiblesses et participe à la création d'un environnement de travail numérique qui permet de beaucoup mieux appréhender la rhéologie et le comportement d'écoulement du béton frais. Ce projet de recherche est donc une véritable porte d'entrée vers la modélisation complète de la production du béton frais. / In view of the current climate emergency and the various scientific reports on climate change, it is essential and even vital to drastically reduce man-made pollution. The latest IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) report (2022) indicates that emissions must be halved by 2030 and strongly emphasizes the need to act immediately to preserve the planet. In this sense, the concrete production industry is responsible for 4-8% of total human carbon dioxide emissions and therefore urgently needs to evolve to reduce its environmental impact. The main objective of this study is to participate in this industrial transition by developing a reliable and exploitable numerical model to optimize the production, reduce mixing time and also reduce concrete waste by using technological quality control tools already available. Indeed, developing a numerical simulation allowing to better understand the behavior and flow profiles of fresh concrete inside a mixing-truck is extremely promising as it allows for further optimization of mixing times and costs. In order to be able to exploit such a complex numerical tool, the implementation of elementary fresh concrete flow models is essential to validate, characterize and calibrate the numerical simulations. In this thesis, the development of three simple flow models is discussed and the results obtained are used to validate the numerical behavior of fresh concrete flow. Each of these models has strengths and weaknesses and contributes to the creation of a numerical working environment that provides a much better understanding of the rheology and flow behavior of fresh concrete. This research project is therefore a real gateway to a full modelling of fresh concrete production.

Ce mémoire décrit plusieurs modèles qui cherchent à prédire le vieillissement du cerveau chez des individus âgés ayant une cognition intacte. Nous effectuons d’abord des tests statistiques afin de comparer différents modèles. À partir de ceux-ci, nous présentons des estimés du moment critique à partir duquel certaines structures cérébrales ont décru morphométriquement de façon notable en guise d’indice de fragilité. Nous mesurons également l’asymétrie hémisphérique de la décroissance de chaque région. Nous proposons différentes façons d’ordonnancer les régions du cerveau selon différentes quantités mesurant le taux vieillissement. Finalement, nous établissons un outil qui permet d’évaluer l’âge virtuel correspondant aux mesures cérébrales pour le cerveau d’un individu, selon les estimés de normalité. / In this memoir, we propose different models in order to predict the effect of aging on brain atrophy, computed from neuroimagery data. We begin with different statistical tests in order to chose between models and assert if different regions have significant asymmetry in their development. We then compute critical moments after which we predict that the measures of a region have significantly decreased. We use these critical moments to order the regions, as we suppose it’s a good indicator of fragility in aging. We finish by proposing a method of predicting the neurological age of an individual from it’s neuroimagery data.

Ce mémoire présente les travaux de mise en œuvre d'un modèle numérique par éléments finis de la cellule unitaire représentative d'un composite interlock 3D, à partir de tomographies. Ce matériau se compose de torons tissés dans les directions chaine et trame, ainsi qu'à travers l'épaisseur. Ce type d'interlock 3X a été largement étudié ces dix dernières années, sans pour autant que des modèles numériques performants soient réalisés, ce qui rend nécessaire une modélisation numérique de sa cellule unitaire. Il présente pourtant des avantages vis-à-vis des autres types de composites, notamment grâce à l'absence du phénomène de délamination, cause principale de dégradation des composites. Ce travail présente la démarche et les moyens mis en œuvre pour obtenir la cellule unitaire numérique du matériau. Des tomographies de différents états du tissu sec, non compacté et compacté, ont été réalisées afin de générer un modèle éléments finis à partir du logiciel de traitement d'image AVIZO ainsi que du logiciel de génération de textile TEXGEN. Un modèle simplifié d'une tranche de cellule unitaire a été choisi afin de simuler et valider le procédé de compaction numérique avec le logiciel élément finis Abaqus. Les résultats du modèle de compaction ont été comparés aux tomographies du tissu sec compacté. Les résultats de cette simulation simplifiée sont prometteurs. La déformation et les déplacements des torons obtenus sur la cellule unitaire du tissu sec simulé sont très proches de ceux observés sur les tomographies du tissu compacté de la sorte. / This thesis presents the work conducted toward the development of a finite element model of the representative unit cell of a 3D interlock composite, based on tomographies. This material is composed of yarns woven in the warp and weft directions, as well as through the thickness. This kind of 3X interlock has been very little studied to date, which makes numerical modelling of its unit cell necessary. However, it present advantages over other types of composites, in particular the absence of delamination phenomenon, the main cause of composite degradation. This work presents the approach and the means employed to obtain the numerical unit cell of the material. Tomographies of different states of the dry, uncompacted and compacted fabric were carried out in order to generate a finite element model from the image processing software AVIZO and the textile generation software TEXGEN. A simplified model of a unit cell slice was chosen in order to simulate and validate the numerical compaction process with the Abaqus finite element software. The results of the compaction model were compared with tomographies of dry texile. The results of this simplified simulation are promising. The deformation and displacements of the yarns obtained on the unit cell of the simulated dry textile are very close to those observed on tomographies of the compacted textile.

Titre de l'écran-titre (visionné le 26 avril 2023) / Ce mémoire vise à étudier le calcul stochastique et certains schémas et applications numériques dans des problèmes réels. Comme nous le savons, au cours des dernières décennies, il y a eu des demandes importantes d'outils et de stratégies de calcul stochastique dans divers domaines. L'un des domaines qui en a le plus besoin est la finance mathématique, où de nombreuses quantités financières, telles que le prix des actifs, sont des variables aléatoires ; Ainsi, les mathématiques algébriques, qui traitent des variables déterministes et non aléatoires, en finance, ont été moins employées à la place dans les équations différentielles stochastiques en tant que branche des mathématiques stochastiques ont reçu une attention significative dans le domaine de la finance. Tout au long de ce travail, en recueillant quelques faits et informations auxiliaires dans la théorie des probabilités, nous étudions le mouvement brownien, qui peut être observé dans des systèmes perturbés dans divers domaines, dont l'électronique, la physique, la biologie, la gestion et l'économie. Comme l'un des principaux objectifs de ce projet , nous introduisons l'intégration par rapport au mouvement brownien et aux processus associés (processus Itô), ce qui nous permettra de définir les équations différentielles stochastiques (EDSs). / This dissertation aims to study stochastic calculus and some numerical schemes and applications in real-life problems. As we know, during the last few decades, there have been significant demands for implements and strategies of stochastic calculus in various fields. One of the fields that has the most need is mathematical finance, where many financial quantities, such as the price of as sets, are random variables; thus, algebraic mathematics, which deals with deterministic and non-random variables, in finance has been employed less and instead in stochastic differential equations as a branch of stochastic mathematics have received significant attention in the field of finance. Throughout this work, by collecting some auxiliary facts and information in the probability theory, we study the Brownian motion, which can be observed in perturbed systems in various fields, including electronics, physics, biology, management, and economics. As one of the main goals of this project, we introduce the integration with respect to the Brownian motion and the related processes (Itô processes), which will enable us to define the stochastic differential equations (SDEs).

Ce mémoire expose les différentes opportunités d'implantation de matériaux à changement de phase (PCM) dans des zones thermiques intégrées à des bâtiments. Les avantages inhérents à l'emploi de PCM sont analysés dans l'optique de réduction de la consommation d'énergie dans les systèmes CVAC (Chauffage, Ventilation et Air Conditionné). Le travail est divisé en deux parties renvoyant chacune à un article scientifique. Le premier article analyse les impacts et les bénéfices de galvaniser la masse thermique d'une zone en y incluant des PCM. L'étude illustre en premier lieu l'influence prépondérante de l'inertie thermique sur les performances thermiques de la zone, et les possibilités d'optimisation qui en découlent. L'ajout de PCM dans la zone est ensuite formellement optimisé pour deux cas de figure distincts, à savoir l'imposition de conditions climatiques idéalisées ou réelles à la zone. Pour ces deux contextes, on démontre qu'intégrer à la surface de la zone une quantité de PCM correspondant à une fraction de son épaisseur, à une température de fusion d'environ 26°C, augmente significativement les performances de la zone (20% en moyenne). Les calculs sont effectués selon trois fonctions objectives différentes, dont la complexité et la perspective d'optimisation varient. Le chapitre suivant, où le deuxième article est présenté, étend l'analyse décrite ci-dessus à une zone tridimensionnelle. Autrement dit, il est possible d'intégrer du PCM sur le plancher, les murs, le plafond et la façade de la zone à l'étude. Les dimensions, la fenestration, la composition et l'orientation de la zone sont entièrement modulables ; dans le cadre de ce chapitre, l'analyse est restreinte à un cas particulier et démontre que si elle est judicieusement incluse, une faible quantité de PCM peut avoir des retombées énergétiques considérables sur les performances thermiques de la zone. À l'inverse, certaines configurations où l'on inclut du PCM s'avèrent peu performantes et même en deçà des résultats observés sans PCM. Ce travail conjugue une compréhension fondamentale des PCM avec une analyse scientifique rigoureuse, de manière à montrer l'étendue du potentiel de ces matériaux.

Titre de l'écran-titre (visionné le 8 août 2023) / Les anodes de carbone sont des composants essentiels du procédé Hall-Héroult utilisé dans l'industrie de l'aluminium primaire. La mise en forme des anodes par compactage ou vibrocompactage a un impact significatif sur leur qualité et leurs différentes propriétés. La présence de gradients de densité dans les anodes peut causer leur surconsommation dans les cuves d'électrolyse et réduire leur performance. Ce projet vise à étudier le comportement thermomécanique de la pâte d'anode lors de sa mise en forme, à modéliser ce comportement et à examiner l'effet de la géométrie du moule sur la distribution de la densité dans l'anode. L'effet de la température de la pâte d'anode sur son comportement mécanique lors de la compaction a été étudié expérimentalement. Dans ce contexte, des essais de compaction monotones et des essais de friction ont été menés à des températures situées entre 130 °C et 170 °C. Les résultats ont révélé les effets importants de la température sur le comportement non linéaire de la pâte et ont également permis de déterminer les coefficients de friction statique et dynamique de l'interface pâte/acier. Une loi de comportement thermoviscoplastique non linéaire a été développée afin de modéliser le comportement de la pâte d'anode lors de sa compaction. Cette loi est basée sur un cadre thermodynamique, la théorie des grandes déformations et le concept de configuration naturelle. Les paramètres de la loi évoluent durant la compaction en fonction de la densité et de la température. Ils ont été identifiés à l'aide d'une procédure d'identification inverse. La loi de comportement a été implémentée dans le logiciel de simulation par éléments finis Abaqus à travers une sous-routine VUMAT, destinée à l'analyse dynamique explicite. Les simulations par éléments finis portant sur la mise en forme par compaction de géométries complexes ont été en mesure de prédire avec une bonne précision les profils de densité mesurés par tomodensitométrie. L'effet de la température ainsi que de différentes caractéristiques géométriques, telles que des arêtes chanfreinées et arrondies, des tourillons et des rainures de différentes dimensions, ont été étudié à l'aide de simulations par éléments finis. Dans cette optique, de petites anodes ont été compactées par éléments finis afin de déterminer si les paramètres susmentionnés peuvent améliorer l'uniformité de la densité. Par la suite, des simulations par éléments finis ont été réalisées sur une anode industrielle et différentes modifications de la géométrie du moule ont été proposées. Les résultats de ces simulations suggèrent que la réduction de la taille des rainures et la modification de leur géométrie pourraient améliorer de façon significative l'uniformité de la densité des anodes industrielles. / Carbon anodes are essential components of the Hall-Héroult process used in the primary aluminium industry. The anode forming process by compaction or vibrocompaction has a significant impact on their quality and properties. The presence of density gradients in the anode can cause carbon overconsumption in the electrolysis cells and negatively affect their performance. This project aims to study the thermomechanical behavior of the anode paste during compaction, to model this behavior and to examine the effect of the mold geometry on the density distribution in the anode. The effect of the anode paste temperature on its mechanical behavior during compaction was studied experimentally. In this context, monotonic compaction tests and friction tests were conducted at temperatures between 130 °C and 170 °C. The results revealed the significant effect of temperature on the nonlinear behavior of the paste and also allowed the determination of the static and kinetic friction coefficients of the paste/steel interface. A nonlinear thermo-viscoplastic constitutive law was developed to model the behavior of the anode paste during compaction and is based on a thermodynamic framework, the finite strain theory and the concept of natural configuration. The constitutive law's material parameters evolve during compaction as a function of density and temperature and were identified using an inverse identification procedure. The constitutive law was implemented in the finite element simulation software Abaqus through a VUMAT subroutine, intended for explicit dynamic analysis. The finite element simulations of the compaction of complex geometries were able to predict with good accuracy the density profiles measured by X-ray computed tomography. The effect of temperature as well as of different geometrical features, such as chamfered and rounded edges, stub holes and slots of different dimensions, was investigated using finite element analysis. To this end, small anodes were compacted through finite element simulations to determine if the aforementioned parameters can improve the density uniformity. Additional finite element simulations were performed on an industrial anode and different modifications to the mold geometry were proposed. The results of these simulations show that reducing the size of the slots and modifying their geometry could improve the density uniformity of industrial anodes.

Les neurones thalamiques de relai ont un rôle exclusif dans la transformation et de transfert de presque toute l'information sensorielle dans le cortex. L'intégration synaptique et la réponse électrophysiologique des neurones thalamiques de relai sont déterminées non seulement par l’état du réseau impliqué, mais ils sont également contrôlés par leurs propriétés intrinsèques tels les divers canaux ioniques voltage-dépendants ainsi que l’arborisation dendritique élaboré. Par conséquent, investiguer sur le profil complexe de morphologie dendritique et sur les propriétés dendritiques actives révèle des renseignements importants sur la fonction d'entrée-sortie de neurones thalamiques de relai. Dans cette étude, nous avons reconstruit huit neurones thalamocorticaux (TC) du noyau VPL de chat adulte. En se basant sur ces données morphologiques complètes, nous avons développé plusieurs modèles multicompartimentaux afin de trouver un rôle potentiellement important des arbres dendritiques des neurones de TC dans l'intégration synaptique et l’intégration neuronale. L'analyse des caractéristiques morphologiques des neurones TC accordent des valeurs précises à des paramètres géométriques semblables ou différents de ceux publiés antérieurement. En outre, cette analyse fait ressortir de tous nouveaux renseignements concernant le patron de connectivité entre les sections dendritiques telles que l'index de l'asymétrie et la longueur de parcours moyen (c'est-à-dire, les paramètres topologiques). Nous avons confirmé l’étendue des valeurs rapportée antérieurement pour plusieurs paramètres géométriques tels que la zone somatique (2956.24±918.89 m2), la longueur dendritique totale (168017.49±4364.64 m) et le nombre de sous-arbres (8.3±1.5) pour huit neurones TC. Cependant, contrairement aux données rapportées antérieurement, le patron de ramification dendritique (avec des cas de bifurcation 98 %) ne suit pas la règle de puissance de Rall 3/2 pour le ratio géométrique (GR), et la valeur moyenne de GR pour un signal de propagation est 2,5 fois plus grande que pour un signal rétropropagé. Nous avons également démontré une variabilité significative dans l'index de symétrie entre les sous-arbres de neurones TC, mais la longueur du parcours moyen n'a pas montré une grande variation à travers les ramifications dendritiques des différents neurones. Nous avons examiné la conséquence d’une distribution non-uniforme des canaux T le long de l'arbre dendritique sur la réponse électrophysiologique émergeante, soit le potentiel Ca 2+ à seuil bas (low-threshold calcium spike, LTS) des neurones TC. En appliquant l'hypothèse du «coût minimal métabolique», nous avons constaté que le neurone modélisé nécessite un nombre minimal de canaux-T pour générer un LTS, lorsque les canaux-T sont situés dans les dendrites proximales. Dans la prochaine étude, notre modèle informatique a illustré l'étendue d'une rétropropagation du potentiel d'action et de l'efficacité de la propagation vers des PPSEs générés aux branches dendritiques distales. Nous avons démontré que la propagation dendritique des signaux électriques est fortement contrôlée par les paramètres morphologiques comme illustré par les différents paliers de polarisation obtenus par un neurone à équidistance de soma pendant la propagation et la rétropropagation des signaux électriques. Nos résultats ont révélé que les propriétés géométriques (c.-à-d. diamètre, GR) ont un impact plus fort sur la propagation du signal électrique que les propriétés topologiques. Nous concluons que (1) la diversité dans les propriétés morphologiques entre les sous-arbres d'un seul neurone TC donne une capacité spécifique pour l'intégration synaptique et l’intégration neuronale des différents dendrites, (2) le paramètre géométrique d'un arbre dendritique fournissent une influence plus élevée sur le contrôle de l'efficacité synaptique et l'étendue du potentiel d'action rétropropagé que les propriétés topologiques, (3) neurones TC suivent le principe d’optimisation pour la distribution de la conductance voltage-dépendant sur les arbres dendritiques. / Thalamic relay neurons have an exclusive role in processing and transferring nearly all sensory information into the cortex. The synaptic integration and the electrophysiological response of thalamic relay neurons are determined not only by a state of the involved network, but they are also controlled by their intrinsic properties; such as diverse voltage-dependent ionic channels as well as by elaborated dendritic arborization. Therefore, investigating the complex pattern of dendritic morphology and dendritic active properties reveals important information on the input-output function of thalamic relay neurons. In this study, we reconstructed eight thalamocortical (TC) neurons from the VPL nucleus of adult cats. Based on these complete morphological data, we developed several multi-compartment models in order to find a potentially important role for dendritic trees of TC neurons in the synaptic integration and neuronal computation. The analysis of morphological features of TC neurons yield precise values of geometrical parameters either similar or different from those previously reported. In addition, this analysis extracted new information regarding the pattern of connectivity between dendritic sections such as asymmetry index and mean path length (i.e., topological parameters). We confirmed the same range of previously reported value for several geometric parameters such as the somatic area (2956.24±918.89 m2), the total dendritic length (168017.49±4364.64 m) and the number of subtrees (8.3±1.5) for eight TC neurons. However, contrary to previously reported data, the dendritic branching pattern (with 98% bifurcation cases) does not follow Rall’s 3/2 power rule for the geometrical ratio (GR), and the average GR value for a forward propagation signal was 2.5 times bigger than for a backward propagating signal. We also demonstrated a significant variability in the symmetry index between subtrees of TC neurons, but the mean path length did not show a large variation through the dendritic arborizations of different neurons. We examined the consequence of non-uniform distribution of T-channels along the dendritic tree on the prominent electrophysiological response, the low-threshold Ca2+ spike (LTS) of TC neurons. By applying the hypothesis of “minimizing metabolic cost”, we found that the modeled neuron needed a minimum number of T-channels to generate low-threshold Ca2+ spike (LTS), when T-channels were located in proximal dendrites. In the next study, our computational model illustrated the extent of an action potential back propagation and the efficacy of forward propagation of EPSPs arriving at the distal dendritic branches. We demonstrated that dendritic propagation of electrical signals is strongly controlled by morphological parameters as shown by different levels of polarization achieved by a neuron at equidistance from the soma during back and forward propagation of electrical signals. Our results revealed that geometrical properties (i.e. diameter, GR) have a stronger impact on the electrical signal propagation than topological properties. We conclude that (1) diversity in the morphological properties between subtrees of a single TC neuron lead to a specific ability for synaptic integration and neuronal computation of different dendrites, (2) geometrical parameter of a dendritic tree provide higher influence on the control of synaptic efficacy and the extent of the back propagating action potential than topological properties, (3) TC neurons follow the optimized principle for distribution of voltage-dependent conductance on dendritic trees.

Afin de contribuer au développement des connaissances et de l’industrie des énergies renouvelables hydrocinétiques, un nouveau projet de recherche à long terme a débuté récemment au Laboratoire de Mécanique des Fluides Numérique (LMFN) de l’Université Laval. Ce projet porte sur l’optimisation de la configuration des parcs de turbines hydroliennes. Comme les techniques de modélisation se rapportant aux parcs de turbines n’ont été que peu étudié au LMFN par le passé, les objectifs du présent travail sont d’identifier une méthodologie de modélisation numérique permettant l’étude de parcs hydroliens à coût de simulation raisonnable et d’en vérifier la fiabilité. Inspirée de modèles numériques retrouvés dans la littérature scientifique disponible, une approche originale a été développée. Elle porte le nom de Effective Performance Turbine Model, ou EPTM. La fiabilité de cette approche de modélisation est évaluée par rapport à sa capacité à prédire correctement les performances moyennes des turbines ainsi que leur sillage. Des résultats de simulations numériques « haute-fidélité » qui incluent à grand coût la géométrie complète des turbines sont utilisés en guise de référence. La comparaison des prédictions de l’EPTM avec les résultats de référence démontre que cette approche de modélisation est appropriée tant pour les turbines à axe horizontale que celles à axe vertical opérant dans des conditions d’écoulement propre. En effet, de très bonnes prédictions de la vitesse de rotation optimale de la turbine, de son chargement moyen et de la puissance extraite sont obtenues avec l’EPTM. Le modèle permet aussi de bonnes prédictions du sillage rapproché de chacune des turbines étudiées. Par contre, l’approche stationnaire de modélisation de la turbulence utilisée au sein des simulations de l’EPTM se montre inefficace dans certains cas. De possibles raffinements au modèle sont discutés en guise de conclusion. / In order to contribute to the development of the hydrokinetic power industry, a new line of research has been initiated recently at the Laboratoire de Mécanique des Fluides Numérique (LMFN) de l’Université Laval. It is related to the optimization of turbine farm layouts. As the numerical modeling of turbine farms has been little investigated in the past at the LMFN, the objectives of this work are to develop a numerical methodology that will allow the study of turbine farm layouts at reasonable simulation cost and to verify its reliability. Inspired from numerical models found in the available literature, an original modeling approach is developed. This modeling approach is referred-to as the Effective Performance Turbine Model, or EPTM. The EPTM reliability is assessed in terms of its capacity to predict correctly the mean performances and the wake recovery of the turbines. The results of “high-fidelity” CFD simulations, which include at high cost the complete rotor geometry, are used as a reference. Results of the performance assessment show that the EPTM approach is appropriate for the modeling of both axial-flow (horizontal-axis) turbines and cross-flow (vertical-axis) turbines operating in clean flow conditions. Indeed, the EPTM provides very good predictions of the value of the optimal angular speed at which the rotor should be rotating to operate near maximum power extraction, the magnitude of the mean forces acting on the turbine and the mean power it extracts from the flow. The EPTM also succeeds to generate the adequate nearwake flow topology of each of the reference turbine investigated. However, the steady turbulence modeling approach used in the EPTM simulations appears inadequate in some cases. Possible model improvements are discussed as a conclusion.