Ce travail de thèse s’est concentré sur la modélisation de l’effet d’un couvert de neige saisonnier sur le comportement thermique de grands ouvrages de génie civil construits dans les régions nordiques, ainsi qu’à son application sur des ouvrages construits avec des matériaux à grande porométrie. À l’heure actuelle, la présence de neige est souvent négligée dans les simulations numériques de régimes thérmiques, sauf pour les études portant sur les avalanches ou le régime nival qui utilisent des modèles conceptuels ou des modèles très détaillés, basés sur la physique. L’utilisation des modèles très détaillés dans l’industrie n’est pas avantageuse pour modéliser de grands ouvrages de génie civil en raison du grand nombre d'équations différentielles partielles et de paramètres parfois difficiles à estimer. De plus, l’introduction de la neige comme un milieu dans le domaine de calcul impose de grands défis pour les simulations en continu sur plusieurs années, car, comme la neige est saisonnière, le domaine qui représente la neige doit être éliminé après sa fonte. À cet égard, l’objectif principal de cette recherche est de développer un nouvel outil pour modéliser, en continu sur plusieurs années, l’effet thermique d’un couvert de neige sur des ouvrages de génie civil, qui puisse être aisément appliqué dans des cas pratiques. Pour cela, les transferts de chaleur et de masse dans la neige ont été étudiés afin d'identifier les modes de transfert qui ont une influence significative sur la température du sol. Ensuite, un outil numérique dans le logiciel FlexPDE a été établi pour modéliser le transfert de chaleur par conduction et convection, entre le sol, la neige et l'atmosphère en continu sur toute l'année. Cet outil considère également l’effet de la neige (frontière fermée ou ouverte) sur la convection dans des matériaux granulaires grossiers, et l’effet de la pluie et du changement de phase de l’eau sur le bilan d’énergie du couvert de neige. Cet outil emploie la méthode du bilan d’énergie de surface qui est considéré comme étant une condition aux limites de Neumann pour la température. L’outil a également servi à réaliser une analyse thermique d’un barrage en remblai et à démontrer la présence des cellules de convection dans l’enrochement et l’influence de la convection d’air sur l’extraction de chaleur de la fondation. Un autre objectif de cette recherche est d'établir un modèle simple et précis de la conductivité thermique pour tous les types de neige, y compris la neige artificiellement manipulée et compactée. La plupart des modèles existants de la conductivité thermique de la neige sont développés grâce à des techniques de régression qui ont l'inconvénient de ne pas respecter les limites physiques de la neige. Pour intégrer ces limites physiques dans un modèle simple, le concept de conductivité thermique relative est utilisé dans cette étude. Ce modèle est examiné avec des données publiées et réévaluées et avec les résultats de tests effectués au laboratoire de l'Université Laval. Le modèle proposé permet d’estimer la conductivité thermique de tous les types de neige, et ce, avec une grande fiabilité. / This work focused on the modeling of the effect of a seasonal snow cover on the thermal behavior of large engineering structures built in the northern regions, and its application for structures built with materials of large porometry. Nowadays, the presence of snow is often neglected in thermal numerical simulations, except for investigating the phenomenon of avalanches or production of water after snowmelt in the mountainous regions, while using conceptual models or very detailed models based on physics. In the industry, modeling a large structure by detailed models have two principals drawback. First, because of large numbers of partial differential equations and parameters, which are sometimes difficult to estimate. The introduction of snow as a medium in the computational domain also imposes great challenges for the continuous simulations for consecutive years, because seasonal snow is present only a few months a year and the domain representing the snow must be removed after melting. In this regard, the main objective of this research is to develop a new tool for the modeling of snow thermal effect on geotechnical structure continuously for several years that can also be applied in simple practical cases. For this, transfers of the heat and mass in snow are first studied to identify the most important transfer modes that significantly affect soil temperature. Then, a numerical tool using the FlexPDE software has been established to model the heat transfer by conduction and convection between soil, snow and atmosphere continuously over the entire year. This tool also considers the effect of snow (close or open boundary) on the air convection in the coarse granular materials, the rain effect and the water phase change in the energy balance of the snow cover. This tool uses the surface energy balance as the Neumann boundary condition for temperature. The tool is also served for thermal analysis of an embankment dam and demonstrates the presence of convection cells and the influence of the air convection on the heat extraction of foundation. Another purposes of this research is to establish a simple and accurate model of thermal conductivity for all types of snow, including artificially manipulated and compacted snow. Most of the existing model of the snow’s thermal conductivity are developed through regression techniques which have the drawback of not respecting the physical limits of snow. To integrate these physical limits in a simple model, the relative thermal conductivity concept is used in this study. This model is verified with published data and further validated with the results of the tests performed in the laboratory of Laval University. The proposed model estimates the thermal conductivity of all types of snow with great reliability.

La surveillance à distance des structures a émergé comme une préoccupation importante pour les ingénieurs afin de maintenir la sécurité et la fiabilité des infrastructures civiles pendant leur durée de vie. Les techniques de surveillance structurale (SHM) sont de plus en plus populaires pour fournir un diagnostic de "l'état" des structures en raison de leur vieillissement, de la dégradation des matériaux ou de défauts survenus pendant leur construction. Les limites de l'inspection visuelle et des techniques non destructives, qui sont couramment utilisées pour détecter des défauts extrêmes sur les parties accessibles des structures, ont conduit à la découverte de nouvelles technologies qui évaluent d’un seul tenant l'état global d'une structure surveillée. Les techniques de surveillance globale ont été largement utilisées pour la reconnaissance d'endommagement dans les grandes infrastructures civiles, telles que les ponts, sur la base d'une analyse modale de la réponse dynamique structurale. Cependant, en raison des caractéristiques complexes des structures oeuvrant sous des conditions environnementales variables et des incertitudes statistiques dans les paramètres modaux, les techniques de diagnostic actuelles n'ont pas été concluantes pour conduire à une méthodologie robuste et directe pour détecter les incréments de dommage avant qu'ils n'atteignent un stade critique. C’est ainsi que des techniques statistiques de reconnaissance de formes sont incorporées aux méthodes de détection d'endommagement basées sur les vibrations pour fournir une meilleure estimation de la probabilité de détection des dommages dans des applications in situ, ce qui est habituellement difficile compte tenu du rapport bruit à signal élevé. Néanmoins, cette partie du SHM est encore à son stade initial de développement et, par conséquent, d'autres tentatives sont nécessaires pour parvenir à une méthodologie fiable de détection de l'endommagement. Une stratégie de détection de dommages basée sur des aspects statistiques a été proposée pour détecter et localiser de faibles niveaux incrémentiels d'endommagement dans une poutre expérimentale pour laquelle tant le niveau d'endommagement que les conditions de retenue sont réglables (par exemple ancastrée-ancastrée et rotulée-rotulée). Premièrement, des expériences ont été effectuées dans des conditions de laboratoire contrôlées pour détecter de faibles niveaux d'endommagement induits (par exemple une fissure correspondant à 4% de la hauteur d’une section rectangulaire équivalente) simulant des scénarios d'endommagement de stade précoce pour des cas réels. Différents niveaux d'endommagement ont été simulés à deux endroits distincts le long de la poutre. Pour chaque série d'endommagement incrémentiel, des mesures répétées (~ 50 à 100) ont été effectuées pour tenir compte de l'incertitude et de la variabilité du premier mode de vibration de la structure en raison d'erreurs expérimentales et du bruit. Une technique d'analyse par ondelette basée sur les modes a été appliquée pour détecter les changements anormaux survenant dans les modes propres causées par le dommage. La réduction du bruit ainsi que les caractéristiques des agrégats ont été obtenues en mettant en œuvre l'analyse des composantes principales (PCA) pour l'ensemble des coefficients d'ondelettes calculés à des nœuds (ou positions) régulièrement espacés le long du mode propre. En rejetant les composantes qui contribuent le moins à la variance globale, les scores PCA correspondant aux premières composantes principales se sont révélés très corrélés avec de faibles niveaux d'endommagement incrémentiel. Des méthodes classiques d'essai d'hypothèses ont été effectuées sur les changements des paramètres de localisation des scores pour conclure objectivement et statistiquement, à un niveau de signification donné, sur la présence du dommage. Lorsqu'un dommage statistiquement significatif a été détecté, un nouvel algorithme basé sur les probabilités a été développé pour déterminer l'emplacement le plus probable de l'endommagement le long de la structure. Deuxièmement, se basant sur l'approche probabiliste, une série de tests a été effectuée dans une chambre environnementale à température contrôlée pour étudier les contributions relatives des effets de l’endommagement et de la température sur les propriétés dynamiques de la poutre afin d’estimer un facteur de correction pour l'ajustement des scores extraits. Il s'est avéré que la température avait un effet réversible sur la distribution des scores et que cet effet était plus grand lorsque le niveau d'endommagement était plus élevé. Les résultats obtenus pour les scores ajustés indiquent que la correction des effets réversibles de la température peut améliorer la probabilité de détection et minimiser les fausses alarmes. Les résultats expérimentaux indiquent que la contribution combinée des algorithmes utilisés dans cette étude était très efficace pour détecter de faibles niveaux d'endommagement incrémentiel à plusieurs endroits le long de la poutre tout en minimisant les effets indésirables du bruit et de la température dans les résultats. Les résultats de cette recherche démontrent que l'approche proposée est prometteuse pour la surveillance des structures. Cependant, une quantité importante de travail de validation est attendue avant sa mise en œuvre sur des structures réelles. Mots-clés : Détection et localisation des dommages, Poutre, Mode propre, Ondelette, Analyse des composantes principales, Rapport de probabilité, Température / Remote monitoring of structures has emerged as an important concern for engineers to maintain safety and reliability of civil infrastructure during its service life. Structural Health Monitoring (SHM) techniques are increasingly becoming popular to provide ideas for diagnosis of the "state" of potential defects in structures due to aging, deterioration and fault during construction. The limitations of visual inspection and non-destructive techniques, which were commonly used to detect extreme defects on only accessible portions of structures, led to the discovery of new technologies which assess the "global state" of a monitored structure at once. Global monitoring techniques have been used extensively for the recognition of damage in large civil infrastructure, such as bridges, based on modal analysis of structural dynamic response. However, because of complicated features of real-life structures under varying environmental conditions and statistical uncertainties in modal parameters, current diagnosis techniques have not been conclusive in ascertaining a robust and straightforward methodology to detect damage increments before it reaches its critical stage. Statistical pattern recognition techniques are incorporated with vibration-based damage detection methods to provide a better estimate for the probability of the detection of damage in field applications, which is usually challenging given the high noise to signal ratio. Nevertheless, this part of SHM is still in its initial stage of development and, hence, further attempts are required to achieve a reliable damage detection methodology. A statistical-based damage detection strategy was proposed to detect and localize low levels of incremental damage in an experimental beam in which the level of damage and beam restraint conditions are adjustable (e.g. fixed-fixed and pinned-pinned). First, experiments were performed in controlled laboratory conditions to detect small levels of induced-damage (e.g. 4% crack height for an equivalent rectangular section) simulated for early stage damage scenarios in real cases. Various levels of damage were simulated at two distinct locations along the beam. For each sate of incremental damage, repeat measurements (~ 50 to 100) were performed to account for uncertainty and variability in the first vibration mode of the structure due to experimental errors and noise. A modal-based wavelet analysis technique was applied to detect abnormal changes occurring in the mode shapes caused by damage. Noise reduction as well as aggregate characteristics were obtained by implementing the Principal Component Analysis (PCA) into the set of wavelet coefficients computed at regularly spaced nodes along the mode shape. By discarding components that contribute least to the overall variance, the PCA scores corresponding to the first few PCs were found to be highly correlated with low levels of incremental damage. Classical hypothesis testing methods were performed on changes on the location parameters of the scores to conclude damage objectively and statistically at a given significance level. When a statistically significant damage was detected, a novel Likelihood-based algorithm was developed to determine the most likely location of damage along the structure. Secondly, given the likelihood approach, a series of tests were carried out in a climate-controlled room to investigate the relative contributions of damage and temperature effects on the dynamic properties of the beam and to estimate a correction factor for the adjustment of scores extracted. It was found that the temperature had a reversible effect on the distribution of scores and that the effect was larger when the damage level was higher. The resulted obtained for the adjusted scores indicated that the correction for reversible effects of temperature can improve the probability of detection and minimize false alarms. The experimental results indicate that the combined contribution of the algorithms used in this study were very efficient to detect small-scale levels of incremental damage at multiple locations along the beam, while minimizing undesired effects of noise and temperature in the results. The results of this research demonstrate that the proposed approach may be used as a promising tool for SHM of actual structures. However, a significant amount of challenging work is expected for implementing it on real structures. Key-words: Damage Detection and Localization, Beam, Mode Shape, Wavelet, Principal Component Analysis, Likelihood Ratio, Temperature

Cette thèse s'inscrit dans la continuation du travail de Younes Achkire, consacré au contrôle actif des ponts haubanés. Elle traite de l'implémentation d'un système de contrôle actif sur des maquettes de structures câblées. Deux types de structures sont étudiés expérimentalement: les ponts haubanés et les treillis spatiaux. Après une brève introduction sur l'usage du contrôle actif dans ces domaines, le chapitre 2 traite numériquement des mécanismes d'interaction entre le câble et la structure. Au chapitre 3, nous présentons la stratégie de contrôle que nous utilisons pour stabiliser une structure câblée: il s'agit d'un contrôle décentralisé, basé sur des paires capteur/actionneur colocalisées, placées au niveau des ancrages des câbles, chacune équipée d'un contrôleur Intégral Force Feedback. Nous présentons une théorie linéaire simplifiée permettant de dimensionner le système et de prévoir son efficacité. Elle est illustrée sur un exemple, et nous discutons de la validité de certaines hypothèses simplificatrices. Le chapitre 4 est consacré au contrôle actif des ponts haubanés. Nous y présentons 2 maquettes. La première, de petite taille (3m) représente un pylône de pont haubané en construction. Elle est équipée d'actionneurs piézoélectriques. La seconde, installée au Centre Commun de Recherche d'Ispra (Italie), mesure 30m de long, et est équipée d'actionneurs hydrauliques. Les expériences réalisées sur ces maquettes ont démontré l'efficacité du contrôle et la fiabilité de la théorie prédictive. Le contrôle du flottement des ponts est traité sur un exemple numérique. Le chapitre 5 relate nos expériences d'amortissement actif des treillis spatiaux. Deux structures ont été étudiées: une colonne en treillis équipée de 3 câbles actifs, et une structure triédrique suspendue à des cordons élastiques pour simuler l'absence de gravité, également munie de câbles actifs. Deux concepts d'actionneur piézoélectrique ont été testés. Nous avons ensuite examiné le problème de la saturation des actionneurs, et celui du contrôle actif des microvibrations (~10nm) d'une structure câblée. Le chapitre 6 conclut ce travail, en souligne les aspects originaux et donne quelques perspectives de développement.

Thèse de doctorat : Génie Civil : Villeurbanne, INSA : 1999. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. [231]-240.

Depuis quinze ans, on recommence à construire en bois, et notamment en bois lamellé-collé (LC), pour répondre aux nouveaux challenges imposés par les problématiques de développement durable. Néanmoins, des problèmes de dégradations liés à l'humidité ou aux cycles d'humidification/séchage limitent le développement des ouvrages en bois. De ce fait, le suivi de l'humidité des ouvrages d'art en bois devient un enjeu crucial. Aujourd'hui, certaines solutions existent mais ne permettent pas un suivi local au niveau des lamelles du bois LC. Une telle solution permettrait d'améliorer la prédiction de la durée de vie des ouvrages. Suite à ce constat, nous avons proposé de transformer le bois LC en " structure intelligente " par intégration d'un système du suivi de l'humidité au niveau des lamelles, et ce, en tenant compte des principales contraintes de fabrication de ce matériau (faible épaisseur du joint collé, pression de collage importante, etc.). Pour ce faire, nous avons effectué une recherche bibliographique afin de sélectionner les méthodes de suivi pouvant répondre à ces contraintes. A l'issue de cette recherche, deux technologies se sont révélées intéressantes : les mesures électriques et les mesures ultrasonores. Plusieurs configurations de mesures ont été proposées et testées pendant ce travail de thèse. Par la suite, nous avons effectué des essais préliminaires pour s'assurer du bon fonctionnement de ces configurations de mesures, et ainsi vérifier le comportement des capteurs lors de la fabrication du bois LC. Puis, nous avons humidifié les échantillons en utilisant deux protocoles d'humidification différents afin de vérifier la faisabilité du suivi de l'humidité avec les capteurs intégrés. Les résultats montrent que l'ensemble des configurations de mesures sont opérationnelles pour suivre la variation de l'humidité dans les échantillons LC. De plus, pour les mesures électriques, nos résultats montrent que l'on peut adopter quasiment les mêmes modèles d'étalonnage pour le suivi de l'humidité par mesures résistives, quel que soit le type de capteurs utilisé. Qui plus est, il est possible de récupérer des informations complémentaires par la réalisation simultanée des mesures résistives et des mesures capacitives en utilisant les électrodes surfaciques. Concernant les mesures ultrasonores, nous avons obtenu les courbes de sensibilité en fréquence pour plusieurs familles de capteurs à film piézoélectrique. L'influence de la pression de collage et de la distance entre les capteurs sur les mesures électriques/ultrasonores a aussi été investiguée dans ces travaux. De futures études consisteront à utiliser ces configurations de mesures pour le suivi in situ dans les ouvrages, ainsi qu'à établir un lien entre la durabilité des structures LC et les cycles d'humidification/séchage afin de prédire la durée de vie résiduelle des ouvrages d'art en bois. / For fifteen years, we restart to construct with wood, and particularly with glulam to respond to the new challenges imposed by the issues of sustainable development. However, degradation issues related to moisture content (MC) or wetting/drying cycles limit the development of timber structures. As a result, the MC monitoring in timber structures becomes a critical issue. Today, several solutions exist but they do not allow a local monitoring in the lamellas of glulam. Such a solution would improve the prediction of the service life of timber structures. In the light of this observation, we proposed to transform glulam into "smart material" by embedding a MC monitoring system in the lamellas, and this, considering the major constraints of fabrication of this material (small glue line thickness, important bonding pressure, etc.). To achieve this, we have conducted a bibliographic research, in order to select the monitoring methods which can satisfy these constraints. According to this research, two technologies turn out to be interesting: the electrical measurements and the ultrasonic measurements. Several measurement configurations were proposed and tested in this PhD work. Thereafter, we conducted preliminary tests to make sure of the good functionality of these measurement configurations, and also to verify the behavior of sensors throughout the glulam fabrication process. Afterwards, we moistened the specimens with two different moistening protocols in order to verify the feasibility of MC monitoring with embedded sensors. Results showed that all the measurement configurations are operational for the MC monitoring in glulam specimens. Moreover, for electrical measurements, our results show that we can adopt almost the same calibration models for the MC monitoring by resistive measurements, no matter the type of sensors used. Furthermore, it is possible to obtain complementary information by the realization of the resistive and capacitive measurements at the same time, using surface electrodes. Regarding the ultrasonic measurements, we have obtained the sensibility curves in frequency of several families of piezoelectric film sensors. On the other hand, the influence of bonding pressure and of sensor distance on the electrical/ultrasonic measurements was also investigated in this study. Future studies will consist in using these measurement configurations to perform in situ monitoring in timber structures, and also to establish a link between the durability of glulam structures and the wetting/drying cycles in order to predict the service life of timber structures.

Cette thèse s'inscrit dans la continuation du travail de Younes Achkire, consacré au contrôle actif des ponts haubanés. Elle traite de l'implémentation d'un système de contrôle actif sur des maquettes de structures câblées. Deux types de structures sont étudiés expérimentalement: les ponts haubanés et les treillis spatiaux. Après une brève introduction sur l'usage du contrôle actif dans ces domaines, le chapitre 2 traite numériquement des mécanismes d'interaction entre le câble et la structure. Au chapitre 3, nous présentons la stratégie de contrôle que nous utilisons pour stabiliser une structure câblée: il s'agit d'un contrôle décentralisé, basé sur des paires capteur/actionneur colocalisées, placées au niveau des ancrages des câbles, chacune équipée d'un contrôleur Intégral Force Feedback. Nous présentons une théorie linéaire simplifiée permettant de dimensionner le système et de prévoir son efficacité. Elle est illustrée sur un exemple, et nous discutons de la validité de certaines hypothèses simplificatrices. Le chapitre 4 est consacré au contrôle actif des ponts haubanés. Nous y présentons 2 maquettes. La première, de petite taille (3m) représente un pylône de pont haubané en construction. Elle est équipée d'actionneurs piézoélectriques. La seconde, installée au Centre Commun de Recherche d'Ispra (Italie), mesure 30m de long, et est équipée d'actionneurs hydrauliques. Les expériences réalisées sur ces maquettes ont démontré l'efficacité du contrôle et la fiabilité de la théorie prédictive. Le contrôle du flottement des ponts est traité sur un exemple numérique. Le chapitre 5 relate nos expériences d'amortissement actif des treillis spatiaux. Deux structures ont été étudiées: une colonne en treillis équipée de 3 câbles actifs, et une structure triédrique suspendue à des cordons élastiques pour simuler l'absence de gravité, également munie de câbles actifs. Deux concepts d'actionneur piézoélectrique ont été testés. Nous avons ensuite examiné le problème de la saturation des actionneurs, et celui du contrôle actif des microvibrations (~10nm) d'une structure câblée. Le chapitre 6 conclut ce travail, en souligne les aspects originaux et donne quelques perspectives de développement. / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished