A time spectral and coupled adjoint based sensitivity analysis of rotor blade is carried out in this study. The time spectral method is an efficient technique to solve unsteady periodic problems by transforming unsteady equation of motion to a steady state one. Due to the availability of the governing equations in the steady form, the steady form of the adjoint equations can be applied for the sensitivity analysis of the coupled fluid-structure system. An expensive computational time and memory requirement for the unsteady adjoint sensitivity analysis is thus avoided. A coupled analysis of fluid, structural, and flight dynamics is carried out through a CFD/CSD/CA coupling procedure that combines FSI analysis with enforced trim condition. Coupled sensitivity analysis results and their validations are presented and compared with aerodynamics only sensitivity analysis results. The fluid-structure coupled adjoint based sensitivity analysis will be applied to the shape optimization of a rotor blade in the future work. Minimization of required power is the objective of the optimization problem with constraints on thrust and drag of the rotor. The bump functions are considered as the design variables. Rotor blade shape changes are obtained by using the bump function on the surface of the airfoil sections along the span. / Doctor of Philosophy / The work in this dissertation is motivated by the reducing the computational cost at the early design stage with guaranteed accuracy. In the research, the author proposes that the goal can be achieve through coupled adjoint based sensitivity analysis using a fluid structure interaction in time spectral form. Adjoint based sensitivity analysis is very efficient for solving design problems with a large number of design variables. The time spectral approach is used to overcome inefficient calculation of rotor flows by expressing flow and structural state variables as Fourier series with small number of harmonics. The accuracy and the efficiency of flow solver are examined by simulating UH-60A forward flight condition. A significant reduction in the computational cost is achieved by its Fourier series form of the periodic time response and the assumption of periodic steady state. A good agreement between time accurate and time spectral analysis is noted for the high speed forward flight condition of UH-60A configuration. Prediction from both methods also agree quite well with the experimental data. The adjoint based sensitivity analysis results are compared with the finite difference sensitivity analysis results. Even with presence of small discrepancies, these two results show a good agreement to each other. Coupled sensitivity analysis includes not only the effect of fluid state changes but also the contribution of structural deformation.

Smart infrastructure has become increasingly prevalent in recent decades due to the emergence of sophisticated and affordable sensing technologies. As sensors are deployed more widely and higher sampling rates are feasible, managing the massive scale of real-time data collected by these systems has become fundamental to providing relevant and timely information to decision-makers. To address this task, a novel open-source framework has been developed to manage and intuitively present high-volume data in near real-time. This design is centered around the goals of making data accessible, supporting decision-making, and providing flexibility to modify and reuse this framework in the future. In this work, the framework is tailored to vibration-based structural health monitoring, which can be used in near real-time to screen building condition. To promote timely intervention, distributed computing technologies are employed to accelerate the processing, storage, and visualization of data. Vibration data is processed in parallel using a publish-subscribe messaging queue and then inserted into a NoSQL database that stores heterogeneous data across several nodes. A REST-based web application allows interaction with this stored data via customizable visualization interfaces. To illustrate the utility of this framework design, it has been implemented to support a frequency domain monitoring dashboard for a 5-story classroom building instrumented with 224 accelerometers. A simulated scenario is presented to capture how the dashboard can aid decisions about occupant safety and structural maintenance. / Master of Science / Advances in technology have made it affordable and accessible to collect information about the world around us using sensors. When sensors are used to aid decision-making about structures, it is frequently referred to as Structural Health Monitoring (SHM). SHM can be used to monitor long-term structural health, inform maintenance decisions, and rapidly screen structural conditions following extreme events. Accelerometers can be used in SHM to capture vibration data that give insight into deflection patterns and natural frequencies in a structure. The challenge with vibration-based SHM and many other applications that leverage sensors is that the amount of data collected has the potential to grow to massive scales. To communicate relevant information to decision-makers, data must be processed quickly and presented intuitively. To facilitate this process, a novel open-source framework was developed for processing, storing, and visualizing high-volume data in near real-time. This framework combines multiple computers to extend the processing and storage capacity of our system. Data is processed in parallel and stored in a database that supports efficient data retrieval. A web application enables interaction with stored data via customizable visualization interfaces. To demonstrate the framework functionality, it was implemented in a 5-story classroom building instrumented with 224 accelerometers. A frequency-domain dashboard was developed for the building, and a simulated scenario was conducted to capture how the dashboard can aid decisions about occupant safety and structural maintenance.

La capacité opérationnelle axiale en service de pieux battus reste une zone d'incertitude, en particulier pour les structures offshore. La recherche sur le terrain a montré que le frottement latéral peut augmenter au cours des mois ou des années après le battage. Si des tendances similaires se retrouvent dans des ouvrages offshore, les avantages en terme d'ingénierie de réalisation peuvent être très importants. D'autre part, les fondations sur pieux de plates-formes de gaz, de pétrole sont soumises à des chargements cycliques à long terme qui peuvent influencer leur capacité à l'arrachement. Les pieux battus en eau profonde connaissent un grand nombre de cycles complets de charge-décharge pouvant contribuer à la dégradation du frottement latéral lors de l'installation. Cette thèse vise à mieux comprendre les principaux résultats obtenus avec des pieux réels en sable siliceux, par le biais d'une recherche à échelle de laboratoire sous conditions environnementales contrôlées. Ce travail fait partie d'un programme de recherche commun entre le Laboratoire 3SR de Grenoble, l'Imperial College London, et le projet français de recherche ANR- SOLCYP. La réponse de l'interface sol-pieu lors de l'installation ainsi que les périodes de vieillissement et de chargements cycliques axiaux ont été étudiés au laboratoire en utilisant des pieux-modèles installés dans la chambre d'étalonnage de Grenoble. Plusieurs essais avec le pieu modèle Mini-ICP (instrumenté avec des capteurs de tension totale à la surface du pieu (SST) pour les mesures de contraintes radiales de cisaillement à 3 sections) ont permis l'analyse de chemin de contrainte locale à l'interface du pieu. Des capteurs miniatures ont en outre été installés dans le massif de sable pour une mesure de contrainte lors de l'installation du pieu et son chargement ultérieur. Les effets des méthodes d'installation, de la taille des particules de sable, ou de la saturation du sable et du chargement de l'environnement, ont été pris en compte pour le vieillissement de la capacité. Les évolutions locales de l'interface radiale et du cisaillement sont en accord avec les prédictions des méthodes de conception modernes basées sur le CPT. Des preuves d'effets d'échelle soulignent l'importance des conditions aux limites appliquées à la modélisation physique. Des séries d'essais non-alternés purement en traction, ainsi que des essais alternés ont été réalisés sous contrôle en charge ou en déplacement. Les mesures locales effectuées dans les chemins de contraintes effectives montrent une contraction radiale de la masse de sable au voisinage du pieu. Les incréments de l'amplitude de charge et du déplacement imposé accélèrent les taux de dégradation cyclique. Un nouveau diagramme de stabilité cyclique a été réalisé, en résumant les essais de chargement cycliques axiaux pour les pieux foncés et battus dans du sable siliceux moyennement dense. Des mécanismes complexes comme la rupture des grains et des changements de densité locale à l'interface du pieu peuvent affecter la réponse des pieux. La cinématique derrière leur installation et l'interaction avec le sol environnant reste encore très limitée. Comprendre comment un matériau granulaire interagit avec le pieu est important pour étudier la réponse globale du pieu. Les observations globales du comportement des pieux dans la chambre d'étalonnage ont été modélisées à une échelle micro en utilisant la tomographie aux rayons X du Laboratoire 3SR à Grenoble. Le programme expérimental comprenait des essais sur une chambre d'étalonnage modèle afin d'analyser le champ de déplacement lors de l'installation d'un pieu modèle, à l'aide des techniques de corrélation d'images (DIC) en trois dimensions. Des analyses micromécaniques d'échantillons «intacts» récupérés post mortem à l'interface du pieu ont été également effectuées pour mettre en évidence de possibles changements radiaux de densité ainsi que la rupture des grains. / The operational in-service axial capacity of driven piles remains an area of uncertainty, especially for offshore structures. Field research has demonstrated that axial shaft capacities may increase over the months or years after driving. If similar trends apply offshore, the realisable engineering benefits are very significant. On the other hand, the piled foundations of oil/gas platforms and wind/water turbines are subject to long term environmental and in service cyclic loading due for example to waves, vibrations and storms that may also affect their shaft capacity. Deep driven piles experience large numbers of full load-unload cycles that contribute to shaft capacity degradation during installation. This thesis aims to improve understanding of the main results obtained with full-scale piles in silica sand through a laboratory scale investigation performed under controlled environmental conditions. This work was part of a joint research programme between the Grenoble Laboratory 3SR and Imperial College London, and the French National SOLCYP research project. The response of the soil-pile interface during installation, ageing periods and cyclic loading tests have been studied using laboratory model piles installed in the large Grenoble Calibration Chamber. Several tests with the Mini-ICP pile allow the analyses of local stress path at the pile's interface. This model pile is instrumented with surface stress transducers (SST) for local measurements of total and radial shear stresses at 3 different sections along the pile's shaft. In addition, miniature soil stress transducers were installed into the sand mass for total stress measurements during pile installation and loading. Possible ageing effects as installation methods, sand particle size, sand saturation and environmental loading were studied. Local evolution of interface radial and shear stresses agree with predictions from modern CPT based design methods. Evidence of possible scale effects remark the importance of the boundary conditions applied in physical modelling. Series of one-way purely tensile and two-way axial cyclic loading tests were performed under load and displacement control. Local measurements made of the effective stress paths shows radial contraction of the sand mass in the vicinity of the pile. Increments in loading amplitude and imposed displacements accelerate cyclic degradation rates. A new interactive shaft stability chart was produced as a summary of axial cyclic loading tests for both jacked and driven piles in medium dense silica sand. Laboratory tests confirm findings from field tests where one-way low amplitude cycles lead to beneficial increases in tensile pile capacity of up to 20%. Complex mechanisms as grain breakage and local density changes at the pile's interface. The kinematics behind the installation of piles and its interaction with the surrounding soil is still limited. Understanding how granular material interacts with the pile may reveal important to understand the global pile response. The global observations of the pile behaviour from calibration chamber tests were modelled at a micro scale using Micro Computed Tomography at the Grenoble Laboratory 3SR. The experimental campaign included tests on a model calibration chamber devoted to the displacement field analyses during the installation of a model piles using three dimensional (3D) digital image correlation (DIC). Micromechanical analysis of « intact » post-mortem samples recovered at the pille's interface were also conducted for evidences of radial density gradient and grain breakage.

L'application d'un champ de forces externes à un milieu liquide contenant un ou plusieurs solutés permet d'agir sur sa composition en modifiant les conditions d'équilibre thermodynamique. En particulier surimposer un champ électrique aux transferts entre phases non miscibles conduit à rendre complètes l'extraction liquide liquide d'un soluté contenu dans une phase non polaire ou la dissolution d'un sel réputé insoluble. Le passage d'un courant électrique continu d'intensité. constante dans une solution électrolytique diluée, initialement homogène et au repos dans des conditions isothermes, provoque la migration des ions vers l'une et l'autre électrode. Il en résulte des variations locales de concentration qui modifient 1a composition de la solution. On s'intéresse plus particulièrement aux phénomènes qui apparaissent lorsqu'on applique le courant à une solution aqueuse d'acides (ou de bases) contenue dans un tube en U, éventuellement au contact au niveau de la cathode (ou de l'anode) avec une phase organique, non miscible et non conductrice, mais contenant un électrolyte présent dans l'eau. Par extension on étudie aussi les phénomènes qui accompagnent le passage d'un courant électrique dans un milieu liquide contenant un sel quasiment insoluble. L'évolution dans le temps du système s'explique à partir des lois générales gouvernant les phénomènes mis en jeu qui sont l'électromigration, la diffusion et les trarssferts interfaciaux. Ayant défi'1i les conditions initiales, on établit l'expression des flux de matière associés à ces phénomènes, puis, tenant compte des équilibres électrochimiques, on en déduit, par simple bilan, les équations donnant les variations sur les concentrations locales de chaque espèce. La résolution de ce système complexe d'équations aux dérivées partielles est réalisée sur ordinateur à l'aide d'une méthode pas à pas, généralisable à un mélange quelconque de solutés. On obtient ainsi le profil de concentration de chaque espèce le long de l'axe du tube, à tout instant.

On présente tout d’abord une série d’essais de cisaillement direct 2D monotones et cycliques sur l’interface sable de Fontainebleau-plaque rugueuse et lisse, `a contrainte normale constante (CNL) et à rigidité normale imposée (CNS). Le but de ces essais est de simuler la situation mécanique le long de pieux soumis à un grand nombre de cycles d’origine environnementale ou anthropique. Ces cycles (typiquement 10000) de faible amplitude (10`a 40 kPa en terme de contrainte de cisaillement) ne sont pas cens´es produire de rupture prématurée. Ces tests incluent une série de cycles d’amplitudes (successives) variées. Le problème de la perte de sable entre la boite et la plaque est trait´e avec attention. Nous avons interprété l’effet de la position du ”centre des cycles” dans le plan de contraintes (variables cycliques moyennes) et de la densité initiale. Plusieurs facteurs tels que l’indice initial de densité (ID0), la contrainte normale cyclique moyenne (_n cm0), le niveau initial moyen de contrainte de cisaillement (_cm0), l’amplitude cyclique réduite (__) et la rigidité normale imposée (k qui dans cette thèse, va de 1000 `a 5000 kPa/mm), influencent les déplacements relatifs cycliques moyens normal ([u]cm) et tangentiel [w]cm) et sont pris en considération.On observe soit de la dilatance, soit de la contractance en accord avec l’état caractéristique développé par Luong. L’influence du chemin de contrainte (CNL ou CNS) est également analysée. Un modèle phénoménologique et analytique de comportement d’interface sur chemins cycliques CNL est propos´e. C’est également le cas pour le comportement monotone sur chemins oedométrique et CNL, la variable de mémoire unique étant la densité d’interface (sous contrainte) ou le déplacement relatif normal. Cette formulation permet de traiter, par incréments analytiques finis, les chemins comportant une variation d’amplitude cyclique, et les chemins CNS, ce qui introduit la notion de nombre de cycles équivalent. On notera que les chemins CNS sont toujours contractants. Ces essais sont utilisés pour aborder la simulation par éléments finis, avec le logiciel Plaxis, selon une approche de pseudo-viscoplasticité, le nombre de cycles tenant lieu de temps fictif. L’essai de cisaillement monotone`a la boite est modélisé en densités faible et forte, ainsi que deux essais de pieux modèles centrifugés, l’un en traction, l’autre en compression. Des recommandations sont proposées pour le calcul courant des pieux sous sollicitations cycliques. Cette thèse a été soutenue par l’ANR SOLCYP et le programme national ” recherches sur le comportement des pieux soumis à des sollicitations cycliques”. / A series of monotonic and cyclic 2D direct shear tests on sand (Fontainebleau)-rough/smoothmaterial interfaces under constant normal load (CNL) and constant normal stiffness (CNS)conditions are presented. The aim of these tests is to simulate the situation along the shaftof piles subjected to a large number of cycles due to environmental or anthropic loadings.These cycles (typically 104) are of small amplitude (10, 20 and 40 kPa in terms of shearstress) as the service loads are not supposed to produce an early failure. These tests in-clude the series of changing the cyclic amplitude in succession. The problem of loss of sandbetween the box and the rough plate, typical phenomenon in this type of test, receives aspecial attention. It is interesting to observe, according to the initial density, the positionof the ”center of cycles” in the stress plane (mean cyclic variables). Several factors such asinitial density (ID0), initial normal stress (_n cm0), level of initial mean cyclic stress ratio(_cm0), reduced cyclic amplitude (__) and imposed normal stiffness (in this thesis, k =1000, 2000 and 5000 kPa/mm) that influence the intensity of mean cyclic normal ([u]cm)and shear ([w]cm) displacements are considered. Along CNL paths either dilation or con-traction is exhibited, in agreement with the characteristic state developed by Luong. Theinfluence of the stress path (under constant normal stress or prescribed normal stiffness)is also highlighted. It should be highlighted that CNS paths are ever contractive. Themodel of monotonic interface behaviour under CNL and oedometer paths is fully analyt-ical and based on the rate-type framework with the normal relative displacement or theinterface density as unique memory parameter. While the analytical formulations for iden-tification are first proposed to describe the interface behaviour under cyclic CNL condition,the variation of cyclic amplitude and CNS condition are modeled by applying the analyticalformulations for validation using finite analytical increments and introducing the notion ofequivalent number of cycles. For numerical simulations by the FEM (Plaxis) these tests areinterpreted and formulated according to a pseudo visco-plastic framework, the number ofcycles being a fictitious time. The direct shear tests and two centrifuge pile tests (pull-outand compression) are also modeled. Recommendations are proposed for the calculation ofreal usual piles under cyclic loading. This thesis is one part of the national French project”ANR and National Program SOLCYP” (Research on behaviour of piles subjected to cyclicloading).