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Doctorat en Sciences de l'ingénieur / Volume 1 :Essai sur une méthode effective de résolution des sytèmes hyperstatiques (TH-000021) ;Volume 2 :Essai sur le calcul des poutres Vierendeel (défense de la 1re proposition) (TH-000022) ;Volume 3 :Essai sur une coordination rationnelle des éléments de la théorie générale des systèmes hyperstatiques (défense de la 2e proposition) (TH-000023) ;Volume 4 :Essai sur le détermination des lignes élastiques (défense de la 3e proposition) (TH-000024) / info:eu-repo/semantics/nonPublished

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The present manuscript addresses the computational modeling of size effects in the plastic behavior of metals at small scales. It is experimentally observed that the mechanical properties of metals are strongly affected when at least one microstructural length scale is scaled down to the micro/nanometer range or when the size of the object stands in the micron or sub-micron range. In such cases from a continuum point of view, the role of plastic strain gradients is considerable in controlling hardening properties. Classical theories of plasticity cannot predict such behavior since they don’t take any intrinsic material length scale parameter into account. For such cases, strain gradient plasticity has been developed to represent size effects. This project focuses on using a phenomenological strain gradient plasticity model to represent some aspects of size effects in metals.To this end, the strain gradient viscoplastic formulation with isotropic material response, based on the formulation developed by Borg et al. (2006), was implemented. Moreover, the strain gradient crystal viscoplastic formulation, according to the development of Borg (2007b), was implemented in a finite strain 2D setting. An extension of the finite strain rate-independent isotropic formulation (Niordson and Redanz (2004)), initially implemented by Mazzoni-Leduc (2010), to plane stress was performed and exploited. As a first application of the research, the rate-independent strain gradient formulation was first used to model the material behavior of Transformation Induced Plasticity (TRIP) assisted multiphase steels. This is done by an extension of the model, developed in Mazzoni-Leduc (2010) for local phase transformation features, by applying a special averaging scheme incorporating experimentally observed transformation kinetics of the phase transformation. Results show that the model stands in a good qualitative agreement with the experiments. The model is shown to have potential for material properties optimization as a perspective. As a second application, the strain gradient viscoplasticity formulations, for both the isotropic implementation and for the crystal plasticity effects, are used to model the compression of Copper micro-pillars. Computationally, the confinement effect is modeled, and experimental data are used to validate the approach. Results show the necessity of considering orientation-dependency of the material. The experimental plastic confinement effect is captured in a qualitative manner. Extension of the model to 3D and studying the grain size effect on bi-modal polycrystals are among the future plan of the work. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Since recent years, pollution of surface and drinking waters by chemical pollutants fromanthropogenic activities, in particular micropollutants, has become an important environmentalissue in industrialized countries. Indeed the majority of these molecules are toxic toliving organisms, even present at very low concentrations (pg.L−1 to μg.L−1). Some of themare referred as endocrine disrupting compounds. The existing conventional wastewater treatmentsare most of the time not adapted for the removal of these compounds. Among them,advanced oxidative processes give the better removal efficiencies, but with drawbacks such ashigh energetic costs, or the formation of reaction products, sometimes more toxic than theparent compounds. A promising solution for water decontamination could be bioremediation.This work is based on this technology, via the study of the use of lignolytic enzymes, such aslaccases, for the removal of micropollutants. Degradation studies of a lot of micropollutants(bisphenol A, nonylphenol, triclosan, 17-_-estradiol, etc.) have already been investigatedwith different reactor configurations, using free (solubilized) or immobilized enzymes (biocatalysts).However, a decrease in the performance of some continuous long-term degradationprocesses has been highlighted, most of the cases because of biocatalysts deactivation. Oneof the reasons to explain this deactivation was identified as being induced by the deposit ofreaction products onto the surface of the biocatalysts.The general objective of this work was to investigate the degradation of bisphenol A(BPA) by laccases oxidation in different reactor configurations. Especially, the focus wasmade on the study of BPA degradation and reaction products kinetics, and reaction productscharacterization and identification. In the continuity, a second objective was related tothe optimization of a packed-bed reactor developed in our laboratory, through the developmentof a new biocatalyst, and assessment of biocatalyst deactivation.First, a deep literature review has been done in order to summarize the knowledge regardingsoluble and insoluble reaction products formation during laccase oxidation of a listof the most studied recalcitrant phenolic compounds, and their risk assessment. This reviewreported that the majority of reaction products were insoluble, and corresponded to smalloligomers associated by C-C or C-O bonds. In most of the cases, the assessment of theirstructure identification, and evaluation of their toxicity and/or estrogenic activity was missing.Secondly, a research for the selection of a new suitable support for laccase immobilizationhas been investigated. Celite R648 supports were selected for the immobilization of laccasesfrom Trametes versicolor, based on physical, catalytic and economic properties. Characterizationof the packed-bed reactor developed at the TIPs was performed with this support,through evaluation of pressure drop and residence time distributions. This new biocatalystwas selected as a tool for further studies regarding BPA degradation and reaction productsformation kinetics after laccase oxidation.The third part of this work consisted in the kinetic study of BPA degradation, and solubleand insoluble reaction products formation. For BPA degradation kinetic study, experimentaldata were obtained by LC/MS analyses for different initial conditions and reactor configurations.A mathematical model was build, based on a modified Briggs-Haldane model, in orderto identify the limiting step(s) occurring during laccase-catalyzed oxidation of BPA in batchreactor with free enzymes. This model was validated on experimental data, and highlightedthat the limiting step during BPA degradation was the formation of the enzyme-substratecomplex. For the kinetic study of insoluble reaction products, a protocol was developed enablingthe monitoring of these products over time, through their mass, in batch reactor withfree enzymes, and for seven different experimental conditions according to a Doehlert design.A mathematical model was build, expressed by a first-order kinetics, and fitted experimentaldate from 30 minutes of reaction. The modeling of short reaction times was achieved with theuse of the model build to characterize BPA degradation kinetics, with the assumption thatall the BPA degraded was converted into insoluble reaction products. Combination of resultsfrom these two kinetic studies highlighted that insoluble reaction products formation waslimited by BPA conversion, limited itself by the formation of the enzyme-substrate complex.The study of soluble reaction products kinetics was only experimental, and showed majorkinetics differences in batch reactor depending on the use of free enzymes or biocatalysts.Mass transfer limitations could occur in the case of immobilized enzymes.In parallel, experiments have been done in order to characterize and/or identify reactionproducts. DSC, GPC and FTIR analyses were performed for the characterization of insolublereaction products, and LC/MS(-MS) analyses for the characterization of soluble reactionproducts. Results highlighted that our products were in majority polymers, and that theircomposition was varying depending on initial BPA concentration and reaction time.All the information gathered in this work were used and exploited in order to characterizebiocatalysts deactivation, and to propose solutions to optimize the packed-bed reactor andrecover biocatalysts activity. In parallel, we have developed a tool to monitor biocatalystsdeactivation, with the purpose of increasing the degradation performance of the reactor. / Depuis plusieurs années, la pollution des eaux potable et de surface par des polluants chimiquesprovenant d’activités anthropogéniques, en particulier les micropolluants, est devenueune problématique environnementale importante dans les pays industrialisés. En effet, la majoritéde ces substances sont toxiques pour les organismes vivants, même présentes en trèsfaibles concentrations (de l’ordre du pg.L−1 au μg.L−1). Un grand nombre de ces substancessont considérées comme des perturbateurs endocriniens. Les techniques conventionnelles actuellesde traitement des eaux usées ne sont la plupart du temps pas adaptées à l’abattementde ces substances. Parmi ces techniques, les procédés d’oxydation avancée sont ceux quidonnent les meilleurs rendements d’abattement. Cependant, ils présentent certains inconvénients,incluant des coûts énergétiques importants, et la formation de produits de réactionparfois plus toxiques que les molécules de départ. La bioremédiation pourrait constituer unesolution prometteuse. Ce travail est basé sur cette idée, au travers de l’étude de l’utilisationd’enzymes lignolytiques, comme les laccases, pour la dégradation des micropolluants. Desétudes sur la dégradation de nombreux micropolluants (bisphénol A, nonylphénol, triclosan,17-_-estradiol, etc.) ont déjà été menées pour différentes configurations de réacteurs, avecl’usage d’enzymes libres (solubilisées) ou immobilisées (biocatalyseurs). Cependant, à longterme, une diminution des performances de dégradation lors de certains procédés continusa été mise en évidence, la plupart du temps à cause d’une désactivation des biocatalyseurs.Une raison possible pouvant expliquer cette désactivation réside dans le dépôt de produits deréaction sur la surface des biocatalyseurs.L’objectif général de ce travail a été d’étudier la dégradation d’un micropolluant, le bisphénolA (BPA), via oxydation par les laccases, dans différentes configurations de réacteurs.Plus précisément, nous nous sommes intéressés à l’étude des cinétiques de dégradation dubisphénol A et de formation de ses produits de réaction, ainsi que leur caractérisation etindentification. Dans la continuité, un second objectif a consisté en l’étude de l’optimisationd’un réacteur à lit fixe développé dans notre laboratoire, au travers du développement d’unnouveau biocatalyseur, et l’évaluation de la désactivation enzymatique de ces biocatalyseurs.Premièrement, une revue détaillée de la littérature a été effectuée dans le but de résumerles connaissances acquises à propos de la formation des produits de réaction solubles etinsolubles après oxydation par les laccases des composés phénoliques récalcitrants les plusétudiés actuellement, et l’évaluation de leur toxicité. Cette revue a mis en évidence que lamajorité des produits de réaction sont insolubles, et correspondent à de petits oligomères dontles unités constitutives sont associées via des liaisons C-C ou C-O. Dans la plupart des cas,l’identification de leur structure, et l’évaluation de leur toxicité et/ou activité oestrogéniqueest manquante.Dans un second temps, une étude pour la sélection d’un nouveau support pour l’immobilisationde laccases a été menée. Le support Celite R648 a été sélectionné pour l’immobilisationde laccases de Trametes versicolor, sur bases de propriétés physico-chimiques, catalytiques etéconomiques. La caractérisation du réacteur à lit fixe a été réalisée avec ce support, au traversde l’évaluation des pertes de charges et des distributions de temps de séjour. Le nouveaubiocatalyseur développé a finalement été sélectionné comme outil pour l’étude des cinétiquesde dégradation du BPA, et de formation des produits de réaction, après oxydation par leslaccases.La troisième partie de ce travail a consisté en les études cinétiques de la dégradation du BPA, et de la formation des produits solubles et insolubles de réaction. Pour l’étude de la cinétiquede dégradation du BPA, des données expérimentales ont été obtenues via des analysesde LC/MS, pour différentes conditions expérimentales et pour différentes configurations deréacteurs. Un modèle mathématique a été construit, basé sur un modèle de Briggs-Haldanemodifié, dans le but d’identifier la(les) étape(s) limitante(s) se produisant durant l’oxydationdu BPA par les laccases, en réacteur batch et avec enzymes libres. Ce modèle a été validésur les données expérimentales, mettant en évidence que l’étape limitante dans la réactionde dégradation du BPA était la formation du complexe enzyme-substrat. Pour l’étude de lacinétique de formation des produits de réaction insolubles, un protocole a été développé pourle suivi de ces produits au cours du temps, au travers de leur masse, en réacteur batch etavec enzymes libres, dans sept conditions expérimentales différentes, selon le schéma d’undesign expérimental de Doehlert. Un modèle mathématique a été construit, exprimé commeune cinétique de premier ordre, et a été validé sur les données expérimentales à partir de 30minutes de réaction. La modélisation sur des temps de réactions inférieurs à 30 minutes a étéobtenue en utilisant le modèle construit pour la cinétique de dégradation du BPA, en supposantque tout le BPA dégradé était directement converti en produits de réaction insolubles.L’étude combinée des résultats obtenus a mis en évidence que la formation des produits deréaction insolubles était limitée par la dégradation du BPA, elle-même limitée par la formationdu complexe enzyme-substrat. L’étude cinétique de la formation de produits solubles deréaction a uniquement été expérimentale, et a permis de mettre en évidence des différencesmajeures dans les cinétiques de formation en réacteur batch, selon l’usage d’enzymes libresou de biocatalyseurs.En parallèle, des expériences ont été réalisées dans le but de caractériser et/ou d’identifierles produits de réaction. Des expériences de DSC, GPC et FTIR ont été faites pour la caractérisationdes produits insolubles de réaction, et des expériences de LC/MS(-MS) ont étéréalisées pour la caractérisation des produits solubles de réaction. Les résultats ont permisde mettre en évidence que les produits obtenus sont en majorité des petits oligomères, etque leurs compositions varient en fonction de la concentration initiale en BPA et le temps deréaction.Les informations récoltées dans ce travail ont été utilisées et exploitées pour tenter decaractériser la désactivation des biocatalyseurs, et de proposer des solutions pour optimiserle réacteur à lit fixe et récupérer l’activité initiale des biocatalyseurs. En parallèle, nousavons également développé une méthode pour détecter et suivre la désactivation, dans le butd’améliorer les performances de dégradation du réacteur. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Dans le but de comprendre les effets de l’infiltration et de l’évaporation sur la stabilité des pentes en conditions non saturées, des outils expérimentaux et de modélisation ont été développés puis appliqués au site de glissement de Gasekebuye au Burundi. La méthodologie adoptée pour arriver à cet objectif se base sur l’approche du problème de la stabilité des pentes comme une question de la résistance au cisaillement des sols. La résistance au cisaillement des sols dépendant de la distribution des pressions de pores dans le massif, il est alors important de comprendre comment l’infiltration et l’évaporation de l’eau dans les sols affectent ces pressions de pores.D’abord, un modèle de résistance au cisaillement en conditions non-saturées est formulé. Ainsi, une technique d’essais triaxiaux à succion contrôlée par translation d’axes est développée. Cette technique est très précise, mais elle ne permet pas d’imposer de grandes valeurs de succion. Ainsi, deux autres techniques sont utilisées pour atteindre de grandes valeurs de succion :les essais triaxiaux après compactage et les essais triaxiaux après séchage des échantillons de sol via des solutions salines. Les résultats obtenus ont permis de formuler un modèle de résistance au cisaillement valable pour une grande gamme de succion et basé sur la définition d’une contrainte effective appropriée.Ensuite, un modèle d’évaporation est formulé. Un tel modèle nécessite de réaliser des essais de séchage dans des conditions atmosphériques bien contrôlées. Ainsi, un dispositif de séchage des échantillons de sol où l’humidité relative est contrôlée via les solutions salines saturées a été développé et testé. La question des dimensions de l’échantillon à tester pour que les mécanismes d’évaporation observés au laboratoire soient similaires à ceux observés sur le terrain a été investiguée. Ainsi, l’analyse des mécanismes d’évaporation a permis de proposer des dimensions optimales des échantillons à tester qui permettraient de s’affranchir des effets de bord observés sur des échantillons de très petites tailles. Ces échantillons sont alors séchés via le dispositif développé pour étudier l’influence de l’humidité relative sur l’évaporation. D’autres essais sont réalisés dans un autre dispositif de séchage avec convection de l’air où cette fois ci la vitesse de l’air est contrôlée. Les résultats des essais obtenus à différentes humidités relatives et ceux réalisés à différentes vitesses de l’air ont permis de formuler un modèle d’évaporation basée sur la théorie de l’écoulement des gaz sur des plaques planes.Enfin, les mécanismes d’infiltration, de ruissellement et d’évaporation sont modélisés. Pour cela, un modèle représentatif du massif du site de glissement de Gasekebuye (une colonne de sol 1D) est développé. Il tient compte des informations géologiques du site de Gasekebuye à notre disposition. Les conditions atmosphériques de Bujumbura sont imposées à la surface de la colonne de sol via des conditions aux limites adéquates ce qui a permis d’obtenir des distributions des pressions de pores à différents temps de l’année. Les distributions des pressions de pores obtenues sont validées par une donnée du terrain. La méthode des pentes infinies a été adaptée pour tenir compte de la non-saturation des sols en y introduisant le modèle de résistance au cisaillement en conditions partiellement saturées formulé dans ce travail, ce qui a permis de déterminer les coefficients de sécurité au glissement de terrain à différentes périodes de l’année. Les résultats montrent que la rupture peut se dérouler en conditions saturées sous l’hypothèse d’un profil de perméabilité adéquat à proximité de la surface, ou en conditions non-saturées si des hétérogénéités locales de cohésion ou d’angle de frottement interne sont présentes, ce qui est probable au vue de la forte érosion sur ce site. / In order to understand the impact of infiltration and evaporation on the stability of soil slope in unsaturated conditions, experimental and modeling tools have been developed and applied to a landslide site located at Gasekebuye in Burundi. The methodology adopted to achieve this goal is based on the understanding of the slope stability issue as a problem of soil shear strength. As soil shear strength depends on the distribution of pore water pressures in the ground, it is important to investigate how infiltration and evaporation of water in soils affect these pore water pressures.First an unified model of shear strength under unsaturated conditions is formulated. Thus a technique of triaxial tests where suction is controlled by translation axis method is developed. This technique is accurate, but does not allow to impose large suction values. So, two other techniques are used to impose high suction values: triaxial tests at fixed water content after soil compaction and after drying controlled by the saline solutions technique. The results allow us formulating an unified shear resistance model for a large suction range and based on the concept of effective stress.Then an evaporation model is formulated. Such a model requires performing drying tests under well controlled atmospheric conditions. Thus a set-up for the drying of the soil samples where the relative humidity is controlled with saturated saline solutions has been developed and tested. The impact of the dimensions of the sample on the kinetics and the mechanisms of evaporation is investigated. The analysis of the evaporation mechanisms allows us to propose optimal dimensions of tested samples in order to reproduce in the lab the same drying mechanisms as observed in the field. These samples are then dried to study the influence of the air relative humidity on the evaporation kinetics. Other tests are also performed in a convective dryer where the air velocity is controlled. The results at different relative humidities and different air velocities are used to formulate an evaporation model depending on climatic conditions and based on the theory of gas flow on flat plates.Finally, infiltration, runoff and evaporation mechanisms at the vicinity of the slope stability problem in Gasekebuye are modeled. A representative model of the Gasekebuye ground (a 1D soil column) is developed. It takes into account the geological information of the Gasekebuye site. The atmospheric conditions of Bujumbura are imposed at the ground surface using appropriate boundary conditions. Distributions of pore water pressures are obtained at different periods and validated by field data. The infinite slope method to analyse slope stablity was adapted to take into account the unsaturated conditions of soil. So the unsaturatd shear strength model formulated in this work is introduced in the infinite slope method. The safety factor of lanslide at different times of the year is deduced. The results show that the rupture can take place under saturated conditions if suitable permeability profile near the surface is considered, or under unsaturated conditions if local heterogeneities of cohesion or internal friction angle exist, which is probably possible on the Gasekebuye site because of the large erosion of the soil. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / info:eu-repo/semantics/nonPublished

How to communicate ?Human beings use the voice or gestures to give shape to their ideas. In digital communications, a modulation scheme is used to give shape to bits of information, i.e. to convert zeros and ones into an analog waveform. The question of an ideal modulation scheme is discussed in this thesis and we study the one that seems the most promising to us. The orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) modulation is the most popular multicarrier modulation scheme nowadays. The main advantage of OFDM is its simplicity. However, due to the rectangular pulse shaping of the Fast Fourier transform filters, OFDM systems exhibit very high frequency leakage and poor stopband attenuation. In the light of these limitations, the offset-QAM-based filterbank multicarrier (FBMC-OQAM) modulation has recently received increasing attention. Rather than using a rectangular pulse, FBMC-OQAM uses a pulse shape which is more spread out in time, which results in a much better frequency localization. This in turn translates into higher spectral efficiency and much more flexibility for spectrum allocation. The main objective of this thesis is to investigate the applicability of the FBMC-OQAM modulation for next generations of communication systems. More specifically, we focus on two main directions. The first direction studies advanced equalization algorithms for multiple-antenna wireless systems characterized by highly frequency and/or time selective channels. The second direction studies two main linear impairments in optical fiber systems, namely, phase noise and chromatic dispersion. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / info:eu-repo/semantics/nonPublished

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Paper sheets reveal pronounced changes in shape and dimensions upon exposure to variations in moisture, which comprises digital printing operations. These are observed in the form of curls, waviness and buckling at the sheet-scale of paper. In digital printing, this undesired behavior is due to the fact that the moisture is rapidly absorbed in paper and thereafter evaporated within a short period of time. These dimensional changes originate from the single fibre level, which affects the fibre network through the inter-fibre bonds (regions where the fibres overlap). At these bonds, an interaction of the hygroscopic and mechanical response of the fibres occurs, entailing micro-stresses and associated sheet-scale deformations. In order to understand this macro-scale behavior of paper, it is essential to study the complex fibrous network at the micro-scale.In Chapter 2, a level-set based XFEM approach is used to model the hygro-elastic response of complex fibrous networks in a two dimensional framework. The fibres are assumed to be completely bonded in the inter-fibre bonds. The fibre edges are described by the zero level-set of a higher dimensional function. The level-set method coupled with X-FEM captures the geometrical description of the fibres adequately with a lower system size, since the discretization is decoupled from the geometry. Therefore, LS-XFEM formalism is shown to be successful in modeling the hygo-mechanical response of complex networks of fibres. During the manufacturing process of paper, when the pulp is dried under restraint, internal stresses/strains are developed as explained by the fibre segment activation mechanism. Upon exposure to a moisture cycle (e.g. during printing), these strains are released at the fibre level which induces permanent deformations at the macro-scale accompanied by dimensional instabilities. To capture such phenomena, a rate-independent kinematic hardening plasticity model is developed for the individual fibres in Chapter 3. The results obtained from the numerical network simulations using this model illustrate the influence of microstructural properties of the network (e.g. the fraction of free-standing fibres versus bonded fibres) on the macroscopic irreversible strains. In addition to printing, the moisture infiltration in paper occurs also via the environment. Under sustained loading over a period of time, creep takes place in paper networks. These macroscopic deformations observable in paper networks over time are of great interest due to the lack of a suitable model that explains this behavior. Furthermore, this intrinsic time-dependence is of significant importance for the service conditions of paper packaging products. In order to understand the effects of time scales on the dimensional alterations in paper, a rate-dependent plasticity model based on a power law is adopted in Chapter 4. The model parameters are identified from experimental results performed on single paper fibres (citet*{Jentzen} and citet*{Sedlachek}). Thereafter, network simulations are performed, which demonstrate the time dependence at the sheet level. In order to understand the role of the degree of bonding between the fibres in bonded regions on the sheet-scale response of the network, the assumption in Chapters 2, 3 and 4 of a full kinematic constraint between fibres at the bonds is partially relaxed in Chapter 5. In the relaxed bond model, the fibres in bonds can have independent displacements, whereby the displacement difference is governed by interfacial stiffness. This is modeled numerically by embedded interfacial elements that connect the fibres in the bonded regions of network. The computational results reveal the influence of the kinematic constraints in the bonds at the sheet-level behavior of the network in addition to the anisotropic response of the network. With the research undertaken in this thesis, it has been made possible to capture the complex geometry of paper networks adequately, enabling the prediction of their hygro-expansive response. A clear understanding has been achieved on the role of various network parameters in determining the hygro-mechanical behavior of paper. The developed numerical models allowed to gain insight into the hygro-mechanical response of paper fibres and can be further developed to model macro-level properties of paper. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / info:eu-repo/semantics/nonPublished