Les écrans de filets pare-blocs sont des structures complexes hétérogènes formés d'un filet métallique maintenu par des câbles, des poteaux et des haubans munis de dissipateurs d'énergie. Le filet intercepte la trajectoire du bloc rocheux et résiste à sa perforation en dissipant l'énergie cinétique de l'impact dans les différents éléments de la structure. Le problème de modélisation posé par ces structures met en jeu de nombreuses non-linéarités tant matérielles que géométriques : l'impact dynamique rapide, les grandes déformations du filet et des câbles, les glissements et les frottements (dans le filet, du filet sur les câbles ou des câbles sur les supports), la plastification du filet ou des éléments dissipateurs, ainsi qu'un très grand nombre de paramètres géométriques ou technologiques (type de filet, type de dissipateur, type d'architecture de kit).Les travaux de doctorat présentés ici proposent deux nouvelles approches pour la modélisation numérique de deux principaux éléments du comportement des écrans de filets pare-blocs : les propriétés élastiques intrinsèques des filets et l'effet rideau, c'est-à-dire le glissement du filet sur les câbles de rives. Sur le premier point, il est à noter que les recherches qui ont été consacrées jusqu'à présent à l'étude du filet se concentrent pour l'essentiel sur des typologies particulières. Dans ce travail, les propriétés intrinsèques des différentes technologies de filets sont déterminées à l'aide de la méthode d'homogénéisation des milieux périodiques discrets dans laquelle chaque filet est remplacé par une membrane homogène. Une comparaison des comportements non-linéaires des principales technologies de filets est effectuée et met en évidence des différences remarquables dans la distribution des efforts aux bords de chaque filet et les caractéristiques des déformations. Concernant le deuxième point, plusieurs études ont montré l'importance de la modélisation des câbles glissants pour reproduire le comportement réel de la structure. Dans la deuxième partie de la thèse, l'effet rideau est modélisé. Un modèle analytique de câble glissant à « n » nœuds est développé. Ensuite, ce modèle est implémenté dans un algorithme numérique mettant en œuvre une utilisation avancée du logiciel de calcul par éléments finis code-aster en statique et en dynamique. Cet algorithme est validé par des calculs analytiques et les limites de la méthode utilisée sont exposées. Enfin, des tests numériques sont conduits sur des modèles de filets en tenant compte de l'effet rideau pour évaluer l'influence du modèle développé sur les résultats. Des remarques, observations et conseils sont déduits afin d'aboutir à un outil numérique d'aide à la conception des écrans de filets pare-blocs / Soft rockfall barriers are complex structures that generally consist of a metallic net supported by steel posts and cables with brake elements. Several experimental and numerical studies have been carried out to evaluate their behaviour and a technical agreement in EU was recently established to certify these barriers based on experimental tests. Actually, manufacturers develop rockfall kits with their own technical specificities. The objective of the present work is to determine the intrinsic properties of most common nets technologies and to investigate their influence on the overall mechanical behaviour of the structure. To this end, a comprehensive comparison between the local behaviours of the different nets is first presented using equivalent homogeneous membranes. Results derived for square nets under static concentrated loading illustrate the influence of the manufacturing technology on the deflection and stresses distribution. Then, a numerical and analytical model for the so-called “curtain effect” is developed and validated. It is focused on the capacity of the proposed methodology to study and evaluate the response of the whole barrier

Composite IsoTruss™ structures incorporate intersecting longitudinal and helical members. At the intersections, the fiber tows can be interwoven to achieve mechanical interlocking for increased joint integrity. Interlocking introduces gaps and curvilinear fiber paths similar to the crossovers in filament-wound structures, potentially facilitating local delamination within the members, thus reducing the strength and/or damage tolerance of the structure. Optimizing the interlocking pattern at the joints along with efficient consolidation minimizes these effects. Joint specimens were fabricated using a specially designed machine. Specific tow intersection patterns at the joint were: 1) Completely encapsulating the longitudinal member with the tows of the helical member; and 2) Interweaving the tows of the helical member with the tows of the longitudinal member. Consolidation was accomplished using: 1) a braided sleeve; 2) a coiled sleeve; 3) a sparse spiral Kevlar® wrap; 4) a polyester shrink tape sleeve; 5) twisting the entire bundle of longitudinal fiber tows; and 6) cinching the joints using aramid fiber. Ultimate compression strength and stiffness is directly related to the straightness of the tows in the longitudinal members at the intersections. An encapsulated joint reduces member strength by only 4.6%; whereas, an interwoven joint reduces member strength by 30.5%. The fiber paths of the longitudinal member in encapsulated joints are straighter than in interwoven joints, resulting in an average strength difference of 26.2%. Physical properties, strength, and stiffness show that consolidation quality directly affects performance. Consolidation using sleeves provides high quality consolidation, high strength, and high stiffness. Encapsulated joints consolidated using sleeves have an average ultimate strength and Young's modulus 34% and 21% higher, respectively, than encapsulated joints consolidated using other methods. Interwoven joints consolidated using sleeves have an average ultimate strength and Young's modulus 28% and 19% higher, respectively, than interwoven joints consolidated using other methods. Consolidating specimens using a braided sleeve yields the highest quality based on consistency, strength, and stiffness. Consolidating specimens by twisting the longitudinal member yields the lowest strength and stiffness. These conclusions will be applied to IsoTrussâ„¢ grid structure design and manufacturing technology.

Experimental investigations of structurally-dictated surface waves supported by periodically textured metallic substrates with different symmetries, are the primary focus of the work presented in this thesis. The electromagnetic response of three near perfectly conducting substrates perforated with arrays of holes with different geometries,together with a low-profile high-impedance structure are characterised. Experimental measurement techniques are employed to record the transmission, and reflection from the structures under investigation, together with phase-resolved measurements to directly obtain the dispersion of the surface waves supported by these structures. From these measurements information about the nature of the surface modes supported by the structures under investigation can be observed. A study of diffractively coupled surface waves supported by a close-packed array of square cross-section, close-ended holes in the limit where the wavelength of incident radiation and periodicity of the hole array are comparable, is presented. An additional grating, which has a periodicity comparable to the hole array is used to control the strength of diffractive coupling to the mode. Using a free-space measurement technique,information about the dispersion of the modes supported by the structure is obtained by recording the azimuthal-dependent reflection from the structure. It is found that the relative positions of the hole array and `coupling-in' grating is significant, a key issue not addressed in the literature when investigating grating-coupling to surface modes. Good agreement with numerical predictions is demonstrated. Structurally-dictated surface waves on a metallic substrate pierced by a close-packed array of deep, rectangular holes is characterised. In this arrangement, the fundamental resonance in the holes in the orthogonal directions is different and the frequency therefore to which the dispersion of the surface waves supported by the structure is limited, varies with sample orientation. The anisotropic dispersion, resulting from an ellipsoid of limiting frequencies, is directly mapped using a phase-resolved measurement technique. Furthermore by exploiting the anisotropy of the unit cell, a family of higher order surface waves associated with the quantisation of the electromagnetic fields within the holes is explored in this chapter. Once again good agreement with numerical predictions is shown.The `enhanced transmission' recorded through a `zigzag' hole array, attributed to the excitation of diffractively coupled surface waves, is explored. Due to the specific symmetry of the unit cell of the zigzag hole array it is shown that coupling to these surface waves can be achieved with both transverse magnetic and transverse electric polarised incident radiation. Further, incident radiation can directly couple to the surface modes supported by the zigzag hole array, via scattering from its inherent in-plane periodicity. The observed polarisation-selective excitation of individual surface wave bands, agrees well with numerical predictions and is shown to be a direct consequence of the reduced symmetry of the system. Finally, the dispersion of the modes supported by an ultra-thin, high-impedance surface in the form of a Sievenpiper `mushroom' structure, with rectangular geometry is directly recorded. The behaviour of the Sievenpiper structure is rather complex and to aid understanding of the electromagnetic response of the structure, the results are compared with the modes supported by a simpler patch array structure. The anisotropy arising from the rectangular geometry is characterised and an in depth discussion of the origin of the modes presented.

The calculation of a consolidation settlement is an important problem encountered in the foundation of buildings. Due to need for simplicity engineers are mainly using the one dimensional theory of Terzaghi for calculations of consolidation settlements with time. Consolidation tests are still performed in most laboratories with the traditional oedometer cell. Although the results of the oedometer can provide relatively reliable results, they are not equally effective for the calculation of the rate of consolidation. This primarily because of the inability of the oedometer cell to obtain full saturation of the sample. To ensure full saturation, back pressure must be applied which is not possible for conventional oedometer cell. The alternative use of the triaxial cell to examine the consolidation behavior of soils is discussed here.

La mise en oeuvre de systèmes de détection de défauts à même les structures ou infrastructures en génie est le sujet d’étude du Structural Health Monitoring (SHM). Le SHM est une solution efficace à la réduction des coûts associés à la maintenance de structures. Une stratégie prometteuse parmi les technologies émergentes en SHM est fondée sur l’utilisation d’ondes ultrasonores guidées. Ces méthodes sont basées sur le fait que les structures minces agissent comme guides d’ondes pour les ondes ultrasonores. Puisque les structures aéronautiques sont majoritairement minces, les ondes guidées constituent une stratégie pertinente afin d’inspecter de grandes surfaces. Toutefois, les assemblages aéronautiques sont constitués de plusieurs éléments modifiant et compliquant la propagation des ondes guidées dans celles-ci. En effet, la présence de rivets, de raidisseurs, de joints ainsi que la variation de la nature des matériaux utilisés complexifie la propagation des ondes guidées. Pour envisager la mise en oeuvre de systèmes de détection basés sur les ondes guidées, une compréhension des interactions intervenant dans ces diverses structures est nécessaire. Un tel travail entre dans le cadre du projet de collaboration CRIAQ DPHM 501 dont l’objectif principal est de développer une banque de connaissances quant à la propagation d’ondes guidées dans les structures aéronautiques. Le travail de ce mémoire présente d’abord les résultats d’études paramétriques numériques obtenus dans le cadre de ce projet CRIAQ. Puis, afin de faciliter la caractérisation expérimentale de la propagation des ondes guidées, une seconde partie du travail a porté sur le développement d’un absorbant d’ondes guidées. Cet absorbant permet également d’envisager l’extension des régions observables par les systèmes SHM. Ce deuxième volet contribue donc également au projet CRIAQ par l’atténuation de réflexions non désirées dans l’étude menée sur les maintes structures aéronautiques nourrissant la banque de connaissances. La première partie de ce mémoire relève l’état des connaissances de la littérature sur la propagation d’ondes guidées dans les structures aéronautiques. La deuxième partie présente rapidement le formalisme derrière les ondes de Lamb ainsi que les différentes approches analytiques pour caractériser les interactions entre ondes guidées et discontinuités. Par la suite, les outils utilisés pour effectuer les simulations par éléments finis sont présentés et validés par le biais d’une phase expérimentale. La deuxième partie se termine avec la présentation des différentes structures et discontinuités étudiées dans le cadre du projet CRIAQ. Finalement, la troisième et dernière partie de ce mémoire présente les travaux numériques orientés vers la conception d’un absorbant idéal pour ondes guidées. Afin d’y parvenir, une étude paramétrique quant à la forme, les dimensions et les propriétés mécaniques de l’absorbant est entreprise. Enfin, une étude expérimentale permettant de valider les résultats numériques est présentée.

The simulation of diffractive optical structures allows for the efficient testing of a large number of structures without having to actually fabricate these devices. Various forms of analysis of these structures have been done through computer programs in the past. However, programs that can actually design a structure to perform a given task are very limited in scope. Optimization of a structure can be a task that is very processor time intensive, particularly if the optimization space has many dimensions. This thesis describes the creation of a computer program that is able to find an optimal structure while maintaining a low-dimensional search space, thus greatly reducing the processor time required to find the solution. The program can design the optimal structure for a wide variety of planar optical devices that conform to the weakly-guiding approximation with an efficient code that incorporates the low-dimensional search space concept. This work is the first use of an electromagnetic field solver inside of an optimization loop for the design of an optimized diffractive-optic structure.

published_or_final_version / Civil and Structural Engineering / Doctoral / Doctor of Philosophy

published_or_final_version / Computer Science / Doctoral / Doctor of Philosophy

published_or_final_version / Computer Science / Master / Master of Philosophy

published_or_final_version / abstract / Computer Science / Doctoral / Doctor of Philosophy