This thesis is an eutopian project: it examines what is with a sense of what should be to see what must be done. The project is a rerouting of Interstate 581 in Roanoke, Virginia through a reinforced concrete tunnel from the Orange Avenue exit to the Elm Avenue exit with towers placed at intervals along the tunnel to provide light. A reinforced concrete pedestrian bridge links the towers and provides a path from downtown Roanoke to the Civic Center. / Master of Architecture

Morphing aircraft combine both radical and subtle wing shape changes to improve vehicle performance relative to a rigid airframe. An aircraft wind tunnel model with considerable wing-shape freedom can serve as a tool in learning to model, control, and fully exploit the potential of such vehicles. This work describes the design, development, and initial analysis of a wind tunnel model that combines large and small wing shape variations for fundamental research in modeling and control of morphing air vehicles. The vehicle is designed for five primary purposes: quasi-steady aerodynamic modeling of an aircraft with large planform changes, optimization studies in achieving efficient flight configurations, transient aerodynamic modeling of high-rate planform changes, evaluating planform maneuvering as an control effector, and gimbaled flight control simulation of a morphing aircraft. The knowledge gained from the wind tunnel evaluations will be used to develop general stabilization and optimal control strategies that can be applied to other vehicles with large scale planform changes and morphing flight models. After a brief background on the development of the Morphing Aircraft Program, and previous research ventures, the first phase vehicle development is described. The vehicle function, subsystems, and control are all presented in addition to the results of first phase wind tunnel testing. Deficiencies in the phase one design motivated the phase two development which has led to the current vehicle model: MORPHEUS. The evolution towards the MORPHEUS configuration is presented in detail along with an elementary strength analysis. The new embedded control implementation to permit a rate controllable planform is included. A preliminary aerodynamic analysis is presented to contrast MORPHEUS against the phase one design and an industry morphing concept. In particular, it is shown how the redesigned model has enhanced performance characteristics and the additional degrees of freedom enable greater flexibility in optimizing a configuration, especially with respect to trim characteristics. An expansion of traditional analysis techniques is applied to derive a new optimal twist algorithm for the MORPHEUS model at each planform configuration. The analysis concludes with a hybrid continuous modeling method that combines first-order computational aerodynamic modeling with classic stability expressions and DATCOM enhancements. The elementary aerodynamic coefficients are computed over the range of possible planform configurations and combined with the optimal twist results for preliminary trim analysis. This work precedes phase two wind tunnel testing and transient modeling. Future work involves expansion into the five purposes detailed for the MORPHEUS model. / Master of Science

Yes / Tunnel maintenance requires complex decision making, which involves pathology diagnosis and risk assessment, to ensure full safety while optimising maintenance and repair costs. A Decision Support System (DSS) can play a key role in this process by supporting the decision makers in identifying pathologies based on disorders present in various tunnel portions and contextual factors affecting a tunnel. Another key aspect is to identify which spatial stretches within a tunnel contain pathologies of similar kinds within neighbouring tunnel segments. This paper presents PADTUN, a novel intelligent decision support system that assists with pathology diagnosis and assessment of tunnels with respect to their disorders and diagnosis influencing factors. It utilises semantic web technologies for knowledge capture, representation, and reasoning. The core of PADTUN is a family of ontologies which represent the main concepts and relations associated with pathology assessment, and capture the decision process concerning tunnel maintenance. Tunnel inspection data is linked to these ontologies to take advantage of inference capabilities offered by semantic technologies. In addition, an intelligent mechanism is presented which exploits abstraction and inference capabilities. Thus PADTUN provides the world’s first semantically based intelligent DSS for tunnel maintenance. PADTUN was developed by an interdisciplinary team of tunnel experts and knowledge engineers in real-world settings offered by the NeTTUN EU Project. An evaluation of the PADTUN system is performed using real-world tunnel data and diagnosis tasks. We show how the use of semantic technologies allows addressing the complex issues of tunnel pathology inferencing, aiding in, and matching transportation experts’ expectations of decision support. The methodology is applicable to any linear transport structures, offering intelligent ways to aid with complex decision processes related to diagnosis and maintenance. / This work was part of the NeTTUN project, funded by the EC 7th Framework under Grant Agreement 280712.

Le travail décrit dans cette thèse concerne l'utilisation des techniques de science des surfaces pour étudier certaines étapes liées à l'hydrogénation énantiosélective des cétones et des α-cétoesters en présence de modificateurs de surface. Les modificateurs sont des molécules chirales qui effectuent le transfert de chiralité en formant des complexes de surface avec des substrats. L'objectif global est de fournir des informations sur les interactions dans les complexes de transfert de chiralité. Pour atteindre cet objectif, nous avons combiné des mesures de spectroscopie infrarouge par absorption-réflexion (RAIRS) et des mesures de microscopie à effet tunnel (STM) avec des calculs de théorie fonctionnelle de la densité (DFT) effectués par un groupe collaborateur. La grande majorité des réactions sur les surfaces de catalyseurs solides se produisent dans une séquence d'étapes impliquant l'adsorption des réactifs, la diffusion sur la surface, la collision, la réaction, suivie de la désorption du produit. Un point fascinant de l'étude de la catalyse énantiosélective hétérogène réside dans la description de la collision conduisant aux interactions intermoléculaires dans les complexes de transfert de chiralité. La réaction d'hydrogénation énantiosélective peut être accélérée par l'activation des liaisons provoquée à la fois par la chimisorption et l'interaction intermoléculaire. La spectroscopie vibrationnelle peut, en principe, fournir des informations sur la chimisorption et les interactions intermoléculaires conduisant à une accélération de la vitesse de réaction et également fournir des signatures d'activation de liaison. Il est cependant extrêmement difficile de faire des mesures spectroscopiques définitives de l'activation des liaisons dans des structures intermoléculaires spécifiques. La principale raison de cette difficulté extrême est que la spectroscopie infrarouge d'absorption-réflexion donne des informations d'ensemble. C'est-à-dire que la mesure IR typique donne un spectre d'au moins 10¹¹ molécules par cm² de surface. De telles informations ne peuvent pas facilement être utilisées pour définir une configuration d'interaction spécifique dans un complexe spécifique. Cette thèse décrit un exemple où l'activation d'une liaison carbonyle est liée à la structure majeure de complexation formée par un α-cétoester et une amine chirale sur Pt(111). Comme informations de base nécessaires, la thèse décrit également des études définitives des géométries d'adsorption des modificateurs chiraux ainsi que des substrats. Les structures auto-assemblées formées par un alcool chiral sur Pt(111) sont décrites en détail. En outre, la thèse décrit des travaux préliminaires sur l'utilisation de carbènes hétérocycliques pour ajouter des informations moléculaires à la surface du Pt. / The work focuses on using surface science techniques to study steps related to the hydrogenation of ketones and α-ketoesters in the presence of surface modifiers. The modifiers are chiral molecules that effect chirality transfer through the formation of surface complexes with the ketone. The overall objective was to provide insight on the enantioselective hydrogenation of ketones and α-ketoesters on Pt. To achieve those goals, we utilized the method of combining the results of under an ultra-high vacuum environment, with supporting sub-molecularly resolved scanning tunneling microscopy (STM) measurements and density functional theory (DFT) calculations performed by a collaborating group. The vast majority of reactions on solid catalyst surfaces are believed to occur in a sequence of steps involving adsorption of the reactants, diffusion on the surface, collision, reaction, followed by desorption of the product. A fascinating point of studying heterogeneous enantioselective catalysis lies in the description of the collision leading to intermolecular interactions and the reaction itself. The reaction can be accelerated through bond activation brought about by both chemisorption and intermolecular interaction. My research basically focuses on the bond activation and its consequent rate enhancement. Vibrational spectroscopy can, in principle, provide information on chemisorption and intermolecular interactions leading to rate enhancement and also provide signatures of bond activation. It is however extremely difficult to make definitive spectroscopic measurements on bond activation in specific intermolecular and adsorption structures. The principal reason for this extreme difficulty is that reflectance absorption infrared spectroscopy (RAIRS) yields ensemble information. That is, the typical IR measurement results in a spectrum from at least 10¹¹ molecules per cm² of the surface. The spectrum then is a composite of the spectra of non-interacting reactants and the spectra of reactants interacting (following collision) in a number of different structural configurations. Such information cannot be readily used to define a specific interaction configuration, rather it gives averaged information. This thesis describes an example where bond activation is related to the majority complexation structure formed by an α-ketoester and a chiral amine on Pt(111). As necessary basic information, this thesis describes definitive studies of adsorption geometries of chiral modifiers as well as substrates. Self-assembled structures formed by a chiral alcohol on Pt(111) are described in detail. Furthermore, the thesis describes preliminary work on the utilization of heterocyclic carbenes to add molecular information to the Pt surface.

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In recent years, a number of high profile accidental fires have occurred in several road and rail tunnels throughout the world. Many of these fires grew rapidly to catastrophic size and claimed many lives. The processes involved in the rapid growth and extremely severe of these fires are not adequately understood as yet. The introduction to this thesis reviews a number of these accidental fires and describes much of the previous experimental research which has brought about the current understanding of tunnel fire behaviour. A detailed review of the relevant parts of elementary fire dynamics is also presented. This thesis addresses two main questions: 1. What is the influence of longitudinal ventilation on fire size in tunnels? and 2. What is the influence of tunnel geometry on fire size? The answers to both these questions are determined using a probabilistic method called Bayes Theorem. This provides a method of answering the above two questions using the handful of experimental data which are available. It is found that the heat release rate (HRR) of a heavy goods vehicle (HGV) fire may be greatly increased in magnitude by longitudinal ventilation, for example by about a factor of 5 with a longitudinal ventilation velocity of 3ms-1. It is also found that longitudinal ventilation may cause a significant increase in the HRR of large pool fires, but may cause a decrease in the HRR of small pool fires and car fires. An equation is derived to predict the influence of tunnel geometry on HRR. It is found that HRR varies principally with the width of the tunnel and the width of the fire object. The HRR of a fire in a tunnel my be increased up to four times due to the geometry of the tunnel.

Pour étudier le comportement mécanique des massifs rocheux, en prenant en compte le réseau des discontinuités au sein de la roche intacte, cette recherche a pour objectif la représentation du massif par des modèles géométriques basés sur des relevés de terrain et l'analyse de ces modèles par l'utilisation d'outils informatiques adaptés pour les milieux granulaires. Le premier chapitre fait l'état de l'art des roches fracturées, des méthodes numériques de la mécanique des roches et des approches du calcul de structure d'un tunnel. Ces études conduisent à la proposition d'une méthodologie depuis les recherches in situ jusqu'à la modélisation et l'analyse mécanique, présentée dans le deuxième chapitre. Le massif rocheux est d'abord représenté géométriquement par la distribution de ses discontinuités, et l'utilisation du logiciel RESOBLOK basé sur la méthode du Réseau de Fractures Discrètes. Les modèles mécaniques de massifs rocheux sont ensuite présentés à partir des données sur les études de l'histoire du massif, et des mesures faites sur site et en laboratoire. Les modèles numériques en 3D sont analysés par l'utilisation du logiciel LMGC90 basé sur la méthode de la Dynamique des Contacts Non Réguliers. Les premières applications de la méthodologie sont exposées : la création d'une roche numérique pour simuler un essai de compression triaxiale, et la simulation d'une excavation multi phases d'un tunnel au rocher. La méthodologie proposée a été appliquée sur le marbre blanc de Saint Béat (Haute Garonne, France) et les résultats préliminaires sont donnés dans le chapitre trois. Les réponses mécaniques de la roche numérique sont analysées et son comportement est caractérisé. / Aimed at studying the mechanical behaviour of rock mass and considering the presence of the discontinuity network in the intact rock, this research concentrates on how the rock can be represented in suitable geometrical models, on the basis of site measurements, and then appropriately analysed using computer tools developed for the study of granular media. The first chapter deals with a bibliographical study on fractured rock and tunnel engineering. Different computational methods of rock mechanics are introduced. Simultaneously, three principal approaches for tunnel structural design are recalled. These studies lead to the proposition of a methodology from the in situ investigation to in-door modelling and mechanical analysis, presented in the second chapters. The rock mass is first geometrically represented through the distribution of discontinuities in the rock mass and the use of the RESOBLOK code based on the Discrete Fracture Network method. Mechanical models of rock mass are then presented from the data of historical studies on the rock mass and from laboratory and in situ measurements. The 3D computational models are analysed using the LMGC90 based on the Non Smooth Contact Dynamics method. The first two applications of the methodology are introduced: the generation of the numerical rock for the simulation of the triaxial compression test, and the simulation of multi-phase excavation of rock tunnel. The proposed methodology has been applied on the white marble of Saint Béat (Haute Garonne, France) and the initial results are given in the third chapter. The mechanical responses of the numerical rock mass are analysed and the bulk behaviour of the rock is evaluated.

L'objectif de la thèse est de développer une méthode de modélisation 3D des tunnels canaux en service, afin de les documenter de manière précise. Le levé des structures est effectué en dynamique depuis un bateau, avec un ensemble de caméras au-dessus de l'eau et un sonar pour la partie immergée. La construction du modèle 3D doit combiner des données acquises dans deux milieux différents, en l'absence de signal GPS pour la localisation du système de mesure. L'approche proposée exploite pleinement les capacités du calcul photogrammétrique, à la fois pour construire le modèle 3D de la voûte et pour estimer la trajectoire du bateau, laquelle permet de géoréférencer les profils de points sonar. L'application du procédé en vraie grandeur dans le tunnel de Niderviller a permis d'obtenir un premier modèle 3D. L'analyse de la méthode a mis en jeu une technologie innovante de mesure sonar statique, nécessitant le développement de traitements appropriés. Elle a permis de jauger les capacités du sonar à numériser les canaux, d'évaluer les trajectoires estimées par photogrammétrie et de comparer quantitativement le modèle obtenu à un modèle de référence préalablement construit. / The aim of this thesis is to develop a 3D modeling method for canal-tunnels in service, in order to document them accurately. The survey of the structures is carried out dynamically from a boat, with a set of cameras above the water and a sonar for the submerged part. The construction of the 3D model must combine data acquired in two different environments, in the absence of a GPS signal to locate the measurement system. The proposed approach makes full use of the capabilities of photogrammetric computation, both to build the 3D model of the vault and to estimate the trajectory of the boat, which allows georefencing of sonar point profiles. The application of the process to field test data acquired in the Niderviller tunnel allowed a first 3D model to be obtained. The analysis of the method involved an innovative static sonar measurement technology, requiring the development of appropriate treatments. It enabled to assess the capacity of the sonar for canal surveying, to evaluate the trajectories estimated using photogrammetry and to compare quantitatively the obtained model with a previously constructed reference mode

Im Rahmen einer vergleichenden retrospektiven Analyse wurden die präoperativen und intraoperativen Einflussfaktoren auf den frühen und mittelfristigen postoperativen Verlauf nach Fontan-Operation untersucht und die Ergebnisse der totalen cavopulmonale Anastomose mit einem intraatrialen lateralen Tunnel (LTFO, n = 25) und mit einem extrakardialen Kunststoff-Konduit (ECFO, n = 25) gegenüber gestellt. Postoperativ wurde nach ECFO ein komplikationsärmerer früher Verlauf mit kürzerer maschineller Beatmung und signifikant geringerer Inzidenz für frühe und mittelfristige Arrhythmien als nach LTFO beobachtet. Im frühen postoperativen Verlauf waren die schnellste Extubation und Entlassung bei den ECFO-Patienten möglich, bei denen keine Kardioplegie verwendet wurde. Unabhängige Risikofaktoren nach multivariater Analyse waren die Dauer der Kardioplegie in Bezug zu den unmittelbaren postoperativen Komplikationen, eine LTFO - sowohl für Tachy- als auch für Bradyarrhythmien - und die Inzision in die cavoatriale Verbindung bei LTFO in Bezug zu Bradyarrhythmien mit der Notwendigkeit einer Schrittmacherimplantation. Durch Vermeidung von Kardioplegie und chirurgischer Schaffung eines lateralen Tunnels sowie Verkürzung des kardiopulmonalen Bypasses bei ECFO werden vor allem die postoperativen Arrhythmien reduziert und es ist wahrscheinlich möglich, den postoperativen Verlauf bei Patienten mit einem durch eine langwierige Zyanose und durch Volumenbelastung vorbeschädigten singulären Ventrikel zu verbessern. Eine prospektive langfristige Vergleichsstudie mit einer größeren Patientenzahl ist notwendig, um die Frage zu beantworten, ob eine signifikante Minderung der spätpostoperativen Komplikationen und eine Verbesserung der Lebenserwartung der Patienten mit univentrikulärer Physiologie durch eine korrekt geplante und optimal durchgeführte extrakardiale Modifikationen der Fontan-Operation erreicht werden kann. / The preoperative and intraoperative risk factors for early and mid-term postoperative course after Fontan operation were analyzed and results after total cavopulmonary connection with lateral intraatrial tunnel (LTFO, n = 25) and with extracardiac conduit (ECFO, n = 25) were compared retrospectively. The early postoperative course after ECFO was better with shorter duration of mechanical ventilation. Lower incidence of arrhythmias was observed after ECFO compared to LTFO both early postoperatively and during mid-term follow-up. Patients after ECFO, in whom cardioplegia was not used intraoperatively, had the shortest duration of mechanical ventilation and of the hospital stay. Multivariate analysis revealed duration of cardioplegia as an independent risk factor for early postoperative complications, LTFO as a risk factor for tachyarrhythmias and incision into the cavoatrial junction during LTFO as a risk factor for the bradyarrhythmias requiring pacemaker implantation. With the avoidance of cardioplegia and intracardiac surgery and shorter cardiopulmonary bypass times during ECFO, postoperative arrhythmias could be reduced. Further, the early postoperative course in patients with univentricular physiology who have had cyanosis and ventricular volume overload for a long time seems to be better after extracardiac modification of Fontan operation. To investigate whether late complications are reduced by optimal extracardiac Fontan operation and whether life expectancy in patients with single ventricle is improved, long-term prospective comparative follow-up studies are needed.

Dans une première partie, les propriétés cristallographiques et magnétiques de couches minces X/IrMn et X/IrMn/Y (X,Y= Co et/ou Py) sont présentées. Le magnétisme est expliqué à l'aide de modèles micromagnétiques. La différence de couplage d'échange aux interfaces X/IrMn et IrMn/Y est indépendante de la microstructure et uniquement liée à l'ordre d'empilement des couches. Il est démontré que déposer une couche antiferromagnétique sur une couche ferromagnétique est totalement différent d'un point de vue magnétique de l'opération inverse. Dans une seconde partie, la bicouche IrMn/Co est utilisée comme couche de détection dans une jonction tunnel magnétique pour réaliser un capteur de champ magnétique linéaire et réversible dans la gamme –50 et 50 Oe. Un choix judicieux des paramètres de la jonction tunnel a permis de rendre la sensibilité du capteur indépendante de la température. Sur cette base, un démonstrateur de capteur magnétique avec son électronique de traitement est réalisé.