Cette thèse s'inscrit dans le cadre de la recherche des moyens de réduction du bruit. Le but est d’analyser et de créer par une méthode passive, le confinement d’énergie acoustique dans les irrégularités géométriques via le phénomène de localisation pour ensuite la dissiper. En prélude à l'atténuation du bruit par les géométries irrégulières, les mécanismes de la dissipation acoustique sont rappelés et illustrés par quelques exemples de réseaux de résonateurs quart-d'onde. Le phénomène de localisation est ensuite étudié par une analyse modale. Le caractère localisé d'un mode est quantifié par son volume d'existence relatif (VER) qui donne, en fraction du volume total du domaine, le volume effectif concerné par l'énergie du mode. Il ressort de cette étude que seules les cavités irrégulières ayant des irrégularités en forme de sous-cavités couplées à une cavité principale sont « localisantes ». La fréquence d'un mode localisé est liée aux dimensions de la zone irrégulière de localisation. Le lien entre les irrégularités géométriques et la dissipation acoustique est ensuite analysé au moyen des indicateurs tels que le facteur de qualité, le coefficient d'absorption ou le taux d'amortissement de l'énergie. Cette étude montre que les cavités irrégulières amortissement mieux une onde acoustique comparativement aux cavités à géométrie régulière. Toutefois, la dissipation de l'énergie acoustique des cavités irrégulières n'est pas uniquement liée à la localisation. Elle dépend également d'autres paramètres (porosité, résistivité, etc.). Lorsque les irrégularités des parois rigides ne permettent pas de réaliser une dissipation suffisante, elles peuvent être réalisées dans les matériaux poroélastiques à performance acoustique moyenne pour augmenter leur capacité dissipative. Enfin, des études expérimentales menées ont permis de valider l'existence du phénomène de localisation et de confirmer la tendance plus dissipative des géométries irrégulières par rapport aux géométries régulières. De même, des mesures du coefficient d'absorption d'un échantillon de forme préfractale d'un béton de chanvre (matériau ayant une performance acoustique moyenne) montrent une augmentation de la dissipation de plus de 40% induite par la forme irrégulière. La contribution majeure de cette thèse est d’avoir répondu à un défi technologique important consistant à effectuer une mise en évidence expérimentale du phénomène de localisation jusque-là difficile à réaliser avec des microphones. Pour y parvenir, un outil optique peu conventionnel dans la métrologie acoustique est adopté; il s'agit de la réfracto-vibrométrie qui consiste à utiliser, sous certaines conditions, le vibromètre laser pour mesurer un champ acoustique (pression acoustique). Bien que contraignante, cette technique présente l'avantage d'être non intrusive et donc moins encombrante même pour de petites cavités comparativement aux microphones. / In this thesis, the acoustical behavior of irregular cavities leading to localization phenomenon is investigated for noise reduction applications. The aim of this work is to study and create by means of passive method, an accumulation of acoustical energy and dissipate it. Before addressing geometrical irregularities effects on the sound field, viscothermal dissipation mechanisms of sound are recalled and illustrated through few networks of quarter-wave resonators. In a second part, a study of the localization phenomenon is carried out by a modal analysis approach. The localization is quantified by the relative existence volume (VER), an indicator which gives a measure of the volume of the region in which a mode is localized as a fraction of the total cavity volume. The localization analysis is conducted using both regular and irregular cavities. It has been shown that only cavities with irregular geometry, such that sub-cavities are formed, can localize some acoustical modes. Moreover, the frequency of a localized mode is related to the dimensions of the localization region. Following the investigation of the localization phenomenon, the relation between cavities geometry and sound energy dissipation has been studied by the estimation of damping indicators, such as the quality factor, the sound absorption coefficient or the energy damping rate. According to this study, irregular cavities have higher capability to damp sound waves compared to regular cavities. However, for the case of irregular cavities only, the induced dissipation is not proportional to the localization. Nevertheless, when irregularities of rigid walls are not able to achieve sufficient dissipation, this can be obtained with slightly absorptive porous materials of irregular geometry. In fact, the dissipative properties of some porous materials can be optimized by giving them irregular interface. Finally, an experimental set-up has been designed to validate the localization phenomenon and to confirm the damping tendency of irregular geometries in comparison to regular ones. Moreover, measurements of the sound absorption coefficient of a hemp concrete reveal that the sample of irregular geometry achieves sound dissipation more than 40% higher than the one achieved by a regular plane sample. Finally, this thesis has addressed a technological challenge consisting of experimentally validating the localization phenomenon which is so far very difficult to obtain by the use of conventional pressure microphones. In the framework of this thesis, an optical non-conventional sound pressure measurement technique has been used. The used technique is the laser refracto-vibrometry which consists of using a laser vibrometer in some specific conditions to measure the acoustical field (sound pressure). This technique is difficult to conduct but it has the advantage of being contactless, thus less cumbersome for even very small cavities as compared to pressure microphones.

Ces travaux de thèse portent sur l'étude expérimentale et numérique de structures mécaniques non-linéaires soumises à des vibrations sinusoïdales et aléatoires. L'étude prend en compte l'existence d'incertitudes au sein du protocole expérimentale et de la modélisation. Les études expérimentales menées au CEA/CESTA montrent que la réponse des structures assemblées à des sollicitations vibratoires est fortement dépendante du niveau d'excitation d'une part, et que la réponse obtenue possède une variabilité, parfois importante. Ces résultats expérimentaux ne peuvent pas être reproduits en simulation avec la méthode de simulation vibratoire linéaire déterministe classique.L'objectif de ces travaux est de proposer et de mettre en place des méthodes numériques pour étudier ces réponses non-linéaires, et de quantifier et propager les incertitudes pertinentes au sein des calculs. Cet objectif passe par l'étude de maquettes d'essai de complexité croissante et sujettes aux mêmes phénomènes vibratoires que les objets d'étude industriels du CEA/CESTA. Les méthodes de simulation vibratoire non-linéaires et les techniques numériques développées dans le monde académique sont adaptées et utilisées dans le contexte industriel du CEA/CESTA.Le premier objet d'étude est une poutre métallique bi-encastrée, dont la non-linéarité est d'origine géométrique. Le modèle associé à cette poutre est un oscillateur de Duffing à un degré de liberté très détaillé dans la littérature scientifique, et qui permet de valider les développements numériques effectués, sur les aspects de l'excitation aléatoire et de la propagation d'incertitudes. Dans un premier temps, les méthodes de tir et d'équilibrage harmonique sont étendues au cas de l'excitation aléatoire et validées sur cette structure académique par comparaison à l'expérience. Dans un second temps, une méthode de propagation d'incertitude non-intrusive est implémentée pour prendre en compte les incertitudes de modélisation identifiées.Le second objet d'étude est une maquette comportant un plot élastomère reliant une masselotte à un bâti. Le comportement non-linéaire de l'élastomère est au c\oe ur de ces travaux de thèse. De nombreux essais vibratoires sont réalisés dans un premier temps pour identifier un modèle non-linéaire de l'élastomère juste suffisant. Dans un second temps, le modèle développé est validé par comparaison aux essais en utilisant et adaptant les méthodes étendues lors de l'étude de la poutre bi-encastrée.Enfin, une maquette d'étude se rapprochant d'un cas d'application industriel est étudiée : la maquette Harmonie-Gamma. Elle compte des interfaces frottantes et des liaisons élastomères. Les essais vibratoires réalisés permettent d'identifier le comportement dynamique linéaire et non-linéaire du système et d'étudier l'évolution de la réponse en fonction du niveau d'excitation. Un modèle numérique est réalisé par éléments finis puis réduit par une méthode de sous-structuration. Les relations non-linéaires sont introduites au niveau des liaisons frottantes et élastomères. La réponse vibratoire de la structure est simulée par la méthode d'équilibrage harmonique couplée à un algorithme de continuation. Les comparaisons essais / calculs sont menées pour les excitations de type sinus balayé et aléatoire, et permettent d'analyser l'apport de chaque non-linéarité dans la réponse de la structure. / This PhD work focuses on the experimental and numerical study of nonlinear structures subjected to both harmonic and random vibrations, in the presence of modeling and experimental uncertainties. Experimental studies undertaken at the CEA / CESTA show a strong dependence of the jointed structures towards the excitation level, as well as a variability in the response for a given excitation level. These experimental results cannot be simulated using the classical determinist linear vibration simulation method.The objective of this work is to propose and set up numerical methods to study these nonlinear responses, while quantifying and propagating the relevant uncertainties in the simulations. This objective involves the study of structural assemblies of increasing complexity and subjected to the same vibratory phenomena as CEA / CESTA industrial structures. Advanced nonlinear numerical methods developed in academia are applied in the CEA / CESTA industrial context.The first test structure is a clamped-clamped steel beam that has a geometrical nonlinearity. The beam is modeled by a Duffing oscillator which is a widely studied model in the field of nonlinear dynamics. This allows for a validation of the numerical developments proposed in this work, first on the issue of random vibrations, and second on the issue of the propagation of uncertainties. The simulations are based on two techniques of reference (shooting method and harmonic balance method). Firstly, the simulation results are validated by comparison with the experimental results for random vibrations. Secondly, the harmonic balance method is used in adequation with a non-intrusive polynomial chaos in order to take into accounts the modeling uncertainties.The second test structure is a mass linked to a solid casing via a vibration-absorbing elastomeric material of biconical shape surrounded by a cage of aluminum. The nonlinear behavior of the elastomer is at the heart of this work. Various vibration tests were performed on this structure in order to identify the simplest nonlinear model possible to answer our queries. The identified model is validated through comparisons between the simulation results and the experimental results for both sine-swept and random vibrations.The central assembly of this work is an industrial assembly with friction joints and vibration-absorbing elastomeric joints, named Harmonie-Gamma. The vibration tests performed exhibit resonance modes as well as a strong dependency of the response with the excitation level. A numerical finite element model is developed and reduced with a substructuration technique. The resulting nonlinear reduced model is simulated using an harmonic balance method with a continuation method. The simulated responses are compared with the experiments and allow for an analysis of coupled nonlinearities in the CEA / CESTA industrial context.

Cette thèse a été motivée par diverses questions qui se posent quant à l'utilisation de la méthode de l'isolation sismique dans l'industrie nucléaire. Malgré la recherche effectuée pendant les dernières décennies dans le domaine de l'isolation sismique, plusieurs questions restent ouvertes quant au comportement des structures isolées. Ces questions concernent d'une part la vulnérabilité de ces structures, due à une excursion (inattendue) dans le domaine post-linéaire et d'autre part, des phénomènes qui peuvent aboutir à une excitation significative des modes non isolés. Par ailleurs, à la différence des travaux antérieurs qui étudient le comportement sismique des bâtiments, une place importante est consacrée au comportement des équipements par le biais de l'étude des spectres de plancher. Dans un premier temps, la probabilité de défaillance, dans le cas de réponse non-linéaire de la superstructure, a été étudiée avec des modèles simples, pour différents lois de comportement non-linéaires et différents types d'appuis. Ensuite les effets de l'ajout d'un amortissement important ont été étudiés et le mécanisme d'amplification de la réponse des modes non-isolés a été expliqué. Afin de remédier au problème de l'amplification des modes non isolés, des systèmes d'isolation mixtes, combinant l'isolation passive avec des dispositifs semi-actifs, ont été considérés. Les analyses numériques confirment l'efficacité de cette approche. Enfin, une série d'essais, sur table vibrante, d'une maquette simple à deux degrés de liberté a été réalisée. La maquette est équipée d'un amortisseur magnéto-rhéologique qui est contrôlé comme un dispositif semi-actif. La comparaison des résultats expérimentaux avec ceux des simulations numériques montre que les modèles développés sont capables de représenter de façon satisfaisante les phénomènes physiques essentiels.

Cette étude porte sur la simulation dynamique de structures présentant des interfaces non linéaires et plus particulièrement sur le développement de diverses extensions à la méthode de balance harmonique. Cette méthode, qui permet le calcul de réponses vibratoires stationnaires, est basée sur l’approximation en série de Fourier tronquée de la réponse. En fonction de caractère plus ou moins non linéaire de la réponse, le nombre d’harmoniques à retenir pour approcher de façon satisfaisante la réponse peut être important et varier fortement sur l’ensemble de la plage de fréquence de simulation. Un des objectifs principaux de cette recherche a été de proposer une stratégie de calcul qui permette d’adapter le nombre d’harmoniques à chaque fréquence. Dans l’optique d’approcher le mouvement global de la structure, la méthodologie proposée se base sur le suivi de l’énergie de déformation du système en fonction de la richesse du contenu fréquentiel. La formulation développée reste simple à calculer et compatible avec les étapes de condensation interne à la méthode de balance harmonique. L’extension de cette technique au calcul de réponses quasi-stationnaires est en outre possible en redéfinissant les stratégies de choix des harmoniques à retenir. Parallèlement à ce but principal, la présence de variables internes dans les modèles non linéaires d’interface (modèle de frottement par exemple) a été prise en compte dans la formulation des équations de la balance harmonique adaptative. Ces méthodes spécifiques ont ensuite été mises en oeuvre sur des modèles numériques de structures aéronautiques. Un isolateur d’équipement utilisant un matériau viscoélastique non linéaire a ainsi pu être simulé. Ensuite, la méthode de balance harmonique adaptative a pu être appliquée à l’étude des effets dynamiques non linéaires observée sur les structures boulonnées. Enfin, le calcul de réponses quasi périodiques s’est effectué sur un tronçon de lanceur intégrant des amortisseurs à frottement sec. / The study deals with the dynamic simulation of structures with non linear interfaces and particularly with the development of various extensions of the harmonic balance method. This method, applied for steady state vibrations, is based on the response approximation with a truncated Fourier series. Depending on the more or less pronounced non linear response behavior, the number of harmonics to retain to correctly approach the response may be important and may strongly vary over all the frequency band. One of the main objectives of this research work has been to propose a calculation strategy which allows adapting the number of harmonics for each frequency. In order to globally approach the structure vibration, the proposed methodology basics is to observe the strain energy evolution functions of frequency contents. The developed formulation is easy to calculate and may be employed with internal reduction steps of the harmonic balance method. Moreover, an extension of this technique for quasi-periodic vibrations is possible by redefining harmonic choice strategies. In conjunction with this main objective, internal variables in non linear interface models (friction models for example) have been considered in a specific adaptive harmonic balance method formulation. Then, these specific methods have been applied on numerical aeronautical structure models. An equipment isolator integrating a non linear viscoelastic material has been simulated. Secondly, adaptive harmonic balance method has been employed for the study of non linear dynamic effects of bolted structures. Finally, quasi periodic vibration calculation has been carried out on a launcher stage integrating dry friction dampers.

Le présent travail traite l’optimisation des paramètres des amortisseurs à masses accordées (AMA) accrochés sur des structures, linéaires. Les AMAs sont des dispositifs de contrôle passif utilisés pour atténuer les vibrations induites par des chargements dynamiques (en particulier stochastiques) appliqués sur des structures. L’efficacité de tels dispositifs est étroitement liée aux caractéristiques dynamiques qu’on doit imposer à ces systèmes. Dans ce cadre, plusieurs stratégies d’optimisation peuvent être utilisées dans des contextes déterministes et non déterministes, où les paramètres de la structure à contrôler sont incertains. Parmi les différentes approches qu’on peut trouver dans la littérature, l’optimisation structurale stochastique (OSS) et l’optimisation basée sur la fiabilité (OBF) étaient particulièrement traitées dans le présent travail.Dans la première partie de ce travail, en plus de la nature stochastique des chargements extérieurs appliqués à la structure linéaire à contrôler, la présence de paramètres structuraux de type incertains mais bornés (IMB) est prise en considération et les bornes optimales des paramètres AMA ont été calculées. Le calcul de ces bornes a été fait en utilisant une technique basée sur un développement de Taylor suivi d’une extension aux intervalles. La technique, permettant l’obtention d’une approximation des bornes optimales, a été appliquée dans les cas d’un système à un degré de liberté (1DDL) et un autre à plusieurs degrés de libertés (nDDL). Les résultats obtenus ont montrés que la technique utilisée était bien adaptée pour la stratégie OSS et elle l’est moins pour l’approche OBF.Comme suite logique aux résultats de la première partie, la seconde partie de la présente dissertation est consacrée à la présentation de deux méthodes permettant l’obtention des bornes exactes et des bornes approximées des paramètres optimaux de l’AMA et ce, en présence de paramètres structuraux de type IMB. La première méthode est celle de la boucle d’optimisation continue imbriquée, la seconde est celle des extensions aux intervalles basées sur la monotonie. Les méthodes présentées, qui ont été appliquées avec l’approche OBF, sont valables pour n’importe quel problème d’optimisation faisant intervenir des paramètres de type IMB. Mis à part le calcul de bornes optimisées du dispositif AMA, la question de la robustesse, vis-à-vis des incertitudes structurales, a été également traitée et il a été prouvé que la solution optimale correspondante au contexte déterministe était la plus robuste.L’introduction d’une nouvelle stratégie OBF des paramètres AMA a fait l’objet de la troisième partie de cette dissertation. En effet, un problème OBF est toujours relié à un mode de défaillance caractérisé par le franchissement d’une certaine réponse, de la structure à contrôler, d’un certain seuil limite pendant une certaine durée de temps. Le nouveau mode de défaillance, correspondant à la nouvelle stratégie OBF, consiste à considérer qu’une défaillance ait lieu lorsque la puissance dissipée au niveau de la structure à contrôler, pendant une période de temps, excède une certaine valeur. Faisant intervenir l’approche par franchissement ainsi que la formule de Rice, la nouvelle stratégie a été appliquée dans le cas d’un système 1DDL et l’expression exacte de la probabilité de défaillance est calculée. En se basant sur une approximation mettant en œuvre la technique du minimum d’entropie croisé, la nouvelle stratégie a été, également, appliquée dans le cas d’un système à nDDL et les résultats obtenus ont montrés la supériorité de cette stratégie par rapports à deux autres tirées de la bibliographie. / The present work deals with the parameters optimization of tuned mass dampers (TMD) used in the control of vibrating linear structures under stochastic loadings. The performance of the TMD device is deeply affected by its parameters that should be carefully chosen. In this context, several optimization strategies can be found in the literature and among them the stochastic structural optimization (SSO) and the reliability based optimization (RBO) are particularly addressed in this dissertation.The first part of this work in dedicated to the calculation of the optimal bounds solutions of the TMD parameters in presence of uncertain but bounded (UBB) structural parameters. The bounds of the optimal TMD parameters are obtained using an approximation technique based on Taylor expansion followed by interval extension. The numerical investigations applied with one degree of freedom (1DOF) and with multi-degree of freedom (multi-DOF) systems showed that the studied technique is suitable for the SSO strategy and that it’s less appropriate for the RBO strategy.As immediate consequence of the obtained results in the first part of this work, in the second part a method, called the continuous-optimization nested loop method (CONLM), providing the exact range of the optimal TMD parameters is presented and validated. The numerical studies demonstrated that the CONLM is time consuming and to overcome this disadvantage, a second method is also presented. The second method is called the monotonicity based extension method (MBEM) with box splitting. Both methods have been applied in the context of the RBO strategy with 1DOF and multi-DOF systems. The issue of effectiveness and robustness of the presented optimum bounds of the TMD parameters is also addressed and it has been demonstrated that the optimum solution corresponding to the deterministic context (deterministic structural parameters) provide good effectiveness and robustness.Another aspect of RBO approach is dealt in the third part of the present work. Indeed, a new RBO strategy of TMD parameters based on energetic criterion is presented and validated. The new RBO approach is linked to a new failure mode characterized by the exceedance of the power dissipated into the controlled structure over a certain threshold during some interval time. Based on the outcrossing approach and the Rice’s formula, the new strategy is firstly applied to 1DOF system and exact expression of the failure probability is calculated. After that, a multi-DOF system is considered and the minimum cross entropy method has been used providing an approximation to the failure probability and then the optimization is carried out. The numerical investigations showed the superiority of the presented strategy when compared with other from the literature.

Le travail de thèse présenté ici vise à caractériser et simuler les forces mécaniques impliquées dans le processus de fermeture dorsale chez l’organisme Drosophila melanogaster. Ce processus participe à l’acquisition par l’embryon de sa forme finale. Ainsi, l’objectif du travail présenté ici est d’approfondir nos connaissances sur la mécanique des tissus,ainsi que sur leur rôle dans l’embryogenèse.La fermeture dorsale est un processus similaire à la cicatrisation, dans lequel la fermeture du trou dorsal est réalisée par l'amnioséreuse, qui couvre le trou dorsal, et la rangée la plus dorsale des cellules de l'épiderme: les leading edge cells.Une partie du travail présenté ici étudie aussi les mouvements des cellules du leading edge,dans le but de comprendre l’effet du câble d’actine sur la dynamique de la fermeture dorsale.Un algorithme permettant de détecter les contours des cellules, leur position ainsi que celle de leurs jonctions multiples a été développé, ainsi qu'un interface utilisateur.Différents modèles dynamiques ont ensuite été construits, prenant en compte différents comportements mécaniques, selon l’approche lagrangienne. Les systèmes d’équations ont été résolus numériquement, et leurs prédictions comparées aux données biologiques selon l’approche des moindres carrés. Les résultats ont été validés par le test de la fonction d’auto corrélation.Les résultats présentés dans cette thèse nous permettent de mieux comprendre les processus mécaniques impliqués dans les oscillations des cellules de l’amnioséreuse. Ils nous donnent aussi des indices sur leurs caractéristiques biologiques. Ils nous permettent enfin de mieux appréhender le rôle du cabled’actine dans ce processus. / The work presented here aims at characterizing and simulating the mechanical forces involved in the process of Dorsal Closure in the organism Drosophila melanogaster, an embryonic process. In particular, Dorsal Closure participates in the acquisition of the final form of the embryo. Therefore, the work presented here aims at fathoming our knowledge on tissues mechanics, as well as their role in the acquisition of shape. The tissues involved in Dorsal Closure are the epidermis and the amnioserosa. At this stage of development, the epidermis surrounds almost all the embryo. Nevertheless, the amnioserosa still covers a large area of the dorsal side called dorsal hole. Hence, Dorsal Closure aims at shutting this hole and joining the lateral sides of the epidermis, in a process similar to wound healing. In order to fuse the two sides of the epidermis on the dorsal line, the epidermis must be drawn dorsalward. This movement is driven by the amnioserosa on the one hand, and by the dorsalmost row of the epidermis (called Leading Edge cells) on the other hand. The latter first form a transcellular Actin Cable around the dorsal hole. The cable, contracting, will reduce the area of the dorsal hole, covered by the amnioserosa. Second, the Leading Edge cells emit protrusions that will attach to the opposite Leading Edge and drag it toward themselves, untill the two sides of the epidermis fuse. These protrusions have a limited range, hence the dragging and fusion only take place at the ends of the dorsal hole (called canthi), where the distance between the two Leading Edges is small enough. The Amnioserosa also drags the epidermis toward the dorsal line. Its cells produce a contractile network. Interstingly, Amnioserosa cells see the area of their top side (apical side) vary in a periodic way. Although these variations have been widely studied, their role in Dorsal Closure remains unknown. This PhD aims at improving our knowledge of the mechanical concepts involved in these oscillations, and to build a physical model representing these movements. The work presented here also studies the movements of the Leading Edge cells, in order to understand the effect of the Actin Cableon the dynamics of Dorsal Closure. In order to study the cells movements and the role of the tissues involved in Dorsal Closure, an algorithm was developped, allowing to detect the cells edges, their position, as well as those of their vertices (multiple junction between three or four cells) and to track them over time. A user interface was also developped, in order to facilitate the adjustment of the parameters allowing the detection, as well as the correction of possible errors. Various dynamical models were then built following the lagrangian approach. The systems of equations deriving from the Euler-Lagrange equations were numerically solved, and their predictions compared to the biological data extracted thanks to the algorithm presented earlier, following the least square approach. The model validation was performed thanks to the autocorrelation function test. Finally, the Leading Edge dynamics was studied characterising the cellular movements at the interface between the epidermis and the amnioserosa. Wild type embryos dynamics were compared to those of mutated embryos showing specific defects in the Actin Cable formation. The results presented in this manuscript allow a better understanding of the processes involved in in Amnioserosa cells oscicllations. They also give clues on their biological characteristics. Finally, they assess the role of the actin cable in this process similar to wound healing.

After decades of routine operation, the hydropower industry faces new challenges. Large-scale integration of other renewable sources of generation in the power system accentuates the role of hydropower as a regulating resource. At the same time, an extensive reinvestment programme has commenced where many old components and apparatus are being refurbished or replaced. Introduction of new technical solutions in existing power plants requires good systems knowledge and careful consideration. Important tools for research, development and analysis are suitable mathematical models, numerical simulation methods and laboratory equipment. This doctoral thesis is devoted to studies of the electromechanical interaction between hydropower units and the power system. The work encompasses development of mathematical models, empirical methods for system identification, as well as numerical and experimental studies of hydropower generator and power system interaction. Two generator modelling approaches are explored: one based on electromagnetic field theory and the finite element method, and one based on equivalent electric circuits. The finite element model is adapted for single-machine infinite-bus simulations by the addition of a network equivalent, a mechanical equation and a voltage regulator. Transient simulations using both finite element and equivalent circuit models indicate that the finite element model typically overestimates the synchronising and damping properties of the machine. Identification of model parameters is performed both numerically and experimentally. A complete set of equivalent circuit parameters is identified through finite element simulation of standard empirical test methods. Another machine model is identified experimentally through frequency response analysis. An extension to the well-known standstill frequency response (SSFR) test is explored, which involves measurement and analysis of damper winding quantities. The test is found to produce models that are suitable for transient power system analysis. Both experimental and numerical studies show that low resistance of the damper winding interpole connections are vital to achieve high attenuation of rotor angle oscillations. Hydropower generator and power system interaction is also studied experimentally during a full-scale startup test of the Nordic power system, where multiple synchronised data acquisition devices are used for measurement of both electrical and mechanical quantities. Observation of a subsynchronous power oscillation leads to an investigation of the torsional stability of hydropower units. In accordance with previous studies, hydropower units are found to be mechanically resilient to subsynchronous power oscillations. However, like any other generating unit, they are dependent on sufficient electrical and mechanical damping. Two experimentally obtained hydraulic damping coefficients for a large Francis turbine runner are presented in the thesis.

Abstract: Highway bridges have great values in a country because in case of any natural disaster they may serve as lines to save people’s lives. Being vulnerable under significant seismic loads, different methods can be considered to design resistant highway bridges and rehabilitate the existing ones. In this study, base isolation has been considered as one efficient method in this regards which in some cases reduces significantly the seismic load effects on the structure. By reducing the ductility demand on the structure without a notable increase of strength, the structure is designed to remain elastic under seismic loads. The problem associated with the isolated bridges, especially with elastomeric bearings, can be their excessive displacements under service and seismic loads. This can defy the purpose of using elastomeric bearings for small to medium span typical bridges where expansion joints and clearances may result in significant increase of initial and maintenance cost. Thus, supplementing the structure with dampers with some stiffness can serve as a solution which in turn, however, may increase the structure base shear. The main objective of this thesis is to provide a simplified method for the evaluation of optimal parameters for dampers in isolated bridges. Firstly, performing a parametric study, some directions are given for the use of simple isolation devices such as elastomeric bearings to rehabilitate existing bridges with high importance. Parameters like geometry of the bridge, code provisions and the type of soil on which the structure is constructed have been introduced to a typical two span bridge. It is concluded that the stiffness of the substructure, soil type and special provisions in the code can determine the employment of base isolation for retrofitting of bridges. Secondly, based on the elastic response coefficient of isolated bridges, a simplified design method of dampers for seismically isolated regular highway bridges has been presented in this study. By setting objectives for reduction of displacement and base shear variation, the required stiffness and damping of a hysteretic damper can be determined. By modelling a typical two span bridge, numerical analyses have followed to verify the effectiveness of the method. The method has been used to identify equivalent linear parameters and subsequently, nonlinear parameters of hysteretic damper for various designated scenarios of displacement and base shear requirements. Comparison of the results of the nonlinear numerical model without damper and with damper has shown that the method is sufficiently accurate. Finally, an innovative and simple hysteretic steel damper was designed. Five specimens were fabricated from two steel grades and were tested accompanying a real scale elastomeric isolator in the structural laboratory of the Université de Sherbrooke. The test procedure was to characterize the specimens by cyclic displacement controlled tests and subsequently to test them by real-time dynamic substructuring (RTDS) method. The test results were then used to establish a numerical model of the system which went through nonlinear time history analyses under several earthquakes. The outcome of the experimental and numerical showed an acceptable conformity with the simplified method. / Résumé: Les ponts routiers ont une grande valeur dans un pays parce qu’en cas de catastrophe naturelle, ils peuvent servir comme des lignes pour sauver des vies. Étant vulnérable sous des charges sismiques importantes, on peut considérer différentes méthodes pour concevoir des ponts routiers résistants et également pour réhabiliter des ponts existants. Dans cette étude, l'isolation de la base a été considérée comme une méthode efficace qui peut réduire significativement les effets des charges sismiques sur la structure. En réduisant la demande en ductilité sur la structure sans une augmentation notable de force, la structure est conçue pour rester élastique sous des charges sismiques. Le problème associé aux ponts isolés, particulièrement avec des appuis en élastomère, peut être leurs déplacements excessifs sous les charges de service et de séisme. Ceci peut défier l’objectif d'utiliser des appuis en élastomère pour les ponts typiques de petite portée où les joints de dilatation et les dégagements peuvent aboutir à une augmentation significative des frais d'exploitation et de maintenance. Ainsi, supplémenter la structure avec des amortisseurs d’une certaine rigidité peut servir de solution, ce qui peut cependant augmenter l’effort tranchant transmis à la sous-structure. Cette étude a pour but de fournir une méthode simplifiée afin d’évaluer les paramètres optimaux des amortisseurs dans les ponts isolés. Dans cette thèse, premièrement, basé sur une étude paramétrique, quelques directions sont données pour l'utilisation de dispositifs d'isolation simples, dont les appuis en élastomère, afin de réhabiliter des ponts existant avec une haute importance. Les paramètres comme la géométrie du pont, les clauses des normes et le type de sol sur lequel la structure est construite ont été appliqués sur un pont typique de deux portées. Il est conclu que les paramètres mentionnés peuvent déterminer l'emploi d'isolement de la base des ponts routiers. À la deuxième phase, basé sur le coefficient de réponse élastique des ponts isolés, une méthode de conception simplifiée d’amortisseur pour des ponts routiers réguliers isolés à la base a été présentée dans cette étude. En sélectionnant des objectifs pour la réduction du déplacement et la variation de l’effort tranchant, la rigidité et l'amortissement exigés d'un amortisseur hystérétique peuvent être déterminés. L’étude s’est poursuivie par une modélisation numérique d’un pont à deux portées pour vérifier l'efficacité de la méthode. Pour un modèle numérique d'un pont isolé typique, la méthode a été utilisée pour identifier des paramètres linéaires équivalents pour un certain déplacement et effort tranchant désigné. Par la suite, assumant un amortisseur de type hystérétique, les paramètres non linéaires de l’amortisseur ont été calculés et utilisés. La comparaison des résultats du modèle numérique sans amortisseur et avec l'amortisseur a démontré que la méthode proposée est suffisamment précise. Par la suite, un nouvel amortisseur hystérétique simple en acier a été conçu. Cinq spécimens ont été fabriqués de deux différents grades d’acier et ont été testés en combinaison avec un isolateur à l’échelle réelle dans le laboratoire de structures de l'Université de Sherbrooke. La procédure comprenait la caractérisation des spécimens par des tests cycliques en contrôle de déplacement et par la suite la réalisation d’essais par la méthode de sous-structuration dynamique en temps réel. Les résultats des essais ont été utilisés pour établir un modèle numérique du système qui a subi des analyses temporelles non linéaires sous plusieurs séismes. Le résultat des essais expérimentaux et numériques montrent une conformité acceptable avec la méthode simplifiée.