Abstract : Deep reinforced concrete beams are commonly used as transfer girders or bridge bents, at which its safety is often crucial for the stability of the whole structure. Such elements are exposed to the aggressive environment in northern climates causing steel-corrosion problems due to the excessive use of de-icing salts. Fiber-reinforced polymers (FRP) emerged as non-corroded reinforcing materials to overcome such problems in RC elements. The present study aims to address the applicability of concrete deep beams totally reinforced with FRP bars. Ten full-scale deep beams with dimensions of 1200 × 300 × 5000 mm were constructed and tested to failure under two-point loading. Test variables were shear-span depth ratio (equal to 1.47, 1.13, and 0.83) and different configurations of web reinforcement (including vertical and/or horizontal web reinforcement). Failure of all specimens was preceded by crushing in the concrete diagonal strut, which is the typical failure of deep beams. The test results indicated that, all web reinforcement configurations employed in the tested specimens yielded insignificant effects on the ultimate strength. However, strength of specimens containing horizontal-only web reinforcement were unexpectedly lower than that of specimens without web reinforcement. The web reinforcement’s main contribution was significant crack-width control. The tested specimens exhibited reasonable deflection levels compared to the available steel-reinforced deep beams in the literature. The development of arch action was confirmed through the nearly uniform strain distribution along the length of the longitudinal reinforcement in all specimens. Additionally, the basic assumption of the strut-and-tie model (STM) was adequately used to predict the strain distribution along the longitudinal reinforcement, confirming the applicability of the STM for FRP-reinforced deep beams. Hence, a STM based model was proposed to predict the strength of FRP-reinforced deep beams using the experimental data, in addition to the available experimentally tested FRP-reinforced deep beams in the literature. Assessment of the available STMs in code provisions was conducted identifying the important parameters affecting the strut efficiency factor. The tendency of each parameter (concrete compressive strength, shear span-depth ratio, and strain in longitudinal reinforcement) was individually evaluated against the efficiency factor. Strain energy based calculations were performed to identify the appropriate truss model for detailing FRP-reinforced deep beams, hence, only four specimens with vertical web reinforcement exhibited the formation of two-panel truss model. The proposed model was capable to predict the ultimate capacity of the tested deep beams. The model was also verified against a compilation of a data-base of 172 steel-reinforced deep beams resulting in acceptable level of adequacy. The ultimate capacity and performance of the tested deep beams were also adequately predicted employing a 2D finite element program (VecTor2), which provide a powerful tool to predict the behavior of FRP-reinforced deep beams. The nonlinear finite element analysis was used to confirm some hypotheses associated with the experimental investigations. / Résumé : Les poutres profondes en béton armé (BA) sont couramment utilisées comme poutre de transfert ou coude de pont, comme quoi sa sécurité est souvent cruciale pour la sécurité de l’ensemble de la structure. Ces éléments sont exposés à un environnement agressif dans les climats nordiques causant des problèmes de corrosion de l’acier en raison de l’utilisation excessive de sels de déglaçage. Les polymères renforcés de fibres (PRF) sont apparus comme des matériaux de renforcement non corrodant pour surmonter ces problèmes dans les BA. La présente étude vise à examiner la question de l'applicabilité des poutres profondes en béton complètement renforcées de barres en PRF. Dix poutres profondes à grande échelle avec des dimensions de 1200 × 300 × 5000 mm ont été construites et testées jusqu’à la rupture sous chargement en deux points. Les variables testées comprenaient différents ratios de cisaillement porté/profondeur (égal à 1.47, 1.13 et 0.83) ainsi que différentes configurations d’armature dans l’âme (incluant un renforcement vertical avec ou sans renforcement horizontal). La rupture de tous les spécimens a été précédée par l’écrasement du béton dans le mât diagonal, ce qui est la rupture typique pour les poutres profondes en BA. Les résultats ont révélé que toutes les configurations de renforcement de l’âme employées dans les spécimens d'essais avaient un effet négligeable sur la résistance ultime. Toutefois, la résistance des spécimens contenant uniquement un renforcement horizontal était étonnamment inférieure à celle des spécimens sans renforcement. La contribution principale du renforcement de l’âme était dans le contrôle de la largeur de fissuration. Les spécimens examinés présentaient une déflexion raisonnable par rapport à ce qui est disponible pour les poutres profondes renforcées en acier dans la littérature. Le développement de l'effet d'arche a été confirmé par la distribution quasi uniforme des déformations le long du renforcement longitudinal dans tous les spécimens. En outre, l'hypothèse de base du modèle des bielles et tirants (MBT) a été utilisée adéquatement pour prédire la distribution de déformation le long du renforcement longitudinal, confirmant l'applicabilité du MBT pour les poutres profondes armées de PRF. Par conséquent, un modèle basé sur un MBT a été proposé afin de prédire la résistance des poutres profondes renforcées de PRF en utilisant les données expérimentales en plus de la mise à l'épreuve expérimentalement des poutres profondes renforcées de PRF trouvées dans la littérature. Une évaluation des MTB disponibles dans les dispositions des codes a été menée afin de déterminer les paramètres importants affectant le facteur d'efficacité de la bielle. La tendance de chaque paramètre (la résistance à la compression du béton, le ratio de cisaillement porté/profondeur, et la déformation dans le renforcement longitudinal) a été évaluée individuellement contre le facteur d'efficacité. Des calculs basés sur l’énergie des déformations ont été effectués pour identifier le modèle de treillis approprié afin de détailler les poutres profondes renforcées de PRF. Par conséquent, seulement quatre spécimens avec un renforcement vertical dans l’âme présentaient la formation de modèles avec deux panneaux de treillis. Le modèle proposé a été capable de prédire la capacité ultime des poutres profondes testées. Le modèle a également été vérifié contre une base de données de 172 poutres profondes renforcées en acier aboutissant en un niveau acceptable de pertinence. La capacité ultime et la performance des poutres profondes testées ont été également adéquatement prédites employant un programme d'éléments finis en 2D (VecTor2), ce qui fournira un puissant outil pour prédire le comportement des poutres profondes renforcées de PRF. L'analyse non linéaire par éléments finis a été utilisée afin de confirmer certaines hypothèses associées à l'étude expérimentale.

Résumé: L’objectif de cette thèse est d’interpréter la dégradation des aspérités des joints rocheux sous différentes conditions de chargement. Pour cela, la variation des aspérités durant les différentes étapes du cisaillement d’un joint rocheux est observée. Selon le concept appelé “tiny windows”, une nouvelle méthodologie de caractérisation des épontes des joints a été développée. La méthodologie est basée sur les coordonnées tridimensionnelles de la surface des joints et elles sont mesurées après chaque essai. Après la reconstruction du modèle géométrique de la surface du joint, les zones en contact sont identifiées à travers la comparaison des hauteurs des “tiny windows” superposées. Ainsi, la distribution des zones de la surface en contact, endommagées et sans contact ont été identifiées. La méthode d’analyse d’image a été utilisée pour vérifier les résultats de la méthodologie proposée. Les résultats indiquent que cette méthode est appropriée pour déterminer la taille et la distribution des surfaces du joint en contact et endommagées à différentes étapes du cisaillement. Un ensemble de 38 répliques ont été préparées en coulant du mortier sans retrait sur une surface de fracture obtenue à partir d’un bloc de granite. Différentes conditions de chargement, incluant des chargements statiques et cycliques ont été appliquées afin d’étudier la dégradation des aspérités à différentes étapes du procédé de cisaillement. Les propriétés géométriques des “tiny windows” en contact en phase pré-pic, pic, post-pic et résiduelle ont été analysées en fonction de leurs angles et de leurs auteurs. Il a été remarqué que les facettes des aspérités faisant face à la direction de cisaillement jouent un rôle majeur dans le cisaillement. Aussi, il a été observé que les aspérités présentent différentes contributions dans le cisaillement. Les aspérités les plus aigües (“tiny windows” les plus inclinées) sont abîmées et les aspérités les plus plates glissent les unes sur les autres. Les aspérités d’angles intermédiaires sont définies comme “angle seuil endommagé” et “angle seuil en contact”. En augmentant la charge normale, les angles seuils diminuent d’une part et, d’autre part, le nombre de zones endommagées et en contact augmentent. Pour un petit nombre de cycles (avec faible amplitude et fréquence), indépendamment de l’amplitude, une contraction apparaît ; par conséquent, la surface en contact et les paramètres de résistance au cisaillement augmentent légèrement. Pour un grand nombre de cycles, la dégradation est observée à l’échelle des aspérités de second ordre, d’où une baisse des paramètres de résistance au cisaillement. Il a été aussi observée que les “tiny windows” avec différentes inclinaisons contribuent au processus de cisaillement, en plus des “tiny windows” les plus inclinées (aspérités plus aigües). Les résultats de la méthode proposée montrent que la différenciation entre les zones en contact et celles endommagées s’avère utile pour une meilleure compréhension du mécanisme de cisaillement des joints rocheux. / Abstract: The objective of the current research is to interpret the asperity degradation of rock joints under different loading conditions. For this aim, the changes of asperities during different stages of shearing in the three-dimensional joint surface are tracked. According to a concept named ‘tiny window’, a new methodology for the characterization of the joint surfaces was developed. The methodology is based on the three-dimensional coordinates of the joints surface that are captured before and after each test. After the reconstruction of geometric models of joint surface, in-contact areas were identified according to the height comparison of the face to face tiny windows. Therefore, the distribution and size of just in-contact areas, in-contact damaged areas and not in-contact areas are identified. Image analysis method was used to verify the results of the proposed method. The results indicated that the proposed method is suitable for determining the size and distribution of the contact and damaged areas at any shearing stage. A total of 38 replicas were prepared by pouring non-shrinking cement mortar on a fresh joint surface of a split granite block. Various loading conditions include monotonic and cyclic loading were applied to study the asperities degradation at different stages of shearing. The geometric properties of the in-contact tiny windows in the pre-peak, peak, post-peak softening and residual shearing stages were investigated based on their angle and height. It was found that those asperities facing the shear direction have the primary role in shearing. It is remarkable that different part of these asperities has their own special cooperation in shearing. The steepest parts (steeper tiny windows) are wore and the flatter parts (flatter tiny windows) are slid. The borderlines between these tiny windows defined as “damaged threshold angle” and “in-contact threshold angle”. By increasing normal load, both the amounts of threshold angles are decreased and contact and damaged areas increased. During low numbers of cycles (with low amplitude and frequency), independent of the type of cycle, contraction occurs and consequently the contact area and the shear strength parameters slightly increased. During larger number of cycles, degradation occurred on the second order asperities, therefore the shear strength parameters slowly decreased. It was also observed that tiny windows with different heights participate in the shearing process, not just the highest ones. The results of the proposed method indicated that considering differences between just in-contact areas and damaged areas provide useful insights into understanding the shear mechanism of rock joints.

Les principaux modèles de comportement en fatigue des assemblages soudés par point ne prennent en compte que des paramètres géométriques. Or, les contraintes résiduelles, la microstructure de la Zone Affectée Thermiquement et la forme du fond d'entaille sont, a priori, autant de facteurs d'influence supplémentaires. L'objectif de ce travail est la compréhension des facteurs prédominants de la tenue en fatigue des assemblages soudés par point en acier THR, afin de proposer des conditions de soudage permettant un comportement amélioré. Pour analyser finement les résultats d'essais, des méthodologies et des outils d'observation sont développés : suivi de fissure, fractographie MEB, analyse métallographique. En soudage, l'observation des structures primaires permet de comprendre la formation du point de soudure. Dans certains cas, la solidification débute alors que le courant est encore délivré à l'assemblage. De nombreux essais de fatigue sont réalisés sur des assemblages de traction-cisaillement en acier Dual Phase pour étudier l'influence des conditions de soudage. Par l'utilisation combinée des différents outils, l'effet des conditions de soudage et les principaux facteurs d'influence sur la durée de vie de l'assemblage sont dégagés. L'étape de propagation de fissure est peu sensible aux conditions de soudage, une modélisation fiabiliste de cette étape est proposée. L'amorçage de fissure se révèle être l'étape cruciale. Un cycle de soudage adapté permet d'obtenir un comportement en fatigue amélioré grâce à une modification favorable du champ de contraintes résiduelles en fond d'entaille , tout en gardant des séquences de soudage sur composant acceptables. Ces résultats ouvrent de réelles perspectives d'application industrielle.

Les vagues de bateau ajoutent une pression supplémentaire sur les berges de rivières et doivent être considérées dans les modèles de prédiction des taux de recul des berges. L’objectif de cette étude est d’examiner le rôle des vagues de bateau sur l’écoulement et le transport en suspension le long des berges en milieu fluvial. Pour atteindre cet objectif, nous utilisons un transect perpendiculaire à la berge de quatre courantomètres électromagnétiques (ECMs) mesurant deux dimensions de l’écoulement et deux turbidimètres (OBSs) placés dos à dos, orientés vers la berge et le large pour mesurer les conditions moyennes et turbulentes de l’écoulement longitudinal et vertical ainsi que les flux de sédiments en suspension provoqués par les vagues. Une chaloupe à moteur de 16 pieds, équipée d’un moteur 40 hp, a été utilisée afin de générer des vagues. Nous avons mesuré l’effet de trois distances à partir de la berge (5, 10, 15 m) et trois vitesses de bateau (5, 15 et 25 km/h) et cinq répliques de chaque combinaison de distance et de vitesse ont été réalisées, totalisant 45 passages. Nous avons caractérisé la variabilité des conditions d’écoulement, de vagues et de transport de sédiments et nous avons réalisé des analyses spectrales afin de séparer les portions oscillatoire et turbulente de l’écoulement généré par les vagues de bateau. L’effet de la distance et de la vitesse du bateau sur le transport de sédiments est non-linéaire et la réponse sédimentaire induite par les passages de bateau montre une variabilité importante entre les répliques et les deux sondes OBS, ce qui suggère un changement morphologique induit par les vagues de bateau. Les corrélations entre les variables d’écoulement et de transport montrent l’importance des relations entre le cisaillement et la puissance de la portion turbulente de l’écoulement avec le transport de sédiments. Cette étude a permis de quantifier les relations entre la dynamique des vagues et les flux de concentrations de sédiments en suspension, ce qui représente une contribution importante au développement de mesures de mitigation dans les environnements fluviaux où les berges sont fragilisées par le trafic plaisancier. / Boat induced waves generate additional stress on banks and should be included in bank erosion predictive models. The objective of this study is to investigate the role of boat generated waves on near bank flow in a fluvial environment. We used a longitudinal array of four bi-directional eletromagnetic current meters (ECMs) perpendicular to the bank and two optical backcattering sensors (OBSs) set back to back, one facing the river bank (inner looking) and the other towards the river (outer looking) to measure mean and turbulent properties of the horizontal and vertical flow velocities and suspended sediment fluxes generated by the waves. The waves were generated using a 16 ft long boat equipped with a 40hp motor. The effect of three different distances between the bank and sailing line (5, 10, 15 m) and of three different speeds of the vessel (5, 15 and 25 km/h) was evaluated. Five replicates of each combination of distance and speed were realized for a total of 45 passages. Variability of flows conditions, wave characteristics and turbidity properties were characterized and spectral analyses were performed to separate oscillatory and turbulent flow induced by boat generated waves. An important variability in suspended sediment response to the passages of boat wave is observed between replications and the effect of speed and distance of sailing line is nonlinear. It was often unbalanced between the inner and outer looking OBS suggesting that the bank changed its morphology. Cross-correlation between hydraulic and turbidity variables show the significance of the relation between shear stress and suspended sediment transport variables. This study provides quantitative relations between wave dynamics and plumes of suspended sediment that could help to develop mitigation measures in fluvial environments where vessel traffic represents a major issue for bank erosion and retreat.

Résumé : Les dalles de tabliers de ponts et des stationnements sont exposées à des environnements agressifs en particulier au Québec et en Amérique du Nord en raison de l'utilisation de sels de déglaçage et des cycles de gel-dégel. La substitution des armatures d’acier par des armatures en matériaux composites de polymères renforcés de fibres (PRF) constitue une alternative intéressante qui connait beaucoup de succès ces dernières années. Le béton armé de PRF est durable, car l’armature n’est pas sujette à la corrosion électrochimique. Aussi l’armature de PRF possède une résistance en traction élevée et est légère. En Amérique du Nord, l’utilisation des composites de PRF a suscité une attention toute particulière de la part des ingénieurs et des gestionnaires d’ouvrages. Plusieurs organismes dont des ministères de transport spécifient l’armature de PRF comme matériau structural dans leurs devis techniques pour lutter contre la corrosion et allonger la durée de service de leurs infrastructures. Les dalles en béton armé sont souvent soumises à des efforts de cisaillement critiques. Actuellement les méthodes de calcul au cisaillement (à l’effort tranchant) de dalles unidirectionnelles en béton armé de PRF différèrent d’une norme à une autre. En effet, la majorité des équations proposées dans les normes et guides de conception ont dérivées à partir de relations empiriques. Bien que des efforts de recherche considérables aient été consacrés dans ce domaine au cours de la dernière décennie, une meilleure compréhension du comportement au cisaillement et des mécanismes de rupture de dalles unidirectionnelles en béton armé de PRF est encore nécessaire. Dans cette recherche, un programme expérimental visant à étudier le comportement de dalles renforcées avec différents types de barres en PRF a été mis en place. Vingt-deux dalles unidirectionnelles en béton renforcées avec des barres de PRF ont été construites et testées en flexion a quatre points jusqu’à la rupture. Les paramètres d’étude comprennent : le type et le taux d’armature, le diamètre de la barre, l’espacement et la configuration de l’armature ainsi que la résistance en compression du béton afin d’examiner leur effet sur la résistance au cisaillement des dalles. Le comportement des dalles testées a été examiné en considérant le réseau de fissures, la charge ultime ainsi que les modes de rupture. Aussi, une base de données comprenant 203 poutres et dalles unidirectionnelles en béton armé de PRF rompues en cisaillement a été répertoriée et introduite dans les analyses. Les charges de rupture en cisaillement des dalles testées dans le cadre de cette thèse ainsi que celles de la base de données ont été comparées à celles prédites par les équations de calcul proposées par la normes canadiennes CSA S6-06/S1 et CSA S806-12, ainsi que celles des deux guides de calcul ACI 440.1R-06 et JSCE-97. Les analyses effectuées ont montré que les valeurs prédites par les équations de calcul proposées par l’ACI 440.1R-06 sont très conservatrices, alors que celles prédites par celles de JSCE-97 sont en meilleur accord avec les valeurs expérimentales. Aussi, les résultats obtenus ont montré que les équations de la nouvelle norme CSA S806-12 prédisent bien la résistance au cisaillement expérimentale. Toutefois, une amélioration de l'équation de la norme CSAS806-12, conduisant à de meilleurs résultats, est proposée. Par ailleurs, les résultats obtenus dans le cadre de cette thèse ont mené à une meilleure compréhension des mécanismes de rupture et des facteurs principaux qui contribuent à la résistance au cisaillement de dalles unidirectionnelles en béton armée de PRF. Enfin, des recommandations pour des travaux futurs y sont également formulées. // Abstract : Bridge deck and parking garage slabs are exposed to aggressive environments particularly in the North American regions resulting from the excessive use of de-icing salts. Fiber-reinforced-polymer (FRP) reinforcements have emerged as a practical and sustainable anti-corrosive reinforcing material with superior tensile strength to overcome the corrosion problem. High comfort level and increase use of the material is currently seen. Protection and regulations policies of some Public North American agencies currently include GFRP reinforcing bars as premium reinforcement. Shear behaviour in RC slabs is examined since most of the bridge deck and parking garage slabs are shear critical. However, there is still no agreement in FRP design codes and guidelines for shear strength equations. Several design code equations are still based on empirical relationships while recent developments are based on shear theories. The complex nature of shear phenomena which is influenced by many parameters, in addition to the existence of various schools of thoughts in shear, makes it difficult to find a general agreement on a unified equation. Huge research efforts are being established, however better understanding for the shear behaviour and failure mechanisms for unidirectional FRP RC slabs is still needed. In this research study, an experimental program was designed to investigate the shear behaviour of one-way concrete slabs reinforced with different types of FRP bars. A total of twenty one concrete slabs reinforced with FRP bars in addition to a steel reinforced slab were constructed and tested to failure under two-point loading. The variation in the concrete contribution to the shear strength V[subscript c] is investigated with respect to FRP reinforcement properties. Newly developed GFRP bars with high modulus, which were not previously investigated in the literature, are used. Different FRP reinforcement properties were included in the study such as reinforcement ratio, modulus of elasticity and axial stiffness, type of bars, and reinforcement configuration. Also, normal concrete and high strength concrete were considered in the research program. Analysis of the experimental results included the general behavior of the tested slabs, crack patterns, ultimate capacities, and modes of failure, load deflection relationships as well as the concrete and reinforcement strains. Test results of the present investigation indicate an influence of the reinforcement type, bar diameter, and the shear stiffness of the bars on the mode of failure and the shear strength. The experimental investigation and analysis of test results provided better understanding of concerning mechanisms of failure and factors contributing to the shear capacity of FRP RC slabs. A refined shear model to the CSA S806-12 is introduced and found to provide better results compared to the existing design codes and guidelines. The model is based on regression analysis of an experimental database. The database is assembled from twenty five different studies in addition to the present investigation. The used database includes 203 unidirectional members reinforced with FRP bars (without shear reinforcement) failing in shear. The model was evaluated through the experimental concrete shear capacities (V[subscript c exp]) of the database and found to provide good predictions. The experimental shear capacities of the database ( V[subscript c exp]) was compared to their corresponding predicted shear capacities (Vcpred ) using CSA S806-12, CAN/CSA-S6.1S1, ACI 440.1R-06, and JSCE-97. It was found that the ACI guide is very conservative. It can be noted that using this guide in its present form may reduce the economic competitiveness of fibre-reinforced polymers. JSCE recommendations are in better agreement with the test results. The Canadian CSA S806-12 equation was found to be in good fit with the experimental shear capacities.

Suite à un accident vasculaire cérébral (AVC), des déficits au membre controlatéral et ipsilatéral à la lésion cérébrale sont observés chez les personnes avec un AVC. La performance du membre ipsilatéral est déterminée par l’importance de la sévérité clinique du membre controlatéral ainsi que par l’adéquation du traitement bihémisphérique des informations sensori-motrices. L’objectif de la présente étude est de comparer la performance motrice de la main ipsilatérale lors de diverses tâches nécessitant un niveau plus ou moins complexe de traitement de l’information chez une clientèle hémiplégique ayant une faible sévérité clinique. Les résultats démontrent que les forces de pinces entre le pouce et l’index du membre ipsilatéral sont modulées et anticipées adéquatement chez les personnes avec un AVC ayant une faible sévérité clinique tel que démontré par des scores de cinq ou plus au Chedoke-McMaster Stroke Assessment (modules bras et main). La performance motrice du membre ipsilatéral lors de l’exécution d’une tâche de coordination bilatérale est comparable à celle du membre dominant des sujets sains lorsque la tâche est réalisée sans interaction entre les membres supérieurs (deux objets) et elle est perturbée lorsqu’elle implique une action coordonnée et réciproque des membres supérieurs sur un même objet. Ces personnes, ayant une bonne récupération motrice, ont donc une problématique centrale d’intégration et de traitement de l’information sensori-motrice lorsqu’il y a une complexification de la tâche à réaliser. Ces résultats suggèrent donc que les cliniciens devraient porter une attention plus particulière aux activités unilatérales et de coordination bilatérales lors le l’exécution de tâches complexes nécessitant un niveau d’intégration sensori-motrice élevé. / As a result of a cerebrovascular accident (CVA), deficits in the controlateral and ipsilateral limb of the brain lesion are observed in person who had had a CVA. The performance of the ipsilateral limb is determined by the clinical severity of the contralateral limb and by the adequacy of bi-hemispheral processing of information. The objective of the present study is to compare the motor performance of the ipsilateral hand during tasks implying different level of sensori-motor integration in patients with low clinical impairments. The results demonstrated that the pinch strengths between the thumb and the index finger of the ipsilateral limb are modulated and anticipated adequately in stroke persons who have a good motor recovery such as demonstrated by scores of five or more in the Chedoke-McMaster Stroke Assessment (arm and hand parts). The motor performance of the ipsilateral limb of stroke persons during the execution of a bilateral coordination task is comparable to the motor performance of the dominant limb of healthy subjects when the task is realized without interaction between upper limbs (two objects) and it is perturbed when it implies a coordinated and reciprocal action of upper limbs on the same object. Consequently, these stroke persons with a good motor recovery have a central problem of integration and processing of sensori-motor informations when a more complex task has to be realized. These results suggest that the clinicians should pay more attention during unilateral tasks and during tasks with bilateral coordination that require a higher level of sensori-motor integration.

Lors du phénomène d’hémostase primaire ou de thrombose vasculaire, les plaquettes sanguines doivent adhérer aux parois afin de remplir leur fonction réparatrice ou pathologique. Pour ce faire, certains facteurs rhéologiques et hémodynamiques tels que l’hématocrite, le taux de cisaillement local et les contraintes de cisaillement pariétal, entrent en jeu afin d’exclure les plaquettes sanguines de l’écoulement principal et de les transporter vers le site endommagé ou enflammé. Cette exclusion pourrait aussi être influencée par l’agrégation de globules rouges qui est un phénomène naturel présent dans tout le système cardiovasculaire selon les conditions d’écoulement. La dérive de ces agrégats de globules rouges vers le centre des vaisseaux provoque la formation de réseaux d’agrégats dont la taille et la complexité varient en fonction de l’hématocrite et des conditions de cisaillement présentes. Il en résulte un écoulement bi-phasique avec un écoulement central composé d’agrégats de globules rouges avoisinés par une région moins dense en particules où l’on peut trouver des globules rouges singuliers, des petits rouleaux de globules rouges et une importante concentration en plaquettes et globules blancs. De ce fait, il est raisonnable de penser que plus la taille des agrégats qui occupent le centre du vaisseau augmente, plus il y aura de plaquettes expulsées vers les parois vasculaires. L'objectif du projet est de quantifier, in vitro, la migration des plaquettes sanguines en fonction du niveau d’agrégation érythrocytaire présent, en faisant varier l’hématocrite, le taux de cisaillement et en promouvant l’agrégation par l’ajout d’agents tels que le dextran à poids moléculaire élevé. Cependant, le comportement non Newtonien du sang dans un écoulement tubulaire peut être vu comme un facteur confondant à cause de son impact sur l’organisation spatiale des agrégats de globules rouges. De ce fait, les études ont été réalisées dans un appareil permettant de moduler, de façon homogène, la taille et la structure de ces agrégats et de quantifier ainsi leur effet sur la migration axiale des plaquettes. Du sang de porc anti coagulé a été ajusté à différents taux d’hématocrite et insérer dans un appareil à écoulement de Couette, à température ambiante. Les plaquettes sanguines, difficilement isolables in vitro sans en activer certains ligands membranaires, ont été remplacées par des fantômes en polystyrène ayant un revêtement de biotine. La quantification de la migration de ces fantômes de plaquettes a été réalisée grâce à l’utilisation de membranes biologiques fixées sur les parois internes de l’entrefer du rhéomètre de Couette. Ces membranes ont un revêtement de streptavidine assurant une très forte affinité d’adhésion avec les microparticules biotynilées. À 40% d’hématocrite, à un cisaillement de 2 s-1, 566 ± 53 microparticules ont été comptées pour un protocole préétabli avec du sang non agrégeant, comparativement à 1077 ± 229 pour du sang normal et 1568 ± 131 pour du sang hyper agrégeant. Les résultats obtenus suggèrent une nette participation de l’agrégation érythrocytaire sur le transport des fantômes de plaquettes puisque l’adhésion de ces derniers à la paroi du rhéomètre de Couette augmente de façon quasi exponentielle selon le niveau d’agrégation présent. / During the primary hemostatis or thrombosis phenomenon, the human blood platelets must adhere to the vascular wall in order for them to perform their repairing or pathological function. To do so, certain rheological and hemodynamic factors such as the hematocrit, local shear rate and the wall shear stress, must come into play to exclude blood platelets from the main blood stream and transport them to the vicinity of the damaged or inflamed site. This exclusion could also be influenced by red blood cell aggregation which is a natural process present throughout the entire cardiovascular system under certain flow conditions. The displacement of these rouleaux of red blood cells towards the centre of the vessel induces the formation of 3D networks of aggregates whose size and complexity vary as a function of the hematocrit and the shearing conditions present. It results in a two phase flow with an inner core composed of red blood cell aggregates surrounded by single red blood cells or small aggregates and large numbers of white blood cells and platelets. It is therefore reasonable to believe that the larger the inner core becomes, the more platelets will be expulsed towards the vascular wall. The objective of the study was to quantify, in vitro, the lateral migration of blood platelets as a function of the level of red blood cell aggregation present, by changing the hematocrit, the shear rate and by promoting red blood cell aggregation with the use of agents such as high molecular weight dextran. However, the non Newtonian behavior of blood in tube flow can be seen as a confounding factor to the understanding of the spatial organization of the red blood cell aggregates. In this study, whole blood was circulated in a simple shear flow apparatus, which allowed to homogeneously modulate the red blood cell aggregate sizes and structure, and quantify their effect on the axial migration of blood platelets. Anticoagulated porcine bloods were adjusted to different hematocrits and inserted into a Couette flow apparatus, at room temperature. Blood platelets, difficult to isolate in vitro without activating in a non reproducible manner specific membrane ligands, were replaced with biotin coated fluorescent polystyrene beads. The quantification of the migration of these platelet ghosts was conducted with the use of biological membranes fixed on the interior walls of the Couette apparatus. These streptavidin coated membranes ensure a strong adhesive affinity with the biotynilated beads. At 40% hematocrit and at a shear of 2 s-1, 566 ± 53 micro particles were counted for non aggregated erythrocytes, 1077 ± 229 for aggregating red blood cells and 1568 ± 131 for hyper aggregating blood. The results obtained suggest a strong participation of the red blood cell aggregation on the transport of platelet ghosts since the number of ghost cells fixed on the wall of the Couette rheometer increases almost exponentially with the level of aggregation present.

L’érosion des berges est un processus clé de la dynamique fluviale. Elle influence considérablement la charge sédimentaire des rivières et contrôle l’évolution latérale des chenaux. Les méthodes de caractérisation des mécanismes et des variables affectant l’érosion des berges sont toutefois imprécises et difficiles à appliquer. Ce projet a pour objectif de caractériser la dynamique actuelle des berges de deux tributaires contrastés du Saint-Laurent : les rivières Saint-François et Batiscan. Le premier objectif vise à quantifier les caractéristiques géotechniques de deux tronçons des rivières à l’étude près de l’embouchure avec le Saint-Laurent en décrivant la stratigraphie à différents sites typiques et en recueillant des échantillons de sédiments afin de mesurer différentes variables géotechniques (granulométrie, limites d’Atterberg, résistance à l’érosion mécanique, résistance à l’érosion fluviale). Le second objectif vise à quantifier les principales caractéristiques hydrodynamiques (précipitations, débits, cisaillements, vitesses) des deux sections de rivière. Le troisième et dernier objectif cherche à mesurer les taux d’érosion à l’échelle saisonnière en utilisant des relevés GPS et des chaînes d’érosion et à identifier les mécanismes d’érosion qui opèrent sur les rivières. Les résultats montrent une érosion importante des berges sur chacun des tributaires, mais les mécanismes qui la cause diffèrent. La Batiscan possède des berges dont le matériel est cohésif et ses berges sont principalement marquées par des ruptures de masse. La Saint-François présente des berges peu cohésives ce qui favorise l’érosion fluviale. Le taux de recul sur la rivière Saint-François est de l’ordre de 1 à 3 m/an dans certaines sections de la rivière. Une nouvelle méthode de mesure du cisaillement critique d’érosion fluviale à l’aide d’un chenal expérimental a été élaborée. Les cisaillements critiques obtenus se situent entre 1,19 et 13,41 Pa. Les résultats montrent que les facteurs jouant sur l’érosion des berges ont une variabilité intrinsèque et systémique difficile à mesurer. Le protocole expérimental développé dans ce projet s’est toutefois avéré utile pour étudier les principales variables qui influencent l’érosion des berges, tout en quantifiant les taux d’érosion et les mécanismes d’érosion de berge de deux tributaires importants du fleuve Saint-Laurent. Ce protocole pourrait être utile dans d’autres contextes. / Bank erosion is a key process in fluvial dynamics. It affects sedimentary load in rivers and controls channel lateral evolution. Until now, the methodology used to characterize bank erosion mechanisms and other controlling factors is still imprecise and difficult to apply in many cases. The aim of this project is to characterize bank dynamics in two contrasted Saint-Lawrence tributaries: the Batiscan and Saint-François rivers. The first objective of this study is to quantify geotechnical properties of a section on each river. To achieve this objective, we have described stratigraphic sections at different sites and collected bank material samples in order to measure geotechnical variables in the laboratory (grain size analysis, Atterberg limits, mechanical strength, erosional strength). The second objective is to quantify the hydrodynamic characteristics (precipitations, discharge, shear stress, velocity) of the two river sections. The third and last objective is to measure bank erosion rates with GPS data and erosion pins at a seasonal scale and to identify bank erosion mechanisms occurring in the studied reaches. The results show a high erosional sensitivity of the banks on each tributary, but the observed mechanisms differ from on river to the other. Bank material on the Batiscan River is cohesive and is more susceptible to mass failure. Bank material on the Saint-François River is less cohesive and is mainly affected by fluvial erosion. Bank erosion rates measured on Saint-François River are between 1 to 3 m/year in some sections of the studied reach. A new method of measuring fluvial erosion critical shear stress has been developed with a flume. The critical shear stresses are estimated to be between 1,19 and 13,41 Pa. The results demonstrate the high variability of the response of banks to erosional processes and the difficulty of measuring the intrinsic and systemic factors acting on bank erosion. The experimental protocol developed in this project for the study of the main variables that determine erosion bank, erosion rates and bank mechanisms in two tributaries of the Saint-Lawrence could be applied successfully to other rivers.

À ce jour, la scoliose idiopathique de l’adolescent (SIA) est la déformation rachidienne la plus commune parmi les enfants. Il est bien connu dans le domaine de recherche sur la SIA que les forces mécaniques, en particulier les forces biomécaniques internes dans le système musculosquelettique, pourraient jouer un rôle majeur dans l’initiation et le développement de la maladie. Cependant, les connaissances sur la transformation des forces et des stimulations mécaniques en activité biochimique sont peu abondantes. Cet axe de recherche est très prometteur et peut nous fournir de nouvelles idées dans le dépistage et le traitement de la SIA. Dans le cadre de cette étude, nous visons à caractériser la mécanotransduction chez les patients atteints de la SIA en employant des techniques novatrices aux niveaux in vivo et in vitro. Antérieurement dans notre laboratoire, nous avons démontré que les niveaux d’Ostéopontine (OPN) plasmatique chez l’humain corrèlent avec la progression et la sévérité de la maladie, et que ces changements sont observables avant le début de la scoliose. En plus, selon la littérature, l’OPN est une molécule sensible à la force mécanique, dont l’expression augmente en réponse dans de nombreux types de cellules chez plusieurs espèces. Toutefois, il n’existe aucune preuve que ce résultat soit valide in vivo chez l’humain. L’hétérogénéité physique et biochimique de la SIA pose un gros défi aux chercheurs. Souvent, il est très difficile de trouver des résultats ayant une grande applicabilité. Les études portant sur les facteurs biomécaniques ne font pas exception à cette tendance. En dépit de tout cela, nous croyons qu’une approche basée sur l’observation des contraintes de cisaillement présentes dans le système musculosquelettique pourrait aider à surmonter ces difficultés. Les contraintes de cisaillement physiologique sont générées par des courants de fluide en mouvement à l’intérieur des os. Aussi, elles sont omniprésentes et universelles chez l’humain, peu importe l’âge, le sexe, la condition physique, etc., ce qui veut dire que l’étudier pourrait fort bien avancer nos connaissances en formant une base fondamentale avec laquelle on pourra mieux comprendre les différences quant à la mécanotransduction chez les patients atteints de la SIA par rapport aux sujets sains. Pour ce projet, donc, nous proposons l’hypothèse que les sujets atteints de la SIA se différencient par leurs réponses respectives à la force mécanique au niveau cellulaire (en termes de l’expression génique) ainsi qu’au niveau in vivo (en termes du marqueur OPN et son récepteur, sCD44). Afin de vérifier la partie de notre hypothèse de recherche concernant l’aspect in vivo, nous avons recruté une cohorte de patients âgés de 9-17 ans, y compris i) des cas pré-chirurgicaux (angle de Cobb > 45°), ii) des cas modérément atteints (angle de Cobb 10-44°), iii) des témoins, et iv) des enfants asymptomatiques à risque de développer la scoliose (selon nos dépistages biochimiques et fonctionnels) d’âge et sexe appariés. Une pression pulsatile et dynamique avec une amplitude variant de 0-4 psi à 0.006 Hz a été appliquée à un des bras de chacun de nos sujets pour une durée de 90 minutes. Au tout début et à chaque intervalle de 30 minutes après l’initiation de la pression, un échantillon de sang a été prélevé, pour pouvoir surveiller les niveaux d’OPN et de sCD44 circulants chez les sujets. Nous avons découvert que le changement des niveaux d’OPN plasmatique, mais pas des niveaux de sCD44, corrélaient avec la sévérité de la difformité rachidienne chez les sujets, ceux ayant une courbe plus prononcée démontrant une ampleur de réponse moins élevée. Pour vérifier la partie de notre hypothèse de recherche concernant la réponse mécanotransductive cellulaire, des ostéoblastes prélevées à 12 sujets ont été mis en culture pour utilisation avec notre appareil (le soi-disant « parallel plate flow chamber »), qui sert à fournir aux ostéoblastes le niveau de contraintes de cisaillement désiré, de manière contrôlée et prévisible. Les sujets étaient tous femelles, âgées de 11-17 ans ; les patients ayant déjà une scoliose possédaient une courbe diagnostiquée comme « double courbe majeure ». Une contrainte fluidique de cisaillement à 2 Pa, 0.5 Hz a été appliquée à chaque échantillon ostéoblastique pour une durée de 90 minutes. Les changements apportés à l’expression génique ont été mesurés et quantifiés par micropuce et qRT-PCR. En réponse à notre stimulation, nous avons trouvé qu’il n’y avait que quelques gènes étant soit différentiellement exprimés, soit inchangés statistiquement dans tous les groupes expérimentaux atteints, en exhibant simultanément la condition contraire chez les témoins. Ces résultats mettent en évidence la grande diversité de la réponse mécanotransductive chez les patients comparés aux contrôles, ainsi qu’entre les sous-groupes fonctionnels de la SIA. Globalement, cette œuvre pourrait contribuer au développement d’outils diagnostiques innovateurs pour identifier les enfants asymptomatiques à risque de développer une scoliose, et évaluer le risque de progression des patients en ayant une déjà. Aussi, dans les années à venir, les profils mécanotransductifs des patients pourraient s’avérer un facteur crucial à considérer cliniquement, particulièrement en concevant ou personnalisant des plans de traitements pour des personnes atteintes. / Adolescent idiopathic scoliosis (AIS) is the most commonly occurring musculoskeletal deformity among children today. It is generally well accepted in scoliosis research that mechanical forces, especially the internal biomechanical forces of the musculoskeletal system, could well have a major role in the induction and pathogenesis of the disease. However, the process by which mechanical loads or stimuli are converted into biochemical activity (mechanotransduction) has not been explored so deeply. This emerging facet of research in AIS holds much promise for new insights into the disease. Here, we aim to characterize mechanotransduction in scoliosis patients using some novel techniques at both the in vivo and in vitro levels. Previously in our lab, we demonstrated that the level of plasma osteopontin (OPN) and sCD44 in the human body is a strong indicator of disease progression and severity, and that these changes are observable before scoliosis onset. In the literature, OPN in vitro is known to be mechanosensitive, showing upregulation in response to mechanical stress in a variety of cell types across many species. However, to the best of the author’s knowledge, no literature exists as to whether this behaviour carries over in vivo in humans. A major difficulty in AIS research is the heterogeneity of the disease, both physically and biochemically. Because of this, many times it is difficult to find results with wide applicability to patients. Study of biomechanical factors in AIS is no exception. We believe, however, that study of fluid shear stress in the musculoskeletal system may be able to solve this problem for mechanotransduction-related issues in AIS. Native physiological fluid shear stresses in humans are experienced in the musculoskeletal system, caused by fluid movement over cells therein. These fluid shear stresses are omnipresent and universal in all humans, regardless of age, gender, fitness level, etc., which means that studying it could very well go a long way towards establishing a fundamental basis of understanding the differences as to mechanotransduction in scoliosis patients as opposed to normal cases. In this project, then, we advanced the hypothesis that AIS patients are distinguishable in the way they respond to mechanical force at both the cellular level (in terms of gene expression) as well as globally at the in vivo level (in terms of the scoliosis marker OPN and its receptor sCD44). To test the in vivo portion of our hypothesis, we recruited a cohort of patients between the ages of 9-17, each one of which fell into one of 4 subject groups: i) surgical cases (pre-surgery, Cobb angle > 45°), ii) moderately affected cases (Cobb angle 10-44°), iii) controls, or iv) asymptomatic children at risk of developing scoliosis matched for age and gender against healthy controls. A dynamic, pulsatile, compressive pressure of variable amplitude from 0-4 psi at 0.006 Hz was applied to the arm of each subject for a period of 90 minutes. Initially and at intervals of 30 minutes after the start of force application, blood samples were taken in order to monitor circulating plasma OPN and sCD44 levels in subjects. We found that the change of circulating OPN levels, but not sCD44 levels, measured in vivo in response to our mechanical stimulation was statistically significantly correlated to status of spinal deformity severity, with more severely affected subjects demonstrating lower magnitudes of ΔOPN. To test the cellular portion of our hypothesis, osteoblasts from severely affected AIS patients and unaffected controls were cultured for use with our parallel plate flow chamber (PPFC) apparatus setup, which permits application of fluid shear stress patterns to cells in a predictable, controllable manner. Subjects were all females who fell into the 11-17 years age range, with scoliotic patients presenting with double major curves. A dynamic, sinusoidal and oscillatory fluid shear stress pattern was applied to osteoblasts at 2 Pa, 0.5 Hz for 90 minutes. Overall gene expression changes across RNA samples as a result of our stimulation were measured using microarray and qRT-PCR approaches. In response, only a very small number of genes are either mutually differentially expressed or statistically unchanged across all functional scoliotic subgroups while having the opposite condition in the control group, indicating a great degree of difference in terms of mechanotransductive response as compared internally between AIS functional subgroups, as well as between control and AIS patients. Globally, this project’s work may contribute to the development of innovative diagnostic tools to identify asymptomatic children at risk of developing scoliosis, and to assess the risk of curve progression at an early stage in those already affected. Also, in years to come, the mechanotransductive profile of a patient could be another integral factor to weigh, clinically, when considering or designing treatment plans for affected persons.

Les vagues de bateau ajoutent une pression supplémentaire sur les berges de rivières et doivent être considérées dans les modèles de prédiction des taux de recul des berges. L’objectif de cette étude est d’examiner le rôle des vagues de bateau sur l’écoulement et le transport en suspension le long des berges en milieu fluvial. Pour atteindre cet objectif, nous utilisons un transect perpendiculaire à la berge de quatre courantomètres électromagnétiques (ECMs) mesurant deux dimensions de l’écoulement et deux turbidimètres (OBSs) placés dos à dos, orientés vers la berge et le large pour mesurer les conditions moyennes et turbulentes de l’écoulement longitudinal et vertical ainsi que les flux de sédiments en suspension provoqués par les vagues. Une chaloupe à moteur de 16 pieds, équipée d’un moteur 40 hp, a été utilisée afin de générer des vagues. Nous avons mesuré l’effet de trois distances à partir de la berge (5, 10, 15 m) et trois vitesses de bateau (5, 15 et 25 km/h) et cinq répliques de chaque combinaison de distance et de vitesse ont été réalisées, totalisant 45 passages. Nous avons caractérisé la variabilité des conditions d’écoulement, de vagues et de transport de sédiments et nous avons réalisé des analyses spectrales afin de séparer les portions oscillatoire et turbulente de l’écoulement généré par les vagues de bateau. L’effet de la distance et de la vitesse du bateau sur le transport de sédiments est non-linéaire et la réponse sédimentaire induite par les passages de bateau montre une variabilité importante entre les répliques et les deux sondes OBS, ce qui suggère un changement morphologique induit par les vagues de bateau. Les corrélations entre les variables d’écoulement et de transport montrent l’importance des relations entre le cisaillement et la puissance de la portion turbulente de l’écoulement avec le transport de sédiments. Cette étude a permis de quantifier les relations entre la dynamique des vagues et les flux de concentrations de sédiments en suspension, ce qui représente une contribution importante au développement de mesures de mitigation dans les environnements fluviaux où les berges sont fragilisées par le trafic plaisancier. / Boat induced waves generate additional stress on banks and should be included in bank erosion predictive models. The objective of this study is to investigate the role of boat generated waves on near bank flow in a fluvial environment. We used a longitudinal array of four bi-directional eletromagnetic current meters (ECMs) perpendicular to the bank and two optical backcattering sensors (OBSs) set back to back, one facing the river bank (inner looking) and the other towards the river (outer looking) to measure mean and turbulent properties of the horizontal and vertical flow velocities and suspended sediment fluxes generated by the waves. The waves were generated using a 16 ft long boat equipped with a 40hp motor. The effect of three different distances between the bank and sailing line (5, 10, 15 m) and of three different speeds of the vessel (5, 15 and 25 km/h) was evaluated. Five replicates of each combination of distance and speed were realized for a total of 45 passages. Variability of flows conditions, wave characteristics and turbidity properties were characterized and spectral analyses were performed to separate oscillatory and turbulent flow induced by boat generated waves. An important variability in suspended sediment response to the passages of boat wave is observed between replications and the effect of speed and distance of sailing line is nonlinear. It was often unbalanced between the inner and outer looking OBS suggesting that the bank changed its morphology. Cross-correlation between hydraulic and turbidity variables show the significance of the relation between shear stress and suspended sediment transport variables. This study provides quantitative relations between wave dynamics and plumes of suspended sediment that could help to develop mitigation measures in fluvial environments where vessel traffic represents a major issue for bank erosion and retreat.