As pontes de concreto armado são obras de arte de extrema importância para a infraestrutura de transportes do Brasil. Portanto sua inspeção e manutenção são atividades estratégicas. A inspeção visual, ensaios destrutivos e não destrutivos fornecem informações sobre a sua integridade estrutural e auxiliam na tomada de decisões relativas à necessidade de reparos e reforços. Entre os ensaios não destrutivos, avalia-se neste trabalho a aplicação da identificação modal estocástica na detecção de danos em pontes. A técnica baseia-se na medição das vibrações ambientais da estrutura, aquelas que ocorrem durante seu uso, identificação de suas propriedades modais, comparação com as propriedades modais da estrutura íntegra e consequente detecção de danos. Diferentemente da análise dinâmica experimental clássica, na identificação modal estocástica as ações dinâmicas não são medidas e nem controladas durante o ensaio. Por este motivo foram adotadas técnicas de identificação modal baseadas apenas nas vibrações medidas em alguns pontos da estrutura, funções de densidade espectral de potência e transmissibilidades de vibrações entre os pontos. Desta forma as frequências naturais e modos de vibração experimentais puderam ser precisamente identificados em modelos íntegros e danificados de pontes em escala reduzida. Em cada modelo, uma danificação foi imposta em uma de suas longarinas no meio do vão ou no segundo quarto de vão. Após a realização dos ensaios dinâmicos nas condições íntegra e danificada, duas técnicas de identificação de danos foram utilizadas: Diferença de Curvatura Modal (DCM) e Índice de Dano (ID). Ambas as técnicas tiveram sucesso na detecção de danos nos modelos de pontes avaliados. / Reinforced concrete bridges are extremely important elements of Brazilian transportation infrastructure. Consequently their inspection and maintenance are strategic activities. Visual inspection, destructive or nondestructive tests offer relevant information on their structural integrity and support the decision on the need of retrofitting or strengthening. Among existing types of nondestructive tests, this work focuses on the application of stochastic modal identification in damage detection of bridges. This technique is based on the measurement of environmental vibrations that occur during normal operation of the structure, modal identification, comparison of modal properties between damaged and undamaged bridge and finally damage detection. Opposed to classical dynamic experimental analysis, in stochastic modal identification the loads are not measured or known during the test. For this reason modal identification was only based in vibrations measured in selected points of the structure, power spectral density functions and vibration transmissibilities between these points. With this method natural frequencies and experimental modal shapes could be precisely identified in damaged and undamaged small scale models of bridges. The damage was induced in the middle of the span or in the second quarter of the span in one of the girders. After dynamic testing in undamaged and damaged conditions two damage identification techniques were used: Modal Curvature Difference (MCD) and Damage Index (ID). Both techniques detected successfully the damages imposed to the bridge models.

La génération de chemins lisses pour les voitures intelligentes est l’une des conditions les plus importantes pour faire accepter et faciliter la navigation autonome de ces véhicules. Cette thèse propose plusieurs méthodes de génération de chemins lisses pour les véhicules non-holonomes qui permet une continuité intrinsèque de la courbure de navigation et offre par ailleurs une flexibilité accrue pour diverses conditions aux limites. Le chemin de courbure continue est construit en composant plusieurs clothoids, comprenant notamment des segments de lignes et/ou d’arcs, et où chaque clothoid est obtenue par une régulation appropriée de ses paramètres. À partir de ces propriétés, le chemin obtenu est nommé pCCP (parametric Continuous Curvature Path). Le pCCP fournit un diagramme de courbure qui facilite une commande en orientation du véhicule, ce qui permet d'obtenir une évolution lisse de sa trajectoire. Le problème du pCCP local est défini par des configurations initiales et finales (caractérisées pour chacune par une posture et un angle de braquage). Le problème a été étendu pour être aussi général que possible en incluant plusieurs cas. La génération locale de pCCPs, pour des cibles statiques, est spécifiquement décrite, les problèmes ont été divisés en trois problèmes et chaque problème a été décomposé par la suite en plusieurs sous-classes possibles. Pour avoir une flexibilité importante des pCCPs proposés, des cibles dynamiques ont été considérées, obtenant ainsi le dynamic-pCCP (d-pCCP). Un cadre simple mais efficace pour analyser l'état futur de l'évitement des obstacles est appliqué en configuration 4D (3D avec l’ajout d’un axe temporel) en mettant en exergue deux manoeuvres d’évitement possibles, car les évolutions avant et arrière sont appliquées et validées avec plusieurs exemples. Selon une méthodologie similaire pour atteindre les critères de performance liés à la génération des pCCPs, le h-CCP (pour human-pCCP) est proposé en utilisant des modèles expérimentaux comportementaux d’échantillons de conducteurs humains. À partir de quelques sous-expériences, le modèle de conduite humain pour l’évitement d’obstacles, les changements de voie et les mouvements en virage sont extraits et ces modèles ont été inclus pour créer ainsi le h-CCP (obtenu d’une manière similaire au pCCP mais avec différents critères d’optimisation) qui permet d’améliorer considérablement le confort des passagers. / Smooth path generation for car-like vehicles is one of the most important requisite to facilitate the broadcast use of autonomous navigation. This thesis proposes a smooth path generation method for nonholonomic vehicles which has inherently continuity of curvature and having important flexibility for various boundary conditions. The continuous curvature path is constructed by composing multiple clothoids including lines and/or arc segments, and where each clothoid is obtained by parameter regulation. From those properties the path is named pCCP (parametric Continuous Curvature Path) and provides curvature diagram which facilitates a smooth steering control for path following problem. Local pCCP problem is defined by initial and final tuple configurations (vehicles posture and steering angle). The problem is expanded to be as general as possible by including several cases. The local pCCP generation for steady target pose is specifically described, where the problem is divided into three problems and each problem is also decomposed into several sub-cases. To give more flexibility to the proposed pCCP, dynamic target is considered to obtain dynamic-pCCP (d-CCP). A simple but efficient framework to analyze the future status of obstacle avoidance is applied in 4D (3D with the addition of time axis) configuration and two avoidance maneuvers as front and rear avoidance are applied and validated with several examples. Under the similar methodology in performance criteria of pCCP generation, the human-CCP (h-CCP) is derived from experimental patterns of human driver samples. From several subexperiments, human driving pattern for obstacle avoidance, lane change and cornering motion are extracted and those pattern were included to make the h-CCP (which is obtained with similar way as pCCP but with different optimization criteria) to enhance considerably the passenger comfort.

Cette thèse porte sur l'étude de la dynamique et de la morphologie de bulles non confinées dans des colonnes à bulles et de bulles confinées dans des microcanaux, ainsi que sur l'étude du transfert de matière entre une bulle sphérique confinée dans un microcanal et le liquide environnant. <p><p>Un dispositif expérimental d'imagerie et une méthode de posttraitement des images brutes ont été développés afin d'analyser la dynamique et la morphologie de bulles non confinées ayant une trajectoire non rectiligne de leur centre de masse en évitant les effets de perspectives et en déterminant un seuil pour la binarisation des images brutes sur base d'un critère bien défini. Ce dispositif expérimental et cette méthode de posttraitement des images brutes ont permis de générer des données relatives à la dynamique et la morphologie de bulles ellipsoïdales isolées et non confinées, pour des nombres d'Eötvös (Eo) et de Morton (Mo) de ces bulles tels que 0.8 < Eo < 8 et 10 <SUP>-11</SUP> < Mo < 10 <SUP>-7</SUP>. L'analyse de ces données a permis de cartographier la nature de la trajectoire d'une bulle et la présence d'une éventuelle oscillation de son interface en fonction de ses nombres d'Eötvös et de Morton. Les bulles ayant une trajectoire hélicoïdale sans oscillation de leur interface ont été sélectionnées afin de proposer des corrélations pour calculer l'amplitude et la fréquence de leur trajectoire en fonction de leurs nombres d'Eötvös et de Morton. Concernant les bulles ayant une trajectoire en zigzag ou hélicoïdale sans oscillation de leur interface, l'analyse des données a permis de montrer l'alignement entre le vecteur vitesse de leur centre de masse et leur petit axe. Les rayons de courbure de l'avant et l'arrière de l'interface de ces bulles ont été évalués. Pour les bulles ayant une trajectoire en zigzag, une corrélation a été établie pour calculer le rapport des rayons de courbure à l'avant et à l'arrière de leur interface en fonction de leurs nombres d'Eötvös et de Morton. Une pulsation dans la composante verticale du mouvement du centre de masse d'une bulle a été observée dans le cas d'une trajectoire en zigzag de la bulle et ce à une fréquence égale au double de celle de sa trajectoire. Une telle pulsation n'a pas pu être identifiée dans le cas d'une trajectoire hélicoïdale d'une bulle. <p><p>Concernant l'analyse de la dynamique de bulles sphériques confinées dans des microcanaux de sections carrée et circulaire, ainsi que du transfert de matière entre ces bulles et le liquide environnant, une méthode numérique a été développée dans laquelle deux conditons aux limites sont considérées sur l'interface liquide-gaz: une condition de contrainte tangentielle nulle et une condition de non glissement. Les résultats obtenus avec cette méthode ont permis de caractériser les champs de vitesse et de concentration autour des bulles considérées, et de montrer leurs interactions. Grâce à ces résultats, des corrélations ont été établies, dans ces microcanaux et pour ces deux conditions aux limites, pour calculer la vitesse des bulles et pour caractériser le transfert de matière entre ces bulles et le liquide en fonction des paramètres définissant le système. Sur base de ces corrélations et de bilans de matière et de quantité de mouvement, un modèle pour la dissolution de bulles le long de microcanaux de sections carrée et circulaire a été proposé, pour le régime bubbly flow, et comparé avec des données expérimentales disponibles dans la littérature. Ce modèle permet de prédire, pour une bulle se mouvant le long d'un microcanal de section carrée ou circulaire, les évolutions des pressions dans le liquide et le gaz, de son diamètre, de sa vitesse, de la concentration du gaz dissous dans le liquide, de la distance de séparation entre cette bulle et la bulle qui la suit et du coefficient de transfert de matière entre cette bulle et le liquide environnant.<p><p> / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Abstract : Deterioration of concrete structures reinforced with steel bars can be seen daily in regions with aggressive weather as steel-corrosion problems worsen. Fiber-reinforced-polymers (FRP) reinforcement has proven its feasibility through different civil structural elements. Present guidelines for FRP structures in North-America and Europe have not yet handled axially loaded members, due to the lack of research and experiments. This research takes charge of providing experimental database as well as extensive analyses and design recommendations of circular concrete columns reinforced totally with different FRP bars and spirals/hoops (FRP-RC columns). Full-scale columns were tested under monotonic loading with different levels of eccentricity. Test variables included the eccentricity-to-diameter ratio (e/D); reinforcement type (GFRP and CFRP vs. steel); concrete strength; longitudinal and transverse reinforcement ratio; and confinement configuration. All specimens measured 305 mm diameter and 1500 mm height. Test results indicated that specimens reinforced with glass-FRP (GFRP) or carbon-FRP (CFRP) reached their peak strengths with no damages to GFRP or CFRP rebar on either side of specimens. Specimens with CFRP reinforcement (CFRP-RC) behaved very similarly to their steel counterparts, and achieved almost the same nominal axial forces. Specimens with GFRP reinforcement (GFRP-RC) exhibited, however, reduced stiffness and achieved lower nominal axial forces than their steel or CFRP counterparts. Failure of GFRP-RC and CFRP-RC specimens was dominated by concrete crushing at low levels of eccentricity (e/D ratios of 8.2% and 16.4%). Experimental strain results revealed that GFRP bars developed high levels of strains and stresses on the compression and tension sides and hence the GFRP-RC specimens could sustain constant axial load after peak for some time up to the limit of concrete crushing at higher levels of eccentricity (e/D ratios of 8.2% and 16.4%), which help to delay the full damage. At these levels, flexural–tension failure initiated in the GFRP-RC specimens resulting from large axial and lateral deformations and cracks on the tension side until secondary compression failure occurred due to strain limitations in concrete and degradation of the concrete compressive block. The failure of CFRP-RC specimens at higher levels of eccentricity (e/D ratios of 8.2% and 16.4%) was characterized as flexural–compression in which it took place in a less brittle manner. On the other hand, this research also included different studies to analyze the test results, evaluate rebar efficiency, and provide recommendations for analysis and design. It was, therefore, indicated that the axial and flexural capacities of the tested FRP-RC specimens could be reasonably predicted using plane sectional analysis, utilizing the equivalent rectangular stress block (ERSB) parameters given by the ACI 440.1R-15 or CSA S806-12. All predictions underestimated the actual strength with variable levels of conservatism ranged between 1.05 to 1.25 for the GFRP-RC specimens and between 1.20 to 1.40 for the CFRP-RC specimens. These levels were noticeably reduced to critical limits in specimens with high-strength concretes. An elaborate review was made to the available ERSB parameters in the present steel and FRP design standards and guidelines. Modified expressions of the ERSB given in ACI 440.1R-15 and CSA S806-12 were developed. The results indicated good correlation of predicted and measured strength values with enhanced levels of conservatism. Additionally, sets of axial force–bending moment (P-M) interaction diagrams and indicative bar charts are introduced, and recommendations drawn. The compressive-strength contribution of FRP reinforcement was thoroughly reviewed and discussed. The minimum GFRP and CFRP reinforcement ratios to avoid rebar rupturing were broadly examined. Finally, the flexure stiffness (EI) of the tested specimens was analytically determined and compared with the available expressions using experimental and analytical M-ψ responses. Proposed equations are developed and validated against the experimental results to represent the stiffness of GFRP-RC and CFRP-RC columns at service and ultimate levels. / La détérioration des structures en béton armé avec des barres d’armature d’acier peut être observée quotidiennement dans les régions à climat agressif. Le renforcement interne en polymères renforcés de fibres (PRF) a démontré sa faisabilité grâce à différents éléments structuraux en génie civil. Les lignes directrices actuelles pour les structures en béton armé de PRF en Amérique du Nord et en Europe n'ont pas encore gérées les sections soumises à des efforts axiaux excentrique, en raison du manque de recherches et d'expériences. Cette recherche permet d’augmenter la base de données expérimentales ainsi établir des analyses approfondies et des recommandations de conception pour les colonnes circulaires en béton armé complètement renforcées de PRF (barres et spirales). Des grandeur-nature colonnes ont été testées sous charge monotone avec différents niveaux d'excentricité. Les variables de test comprenaient le rapport excentricité / diamètre (e/D) ; le type de renfort (PRFV et PRFC comparativement à l’acier); la résistance du béton en compression; le taux d’armature longitudinal et transversal; et la configuration de l’armature de confinement. Tous les échantillons mesuraient 305 mm de diamètre et 1500 mm de hauteur. Les résultats des tests ont indiqué que les spécimens renforcés avec des PRF de verre ou des PRF de carbone atteignaient leur résistance maximale sans endommager les barres d’armature. Des deux types de renforcement, les spécimens de PRFCCFRP se comportaient de manière très similaire à leurs homologues en acier et atteignaient presque les mêmes résistances axiales. Cependant, les spécimens avec renforcement en PRFV ont présenté une rigidité réduite et des forces axiales nominales inférieures à celles de leurs homologues en acier ou en PRFC. Le mode de rupture des spécimens de PRFC et de PRFV a été dominé par l’écrasement du béton à de faibles niveaux d'excentricité (rapports e/D de 8,2% et 16,4%). Les résultats ont révélé que les barres de PRFV ont développé des niveaux élevés de déformations et de contraintes sur les faces en compression et en tension et, par conséquent, les spécimens de PRFVC pourraient supporter une charge axiale constante après la résistance ultime pendant un certain temps jusqu'à la limite de la rupture en compression du béton du noyau à des niveaux supérieurs d'excentricité (rapport e/D de 8,2% et 16,4%), ce qui contribue à retarder la dégradation. À ces niveaux, une rupture en tension a été initiée dans les spécimens de PRFV résultant à de grandes déformations axiales et latérales et des fissures du côté de la face en tension jusqu'à ce que la rupture en compression du béton. La rupture des spécimens de PRFC à des niveaux supérieurs d'excentricité (rapport e/D de 8,2% et 16,4%) a été caractérisé comme étant en compression du béton dans laquelle il s'est déroulé de manière moins fragile. D'autre part, cette recherche comprenait également différentes études pour analyser les résultats des tests, évaluer l'efficacité des barres d'armature et fournir des recommandations pour l'analyse et la conception. Il a donc été indiqué que les capacités axiales et de flexion des spécimens en PRF testées pourraient être raisonnablement prédites en utilisant une analyse en section plane, en utilisant les paramètres du bloc de contrainte rectangulaire équivalent (BCRE) donnés par l'ACI 440.1R-15 ou la CSA S806- 12. Toutes les prédictions ont sous-estimé la résistance réelle avec des niveaux de variabilité conservateur entre 1,05 et 1,25 pour les spécimens de PRFC et entre 1,20 et 1,40 pour les spécimens de PRFC. Ces niveaux ont été nettement réduits à des limites critiques dans les spécimens avec des bétons à haute résistance. Un examen approfondi a été effectué sur les paramètres du BCRE disponibles dans les normes et les directives de conception actuelles en acier et en PRF. Les expressions modifiées du BCRE fournies dans ACI 440.1R-15 et CSA S806-12 ont été développées. Les résultats indiquent une bonne corrélation entre les valeurs de résistance prédites et mesurées avec des niveaux accrus de conservatisme. La contribution de la résistance à la compression du renforcement en PRF a été soigneusement examinée et discutée. Le taux d’armature minimum de PRFV et de PRFC pour éviter la rupture de l'armature ont été largement examinés. Enfin, la rigidité en flexion (EI) des spécimens testés a été déterminée de manière analytique et comparée aux expressions disponibles dans la littérature en utilisant les réponses expérimentales et analytiques M-ψ. Les expressions modifiées de la rigidité en flexion EI apportées dans l’ACI 440.1R ont été développées et validées.

[pt] Neste trabalho, estudamos superfícies com curvatura média afim zero. Elas são chamadas de superfícies mínimas afins e para superfícies convexas, também são chamadas de superfícies máximas afins. Provamos que uma superfície mínima euclidiana também é uma superfície mínima afim se, e somente se, as linhas de curvatura da superfície mínima euclidiana conjugada são planas. Para uma superfície máxima afim, descrevemos como recuperá-la do campo de vetor conormal ao longo de uma determinada curva. Para algumas escolhas do vector conormal, a superfície máxima é singular e descrevemos as condições sob as quais as singularidades são arestas cuspidais ou swallowtails. / [en] In this work we study surfaces with zero affine mean curvature. They are called affine minimal surfaces and for convex surfaces, they are also called affine maximal surfaces. We prove that an euclidean minimal surface is also an affine minimal surface if and only if the curvature lines of the conjugate euclidean minimal surface are planar. For an affine maximal surface, we describe how to recover it from the conormal vector field along a given curve. For some choices of the conormal vector, the maximal surface is singular and we describe conditions under which the singularities are cuspidal edges or swallowtails.

[pt] Enquanto a topologia do espaço de todas as curvas suaves imersas em 2-esfera começando e terminando em pontos dados e direções dadas é bem conhecido, é uma questão aberta entender o tipo de homotopia e dos seus subespaços consistindo as curvas com a curvatura restrita a um intervalo próprio aberto prescrito. Neste tese provamos que, sob certas circunstancias para os pontos e as direções inicial e final, estes subespaços não são homotopicamente equivalente ao espaço todo. Adicionalmente, fornecemos uma construção explicita dos geradores exóticos para algum grupo de homotopia e cohomologia. As dimensões desses geradores dependem das posições e das direções nas extremidades. Uma versão do princípio h foi usada na prova desses resultados. / [en] While the topology of the space of all smooth immersed curves in 2-sphere that start and end at given points in given direction is well known, it is an open problem to understand the homotopy type of its subspaces consisting of the curves whose geodesic curvatures are constrained to a prescribed proper open interval. In this article we prove that, under certain circumstances for endpoints and end directions, these subspaces are not homotopically equivalent to the whole space. Moreover, we give an explicit construction of exotic generators for some homotopy and cohomology groups. It turns out that the dimensions of these generators depend on endpoints and end directions. A version of the h-principle is used to prove these results.

Cette thèse traite de plusieurs sujets d'analyse dans les espaces métriques mesurés, en lien avec le transport optimal et des conditions de courbure-dimension. Nous considérons en particulier les équations de continuité dans ces espaces, du point de vue de fonctionnelles continues sur les espaces de Sobolev, et du point de vue de la dualité avec les courbes absolument continues dans l'espace de Wasserstein. Sous une condition de courbure-dimension, mais sans condition de doublement de mesure ou d'inégalité de Poincaré, nous montrons également l'identification des p-gradients faibles. Nous étudions ensuite les espaces de Sobolev sur le produit tordu de l'ensemble des réels et d'un espace métrique mesuré. En particulier, nous montrons la propriété Sobolev-à-Lipschitz sous une certaine condition de courbure-dimension. Enfin, sous une telle condition et dans le cadre d'une théorie non-lisse de Bakry-Emery, nous obtenons une inégalité améliorée de Bochner et proposons une définition du N-tenseur de Ricci. / This thesis concerns in some topics on calculus in metric measure spaces, in connection with optimal transport theory and curvature-dimension conditions. We study the continuity equations on metric measure spaces, in the viewpoint of continuous functionals on Sobolev spaces, and in the viewpoint of the duality with respect to absolutely continuous curves in the Wasserstein space. We study the Sobolev spaces of warped products of a real line and a metric measure space. We prove the 'Pythagoras theorem' for both cartesian products and warped products, and prove Sobolev-to-Lipschitz property for warped products under a certain curvature-dimension condition. We also prove the identification of p-weak gradients under curvature-dimension condition, without the doubling condition or local Poincaré inequality. At last, using the non-smooth Bakry-Emery theory on metric measure spaces, we obtain a Bochner inequality and propose a definition of N-Ricci tensor.

Para analisar características de interesse a respeito de um conjunto de dados reais da área de Odontologia apresentado em Hadgu & Koch (1999), ajustaremos um modelo de regressão linear multivariado com erros nas variáveis com intercepto nulo. Este conjunto de dados é caracterizado por medições de placa bacteriana em três grupos de voluntários, antes e após utilizar dois líquidos de bochecho experimentais e um líquido de bochecho controle, com medições (sujeitas a erros de medição) no início do estudo, após três e seis meses de utilização dos líquidos. Neste caso, uma possível estrutura de dependência entre as medições feitas em um mesmo indivíduo deve ser incorporada ao modelo e, além disto, temos duas variáveis resposta para cada indivíduo. Após a apresentação do modelo estatístico, iremos obter estimativas de máxima verossimilhança dos parâmetros utilizando o algoritmo iterativo EM e testaremos as hipóteses de interesse utilizando testes assintóticos de Wald, razão de verossimilhanças e score. Como neste caso não existe um teste ótimo, faremos um estudo de simulação para verificar o comportamento das três estatísticas de teste em relação a diferentes tamanhos amostrais e diferentes valores de parâmetros. Finalmente, faremos um estudo de diagnóstico buscando identificar possíveis pontos influentes no modelo, considerando o enfoque de influência local proposto por Cook (1986) e a medida de curvatura normal conformal desenvolvida por Poon & Poon (1999). / To analyze some characteristics of interest in a real odontological data set presented in Hadgu & Koch (1999), we propose the use of a multivariate null intercept errors-in-variables regression model. This data set is composed by measurements of dental plaque index (with measurement errors), which were measured in volunteers who were randomized to two experimental mouth rinses (A and B) or a control mouth rinse. The measurements were taken in each individual, before and after the use of the respective mouth rinses, in the beginning of the study, after three months from the baseline and after six months from the baseline. In this case, a possible structure of dependency between the measurements taken within the same individual must be incorporated in the model. After presenting the statistical model, we obtain the maximum likelihood estimates of the parameters using the numerical algorithm EM, and we test the hypotheses of interest considering asymptotic tests (Wald, likelihood ratio and score). Also, a simulation study to verify the behavior of these three test statistics is presented, considering diferent sample sizes and diferent values for the parameters. Finally, we make a diagnostic study to identify possible influential observations in the model, considering the local influence approach proposed by Cook (1986) and the conformal normal curvature proposed by Poon & Poon (1999).

L'une des tâches les plus difficiles de l'enseignement en chirurgie, consiste à expliquer aux étudiants quelles sont les amplitudes des forces et des couples à appliquer pour guider les instruments au cours d'une opération. Ce problème devient plus important dans le domaine de la chirurgie mini-invasive (MIS) où la perception de profondeur est perdue et le champ visuel est réduit. Pour cette raison, l'évaluation de l'habileté chirurgicale associée est devenue un point capital dans le processus d'apprentissage en médecine. Des problèmes évidents de subjectivité apparaissent dans la formation des médecins, selon l'instructeur. De nombreuses études et rapports de recherches concernent le développement de techniques automatisées d'évaluation du geste. La première partie du travail présenté dans cette thèse introduit une nouvelle méthode de classification de gestes médicaux 3D reposant sur des modèles cinématiques et biomécaniques. Celle-ci analyse de manière qualitative mais aussi quantitative les mouvements associés aux tâches effectuées. La classification du geste est réalisée en utilisant un paramétrage reposant sur la longueur d'arc pour calculer la courbure pour chaque trajectoire. Les avantages de cette approche sont l'indépendance du temps, un système de repérage absolu et la réduction du nombre de données. L'étude inclue l'analyse expérimentale de plusieurs gestes, obtenus avec plusieurs types de capteurs et réalisés par différents sujets. La deuxième partie de ce travail se concentre sur la classification reposant sur les données cinématiques et dynamiques. En premier lieu, une expression empirique, entre la géométrie du mouvement et les données cinématiques, sert à calculer une nouvelle variable appelée vitesse affine. Les expériences conduites dans ce travail de thèse montrent la nature constante de cette grandeur lorsque les gestes médicaux sont simples et identiques. Une dernière technique de classification a été implémentée en utilisant un calcul de l'énergie utilisée au cours de chaque segment du geste. Cette méthode a été validée expérimentalement en utilisant six caméras et un laparoscope instrumenté. La position 3-D de l'extrémité de l'effecteur a été enregistrée, pour plusieurs participants, en utilisant le logiciel OptiTrack Motive et des marqueurs réfléchissants montés sur le laparoscope. Les mesures de force et de couple, d'autre part, ont été acquises à l'aide des capteurs fixés sur l'outil et situés entre la pointe et la poignée de l'outil afin de capturer l'interaction entre le participant et le matériau manipulé. Les résultats expérimentaux présentent une bonne corrélation entre les valeurs de l'énergie et les compétences chirurgicales des participants impliqués dans ces expériences. / One of the most difficult tasks in surgical education is to teach students what is the optimal magnitude of forces and torques to guide the instrument during operation. This problem becomes even more relevant in the field of Mini Invasive Surgery (MIS), where the depth perception is lost and visual field is reduced. In this way, the evaluation of surgical skills involved in this field becomes in a critical point in the learning process. Nowadays, this assessment is performed by expert surgeons observation in different operating rooms, making evident subjectivity issues in the results depending on the trainer in charge of the task. Research works around the world have focused on the development of the automated evaluation techniques, that provide an objective feedback during the learning process. Therefore, first part of this thesis describe a new method of classification of 3D medical gestures based on biomechanical models (kinematics). This new approach analyses medical gestures based on the smoothness and quality of movements related to the tasks performed during the medical training. Thus, gesture classification is accomplished using an arc length parametrization to compute the curvature for each trajectory. The advantages of this approach are mainly oriented towards time and location independence and problem simplification. The study included several gestures that were performed repeatedly by different subjects; these data sets were acquired, also, with three different devices. Second part of this work is focused in a classification technique based on kinematic and dynamic data. In first place, an empirical expression between movement geometry and kinematic data is used to compute a different variable called the affine velocity. Experiments carried out in this work show the constant nature of this feature in basic medical gestures. In the same way, results proved an adequate classification based on this computation. Parameters found in previous experiments were taken into account to study movements more complex. Likewise, affine velocity was used to perform a segmentation of pick and release tasks, and the classification stage was completed using an energy computation, based on dynamic data, for each segment. Final experiments were performed using six video cameras and an instrumented laparoscope. The 3-D position of the end effector was recorded, for each participant, using the OptiTrack Motive Software and reflective markers mounted on the laparoscope. Force and torque measurements, on the other hand, were acquired using force and torque sensors attached to the instrument and located between the tool tip and the handle of the tool in order to capture the interaction between participant and the manipulated material. Results associated to these experiments present a correlation between the energy values and the surgical skills of the participants involved in these experiments.

In den letzten Jahren führte die Verbindung zwischen Topologie und kondensierter Materie zur Entdeckung vieler interessanter und exotischer elektronischer Effekte. Während sich die Forschung anfangs auf elektronische Systeme mit einer Bandlücke wie den topologischen Isolator konzentrierte, erhalten in letzter Zeit topologische Halbmetalle viel Aufmerksamkeit. Das bekannteste Beispiel sind Weyl-Halbmetalle, die an beliebigen Punkten in der Brillouin-Zone lineare Kreuzungen von nicht entarteten Bändern aufweist. An diese Punkte ist eine spezielle Quantenzahl namens Chiralität gebunden, die die Existenz von Weyl-Punktpaaren erzwingt. Diese Paare sind topologisch geschützt und wirken als Quellen und Senken der Berry-Krümmung, einem topologischen Feld im reziproken Raum. Diese Berry-Krümmung steht in direktem Zusammenhang mit dem anomalen Hall-Effekt, der die Entstehung einer Querspannung aus einem Längsstrom in einem magnetischen Material beschreibt. Analog existiert auch der anomale Nernst-Effekt, bei dem der longitudinale Strom durch einen thermischen Gradienten ersetzt wird. Dieser Effekt ermöglicht die Umwandlung von Wärme in elektrische Energie und ist zudem stark an die Berry-Krümmung gebunden. In dieser Arbeit werden die anomalen Transporteffekte zunächst in fundamentalen Modellsystemen untersucht. Hier wird eine Kombination aus analytischen und numerischen Methoden verwendet, um Quantisierungen sowohl des Hall- und Nernst- als auch des thermischen Hall-Effekts in zweidimensionalen Systemen mit und ohne externen Magnetfeldern zu zeigen. Eine Erweiterung in drei Dimensionen zeigt eine Quasi-Quantisierung, bei der die Leitfähigkeiten Werte der jeweiligen zweidimensionalen Quanten skaliert durch charakteristische Wellenvektoren annehmen. Im nächsten Schritt werden verschiedene Mechanismen zur Erzeugung starker Berry-Krümmung und damit großer anomaler Hall- und Nernst-Effekte sowohl in Modellsystemen als auch in realen Materialien untersucht. Dies ermöglicht die Identifizierung und Isolierung vielversprechender Effekte in den einfachen Modellen, in denen wichtige Merkmale untersucht werden können. Die Ergebnisse können dann auf die realen Materialien übertragen werden, wo die jeweiligen Effekte erkennbar sind. Hier werden sowohl Weyl-Punkte als auch Knotenlinien in Kombination mit Magnetismus als vielversprechende Eigenschaften identifiziert und Materialrealisierungen in der Klasse der Heusler-Verbindungen vorgeschlagen. Diese Verbindungen sind eine sehr vielseitige Materialklasse, in der unter anderem auch magnetische topologische Metalle zu finden sind. Um ein tieferes Verständnis der anomalen Transporteffekte zu erhalten sowie Faustregeln für Hochleistungsverbindungen abzuleiten, wurde eine High-Throughput-Rechnung von magnetisch-kubischen Voll-Heusler-Verbindungen durchgeführt. Diese Berechnung zeigt die Bedeutung von Spiegelebenen in magnetischen Materialien für große anomale Hall- und Nernst-Effekte und zeigt, dass einige der Heusler-Verbindungen die höchsten bisher berichteten Literaturwerte bei diesen Effekten übertreffen. Auch andere interessante Effekte im Zusammenhang mit Weyl-Punkten werden untersucht. Beim bekannten Weyl-Halbmetall NbP weisen die Weyl-Punkte aufgrund der hohen Symmetrie des Kristalls eine hohe Entartung auf. Die Anwendung von einachsigem Zug reduziert jedoch die Symmetrien und hebt damit die Entartungen auf. Eine theoretische Untersuchung zeigt, dass die Weyl-Punkte bei einachsigem Zug energetisch verschoben werden und, was noch wichtiger ist, dass sie bei realistischen Werten das Fermi-Niveau durchschreiten. Dies macht NbP zu einer vielversprechenden Plattform, um die Weyl-Physik weiter zu untersuchen. Die theoretischen Ergebnisse werden mit experimentellen Messungen von Shubnikov-de-Haas-Oszillationen unter einachsigem Zug kombiniert und es wird eine gute Übereinstimmung mit den theoretischen Ergebnissen gefunden. Als erster Schritt in Richtung neuer Berechnungsmethoden wird die Idee eines Weyl-Halbmetall-basierten Chiralitätsfilters für Elektronen untersucht. An der Grenzfläche zweier Weyl-Halbmetalle kann in Abhängigkeit von den genauen Weyl-Punktparametern nur eine Chiralität übertragen werden. Hier wird ein effektives geometrisches Modell erstellt und zur Untersuchung realer Materialgrenzflächen eingesetzt. Während im Allgemeinen eine Filterwirkung möglich erscheint, zeigten die untersuchten Materialien keine geeignete Kombination. Hier können weitere Studien mit Fokus auf magnetische Weyl-Halbmetalle oder Multifold-Fermion-Materialien durchgeführt werden.:List of publications Preface 1. Theoretical background 1.1. Berry curvature and Weyl semimetals 1.1.1. From the adiabatic evolution to the Berry phase 1.1.2. From the Berry phase to the Berry curvature 1.1.3. Topological phases of condensed matter 1.1.4. Weyl semimetals 1.1.5. Dirac semimetals 1.1.6. Nodal line semimetals 1.2. Density-functional theory 1.2.1. Born-Oppenheimer approximation 1.2.2. Hohenberg-Kohn theorems 1.2.3. Kohn-Sham formalism 1.2.4. Exchange-correlation functional 1.2.5. Pseudopotentials 1.2.6. Basis functions 1.2.7. VASP 1.3. Tight-binding Hamiltonian from Wannier functions 1.3.1. Wannier functions 1.3.2. Constructing Wannier functions from DFT 1.3.3. Generating a Wannier tight-binding Hamiltonian 1.3.4. Necessity of the tight-binding Hamiltonian 1.4. Linear response theory 1.4.1. General introduction to linear response 1.4.2. Anomalous Hall effect 1.4.3. Anomalous Nernst effect 1.4.4. Anomalous thermal Hall effect 1.4.5. Common features of anomalous transport effects 1.4.6. Symmetry considerations for Berry curvature related transport effects 1.4.7. Magneto-optic Kerr effect 1.4.8. About the efficiency of the calculations 2. (Quasi-)Quantization in the Hall, thermal Hall, and Nernst effects 2.1. Quantization with an external magnetic field 2.1.1. Two-dimensional case 2.1.2. Three-dimensional case 2.2. Quantization without an external field 2.2.1. Two-dimensional case 2.2.2. Three-dimensional case . 2.3. A remark on the spin Hall effect 2.4. A remark on the quasi-quantization of the three-dimensional conductivities 2.5. Conclusions 3. Understanding anomalous transport 3.1. Anomalous transport without a net magnetic moment 3.1.1. Toy model 3.1.2. Ti2MnAl and related compounds 3.2. Large Berry curvature enhancement from nodal line gapping 3.2.1. Toy model 3.2.2. Fe2MnP and related compounds 3.2.3. Co2MnGa 3.3. Topological features away from the Fermi level and the anomalous Nernst effect 3.3.1. Toy model . 3.3.2. Co2FeGe and Co2FeSn 3.4. Conclusions 4. Heusler database calculation 4.1. Workflow 4.2. Importance of mirror planes 4.3. The right valence electron count 4.4. Correlation between anomalous Hall and Nernst effects 4.5. Selected special compounds 4.6. Conclusions 5. NbP under uniaxial strain 5.1. NbP and its symmetries 5.2. The influence of strain on the electronic structure 5.2.1. Shifting of the Weyl points 5.2.2. Splitting of the Fermi surfaces 5.3. Comparison with experimental results 5.4. Conclusions 6. A tunable chirality filter 6.1. Concept 6.2. Geometrical simplification and expansion for more Weyl points 6.3. Material selection 6.3.1. Workflow 6.3.2. Results for NbP and TaAs 6.3.3. Results for Ag2Se and Ag2S 6.4. Conclusions and perspective . Summary and outlook A. Numerical tricks A.1. Hamiltonian setup at several k points at once A.2. Precalculating prefactors B. Derivation of the conductivity (quasi-)quanta B.1. Two dimensions B.1.1. General formula and necessary approximations B.1.2. Useful integrals B.1.4. Quantized thermal Hall effect B.1.5. Quantized Nernst effect B.1.6. Flat bands and the Nernst effect B.2. Three dimensions B.2.1. General formula B.2.2. Three-dimensional electron gas B.2.3. Three-dimensional Weyl semimetal C. Heusler database tables D. Details on the NbP strain calculations E. Details on the geometrical matching procedure References List of abbreviations List of Figures List of Tables Acknowledgements Eigenständigkeitserklärung / In recent years, the connection between topology and condensed matter resulted in the discovery of many interesting and exotic electronic effects. While in the beginning, the research was focused on gapped electronic systems like the topological insulator, more recently, topological semimetals are getting a lot of attention. The most well-known example is the Weyl semimetal, which hosts linear crossings of non-degenerate bands at arbitrary points in the Brillouin zone. Tied to these points there is a special quantum number called chirality, which enforces the existence of Weyl point pairs. These pairs are topologically protected and act as sources and sinks of the Berry curvature, a topological field in reciprocal space. This Berry curvature is directly connected to the anomalous Hall effect, which describes the emergence of a transverse voltage from a longitudinal current in a magnetic material. Analogously, there also exists the anomalous Nernst effect, where the longitudinal current is replaced by a thermal gradient. This effect allows for the conversion of heat into electrical energy and is also strongly tied to the Berry curvature. In this work, the anomalous transport effects are at first studied in fundamental model systems. Here, a combination of analytical and numerical methods is used to reveal quantizations in both the Hall, the Nernst, and the thermal Hall effects in two-dimensional systems with and without external magnetic fields. An expansion into three dimensions shows a quasi-quantization, where the conductivities take values of the respective two-dimensional quanta scaled by characteristic wavevectors. In the next step, several mechanisms for the generation of strong Berry curvature and thus large anomalous Hall and Nernst effects are studied in both model systems and real materials. This allows for the identification and isolation of promising effects in the simple models, where important features can be studied. The results can then be applied to the real materials, where the respective effects can be recognized. Here, both Weyl points and nodal lines in combination with magnetism are identified as promising features and material realizations are proposed in the class of Heusler compounds. These compounds are a very versatile class of materials, where among others also magnetic topological metals can be found. To get a deeper understanding of the anomalous transport effects as well as to derive guidelines for high-performance compounds, a high-throughput calculation of magnetic cubic full Heusler compounds was carried out. This calculation reveals the importance of mirror planes in magnetic materials for large anomalous Hall and Nernst effects and shows that some of the Heusler compounds outperform the highest so-far reported literature values in these effects. Also other interesting effects related to Weyl points are investigated. In the well-known Weyl semimetal NbP, the Weyl points have a high degeneracy due to the high symmetry of the crystal. However, the application of uniaxial strain reduces the symmetries and therefore lifts the degeneracies. A theoretical investigation shows, that the Weyl points are moved in energy under uniaxial strain and, more importantly, that at reasonable strain values they cross the Fermi level. This renders NbP a promising platform to further study Weyl physics. The theoretical results are combined with experimental measurements of Shubnikov-de Haas oscillations under uniaxial strain and a good agreement with the theoretical results is found. As a first step in the direction of new ways of computation, an idea of a Weyl semimetal based chirality filter for electrons is investigated. At the interface of two Weyl semimetals, depending on the exact Weyl point parameters, it is possible to transmit only one chirality. Here, an effective geometrical model is established and employed for the investigation of real material interfaces. While in general, a filtering effect seems possible, the investigated materials did not show any suitable combination. Here, further studies can be made with the focus on either magnetic Weyl semimetals of multifold-fermion materials.:List of publications Preface 1. Theoretical background 1.1. Berry curvature and Weyl semimetals 1.1.1. From the adiabatic evolution to the Berry phase 1.1.2. From the Berry phase to the Berry curvature 1.1.3. Topological phases of condensed matter 1.1.4. Weyl semimetals 1.1.5. Dirac semimetals 1.1.6. Nodal line semimetals 1.2. Density-functional theory 1.2.1. Born-Oppenheimer approximation 1.2.2. Hohenberg-Kohn theorems 1.2.3. Kohn-Sham formalism 1.2.4. Exchange-correlation functional 1.2.5. Pseudopotentials 1.2.6. Basis functions 1.2.7. VASP 1.3. Tight-binding Hamiltonian from Wannier functions 1.3.1. Wannier functions 1.3.2. Constructing Wannier functions from DFT 1.3.3. Generating a Wannier tight-binding Hamiltonian 1.3.4. Necessity of the tight-binding Hamiltonian 1.4. Linear response theory 1.4.1. General introduction to linear response 1.4.2. Anomalous Hall effect 1.4.3. Anomalous Nernst effect 1.4.4. Anomalous thermal Hall effect 1.4.5. Common features of anomalous transport effects 1.4.6. Symmetry considerations for Berry curvature related transport effects 1.4.7. Magneto-optic Kerr effect 1.4.8. About the efficiency of the calculations 2. (Quasi-)Quantization in the Hall, thermal Hall, and Nernst effects 2.1. Quantization with an external magnetic field 2.1.1. Two-dimensional case 2.1.2. Three-dimensional case 2.2. Quantization without an external field 2.2.1. Two-dimensional case 2.2.2. Three-dimensional case . 2.3. A remark on the spin Hall effect 2.4. A remark on the quasi-quantization of the three-dimensional conductivities 2.5. Conclusions 3. Understanding anomalous transport 3.1. Anomalous transport without a net magnetic moment 3.1.1. Toy model 3.1.2. Ti2MnAl and related compounds 3.2. Large Berry curvature enhancement from nodal line gapping 3.2.1. Toy model 3.2.2. Fe2MnP and related compounds 3.2.3. Co2MnGa 3.3. Topological features away from the Fermi level and the anomalous Nernst effect 3.3.1. Toy model . 3.3.2. Co2FeGe and Co2FeSn 3.4. Conclusions 4. Heusler database calculation 4.1. Workflow 4.2. Importance of mirror planes 4.3. The right valence electron count 4.4. Correlation between anomalous Hall and Nernst effects 4.5. Selected special compounds 4.6. Conclusions 5. NbP under uniaxial strain 5.1. NbP and its symmetries 5.2. The influence of strain on the electronic structure 5.2.1. Shifting of the Weyl points 5.2.2. Splitting of the Fermi surfaces 5.3. Comparison with experimental results 5.4. Conclusions 6. A tunable chirality filter 6.1. Concept 6.2. Geometrical simplification and expansion for more Weyl points 6.3. Material selection 6.3.1. Workflow 6.3.2. Results for NbP and TaAs 6.3.3. Results for Ag2Se and Ag2S 6.4. Conclusions and perspective . Summary and outlook A. Numerical tricks A.1. Hamiltonian setup at several k points at once A.2. Precalculating prefactors B. Derivation of the conductivity (quasi-)quanta B.1. Two dimensions B.1.1. General formula and necessary approximations B.1.2. Useful integrals B.1.4. Quantized thermal Hall effect B.1.5. Quantized Nernst effect B.1.6. Flat bands and the Nernst effect B.2. Three dimensions B.2.1. General formula B.2.2. Three-dimensional electron gas B.2.3. Three-dimensional Weyl semimetal C. Heusler database tables D. Details on the NbP strain calculations E. Details on the geometrical matching procedure References List of abbreviations List of Figures List of Tables Acknowledgements Eigenständigkeitserklärung