Ce projet de recherche dans le domaine du génie parasismique concerne la vulnérabilité des bâtiments contenant de la maçonnerie non armée (MNA). Ce matériau de construction a longtemps été utilisé dans la construction d'écoles, d'hôpitaux et d'autres bâtiments jugés comme prioritaires au niveau de la sécurité du public selon le code national du bâtiment canadien (CNBC). Suite, entre autres, au séisme du Saguenay en 1988 une inquiétude s’est présentée au niveau des dangers associés à la présence de MNA pour les occupants de ces bâtiments publics supposés sécuritaires. Cette recherche s’intégre donc à l’initiative du Réseau canadien pour la recherche parasismique (RCRP) visant à l’établissement de procédures pour l’inspection et la réhabilitation de bâtiments jugés prioritaires, construits avant l’implantation de la conception parasismique. Les objectifs de cette recherche comprennent la documentation de la présence de MNA dans un échantillon de bâtiments dans la région de Sherbrooke, l’évaluation des propriétés dynamiques de ces bâtiments et l’utilisation de ces propriétés pour la modélisation de bâtiments existants sur un logiciel commercial de calcul structural. Les efforts de recherche portent sur la détermination des propriétés dynamiques pour des écoles de la commission scolaire de la Région-de-Sherbrooke (CSRS). L’échantillon de bâtiments est principalement de type charpente de béton avec murs de remplissage (BMR) suite à l’analyse statistique des types de charpentes présentes dans le parc immobilier de la CSRS. L’instrumentation des bâtiments à l’aide de capteurs de vitesse a permis de mesurer les vibrations ambiantes des bâtiments sélectionnés. L'analyse des données obtenues à l’aide de techniques d'analyse numérique telles que la décomposition dans le domaine fréquentiel (FDD) a permis d'obtenir l’amortissement, la période fondamentale et les déformées modales pour onze bâtiments comportant des murs de remplissage en maçonnerie non armée. Enfin, les résultats obtenus ont été comparés à des études similaires dans les régions du Centre-du-Québec et de Montréal.

Dans le cadre de la quantification de la qualité d'un<br />modèle par rapport à une référence expérimentale, nous présentons<br />une nouvelle théorie basée sur le concept de méconnaissance qui<br />permet de manipuler un modèle qui est forcément une représentation<br />imparfaite de la réalité, et d'obtenir des résultats prédictifs<br />qui tiennent compte du manque de connaissance que l'on a vis-à-vis<br />de la structure réelle étudiée. Cette théorie, qui mêle théorie<br />des intervalles et théorie des probabilités, repose sur la<br />globalisation des diverses sources d'erreur à l'échelle des<br />sous-structures en utilisant une variable interne scalaire<br />contenue dans un intervalle dont les bornes suivent des lois de<br />probabilités.<br /><br />À partir de ces bornes, si l'on considère une quantité<br />d'intérêt définie sur l'ensemble de la structure (une fréquence<br />propre par exemple), il est possible à partir de la donnée du<br />modèle de méconnaissances de base de calculer un intervalle<br />d'appartenance de cette quantité d'intérêt, dont les bornes sont<br />probabilistes. On définit alors des intervalles de méconnaissances<br />dites effectives, qui ont une certaine probabilité de contenir la<br />quantité d'intérêt associée au modèle.<br /><br />La quantification de la qualité d'un modèle par rapport<br />à une référence expérimentale se traduit alors par la<br />détermination des méconnaissances de base qui sont les plus<br />représentatives des dispersions constatées. L'idée majeure de<br />cette détermination est de considérer que plus on a d'informations<br />expérimentales, plus on est susceptible de réduire les<br />méconnaissances de base. La démarche dite de réduction des<br />méconnaissances est appliquée avec succès sur des cas d'études<br />académiques ainsi que sur un exemple réel de structure<br />industrielle : le support de satellites SYLDA5 présent dans le<br />lanceur Ariane 5.

Actuellement, le principe de dimensionnement à la capacité est fortement utilisé dans le domaine du génie parasismique. De manière simplifiée, cette méthode de dimensionnement consiste à dissiper l'énergie injectée à une structure lors d'une secousse sismique par la déformation inélastique d'un élément structural sacrificiel. Cette méthode de dimensionnement permet d'obtenir des structures économiques, car cette dissipation d'énergie permet de réduire substantiellement les efforts qui se retrouvent à l'intérieur de la structure. Or, la conséquence de ce dimensionnement est la présence de dégâts importants à la structure qui suivent à la secousse sismique. Ces dégâts peuvent engendrer des coûts supérieurs aux coûts d'érection de la structure. Bien entendu, sachant que les secousses sismiques d'importance sont des phénomènes rares, l'ingénieur est prêt à accepter ce risque afin de diminuer les coûts initiaux de construction. Malgré que cette méthode ait permis d'obtenir des constructions économiques et sécuritaires, il serait intéressant de développer un système qui permettrait d'obtenir des performances de contrôle des efforts sismiques comparables à un système dimensionné selon un principe de dimensionnement à la capacité sans les conséquences négatives de ces systèmes. En utilisant les principes d'isolation à la base, il a été possible de développer un système de reprise des forces sismiques (SRFS) qui permet d'obtenir un contrôle des efforts sismiques concurrentiels tout en gardant une structure complètement élastique. Ce système consiste à insérer un matériel élastomère entre l'assemblage de la poutre et des contreventements à l'intérieur d'un cadre contreventé conventionnel. Cette insertion permet de diminuer substantiellement la rigidité latérale du bâtiment, ce qui a pour conséquence d'augmenter la valeur de la période fondamentale du bâtiment dans lequel ces cadres sont insérés. Ce phénomène est appelé le saut de période. Ce saut de période permet de réduire grandement l'amplification dynamique essuyée lors d'un séisme dû au contenu fréquentiel particulier des secousses sismiques. Toutefois, la réduction de la rigidité globale a pour conséquence d'augmenter grandement les déplacements de fonctionnement de la structure, ce phénomène étant mitigé par les propriétés amortissantes de l'élastomère utilisé. Le SRFS proposé a été étudié dans le cadre de la présente maîtrise. Les objectifs de l'étude consistent à démontrer l'efficacité et la faisabilité du système proposé ainsi que de développer une méthode de dimensionnement efficace et sécuritaire pour ce genre de système. Afin de faciliter l'obtention des objectifs, l'approche qui a été utilisée est l'étude comparative d'un même bâtiment dimensionné selon deux principes. Le premier est le dimensionnement à la capacité. Le second est un dimensionnement employant le système proposé. La présente étude a été scindée en quatre parties distinctes. La première est l'étude du matériel élastomère afin de déterminer les propriétés utiles lors d'un dimensionnement. La seconde est le dimensionnement et l'étude en laboratoire du comportement d'un cadre contreventé selon un principe de dimensionnement à la capacité. La troisième partie est le dimensionnement et l'étude en laboratoire du comportement d'un cadre contreventé intégrant des amortisseurs élastomères. La quatrième et dernière partie est l'étude comparative des performances sismiques d'un bâtiment qui emploie des cadres amortis avec des amortisseurs élastomères avec les performances d'un bâtiment qui emploie un SRFS par contreventements classiques. À la suite des différentes analyses, il a été possible de conclure sur les performances du système proposé employant des amortisseurs élastomères. Le système possède un excellent comportement quant aux sollicitations sismiques. Le contrôle des efforts sismiques est du même ordre qu'un SRFS par contreventements de ductilité modérée (réduction des efforts élastiques par un facteur de 3). Bien que la demande en déplacement soit plus grande pour le système proposé que pour un système contreventé traditionnel, la demande en déplacement est adéquatement contrôlée. Finalement, il a été possible de confirmer que le système proposé répond élastiquement aux sollicitations sismiques et son comportement après une sollicitation violente est adéquat. Toutefois, les connaissances limitées du matériel élastomère employé causent l'obtention de dimensionnement moins performant qu'attendu. L'ensemble de l'étude a permis de mettre en relief les caractéristiques et les avantages indéniables du SRFS proposé. Toutefois, certains points nécessitant davantage d'études ont également été soulevés lors de cette recherche : le comportement de l'élastomère utilisé pour un plus vaste domaine de situations que celle considérée dans cette étude (par exemple, l'impact de la température sur le caoutchouc et le comportement en fatigue de ce dernier) ainsi que le comportement du système étudié pour un domaine plus vaste d'applicabilité (par exemple, l'applicabilité du système à des bâtiments multiétagés).

Il est reconnu que la maçonnerie non renforcée présente un comportement défaillant lors de tremblements de terre. Sa rupture entraîne des risques importants pour le public et peut survenir à des degrés de sismicité faibles, même lorsque l'intégrité structurale du bâtiment n'est pas menacée. Plusieurs exemples d'éléments de maçonnerie non renforcée particulièrement vulnérables ont été rapportés suite aux séismes du Saguenay en 1988 et de Loma Prieta en 1989. Le Réseau canadien de recherche parasismique a débuté un projet de recherche qui devra conduire à un guide d'inspection et de réhabilitation des éléments de maçonnerie non renforcée. La première étape menant à la rédaction de ce guide est l'identification et le relevé des vulnérabilités connues et potentielles de même que l'évaluation de leur importance et le suivi de leur évolution dans le patrimoine de construction canadien. Les travaux de recherche présentés concernent cette phase d'inspection et d'identification. De plus, une campagne d'instrumentation et d'observation sous vibrations ambiantes a été amorcée afin de déterminer les propriétés dynamiques des bâtiments comportant des éléments de maçonnerie non renforcée. Ces propriétés pourront ensuite être généralisées et servir aux analyses dynamiques requises lors du processus d'évaluation sismique d'un bâtiment.

Les lignes de transport d’énergie électrique haute tension sont conçues pour résister aux charges climatiques, principalement les charges de vent, de glace, de service et de construction. En plus des charges usuelles, les lignes peuvent être soumises à d’autres charges comme celles résultant de la chute d’un pylône, d’une erreur humaine ou du bris d’une composante. Ces derniers ne sont pas toujours pris en compte directement par les normes en vigueur lors du dimensionnement. Ces charges sont de type dynamique et causent éventuellement des dégâts importants qui endommagent un pylône voire même toute une partie de ligne qui nécessite des coûts et délais élevés pour la réparation et la remise en service de la ligne. L’objectif de ce projet de recherche consiste donc à étudier la contribution de ces événements dynamiques susceptibles d’avoir lieu sur une ligne afin de prédire le nombre de pylônes pouvant être affectés par un tel cas de chargement. En particulier, l’étude contribuera à relier le nombre de pylônes affectés à la capacité des pylônes pour permettre aux concepteurs de prendre des décisions rationnelles sur les charges longitudinales à considérer en fonction de ce qui est jugé acceptable comme étendue d’une cascade en cas de bris de conducteur. La méthodologie de cette étude se divise en deux grandes étapes. La première consiste à valider la méthode de modélisation proposée pour étudier en dynamique le phénomène de bris de conducteur. D’abord, il s’agit d’adopter un essai de bris de conducteur disponible dans la littérature établi sur un canton à échelle réduite comme modèle de référence et valider la méthode proposée de modélisation numérique avec les résultats expérimentaux obtenus pour cet essai. Une seconde validation d’une poutre en porte-à-faux avec une charge statique appliquée à l’extrémité libre a été aussi réalisée afin de valider le comportement non linéaire du matériau à l’aide des éléments poutres de Timoshenko en multifibre avec grands déplacements et grandes rotations. Cette seconde validation servira comme référence pour modéliser les éléments mats et consoles des pylônes. La deuxième étape consiste à étudier numériquement l’étendue d’une cascade sur un canton de ligne composé de pylônes tubulaires lors d’un bris de tous les conducteurs. Une étude paramétrique a été réalisée pour comprendre l’effet des paramètres suivants sur l’étendue de la cascade : la capacité des pylônes, la charge axiale dans les conducteurs, la longueur de la portée, les hypothèses pour la loi de comportement du matériau et la longueur des chaînes d’isolateurs. Les résultats obtenus ont montré que l’étendue de la cascade dépend fortement de la tension mécanique des câbles dans un premier lieu et légèrement de la longueur de la portée et des chaînes d’isolateurs en second lieu. Cependant la loi de comportement n’a pas présentée beaucoup de différence vis-à-vis le nombre de pylônes affectés. Cette étude montre qu’il est possible pour un concepteur de lignes de transport de concevoir les pylônes de la ligne avec une capacité de pylônes inférieure à ceux correspondants aux charges longitudinales maximales anticipées en acceptant un certain nombre de pylônes pouvant être endommagés.

Depuis quelques années dans le domaine du cyclisme de route, le confort des vélos est devenu un élément au moins aussi recherché que la performance. Le confort est une préoccupation majeure pour 90 % des cyclistes. Les cyclistes sur route passionnés enfourchent leurs vélos pendant plusieurs centaines d’heures chaque année. Ils souhaitent donc utiliser un vélo qui aura la capacité de réduire les vibrations générées par la route. Un sondage réalisé auprès de 320 cyclistes a montré que les vibrations transmises au niveau de la main sont considérées comme la plus grande source d’inconfort. Ce travail a permis de développer une approche permettant d’estimer le niveau de vibrations transmis au niveau de la main du cycliste par sous-structuration. Les méthodes de sous-structuration permettent de prédire le comportement dynamique d’un assemblage de structures par caractérisation de chacune des structures prise séparément. Bien que ces méthodes existent depuis des dizaines d’années, aucune étude n’avait investigué l’assemblage de deux structures par sous-structuration lorsqu’une d’entre elles est l’Humain. L’approche proposée consiste à mesurer la réponse biodynamique du système main-bras en posture cycliste et à prédire la puissance vibratoire au niveau de la main du cycliste à l’aide d’une méthode de sous-structuration. Cette thèse présente les éléments importants issus de ces travaux. Deux méthodes de couplage ont été identifiées et testées pour prédire l’influence du système main-bras sur le comportement dynamique de structures mécaniques simples. La variabilité de réponse du système main-bras de plusieurs sujets a été analysée. Des caractéristiques communes à plusieurs sujets ont été identifiées dans la réponse biodynamique de leurs systèmes main-bras. Finalement, l’importance relative du cycliste par rapport au vélo sur le comportement dynamique de l’assemblage vélo – cycliste au niveau de la main a conduit au développement d’une méthode de caractérisation de la réponse vibratoire des vélos seuls.

La tribologie et l'analyse non-linéaire du signal est le sujet de mon travail de thèse. Dans la nature, les phénomènes linéaires sont l'exception ; rares sont les systèmes réels qui obéissent exclusivement à des lois linéaires. A l'opposée, les non-linéarités sont impliquées dans tous les processus naturels (réactions chimiques, mécanique, économie, etc.). Les systèmes frottant en sont un des exemples les plus courants, avec des applications très variées. Dans les systèmes de freinage, le frottement se trouve être à l'origine de nombreux problèmes d'instabilités. Les types d'instabilités auxquelles on a affaire dans ce cas sont celles des vibrations induites par le frottement. C'est justement sur ces instabilités que repose le principe Modalsens; un capteur- une lamelle- vient frotter sur un échantillon et ce frottement génère la vibration de celui-ci : le post-traitement par analyse de Fourier du signal vibratoire permet de distinguer des composantes liées au relief, au frottement et à la compressibilité des aspérités. Dans le cas de la méthode Modalsens, l'analyse de Fourier, qui est un outil linéaire, agit comme des lunettes aux travers desquelles est observé le signal et qui filtrerait toutes les composantes non-linéaires. Notre contribution s'inscrit dans cette optique: mettre en place une méthode performante d'analyse non-linéaire pour permettre de mieux appréhender l'analyse du comportement dynamique de Modalsens et de dégager de nouveaux estimateurs pour la caractérisation des surfaces textiles. Partant de là, les résultats obtenus nous serviront à proposer une modélisation du contact sur matériaux fibreux.

Ce travail s’inscrit dans le cadre de la mise en place d’une stratégie de SHM (Structural Health Monitoring) dédiée à la surveillance des structures en génie civil. Il a porté, d’une part, sur l’étude des méthodes de détection et de localisation de l’endommagement du bâti existant et, d’autre part, sur l’élaboration du cahier des charges d’un capteur « intégré » capable de délivrer des informations par transmission compacte des données pour les communiquer à une chaîne SHM. Des études numériques et expérimentales ont été réalisées dans cet objectif. L’état de l’art a clairement mis en évidence plusieurs points faibles des méthodes de détection et de localisation d’endommagements usuelles comme, par exemple, le manque de précision et/ou la complexité de mise en place. On observe aussi que la sensibilité de ces méthodes par rapport à plusieurs paramètres, essentiellement la direction de mesure, le positionnement des capteurs et la sévérité des endommagements, ne permet pas à ce jour de dresser un diagnostic précis de l’état de santé des structures. Pour répondre au cahier des charges d’une chaîne SHM, un Algorithme de Détection et de Localisation (ADL) a été élaboré. Cet algorithme fait appel à des méthodes utilisant les paramètres modaux, essentiellement les fréquences propres et les déformées modales. Leurs mises en œuvre séquentielles et itératives, judicieusement structurées et pilotées,a permis de répondre aux objectifs fixés. Les paramètres modaux requis sont identifiés à l’aide des techniques d’Analyse Modale Opérationnelle (AMO) et à partir de la réponse en accélérations des structures. Deux algorithmes d’AMO ont été utilisés pour leur efficacité et pour leur aptitude à l’automatisation: la méthode stochastique par sous ensemble (SSI), et la méthode de décomposition dans le domaine fréquentiel (FDD). En fusionnant les algorithmes d’AMO avec l’ADL, une chaîne complète de surveillance a été créée. La validation des algorithmes et de la chaîne de surveillance s’est faite à plusieurs niveaux. Tout d’abord, basés sur la théorie des éléments finis, des modèles numériques de la tour de l'Ophite et du pont canadien de la Rivière aux-Mulets ont permis d'évaluer l'ADL. Ces modèles sont endommagés par des signaux sismiques et fournissent les données accélérométriques, données d’entrée du logiciel que nous avons développé. Les résultats obtenus sont tout à fait satisfaisants voire meilleurs que ceux issus des méthodes usuelles. Dans un second temps, nous avons traité des données expérimentales «réelles », issues des mesures accélérométriques sur la tour de l’Ophite. La confrontation entre les résultats d’identification des fréquences propres et des déformées modales issus des algorithmes d’AMO et ceux reportés par la bibliographie, a révélé l’efficacité des algorithmes développés.Enfin, une maquette d’un bâtiment à échelle réduite a également été élaborée et instrumentée.L’application de la chaine de surveillance a permis, d’une part, de détecter et localiser l’endommagement introduit dans la structure et, d’autre part, de mettre en évidence l’intérêt de la surveillance automatique. Finalement, une étude a été menée dans le but de réduire la quantité d’informations enregistrées sur les structures et de faciliter le transfert des données servant comme entrées de la chaîne de surveillance. Les résultats de ces études ont contribué à la spécification d’un nouveau système de surveillance

Le développement des machines suit une logique liée aux performances, ce qui entraîne des niveaux de sollicitations toujours plus proches des limites matériaux. Cette tendance a pour effet de favoriser l'apparition de comportements vibratoires non-linéaires. Cette thèse a donc pour objectif d'étudier la dynamique non-linéaire des structures et tout particulièrement celle correspondant à des moteurs d'avion multi-rotor. Deux axes ont été développés en parallèle, le premier qui correspond aux aspects théoriques et le deuxième de nature expérimentale. En ce qui concerne les développements théoriques, nous nous sommes intéressés au cas des non-linéarités fortes conjuguées avec une richesse multi-fréquentielle des excitations. Dans ce cadre, nous avons étudié des modèles de roulements adaptés à la simulation en dynamique d'ensemble qui inclut les caractéristiques propres du contact ainsi que la présence des jeux. A l'aide de ces modèles, nous avons pu simuler les réponses vibratoires d'un système bi-rotor non-linéaire, notamment en contra-rotation. Afin de réaliser une étude pertinente de ce systËme nous avons développé un code qui généralise l'estimation des réponses au cas quasi-périodique et qui permet aussi de statuer sur la stabilité de ces régimes. Aussi, nous avons mis au point un banc d'essai bi-rotor représentatif du comportement dynamique d'un moteur réel. Après une phase de conception et de mise en \oe uvre du banc, différents types de tests de caractÈrisation ont été réalisés. Nous avons tout d'abord analysé les réponses vibratoires en co- et contra-rotation. Puis dans une deuxième phase, une configuration surcritique de l'arbre Basse Pression a été testée. L'ensemble de ces essais a permis de mettre en valeur les spécificités dynamiques des moteurs bi-rotor tant du point vue des régimes vibratoires (régimes périodiques, quasi-périodiques, modes directs et rétrogrades) que des effets non-linéaires (distorsion des pics, présence de surharmoniques d'ordre deux).

Ce travail porte sur l'étude d'amortisseurs non-linéaires pour les roues aubagées de turbomachines. Les problèmes vibratoires sont de première importance pour les motoristes aéronautiques puisqu'ils sont à l'origine des phénomènes de fatigue et des risques de défaillance associés. L'usage de technologies d'amortissement est donc assez répandu et, parmi celles-ci, les dispositifs non-linéaires de type frottement tiennent une place importante. Ici, on s'intéresse à l'étude de frotteurs circulaires, appelés joncs, pour l'amortissement des structures monoblocs tournantes.<br /><br />Des méthodologies numériques ont été développées dans cet objectif; il s'agit principalement de méthodes d'analyse non-linéaire dans le domaine fréquentiel adaptées aux structures à symétrie cyclique telles que celles qui nous intéressent. La modélisation des interfaces de contact et son influence sur ces méthodes sont aussi abordées. En outre, une approche modale, permettant l'étude des paramètres modaux (fréquence propre et taux d'amortissement) d'un système non-linéaire en fonction de son énergie (ou de son niveau vibratoire) est proposée. Cette méthode présente plusieurs avantages parmi lesquels la possibilité de quantifier, de façon directe, l'efficacité d'un dispositif d'amortissement non-linéaire ou encore la possibilité de traiter plusieurs types de problèmes (réponses libres ou forcées) de façon unifiée.<br /><br />Ces méthodes sont ensuite appliquées à l'étude de deux types de dispositif d'amortissement. En premier lieu, l'amortissement par joncs de friction des structures monoblocs est étudié d'un point de vue numérique sur des structures industrielles. La phénoménologie du système non-linéaire est décrite en détails ce qui permet d'évaluer les performances de cette technologie ainsi que ses limites. Ensuite, l'étude d'une solution d'amortissement par pompage énergétique est proposée. Le principe du pompage énergétique consiste à utiliser un absorbeur de vibration de faible masse et de caractéristique fortement non-linéaire pour l'amortissement d'une structure principale (généralement linéaire). Ici, l'usage d'un absorbeur à caractéristique hystérétique est envisagé. Sur un système simple, les phénomènes de pompage énergétique - c'est à dire un transfert irréversible et unilatéral de l'énergie vibratoire du système principal vers l'absorbeur - sont étudiés à l'aide de méthodes numériques adaptées.<br /><br />En parallèle des problématiques liées à l'amortissement, nous nous sommes intéressés à la modélisation et l'analyse dynamique des ensembles multi-étages de roues aubagées. Bien que récente, cette problématique est aujourd'hui majeure pour la conception des turbomachines et les méthodes existantes d'analyse en dynamique s'avèrent mal adaptées au problème. Une méthode innovante et efficace de modélisation en symétrie cyclique multi-étage est ici proposée; elle permet de modéliser un ensemble de structures cycliques par un secteur élémentaire de chaque étage et les analyses peuvent se faire par harmoniques spatiales. Une application non-linéaire de cette méthode est aussi proposée.<br /><br />Enfin, les premiers résultats d'une étude expérimentale de caractérisation de l'amortissement par joncs de friction sont présentés. Le banc d'essais, sa conception et les choix technologiques sont présentés en détails. Suivent les premiers résultats expérimentaux obtenus lors de la phase de déverminage ainsi qu'une comparaison avec les prédictions de simulations numériques.