L’une des raisons de la dégradation prématurée des routes en Amérique du Nord serait les propriétés mécaniques inadéquates des matériaux. Devant le peu d’informations sur le comportement anisotrope des matériaux granulaires dans la littérature, le service des matériaux d’infrastructure du ministère des Transports du Québec a accepté de soutenir le projet (GE-004-09) qui porte sur la détermination du module réversible des matériaux granulaires utilisés pour construire les fondations des routes. Les études montrent que le module réversible (MR) des sols de chaussée est un paramètre essentiel pour le dimensionnement et l’analyse des chaussées revêtues d’enrobé. Selon la méthode de conception (AASHTO, 2002), les différentes couches de la structure de la chaussée sont choisies et dimensionnées de façon à ce que la couche d’infrastructure reste dans la limite des tolérances des déformations élastiques. Afin de déterminer le MR, des essais triaxiaux et pressiométriques ont été effectués dans les installations du ministère des Transports du Québec. Les essais pressiométriques ont été réalisés dans un moule compacteur, conçu spécialement pour effectuer les essais verticaux et horizontaux. Les résultats obtenus des essais pressiométriques diffèrent de ceux des essais triaxiaux (13 kg de matériau granulaire). Des valeurs obtenues à partir de l’essai pressiométrique sur un matériau représentatif de chaussée (72 kg) démontrent qu’il y a une évidence d’anisotropie stucturale dans la fondation et la sous-fondation. Il ressort que le rapport d’anisotropie (Er/Ez ) est à peu près égal à 15 %, ce qui concorde avec celui de Tutumluer et al., (2003). Finalement, l’essai pressiométrique est très prometteur car il permet non seulement la détermination de l’anisotropie, mais il permet à l’ingénieur de développer une confiance dans les résultats à cause de la forme de la courbe pression-volume. / One reason for the premature deterioration of roads in North America is inadequate mechanical properties of materials. Given the limited information on the anisotropic behavior of granular materials in the literature, the « Service des matériaux d’infrastructure du ministère des Transports du Québec » agreed to support the project (GE-004-09) which relates to the determination of resilient modulus of granular materials used to build the foundations of roads. Studies show that the resilient modulus of pavement soils is a key parameter for the design and analysis of paved asphalt roads. According to the design method (AASHTO, 2002), the different layers of the pavement structure are dimensioned so that the infrastructure layer remains within tolerated limits of elastic deformations. In order to determine the resilient modulus, triaxial and pressuremeter tests were performed in the facilities of the « Ministère des transports du Québec ». Pressuremeter tests were carried out in a mold compactor, designed specifically for vertical and horizontal testing. The results of pressuremeter tests differ from those (13 kg of granular material) of the triaxial tests. Values obtained from the pressuremeter tests on representative road material (72 kg), demonstrate the existence of structural anisotropy in the foundation and subgrade sections. It appears that the anisotropic ratio (Er/Ez) is roughly equal to 15%, which is consistent with results obtained by Tutumluer et al., (2003). Finally the pressuremeter test is very promising because, not only does it allows for the determination of anisotropy, but also allows the engineer to develop confidence in the results due to the shape of the pressure-volume curve.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2013-2014. / Cette maîtrise s’inscrit dans un projet multidisciplinaire de développement d’une hydrolienne à ailes oscillantes de seconde génération (HAO-2) au Laboratoire de Mécanique des Fluides Numérique (LMFN) de l’Université Laval. Cette hydrolienne complètement submergée est composée de quatre ailes assemblées sur une base par gravité. Ce mémoire comporte deux volets. Le premier porte sur la conception des circuits de couplage pilonnement-tangage et d’extraction d’énergie de la HAO. Les solutions proposées et une vision de la HAO-2 seront présentées en détail. Un banc d’essai expérimental est conçu pour reproduire le circuit de couplage et simuler le mouvement et les efforts sur une aile. Il permet de démontrer la faisabilité du système élaboré et de déterminer son efficacité. Différents actionneurs de tangage ainsi que différents joints d’étanchéité sont analysés. Seulement les composantes offrant les meilleures performances sont présentées dans ce mémoire. Pour le couplage, un rendement maximal de 80% est mesuré. La modélisation des circuits hydrauliques nécessaire au second volet du projet a été calibrée sur les données expérimentales, notamment le frottement dans les joints d’étanchéité. Le second volet vise à modéliser sur le plan économique un parc HAO à différentes échelles et selon différentes conditions d’opération. Le programme dimensionne l’hydrolienne en fonction des conditions d’opération, puis en estime son coût de fabrication et l’énergie produite annuellement. Il calcule aussi le coût d’installation des turbines, le coût du réseau électrique et de son installation et finalement les dépenses en opération et maintenance (O&M). Le modèle tient également compte de la valeur de l’argent dans le temps en utilisant la valeur présente équivalente. Deux critères de performance sont utilisés pour les comparaisons, le coût de production (CP) et le coût de l’énergie (CE). Par ces critères, plusieurs analyses de sensibilité sont réalisées sur les paramètres importants du modèle. Sans aucun doute, le coût de fabrication et les frais d’O&M dominent largement le coût de l’énergie d’une HAO. Un site d’exploitation en particulier est étudié, près de l’Isle-aux-Coudres, sur lequel un CE de 20 ¢/kWh est obtenu pour un parc de 80 HAO de 1.25MW chacune. / This master’s thesis is part of a multidisciplinary project to develop a second generation of tidal oscillating wings turbine (HAO-2) at Laboratoire de Mécanique des Fluides Numérique (LMFN) from Laval University. This tidal turbine completely submerged is composed of four wings assembled on gravity-based structure. This work has two parts. The first one focuses on the hydraulic circuit design of the pitch-heave coupling and the energy extraction system. Proposed solutions and a vision of the HAO-2 will be presented in detail. An experimental apparatus is designed to reproduce the coupling circuit and simulate the motion and forces on a wing. It allows to demonstrate the developed system feasibility and determine its efficiency. Various actuators and seals are analyzed. Only components with the best performances are presented in this paper. For the coupling system, a maximum efficiency of 80% is measured. Hydraulic modeling necessary for the second phase of the project has also been calibrated on experimental data, especially, friction in seals. The second part treats the economic modeling of a tidal turbine farm at different scales and in different operating conditions. The program designs the turbine depending on the operating conditions, and then, it estimates the construction cost and it calculates the annual energy extracted. It also calculates the installation cost, the electricity infrastructure and their installation cost and finally the operation and maintenance cost (O&M) throughout the farm life time. The model also takes into account the value of money over time by using the net present value. For the cases comparison, the production cost (CP) and the energy cost (CE) are used. Several sensitivity analyses are carried out on the important parameters of the model. As would be expected, the construction cost and the O&M cost are key factors governing the energy cost of HAO. A particular site is studied, near the Isle-aux-Coudres, which a energy cost about 20 ¢/kWh is obtained for a farm with 80 HAO of 1.25MW each.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre d'une étude géotechnique. Son objectif général consiste à élaborer un appareil pouvant être utile dans le futur et servant à mesurer les caractéristiques des argiles dans le but d'arriver éventuellement à la résistance au cisaillement non drainé. Le programme d'essais consiste en la pénétration par l'appareil d'une argile de Louiseville et d'une argile artificielle, toutes deux dans des états remanié et intact.Quelques résultats de contraintes sont aussi évalués avec la méthode des éléments finis(MEF) avec le logiciel Geoslope. Le modèle utilisé est le Cam clay. Le logiciel SAS est mis en oeuvre pour faire la relation entre la contrainte, la vitesse de pénétration et la teneur en eau, en utilisant une régression linéaire multiple.

Les nombreux avantages de l’acier haute-performance (HPS) ont suscité un grand intérêt pour les structures de ponts aux États-Unis. Il pourrait être aussi bénéfique d’introduire ce matériau moderne au Canada, mais la résistance en fatigue et la viabilité économique n’ont pas été bien caractérisées. Dans le cadre d’un projet de pont spécifique au Canada, un détail critique en fatigue sur une poutre d’acier hybride a été identifié et reproduit à l’échelle réelle. Un programme expérimental a permis de tester quatre (4) échantillons afin de comparer leur résistance avec la norme CAN/CSA (2006). Considérant un nombre de données insuffisantes pour l’instant, il n’est statistiquement pas possible de juger de la réelle résistance en fatigue du détail ciblé. Une étude de coûts a également été complétée. Selon les configurations étudiées, les économies peuvent atteindre 6% à 20% seulement par l’utilisation de poutres hybrides avec HPS, comparativement à des poutres d’acier conventionnelles. / The numerous benefits of high performance steel (HPS) raised great interest in bridge structures in the United States. It could be as positive to introduce this modern material in Canada, but the fatigue resistance and economic have not been well characterized. As part of a specific bridge project in Quebec, a critical fatigue detail on a hybrid steel girder has been identified and reproduced to scale. An experimental program was used to test four (4) samples to compare their fatigue strength with CAN/CSA (2006). Considering the insufficient number of data for the moment, is it statistically impossible to specify the actual fatigue resistance of the target detail. A cost study was also conducted. According to the configurations studied, the savings can reach 6% to 20% only by the use of hybrid girders system with HPS, compared to conventional steel girders.

Un cadre théorique et technique est développé afin de permettre la réalisation d'essais à la table vibrante visant l'étude du comportement de fondations superficielles reposant sur sol pulvérulent sec. Une revue exhaustive de la littérature est réalisée et permet de dégager les principales problématiques ainsi que de faire le point sur l'état des connaissances dans le domaine. Est ensuite développée une théorie de modélisation dimensionnelle spécifiquement appliquée à l'étude des sols en condition 1-g devant permettre de prédire adéquatement le comportement d'une structure réelle en fonction du comportement d'une structure de petite taille au laboratoire. Cette approche est basée sur les recommandations de plusieurs auteurs et sur le modèle de la mécanique d'état critique. L'aspect technique du projet comprend le développement d'un système de confinement pour des échantillons de sols de grandes dimensions. Le système permet d'obtenir des conditions de déformations de type champs libre pour un cas de déformation plane. Ces conditions sont obtenues via l'utilisation d'un mécanisme novateur de dissipation d'énergie, spécifiquement développé dans le cadre de ce projet de recherche. L'analyse structurale complète de la boîte est réalisée et présentée en détails. Un sable naturel de la région de Montréal, un sable à mortier, est étudié au laboratoire de l'Université Laval. Ce sable doit pouvoir servir de support à la fondation lors des essais à la table vibrante. L'objectif est de permettre de dégager les propriétés mécaniques du sol afin de recourir à la théorie de la modélisation ce qui permettra d'assurer une concordance entre le comportement du modèle en laboratoire et la structure réelle. Finalement, une analyse numérique est réalisée afin d'évaluer l'impact des frontières rigides sur le comportement en rotation des fondations superficielles. L'objectif est d'évaluer la distance minimale devant être respectée en fonction de la pression de contact entre la semelle et le sol afin de permettre de maximiser les dimensions de la fondation utilisée au laboratoire lors des essais 1-g.

Ce mémoire présente les travaux de recherche effectués au sein du département de Génie Mécanique de l’Université Laval dans le cadre du projet « Impact modeling of Composite Aircraft Structure », IMCAS du Consortium de Recherche et d’Innovation en Aérospatiale (CRIAQ). Le but de ces travaux était de créer une loi de comportement pour les composites tissés sec mous et de les implanter dans un élément coque reproduisant le comportement dynamique d’un croisement de fibres dans un pli typique sous impact balistique et en fonction de certains paramètres géométriques propres au tissé. La création d’une loi de comportement de l’usager dans le logiciel d’analyse par éléments finis Abaqus a été nécessaire pour mener à bien ce projet. La méthodologie de développement de la sous-routine de l’usager, qui définit le matériau tissé et est utilisée en conjonction avec l’élément shell S4R, est basée sur les récents travaux de Grujicic et al (1) et Shahkarami et al (2). La validation de ce modèle a été réalisée en vérifiant la validité de sa réponse à certaines sollicitations rencontrées dans des études simples d’impact. Le résultat final de ces tests numériques d’impact a permis de démontrer que nous obtenons des résultats similaires à ceux de Shahkarami pour les mêmes paramètres d’expérimentation. Enfin, après cette dernière validation, nous avons appliqué l’outil développé à l’étude, en dynamique explicite, de l’impact d’une pale de soufflante sur un caisson de confinement hybride. Ce caisson est composé d’une première couche intérieure en coque métallique et sur laquelle s’empilent plusieurs couches de kevlar. Tout au long de ce mémoire, nous avons détaillé toutes les hypothèses, les démarches et les outils utilisés pour réaliser ce travail. Nos résultats montrent finalement qu’il est possible de reproduire les phénomènes physiques à une échelle méso-mécanique lors d’un impact haute vitesse sur un matériau composite tissé multicouche tout en minimisant le temps de calcul nécessaire. / This thesis presents the work that has been carried out inside the Mechanical Engineering Department of Laval University within a CRIAQ project related to Impact Modeling of Composite Aircraft Structure (IMCAS). The main goal of this work was to develop a dry fabric model for ballistic impact application and to implement it into a shell element capable of reproducing the dynamic behavior of a yarn crossover point with due account of some specific geometric and material parameters. The development of a material user subroutine (VUMAT user subroutine) was necessary to carry out this project. The methodology employed for the development of the user subroutine to be used with the S4R shell element available in Abaqus is based upon the works of Grujicic et al (1) and Shahkarami et al (2). The validity of the mesomechanical model created was carried out in order to assess the accuracy of its behavior under elementary loadings. Subsequently, using the same parameters to set up the analysis, the developed model has been applied in simple impact problems in Abaqus to demonstrate that we are able to obtain the same results as in the work of Shahkarami (2) used as a reference. Finally, after this last validation, the model is used in the impact study of an aeronautical engine’s fan blade containment problem using a hybrid casing. In our problem the casing’s inner shell is metallic and multiple Kevlar fabric layers are wrapped around it to contribute to the energy absorption and containment of the fan blade debris released outward at high speed. In this thesis all the assumptions, process and tools necessary to carry out every analysis have been described in details. Our results demonstrate that it is possible to capture the physical phenomenon happening at the yarn’s mesoscopic level during a high-velocity impact on a dry fabric while minimizing the computation time.

La résistance du till de la Romaine 3 a été étudiée sous sollicitations cycliques grâce à un nouvel appareil de cisaillement simple cyclique. Les essais ont été effectués à différentes teneurs en eau de compactage (côté sec et côté humide de l’optimum Proctor) et à différentes contraintes de cisaillement cyclique. Il a été démontré que les échantillons compactés du côté sec de l’optimum Proctor ont nécessité environ dix fois plus de cycles de cisaillement pour atteindre la rupture que les échantillons compactés du côté humide. Les essais effectués à faible ratio de cisaillement ont aussi nécessité l’application de dix fois plus de cycles de cisaillement que ceux effectués à ratio de cisaillement élevé avant d’atteindre la rupture. Le projet de recherche présenté s’inscrit dans le cadre de la chaire de recherche industrielle CRSNG – Hydro-Québec sur l’optimisation du cycle de vie des barrages en remblai. / The resistance of Romaine 3 till was studied under cyclic loading using a new cyclic simple shear apparatus. The tests were carried out at different compaction water contents (dry and wet sides of Proctor optimum) and at different cyclic shear stress levels. It was found that ten times more cycles were needed for samples compacted on the dry side of optimum to reach failure than for samples compacted on the wet side of optimum. It was also found that the tests carried out at low cyclic stress ratio took ten times more cycles to reach failure then tests carried out at high cyclic stress ratios. The presented research project is part of the NSERC – Hydro-Québec Industrial Research Chair in life cycle optimisation for embankment dams.

Les matériaux composites à matrice organique sont de plus en plus utilisés par l'industrie des transports pour la réalisation d'éléments structuraux. Afin de permettre un dimensionnement optimal de ces structures, il est nécessaire d'améliorer la compréhension et la modélisation du comportement de ces matériaux sur une large gamme de vitesses de sollicitation et de températures d'environnement. Pour cela, plusieurs campagnes expérimentales ont été réalisées sur le T700GC/M21, un composite stratifié à matrice organique, dans le cadre de ces travaux. Tout d'abord, des essais dynamiques sur un vérin hydraulique, ainsi que des essais de fluage, ont été menés afin de caractériser la dépendance à la vitesse du comportement de ce matériau. Ensuite, la dépendance à la température a été mise en évidence à l'aide d'essais à basse température sur vérin hydraulique, complétés d'essais DMA.Les résultats de ces essais ont été utilisés afin de justifier physiquement le développement d'un modèle visco-élastique bi-spectral pour la description de la dépendance à la vitesse du T700GC/M21 sur une large gamme de vitesses de déformation. L'influence de la température d'environnement sur le comportement a quant à elle été introduite à l'aide d'une loi d'Arrhénius. Ce modèle thermo-visco-élastique permet finalement de rendre compte du comportement du stratifié T700GC/M21 sur une large gamme de vitesses et de températures

La survie globale (SG) est considérée comme le critère de jugement principal de référence et le plus pertinent/objectif dans les essais cliniques en oncologie. Cependant, avec l’augmentation du nombre de traitements efficaces disponibles pour une majorité de cancers, un nombre plus important de patients à inclure et un suivi plus long est nécessaire afin d’avoir suffisamment de puissance statistique pour pouvoir mettre en évidence une amélioration de la SG. De ce fait les critères de survie composites, tels que la survie sans progression, sont couramment utilisés dans les essais de phase III comme critère de substitution de la SG. Leur développement est fortement influencé par la nécessité de réduire la durée des essais cliniques, avec une réduction du coût et du nombre de sujets nécessaires. Cependant, ces critères sont souvent mal définis, et leurs définitions sont très variables entre les essais, rendant difficile la comparaison entre les essais. De plus, leur capacité de substitution à la SG, c’est-à-dire la capacité à prédire un bénéfice sur la SG à partir des résultats de l’essai sur le critère d’évaluation, n’a pas toujours été rigoureusement évaluée. Le projet DATECAN-1 a permis de proposer des recommandations pour la définition et donc l’homogénéisation entre essais cliniques randomisés (ECR) de ces critères [1].De plus, la majorité des essais cliniques de phase III intègrent désormais la qualité de vie relative à la santé (QdV) comme critère de jugement afin d’investiguer le bénéfice clinique de nouvelles stratégies thérapeutiques pour le patient. Une alternative serait de considérer un co-critère de jugement principal : un critère tumoral tel que la survie sans progression et la QdV afin de s’assurer du bénéfice clinique pour le patient [2]. Bien que la QdV soit reconnue comme second critère de jugement principal par l’ASCO (American Society of Clinical Oncology) et la FDA (Food and Drug Administration) [3], elle est encore peu prise en compte comme co-critère de jugement principal dans les essais. L’évaluation, l’analyse et l’interprétation des résultats de QdV demeurent complexes, et les résultats restent encore peu pris en compte par les cliniciens du fait de son caractère subjectif et dynamique [4].Lors de la conception d’un essai clinique avec des critères de jugements principaux multiples, il est essentiel de déterminer la taille de l’échantillon appropriée pour pouvoir indiquer la signification statistique de tous les co-critères de jugements principaux tout en préservant la puissance globale puisque l’erreur de type I augmente avec le nombre de co-critères de jugements principaux. Plusieurs méthodes ont été développées pour l’ajustement du taux d’erreur de type I [5]. Elles utilisent généralement un fractionnement du taux d’erreur de type I appliqué à chacune des hypothèses testées. Toutes ces méthodes sont investiguées dans ce projet.Dans cette optique, les objectifs de mon projet de thèse sont :1) D’étudier l’influence des définitions des critères de survie issus du consensus du DATECAN-1 sur les résultats et les conclusions des essais.2) D’étudier les propriétés des critères de substitution à la SG.3) De proposer un design du calcul du nombre de sujets nécessaires pour une étude clinique de phase III avec des co-critères de jugement de type temps jusqu’à événement tels la survie sans progression et la QdV.L’objectif final de mon projet de thèse est, sur la base de publications, de développer un package R pour le calcul du nombre de sujets nécessaires avec les co-critères de jugement principal et d’étudier les critères de substitutions à la SG pour le cancer du pancréas. / In oncology clinical trial, overall survival (OS) benefit is the gold standard for the approval of new anticancer by the regulatory agencies as the FDA. The need to reduce long-term follow-up, sample size and cost of clinical trials led to use some intermediate endpoint for OS to assess earlier efficacy of treatments. The intermediate endpoints are often used as primary endpoints because they can be assessed earlier and most of the time, these endpoints are composite endpoints because they combine different events. Nevertheless, composite endpoints suffer from important limitations specially the variability of their definitions, which is recognized as a major methodological problem. In this context, the DATECAN-1 project has been developed to provide recommendations and to standardize definitions of time-to-event composite endpoints for each specific diseases and at each specific stage by use of a formal consensus methodology. To validate surrogate endpoints, Buyse and colleagues developed a method based on individual-data meta-analysis, which assesses “individual-level” surrogacy and “trial-level” surrogacy, which is considered as the gold standard.Phase III cancer clinical trials investigators employ more and more two co-primary endpoints. However, an important challenge, in the conception of clinical trials is the sample size calculation according to the main objective(s) and the ability to manage multiple co-primary endpoints. The determination of sample size is fundamental and critical elements in the design of phase III clinical trial. If the sample size is too small, important effects may be go unnoticed. If it is too large, it represents a waste of resources and unethically puts more participants at risk than necessary. The statistical power depends on the total number of events rather than on total sample size.The objectives of my thesis project are:1) To study the impact of the definitions of time-to-event endpoint from the DATECAN-1 consensus on the results and conclusions of the trials published in pancreatic cancer.2) To study the properties of the potential surrogate to the overall survival.3) To propose a design for the determination of sample size necessary for a phase III clinical study with co-primary time-to-event such as progression-free survival and time to quality of life deterioration.The final objective of my thesis project is to develop an R package for the calculation of the number of subjects needed with the co-primary time-to-event in phase III clinical trials.

La caractérisation du comportement des matériaux bitumineux est primordiale pour pouvoir dimensionner les structures de chaussées, mais aussi pour prédire de manière plus précise leur durée de vie. En effet, ces matériaux sont soumis à des phénomènes complexes, mécaniques, thermiques, physiques et chimiques qui apparaissent souvent de manière couplée. Devant la complexité des problèmes observés et avec l’apparition des nouveaux matériaux et nouvelles techniques de fabrication, des études avancées de laboratoire et des modélisations rhéologiques sont nécessaires. Les méthodes existantes permettent de caractériser les matériaux en laboratoire grâce à l’utilisation de presses hydrauliques très couteuses. De plus, la plupart de ces essais ne sont pas adaptés à une utilisation directe sur chaussées. Dans cette thèse, un essai dynamique qui repose sur le phénomène de propagation d’onde a été développé pour caractériser les enrobés bitumineux dans le domaine viscoélastique linéaire. Il s’agit d’un essai non destructif, bien moins couteux que les essais existants et qui pourrait à terme s’adapter à une utilisation in-situ. Des méthodes complexes d’analyse inverse de propagation d’ondes en milieu viscoélastique ont été mises au point afin d’obtenir les propriétés thermomécaniques des enrobés bitumineux à partir des signaux mesurés expérimentalement. Les propriétés viscoélastiques linéaires de différents enrobés bitumineux déterminées à partir de l’essai dynamique développé ont été comparées aux résultats obtenus avec des essais cycliques plus conventionnels de traction-compression. / Characterizing the behaviour of bituminous materials is essential for the design of pavement structures and to predict their service life more accurately. Indeed, these materials are subjected to complex phenomenon, mechanical, thermal, physical and chemical that are often coupled. Due to the complexity of the phenomenon observed and with the emergence of new materials and new production techniques, advances laboratories studies and rheological modelling are necessary. With the existing methods, it is possible to characterize the materials in laboratories using expensive hydraulic presses. Moreover, most of these tests cannot be used directly on pavement structures. In this thesis, a dynamic test based on wave propagation was developed to characterize bituminous mixtures in the linear viscoelastic domain. It is a nondestructive test, far less expensive than the existing tests and that could be adapted for in situ measurements. Complex methods of inverse analysis of wave propagation in a viscoelastic medium were developed to obtain the thermomechanical properties of bituminous mixtures from the signals measured experimentally. The linear viscoelastic properties of different mixtures obtained from the developed dynamic test were compared to the results of more conventional cyclic tension-compression tests.