L’analyse de cycle de vie des bâtiments (ACV) permet d’évaluer les impacts environnementaux associés à une construction sur l’ensemble de son cycle de vie mais aussi d’aider à choisir les variantes les plus durables dans une démarche d’écoconception. De nombreuses sources d’incertitudes pèsent sur la modélisation environnementale des bâtiments. L’objectif de cette thèse est de proposer une méthodologie pour les prendre en compte et ainsi progresser vers une fiabilisation de l’ACV des bâtiments. Les éléments du modèle qui ont le plus d’influence sur les résultats, et qu’il serait utile de connaître de manière plus précise sont identifiés à l’aide de méthodes d’analyse de sensibilité (AS). Les temps de calcul peuvent être longs pour ces méthodes alors qu’en conception, un temps limité est généralement consacré aux études d’ACV des bâtiments. Plusieurs AS sont comparées en termes de compromis temps de calcul / précision. L’effet des incertitudes sur le choix d’une variante bâtie est étudié en appliquant une méthodologie intégrant des AS et des analyses d’incertitude (AI) adaptées au contexte de comparaison de variantes. Cela permet de rechercher des améliorations d’un projet à un niveau de confiance donné en se concentrant sur les indicateurs environnementaux pour lesquels le choix d’une variante affecte significativement les résultats. La démarche de quantification des incertitudes proposée peut être appliquée au cycle de vie complet de bâtiment et prendre en compte des sources d’incertitudes variées rencontrées en ACV des bâtiments. Les méthodes employées ont été intégrées à une plateforme d’écoconception intégrant des outils de simulation énergétique dynamique (SED) et d’ACV. / Building life cycle assessment (LCA) is a tool used to assess the environmental impact of a construction over its entire life cycle, and to help choosing the most sustainable building alternative in an ecodesign context. Many uncertainty sources arise in the environmental modelling of buildings. The aim of this thesis is to propose a methodology to take them into account and to progress towards more reliable building LCA tools. Model inputs and parameters having the most influence on the results and that should be more precisely known were identified using sensitivity analysis (SA) methods. The calculation time required for the application of these methods may be long, whereas a limited time is generally available to conduct a building LCA study. Several SA methods were therefore compared in terms of a calculation time / precision compromise. The effect of uncertainties on the choice of a built alternative was studied using SA and uncertainty analysis (UA) that are suitable in the context of variants comparison. In that way, the environmental improvements of a project are chosen at a given level of confidence and focusing on the environmental indicators for which the choice of an alternative affects the results significantly. The proposed uncertainty quantification process is applicable to the whole building life cycle and makes it possible to take into account various uncertainty sources arising in building LCA. The used methods were integrated into an ecodesign platform consisting in a dynamic building energy simulation (DBES) and an LCA tool.

Une prédiction fidèle des écoulements hypersoniques à haute enthalpie est capitale pour les missions d'entrée atmosphérique. Cependant, la présence d'incertitudes est inévitable, sur les conditions de l'écoulement libre comme sur d'autres paramètres des modèles physico-chimiques. Pour cette raison, une quantification rigoureuse de l'effet de ces incertitudes est obligatoire pour évaluer la robustesse et la prédictivité des simulations numériques. De plus, une reconstruction correcte des paramètres incertains à partir des mesures en vol peut aider à réduire le niveau d'incertitude sur les sorties. Dans ce travail, nous utilisons un cadre statistique pour la propagation directe des incertitudes ainsi que pour la reconstruction inverse des conditions de l'écoulement libre dans le cas d'écoulements de rentrée atmosphérique. La possibilité d'exploiter les mesures de flux thermique au nez du véhicule pour la reconstruction des variables de l'écoulement libre et des paramètres incertains du modèle est évaluée pour les écoulements de rentrée hypersoniques. Cette reconstruction est réalisée dans un cadre bayésien, permettant la prise en compte des différentes sources d'incertitudes et des erreurs de mesure. Différentes techniques sont introduites pour améliorer les capacités de la stratégie statistique de quantification des incertitudes. Premièrement, une approche est proposée pour la génération d'un métamodèle amélioré, basée sur le couplage de Kriging et Sparse Polynomial Dimensional Decomposition. Ensuite, une méthode d'ajoute adaptatif de nouveaux points à un plan d'expériences existant est présentée dans le but d'améliorer la précision du métamodèle créé. Enfin, une manière d'exploiter les sous-espaces actifs dans les algorithmes de Markov Chain Monte Carlo pour les problèmes inverses bayésiens est également exposée. / Accurate prediction of hypersonic high-enthalpy flows is of main relevance for atmospheric entry missions. However, uncertainties are inevitable on freestream conditions and other parameters of the physico-chemical models. For this reason, a rigorous quantification of the effect of uncertainties is mandatory to assess the robustness and predictivity of numerical simulations. Furthermore, a proper reconstruction of uncertain parameters from in-flight measurements can help reducing the level of uncertainties of the output. In this work, we will use a statistical framework for direct propagation of uncertainties and inverse freestream reconstruction applied to atmospheric entry flows. We propose an assessment of the possibility of exploiting forebody heat flux measurements for the reconstruction of freestream variables and uncertain parameters of the model for hypersonic entry flows. This reconstruction is performed in a Bayesian framework, allowing to account for sources of uncertainties and measurement errors. Different techniques are introduced to enhance the capabilities of the statistical framework for quantification of uncertainties. First, an improved surrogate modeling technique is proposed, based on Kriging and Sparse Polynomial Dimensional Decomposition. Then a method is proposed to adaptively add new training points to an existing experimental design to improve the accuracy of the trained surrogate model. A way to exploit active subspaces in Markov Chain Monte Carlo algorithms for Bayesian inverse problems is also proposed.

Le travail présenté vise à mettre en place une méthodologie pour le suivi en service de la fatigue mécanique pour l’ombilical dynamique d’un système EMR flottant. L’approche envisagée consiste à simuler à l’aide d’outils numériques la réponse de l’ombilical aux cas de chargement observés sur site. Le post-traitement des résultats de ces simulations devant permettre d’accéder à différentes quantités d’intérêt en tout point du câble. Pour quantifier et réduire l’incertitude sur la réponse calculée de l’ombilical ce dernier doit être instrumenté. Un certain nombre de paramètres du modèle numérique feront alors l’objet d’une calibration régulière pour suivre l’évolution des caractéristiques de l’ombilical susceptibles d’évoluer. Dans ce contexte ce manuscrit présente et compare différentes méthodes pour analyser la sensibilité de la réponse de l’ombilical aux paramètres susceptibles d’être suivis. L’objectif est notamment d’orienter le choix des mesures à mettre en oeuvre. L’analyse en composantes principales permet pour cela d’identifier les principaux modes de variation de la réponse de l’ombilical en réponse aux variations des paramètres étudiés. Différentes approches sont également envisagées pour la calibration des paramètres suivis,avec en particulier le souci de quantifier l’incertitude restante sur le dommage. Les méthodes envisagées sont coûteuses en nombre d’évaluations du modèle numérique et ce dernier est relativement long à évaluer. L’emploi de méta-modèles en substitution des simulations numériques apparait donc nécessaire, et là encore différentes options sont considérées. La méthodologie proposée est appliquée à une configuration simplifiée d’ombilical dans des conditions inspirées du projet FLOATGEN. / The present work introduces a methodology to monitor fatigue damage of the dynamic power cable of a floating wind turbine. The suggested approach consists in using numerical simulations to compute the power cable response at the sea states observed on site. The quantities of interest are then obtained in any location along the cable length through the post-treatment of the simulations results. The cable has to be instrumented to quantify and to reduce the uncertainties on the calculated response of the power cable. Indeed some parameters of the numerical model should be calibrated on a regular basis in order to monitor the evolution of the cable properties that might change over time. In this context, this manuscript describes and compares various approaches to analyze the sensitivity of the power cable response to the variations of the parameters to be monitored. The purpose is to provide guidance in the choice of the instrumentation for the cable. Principal components analysis allows identifying the main modes of power cable response variations when the studied parameters are varied. Various methods are also assessed for the calibration of the monitored cable parameters. Special care is given to the quantification of the remaining uncertainty on the fatigue damage. The considered approaches are expensive to apply as they require a large number of model evaluations and as the numerical simulations durations are quite long. Surrogate models are thus employed to replace the numerical model and again different options are considered. The proposed methodology is applied to a simplified configuration which is inspired by the FLOATGEN project.

Les ressources en eau de l'Himalaya, vitales pour 800 millions de personnes, proviennent majoritairement de la mousson et de la fonte de la cryosphère. L'impact du changement climatique sur ces ressources, particulièrement important dans cette région selon le GIEC (2007), est un questionnement majeur à l'échelle de la chaîne himalayenne. Dans ce contexte, la quantification des composantes pluviales, nivales et glaciaires du bilan hydrologique est primordiale. A cet effet, un modèle hydrologique conceptuel distribué (HDSM) a été développé pour estimer la répartition de ces composantes dans les écoulements de la rivière Dudh Koshi de 2001 à 2005. Son bassin versant (3 700 km²), dont le point culminant est le Mont Everest, est situé à l'est du Népal. Les surfaces enneigées, calées à partir de données satellitaires, ainsi que les débits, sont correctement simulés par le modèle. Toutefois, le facteur de fonte glaciaire est surestimé, entrainant une composante glaciaire d'environ 60% des débits annuels, contre 5% selon la littérature. Cette surestimation compense une sous-estimation significative des précipitations, notamment solides. Après une correction des précipitations, les composantes pluviale, nivale et glaciaire expliquent respectivement, 63%, 9% et 29% des débits annuels de la Dudh Koshi sur la période 20012005. Pour compléter cette modélisation, les perceptions de la population sur les variations hydro-climatiques, obtenues à partir d'enquêtes dans les villages, ont été comparées aux données quantitatives utilisées et simulées par le modèle HDSM de 1977 à 2007. Cette comparaison la sous-estimation des précipitations solides. Les résultats mettent aussi en évidence une diminution significative des précipitations (totales, liquides et solides) en décembre, et une augmentation significative, non perçue par la population, des températures annuelles mesurées sur les 30 dernières années. Les deux approches, par modélisation et par enquêtes, soulignent les incertitudes importantes des données hydro-climatiques du bassin versant de la Dudh Koshi. Ces incertitudes limitent la compréhension des processus hydro-nivoglaciaires et l'estimation des impacts du changement climatique sur la ressource en eau de ce bassin. Les perceptions, bien qu'elles soient également associées à des incertitudes, apportent des informations complémentaires cruciales pour améliorer ces connaissances et la critique des données quantitatives de ce milieu de haute montagne himalayenne. / The Himalayan water resources, vital for 800 millions of people, come mainly from the monsoon and from the melting of the cryosphere. The impact of the climate change on these resources, especially significant in the area, is a major issue in the Himalayan range. In this context, the assessment of the rainfall, snowmelt and icemelt components of the water balance is crucial. Consequently, a distributed conceptual hydrological model (HDSM) was developed to estimate the contribution of each component to the Dudh Koshi River flows from 2001 to 2005. The Dudh Koshi River basin (3 700 km²), with the Mount Everest as highest peak, is located in Eastern Nepal. The snow cover areas, calibrated with satellite data, and as well as the runoff are correctly simulated by the model. Nevertheless, the ice degree-day factor is overestimated, leading to an icemelt contribution around 60% of annual discharge, against 5% in the literature. This overestimation offsets a significant underestimation of precipitation, especially solid precipitation. After a correction of the precipitation, the contributions of rainfall, snowmelt and icemelt represent respectively 63%, 9%, and 29% of the Dudh Koshi annual discharge from 2001 to 2005. To complete this modeling, perceptions of the population on the hydro-climatic variability, obtained by interviews in the villages, were compared to the quantitative data used and simulated by the model HDSM from 1977 to 2007. This comparison confirms the underestimation of precipitation, especially solid. These results also show a significant decrease of precipitation in December and a significant increase, not perceived by population, of the measured annual temperature on the last thirty years. Both approaches by modeling and interviews highlight large uncertainties on the hydro-climatic data of the Dudh Koshi River basin. These uncertainties limit the understanding of hydrological and cryospheric processes and the assessment of climate change impacts on the water resources of this basin. Although they are also uncertain, the perceptions bring crucial complementary information to improve this knowledge and the analysis of the quantitative data of this high mountain Himalayan area.

Dans cette recherche, un modèle de propagation d'ondes de choc sur grandes distances sur un environnement urbain est construit et validé. L'approche consiste à utiliser l'Equation Parabolique Nonlinéaire (NPE) comme base. Ce modèle est ensuite étendu afin de prendre en compte d'autres effets relatifs à la propagation du son en milieu extérieur (surfaces non planes, couches poreuses, etc.). La NPE est résolue en utilisant la méthode des différences finies et donne des résultats en accord avec d'autres méthodes numériques. Ce modèle déterministe est ensuite utilisé comme base pour la construction d'un modèle stochastique de propagation sur environnements urbains. La Théorie de l'Information et le Principe du Maximum d'Entropie permettent la construction d'un modèle probabiliste d'incertitudes intégrant la variabilité du système dans la NPE. Des résultats de référence sont obtenus grâce à une méthode exacte et permettent ainsi de valider les développements théoriques et l'approche utilisée.

Cette thèse se propose d'étudier les impacts des changements climatiques sur les vents de surface en France et d'en tirer des conclusions sur le potentiel éolien. Du fait de leur faible résolution spatiale, les modèles climatiques ne peuvent pas reproduire correctement la variabilité spatiale des vents de surface en France. Deux méthodes de désagrégation ont donc été développées afin de régionaliser un ensemble de scénarios climatiques: une méthode statistique basée sur une analyse en types de temps et une méthode statistico-dynamique utilisant des simulations méso-échelles à haute résolution. A l'horizon 2050, des changements significatifs mais relativement faibles apparaissent avec notamment une diminution de la vitesse du vent dans le sud et une augmentation dans le nord. L'utilisation d'autres méthodes de désagrégation permet d'étudier différentes sources d'incertitudes : il apparaît que l'essentiel de l'incertitude est dû aux modèles climatiques.

Il existe actuellement un grand nombre de modèles hydrologiques conceptuels ou empiriques globaux permettant de simuler la transformation de la pluie en débit à l'échelle du bassin versant. Notre étude comparative a permis de tester 38 structures de modèles sur un large échantillon de 429 bassins versants situés en France, aux Etats-Unis, en Australie, en Côte d'Ivoire et au Brésil. Les structures ont toutes été évaluées dans le même cadre de test, avec les mêmes données d'entrée. Leurs paramètres ont été calés par une méthode d'optimisation locale qui a prouvé de bonnes capacités à identifier un optimum satisfaisant. Les performances en terme de qualité des simulations des débits observés ont été évaluées grâce à un ensemble de critères quantitatifs, dont certains correspondent à des formulations nouvelles. Les tests réalisés indiquent qu'un faible nombre de paramètres libres (3 à 5) est suffisant pour obtenir des résultats aussi satisfaisants que des structures avec un plus grand nombre de degrés de liberté, l'augmentation de leur nombre limitant la robustesse du modèle. Par ailleurs, la structure du modèle joue un rôle prépondérant sur la qualité des simulations. Certains outils mathématiques contenus dans différentes structures apparaissent complémentaires et leur association au sein d'un même modèle permet d'améliorer les simulations de débit. La structure du modèle simple GR3J a ainsi pu être modifiée pour obtenir une structure à quatre paramètres plus satisfaisante, avec notamment une meilleure simulation des étiages.

Ce rapport résume les recherches que j'ai entreprises depuis la fin de mon doctorat de thèse à l'automne 2001. Le travail présenté a été fait dans le cadre de divers projets et en collaboration avec de nombreux chercheurs : l'Imperial College London, Royaume-Uni (2001–2004) ; Bureau de Recherches Géologiques et Minières (BRGM), France (2004–présent) ; le Centre de recherches pour le génie parasismique (Earthquake Engineering Research Centre) à l'Université d'Islande (2009– 2010). En outre, ce rapport énumère les activités d'enseignement, de supervision et de conseils dans lesquels j'ai été impliqué depuis 2001. Ma recherche s'est principalement focalisée sur la prédiction de mouvements fort du sol à des fins d'ingénierie, soit pour des projets de conception ou de rénovation, soit pour l'évaluation de l'aléa et du risque sismique. La plupart de mes études portent sur l'estimation des mouvements sismiques empiriques par le biais des équations de prédiction de mouvements du sol (GMPEs, aussi appelées modèles de mouvements du sol ou relations d'atténuation). Cette recherche met l'accent sur : l'amélioration des prévisions des mouvements du sol médians et de la variabilité associée ; la quantification, la compréhension et potentiellement la réduction de la variabilité ; l'évaluation et la modélisation de la dépendance régionale des mouvements du sol ; et la confrontation de simulations et d'estimations empiriques. Mes recherches montrent que, bien que des progrès significatifs ont été accomplis au cours des deux dernières décennies dans l'amélioration de la précision des estimations de mouvements du sol médians pour un scénario donné, l'incertitude épistémique reste élevée et cela doit être pris en compte aussi bien dans l'évaluation de l'aléa que du risque sismique. En outre, toutes les méthodes permettant de réduire les écarts-types de GMPEs proposées jusqu'à présent, même si elles semblaient prometteuses, se sont révélées largement inefficaces. Mes études ont démontré que les mouvements sismique du sol peuvent varier considérablement selon les séismes ou les sites d'étude. Cela aussi doit être pris en compte lors de l'évaluation de l'aléa et du risque sismique. Toute tentative de réduire les incertitudes épistémiques et de dériver les GMPEs avec des écartstypes plus faibles sont tributaires d'une part de l'augmentation de la densité des réseaux de mouvements forts ; et d'autre part et peut-être de manière plus importante encore, de l'amélioration de la precision des métadonnées associées aux enregistrements de mouvements forts. Une telle base de données ainsi améliorée devrait conduire à une meilleure compréhension des phénomènes physiques et, de ce fait, à des résultats empiriques concernant l'effet de source, de trajet et de site sur les mouvements sismiques.

En électromagnétisme, dans la plupart des modèles numériques, déterministes, résolvant les équations de Maxwell, toutes les données d'entrée sont supposées parfaitement connues. Cependant la géométrie et les caractéristiques des matériaux peuvent présenter des incertitudes (vieillissement...). Nous cherchons alors à propager les incertitudes des données d'entrée vers les paramètres de sorties. Un modèle numérique probabiliste paraît alors plus adapté qu'un modèle numérique déterministe. Un certain nombre de méthodes ont été proposé en génie mécanique, très peu en électromagnétisme. La méthode de simulation de Monte Carlo est simple et robuste mais coûteuse en temps de calcul. On trouve aussi la méthode de perturbation où le champ inconnu est développé en série de Taylor autour de sa moyenne. Cette méthode permet de calculer la moyenne et la variance du champ de sortie assez simplement, mais pour les moments d'ordre supérieur, la généralisation semble complexe et coûteuse en temps de calcul. La méthode de développement en série de Neumann consiste à développer l'opérateur en série, mais la convergence semble lente. Il existe aussi des méthodes basées sur des développements des paramètres de sorties dans le chaos polynomial de Hermite. Ces méthodes sont basées sur une discrétisation de la dimension spatiale et de la dimension aléatoire. Ces méthodes peuvent être séparées en deux familles. La première, introduite par R.G. Ghanem, est dite intrusive car elle nécessite des modifications profondes du code éléments finis, elle est appelée Spectral Stochastic Finite Element Method (SSFEM) et elle peut être vue comme une généralisation de la méthode de Galerkin, la seconde est dite non intrusive car le code éléments finis n'est vu que comme une boite noire. Dans la thèse, nous présenterons la méthode de Monte Carlo, et nous étudierons la SSFEM et une classe particulière de méthode non intrusive : la méthode de projection sur le chaos polynomial de Hermite dans le cas de l'électrocinétique où les conductivités seront supposées être des variables aléatoires par morceaux. Dans ce cadre les conductivités peuvent être développées en polynômes de Hermite, nous étudierons l'effet de la troncature sur les résultats. Finalement, une méthode pour calculer des grandeurs globales, comme le courant sera présentée et utilisée pour l'étude d'un cas industriel : un manchon de câble électrique à haute tension. Mots-clés: électromagnétisme numérique, quantification des incertitudes, chaos polynomial, éléments finis stochastiques, méthode non intrusive de projection, calcul de grandeur globale.

Résumé indisponible