Anti ram perimeter barriers are part of the protection of important facilities such as power plants, air ports and embassies against unrestricted vehicle access. Many different systems can be used to achieve the containment goal. One of these systems makes use of soil embedded posts either single posts if the soil is hard enough or groups of soil embedded posts tied together by beams if the soil is not hard enough for a single post to stop the in-coming truck. The design of these soil embedded posts needs to take account a number of influencing factors which include the soil strength and stiffness, the post strength and stiffness, the mass of the vehicle and its approach velocity. This dissertation describes the work done to develop a set of design recommendations to select the embedment of a single post or group of posts. The post is a steel beam with an H shape cross section: W14X109 for the single post system and W14X90 for the group system with a double beam made of square hollow steel section HSS8X8X1/2. The spacing of the posts for the group includes 2.44 m, 4.88 m, and 7.32 m. The soil strength varies from loose sand and soft clay to very dense sand and very hard clay. The vehicle has a mass of 6800 kg and the velocities include 80 km/h, 65 km/h, and 50 km/h. The design guidelines presented here are based on 10 medium scale pendulum impact tests, 2 medium scale bogie impact tests, 1 full scale impact test on a single post, 1 full scale impact test on a group of 8 side by side posts with a 5.2 m spacing and connected with two beams, approximately 150 4-D numerical simulations of full scale impact tests using LS-DYNA, as well as fundamental theoretical concepts.

Two different concepts and design procedures namely settlement reducing piles and piled raft foundations have been studied independently in this thesis. A laboratory study is conducted on model rafts with differing number of model settlement reducing piles. Pile length, pile diameter, type of soil and size of raft are kept constant and settlements are measured under sustained loading. Remolded kaolin is consolidated under controlled stresses before tests are performed in model boxes. The tests are conducted under two sustained loadings of 75 kPa and 40 kPa. 0(raft), 16 and 49 number of piles are used. During the tests, all of the skin friction is mobilized. Several tests are conducted for each combination to see the variability. It is concluded that increasing the pile number beyond an optimum value is inefficient as far as the amount of settlement is considered. Also an analytical procedure has been followed to calculate settlements with increasing number of piles. In the second part of this thesis, finite element analyse have been performed on a piled raft foundation model, using Plaxis 3D Foundation Engineering software. This analyse are supported with analytical methods. The piled raft model is loaded with 450 kPa raft pressure. The studies are conducted in two sets in which different pile lengths are used / 25 m and 30 m respectively. The numbers of piles are increased from 63 to 143. All other parameters are kept constant. The results showed that again an optimum number of piles will be sufficient to reduce the settlement to the acceptable level. The analytical methods indicate a similar behavior. The comparison and results are presented in the study.

In this study, a new vector form intrinsic finite element (VFIFE) for the plate is developed and applied to study the responses of a traditional plate member applied to engineering structures. The VFIFE method is a solution procedure for the mechanic problems by adopting the traditional co-rotational explicit finite element method developed by Belyschko and Hsieh (1973). Three different shape-functions including the simplest polynomial form shape-function (Poly), non-conforming area coordinate shape-function (BCIZ) and the conforming area coordinate shape-function (BCIZC) are utilized to simulate the displacement field of the plate. For a system with nonzero rigid-body displacement, the equilibrium will be difficult to achieve in the global coordinate system when the traditional finite element method is applied. By separating the rigid-body motions from the deformed motions, this problem can be easily taken care. In numerical examples, the accuracy and efficiency of this new developed vector form intrinsic finite element for plate simulation are also examined. It is found that compared to the analytical solution, the accuracy is excellent, while compared to traditional finite element method, the efficiency is also encouraging. This new VIFIFE plate element was also applied to the analysis for the sheet plate members in the harbor structures such as the sheep-pile wharf structural system. It was found that not only can the global behaviors of the pile be clearly observed but also local variations in deformations of the steel sheet are clearly shown.

Les jeux à deux joueurs sur des graphes finis ou infinis permettent de modéliser de nombreux problèmes liés à la vérification des systèmes. Le système spécifié dépend de la nature du graphe de jeu considéré tandis que la propriété à vérifier est décrite par la condition de gain. Le premier joueur, Eve, représente un programme qui évolue dans un environnement hostile représenté par le second joueur, Adam. Dans ce formalisme, Eve possède une stratégie gagnante si et seulement si le programme peut être contrôlé de sorte à satisfaire la propriété spécifiée par la condition de gain. On souhaite alors décider si Eve possède une stratégie gagnante et si oui la déterminer, afin de synthétiser ensuite un contrôleur. <br /><br />Dans cette thèse, les graphes de jeu considérés sont des graphes de processus à pile qui offrent une représentation finie simple de systèmes infinis relativement complexes. Sur de tels graphes, on peut considérer des conditions de gain classiques (accessibilité, Büchi ou parité) mais aussi des conditions plus spécifiques au modèle comme celles portant sur le bornage de la pile. On peut également combiner ces dernières entre elles. <br /><br />Une première contribution a été de fournir une représentation des ensembles de positions gagnantes pour les jeux de parité ainsi qu'une nouvelle présentation des résultats connus pour ces derniers. On a alors pu étendre de façon naturelle les techniques de preuves à d'autres conditions de gain, notamment à celles portant sur le bornage de la pile. <br /><br />Une autre contribution a été la description d'une famille de conditions de gain de complexité borélienne arbitraire finie pour lesquelles les jeux (sur des graphes finis ou sur des graphes de processus à pile) restent décidables. <br /><br />L'étude des jeux sur les graphes de BPA et sur les graphes de processus à compteur a permis de proposer des techniques propres à ces modèles qui fournissent alors des bornes de complexité meilleures que celles obtenues dans le cas général des graphes de processus à pile. <br /><br />Enfin, une dernière contribution a été de proposer une solution pour les jeux sur des graphes de processus à pile munis de conditions combinant des conditions régulières et des conditions sur la hauteur de pile et pour des conditions décrites par des automates à pile avec visibilité.

Le développement de la pile à combustible repose sur une amélioration de la durabilité des assemblages membrane-électrodes (AMEs). La durée de vie des AMEs dépend, entre autres, de la nature des matériaux utilisés ainsi que des conditions de fonctionnement de la pile. La dégradation peut être d'origine électrochimique, chimique, et/ou mécanique. <br /> <br />Cette étude porte sur la compréhension des mécanismes mis en jeu lors du vieillissement de membranes alternatives, non fluorées, de type PEEKs et PIs, étape indispensable au développement de structures plus stables. Dans ce cas, le processus est avant tout chimique. Une démarche originale, qui consiste à étudier le mécanisme de dégradation sur des structures modèles, a été adoptée afin de contourner les difficultés analytiques propres aux polymères. Les vieillissements sont réalisés dans l'eau, éventuellement additionnée de H2O2 (identifié comme une des causes du vieillissement chimique des membranes en pile), à différentes températures. La démarche consiste à isoler par chromatographie les différents produits formés, à les identifier (RMN, IR, SM) et à les quantifier. Ceci nous a permis d'établir le mécanisme de vieillissement. Nous avons en particulier montré que le vieillissement d'une structure PEEKs résulte principalement d'une attaque par les bouts de chaîne qui se propage à l'ensemble. Ce mécanisme a été validé sur une membrane vieillie en ex-situ et testée en pile. Ces deux types de vieillissement conduisent à une diminution importante du degré de polymérisation (déterminé par CES) et à la formation des mêmes produits primaires de dégradation. En pile, une dégradation hétérogène est mise en évidence essentiellement côté cathode. <br /><br />Les PIs sont connus pour leur forte sensibilité à l'hydrolyse. Toutefois, nous avons pu montrer que la dégradation est relativement limitée à 80°C en raison d'une recombinaison des espèces hydrolysées.

Cette thèse tente d'apporter une vision globale des phénomènes mis en jeu lors du fonctionnement d'une pile à combustible de type PEM. Une méthodologie originale a été développée pour appréhender et mesurer les principaux paramètres thermodynamiques, cinétiques et des phénomènes de transport. La détermination expérimentale de la distribution des temps de séjour et la simulation numérique ont permis de caractériser l'écoulement dans les plaques bipolaires. La cinétique des deux demi-réactions électrochimiques a ensuite pu être analysée par des expériences ciblées de dilution des gaz réactifs, et en tenant compte de la diffusion dans l'assemblage membrane-électrodes. Enfin, l'influence de l'humidité sur les performances électriques, ainsi que l'estimation de la résistance ohmique, ont été abordées.

Depuis de nombreuses années, on promet à la pile à combustible un avenir radieux. Cependant, le développement de cette technologie se heurte toujours à des verrous technologiques. Parmi ceux-ci se trouve la membrane polymère conductrice protonique Nafion®, élément central de la pile. Ainsi, nous nous sommes attachés dans ce travail à étudier des polymères alternatifs, les polybenzimidazoles sulfonés (sPBI).<br /> Si les polybenzimidazoles (PBI) sont bien connus pour leur remarquable stabilité thermique et chimique, leur utilisation en pile à combustible nécessite leur fonctionnalisation par des groupements acide sulfoniques SO3H, afin de leur conférer une bonne conduction protonique. Ainsi, la synthèse de sPBI a été réalisée par polycondensation de monomères fonctionnalisés spécialement mis au point. Nous avons ainsi pu obtenir trois séries distinctes de sPBI, présentant des Capacités d'Echange Ionique allant de 0 à 4.3 meq/g. Toutes les structures de ces polymères ont été vérifiées par différentes techniques analytiques, et il a été montré que le protocole de synthèse retenu permettait d'obtenir des masses molaires supérieures à celle reportées jusque là dans la littérature.<br /> A partir de ces polymères, des membranes ont été préparées. Leurs propriétés relatives à une utilisation en pile à combustible ont été étudiées : stabilité thermique, stabilité en milieu aqueux oxydant, gonflement à l'eau et conductivité protonique. Ces études ont mis en lumière l'existence d'interactions entre les SO3H acides et les groupements benzimidazoles basiques de ces polymères, qui influencent fortement les propriétés des ces membranes. Par rapport à d'autres polymères contenant la même quantité de SO3H, les sPBI présentent ainsi une meilleure stabilité mais des gonflements à l'eau et des conductivités plus faibles. Il a fallu atteindre des taux de sulfonation extrêmement élevés pour pouvoir s'affranchir de ce problème et obtenir des membranes ayant les qualités requises.

Pile foundations that support offshore structures are required to resist not only static loading, but also dynamic loading from waves, wind and earthquakes. The purpose of this study is to gain a better understanding of the behavior of offshore piles under cyclic or dynamic loading using the finite element approach. To achieve this goal, an appropriate constitutive model is required to simulate the behavior of soils and interfaces. The DSC constitutive model is developed for saturated interfaces to study the behavior under severe shear deformation at the soil-pile interface. Monotonic and cyclic simple shear experiments are conducted on Ottawa sand-steel interfaces under drained and undrained conditions using the Cyclic-Multi-Degree-of-Freedom shear device with porewater pressure measurement (CYMDOF-P). The effect of various parameters such as normal stress, surface roughness of steel, type of loading, and the amplitude and frequency of the applied displacement in two-way cyclic loading are investigated. The data from the simple shear tests on saturated interfaces are used to calculate the parameters in the DSC model. The resulting parameters are then used to verify the DSC model by back predicting tests from which parameters are determined and independent tests that are not used in parameters determination. The model predictions, in general, were found to provide a highly satisfactory correlation with the observations. In the context of DSC, the concept of critical disturbance is developed to identify initiation of liquefaction in saturated Ottawa sand-steel interfaces. This method is based on using microstructural changes in material as an indication of liquefaction identification. The finite element method, along with DSC constitutive model, is used to investigate the response of offshore piles to dynamic loading. These include cyclic loading of axially loaded instrumented pile in clay and full-scale laterally loaded pile in sand. The DSC model is used to model the nonlinear behavior of saturated soils and interfaces. A nonlinear dynamic finite element program DSC-DYN2D based on the DSC modeling approach and the theory of nonlinear porous media is used for this purpose. Results from numerical solutions are compared with field measurements. Strong agreement between numerical predictions and field measurements are an indication of the ability to solve challenging soil-structure interaction problems.Based on the results of this research, it can be stated that the finite element-DSC model simulation allows realistic prediction of complex dynamic offshore pile-soil interaction problems, and is capable of characterizing behavior of saturated soils and interfaces involving liquefaction.

The goal of this research is to investigate the behavior of polymer concrete confined with a carbon fiber sleeve used as a pile foundation. To evaluate the behavior of a confined polymer concrete pile in this research, four steps was considered. The first step of this investigation considered the mix design of polymer concrete, polymer concrete is a new material which is a combination of epoxy resin and aggregate. Instead of using a traditional mix of cement and water to make concrete, epoxy resin is used. Three dissimilar varieties of aggregate are mixed with different ratios in order to reach the maximum bulk density to obtain the maximum strength. After discovering the optimum ratio which gives the maximum bulk density, several samples of the aggregate are mixed with different ratios of epoxy resin. Next, the samples are investigated in a compression test to observe which ratios have the maximum strength and this ratio is used for a polymer concrete mix design to create a pile foundation. The pile is a built using a cast in place method and confined with a sleeve of carbon fiber. The second part of this investigation determined the structural mechanical properties of confined polymer concrete pile material. The unconfined and confined polymer concrete was tested in compression to determine compressive strength and stress-strain behavior. Similar tests were conducted on unconfined and confined cement concrete for comparison between these materials. Additional tension tests were conducted on unconfined polymer concrete. Then, a carbon fiber sleeve was tested in compression test to determine tensile strength and tension stress-strain behavior. After these tests, the confined polymer concrete is modeled in the computer program MATTCAD which is used to calculate the theoretical bending moment capacity and load-displacement curve. Finally, the confined polymer concrete is tested with the MTS 311 Load Frame in three point load flexure test to determine the experimentally bending moment capacity, load-displacement curve and compare with theoretical results. Confined polymer concrete was tested in one and two way cyclic loading to observe the ductility behavior of this material as laterally loaded piles and compared with cement concrete results in cyclic loading. The third part of this investigation determined the geotechnical mechanical properties of confined polymer concrete pile material. Cyclic Multi Degree of Freedom (CYMDOF) device was used to determine interface reaction and friction angle between confined polymer concrete and soil with interface shear test theory method. Furthermore, the same device was used to determine the friction angle of soil with direct shear test theory, and compare the friction angle results together. The last part of this investigation considered the behavior of different sized confined polymer concrete pile in different types of soil. A confined polymer concrete pile was modeled into PLAXIS and OPENSEES PL computer software to analysis pile in axial load and lateral load respectively. Furthermore, a cement concrete pile was modeled with similar software and conditions to compare these two materials.

Les recherches scientifiques sur la pile à combustible échangeuse de protons (PEMFC) ont, jusqu'il y a peu, concerné presque exclusivement les aspects fondamentaux liés à l'électrochimie, particulièrement la conception, le dimensionnement, les performances et le diagnostic. Récemment, les objectifs de durée de vie ont ouvert un nouvel axe de recherche sur le comportement mécanique de la PEMFC devant conduire à son optimisation statique et dynamique. Parallèlement les installations vibroclimatiques de la plateforme d'essais " Systèmes Pile à Combustible " de Belfort ont été développées. La thèse de Vicky ROUSS soutenue en 2008 montre l'intérêt et le potentiel de la modélisation type " boîte noire " pour simuler le comportement mécanique de la PEMFC, et de la technique des signatures mécaniques expérimentales pour mettre en évidence la présence des phénomènes physiques à l'intérieur de la PEMFC. Dans ce contexte les travaux de la présente thèse ont concerné le pilotage des essais de durabilité par simulation boîte noire temps réel et l'exploitation de cette dernière en vue de la découverte des phénomènes physiques à l'intérieur de la PEMFC. La modélisation par réseaux de neurones des systèmes simples de type oscillateur harmonique a représenté le premier pas pour la définition d'un modèle neuronal de pilotage des essais de durabilité en temps réel. Le cas du système mécanique excité par la base qui correspond à une pile à combustible fixée sur la plateforme vibratoire, a été considéré. L'architecture neuronale optimale a été définie en plusieurs étapes en utilisant différents algorithmes. Elle utilise en entrée le signal de commande du système et la réponse mesurée sur la pile à combustible au moment t et en sortie on obtient la réponse prédite du comportement de la pile à combustible au moment t+1. Cette architecture a été mise au point et validée par des essais sur la plateforme. D'autres essais ont permis de mettre en évidence différents comportements de la pile à combustible en fonction de l'amplitude de sollicitation, de la pression et de la température de la pile à combustible. Les signatures mécaniques obtenues réalisées à partir des essais de durabilité complètent la bibliothèque de signatures déjà existante et mettent en évidence de nouveaux comportements de la pile à combustible.