Augered Cast-In-Place (ACIP) Piles are used in areas were the loading from a superstructure exceeds the soil bearing capacity for usage of a shallow foundation. In Northwest Florida and along the Gulf Coast, ACIP piles are often utilized as foundation alternatives for multi-story condominium projects. Data from 25 compression load tests at 13 different project sites in Florida and Alabama were analyzed to determine their individual relationships between anticipated and determined compression load capacity. The anticipated capacity of the ACIP pile is routinely overestimated due to uncertainties involved with the process of estimating the compressive capacity and procedures of placing the piles; therefore, larger diameter and deeper piles are often used to offset this lack of understanding. The findings established in this study will provide a better empirical relationship between predicted behaviors and actual behaviors of ACIP piles in cohesionless soils. These conclusions will provide the engineer with a better understanding of ACIP pile behaviors and provide a more feasible approach to more accurately determine the pile-soil interaction in mostly cohesionless soils.

Bridges without expansion joints are called "integral bridges." Eliminating joints from bridges crates concerns for the piles and the abutments of integral bridges because the abutments and the piles are subjected to temperature-induced cyclic lateral loads. As temperatures change daily and seasonally, the lengths of integral bridges increase and decrease, pushing the abutment against the approach fill and pulling it away. As a result the bridge superstructure, the abutment, the approach fill, the foundation piles and the foundation soil are all subjected to cyclic loading, and understanding their interactions is important for effective design and satisfactory performance of integral bridges. The ability of piles to accommodate lateral displacements is a significant factor in determining the maximum possible length of integral bridges. In order to build longer integral bridges, pile stresses should be kept low. This research project investigated the complex interactions that take place between the structural components of the integral bridge and the soil through experimental and analytical studies. A literature review was conducted to gain insight into the integral bridge/soil interactions, and to synthesize the information available about the cyclic loading damage to piles of integral bridges. The ability of the piles and the abutments to withstand cyclic loads was investigated by conducting large-scale cyclic load tests. Three pile types and three semi-integral abutments were tested in the laboratory. Experiments simulated 75 years of bridge life for each specimen by applying over 27,000 displacement cycles. Numerical analyses were conducted to investigate the interactions among the abutment, the approach fill, the foundation soil, and the piles. The original VDOT semi-integral abutment hinge experienced shear key failure as observed in two large-scale laboratory tests. The revised hinge detail did not exhibit any sign of damage. Both abutments tolerated 75-year worth of displacement cycles without any appreciable change in their behavior. Semi-integral abutments are recommended for longer integral bridges because they can reduce pile stresses. As the need to build longer integral bridges grows, the role of the semi-integral abutments is expected to become more important. The data from the experimental program indicates that steel H-piles are the best pile type for support of integral abutment bridges. Concrete piles are not recommended because under repeated lateral loads, tension cracks progressively worsen and significantly reduce vertical load carrying capacity of these piles. Pipe piles have high flexural stiffness, which results in an undesired condition for the shear stresses in the abutment. For this reason, stiff pipe piles are not recommended for support of integral bridges. Numerical analyses indicate that the interactions between the approach fill and the foundation soils create favorable conditions for stresses in piles supporting integral bridges. Because of these interactions, the foundation soil acts as if it were softer, resulting in reduction in pile stresses compared to a single pile in the same soil without the approach fill above it. / Ph. D.

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La recherche d'énergies propres et renouvelables est un enjeu de premier plan pour lutter contre les changements climatiques. La recherche scientifique sur les piles à combustibles est en constante croissance. Le caractère non polluant et l'efficacité énergétique des piles à combustibles en font une candidate très prometteuse pour un large éventail d'applications (production d'électricité, aérospatial, transport, etc.). Avant que ce type de pile ne soit produit à grande échelle, son coût de production doit être diminué. Or, cette diminution de prix passe par la recherche de matériaux performants, à faible coût et faciles à mettre en oeuvre. La PEMFC (pile à combustible à membrane échangeuse de protons) est une pile à combustible à electrolyte solide constituée d'une membrane de polymère acide. Son principe de fonctionnement est de transformer l'énergie chimique en énergie électrique par le biais de réactions électrochimiques. Cette pile a une vie utile de plusieurs milliers d'heures, du fait que c'est une pile à électrodes non consommables. La PEMFC est alimentée par de l'hydrogène et de l'oxygène moléculaire; son seul rejet est de l'eau. Cette pile est formée de plusieurs unités individuelles connectées en série et séparées entre elles par des plaques bipolaires. Ces plaques bipolaires ont plusieurs rôles au sein de la PEMFC: elles conduisent les électrons entre les différentes unités, assurent la distribution des gaz réactifs sur la surface des électrodes et procurent un support mécanique à la pile. Le coût élevé des PEMFC est son principal désavantage par rapport au moteur à combustion. C'est entre autre pour cette raison que la PEMFC est le sujet d'intenses recherches. D'énormes efforts sont faits pour trouver des matériaux moins coûteux aux performances élevées et des procédés de mise en oeuvre plus rentables. Ainsi, il sera possible de produire des PEMFC économiquement concurrentielles par rapport aux autres modes de propulsion automobile. Le sujet de cette étude est de produire une plaque bipolaire à base de matériaux peu onéreux par un procédé de mise en oeuvre simple. De plus, les paramètres de mise en oeuvre devront être optimisés de façon à obtenir un matériau aux propriétés améliorées. L'ultime étape de ce projet est de comparer les performances de la plaque bipolaire produite à celles d'une plaque bipolaire commerciale dans une PEMFC. La conception d'une plaque bipolaire doit tenir compte des conditions d'opération de la PEMFC: température, pression et présence de gaz corrosifs. Les matériaux utilisés pour la fabrication de plaques bipolaires doivent rencontrer certaines exigences en matière de conductivité électrique, perméabilité aux gaz et résistance mécanique et chimique. C'est pour cette raison que le matériau développé doit subir une étroite caractérisation avant d'être employé dans la PEMFC. Le graphite et l'acier sont les matériaux les plus couramment utilisés pour la fabrication des plaques bipolaires grâce à leur excellente conductivité électrique. Par contre, ils présentent certains désavantages: le graphite est massif et fragile alors que l'acier est sujet à la corrosion. De plus, ces deux matériaux nécessitent de l'usinage mécanique, ce qui en augmente le coût et diminue la cadence de production. Les polymères sont des candidats très intéressants pour la fabrication de cette pièce de la PEMFC puisque ces derniers ont une faible densité, sont peu onéreux, faciles à mettre en oeuvre par des procédés industriels continus et ne se corrodent pas. Par contre, ils sont des isolants électriques. Pour palier à ce désavantage par rapport au graphite et à l'acier, il faut incorporer des charges solides conductrices lors de leur mise en oeuvre. Ainsi, il est possible de fabriquer une plaque bipolaire de polymère contenant des charges conductrices par le procédé d'extrusion et de pressage à chaud. L'extrudeuse permet de produire une plaque mince sur laquelle le design de la plaque bipolaire est obtenu par compression à chaud. Ces opérations sont suivies par une étape de découpe pour obtenir une plaque bipolaire. Pour ce projet, une extrudeuse bi-vis co-rotative a été utilisée pour effectuer divers mélanges à base de polymères et de charges conductrices. Ces types de mélanges sont appelés composites, ils sont composés d'une matrice de polymère et de charges solides. Le mélange obtenu a ensuite été moulé par compression à chaud dans un moule ayant les empreintes du design de la plaque bipolaire. Divers mélanges ont été caractérisés : ? Polyvinilidiène fluorure (PVDF) avec noir de carbone (CB). ? Polyvinilidiène fluorure avec noir de carbone et graphite (GR). ? Polyethylene téréphthalate (PET) avec noir de carbone. ? Polyethylene téréphthalate avec noir de carbone et graphite. ? Polyvinilidiène fluorure, polyethylene téréphthalate avec noir de carbone. ? Polyvinilidiène fluorure, polyethylene téréphthalate avec noir de carbone et graphite. Afin de caractériser les matériaux développés dans le cadre de ce projet, les propriétés électriques, les propriétés mécaniques et la perméabilité aux gaz ont été caractérisées. La plaque bipolaire finale a été développée à partir d'un mélange de PVDF et de deux types de charges conductrices, du CB et du GR. Les performances dans une PEMFC de cette plaque bipolaire ont été comparées à celle d'une plaque bipolaire commerciale fournie avec la pile.

Le travail a consisté, en premier lieu, à vérifier l'électro activité sur platine en milieu acide de l'éthylène glycol et du glycérol. Ces deux polyols sont actifs et l'activité est fonction de la concentration pour l'éthylène glycol. Des essais de diffusion ont aussi montré que ces deux alcools diffusent à travers une membrane de Nafion 117. Par la suite, les trois combustibles, incluant le méthanol, ont été alimentés dans une pile PEMFC. Les trois combustibles permettent d'obtenir une densité de courant, mais plus la molécule est grosse, plus le potentiel enregistré, à une densité de courant donnée, est faible, ce qui est en accord avec les résultats obtenus en voltammétrie cyclique dans ce travail. En augmentant la température, les réactions d'oxydation et de réduction à la cathode se produisent plus rapidement et permettent d'obtenir, pour une densité de courant fixe, une valeur du potentiel plus élevée, malgré une diffusion du combustible à travers le Nafion 117 promue à plus haute température. Lorsque la concentration a été augmentée, il y a eu diminution du potentiel à basse densité de courant due aux surtensions de concentration, mais le transfert de matière amélioré permet d'augmenter, globalement, les performances de la pile. Lorsque la pression d'oxygène a été augmentée à la cathode, les performances ont peu varié.

Le potentiel d’oxydoréduction des anodes utilisée dans un pile lithium-ion doit se trouver au-dessus de 0,75V vs Li/Li+ pour rester sécuritaire et ne doit pas excéder 2V vs Li/Li+ pour conserver une puissance adéquate. Suite aux travaux effectués les polythienopyrroledione (PTPD) ont démontré des potentiels d'oxydo-réduction de 1,6V vs Li/Li+ ce qui correspond aux critères établis ci-haut. De plus, ils ont une capacité théorique de 215 mAh/g, ont obtenu une capacité expérimentale de 209 mAh/g. Cette capacité est toutefois inférieure à celle des matériaux d'anodes actuellement sur le marché. Par contre, étant donné que la capacité d'une pile est limitée par la capacité de l'électrode la plus faible, et qu'actuellement les piles lithium-ion sur le marché sont basées sur le LiFePO₄ qui possède une capacité de 170 mAh/g, il serait envisageable que les PTPD puissent potentiellement être des anodes commercialisables.

La dépendance aux combustibles fossiles que nous connaissons aujourd'hui crée des problèmes environnementaux majeurs. Une des solutions les plus prometteuses pour tenter de ralentir ceux-ci est sans équivoque l'utilisation de l'hydrogène dans les piles à combustible pour les véhicules. Pour que ce système soit économiquement viable, son autonomie doit être comparable à celle des véhicules à essence, ce qui nécessite le stockage de plus de cinq kilogrammes d'hydrogène dans un seul véhicule. En ce sens, l'idée principale du projet porte sur le développement de nouveaux matériaux polymères mésoporeux à base de métaux, susceptibles de physisorber un gaz dans sa structure. Ainsi, il sera possible de maximiser les interactions entre les molécules de gaz et la structure, afin d'augmenter l'adsorption d'hydrogène. À ce jour, plus d'une dizaine de matériaux contenant des métaux ont fait leurs preuves, dont les MOFs (Metal-Organic Frameworks) et les PNCs (Polymers networks with connectivity). Comme ces derniers, nous exploitons le principe de cavités poreuses (<50 nm) ainsi que l'affinité de la molécule d'hydrogène avec certains types de structures, comme des groupements aromatiques. L'objectif du projet est de synthétiser et de caractériser ces nouveaux polymères, et d'en étudier les propriétés de porosité et de surface. Finalement, leurs performances en stockage d'hydrogène sont mesurées. Le premier objectif est de développer un polymère poreux à base de ferrocene et étudier l'effet de sa présence sur les capacités de stockage d'hydrogène. Le second objectif est de développer un polymère contenant des hétéroatomes et d'étudier l'effet de leur présence, et ce, dans la même optique que le premier volet. Finalement, le troisième objectif est d'effectuer la synthèse d'un dendrimère de type poly(amidoamine) chélatant des ions métalliques et de confirmer la création de pores permettant l'adsorption de gaz dans sa structure.

Dans certains procédés électromembranaires tels que les piles à combustibles des agents agresseurs chimiques comme les radicaux libres se forment suite à une réaction d'oxydation, et peuvent conduire à la destruction des membranes hydrocarbonées. Le test ORAC est une méthode qui utilise les composés ±azo¿ (R-N=N-R) comme initiateurs de réaction. Ces composés sont utiles à l' étude quantitative des cinétiques d'oxydation car ils génèrent des radicaux à une vitesse constante et reproductible. L'ajout d'un antioxydant naturel extrait d'une infusion de thé, l'épigallocatéchine gallate (EGCG), dans une membrane constituée de polyétheréthercétone de faible taux de sulfonation (SPEEK) (3:97) a montré une réponse ORAC de 1254 ± 336 [mu]mol d' équivalents de Trolox / g comparé à la même membrane sans EGCG qui a donné une réponse de 59 ± 14 [mu]mol d'équivalents de Trolox / g. La molécule d'EGCG possède un pouvoir antioxydant élevé, suggérant qu' elle serait responsable de la réponse ORAC élevée de la membrane enrichie.

Pile-supported T-walls, which are concrete floodwalls that are shaped like an inverted "T" and supported by batter piles, are commonly used by the United States Army Corps of Engineers (USACE) to protect low-lying portions of New Orleans and other areas. The design of a T-wall in southern Louisiana is complex, as the structure needs to resist both 1) large settlements caused by fill placed beneath and beside the T-wall before T-wall construction or by fill placed beside the T-wall after T-wall construction, and 2) large lateral flood loads that are imposed during a hurricane. As a result of these loading conditions, large bending moments can develop in the batter piles and these moments need to be accounted for as part of the T wall design. The goal of this research is to develop a more complete understanding of the pile bending moments in T wall systems, specifically for cross sections where large settlements may occur. As a first step towards this goal, Rensselaer Polytechnic Institute (RPI) performed a series of eight centrifuge tests to investigate and physically model the effects of settlement-induced bending moments on pile-supported T-walls. The centrifuge tests were evaluated and interpreted, and in order to better capture uncertainty, upper and lower bounds were estimated for the interpreted data. The centrifuge results offered some valuable insights on their own, but were ultimately used as the basis for validating and calibrating corresponding numerical models. The numerical models were developed following a rigorous modeling approach and using rational and reasonable assumptions based on widely-accepted and well-justified procedures. The numerical model results were in good agreement with the centrifuge results without the need for significant calibration or modifications. This good agreement indicates that similar numerical models can be developed to reliably analyze actual T-wall cross sections. Detailed recommendations were developed for using numerical models to analyze pile-supported T walls, and an example problem is presented herein that illustrates the application of this approach. These same techniques were then used to perform a parametric study to analyze the combined and separate effects of flood loading for a wide range of different T-wall cross sections. The range was selected in collaboration with the USACE in order to reasonably cover cross sections and conditions that 1) are typically encountered in practice, and 2) were expected to generate both upper and lower bound pile bending moments. In total, 3,648 cross sections were analyzed, and 29,184 sets of analysis results were generated since each cross section was analyzed for eight different loading conditions. Summary results are provided to show the influence of the loading conditions and parameters on T-wall response, including the influence of flood loading, new fill symmetry, pile fixity, number of piles, subsurface profile, pile batter, pile type, levee slope, T-wall elevation, and the presence of existing levee fill. In addition, the key results for all of the analyses are provided in the appendices and in an electronic database. Based on the parametric study results, a simplified analysis procedure was developed that can be used to calculated maximum pile bending moments for T walls installed directly on foundation soils due to settlements. In this procedure, the loads from new fill placed during or after T-wall construction are distributed onto the pile, and the pile response is analyzed using traditional p-y curves and a beam on elastic foundation formulation. This procedure shows good agreement with the numerical model results for a range of conditions. To demonstrate the application of the procedure, the same example problem that is analyzed numerically is reanalyzed using the simplified analysis procedure. Due to the complexity of the problem, it was not possible to modify this procedure or develop a similar procedure for T-walls installed on top of new or existing levees. Overall, this research demonstrates that numerical models can be used to calculate the bending moments that can develop in pile-supported T-walls due to settlements and flood loading, provides valuable insights into the behavior of T-walls and the influence of various parameters on T-wall response, presents a large database of T-wall analysis results, and recommends a simplified analysis procedure that can be used in some cases to calculate pile bending moments due to settlements. / Ph. D.

La pile à combustible a suscité une attention croissante en tant que solution de rechange écologique aux carburants fossiles. Les membranes échangeuses d’ions (PEM)s sont utilisées dans des piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) et des piles à combustible directes au méthanol (DMFC) comme composant séparateur pour fournir une barrière au transfert de carburant entre les électrodes et pour transférer des protons de l'anode à La cathode. Les PEMFC et les DMFC suscitent des intérêts plus particuliers pour l'utilisation dans les applications automobiles, stationnaires et électroniques portables. En tant que composante clé d’une PEMFC, une PEM est nécessaire pour effectuer des fonctions multiples telles que la séparation de gaz, l'isolation électrique et le transfert ionique pour transporter des protons de l'anode à la cathode. La présence d'eau dans une PEM est essentielle pour que les polymères traditionnels sulfonés transfèrent les protons et facilitent la conductivité protonique. Comme le Nafion, la conduction protonique des polymères de type PEM sulfonés dépend de le teneur en eau dans les membranes. Cependant, une absorption excessive d'eau dans une PEM conduit à un changement dimensionnel inacceptable, à une mésadaptation dimensionnelle avec les électrodes, à une délamination des couches de catalyseur de la PEM et à une perte des propriétés mécaniques, ce qui pourrait conduire à une mauvaise performance ou un manque de durabilité de l'assemblage membrane – électrode (MEA). En tant que systèmes hautement intégrés, les piles à combustible sont faites de matériaux hétérogènes comportant contenant du gaz, du liquide et du solide. Les MEA sont typiquement fabriqués par collage d'électrodes de catalyseur de platine supporté sur du carbone sur l'électrolyte PEM, en utilisant un ionomère de type Nafion liant du catalyseur, quel que soit la PEM utilisée. La structure et l'activité des différentes interfaces, l'adhérence et la compatibilité entre les différentes couches ainsi que les caractéristigues du carburant jouent des rôles clés sur la performance globale de la pile à combustible. Parmi ces questions diverses, le transfert inévitable de méthanol dans une PEM, telle que le Nafion, limite les applications en DEMFC. Malgré le développement de nombreuses PEM à base d'hydrocarbures en tant que substituts au Nafion, le comportement de surface et l'adaptation / compatibilité interfaciale entre ce type de PEM et les autres couches est moins bien compris. Dans cette thèse, nous... / The fuel cell has received attention as a promising eco-friendly alternative energy source to fossil fuels. Polymer exchange membrane fuel cells (PEMFCs) and direct methanol fuel cells (DMFCs) have attracted increasing interest for use in motor vehicles and electronic applications including stationary and portable devices. As a key component of PEMFC and DMFC, PEM is required to perform multiple functions such as fuel separator, electrical insulator and ionic path to transport protons from the anode to the cathode. The presence of water in PEM is essential for traditional, sulfonated polymers to transfer protons and to facilitate proton conductivity. As Nafion, the proton conduction of the sulfonated PEM-type polymers depends upon the water content in the membranes. However, excessive water uptake in a PEM results in unacceptable dimensional change, dimensional mismatch with the electrodes, delaminating of catalyst layers from the PEM and loss of mechanical properties, which could result in poor membrane electrode assembly (MEA) performance or durability. As a highly integrated system, fuel cells are used in a heterogeneous environment containing gas, liquid, and solid. Typically, MEAs are constructed by bonding carbonsupported platinum catalyst electrodes onto the PEM electrolyte. Regardless of the PEM used, a Nafion-type ionomer is usually employed as a catalyst support. The structure and activity at the different interfaces, the adhesion and compatibility among various layers, as well as fuel property on PEM play key roles on the fuel cell universal performance as vital as the individual components. Among these heterogeneous concerns, crossover of methanol in PEM, such as Nafion, limits DEMFC applications. In spite of the development of numerous hydrocarbon PEMs as substitutes to Nafion, the surface behavior and interfacial match between a PEM and the other layers, such as, the interface between a PEM and gas diffusion layer/catalyst layer/methanol layer are less understood. In this thesis, the surface/interface behavior of a representative selection of hydrocarbon-based proton exchange membranes (PEMs) was investigated. These PEMs are: copolymerized sulfonated poly(ether ether ketone) (SPEEK-HQ), sulfophenylated poly(aryl ether ether ketone) (Ph-SPEEK), sulfophenylated poly(aryl ether ether ketone ketone) (Ph-m-SPEEKK), and sulfonated poly (aryl ether ether nitrile) (SPAEEN-B).