Abstract : In traditional transmission line design, the structures and the foundations are separated. The structures are designed assuming fixity at foundation, and the foundation reactions found in this analysis are used to design the foundation itself. Criteria on maximum displacement at top of the foundation complete the design of foundations and this displacement is often used to design structures with a foundation settlement loading case. Very few studies have tried to combine the structural and foundation behaviour in a "system" approach considering the soil-structure interaction (SSI) in the case of transmission towers. This is one of the main objectives of this thesis. In the first part, the behaviour of the foundation is supposed to be linear, the soil is replaced by dynamic frequency dependent and complex impedances obtained from numerical simulations with FLAC software. The behaviour of a simplified structure and a latticed transmission tower modeled with ADINA software is studied under typical broken conductor dynamic impact and wind loading. Frequency and time domain analysis were performed by varying the values of soil stiffness and damping. Due to the random nature of wind, three series were generated with different wind turbulence intensities. In the case of wind and impulsive loads, the difference between considering a rigid base and flexible supports at the base of structures is illustrated to show the great importance of considering SSI. This difference is more significant for cohesive soils than granular media and it depends on the type of loading. The results confirm currently prevailing view in structural engineering for a beneficial role of SSI. In the second part of the thesis, the non-linear behaviour of the foundation is considered. Indeed, the towers foundations may be subject to uplift loads. The nonlinear soil-foundation behaviour under static incremental and cyclic loadings is studied. The nonlinear behaviour is associated with large deformations due to base uplifting. Soil behaviour is represented with the elastoplastic Mohr-Coulomb model in the case of incremental loading. Hysteretic sigmoidal damping is added in the case of cyclic loading to reflect the energy dissipation caused by loading and unloading. The models are simulated with the software FLAC. The obtained load-displacement curves are compared to experimental results realized by Hydro-Quebec. This comparison needs a good identification of the soil parameters introduced in the code. The numerical results are in good agreement with the experimental tests. The simulated models provide reasonable estimate of load-displacement behaviour. It was observed that a foundation displacement about 25 mm is acceptable. The uplifting occurs when the foundation displacement reaches 50mm. / Résumé : Dans la pratique, tel qu'il est reflété par les normes, la fondation des pylônes de transport d'énergie électrique est supposée être encastrée à la structure en négligeant toute forme d'interaction. Réellement, les pylônes d'énergie électrique sont des structures conçues pour supporter des charges dynamiques importantes et des conditions climatiques extrêmes. De ce fait, la prise en compte de l'interaction sol-structure dans leur calcul s'avère une approche plus réaliste. L'objectif principal de ce travail est d'évaluer l'effet de l'interaction sur le comportement dynamique d'un pylône d'énergie électrique. Une revue bibliographique abondante a été faite pour mettre le point sur les différentes notions traitées. L'étape fondamentale était la détermination des éléments de liaison entre le sol et la structure. Ces éléments ont été développés numériquement à l'aide du code de calcul FLAC. Le comportement de la fondation a été supposée linéaire au début. Plusieurs cas ont été simulés dont un sol homogène avec une vitesse de cisaillement constante ainsi que des sols à deux ou à plusieurs couches avec une vitesse de cisaillement variable. Une profondeur équivalente à partir de laquelle l'effet de l'interaction pourra être capturé a été proposée. Une étude paramétrique a été menée sur un modèle simplifié d'un pylône. La réponse d'un pylône à base rigide a été comparée à celle à base flexible. Des calculs fréquentiels et temporels transitoires ont été faits. Les propriétés dynamiques équivalentes du système sol-structure proposé ont été déterminées moyennant des formules analytiques dépendant de la géométrie et des propriétés mécaniques du système. Le spectre de réponse a été utilisé pour prédire l'effet de l'interaction dans le cas d'un chargement impulsif. Dans le cas de la charge du vent, les résultats numériques ont été comparés aux résultats de la méthode stochastique. Un cas réel d'un pylône réel à faible voltage a été simulé. Dans une deuxième étape de ce travail, les non-linéarités liées aux comportement de la fondation ont été considérées. Le comportement non-linéaire de la fondation a été simulé numériquement. Le résultat obtenu a été comparé à celui des essais expérimentaux faits par Hydro-Québec. Il a été montré, dans ce doctorat, l'importance de la prise en compte de l'interaction qui est généralement bénéfique à moins d'une amplification dynamique de la réponse. La non considération de non-linéarité surestime légèrement l'effet de l'interaction sol-structure sur la réponse du système. L'approche non-linéaire montre les limites de l'approche qui suppose le comportement de la fondation purement linéaire.

The main purpose of this research is to assemble numerical tools that allows realistic dynamic study of structures under wind loading. The availability of such numerical tools is becoming more important for the industry, following previous experiences in structural damages after extreme wind events. The methodology of the present study involves two main steps: (i) preparing the wind loading according to its spatial and temporal correlations by using digitally generated wind or real measured wind; (ii) preparing the numerical model that captures the characteristics of the real structures and respects all the necessary numerical requirements to pursue transient dynamic analyses. The thesis is presented as an ensemble of four articles written for refereed journals and conferences that showcase the contributions of the present study to the advancement of transient dynamic study of structures under wind loading, on the wind model itself (the first article) and on the application of the wind study on complex structures (the next three articles). The articles presented are as follows: (a) the evaluation of three-dimensional correlations of wind, an important issue for more precise prediction of wind loading for flexible and line-like structures, the results presented in this first article helps design engineers to choose a more suitable models to define three-dimensional wind loading; (b) the refinement of design for solar photovoltaic concentrator-tracker structure developed for utility scale, this study addressed concerns related strict operational criteria and fatigue under wind load for a large parabolic truss structure; (c) the study of guyed towers for TLs, the applicability of the static-equivalent method from the current industry documents for the design of this type of flexible TL support was questioned, a simplified method to improve the wind design was proposed; (d) the fundamental issue of nonlinear behaviour under extreme wind loading for single-degree-of-freedom systems is evaluated here, the use of real measured hurricane and winter storm have highlighted the possible interest of taking into account the ductility in the extreme wind loading design. The present research project has shown the versatility of the use of the developed wind study methodology to solve concerns related to different type of complex structures. In addition, this study proposes simplified methods that are useful for practical engineers when there is the need to solve similar problems.

Étant donné la distance entre ces principaux centres de production hydro‐électrique et ces grands centres de consommation d’énergie, le Québec est doté d’un réseau de transport d’énergie s’étendant sur plusieurs centaines de kilomètres. Les pylônes d'acier couramment utilisés dans le transport d’énergie sont exposés à des contraintes environnementales et mécaniques pouvant diminuer leur capacité à long terme. Pour effectuer une gestion efficace du réseau de transport d’énergie et assurer son intégrité, il faut avoir des méthodes pour évaluer l'effet de ces contraintes sur la capacité des cornières d'acier composant ces pylônes. Dans ce document, un concept préliminaire de courbes d’usure permettant d’évaluer la capacité résiduelle de cornières d’acier en fonction de l'âge et de l'emplacement géographique du pylône est développé. Plus de 250 essais en compression réalisés sur des cornières d’acier sont répertoriés pour comparer l’exactitude de différentes normes quant à l’évaluation de la résistance en compression de cornières. Les cinq normes à l’étude sont la CAN/CSA S16‐09 (2009), l’ANSI/AISC 360‐05 (2005), l’ASCE 10‐97 (1997), l’Eurocode 3 (2003), la CAN/CSA S136‐07 (2010). Une lacune au niveau de l’évaluation de la capacité des cornières avec un ratio largeur sur épaisseur d’aile élevé a été identifiée dans la norme S16‐09. En effet, la méthode utilisée dans cette norme surestime l’effet du flambement de plaque et par conséquent sous‐estime la capacité réelle des cornières. Une méthode alternative basée sur la celle de la norme S16‐09 a été développée pour remédier à ce problème. La nouvelle méthode offre de meilleurs prédictions pour la presque totalité des spécimens à l'étude. Des notions de fatigue et de corrosion de l'acier, de vent et de résistance en traction de cornières sont aussi brièvement abordées. Ensuite, une méthode théorique pour quantifier l’endommagement en fatigue des cornières composant un pylône a été développée. Cette méthode consiste à évaluer à l’aide de lois statistiques la probabilité d'occurrence des vitesses de vent rencontrées sur divers sites au Québec. À l’aide de ces vitesses, l’endommagement mécanique des membrures composant les pylônes est évalué avec la loi d’endommagement de Miner en fonction de l’intensité du vent rencontré pour les différents sites. Finalement, des essais de traction et de compression ont été réalisés sur plus de 96 cornières ayant des niveaux d’endommagement mécanique différents. Cet endommagement est induit à l’aide d’un montage permettant d'appliquer un chargement cyclique en traction aux spécimens. À l’aide de la méthode développée et des résultats des essais, des courbes d’usure prévoyant la capacité résiduelle d’une cornière en fonction de son endommagement ont pu être tracées.

Pour répondre à l’augmentation de la consommation d’énergie, une solution est envisagée : augmenter la tension électrique dans les lignes. L’augmentation de la tension électrique induit entre autres une augmentation du champ électrique et une augmentation du critère de distance minimale au sol (distance entre les câbles et le sol), impliquant un rehaussement des conducteurs. Le pylône dimensionné pour une certaine tension électrique initiale verra sa taille augmentée pour satisfaire les nouvelles conditions d’exploitation. Une option envisageable, pour conserver les dimensions géométriques, est de modifier les isolateurs en suspension et de les remplacer par de nouveaux isolateurs en polymères renforcés de fibres de verre (PRF) afin d’observer la possibilité d’un rehaussement des conducteurs dans l’optique d’une future augmentation de puissance. Ces PRF représentent de par leur poids léger, leur faible conductivité et leur résistance élevée, un véritable atout. Le projet consiste à utiliser les études concernant le comportement des matériaux composites et à vérifier la pertinence de l’utilisation de ces matériaux pour des isolateurs. Par la suite, seront étudiés les comportements de divers types d’isolateurs, par une approche statique. Les nouvelles charges induites dans le pylône et les fondations seront comparées, et une attention particulière sera apportée aux modifications nécessaires du pylône. L’étude montre que certaines nouvelles configurations d’isolateurs permettent de rehausser le niveau des conducteurs d’une ligne existante, tout en permettant de bien équilibrer les charges longitudinales causées par des chargements dissymétriques et en permettant de limiter l’augmentation des efforts transmis à l’ensemble de la structure et aux fondations.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.