De par leur grande résistance et leur faible poids propre, les pylônes à treillis s’avèrent être une structure de choix pour transporter l’électricité sur les grandes distances qui séparent les lieux de production des centres urbains. Dans la pratique, le design de ces structures se fait généralement par une analyse linéaire élastique en considérant des connexions rotulées et des membrures soumises uniquement à des efforts axiaux. Le manque de précision de cette méthode oblige la réalisation d’essais grandeur réelle pour s’assurer que le pylône est sécuritaire et économique. Cette opération est coûteuse et retarde l’avancement des projets. Le but ultime de ce travail de recherche est de développer une procédure numérique simple et accessible aux ingénieurs de la pratique afin d'améliorer la prédiction de la capacité et du mode de rupture des pylônes à treillis. Au niveau de la modélisation, les cornières ont été modélisées par des éléments poutre de Timoshenko avec gauchissement. Les connexions sont, quant à elles, représentées par des éléments discrets affectés aux extrémités des barres et dont le comportement est linéaire élastique. Les rigidités en translation sont infiniment rigides alors que celles en rotation sont déterminées par une modélisation volumique. Enfin, les excentricités sont prises en compte par des liens rigides entre le centre de gravité et le point d’attache. Du côté de la méthode de calcul, la contrainte critique de flambement élastique F[indice inférieur e] est déterminée par une analyse de flambement linéaire plutôt que par la méthode des longueurs effectives. Ensuite, la résistance de la barre est calculée en suivant la même procédure que les normes. Plusieurs modes sont ainsi analysés de manière à couvrir les différentes configurations d’attache d’une cornière dans un pylône. La méthode ainsi développée a été comparée aux résultats d’essais expérimentaux sur 12 pylônes ainsi qu’aux résultats calculés avec différentes normes de conception. Il en ressort que la méthode prédit bien la résistance et donne des résultats comparables aux normes. Les barres avec un faible élancement comme les membrures jambes sont les mieux prédites. La procédure élaborée permet donc d’augmenter la précision du calcul de la capacité ultime et du mode de rupture des pylônes. Cette amélioration est d’intérêt car elle répond aux besoins de l’industrie des lignes de transport d'électricité, des partenaires industriels du projet et de la chaire de recherche Hydro-Québec/RTE - Structures et mécanique des lignes de transport d'énergie électrique. En effet, elle pourrait éventuellement permettre de diminuer les coûts de construction en réduisant le recours aux essais pleine échelle et en donnant des outils aux ingénieurs pour optimiser leur design. Elle facilitera également la réalisation d’essais hybrides.

Présentement, les pylônes à treillis en acier sont les structures supportant les lignes électriques qui sont les plus présentes dans les réseaux existants. Ces types de structures représentent une solution économique qui permettent de franchir des portées très grandes tout en étant très faciles à construire. Bien qu'elles soient souvent considérées comme inesthétiques, il y a fort à parier qu'elles seront encore utilisées dans les conceptions nouvelles du fait qu'elles possèdent des atouts importants. Les pylônes à treillis en acier sont majoritairement constitués de cornières qui possèdent l'avantage de pouvoir être assemblées facilement ce qui diminue ainsi de beaucoup les problèmes de construction. Il est donc d'un intérêt primordial de maîtriser cette composante structurale des pylônes à treillis en acier et de connaître l'efficacité de ses principales normes de calcul. Ce mémoire se consacre donc à vouloir comparer les différentes normes en lien avec l'approche colonne (approche de calcul ne demandant pas d'intégrer la flexion due aux excentricités des connexions dans les calculs) pour le calcul des cornières simples en compression, à ailes égales. Le projet de recherche tente aussi de faire mieux comprendre le comportement non linéaire des membrures afin qu'éventuellement on puisse prédire plus précisément le comportement post-élastique des pylônes à treillis en acier. Les objectifs de ce projet de recherche sont donc: (1) d'effectuer des essais expérimentaux sur des cornières simples en compression (membrures contreventements), à ailes égales, dans un environnement structural de pylône à treillis, afin de comparer les résultats de résistances avec ceux de l'application des normes suivantes, selon une approche de calcul colonne: CSA S16-01, AISC-LRFD (2005), ASCE (Manuel 10-97), CSA S37-01 et EUROCODE 3; (2) de décrire le comportement non linéaire des cornières à l'étude. Le contenu de ce mémoire permet d'affirmer que la norme ASCE 10-97 semble être la méthode la plus appropriée pour la conception des contreventements dans les pylônes à treillis. En général, il permet aussi de constater que le comportement non linéaire des cornières semble pouvoir être raisonnablement bien prévisible.

Aujourd'hui, les pylônes à treillis en acier sont les structures les plus utilisées dans les réseaux de transport de l'énergie électrique en Amérique du Nord. Ces structures présentent un intérêt au niveau de leur coût et de leur facilité de l'assemblage lors de la construction. Néanmoins, l'acier demeure un matériau corrodable. Dès leur mise en service, les lignes de transport d'énergie vieillissent et se corrodent. Certaines des structures existantes ont été construites il y a plus de 70 ans et la plupart de ces structures servent toujours, malgré leur vie utile estimée a 50 ans. Afin d'établir un programme de réparation et de maintenance efficient pour ces structures âgées, il est essentiel, dans un premier temps, d'évaluer leur état. L'évaluation de leur état est une tâche très fastidieuse à cause du manque d'information précise et de la nature complexe de la détérioration possible. De plus, certains éléments structuraux sont enfouis. Il est donc à propos de se questionner sur le comportement des fondations des pylônes à treillis dans le futur. Il faut tout d'abord identifier le problème et prouver que certaines fondations des pylônes en service peuvent être affectées par la corrosion. Il est pertinent de déterminer comment repérer les pylônes qui sont plus sujet au développement de la corrosion au niveau de leur fondation. Il faut ensuite évaluer à quel point la corrosion affecte la capacité structurale de la fondation selon son niveau de développement, donc de déterminer la capacité résiduelle d'une cornière corrodée. C'est dans cette optique que la Chaire de recherche CRSNG/HQTÉ a proposé un projet de maîtrise visant à approfondir les connaissances sur l'état des membrures de pylônes enfouies des pylônes à treillis en acier et d'évaluer leur intégrité structurale. Le présent projet de maîtrise tente d'éclaircir ces points d'investigation par ses objectifs qui sont de déterminer les paramètres influençant la corrosion des fondations de pylônes existants et d'être en mesure d'évaluer les possibilités de corrosion dans le futur et de déterminer la capacité résiduelle des cornières corrodées en compression.

L'utilisation des matériaux composites de polymères renforcés de fibres (PRF) est devenue relativement courante dans les usages d'infrastructures. La plupart des usages existants impliquent des structures en béton. Néanmoins, des travaux novateurs se sont concentrés dans l'utilisation de ces matériaux dans structures d'acier. Le but de cette recherche est de développer une méthodologie de renforcement et de réparation de connexions adaptée aux cornières à l'aide de matériaux composites. Différentes configurations de PRF de carbone permettant d'augmenter la résistance en aire nette et d'améliorer le comportement de connexions sont étudiés. Un programme expérimental constitué de quatre phases est développé à cet effet: une série d'essais de traction sur des joints à recouvrement double ont été réalisés avec différentes longueurs d'ancrage de PRFC pour la première phase, une évaluation de la contribution de PRFC selon le ratio aire nette/aire brute sur des plaques d’acier avec trous pour la deuxième phase, une étude de l’effet du nombre des couches de PRFC sur des plaques d’acier pour la troisième phase et la quatrième et dernière phase a porté sur le renforcement de connexions de cornières boulonnées en traction. Dans cette recherche il a été trouvé que la contribution du renforcement de PRFC se manifeste principalement dans la partie élastique du comportement de tous les spécimens ainsi que l’effet très significatif de la préparation de la surface sur la capacité en traction des joints. Une défaillance par décollement à l’interface adhésif-acier a été identifiée comme le mode de défaillance pour tous les spécimens.

Les lignes de transport d’énergie électrique haute tension sont conçues pour résister aux charges climatiques, principalement les charges de vent, de glace, de service et de construction. En plus des charges usuelles, les lignes peuvent être soumises à d’autres charges comme celles résultant de la chute d’un pylône, d’une erreur humaine ou du bris d’une composante. Ces derniers ne sont pas toujours pris en compte directement par les normes en vigueur lors du dimensionnement. Ces charges sont de type dynamique et causent éventuellement des dégâts importants qui endommagent un pylône voire même toute une partie de ligne qui nécessite des coûts et délais élevés pour la réparation et la remise en service de la ligne. L’objectif de ce projet de recherche consiste donc à étudier la contribution de ces événements dynamiques susceptibles d’avoir lieu sur une ligne afin de prédire le nombre de pylônes pouvant être affectés par un tel cas de chargement. En particulier, l’étude contribuera à relier le nombre de pylônes affectés à la capacité des pylônes pour permettre aux concepteurs de prendre des décisions rationnelles sur les charges longitudinales à considérer en fonction de ce qui est jugé acceptable comme étendue d’une cascade en cas de bris de conducteur. La méthodologie de cette étude se divise en deux grandes étapes. La première consiste à valider la méthode de modélisation proposée pour étudier en dynamique le phénomène de bris de conducteur. D’abord, il s’agit d’adopter un essai de bris de conducteur disponible dans la littérature établi sur un canton à échelle réduite comme modèle de référence et valider la méthode proposée de modélisation numérique avec les résultats expérimentaux obtenus pour cet essai. Une seconde validation d’une poutre en porte-à-faux avec une charge statique appliquée à l’extrémité libre a été aussi réalisée afin de valider le comportement non linéaire du matériau à l’aide des éléments poutres de Timoshenko en multifibre avec grands déplacements et grandes rotations. Cette seconde validation servira comme référence pour modéliser les éléments mats et consoles des pylônes. La deuxième étape consiste à étudier numériquement l’étendue d’une cascade sur un canton de ligne composé de pylônes tubulaires lors d’un bris de tous les conducteurs. Une étude paramétrique a été réalisée pour comprendre l’effet des paramètres suivants sur l’étendue de la cascade : la capacité des pylônes, la charge axiale dans les conducteurs, la longueur de la portée, les hypothèses pour la loi de comportement du matériau et la longueur des chaînes d’isolateurs. Les résultats obtenus ont montré que l’étendue de la cascade dépend fortement de la tension mécanique des câbles dans un premier lieu et légèrement de la longueur de la portée et des chaînes d’isolateurs en second lieu. Cependant la loi de comportement n’a pas présentée beaucoup de différence vis-à-vis le nombre de pylônes affectés. Cette étude montre qu’il est possible pour un concepteur de lignes de transport de concevoir les pylônes de la ligne avec une capacité de pylônes inférieure à ceux correspondants aux charges longitudinales maximales anticipées en acceptant un certain nombre de pylônes pouvant être endommagés.

Face à la demande grandissante en électricité, les gestionnaires de réseaux électriques doivent implanter de nouvelles lignes aériennes de transport d'énergie électrique en périphérie des grands centres de distribution. Ces endroits très peuplés imposent de nombreuses contraintes au niveau de la conception de ces lignes. En plus d'être robustes et fiables, elles ont l'obligation d'être compactes. Ces facteurs justifient l'utilisation de pylônes tubulaires. Dans la pratique courante, la méthode abordée dans l'annexe VI de l'ASCE/SEI 48-11 est utilisée pour dimensionner la connexion au pied d'un pylône tubulaire. Cette connexion est généralement composée d'une platine soudée à la base du fût et d'ancrages. Basée sur l'expérience des fabricants de pylônes tubulaires, cette méthode donne les directives générales pour l'analyse et la conception de cette connexion. Elle permet notamment de calculer les charges axiales dans chaque ancrage pour ensuite effectuer un dimensionnement en flexion de la platine à l'aide d'équations analytiques et empiriques. Or, ces équations sont fondées sur des hypothèses qui simplifient la géométrie et le comportement de la connexion à la base d'un pylône tubulaire. Plusieurs auteurs ont recours à des analyses numériques basées sur les éléments finis pour étudier en détail la distribution des contraintes mécaniques à l'intérieur d'une structure. Dès lors, la réalisation de ce type d'analyse sur cette connexion mènerait à une meilleure compréhension de la répartition des efforts à l'intérieur de celle-ci et permettrait de justifier ou d'optimiser la méthode proposée par l'ASCE/SEI 48-11. Afin de bien comprendre le comportement de la platine, ce projet de recherche effectue l'analyse avancée de la connexion au pied d'un pylône tubulaire à 12 côtés en alliant essais expérimentaux et calculs numériques. Pour ce faire, des modèles numériques des connexions étudiées dans ce projet sont réalisés à l'aide du logiciel par éléments finis Code_Aster. Ces modèles prennent en considération le serrage des ancrages, le contact entre ces derniers et la plaque d'appui de même que les non-linéarités liées aux matériaux et à la géométrie. Des essais expérimentaux sur des spécimens à échelle réduite ont été réalisés dans le but de valider ces modèles. Les résultats de cette étude permettent aux concepteurs de mieux comprendre, entre autres, l'influence d'une configuration d'ancrages irrégulière sur la répartition des charges axiales dans les ancrages de même que l'effet des non-linéarités, liées aux matériaux et à la géométrie, sur chaque composante de la connexion à la base d'un pylône tubulaire. De plus, l'étude conclut que l'épaisseur de la platine obtenue en utilisant la méthode suggérée par l'ASCE/SEI 48-11 est conservatrice et que cette épaisseur peut être optimisée en utilisant une autre méthode de conception basée sur deux angles de 45°.

La robotique aérienne est un domaine de recherche qui a connu un grand succès commercial au cours des dernières années suite au développement de plates-formes aéroportées de petite taille hautement efficaces et abordables, couramment appelées mini-drones. Cela a ouvert la voie à de nouvelles applications dans les tâches de surveillance et d'inspection. Ces dernières années, cela a été un sujet de recherche clé dans l'industrie de l'énergie, où les lignes de transmission sont sujettes à la détérioration due aux conditions atmosphériques et nécessitent des programmes de surveillance étendus. Les mini-drones ont le potentiel d'automatiser entièrement le processus d'inspection, réduisant ainsi davantage les coûts et les temps d'inspection. Dans ce contexte, cette thèse aborde les inspections autonomes de tours électriques avec des MAV. A savoir, la localisation, la première étape d'une longue série de tâches vers la réalisation de capacités totalement autonomes, est le sujet principal de ce travail. Nous explorons comment les scanners laser 2D peuvent être couplés avec des capteurs couramment disponibles pour la pose à 6 degrés de liberté d'un mini-drone en temps réel avec les capacités perceptives et de traitement limites au bord de la plate-forme. Cette thèse tel que les algorithmes classiques de scan matching, comme l'algorithme Iterative Closest Point (ICP), la fusion de données et le contrôle par retour d'état. Des validations basées sur des vols expérimentaux et des simulations étendues sont présentées. / Aerial robotics is a prominent field of research that has seen great commercial success during the last years due to the development of highly efficient and affordable small-sized airborne platforms, commonly referred to as mini-drones. This has opened the way to promising new applications in surveillance and inspection tasks. In recent years, this has been a key subject of research in the power industry, where power utilities are subject to deterioration due to atmospheric conditions and require extensive monitoring programs. Mini-drones have the potential of fully automating the inspection process, further reducing costs and inspection times. In this context, this thesis addresses autonomous electric tower inspections with mini-drones. Namely, self-localization, the first step in a long series of tasks towards achieving fully autonomous capabilities, is the main focus of this work. We explore how 2D laser scanners can be coupled with commonly available sensors to estimate a mini-drone's 6 degree of freedom pose in real-time, using uniquely on-board sensing and processing capabilities. This thesis develops topics from classic scan matching algorithms, such as the iterative closest point (ICP) algorithm and proposed adaptations to the electric tower scene, to sensor fusion and feed-back control. Validations based on experimental flights and extensive simulations are presented.