Les milieux à propriétés continûment variables selon une direction particulière de l'espace intéressent les géophysiciens depuis plus de cinquante ans. La croûte terrestre, les océans, l'atmosphère sont des milieux naturels continûment hétérogènes. Mais on rencontre également ce type de configuration, variation continue des propriétés caractéristiques de matériaux, pour de nombreux produits industriels. Le contrôle et l'évaluation de ces matériaux représentent donc un enjeu important.<br />Le schéma classique de résolution des équations d'ondes en milieux à hétérogénéité unidirectionnelle repose sur un modèle multicouche, la stratification du milieu étudié pouvant être naturelle, les propriétés sont des fonctions constantes par morceaux, ou artificielle, les propriétés sont des fonctions continues que l'on discrétise. Cette approche est alors connue sous le nom de méthode de Thomson-Haskell. Dans le cas des milieux continûment variables, on calcule une solution exacte à un problème approché ce qui suscite de nombreuses interrogations quant à la précision et à la validité des solutions obtenues.<br />Dans ce travail, le problème est abordé sous un angle différent offrant ainsi de nouvelles perspectives d'approche des milieux hétérogènes. Afin de conserver l'authenticité du problème, nous proposons d'utiliser une méthode basée sur le développement en série de Peano du matricant, forme explicite de la solution analytique exacte des équations d'onde mises sous la forme d'un système différentiel ordinaire du premier ordre à coefficients non constants, pour des profils quelconques de propriétés. Les développements asymptotiques et numériques de cette écriture appliquée à des problèmes de conditions aux limites ont fourni une méthode robuste pour l'analyse des phénomènes acoustiques (courbes de dispersion, spectre fréquentiel du coefficient de réflexion etc.). Des résultats prometteurs quant à la détection du caractère hétérogène et à la quantification de certains paramètres caractéristiques de l'hétérogénéité ont été obtenus.

Cette thèse est dédiée à la modélisation et à l'analyse mathématique de modèles asymptotiques utilisés en océanographie décrivant la propagation des ondes internes à l'interface entre deux couches de fluides de densités différentes, soumis à la seule force de gravité.L'objectif de cette thèse est de construire et justifier de nouveaux modèles asymptotiques prenant en compte la variation de la topographie. Pour ce faire, on pose plusieurs hypothèses de petitesse sur la profondeur de l'eau et sur les déformations à l'interface et au fond. On s'intéresse plus particulièrement à deux régimes de variations topographiques, celui de moyenne amplitude et celui de lentes variations de grande amplitude.La première partie de cette thèse consiste à justifier rigoureusement et étudier mathématiquement (existence, unicité, stabilité et convergence de la solution) deux classes de modèles asymptotiques. Une classe de modèles couplés et une classe de modèles scalaires. Cette dernière classe est caractérisée par la description de la propagation unidirectionnelle des ondes internes.Dans la deuxième partie on propose un schéma numérique pour résoudre le modèle asymptotique couplé dérivé dans la première partie dans le cadre d'un font plat. Ce modèle existant dans la littérature a été reformulé d'une façon plus appropriée pour la résolution numérique en gardant le même ordre de précision que l'original et en améliorant ses propriétés de dispersion. Enfin nous présentons plusieurs simulations numériques pour valider notre schéma. / This thesis is dedicated to the modeling and the mathematical analysis of asymptotic models used in oceanography describing the propagation of internal waves at the interface between two layers of fluids of different densities, under the only influence of gravity.We aim here at constructing and justifying new asymptotic models taking into account variable topography. To this end, we assume several smallness assumptions on the depth of the water and on the deformations at the interface and at the bottom. We are interested in two topographic regimes, one for variations of medium amplitude and one for slow variations with large amplitude.In the first part of this thesis we rigorously justify and mathematically study (existence, uniqueness, stability and convergence of the solution) two classes of asymptotic models. A class of coupled models and a class of scalar models. The latter class is characterized by the description of the propagation of unidirectional internal waves. In the second part we propose a numerical resolution for the coupled asymptotic model derived in the first part restricted to the flat bottom case. This existing model in the literature has been rewritten under a new formulation more suitable for numericalresolution with the same order of precision as the standard one but with improved frequency dispersion. Finally, we present several numerical simulations to validate our scheme.

Résumé : Les dalles de tabliers de ponts et des stationnements sont exposées à des environnements agressifs en particulier au Québec et en Amérique du Nord en raison de l'utilisation de sels de déglaçage et des cycles de gel-dégel. La substitution des armatures d’acier par des armatures en matériaux composites de polymères renforcés de fibres (PRF) constitue une alternative intéressante qui connait beaucoup de succès ces dernières années. Le béton armé de PRF est durable, car l’armature n’est pas sujette à la corrosion électrochimique. Aussi l’armature de PRF possède une résistance en traction élevée et est légère. En Amérique du Nord, l’utilisation des composites de PRF a suscité une attention toute particulière de la part des ingénieurs et des gestionnaires d’ouvrages. Plusieurs organismes dont des ministères de transport spécifient l’armature de PRF comme matériau structural dans leurs devis techniques pour lutter contre la corrosion et allonger la durée de service de leurs infrastructures. Les dalles en béton armé sont souvent soumises à des efforts de cisaillement critiques. Actuellement les méthodes de calcul au cisaillement (à l’effort tranchant) de dalles unidirectionnelles en béton armé de PRF différèrent d’une norme à une autre. En effet, la majorité des équations proposées dans les normes et guides de conception ont dérivées à partir de relations empiriques. Bien que des efforts de recherche considérables aient été consacrés dans ce domaine au cours de la dernière décennie, une meilleure compréhension du comportement au cisaillement et des mécanismes de rupture de dalles unidirectionnelles en béton armé de PRF est encore nécessaire. Dans cette recherche, un programme expérimental visant à étudier le comportement de dalles renforcées avec différents types de barres en PRF a été mis en place. Vingt-deux dalles unidirectionnelles en béton renforcées avec des barres de PRF ont été construites et testées en flexion a quatre points jusqu’à la rupture. Les paramètres d’étude comprennent : le type et le taux d’armature, le diamètre de la barre, l’espacement et la configuration de l’armature ainsi que la résistance en compression du béton afin d’examiner leur effet sur la résistance au cisaillement des dalles. Le comportement des dalles testées a été examiné en considérant le réseau de fissures, la charge ultime ainsi que les modes de rupture. Aussi, une base de données comprenant 203 poutres et dalles unidirectionnelles en béton armé de PRF rompues en cisaillement a été répertoriée et introduite dans les analyses. Les charges de rupture en cisaillement des dalles testées dans le cadre de cette thèse ainsi que celles de la base de données ont été comparées à celles prédites par les équations de calcul proposées par la normes canadiennes CSA S6-06/S1 et CSA S806-12, ainsi que celles des deux guides de calcul ACI 440.1R-06 et JSCE-97. Les analyses effectuées ont montré que les valeurs prédites par les équations de calcul proposées par l’ACI 440.1R-06 sont très conservatrices, alors que celles prédites par celles de JSCE-97 sont en meilleur accord avec les valeurs expérimentales. Aussi, les résultats obtenus ont montré que les équations de la nouvelle norme CSA S806-12 prédisent bien la résistance au cisaillement expérimentale. Toutefois, une amélioration de l'équation de la norme CSAS806-12, conduisant à de meilleurs résultats, est proposée. Par ailleurs, les résultats obtenus dans le cadre de cette thèse ont mené à une meilleure compréhension des mécanismes de rupture et des facteurs principaux qui contribuent à la résistance au cisaillement de dalles unidirectionnelles en béton armée de PRF. Enfin, des recommandations pour des travaux futurs y sont également formulées. // Abstract : Bridge deck and parking garage slabs are exposed to aggressive environments particularly in the North American regions resulting from the excessive use of de-icing salts. Fiber-reinforced-polymer (FRP) reinforcements have emerged as a practical and sustainable anti-corrosive reinforcing material with superior tensile strength to overcome the corrosion problem. High comfort level and increase use of the material is currently seen. Protection and regulations policies of some Public North American agencies currently include GFRP reinforcing bars as premium reinforcement. Shear behaviour in RC slabs is examined since most of the bridge deck and parking garage slabs are shear critical. However, there is still no agreement in FRP design codes and guidelines for shear strength equations. Several design code equations are still based on empirical relationships while recent developments are based on shear theories. The complex nature of shear phenomena which is influenced by many parameters, in addition to the existence of various schools of thoughts in shear, makes it difficult to find a general agreement on a unified equation. Huge research efforts are being established, however better understanding for the shear behaviour and failure mechanisms for unidirectional FRP RC slabs is still needed. In this research study, an experimental program was designed to investigate the shear behaviour of one-way concrete slabs reinforced with different types of FRP bars. A total of twenty one concrete slabs reinforced with FRP bars in addition to a steel reinforced slab were constructed and tested to failure under two-point loading. The variation in the concrete contribution to the shear strength V[subscript c] is investigated with respect to FRP reinforcement properties. Newly developed GFRP bars with high modulus, which were not previously investigated in the literature, are used. Different FRP reinforcement properties were included in the study such as reinforcement ratio, modulus of elasticity and axial stiffness, type of bars, and reinforcement configuration. Also, normal concrete and high strength concrete were considered in the research program. Analysis of the experimental results included the general behavior of the tested slabs, crack patterns, ultimate capacities, and modes of failure, load deflection relationships as well as the concrete and reinforcement strains. Test results of the present investigation indicate an influence of the reinforcement type, bar diameter, and the shear stiffness of the bars on the mode of failure and the shear strength. The experimental investigation and analysis of test results provided better understanding of concerning mechanisms of failure and factors contributing to the shear capacity of FRP RC slabs. A refined shear model to the CSA S806-12 is introduced and found to provide better results compared to the existing design codes and guidelines. The model is based on regression analysis of an experimental database. The database is assembled from twenty five different studies in addition to the present investigation. The used database includes 203 unidirectional members reinforced with FRP bars (without shear reinforcement) failing in shear. The model was evaluated through the experimental concrete shear capacities (V[subscript c exp]) of the database and found to provide good predictions. The experimental shear capacities of the database ( V[subscript c exp]) was compared to their corresponding predicted shear capacities (Vcpred ) using CSA S806-12, CAN/CSA-S6.1S1, ACI 440.1R-06, and JSCE-97. It was found that the ACI guide is very conservative. It can be noted that using this guide in its present form may reduce the economic competitiveness of fibre-reinforced polymers. JSCE recommendations are in better agreement with the test results. The Canadian CSA S806-12 equation was found to be in good fit with the experimental shear capacities.

L'environnement urbain est le siège de fortes nuisances sonores notamment générées par les moyens de transport. Afin de lutter contre ces nuisances, la réglementation européenne impose la réalisation de cartographies de bruit. Dans ce contexte, des travaux fondamentaux sont menés autour de la propagation d'ondes acoustiques basses fréquences en milieu urbain. Différents travaux de recherche récents portent sur la mise en œuvre de méthodes ondulatoires pour la propagation d'ondes acoustiques dans de tels milieux. Le coût numérique de ces méthodes limite cependant leur utilisation dans un contexte d'ingénierie. L'objectif de ces travaux de thèse porte sur l'approximation unidirectionnelle de la propagation des ondes, appliquée à l'acoustique urbaine. Cette approximation permet d'apporter des simplifications à l'équation d'onde afin de limiter le temps de calcul lors de sa résolution. La particularité de ce travail de thèse réside dans la prise en compte des variations, continues ou discontinues, de la largeur des rues. Deux formalismes sont utilisés : l'équation parabolique et une approche multimodale. L'approche multimodale sert de support à une étude théorique sur les mécanismes de couplages de modes dans des guides d'ondes irréguliers bidimensionnels. Pour cela, le champ de pression est décomposé en fonction du sens de propagation des ondes à la manière d'une série de Bremmer. La contribution particulière de l'approximation unidirectionnelle est étudiée en fonction des paramètres géométriques du guide d'ondes, ce qui permet de mieux cerner les limites de validité de cette approximation. L'utilisation de l'équation parabolique a pour but une application à l'acoustique urbaine. Une transformation de coordonnées est associée à l'équation parabolique grand angle afin de prendre en compte l'effet de la variation de la section du guide d'ondes. Une méthode de résolution est alors spécifiquement développée et permet une évaluation précise du champ de pression. D'autre part, une méthode de résolution de l'équation parabolique grand angle tridimensionnelle est adaptée à la modélisation de la propagation acoustique en milieu urbain. Cette méthode permet de tenir compte des variations brusques ou continues de la largeur de la rue. Une comparaison avec des mesures sur maquette de rue à échelle réduite permet de mettre en avant les possibilités de la méthode.

L'environnement urbain est le siège de fortes nuisances sonores notamment générées par les moyens de transport. Afin de lutter contre ces nuisances, la réglementation européenne impose la réalisation de cartographies de bruit. Dans ce contexte, des travaux fondamentaux sont menés autour de la propagation d'ondes acoustiques basses fréquences en milieu urbain. Différents travaux de recherche récents portent sur la mise en œuvre de méthodes ondulatoires pour la propagation d'ondes acoustiques dans de tels milieux. Le coût numérique de ces méthodes limite cependant leur utilisation dans un contexte d'ingénierie. L'objectif de ces travaux de thèse porte sur l'approximation unidirectionnelle de la propagation des ondes, appliquée à l'acoustique urbaine. Cette approximation permet d'apporter des simplifications à l'équation d'onde afin de limiter le temps de calcul lors de sa résolution. La particularité de ce travail de thèse réside dans la prise en compte des variations, continues ou discontinues, de la largeur des rues. Deux formalismes sont utilisés : l'équation parabolique et une approche multimodale. L'approche multimodale sert de support à une étude théorique sur les mécanismes de couplages de modes dans des guides d'ondes irréguliers bidimensionnels. Pour cela, le champ de pression est décomposé en fonction du sens de propagation des ondes à la manière d'une série de Bremmer. La contribution particulière de l'approximation unidirectionnelle est étudiée en fonction des paramètres géométriques du guide d'ondes, ce qui permet de mieux cerner les limites de validité de cette approximation. L'utilisation de l'équation parabolique a pour but une application à l'acoustique urbaine. Une transformation de coordonnées est associée à l'équation parabolique grand angle afin de prendre en compte l'effet de la variation de la section du guide d'ondes. Une méthode de résolution est alors spécifiquement développée et permet une évaluation précise du champ de pression. D'autre part, une méthode de résolution de l'équation parabolique grand angle tridimensionnelle est adaptée à la modélisation de la propagation acoustique en milieu urbain. Cette méthode permet de tenir compte des variations brusques ou continues de la largeur de la rue. Une comparaison avec des mesures sur maquette de rue à échelle réduite permet de mettre en avant les possibilités de la méthode. / The urban environment is the seat of loud noise generated by means of transportation. To fight against these nuisances, European legislation requires the achievement of noise maps. In this context, fundamental work is carried around the propagation of acoustic low-frequency waves in urban areas. Several recent research focuses on the implementation of wave methods for acoustic wave propagation in such environments. The computational cost of these methods, however, limits their use in the context of engineering. The objective of this thesis focuses on the one-way approximation of wave propagation, applied to urban acoustics. This approximation allows to make simplifications on the wave equation in order to limit the computation time. The particularity of this thesis lies in the consideration of variations, continuous or discontinuous, of the width of streets. Two formalisms are used: parabolic equation and a multimodal approach. The multimodal approach provides support for a theoretical study on the mode-coupling mechanisms in two-dimensional irregular waveguides. For this, the pressure field is decomposed according to the direction of wave propagation in the manner of a Bremmer series. The specific contribution of the one-way approximation is studied as a function of the geometric parameters of the waveguide, which helps identify the limits of validity of this approximation. Use of the parabolic equation is intended for application to urban acoustic. A coordinate transformation is associated with the wide-angle parabolic-equation in order to take into account the variation effect of the waveguide section. A resolution method is developed specifically and allows an accurate assessment of the pressure field. On the other hand, a solving method of the three-dimensional parabolic-equation is suitable for the modeling of acoustic propagation in urban areas. This method takes into account sudden or continuous variations of the street width. A comparison with measurements on scaled model of street allows to highlight the possibilities of the method.

Un grand nombre des problèmes d'optimisation, ainsi que des problèmes inverses, combinatoires ou hors équilibre qui apparaissent en physique statistique des systèmes complexes, peuvent être représentés comme un ensemble des variables en interaction sur un certain réseau. Bien que la recette universelle pour traiter ces problèmes n'existe pas, la compréhension qualitative et quantitative des problèmes complexes sur des graphes a fait des grands progrès au cours de ces dernières années. Un rôle particulier a été joué par des concepts empruntés de la physique des verres de spin et la théorie des champs, qui ont eu beaucoup de succès en ce qui concerne la description des propriétés statistiques des systèmes complexes et le développement d'algorithmes efficaces pour des problèmes concrets.En première partie de cette thèse, nous étudions des problèmes de diffusion sur des réseaux, avec la dynamique hors équilibre. En utilisant la méthode de cavité sur des trajectoires dans le temps, nous montrons comment dériver des équations dynamiques dites "message-passing'' pour une large classe de modèles avec une dynamique unidirectionnelle -- la propriété clef qui permet de résoudre le problème. Ces équations sont asymptotiquement exactes pour des graphes localement en arbre et en général représentent une bonne approximation pour des réseaux réels. Nous illustrons cette approche avec une application des équations dynamiques pour résoudre le problème inverse d'inférence de la source d'épidémie dans le modèle "susceptible-infected-recovered''.Dans la seconde partie du manuscrit, nous considérons un problème d'optimisation d'appariement planaire optimal sur une ligne. En exploitant des techniques de la théorie de champs et des arguments combinatoires, nous caractérisons une transition de phase topologique qui se produit dans un modèle désordonné simple, le modèle de Bernoulli. Visant une application à la physique des structures secondaires de l'ARN, nous discutons la relation entre la transition d'appariement parfait-imparfait et la transition de basse température connue entre les états fondu et vitreux de biopolymère; nous proposons également des modèles généralisés qui suggèrent une correspondance exacte entre la matrice des contacts et la séquence des nucléotides, permettant ainsi de donner un sens à la notion des alphabets effectifs non-entiers. / A large number of optimization, inverse, combinatorial and out-of-equilibrium problems, arising in the statistical physics of complex systems, allow for a convenient representation in terms of disordered interacting variables defined on a certain network. Although a universal recipe for dealing with these problems does not exist, the recent years have seen a serious progress in understanding and quantifying an important number of hard problems on graphs. A particular role has been played by the concepts borrowed from the physics of spin glasses and field theory, that appeared to be extremely successful in the description of the statistical properties of complex systems and in the development of efficient algorithms for concrete problems.In the first part of the thesis, we study the out-of-equilibrium spreading problems on networks. Using dynamic cavity method on time trajectories, we show how to derive dynamic message-passing equations for a large class of models with unidirectional dynamics -- the key property that makes the problem solvable. These equations are asymptotically exact for locally tree-like graphs and generally provide a good approximation for real-world networks. We illustrate the approach by applying the dynamic message-passing equations for susceptible-infected-recovered model to the inverse problem of inference of epidemic origin. In the second part of the manuscript, we address the optimization problem of finding optimal planar matching configurations on a line. Making use of field-theory techniques and combinatorial arguments, we characterize a topological phase transition that occurs in the simple Bernoulli model of disordered matching. As an application to the physics of the RNA secondary structures, we discuss the relation of the perfect-imperfect matching transition to the known molten-glass transition at low temperatures, and suggest generalized models that incorporate a one-to-one correspondence between the contact matrix and the nucleotide sequence, thus giving sense to the notion of effective non-integer alphabets.

Nous nous intéressons dans ce travail à la rupture en traction des matériaux composites unidirectionnels dans la perspective de leur utilisation comme câbles de précontrainte. Le comportement de type élastique-fragile de ces matériaux impose de prendre en compte l'aléa de résistance, afin de prédire les effets d'échelle. Pour étudier ce problème, nous avons simulé numériquement la rupture des composites unidirectionnels à l'aide d'un modèle mécanique à cinématique uniaxiale. Nous avons réalisé pour chaque géométrie un très grand nombre de simulations afin d'obtenir une statistique de rupture au voisinage des faibles résistances très précises. Nous avons étudié deux mécanismes d'endommagement, rupture des fils et décohésions entre fils (un fil peut être constitué d'une ou plusieurs fibres, sa section étant caractéristique de la finesse de discrétisation du modèle). Nous avons alors constaté qu'un effet d'échelle de longueur de type chaîne décrivait correctement nos simulations de rupture pour différentes longueurs dès que l'on pouvait négliger les effets d'extrémité et, d'un point de vue pratique, que la queue de distribution des faibles résistances n'obéit plus à une loi du type rupture de la structure au premier endommagement. L'extrapolation des courbes de distribution des résistances a permis de proposer le concept de résistance utile d'un jonc en acceptant une certaine probabilité de rupture. Cette résistance utile peut être très largement supérieure à celle utilisée actuellement en appliquant un coefficient de sécurité de 0,5 à la résistance moyenne. L'utilisation de ce concept de résistance utile pourrait alors réduire la quantité de matière et évidemment les coûts. Un autre apport du travail est issu de l'étude des effets d'échelle de section. Nous sommes en effet arrivés à démontrer que pour un usage donné (longueur, probabilité de rupture admissible), il existe une section optimale de jonc donnant la meilleure résistance utile.