Experimentation of mitigation techniques to reduce the effects of permafrost degradation on transportation infrastructures at Beaver Creek experimental road site, Alaska Highway, Yukon

Les méthodes de design et de construction des routes développés dans le sud canadien ont maintenant besoin d’être adaptés aux environnements nordiques du pays afin de prévenir le dégel dramatique du pergélisol lors de la construction d’une nouvelle route. De plus, le réchauffement climatique occasionne présentement d’importants problèmes de stabilité des sols dans le nord canadien. Ces facteurs causent des pertes importantes au niveau des capacités fonctionnelles et structurales de l’Alaska Highway au Yukon sur un segment de plus de 200 km situé entre le village de Destruction Bay et la frontière de l’Alaska. Afin de trouver des solutions rentables à long terme, le ministère du transport du Yukon (en collaboration avec le Federal Highway Administration du gouvernement américain, Transports Canada, l’Université Laval, l’Université de Montréal et l’Alaska University transportation Center) a mis en place 12 sections d’essais de 50 mètres de longueur sur l’autoroute de l’Alaska près de Beaver Creek en 2008. Ces différentes sections d’essais ont été conçues pour évaluer une ou plusieurs méthodes combinées de stabilisation thermique telles que le drain thermique, le remblai à convection d’air, le pare-neige / pare-soleil, le remblai couvert de matières organiques, les drains longitudinaux, le déblaiement de la neige sur les pentes et la surface réfléchissante. Les objectifs spécifiques de la recherche sont 1) d’établir les régimes thermiques et les flux de chaleur dans chacune des sections pour les 3 premières années de fonctionnement ; 2) de documenter les facteurs pouvant favoriser ou nuire à l’efficacité des systèmes de protection et ; 3) de déterminer le rapport coûts/bénéfices à long terme pour chacune des techniques utilisées. Pour ce faire, une nouvelle méthode d’analyse, basée sur la mesure de flux d’extraction de chaleur Hx et d’induction Hi à l’interface entre le remblai et le sol naturel, a été utilisée dans cette étude. Certaines techniques de protection du pergélisol démontrent un bon potentiel durant leurs 3 premières années de fonctionnement. C’est le cas pour le remblai à convection d’air non-couvert, le remblai à convection d’air pleine largeur, les drains longitudinaux, le pare-soleil / pare-neige et la surface réfléchissante. Malheureusement, des problèmes dans l’installation des drains thermiques ont empêché une évaluation complète de leur efficacité.

Le routage de l’information dans les réseaux véhiculaires mobiles

Les réseaux véhiculaires mobiles, ou Vehicular Ad-hoc NETworks (VANETs), existent depuis les années 80, mais sont de plus en plus développés depuis quelques années dans différentes villes à travers le monde. Ils constituent un apport d’informations aux réseaux routiers grâce à la mise en place de communications entre ses constituants : principalement les véhicules, mais aussi certaines infrastructures de bords de routes liées directement aux automobilistes (feux de circulation, parcomètres, infrastructures spécialisées pour les VANETs et bien d’autres). L’ajout des infrastructures apporte un support fixe à la dissémination des informations dans le réseau. Le principal objectif de ce type de réseau est d’améliorer la sécurité routière, les conditions de circulations, et d’apporter aux conducteurs et aux passagers quelques applications publicitaires ou de divertissement. Pour cela, il est important de faire circuler l’information de la manière la plus efficace possible entre les différents véhicules. L’utilisation des infrastructures pour la simulation de ces réseaux est bien souvent négligée. En effet, une grande partie des protocoles présentés dans la littérature simulent un réseau ad-hoc avec des noeuds se déplaçant plus rapidement et selon une carte définie. Cependant, ils ne prennent pas en compte les spécificités même d’un réseau véhiculaire mobile. Le routage de l’information dans les réseaux véhiculaires mobiles utilise les infrastructures de façon certes opportuniste, mais à terme, les infrastructures seront très présentes dans les villes et sur les autoroutes. C’est pourquoi nous nous sommes concentrés dans ce mémoire à l’étude des variations des différentes métriques du routage de l’information lors de l’ajout d’infrastructures sur une autoroute avec l’utilisation du protocole de routage AODV. De plus, nous avons modifié le protocole AODV afin d’obliger les messages à emprunter le chemin passant par les infrastructures si celles-ci sont disponibles. Les résultats présentés sont encourageants, et nous montrent qu’il est important de simuler les réseaux VANETs de manière complète, en considérant les infrastructures.

Design and modeling of optical fibers for spatial division multiplexing using the orbital angular momentum of light

Les besoins toujours croissants en terme de transfert de données numériques poussent au développement de nouvelles technologies pour accroître la capacité des réseaux, notamment en ce qui concerne les réseaux de fibre optique. Parmi ces nouvelles technologies, le multiplexage spatial permet de multiplier la capacité des liens optiques actuels. Nous nous intéressons particulièrement à une forme de multiplexage spatial utilisant le moment cinétique orbital de la lumière comme base orthogonale pour séparer un certain nombre de canaux. Nous présentons d’abord les notions d’électromagnétisme et de physique nécessaires à la compréhension des développements ultérieurs. Les équations de Maxwell sont dérivées afin d’expliquer les modes scalaires et vectoriels de la fibre optique. Nous présentons également d’autres propriétés modales, soit la coupure des modes, et les indices de groupe et de dispersion. La notion de moment cinétique orbital est ensuite introduite, avec plus particulièrement ses applications dans le domaine des télécommunications. Dans une seconde partie, nous proposons la carte modale comme un outil pour aider au design des fibres optiques à quelques modes. Nous développons la solution vectorielle des équations de coupure des modes pour les fibres en anneau, puis nous généralisons ces équations pour tous les profils de fibres à trois couches. Enfin, nous donnons quelques exemples d’application de la carte modale. Dans la troisième partie, nous présentons des designs de fibres pour la transmission des modes avec un moment cinétique orbital. Les outils développés dans la seconde partie sont utilisés pour effectuer ces designs. Un premier design de fibre, caractérisé par un centre creux, est étudié et démontré. Puis un second design, une famille de fibres avec un profil en anneau, est étudié. Des mesures d’indice effectif et d’indice de groupe sont effectuées sur ces fibres. Les outils et les fibres développés auront permis une meilleure compréhension de la transmission dans la fibre optique des modes ayant un moment cinétique orbital. Nous espérons que ces avancements aideront à développer prochainement des systèmes de communications performants utilisant le multiplexage spatial.

Ponts composites bois-béton collaborant en portée simple : théorie, essais et conception

Avec le vieillissement des infrastructures routières au Québec, plusieurs ponts de courte portée devront être reconstruits à neuf au cours des prochaines années. La pratique usuelle est de les concevoir entièrement en béton ou en systèmes mixtes acier-béton. Toutefois, avec l’avancement de la recherche dans le domaine du bois, le système hybride bois-béton est envisageable. Le but est de tirer profit des avantages de chaque matériau en les disposant aux endroits appropriés. Le tablier du pont est constitué d’une dalle de béton qui agit en compression et protège des intempéries les poutres en bois lamellé-collé qui résistent en traction. L’enjeu est la capacité de lier efficacement ces deux matériaux pour qu’ils puissent reprendre les efforts dus aux charges de conception avec un glissement d’interface minimal. De nombreux chercheurs ont proposé diverses méthodes pour répondre à cette problématique. Les connecteurs locaux (vis, clous) sont moins rigides et se déforment beaucoup à l’ultime. À l’inverse, les connecteurs continus offrent une rigidité très élevée, de petits déplacements à rupture sans négliger la plasticité du système. Pour cette raison, le connecteur choisi est le HBV Shear, une mince bande d’acier de 90mm de hauteur perforée de trous de 10mm. Sa moitié inférieure est collée dans une fente pratiquée dans la poutre et la partie supérieure est immergée dans le béton. Pour caractériser le comportement du connecteur, dix essais en cisaillement simple ont été effectués. Ils ont permis de quantifier la rigidité et d’apprécier la ductilité qui s’installe dans le système par l’ajout de l’acier. Par la suite, six poutres hybrides simple de 4 m, deux systèmes à poutres double de 4m et deux poutres hybrides de 12m de portée ont été amenées à la rupture en flexion. Ces essais ont montré que le connecteur se brisait sous l’effort de manière ductile avant la rupture fragile de la poutre en bois. Les résultats ont aussi prouvé que les méthodes de calculs utilisées estiment correctement la séquence de rupture ainsi que le comportement du système avec une très grande efficacité. Finalement, un tablier de pont composite a été conçu pour résister aux efforts à l’ultime, en service et à long terme.

Growth and yield of red raspberries cultivated under open field condition vs. high tunnel or rain shelter in the northern canadian climate

La culture sous abris avec des infrastructures de type grands tunnels est une nouvelle technologie permettant d’améliorer la production de framboises rouges sous des climats nordiques. L’objectif principal de ce projet de doctorat était d’étudier les performances de ces technologies (grands tunnels vs. abris parapluie de type Voen, en comparaison à la culture en plein champ) et leur effets sur le microclimat, la photosynthèse, la croissance des plantes et le rendement en fruits pour les deux types de framboisiers non-remontants et remontants (Rubus idaeus, L.). Puisque les pratiques culturales doivent être adaptées aux différents environnements de culture, la taille d’été (pour le cultivar non-remontant), l’optimisation de la densité des tiges (pour le cultivar remontant) et l’utilisation de bâches réfléchissantes (pour les deux types des framboisiers) ont été étudiées sous grands tunnels, abris Voen vs. en plein champ. Les plants cultivés sous grands tunnels produisent en moyenne 1,2 et 1,5 fois le rendement en fruits commercialisables que ceux cultivés sous abri Voen pour le cv. non-remontant ‘Jeanne d’Orléans’ et le cv. remontant ‘Polka’, respectivement. Comparativement aux framboisiers cultivés aux champs, le rendement en fruits des plants sous grands tunnels était plus du double pour le cv. ‘Jeanne d’Orléans’ et près du triple pour le cv. ‘Polka’. L’utilisation de bâches réfléchissantes a entrainé un gain significatif sur le rendement en fruits de 12% pour le cv. ‘Jeanne d’Orléans’ et de 17% pour le cv. ‘Polka’. La taille des premières ou deuxièmes pousses a significativement amélioré le rendement en fruits du cv. ‘Jeanne d’Orléans’ de 26% en moyenne par rapport aux framboisiers non taillés. Des augmentations significatives du rendement en fruits de 43% et 71% du cv. ‘Polka’ ont été mesurées avec l’accroissement de la densité à 4 et 6 tiges par pot respectivement, comparativement à deux tiges par pot. Au cours de la période de fructification du cv. ‘Jeanne d’Orléans’, les bâches réfléchissantes ont augmenté significativement la densité de flux photonique photosynthétique (DFPP) réfléchie à la canopée inférieure de 80% en plein champ et de 60% sous grands tunnels, comparativement à seulement 14% sous abri Voen. Durant la saison de fructification du cv. ‘Polka’, un effet positif de bâches sur la lumière réfléchie (jusqu’à 42%) a été mesuré seulement en plein champ. Dans tous les cas, les bâches réfléchissantes n’ont présenté aucun effet significatif sur la DFPP incidente foliaire totale et la photosynthèse. Pour le cv. ‘Jeanne d’Orléans’, la DFPP incidente sur la feuille a été atténuée d’environ 46% sous le deux types de revêtement par rapport au plein champ. Par conséquent, la photosynthèse a été réduite en moyenne de 43% sous grands tunnels et de 17% sous abris Voen. Des effets similaires ont été mesurés pour la DFPP incidente et la photosynthèse avec le cv. Polka. En dépit du taux de photosynthèse des feuilles individuelles systématiquement inférieur à ceux mesurés pour les plants cultivés aux champs, la photosynthèse de la plante entière sous grands tunnels était de 51% supérieure à celle observée au champ pour le cv. ‘Jeanne d’Orléans’, et 46% plus élevée pour le cv. ‘Polka’. Ces résultats s’expliquent par une plus grande (près du double) surface foliaire pour les plants cultivés sous tunnels, qui a compensé pour le plus faible taux de photosynthèse par unité de surface foliaire. Les températures supra-optimales des feuilles mesurées sous grands tunnels (6.6°C plus élevé en moyenne que dans le champ), ainsi que l’atténuation de la DFPP incidente (env. 43%) par les revêtements de tunnels ont contribué à réduire le taux de photosynthèse par unité de surface foliaire. La photosynthèse de la canopée entière était étroitement corrélée avec le rendement en fruits pour les deux types de framboisiers rouges cultivés sous grands tunnels ou en plein champ.

Foresterie urbaine : recensement mondial des publications, situation actuelle et besoins de recherche des municipalités canadiennes

L’arbre en ville offre plusieurs bienfaits, et ce, même s’il est souvent confronté à des conditions de vie difficiles. Au cours des années, la foresterie urbaine a suscité plusieurs travaux de recherches. Ce projet visait à faire un recensement des publications scientifiques de recherche en foresterie urbaine, à faire l’état de la situation des municipalités en matière de foresterie urbaine et à identifier les besoins de recherche en foresterie urbaine des municipalités canadiennes de 5 000 habitants et plus. Le premier objectif a été réalisé en utilisant plusieurs bases de données d’articles scientifiques et des mots clefs en foresterie urbaine. Un sondage pancanadien a permis de réaliser les deux autres objectifs. Le recensement que nous avons effectué des publications en foresterie urbaine depuis 1800 a montré, comme pour les publications scientifiques en général, mais de façon encore plus marquée, un accroissement de leur nombre ces dernières années. Ce recensement a aussi permis de révéler que les préoccupations de recherche touchent surtout l’effet des arbres sur la santé humaine et la qualité de l’air. L’identification des besoins de recherche réalisée auprès des responsables des espaces verts a permis de constater qu’il y avait toujours place pour la recherche dans ce domaine. Les municipalités veulent connaître, entre autres, quelles espèces d’arbres sont adaptées à l’environnement urbain, quel est l’effet des arbres sur le ruissellement des eaux de pluie et sur la santé humaine. Nous avons aussi constaté qu’il y avait un manque de transfert de connaissances entre les chercheurs et les responsables d’espaces verts ou que les recherches menées ne répondent pas aux besoins exprimés par les répondants. Le présent mémoire a permis de mieux cerner les besoins de recherche des municipalités canadiennes et permettra aux chercheurs de mieux définir les priorités de recherche en foresterie urbaine.

Cartographie semi-automatisée des chutes de pierres le long d’infrastructures linéaires

La caractérisation détaillée de vastes territoires pose un défi de taille et est souvent limitée par les ressources disponibles et le temps. Les travaux de cette maîtrise s’incorporent au projet ParaChute qui porte sur le développement d’une Méthode québécoise d’Évaluation du Danger des Chutes de Pierres (MEDCP) le long d’infrastructures linéaires. Pour optimiser l’utilisation des ressources et du temps, une méthode partiellement automatisée facilitant la planification des travaux de terrain a été développée. Elle se base principalement sur la modélisation des trajectoires de chutes de pierres 3D pour mieux cibler les falaises naturelles potentiellement problématiques. Des outils d’automatisation ont été développés afin de permettre la réalisation des modélisations sur de vastes territoires. Les secteurs où l’infrastructure a le plus de potentiel d’être atteinte par d’éventuelles chutes de pierres sont identifiés à partir des portions de l’infrastructure les plus traversées par les trajectoires simulées. La méthode a été appliquée le long du chemin de fer de la compagnie ArcelorMittal Infrastructures Canada. Le secteur couvert par l’étude débute à une dizaine de kilomètres au nord de Port-Cartier (Québec) et s’étend sur 260 km jusqu’au nord des monts Groulx. La topographie obtenue de levés LiDAR aéroportés est utilisée afin de modéliser les trajectoires en 3D à l’aide du logiciel Rockyfor3D. Dans ce mémoire, une approche facilitant la caractérisation des chutes de pierres le long d’un tracé linéaire est présentée. Des études de trajectoires préliminaires sont réalisées avant les travaux sur le terrain. Les informations tirées de ces modélisations permettent de cibler les secteurs potentiellement problématiques et d’éliminer ceux qui ne sont pas susceptibles de générer des chutes de pierres avec le potentiel d’atteindre les éléments à risque le long de l’infrastructure linéaire.