Analyse d’implantation d’un système de gestion intégrée en environnement et en santé et sécurité du travail

Les systèmes de gestion intégrée en environnement et en santé et sécurité du travail (SGI) sont un nouveau paradigme de gestion dans les organisations modernes. Ces systèmes sont construits à partir des normes ISO 14001 et d’OHSAS 18001, basées sur la prévention des risques et le principe de précaution. La littérature sur les SGI témoigne d’un marasme conceptuel prédominant depuis plus de 10 ans; elle insiste sur l’urgence d’un consensus taxinomique et conceptuel afin de définir les systèmes de gestion intégrée et de différencier le mécanisme d’intégration de celui de l’implantation. Cette lacune conceptuelle enlise les connaissances dans un fossé épistémologique, retardant ainsi le débat dans ce nouveau champ d’études. Les rares connaissances dont nous disposons dans ce domaine proviennent de quelques études théoriques et de six études empiriques, toutes préoccupées par la compatibilité des multiples systèmes et des avantages économiques de leur intégration. Les évidences engendrées par ces études sont insuffisantes pour appréhender la dynamique du nouveau paradigme dont les effets demeurent peu connus. Cette situation révèle l’urgence d’agir dans un contexte où l’utilisation des SGI se multiplie, et où leur tendance à minimiser l’importance des risques devient de plus en plus préoccupante. Aucune étude ne s’est encore penchée sur l’implantation d’un SGI en environnement et en santé et sécurité du travail construit uniquement à partir des normes ISO 14001 et d’OHSAS 18001. Cette connaissance est importante pour expliquer les effets de tels systèmes. C’est dans cette perspective que nous avons réalisé cette première étude empirique d’un SGI selon les normes ISO 14001 et d’OHSAS 18001. Nos questions de recherche portent sur le mode, le degré d’implantation, les effets du SGI, ainsi que sur les facteurs contextuels qui interviennent pour expliquer les variations dans le degré d’implantation et les effets du SGI. Il s’agit d’une recherche à prélèvement qualitatif qui repose sur un devis d’étude de cas, avec des niveaux d’analyse imbriqués, et comportant une double visée descriptive et explicative. Notre échantillon, de type raisonné, regroupait trente-cinq intervenants provenant de différentes instances hiérarchiques ; il incluait également des représentants syndicaux. Notre échantillon était composé de 7 usines, accréditées aux normes ISO 14001, OHSAS 18001, et dispersées dans différentes villes du Québec. Ces usines différaient tant par leur technologie, leur âge, leur taille, et leurs types de production. Nos données ont été recueillies en 2004; elles sont basées sur des entrevues semi dirigées, sur des observations directes lors de la visite des lieux; elles s’appuient aussi sur des consultations de documents internes et sur des outils électroniques implantés. La transcription des entrevues effectuée, le contenu des discours a été catégorisé selon les cinq dimensions du SGI: engagement, planification, mise en opération, contrôle et revue de la direction. Une condensation horizontale avait précédé l’analyse de chaque cas et l’analyse transversale des cas selon une approche à la fois inductive et déductive. Les résultats de notre recherche ont révélé deux modes d’implantation : le mode d’enrichissement et le mode de fusion. Ces modes dépendaient de la nature des structures fonctionnelles en place. La visée d’amélioration continue à la base du SGI n’avait pas réussi à concilier les approches traditionnelles bottom up et top down qui ont dominé cette implantation; son mécanisme était guidé par 4 types de stratégies : l’économie des ressources, le contrôle des forces d’influences, la stratégie des fruits faciles à cueillir et la stratégie à petits pas. Pour analyser le degré d’implantation, nous avons tenu compte de l’effort de structuration du SGI et de la force d’utilisation des processus implantés à chacune des cinq dimensions du SGI. Les résultats de notre recherche révèlent une variabilité certaine du degré d’implantation entre les usines d’une part, et entre les processus associés aux cinq dimensions du SGI d’autre part. L’analyse des discours a permis de produire cinq hypothèses qui soutiennent l’effort de structuration et la force d’utilisation du SGI: (i) l’hypothèse de la force de cohésion, (ii) l’hypothèse de la spécificité du processus, (iii) l’hypothèse de la portée du processus, (iv) l’hypothèse de la capacité organisationnelle, (v) l’hypothèse de l’acceptation du changement. L’implantation du SGI était soumise à l’influence de multiples facteurs; ils étaient de nature politique, structurelle et organisationnelle. Ces facteurs avaient agi sur le processus d’implantation en amorçant une cascade d’interactions au cours desquelles leurs forces d’influences se renforçaient, se neutralisaient ou s’additionnaient pour affecter le degré d’implantation. Les facteurs facilitant touchaient surtout l’effort de structuration ; ils incluaient : l’expérience des systèmes de gestion, l’implication de la direction, celle du syndicat ou du CSS, la structure organisationnelle, le niveau d’éducation, l’âge et la taille de l’usine. Quant aux facteurs contraignants, ils agissaient sur la force d’utilisation ; ils incluaient : la lourdeur procédurale, le manque de temps, le manque de formation, le manque de ressources, la culture organisationnelle, la structure organisationnelle, le fossé intergénérationnel, l’absence du syndicat et l’âge de l’usine. Trois effets proximaux escomptés par l’entreprise ont été observés. (i) La rigueur de la gestion était associée à l’application des exigences du SGI; elle touchait la gouvernance en environnement et en santé et sécurité du travail, les mécanismes de gestion et les procédés de production. (ii) La standardisation était reliée au mode d’implantation du SGI; elle concernait les pratiques, les outils, les méthodes de travail et l’organisation des ressources. (iii) La rupture des silos est un effet relié au mode d’implantation du SGI; elle touchait les structures départementales, les frontières professionnelles, les relations et climat de travail. Ces effets proximaux avaient provoqué plusieurs effets émergents, plus distaux: une augmentation du pouvoir de contrôle syndical, un renforcement de la légitimité des recommandations soumises par les spécialistes professionnels, la création de réseaux inter organisationnels et le transfert du savoir. L’implantation du SGI avait transformé la gouvernance et les pratiques en environnement et en santé et sécurité du travail dans les sept usines. Toutefois, elle ne semblait pas garantir l’immunité du processus de gestion des risques à l’environnement ni à la santé et sécurité du travail. Sa capacité à diluer les risques devait retenir l’attention des politiques de santé publiques et des programmes de prévention des risques à l’environnement et à la santé et sécurité du travail. L’amélioration de la gestion des risques demeurait un effet attendu non observé et soumis à des facteurs contextuels qui pourraient l’empêcher de se concrétiser. À cet égard, le transfert du savoir, renforcé par l’émergence des réseaux inter organisationnels, semblait offrir une avenue beaucoup plus prometteuse et accessible. C’est l’une des contributions de cette recherche. Elle a aussi (i) proposé une typologie des modes d’implantation et des effets du SGI (ii) préconisé une méthode détaillée d’une meilleure appréciation du degré d’implantation (iii) précisé le rôle des facteurs contextuels dans l’explication des variations du degré d’implantation et dans la production des effets, (iv) proposé des hypothèses sur la structuration et l’utilisation du SGI (v) offert une perspective plurielle et approfondie de la dynamique de l’implantation du SGI grâce à la variété de l’échantillon des répondants et des usines. Il s’agit de la première étude de terrain dans le domaine. À notre connaissance, aucune autre étude n’a eu de tels résultats. Mots Clés : ISO 14001, OHSAS 18001, gestion intégrée, environnement, santé et sécurité du travail, risques environnementaux, risques en santé et sécurité du travail, analyse d’implantation, degré d’implantation, SGI, transfert du savoir.

Reconsidérer les interactions entre l’écoulement, le transport de sédiments en charge de fond et la morphologie en rivière à lit de graviers : approches, échelles et analyses

L'objectif ultime en géomorphologie fluviale est d'expliquer les formes des cours d'eau et leur évolution temporelle et spatiale. La multiplication des études nous a mené à la réalisation que les systèmes géomorphologiques sont complexes. Les formes observées sont plus que la somme des processus individuels qui les régissent en raison d’interactions et de rétroactions non-linéaires à de multiples échelles spatiales et temporelles. Dans ce contexte, le but général de la thèse est de proposer et de tester de nouvelles avenues de recherche afin de mieux appréhender la complexité des dynamiques fluviales en utilisant des approches méthodologiques et analytiques mettant l’accent sur les interactions entre l’écoulement, le transport de sédiments en charge fond et la morphologie du lit en rivière graveleuse. Cette orientation découle du constat que les paradigmes actuels en géomorphologie fluviale n’arrivent pas à expliquer adéquatement la variabilité naturelle du transport en charge de fond ainsi que des formes du lit qui en résultent. Cinq pistes de réflexion sont développées sous forme d’articles basés sur des études de cas : 1. L'intégration des échelles de variation de l'écoulement permet d’insérer la notion de structures turbulentes dans des pulsations de plus grande échelle et d'améliorer la compréhension de la variabilité du transport de sédiments. 2. La quantification des taux de changement de l’écoulement (accélération /décélération) au cours d’une crue permet d’expliquer la variabilité des flux de transport en charge fond autant que la magnitude de l’écoulement. 3. L’utilisation de techniques de mesures complémentaires révèle une nouvelle dynamique du lit des rivières graveleuses, la dilatation et la contraction du lit suite à une crue. 4. La remise en cause du fait généralement accepté que le transport en charge de fond est corrélé positivement à l'intensité des modifications morphologiques en raison d’un problème associé aux échelles différentes des processus en cause. 5. L’approche systémique des dynamiques fluviales par l’utilisation d’analyses multivariées permet d’appréhender la complexité des dynamiques de rétroactions linéaires et non-linéaires dans l’évolution d’un chenal et d’illustrer l’importance de l’historique récent des changements géomorphologiques en réponse aux crues. Cette thèse se veut une avancée conceptuelle issue d'une profonde réflexion sur les approches classiques que l'on utilise en géomorphologie fluviale depuis plusieurs décennies. Elle est basée sur un jeu de données unique récolté lors du suivi intensif de 21 évènements de crue dans un petit cours d’eau à lit de graviers, le ruisseau Béard (Québec). Le protocole expérimental axé sur la simultanéité des mesures de l’écoulement, de la morphologie du lit et du transport de sédiments en charge de fond a permis de centrer la recherche directement sur les interactions entre les processus plutôt que sur les processus individuels, une approche rarement utilisée en géomorphologie fluviale. Chacun des chapitres illustre un nouveau concept ou une nouvelle approche permettant de résoudre certaines des impasses rencontrées actuellement en géomorphologie fluviale. Ces travaux ont des implications importantes pour la compréhension de la dynamique des lits de rivières et des habitats fluviaux et servent de point de départ pour de nouveaux développements.

Analyse de groupe d’un modèle de la plasticité idéale planaire et sur les solutions en termes d’invariants de Riemann pour les systèmes quasilinéaires du premier ordre

Les objets d’étude de cette thèse sont les systèmes d’équations quasilinéaires du premier ordre. Dans une première partie, on fait une analyse du point de vue du groupe de Lie classique des symétries ponctuelles d’un modèle de la plasticité idéale. Les écoulements planaires dans les cas stationnaire et non-stationnaire sont étudiés. Deux nouveaux champs de vecteurs ont été obtenus, complétant ainsi l’algèbre de Lie du cas stationnaire dont les sous-algèbres sont classifiées en classes de conjugaison sous l’action du groupe. Dans le cas non-stationnaire, une classification des algèbres de Lie admissibles selon la force choisie est effectuée. Pour chaque type de force, les champs de vecteurs sont présentés. L’algèbre ayant la dimension la plus élevée possible a été obtenues en considérant les forces monogéniques et elle a été classifiée en classes de conjugaison. La méthode de réduction par symétrie est appliquée pour obtenir des solutions explicites et implicites de plusieurs types parmi lesquelles certaines s’expriment en termes d’une ou deux fonctions arbitraires d’une variable et d’autres en termes de fonctions elliptiques de Jacobi. Plusieurs solutions sont interprétées physiquement pour en déduire la forme de filières d’extrusion réalisables. Dans la seconde partie, on s’intéresse aux solutions s’exprimant en fonction d’invariants de Riemann pour les systèmes quasilinéaires du premier ordre. La méthode des caractéristiques généralisées ainsi qu’une méthode basée sur les symétries conditionnelles pour les invariants de Riemann sont étendues pour être applicables à des systèmes dans leurs régions elliptiques. Leur applicabilité est démontrée par des exemples de la plasticité idéale non-stationnaire pour un flot irrotationnel ainsi que les équations de la mécanique des fluides. Une nouvelle approche basée sur l’introduction de matrices de rotation satisfaisant certaines conditions algébriques est développée. Elle est applicable directement à des systèmes non-homogènes et non-autonomes sans avoir besoin de transformations préalables. Son efficacité est illustrée par des exemples comprenant un système qui régit l’interaction non-linéaire d’ondes et de particules. La solution générale est construite de façon explicite.

Contrôle postural et intégration sensorielle chez l’enfant en santé, chez l’adolescent atteint du syndrome Gilles de la Tourette ainsi que chez l’adulte atteint de la maladie de Huntington

Le contrôle postural et la perception des limites de la stabilité sont des processus complexes qui nécessitent le traitement et l’intégration d’informations sensorielles multimodales. Pendant l’enfance, le développement de la stabilité posturale s’effectue de façon non-monotonique. Plusieurs auteurs ont suggéré que ce profil non linéaire serait provoqué par une période de recalibration des systèmes sensoriels. Cette phase, nommée période de transition, est observée vers l’âge de 6-7 ans. Nous disposons toutefois de très peu d’information sur le rôle spécifique des afférences et des mécanismes d’intégration sensorielle au cours du développement postural. Les dysfonctions dans les noyaux gris centraux, telles que ceux observés dans la maladie de Parkinson, ont été associées à divers déficits dans le contrôle de la posture, dans le traitement et l’intégration sensoriel plus particulièrement, au niveau des informations proprioceptives. De plus, les limites fonctionnelles de la stabilité posturale des personnes atteintes de la maladie de Parkinson sont significativement réduites. Cependant, les connaissances concernant comment certaines pathologies des noyaux gris centraux, telles que le syndrome Gilles de la Tourette (SGT) et la maladie de Huntington (MH) affectent la capacité d’utiliser les informations sensorielles pour contrôler la posture demeurent à ce jour, incomplètes. Cette thèse porte sur le rôle des noyaux gris centraux dans les processus de traitements et d’intégration sensorielle, particulièrement les afférences proprioceptives dans le contrôle de la posture au cours du développement de l’enfant en santé, atteint du SGT et chez l’adulte atteint de la MH avec et sans symptôme clinique. Notre protocole expérimental a été testé chez ces trois populations (enfants en santé, SGT et MH). Nous avons utilisé des mesures quantitatives à partir de données issues d’une plateforme de force afin d’évaluer les ajustements posturaux dans les limites de la stabilité posturale. Les participants devaient s’incliner le plus loin possible dans quatre différentes directions (avant, arrière, droite et gauche) et maintenir l’inclinaison posturale maximale pendant 10 secondes. Afin de tester la capacité à traiter et à intégrer les informations sensorielles, la tâche expérimentale a été exécutée dans trois conditions sensorielles : 1) yeux ouverts, 2) yeux fermés et 3) yeux fermés, debout sur une mousse. Ainsi, la contribution relative de la proprioception pour le contrôle postural augmente à travers les conditions sensorielles. Dans la première étude, nous avons évalué la capacité à traiter et à intégrer les informations sensorielles avant (4 ans) et après (8-10 ans) la période de transition comparativement aux adultes. Dans la deuxième et la troisième étude, nous avons également évalué le traitement et l’intégration des informations sensorielles chez les patients atteints de désordres des noyaux gris centraux. La deuxième étude portera spécifiquement sur les adolescents atteints du SGT et la troisième, sur la MH avant et après l’apparition des symptômes cliniques. En somme, les résultats de la première étude ont démontré que la performance des enfants est affectée de façon similaire par les différentes conditions sensorielles avant et après la période de transition. Toutefois, le profil de développement des mécanismes responsables des ajustements posturaux de l’axe antéropostérieur est plus précoce comparativement à ceux de l’axe médiolatéral. Ainsi, nos résultats ne supportent pas l’hypothèse de la période de recalibration des systèmes sensoriels pendant cette période ontogénétique mais suggèrent que la période de transition peut être expliquée par la maturation précoce des mécanismes d’ajustements posturaux dans l’axe antéropostérieur. Dans l’ensemble, les résultats de nos études chez les populations atteintes de désordres des noyaux gris centraux (MH et SGT) démontrent non seulement qu’ils ont des déficits posturaux mais également que les ajustements posturaux dans les deux axes sont affectés par les conditions sensorielles. Pour la première fois, nos études démontrent des déficits globaux de traitements et d’intégration sensorielle accentués pour les signaux proprioceptifs. Ces résultats sont similaires à ceux observés dans la maladie de Parkinson. De plus, les adolescents atteints du SGT éprouvent également des troubles posturaux marqués dans la condition visuelle ce qui suggère des déficits d’intégrations visuelles et/ou multimodaux.

Unfolded singularities of analytic differential equations

La thèse est composée d’un chapitre de préliminaires et de deux articles sur le sujet du déploiement de singularités d’équations différentielles ordinaires analytiques dans le plan complexe. L’article Analytic classification of families of linear differential systems unfolding a resonant irregular singularity traite le problème de l’équivalence analytique de familles paramétriques de systèmes linéaires en dimension 2 qui déploient une singularité résonante générique de rang de Poincaré 1 dont la matrice principale est composée d’un seul bloc de Jordan. La question: quand deux telles familles sontelles équivalentes au moyen d’un changement analytique de coordonnées au voisinage d’une singularité? est complètement résolue et l’espace des modules des classes d’équivalence analytiques est décrit en termes d’un ensemble d’invariants formels et d’un invariant analytique, obtenu à partir de la trace de la monodromie. Des déploiements universels sont donnés pour toutes ces singularités. Dans l’article Confluence of singularities of non-linear differential equations via Borel–Laplace transformations on cherche des solutions bornées de systèmes paramétriques des équations non-linéaires de la variété centre de dimension 1 d’une singularité col-noeud déployée dans une famille de champs vectoriels complexes. En général, un système d’ÉDO analytiques avec une singularité double possède une unique solution formelle divergente au voisinage de la singularité, à laquelle on peut associer des vraies solutions sur certains secteurs dans le plan complexe en utilisant les transformations de Borel–Laplace. L’article montre comment généraliser cette méthode et déployer les solutions sectorielles. On construit des solutions de systèmes paramétriques, avec deux singularités régulières déployant une singularité irrégulière double, qui sont bornées sur des domaines «spirals» attachés aux deux points singuliers, et qui, à la limite, convergent vers une paire de solutions sectorielles couvrant un voisinage de la singularité confluente. La méthode apporte une description unifiée pour toutes les valeurs du paramètre.

Analysis and Optimization of Machining Process Using Evolutionary Algorithms

To ensure quality of machined products at minimum machining costs and maximum machining effectiveness, it is very important to select optimum parameters when metal cutting machine tools are employed. Traditionally, the experience of the operator plays a major role in the selection of optimum metal cutting conditions. However, attaining optimum values each time by even a skilled operator is difficult. The non-linear nature of the machining process has compelled engineers to search for more effective methods to attain optimization. The design objective preceding most engineering design activities is simply to minimize the cost of production or to maximize the production efficiency. The main aim of research work reported here is to build robust optimization algorithms by exploiting ideas that nature has to offer from its backyard and using it to solve real world optimization problems in manufacturing processes.In this thesis, after conducting an exhaustive literature review, several optimization techniques used in various manufacturing processes have been identified. The selection of optimal cutting parameters, like depth of cut, feed and speed is a very important issue for every machining process. Experiments have been designed using Taguchi technique and dry turning of SS420 has been performed on Kirlosker turn master 35 lathe. Analysis using S/N and ANOVA were performed to find the optimum level and percentage of contribution of each parameter. By using S/N analysis the optimum machining parameters from the experimentation is obtained.Optimization algorithms begin with one or more design solutions supplied by the user and then iteratively check new design solutions, relative search spaces in order to achieve the true optimum solution. A mathematical model has been developed using response surface analysis for surface roughness and the model was validated using published results from literature.Methodologies in optimization such as Simulated annealing (SA), Particle Swarm Optimization (PSO), Conventional Genetic Algorithm (CGA) and Improved Genetic Algorithm (IGA) are applied to optimize machining parameters while dry turning of SS420 material. All the above algorithms were tested for their efficiency, robustness and accuracy and observe how they often outperform conventional optimization method applied to difficult real world problems. The SA, PSO, CGA and IGA codes were developed using MATLAB. For each evolutionary algorithmic method, optimum cutting conditions are provided to achieve better surface finish.The computational results using SA clearly demonstrated that the proposed solution procedure is quite capable in solving such complicated problems effectively and efficiently. Particle Swarm Optimization (PSO) is a relatively recent heuristic search method whose mechanics are inspired by the swarming or collaborative behavior of biological populations. From the results it has been observed that PSO provides better results and also more computationally efficient.Based on the results obtained using CGA and IGA for the optimization of machining process, the proposed IGA provides better results than the conventional GA. The improved genetic algorithm incorporating a stochastic crossover technique and an artificial initial population scheme is developed to provide a faster search mechanism. Finally, a comparison among these algorithms were made for the specific example of dry turning of SS 420 material and arriving at optimum machining parameters of feed, cutting speed, depth of cut and tool nose radius for minimum surface roughness as the criterion. To summarize, the research work fills in conspicuous gaps between research prototypes and industry requirements, by simulating evolutionary procedures seen in nature that optimize its own systems.

Permutation Entropy Based Analysis of Complex Signals for Characterising Change in System Dynamics

Timely detection of sudden change in dynamics that adversely affect the performance of systems and quality of products has great scientific relevance. This work focuses on effective detection of dynamical changes of real time signals from mechanical as well as biological systems using a fast and robust technique of permutation entropy (PE). The results are used in detecting chatter onset in machine turning and identifying vocal disorders from speech signal.Permutation Entropy is a nonlinear complexity measure which can efficiently distinguish regular and complex nature of any signal and extract information about the change in dynamics of the process by indicating sudden change in its value. Here we propose the use of permutation entropy (PE), to detect the dynamical changes in two non linear processes, turning under mechanical system and speech under biological system.Effectiveness of PE in detecting the change in dynamics in turning process from the time series generated with samples of audio and current signals is studied. Experiments are carried out on a lathe machine for sudden increase in depth of cut and continuous increase in depth of cut on mild steel work pieces keeping the speed and feed rate constant. The results are applied to detect chatter onset in machining. These results are verified using frequency spectra of the signals and the non linear measure, normalized coarse-grained information rate (NCIR).PE analysis is carried out to investigate the variation in surface texture caused by chatter on the machined work piece. Statistical parameter from the optical grey level intensity histogram of laser speckle pattern recorded using a charge coupled device (CCD) camera is used to generate the time series required for PE analysis. Standard optical roughness parameter is used to confirm the results.Application of PE in identifying the vocal disorders is studied from speech signal recorded using microphone. Here analysis is carried out using speech signals of subjects with different pathological conditions and normal subjects, and the results are used for identifying vocal disorders. Standard linear technique of FFT is used to substantiate thc results.The results of PE analysis in all three cases clearly indicate that this complexity measure is sensitive to change in regularity of a signal and hence can suitably be used for detection of dynamical changes in real world systems. This work establishes the application of the simple, inexpensive and fast algorithm of PE for the benefit of advanced manufacturing process as well as clinical diagnosis in vocal disorders.

Performance of Gabion Faced Reinforced Earth Retaining Walls

Gabion faced re.taining walls are essentially semi rigid structures that can generally accommodate large lateral and vertical movements without excessive structural distress. Because of this inherent feature, they offer technical and economical advantage over the conventional concrete gravity retaining walls. Although they can be constructed either as gravity type or reinforced soil type, this work mainly deals with gabion faced reinforced earth walls as they are more suitable to larger heights. The main focus of the present investigation was the development of a viable plane strain two dimensional non linear finite element analysis code which can predict the stress - strain behaviour of gabion faced retaining walls - both gravity type and reinforced soil type. The gabion facing, backfill soil, In - situ soil and foundation soil were modelled using 20 four noded isoparametric quadrilateral elements. The confinement provided by the gabion boxes was converted into an induced apparent cohesion as per the membrane correction theory proposed by Henkel and Gilbert (1952). The mesh reinforcement was modelled using 20 two noded linear truss elements. The interactions between the soil and the mesh reinforcement as well as the facing and backfill were modelled using 20 four noded zero thickness line interface elements (Desai et al., 1974) by incorporating the nonlinear hyperbolic formulation for the tangential shear stiffness. The well known hyperbolic formulation by Ouncan and Chang (1970) was used for modelling the non - linearity of the soil matrix. The failure of soil matrix, gabion facing and the interfaces were modelled using Mohr - Coulomb failure criterion. The construction stages were also modelled.Experimental investigations were conducted on small scale model walls (both in field as well as in laboratory) to suggest an alternative fill material for the gabion faced retaining walls. The same were also used to validate the finite element programme developed as a part of the study. The studies were conducted using different types of gabion fill materials. The variation was achieved by placing coarse aggregate and quarry dust in different proportions as layers one above the other or they were mixed together in the required proportions. The deformation of the wall face was measured and the behaviour of the walls with the variation of fill materials was analysed. It was seen that 25% of the fill material in gabions can be replaced by a soft material (any locally available material) without affecting the deformation behaviour to large extents. In circumstances where deformation can be allowed to some extents, even up to 50% replacement with soft material can be possible.The developed finite element code was validated using experimental test results and other published results. Encouraged by the close comparison between the theory and experiments, an extensive and systematic parametric study was conducted, in order to gain a closer understanding of the behaviour of the system. Geometric parameters as well as material parameters were varied to understand their effect on the behaviour of the walls. The final phase of the study consisted of developing a simplified method for the design of gabion faced retaining walls. The design was based on the limit state method considering both the stability and deformation criteria. The design parameters were selected for the system and converted to dimensionless parameters. Thus the procedure for fixing the dimensions of the wall was simplified by eliminating the conventional trial and error procedure. Handy design charts were developed which would prove as a hands - on - tool to the design engineers at site. Economic studies were also conducted to prove the cost effectiveness of the structures with respect to the conventional RCC gravity walls and cost prediction models and cost breakdown ratios were proposed. The studies as a whole are expected to contribute substantially to understand the actual behaviour of gabion faced retaining wall systems with particular reference to the lateral deformations.

Analysis of System Signals Based on Cross Recurrence Method for System Dynamics Characterization

Natural systems are inherently non linear. Recurrent behaviours are typical of natural systems. Recurrence is a fundamental property of non linear dynamical systems which can be exploited to characterize the system behaviour effectively. Cross recurrence based analysis of sensor signals from non linear dynamical system is presented in this thesis. The mutual dependency among relatively independent components of a system is referred as coupling. The analysis is done for a mechanically coupled system specifically designed for conducting experiment. Further, cross recurrence method is extended to the actual machining process in a lathe to characterize the chatter during turning. The result is verified by permutation entropy method. Conventional linear methods or models are incapable of capturing the critical and strange behaviours associated with the dynamical process. Hence any effective feature extraction methodologies should invariably gather information thorough nonlinear time series analysis. The sensor signals from the dynamical system normally contain noise and non stationarity. In an effort to get over these two issues to the maximum possible extent, this work adopts the cross recurrence quantification analysis (CRQA) methodology since it is found to be robust against noise and stationarity in the signals. The study reveals that the CRQA is capable of characterizing even weak coupling among system signals. It also divulges the dependence of certain CRQA variables like percent determinism, percent recurrence and entropy to chatter unambiguously. The surrogate data test shows that the results obtained by CRQA are the true properties of the temporal evolution of the dynamics and contain a degree of deterministic structure. The results are verified using permutation entropy (PE) to detect the onset of chatter from the time series. The present study ascertains that this CRP based methodology is capable of recognizing the transition from regular cutting to the chatter cutting irrespective of the machining parameters or work piece material. The results establish this methodology to be feasible for detection of chatter in metal cutting operation in a lathe.

Studies in quantum field theory at finite temperature

The thesis deals with certain quantum field systems exhibiting spontaneous symmetry breaking and their response to temperature. These models find application in diverse branches such as particle physics, solid state physics and non~linear optics. The nature of phase transition that these systems may undergo is also investigated. The thesis contains seven chapters. The first chapter is introductory and gives a brief account of the various phenomena associated with spontaneous symmetry breaking. The chapter closes with anote on the effect of temperature on quantum field systems. In chapter 2, the spontaneous symmetry breaking phenomena are reviewed in more detail. Chapter 3, deals with the formulation of ordinary and generalised sine-Gordon field theories on a lattice and the study of the nature of phase transition occurring in these systems. In chapter 4, the effect of temperature on these models is studied, using the effective potential method. Chapter 5 is a continuation of this study for another model, viz, the m6 model. The nature of phase transition is also studied. Chapters 5 and 6 constitute a report of the investigations on the behaviour of coupling constants under thermal excitation D1 $4 theory, scalar electrodynamics, abelian and non-abelian gauge theories

Investigations on Nonlinear and Radiative Properties of Certain Phatonic Materials

Light in its physical and philosophical sense has captured the imagination of human mind right from the dawn of civilization. The invention of lasers in the 60’s caused a renaissance in the field of optics. This intense, monochromatic, highly directional radiation created new frontiers in science and technology. The strong oscillating electric field of laser radiation creates a. polarisation response that is nonlinear in character in the medium through which it passes and the medium acts as a new source of optical field with alternate properties. It was in this context, that the field of optoelectronics which encompasses the generation, modulation, transmission etc. of optical radiation has gained tremendous importance. Organic molecules and polymeric systems have emerged as a class of promising materials of optoelectronics because they offer the flexibility, both at the molecular and bulk levels, to optimize the nonlinearity and other suitable properties for device applications. Organic nonlinear optical media, which yield large third-order nonlinearities, have been widely studied to develop optical devices like high speed switches, optical limiters etc. Transparent polymeric materials have found one of their most promising applicationsin lasers, in which they can be used as active elements with suitable laser dyes doped in it. The solid-matrix dye lasers make possible combination of the advantages of solid state lasers with the possibility of tuning the radiation over a broad spectral range. The polymeric matrices impregnated with organic dyes have not yet widely used because of the low resistance of the polymeric matrices to laser damage, their low dye photostability, and low dye stability over longer time of operation and storage. In this thesis we investigate the nonlinear and radiative properties of certain organic materials and doped polymeric matrix and their possible role in device development

Design, Development and Realization of Quadratic Volterra Filters for Selected Applications

The basic concepts of digital signal processing are taught to the students in engineering and science. The focus of the course is on linear, time invariant systems. The question as to what happens when the system is governed by a quadratic or cubic equation remains unanswered in the vast majority of literature on signal processing. Light has been shed on this problem when John V Mathews and Giovanni L Sicuranza published the book Polynomial Signal Processing. This book opened up an unseen vista of polynomial systems for signal and image processing. The book presented the theory and implementations of both adaptive and non-adaptive FIR and IIR quadratic systems which offer improved performance than conventional linear systems. The theory of quadratic systems presents a pristine and virgin area of research that offers computationally intensive work. Once the area of research is selected, the next issue is the choice of the software tool to carry out the work. Conventional languages like C and C++ are easily eliminated as they are not interpreted and lack good quality plotting libraries. MATLAB is proved to be very slow and so do SCILAB and Octave. The search for a language for scientific computing that was as fast as C, but with a good quality plotting library, ended up in Python, a distant relative of LISP. It proved to be ideal for scientific computing. An account of the use of Python, its scientific computing package scipy and the plotting library pylab is given in the appendix Initially, work is focused on designing predictors that exploit the polynomial nonlinearities inherent in speech generation mechanisms. Soon, the work got diverted into medical image processing which offered more potential to exploit by the use of quadratic methods. The major focus in this area is on quadratic edge detection methods for retinal images and fingerprints as well as de-noising raw MRI signals

New studies on the versatile roles of Polyaniline and its composites in polymer based optoelectronic and energy storage devices

From the early stages of the twentieth century, polyaniline (PANI), a well-known and extensively studied conducting polymer has captured the attention of scientific community owing to its interesting electrical and optical properties. Starting from its structural properties, to the currently pursued optical, electrical and electrochemical properties, extensive investigations on pure PANI and its composites are still much relevant to explore its potentialities to the maximum extent. The synthesis of highly crystalline PANI films with ordered structure and high electrical conductivity has not been pursued in depth yet. Recently, nanostructured PANI and the nanocomposites of PANI have attracted a great deal of research attention owing to the possibilities of applications in optical switching devices, optoelectronics and energy storage devices. The work presented in the thesis is centered around the realization of highly conducting and structurally ordered PANI and its composites for applications mainly in the areas of nonlinear optics and electrochemical energy storage. Out of the vast variety of application fields of PANI, these two areas are specifically selected for the present studies, because of the following observations. The non-linear optical properties and the energy storing properties of PANI depend quite sensitively on the extent of conjugation of the polymer structure, the type and concentration of the dopants added and the type and size of the nano particles selected for making the nanocomposites. The first phase of the work is devoted to the synthesis of highly ordered and conducting films of PANI doped with various dopants and the structural, morphological and electrical characterization followed by the synthesis of metal nanoparticles incorporated PANI samples and the detailed optical characterization in the linear and nonlinear regimes. The second phase of the work comprises the investigations on the prospects of PANI in realizing polymer based rechargeable lithium ion cells with the inherent structural flexibility of polymer systems and environmental safety and stability. Secondary battery systems have become an inevitable part of daily life. They can be found in most of the portable electronic gadgets and recently they have started powering automobiles, although the power generated is low. The efficient storage of electrical energy generated from solar cells is achieved by using suitable secondary battery systems. The development of rechargeable battery systems having excellent charge storage capacity, cyclability, environmental friendliness and flexibility has yet to be realized in practice. Rechargeable Li-ion cells employing cathode active materials like LiCoO2, LiMn2O4, LiFePO4 have got remarkable charge storage capacity with least charge leakage when not in use. However, material toxicity, chance of cell explosion and lack of effective cell recycling mechanism pose significant risk factors which are to be addressed seriously. These cells also lack flexibility in their design due to the structural characteristics of the electrode materials. Global research is directed towards identifying new class of electrode materials with less risk factors and better structural stability and flexibility. Polymer based electrode materials with inherent flexibility, stability and eco-friendliness can be a suitable choice. One of the prime drawbacks of polymer based cathode materials is the low electronic conductivity. Hence the real task with this class of materials is to get better electronic conductivity with good electrical storage capability. Electronic conductivity can be enhanced by using proper dopants. In the designing of rechargeable Li-ion cells with polymer based cathode active materials, the key issue is to identify the optimum lithiation of the polymer cathode which can ensure the highest electronic conductivity and specific charge capacity possible The development of conducting polymer based rechargeable Li-ion cells with high specific capacity and excellent cycling characteristics is a highly competitive area among research and development groups, worldwide. Polymer based rechargeable batteries are specifically attractive due to the environmentally benign nature and the possible constructional flexibility they offer. Among polymers having electrical transport properties suitable for rechargeable battery applications, polyaniline is the most favoured one due to its tunable electrical conducting properties and the availability of cost effective precursor materials for its synthesis. The performance of a battery depends significantly on the characteristics of its integral parts, the cathode, anode and the electrolyte, which in turn depend on the materials used. Many research groups are involved in developing new electrode and electrolyte materials to enhance the overall performance efficiency of the battery. Currently explored electrolytes for Li ion battery applications are in liquid or gel form, which makes well-defined sealing essential. The use of solid electrolytes eliminates the need for containment of liquid electrolytes, which will certainly simplify the cell design and improve the safety and durability. The other advantages of polymer electrolytes include dimensional stability, safety and the ability to prevent lithium dendrite formation. One of the ultimate aims of the present work is to realize all solid state, flexible and environment friendly Li-ion cells with high specific capacity and excellent cycling stability. Part of the present work is hence focused on identifying good polymer based solid electrolytes essential for realizing all solid state polymer based Li ion cells.The present work is an attempt to study the versatile roles of polyaniline in two different fields of technological applications like nonlinear optics and energy storage. Conducting form of doped PANI films with good extent of crystallinity have been realized using a level surface assisted casting method in addition to the generally employed technique of spin coating. Metal nanoparticles embedded PANI offers a rich source for nonlinear optical studies and hence gold and silver nanoparticles have been used for making the nanocomposites in bulk and thin film forms. These PANI nanocomposites are found to exhibit quite dominant third order optical non-linearity. The highlight of these studies is the observation of the interesting phenomenon of the switching between saturable absorption (SA) and reverse saturable absorption (RSA) in the films of Ag/PANI and Au/PANI nanocomposites, which offers prospects of applications in optical switching. The investigations on the energy storage prospects of PANI were carried out on Li enriched PANI which was used as the cathode active material for assembling rechargeable Li-ion cells. For Li enrichment or Li doping of PANI, n-Butyllithium (n-BuLi) in hexanes was used. The Li doping as well as the Li-ion cell assembling were carried out in an argon filled glove box. Coin cells were assembled with Li doped PANI with different doping concentrations, as the cathode, LiPF6 as the electrolyte and Li metal as the anode. These coin cells are found to show reasonably good specific capacity around 22mAh/g and excellent cycling stability and coulombic efficiency around 99%. To improve the specific capacity, composites of Li doped PANI with inorganic cathode active materials like LiFePO4 and LiMn2O4 were synthesized and coin cells were assembled as mentioned earlier to assess the electrochemical capability. The cells assembled using the composite cathodes are found to show significant enhancement in specific capacity to around 40mAh/g. One of the other interesting observations is the complete blocking of the adverse effects of Jahn-Teller distortion, when the composite cathode, PANI-LiMn2O4 is used for assembling the Li-ion cells. This distortion is generally observed, near room temperature, when LiMn2O4 is used as the cathode, which significantly reduces the cycling stability of the cells.