identifier: ElGhali, A. (2018). Effet de la libération minérale et des oxy-hydroxydes de fer sur le comportement géochimique des rejets miniers sulfureux  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'industrie minière, lorsqu'elle mène des exploitations de gisements pour produire des minerais devant subir un traitement, est confrontée à différents défis et enjeux liés à la gestion des rejets miniers. Le drainage minier acide et la mise en solution des contaminants constituent les principaux problèmes environnementaux dus à l'exposition des rejets miniers sulfureux à l'eau et à l'oxygène atmosphérique. Les réglementations environnementales obligent les compagnies minières à réhabiliter les sites et en particulier les aires d'entreposage des rejets avant la fermeture de la mine. La gestion des rejets miniers diffère selon le type de l'exploitation et la géologie du gisement exploité. En effet, lors d'une exploitation à ciel ouvert, les stériles miniers sont produits en quantité considérables et sont ensuite déposés dans des haldes à stériles non-saturés en eau et caractérisés par une hétérogénéité de la distribution granulométrique. En revanche, lors des exploitations souterraines, moins de stériles sont générés et se sont les résidus finement broyés qui représentent le plus gros des rejets, qui sont déposés dans des parcs à résidus. Dans un climat humide comme celui du Canada, ces derniers sont le plus souvent saturés en eau avec juste une partie au-dessus de nappe phréatique en perpétuel changement de la saturation vers la désaturation. Dans les deux cas (stériles et résidus), la prédiction du comportement géochimique des rejets miniers est un paramètre important qui influence grandement la faisabilité d'un projet minier. Durant ce doctorat, les deux types de rejets miniers ont été étudiés au vu de deux objectifs différents sachant la différence de leurs propriétés mais cependant pour la même finalité qui est de mieux prédire et gérer le rejet minier en question. Pour ce qui est des stériles, une nouvelle méthode de gestion est proposée en amont lors de leur extraction et avant leur entreposage. Quant aux résidus étudiés, des formulations d'amendements alcalins et cimentaires ont été testées en cellules de terrain comme technique de stabilisation/solidification des résidus miniers oxydés générateurs d'acide après avoir démontré l'effet des oxy-hydroxydes de fer sur le comportement géochimique des résidus miniers.  Trois lithologies de stériles ont été échantillonnées à la mine Canadian Malartic juste après dynamitage pour respecter la représentativité du paramètre ‘distribution granulométrique'; souvent mal considéré par les études de nos jours. Les trois lithologies CPO (lithologie A), AGR (lithologie B et CGR (lithologie C) ont été séparées en sept fractions granulométriques (-53µm, +53µm/-300µm, +300µm/-850µm, +850µm/-2.4mm, +2.4mm/-5mm, +5mm/-1.5cm, +1.5cm/-5cm). La caractérisation chimique et minéralogique a montré que les trois lithologies et leurs fractions contiennent plus de carbonates (≥2.5%) par rapport aux sulfures (≤1.5%). Les carbonates sont majoritairement représentés par la calcite et les sulfures sont principalement constitués de pyrite. Le contenu en sulfures varie en fonction de la fraction granulométrique. En effet, les fractions fines sont plus enrichies en sulfures par rapport aux fractions grossières. En terme textural, l'analyse minéralogique a montré que les sulfures sont libres au niveau des fractions fines (95%) et inclus au niveau des fractions grossières et idem pour les carbonates. Par ailleurs, le degré de libération de sulfures devient presque négligeable (5%) à partir de 2.4 mm comme diamètre des grains pour les trois lithologies par comparaison au degré de libération des carbonates qui reste non-négligeable (10%) à 2.4mm offrant une sécurité. En conséquence, 2.4mm a été défini comme le diamètre limite d'encapsulation physique de sulfures (DPLS) pour ces trois échantillons. Le DPLS est défini comme un seuil qui sépare un stérile minier en deux fractions granulométriques dépendamment de leurs réactivités : i) la fraction fine (-DPLS) qui constitue être la fraction réactive et probablement problématique et ii) la fraction grossière (+DPLS) qui constitue être la fraction non réactive et ne présenterait pas un risque lié à l'oxydation des sulfures. La fraction -DPLS représente une proportion faible de l'échantillon total (moins de 23% considérant 1m comme Dmax pour la lithologie A) par rapport à la fraction +DPLS qui représente la majorité de l'échantillon total. En plus de la caractérisation chimico-minéralogique et les tests statiques, des essais cinétiques en colonnes ont été monitorés sur une période 543 jours pour confirmer cette conclusion. Les trois lithologies ont été séparées en deux fractions granulométriques à savoir -2.4mm et +2.4mm tout en testant l'échantillon total aussi. Les résultats du suivi géochimique ont montré qu'effectivement la fraction -2.4mm est beaucoup plus réactive que la fraction +2.4mm et l'échantillon total. La lithologie B était la lithologie la plus réactive; le taux d'oxydation de la pyrite au niveau de sa fraction -2.4mm était de 12.5 µmol/kg/jour, au niveau de sa fraction +2.4mm était de l'ordre de 0.27 µmol/kg/jour et le taux d'oxydation au niveau de l'échantillon total était de l'ordre 2.45 µmol/kg/jour. La même tendance a été remarquée pour les deux autres lithologies. L'intérêt du calcul du DPLS se situe au niveau des éventuels gains économiques qui peuvent avoir lieu s'il est intégré en amont de la gestion des stériles miniers. En effet, au lieu de gérer les stériles comme une seule entité, il est maintenant suggéré de les séparer en deux fractions; une fraction réactive (-DPLS) et une fraction non réactive (+DPLS) sachant que la fraction réactive présente une faible proportion de l'échantillon total et qu'elle puisse être soit déposé avec les résidus minier soit encore traités métallurgiquement et économiquement elle devenait intéressante. Par ailleurs, la problématique de prédiction du comportement géochimique des résidus miniers est différente de celle liée aux stériles miniers. Les résidus miniers, par comparaison aux stériles miniers, sont caractérisés par une granulométrie fine; ce qui favorise et accélère même les taux de réactions dans des conditions non saturées (oxydation des sulfures, dissolution des carbonates). Le comportement géochimique des résidus miniers est généralement évalué en utilisant des essais cinétiques au laboratoire. Ces essais sont conçus pour simuler l'oxydation naturelle des résidus miniers et ont démontré leurs capacités à prédire adéquatement le comportement géochimique des rejets miniers. Cependant, le cas des résidus miniers de Joutel témoigne de l'importance de considérer la composante du terrain pour bien comprendre le comportement géochimique des résidus miniers. Le parc à résidus de Joutel qui s'étend sur une superficie de 120 ha est fermé depuis environ 25 ans. L'exposition des résidus aux agents atmosphériques a causé l'apparition d'un horizon oxydé à la surface du parc à résidus avec une formation localisée du hardpan tendant à se généraliser sur tout le site. Ce dernier est défini comme une couche cimentaire qui se forme à l'interface entre l'horizon oxydé et l'horizon des résidus frais par précipitation des oxy-hydroxydes de fer. La caractérisation minéralogique et chimique a montré un épuisement des sulfures et des carbonates en allant du résidu frais vers le résidu oxydé avec un changement de texture assez remarquable au niveau du hardpan. Les essais cinétiques réalisés sur les résidus frais ont montré qu'il s'agit d'un comportement non-générateur d'acide à long terme. Cependant, sur le parc à résidus de Joutel, une acidité a été générée à travers de la couche oxydée. Ce constat a été confirmé moyennant des essais cinétiques sur des résidus oxydés. Étant donné que le résidu oxydé est le résultat de l'oxydation du résidu frais sur environ 25 ans et que la prédiction du comportement géochimique du résidu frais était non-générateur d'acide mais le résidu oxydé a montré un comportement acidogène, ceci prouve l'incapacité des essais cinétiques à prédire correctement le comportement géochimique des résidus miniers de Joutel. Après une investigation sur le terrain et au laboratoire, le rôle essentiel du hardpan sur le comportement géochimique global des résidus miniers de Joutel est démontré. En effet, l'occurrence du hardpan constitue un écran aux les écoulements verticaux des eaux. La formation du hardpan, caractérisé par sa faible perméabilité estimée par analyse tomographique, favorise les écoulements latéraux (ruissellement de surface) au dépend des écoulements verticaux des eaux de surface. C'est pour cette raison que la géochimie globale du parc à résidus de Joutel est influencée grandement par la réactivité des résidus oxydés en surface. Ces derniers sont caractérisés par un épuisement plus ou moins important des sulfures,constat confirmé par les essais de consommation d'oxygène. Dans les zones oxydées, les flux d'oxygène ne dépassent pas 30 mole/m2/année. En plus de leurs réactivités faibles, les résidus oxydés sont caractérisés par l'abondance des minéraux secondaires à l'exemple du gypse et des oxy-hydroxydes de fer. Ces oxy-hydroxydes de fer, qui étaient responsables de l'atténuation des réponses géochimiques de l'oxydation des résidus frais, peuvent réagir différemment en générant de l'acidité. La répartition spatiale de l'acidité au niveau du parc à résidus de Joutel n'était pas systématique. En effet, l'échantillonnage systématique réalisé à Joutel a permis de cartographier la variabilité spatiale des propriétés géochimiques des résidus oxydés. L'utilisation des SIG a permis de délimiter les zones les plus problématiques et qui étaient localisées à l'ouest du parc Sud et au nord du parc Nord, ce qui a permis de proposer un schéma conceptuel illustrant le comportement des résidus à Joutel. Par la suite, les amendements alcalins et cimentaires ont été proposés et testés comme technique de stabilisation/solidification sur le site Joutel. L'utilisation du calcaire à 5 et 10 wt.% a permis une neutralisation immédiate du pH des lixiviats et la plupart des éléments chimiques ont été immobilisés grâce à la précipitation des phases secondaires dans des conditions proches de la neutralité. Cependant, les concentrations en Zn et en As étaient parfois plus grandes dans les lixiviats provenant des résidus amendés par rapport à la cellule témoin. Les amendements cimentaires ont été testés en utilisant le ciment portland et les cendres volantes de la combustion de la biomasse produites en région à un dosage total de 5%. La première formulation qui contenait 50% ciment et 50% cendres volantes a montré des résultats prometteurs concernant la stabilisation des contaminants. L'efficacité de ces amendements à court terme a été démontré, mais il reste à étudier leurs efficacités à long terme ainsi que les coûts économiques liés à cette alternative.  Mots clés : rejets miniers, le degré de libération minérale, séparation des stériles, hardpan, minéraux secondaires, amendements miniers.  ABSTRACT: During ore extraction and processing, mining industries generate high quantities of solid mine wastes. Their management during all mine life cycle is a serious challenge facing these industries. Acid mine drainage and contaminants mobilization constitute the most known problems related to exposition of sulphidic mine wastes to atmospheric oxygen and water. Conformity to current environmental regulations and standards requires mine sites reclamation and especially waste storage facilities before the final closure of mine sites. Mine waste management depends on the extraction method and the geological properties of the deposit. Hereafter, mine waste will refer to waste produced mostly during open pits extraction (compared to underground exploitation) and which didn't go through ore processing steps, mine tailings refer to finely grinded tailings and produced during ore processing. Waste rocks are mostly deposited in large surface unsaturated waste rock piles, and mine tailings are deposited in slurry state in tailings storage facilities. In Canada, the environmental behavior of waste rocks and tailings is one of the parameter which is considered during mine project feasibility studies. This is why, prediction of environmental behavior of waste rocks and mine tailings becomes a serious concern of mining industries all around the world. During this study, waste rocks and tailings were studied in order to improve understanding of geochemical reactions within waste rocks and mine tailings which will be used for a better prediction of their environmental behavior. Concerning waste rocks, a novel methodology was suggested to consider mineral textures (mineral liberation and mineralogical associations) during characterization steps. As demonstrated in this study, a new method of waste management is suggested, and it consisted on waste rock sorting considering the diameter of physical locking of sulphides. Concerning mine tailings, it is demonstrated in this study that iron-oxyhydroxides is very common phenomenon occurring during sulfides oxidation and carbonates dissolution and it could influence the prediction of the geochemical behavior of mine tailings which may require in some cases to consider the field conditions. Finally, four amendment formulations (cementitious and alkaline) were tested in the field conditions and showed promising results to stabilize/solidify oxidized acid generating tailings.  Three waste rock (WR) lithologies was collected from Canadian Malartic mine immediately after in-situ WR blasting to consider the actual particle distribution which is rarely considered during nowadays studies. The three lithologies CPO (lithology A), AGR (lithology B) and CGR (lithology C were divided into seven fractions (-53µm, +53µm/-300µm, +300µm/-850µm, +850µm/-2.4mm,+2.4mm/-5mm, +5mm/-1.5cm, +1.5cm/-5cm). the chemical and mineralogical characterization showed that the three total samples and their fractions contained more carbonates mainly as calcite (≥2.5%) than sulphides mostly as pyrite (≤1.5%).  Sulphides content depended on the particle size, fine particle sizes were more enriched in sulphides compared to coarse fractions. Moreover, automated mineralogy characterization performed on the concerned fractions showed that sulphides are mostly liberated (95%) within fine fractions compared to coarser fractions where sulphides are mostly encapsulated within non-sulphide gangue (NSG) and their liberation is almost negligible (5%). Based on mineral textures analysis within the studied lithologies, 2.4mm was defined as the diameter of physical locking of sulphides (DPLS).  The DPLS defines a critical particle size that could be used to divide a waste rock into two fractions with extremely different reactivities: the fraction -DPLS is the most reactive one and it consists on only a low proportion of total samples (≤23 %) and the fraction +DPLS which is characterized by a low sulphide oxidation. This diameter was also confirmed using kinetic tests monitored for 543 days. The three lithologies were divided into two fractions which are the sample -2.4mm and +2.4mm and the total sample was tested separately. Results of geochemical monitoring showed that the fraction -2.4mm of the three lithologies was the most reactive fraction compared to total sample and the fraction +2.4mm. The lithology B was the most reactive one, pyrite oxidation rates of fraction -2.4mm, total sample and fraction +2.4mm were about 12.5 µmol/kg/day, 2.45 µmol/kg/day and 0.27 µmol/kg/day respectively. Tendency of pyrite oxidation rates between the different fractions of the lithology B was the same for the two other lithologies A and C.  Calculation and determination of DPLS will allow to challenge waste management. Indeed, the use of this parameter will allow depositing waste rocks into two waste rock piles instead of one. A pile which will contain only particles -DPLS and another one containing particles +DPLS. Consequently, the volume of the reactive part of the waste rocks will be minimized considerably and so economic cost related to waste rocks management.Otherwise, the challenge related to prediction of the geochemical behavior of mine tailings is different to that related to waste rocks. Mine tailings, compared to waste rocks, are characterized by fine and homogeneous particle size distribution; which accelerates reactions rates in unsaturated conditions (sulphides oxidation and carbonates dissolution). The geochemical behavior of mine tailings is usually studied using laboratory kinetic testing. This kinetic testing is deigned to simulate the natural oxidation of tailings. However, Joutel's tailings are an example of the importance of considering the field conditions to understand correctly the actual geochemical behavior of mine tailings. Joutel is a closed tailing storage facility (TSF) of about 120 ha for 25 years. Tailings exposition to water and oxygen lead to apparition of an oxidized horizon and local formation of hardpans which may be a generalized phenomenon in the TSF. The hardpan is defined as cementitious layers that occur at the interface between the oxidized horizon and the unweathered tailings due to iron oxy-hydroxides precipitation. The chemical and mineralogical characterization showed that carbonates and sulphides depletion increases from the unweathered tailings to the oxidized horizon with a spectacular change regarding the minerals texture. Knowing that the oxidized horizon is the result of oxidation of the unweathered tailings for 25 years and the geochemical behavior of the unweathered tailings was predicted as non-acid generating, however the oxidized tailings were acidic in some location in the TSF; this shows the incapacity of kinetic testing in this case to predict correctly the geochemical behavior of Joutel's unweathered tailings. Laboratory and field investigations showed the effect of hardpans on the geochemical behavior of Joutel's TSF. Indeed, hardpan constitutes a screen against vertical water flows due its low porosity as analyzed using computed tomography. Consequently, hardpans occurrence deflects water vertical infiltration and enhances surface and sub-surface runoff. This why the reactivity of the TSF is almost controlled by the reactivity of upper oxidized tailings. These oxidized tailings are characterized by high sulphides depletion as demonstrated using oxygen consumption tests. Oxygen consumption within oxidized tailings didn't exceed 30 mole/m2/year. Furthermore, oxidized tailings are mainly formed by secondary minerals such as gypsum and iron oxy-hydroxides. These iron oxy-hydroxides which were responsible for metals/metalloids attenuation may react again and release the sorbed elements and generate acidity. The spatial mapping of the acidity and the geochemical properties of Joutel's TSF showed that they were spatially dependent. The use of GIS allowed delimiting the zones of acidity which were spatially located at the west of the south zone and at the north of the north zone. Consequently, a conceptual model was proposed to explain the geochemistry of Joutel's tailings. Then, alkaline and cementitious amendments were tested as mitigation scenario to stabilize oxidized tailings. Thus, the use of 5% and 10% limestone allowed an immediate pH buffering and immobilization of the most chemical species. The chemical species were stabilized within limestone dissolution by iron-oxyhydroxides precipitation at neutral conditions. However, zinc and arsenic were sometimes more released within the amended tailings.  The cementitious amendments were tested using ordinary cement and fly ash with 5% dosage. The first formulation consisted on 50:50 cement and fly ash showed promising results concerning the chemical species stabilization. The efficiency and the cost of these amendments must be studied at the long-term scale. Key words: Tailings, waste rocks, mineral liberation degree, waste rock sorting, hardpan, secondary minerals, mining amendments.


identifier: Diallo, M. (2018). Optimisation de l'intégration des requêtes de réseaux virtuels dans un environnement multiCloud  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: De nos jours, l'Infrastructure-service ou Infrastructure as a Service (IaaS) est devenue le modèle de service du Cloud Computing le plus largement adopté. Dans ce modèle d'affaires, un fournisseur de service ou Service Provider (SP) peut louer, à partir d'un ou de plusieurs fournisseurs d'infrastructure ou Cloud Providers (CPs), des ressources physiques proposées en tant que services (calcul, stockage, accès réseau, routage, etc.). Ces derniers sont encapsulés dans des machines virtuelles ou Virtual Machines (VMs), interconnectées et assemblées sous forme de requête de réseau virtuel ou Virual Network Request (VNR), dans le but de créer des réseaux virtuels hétérogènes offrant des applications et des services personnalisés à des utilisateurs finaux. Malgré son adoption largement réussie, le modèle IaaS reste toujours confronté à un défi fondamental en matière de gestion de ressources, qui consiste en l'optimisation de l'intégration efficace et dynamique des VNRs dans les infrastructures sous-jacentes distribuées et partagées. En effet, des ressources hétérogènes doivent être efficacement allouées afin de pouvoir héberger les VMs dans des centres de données ou data centers (DCs) spécifiques, et de faire router les liaisons virtuelles ou Virtual Links (VLs), représentant le trafic échangé entre les VMs interconnectées, sur des chemins appropriés entre les DCs. Cette allocation de ressources et de services vise généralement à satisfaire des contraintes de performance, de Qualité de Service (QdS), de sécurité et de localisation géographique, imposées par le SP. Dans le contexte de la virtualisation de réseau, ce problème est connu NP-difficile, sous le nom d'intégration de réseau virtuel ou Virtual Network Embedding (VNE), qui n'a été abordé que récemment dans la littérature dans le cadre d'un réseau multiCloud, où les infrastructures Cloud sous-jacents appartiennent à différents CPs indépendants. Le VNE dans un environnement multiCloud ajoute plus de complexité et des défis d'évolutivitité au problème, car l'ensemble du processus nécessite une approche de résolution hiérarchique, dans laquelle deux phases principales d'opération sont réalisées, chacune ayant des objectifs différents selon les acteurs : la phase de partitionnement des VNRs à travers le réseau multiCloud, suivie de la phase d'intégration des segments de VNRs dans les infrastructures intraCloud sélectionnées. Dans la première phase réalisée indirectement par le SP, ce dernier mandate généralement un fournisseur de réseau virtuel ou Virtual Network Provider (VNP). Le VNP agit en tant que service de courtage virtuel pour le compte du SP, afin de sélectionner adéquatement des CPs capables de répondre efficacement aux objectifs et exigences du SP, puis partitionne les VNRs en plusieurs segments. Dans la deuxième phase, qui correspond notamment au problème bien connu du VNE dans le cadre d'un seul CP et qui a été largement abordé dans des travaux de recherche antérieurs, chaque CP sélectionné utilise une approche d'hébergement adéquate pour intégrer les segments de VNRs qui lui sont attribués dans son réseau intraCloud.  ABSTRACT: Nowadays, the Infrastructure as a Service (IaaS) has become the most widely adopted cloud service model. In this business paradigm, a Service Provider (SP) can lease, from one or more Cloud Providers (CPs), infrastructure layer resources (processing, storage, network access, routing services, etc.) packaged into interconnected virtual machines (VMs) and assembled as a virtual network request (VNR), in order to build heterogeneous virtual networks that will offer customized services and applications to its end users. Despite its successful adoption, the IaaS model faces a fundamental resource management challenge lying in the efficient and dynamic embedding of VNRs onto distributed and shared substrate infrastructures. Heterogenous resources need to be efficiently allocated to host VMs in specific substrate data centers (DCs) and to route virtual links (VLs), representing the exchanged traffic between interconnected VMs, onto suitable substrate paths between the hosting DCs, in order to satisfy performance, Quality of Service (QoS), security and geographical location constraints imposed by the SP. In the context of network virtualization, this issue is usually referred to as the NP-hard Virtual Network Embedding (VNE) problem, which has been only recently addressed in the literature within a multicloud network, where the substrate infrastructures are owned by different and independent CPs. Such a context adds more complexity and scalability issues, since the whole VNE process requires a hierarchical resolution approach, where two major phases of operation are performed, each of them having different purposes according to the acting player: the multicloud VNRs splitting phase, followed by the intra-cloud VNR segments mapping phase. In the first phase played indirectly by the SP, the latter generally mandates a Virtual Network Provider (VNP), which acts as a virtual brokerage service on behalf of the SP, in order to select eligible CPs based on the SP's goals and requirements, and split the VNRs into segments. In the second phase, which corresponds to the well known VNE within a single CP largely addressed in past research works, each selected CP uses a mapping approach to embed the assigned VNR segments into its intra-cloud network.


identifier: Nabavi Niaki, M. A. (2019). Cycling network discontinuities and their effects on cyclist behaviour and safety  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le cyclisme est généralement considéré comme le mode de transport le plus dangereux, car les collisions avec des véhicules sont plus susceptibles de provoquer des blessures graves et même la mort que les autres usagers de la route à l'exception des piétons. Compte tenu de ses nombreux avantages environnementaux et sociaux, les villes encouragent le cyclisme en tant que mode de transport abordable et développent leur infrastructure cyclable.  ABSTRACT: Cycling is widely considered to be the riskiest mode of transport since collisions with vehicles are more likely to result in serious injuries or even death than other road users except pedestrians. Given its many environmental and social benefits, cities are encouraging cycling as an affordable mode of transport and are expanding their cycling infrastructure. While cities are aiming to increase cycling mode share, their alarming safety statistics have compelled transportation researchers and planners as well as city officials and decision makers to invest resources in designing, implementing and improving the cycling network to safely accommodate cyclists.


identifier: Kergrene, K. (2018). A goal-oriented finite element method and its extension to pgd reduced-order modeling  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Nous proposons une méthode éléments finis formulée pour des quantités d'intérêt. L'objectif est d'accroître la précision des solutions numériques pour ces quantités, choisies par l'utilisateur, sans pour autant perdre en précision globale. Les approches traditionnelles visant à contrôler l'erreur en quantité d'intérêt utilisent habituellement la solution d'un problème adjoint pour: (i) estimer l'erreur en quantité d'intérêt; et (ii) savoir comment adapter la discrétisation afin d'obtenir un espace éléments finis capable de mieux représenter les quantités d'intérêt de la solution. Ces approches s'inscrivent donc dans un procédé itératif de prédictions-corrections. Nous proposons d'utiliser cette même solution adjointe conjointement avec un probleme primal modifié, tel que sa solution soit ajustée à une valeur plus précise de la quantité d'intérêt. Ainsi, nous résolvons dans un espace qui est déjà adapté à la quantité d'intérêt. L'originalité de la présente approche consiste à utiliser la solution du problème adjoint non pas en tant que substitut de la solution exacte/référence pour l'estimation d'erreur et l'adaptation, mais en extrayant de celle-ci des valeurs des quantités d'intérêt extrêmement précises. Ces valeurs sont ensuite utilisées dans une minimisation sous contrainte de l'énergie (problème primal contraint) afin d'obtenir une solution plus précise en quantité d'intérêt. Ensuite, nous étendons cette approche en quantité d'intérêt à un contexte de réduction de modèles en utilisant la PGD. Ces méthodes reposent généralement sur des représentations spectrales, et sont de plus en plus utilisées pour simuler des problèmes en haute dimension. En ne considérant que les principaux modes propres de la solution, ces méthodes déjouent la malédiction de la dimensionnalité et rendent possibles des simulations auparavant inenvisageables.  ABSTRACT: We present a finite element formulation of boundary-value problems that aims at constructing approximations specifically tailored for the estimation of quantities of interest of the solution, hence the name goal-oriented finite element method. The main idea is to formulate the problem as a constrained minimization problem that includes refined information in the goal functionals, so that the resulting model is capable of delivering enhanced predictions of the quantities of interest. This paradigm constitutes a departure from classical goal-oriented approaches in which one computes first the finite element solution and subsequently adapts the mesh via a greedy approach, by controlling error estimates measured in terms of quantities of interest using a posteriori dual-based error estimates. The formulation is then extended to the so-called Proper Generalized Decomposition method, an instance of model order reduction methods, with the aim of constructing reduced-order models tailored for the approximation of quantities of interest. Model order reduction methods aim at circumventing the curse of dimensionality arising from the high number of parameters of a given problem, by uncovering and/or exploiting lower dimensional structures present in the model or in the solution. Numerical examples are disseminated throughout the dissertation. They appear at the end of each of the three main chapters and Chapter 5 consists of an application example, namely a parametrized electrostatic cracked composite material.


identifier: Munger, A. (2018). Commande adaptative d'un hélicoptère Tandem sans pilote à moteur quatre temps  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le développement d'applications utilisant des drones a grandement augmenté dans les dernières années. Ces drones, souvent des multicoptères, permettent par exemple de filmer des scènes avec des points de vue difficilement atteignables par d'autres moyens. Par contre, le transport d'équipements plus lourds demeure une tâche plus ardue et demande l'utilisation de drones plus puissants. Dans cette optique, le projet de recherche et de développement CARIC AUT703_TRL4+ répond à ce problème par la réalisation d'un hélicoptère tandem sans pilote. Cette configuration de rotors permet de transporter plus facilement des charges ayant différents gabarits pour différents centrages. Dans le cadre de ce projet CARIC, portant sur le drone LX300 de Laflamme Aéro Inc, le présent mémoire s'intéresse à la synthèse de différentes lois de commande. La première partie de ce projet porte sur l'asservissement du moteur afin de maintenir la vitesse des rotors constante durant le vol. Une approximation de la dynamique du moteur par moindres carrés a été obtenue à partir de données expérimentales. Basé sur cette estimation, une loi de commande proportionnelle intégrale (PI) a été retenue et implémentée sur la plateforme embarquée du drone. Une attention a été portée sur la flexibilité et la robustesse de la loi de commande, entre autres par l'ajout d'un mode "manuel". Après la validation du contrôleur, un moyen de déterminer la force fournie par le moteur est développée au moyen d'un modèle dynamique. Cette estimation se base sur les forces de traînée théoriques provenant des rotors. La seconde partie porte sur les lois de commande robustes du drone. Lors de précédents travaux, les lois de stabilisation en vol du drone LX300 ont été obtenues via une synthèse H1 structurée. Mais, suite à des limitations de l'autopilote retenu par la compagnie, il s'est avéré nécessaire d'apporter des modifications à l'architecture de la loi de commande, notamment par le positionnement de l'action proportionnelle des boucles PID sur le signal d'erreur. Une nouvelle synthèse H1 structurée est alors effectuée en considérant des gabarits fréquentiels supplémentaires sur le couplage entre états. Cette nouvelle loi de commande est ensuite évaluée sur un modèle non linéaire du drone et comparée avec la précédente architecture. Ces résultats démontrent les limitations de l'autopilote utilisé puisque l'on constate une diminution des performances possibles avec la nouvelle architecture. Finalement, pour déterminer les changements dans la dynamique en vol du drone, un loi de commande adaptative est développée. Cette loi de commande se base sur le contrôleur robuste précédemment trouvé et utilise une approche indirecte. La dynamique du drone est donc estimée en vol via un algorithme de moindres carrés récursifs stabilisés, et basé sur cette estimation les gains du contrôleur sont mis à jour. Afin d'obtenir les performances en vol désirées, les gains sont modifiés via un placement de pôles adaptatif sur le modèle linéarisé du drone en boucle fermée.  ABSTRACT: The development in new drone applications has increased in the recent years. Often in a multicopter configuration, they allow for example to easily film viewpoints that would have been hard to reach otherwise. But, when it comes to carrying heavier equipments, a multicopter is often not adequate and a more powerful drone is needed. In this context, the CARIC AUT703_TRL4+ research and development project addresses this problem with the realization of a tandem helicopter drone. With this rotor configuration, the transportation of loads with different shapes and centerings is more easily achieved. Within this CARIC project, namely the LX300 drone of Laflamme Aéro Inc., work on different control laws has been done. The first part of this project focuses on the engine control to maintain constant rotor speed during flight. The engine dynamics are obtained by using a least squares approximation from experimental data. Based on this estimate, a proportional-integral control (PI) law was selected and implemented on an embedded platform. Attention was paid to the flexibility and robustness of the control law used, among others by including the addition of a "manual" mode. After the controller has been validated, a means of determining the force supplied by the motor is approached by the development of a dynamic model. This estimate is based on the theoretical drag forces coming from the rotors. The second part deals with the robust control laws of the drone. Previous results on the flight stabilization laws of the LX300 UAV have been obtained with a structured H1 synthesis. However, following the limitations of the autopilot chosen by the company, it has been proven necessary to make changes to the architecture of the control law, in particular by positioning the proportional action of the PID loops on the error signal. A new structured H1 synthesis is performed by considering additional frequency filters on interstate coupling. This new control law is then evaluated on a non-linear model of the drone and compared with the previous architecture. These results demonstrate the limitations of the autopilot used since there is a decrease in the available performance with the new architecture. Finally, to determine possible changes in the flight dynamics of the drone, an adaptive control law is developed. This control law is based on the previously found robust controller and uses an indirect approach. The dynamics of the drone is therefore estimated inline using a stabilized recursive least-squares algorithm (MCRS), and based on this estimate the controller's gains are updated. In order to obtain the desired flight performance, the gains are modified via an adaptive pole placement on the linearized model of the closed loop drone. The stability of the estimator is validated on the non-linear model of the drone, then the results of the control law are presented and analyzed.


identifier: Foutlane, O. (2018). Méthodes de décomposition pour la parallélisation du simplexe en nombres entiers  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le SPP est un problème de la programmation linéaire en nombres entiers qui est utilisé pour modéliser des problèmes industriels dans de nombreux domaines comme la planification des horaires du personnel, la logistique et la reconnaissance de formes. Dans l'industrie de transport, il consiste à partitionner un ensemble de tâches (ex : vols d'avion, segments de trajet d'autobus...) en sous-ensembles (routes de véhicules ou rotations de personnel navigant) de sorte que les sous-ensembles sélectionnés aient un coût total minimal et que chaque tâche appartienne à un seul et unique sous-ensemble. Souvent, il est résolu par la méthode ”branch and bound” ou ses variantes. Ces méthodes s'avèrent lentes dans le cas de problèmes denses de grande taille. Cependant, en industrie, il est apprécié d'avoir une solution rapidement et de tenir compte des informations disponibles telles que l'existence d'une solution initiale notamment lors de la ré-optimisation par exemple. Cet aspect est fourni aisément par les méthodes primales qui, à partir d'une solution initiale, produisent une suite de solutions à coûts décroissants qui converge vers une solution optimale. L'algorithme du simplexe en nombres entiers avec décomposition (ISUD) est une méthode primale qui, à chaque itération, décompose le problème original en deux sous-problèmes. Un premier sous-problème, appelé problème réduit, qui ne considère que les colonnes dites compatibles avec la solution courante, i.e., s'écrivant comme combinaison linéaire de colonnes/variables non dégénérées de la solution courante. Un deuxième sous-problème, appelé problème complémentaire, qui contient seulement les colonnes incompatibles avec la solution courante. Le problème complémentaire permet de trouver une direction de descente composée de plusieurs variables garantissant une solution meilleure, mais pas nécessairement entière. Dans le cas de solutions fractionnaires, un branchement en profondeur permet souvent d'aboutir rapidement à une solution entière. De nos jours, l'informatique connaît des évolutions frappantes. Les transformations que connaît le matériel informatique en termes de vitesse et de puissance sont impressionnantes : un ordinateur portable contemporain est l'équivalent des plus grosses machines des années 1970. Cette évolution induit une transformation du logiciel et des algorithmes aussi profonde, en termes de qualité et de complexité. Par conséquent, la tendance actuelle est de produire des processeurs multicoeurs assimilables à des machines parallèles et de concevoir et implémenter des algorithmes parallèles. L'objectif général de cette thèse est d'étudier les apports du parallélisme à l'algorithme d'ISUD. Le but est de proposer des implémentations parallèles d'ISUD afin d'améliorer ses performances et tirer profit des évolutions contemporaines de l'informatique. Pour concevoir ces algorithmes parallèles, nous avons exploité le parallélisme à l'intérieur d'ISUD et nous avons introduit des décompositions spécifiques au SPP. Dans un premier temps, notre démarche est de grouper les colonnes de la solution courante en clusters afin de décomposer le problème initial en sous-problèmes indépendants. Ces derniers sont résolus en parallèle afin d'améliorer la solution courante par combinaison des solutions optimales des sous-problèmes. Pour cela, nous construisons un graphe dont les noeuds sont les colonnes de la solution courante. Nous attribuons aux arêtes des poids calculés par des fonctions de densité qui utilisent les informations issues du problème original comme le nombre de colonnes qui couvrent des tâches des colonnes Ai et Aj de la solution courante. Le graphe construit est scindé en sous-graphes et par la suite nous obtenons des clusters de la solution courante. Ainsi, nous avons ajouté une deuxième décomposition dynamique à celle qui est déjà intrinsèque à ISUD. Le résultat est un algorithme parallèle, le simplexe en nombres entiers avec double décomposition, baptisé ISU2D. Nous avons testé ce nouvel algorithme sur des instances d'horaires de chauffeurs d'autobus ayant 1600 contraintes et 570000 variables. L'algorithme réduit le temps d'exécution d'ISUD par un facteur de 3, voire 4 pour certaines instances. Il atteint la solution optimale, ou une solution assez proche, pour la majorité de ces instances en moins de 10 min alors que le solveur commercial CPLEX ne parvient pas à trouver une solution réalisable avec un gap moins de 10% après une durée de plus d'une heure d'exécution. L'algorithme ISU2D, dans sa première version, représente une première implémentation parallèle de l'algorithme du simplexe en nombres entiers. Cependant, ISU2D souffre encore de la limitation qui est l'utilisation d'une seule décomposition de la solution courante à la fois. Dans un deuxième temps, nous améliorons ISU2D en généralisant certains aspects de son concept. Notre objectif dans cette étape est d'utiliser plusieurs décompositions dynamiques simultanément. Nous proposons un algorithme, nommé DISUD, distribué à base d'ISUD et du paradigme du système multi-agent (SMA). Chaque agent est une entité qui est, au moins partiellement, autonome et caractérisée par la décomposition dynamique de la solution courante qu'elle applique. Les agents peuvent être indépendants ou coopérants suivant la stratégie adoptée. Ainsi, nous augmentons les performances d'ISU2D et nous tirons profit d'avantage des nouveautés en matériel informatique. Les tests faits sur des instances issues de l'optimisation des horaires du personnel navigant de compagnies aériennes montrent que DISUD fonctionne mieux que DCPLEX, la version distribuée du solveur commercial de pointe CPLEX. Il atteint des solutions de qualité meilleure que le DCPLEX en réduisant le temps d'exécution par un facteur de 4 en moyenne. De plus, il a résolu des instances de grande taille que le DCPLEX n'a pu amélioré après une heure d'exécution. Dans un troisième travail, nous réalisons l'objectif d'intégrer le DISUD dans un environnement de génération de colonnes (GC). Ce choix se justifie par le fait que l'intégration de la méthode de génération de colonnes avec les méthodes d'énumération telle le ”branch and price” est largement utilisé dans l'industrie. ISUD présente du potentiel pour remplacer les méthodes d'énumération usuelles pour résoudre le SPP. Par conséquent, il y a du potentiel à intégrer GC et DISUD pour traiter des problèmes de l'industrie. Nous développons donc DICG la version distribuée de génération de colonnes qui utilise DISUD. Les résultats que nous avons obtenus lors de nos tests ont montré que DICG permet d'avoir des solutions de bonne qualité et réduit le temps de calcul d'un facteur de 2 voire 4 par comparaison avec la DRMH, version distribuée de ” Restricted Master Heuristic”. Avec ces trois travaux, nous pensons avoir réalisé des apports intéressants et amélioré les performances d'ISUD. En outre, nous ouvrons la voie pour des travaux futurs afin d'élargir les utilisations de la version distribuée d'ISUD comme par exemple, rendre les agents plus intelligents via des algorithmes d'apprentissage.  ABSTRACT: SPP is an integer linear programming problem that is used to model many industrial problems such as personnel scheduling, logistics and pattern recognition. In the transport industry, it consists of partitioning a set of tasks ( plane flights, bus itinerary segments, ...) into subsets (rotation of navigating personnel) so that the selected subsets have a minimum total cost and each task belongs exactly to one subset. Usually, SPP is solved by the branch and bound method or its variants. These methods are known to be slow in the case of large and difficult problems. However, in industry it is appreciated to have a solution as quickly as possible and to consider available information such as the existence of an initial solution, especially in the re-optimization case. This aspect is easily provided by the primal methods which from an initial solution produce a sequence of decreasing cost solutions that converge towards an optimal or near optimal solution. The Integral Simplex Using Decomposition, ISUD, is a primal method dedicated to solve SPP. At each iteration, it decomposes the original problem into two sub-problems. The first, called the reduced problem (RP), only considers the so-called compatible columns with the current solution. The second, called the complementary problem (CP), deals only with the columns that are incompatible with the current solution. The complementary problem makes it possible to find a descent direction composed of several variables that could be fractional or integer solution. In the case of fractional solutions, a branching often leads to an integer solution. Nowadays, computing science evolves impressively. The transformation of computer hardware into speedy machines is spectacular : a current laptop is equivalent to the 1970s biggest machines. The current trend is to produce multi-core processors and to design and implement parallel computing techniques. The general objective of this thesis is to study and apply parallel computing techniques to ISUD.We propose parallel implementations of ISUD in order to improve its performances and to profit from the contemporary evolution of the computer science. To design these algorithms we have exploited parallelism within ISUD and introduced specific decompositions. At first, we group the columns of the current solution into clusters in order to decompose the initial problem into independent sub-problems. These will be solved in parallel to get an improving solution by combining the sub-problems optimal solutions. To do so, we construct a graph whose nodes are the current solution columns. The edge (i, j) weight is computed by weighting functions that use the information from the original problem such as the number of columns that span two columns Ai and Aj of the current solution. Then, the constructed graph is split into sub graphs and as a result to a set of the current solution clusters. Thus, we add a second dynamic decomposition to the RP-CP one which is intrinsic to ISUD.We obtain a parallel algorithm, The Integral Simplex Using Double Decomposition, called ISU2D. We tested it on instances of bus drivers having up to 1600 constraints and 570000 variables. The ISU2D reduces the computing time of ISUD by a factor of 3, even 4 for some instances. It reaches an optimal or near optimal solution for the majority of these instances in less than 10 min while the commercial solver CPLEX cannot even find a feasible solution with a gap that is less than 10 % after a one-hour time limit. But, ISU2D suffers of the limitation which is the use of a single decomposition of the current solution at a time. In a second step, we improve our algorithm by generalizing the second decomposition concept. Indeed, our goal is to use multiple dynamic decompositions simultaneously. We propose an algorithm, called DISUD, a distributed algorithm based on ISUD and the multi-agent system (MAS). Each agent is an entity that is, at least partially, autonomous and characterized by the dynamic decomposition that it applies. We implemented two variants where agents can be independent or cooperating according to the strategy adopted. Thus, we increase the performance of ISU2D and benefit more from computing hardware evolution. We tested DISUD on airplane flight scheduling problems. The obtained results show that DISUD is better than DCPLEX, the distributed version of the advanced CPLEX commercial solver on our test instances. It achieves better quality solutions than the DCPLEX and reduces the computing time by an average factor of 4 to 5 for some instances. In addition, it solved large instances that the DCPLEX could not improve after a one-hour time limit. In a third work, we integrate the DISUD in a column generation context (GC). This choice is justified by the fact that the coupling of the method of generating columns with enumeration methods such as branch and price is widely used in industry. ISUD has potential to replace the usual enumeration methods to solve the SPP. As a result, there is potential to integrate GC and DISUD to address industry issues. We develop DICG a column generation algorithm which uses DISUD instead of enumeration methods. The results that we obtained during our tests showed that DICG solutions are of good quality (less than 1%). Moreover, it reduces the time of computation by a factor of 2 or even 4 compared to the DRMH, a distributed version of the Restricted Master heuristic. Thus, we have contributed to ISUD evolution. In addition, we improved the performances of ISUD and reduced its computing time. Furthermore, we paved the way for future work to expand the uses of the distributed version of ISUD.


identifier: Phan, A. (2019). Développement de la méthode d'analyse simplifiée du code CSA-S6 pour les ponts de type dalle sur poutres  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La méthode simplifiée d'analyse structurale des charges vives telle que présentée dans l'édition actuelle du Code canadien de calcul des ponts routiers CSA S6 comporte certaines lacunes par rapport à sa précision et à la justesse de certaines de ses hypothèses. Développée dans les années 1990, les résultats de l'analyse paramétrique qui a servi de base au développement de la méthode simplifiée s'est basée sur un échantillon d'environ 500 ponts de type dalle sur poutres simplement supportés. Par la suite, cette méthode a fait l'objet de plusieurs améliorations dans le temps notamment dans la refonte des équations dans l'édition CSA S6-14.  ABSTRACT: The simplified live load analysis method as presented in the current edition of the CSA S6 Canadian Highway Bridge Design Code has certain shortcomings with respect to its accuracy and the validity of some of its assumptions. Developed in the 1990s, the results of the parametric study that served to build the simplified method were based on a sample of 500 simply supported slab-on-girder bridges. Subsequently, this method has been the subject of several improvements over time, notably in the revision of the equations in the CSA S6-14 edition.


identifier: Prévost, M.-O. (2019). Étude de la pénétration de l'eau dans le béton armé sous sollicitations mécaniques et environnementales  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Au Québec, les structures en béton armé présentent des défis importants de durabilité (corrosion des armatures, réaction alcali-granulats, carbonatation, écaillage) qui réduisent la durée de vie utile des ouvrages. La grande majorité de ces problèmes de durabilité résultent de la pénétration d'eau et d'agents agressifs dans le béton. Cette pénétration se fait par trois modes de transport distincts qui agissent de manière combinée. Ces trois modes de transport sont la perméabilité (écoulement d'un fluide sous l'effet d'un gradient de pression), l'absorption (entrée d'eau par capillarité) et la diffusion (pénétration d'agents agressifs sous l'effet d'un gradient de concentration).  ABSTRACT: In Quebec, reinforced concrete structures present many challenges associated with their durability (reinforcement corrosion by chlorides, freeze-thaw, sulfates attacks, alkali-aggregates reactions). Most of these challenges are caused by the penetration of water and/or chemical agents in concrete. This penetration is assured by three distinct mechanisms: permeability (the flow of a liquid under a gradient of pressure), absorption (the entry of water by capillarity), and diffusion (the movement of ions under a gradient in concentration).


identifier: Ghafoori Ahangar, R. (2018). Fatigue Behavior of Welded Joints with Partial Penetration  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'objectif de ce travail est d'aborder les aspects les moins connus des joints soudés à pénétration partielle (PPJ) dans le domaine de la fatigue oligocyclique et mégacyclique en flexion à amplitude constante. Les joints soudés reliant les aubes à la couronne de la roue de turbine Francis (ou du moyeu de la roue d'hélice) peuvent être assimilés à des soudures d'angles structurelles cruciformes en admettant certaines conditions. Dans le cadre de ce projet, ils ont été réalisés suivant les capacités du banc d'essai de fatigue et du montage en flexion. Leur géométrie a été choisie dans l'optique de la caractérisation de la vie en fatigue de la racine et du bord de la soudure. L'influence de la profondeur de pénétration de la soudure, ainsi que l'influence du métal d'apport ont également été étudiées. Afin de répondre aux besoins du projet, quatre types d'essais ont été conçus. Les matériaux utilisés sont l'acier inoxydable martensitique AISI 415 en tant que métal de base, et les aciers martensitiques E410NiMo et austénitiques E316L comme métaux d'apport. Des précautions ont été prises pour la réalisation de la soudure PPJ. En effet, il était important qu'elle soit réalisée dans des conditions réelles, telle que réalisée sur les roues des turbines. Des résultats expérimentaux uniques d'essais de flexion trois points ont été obtenus pour la géométrie choisie (soudures d'angles avec cordons concaves). Ils ont montré que l'aspect de surface de la soudure avait un effet favorable sur l'amorce de la fissure et donc sur sa vie en fatigue. Aussi, le vide résultant à l'issue du soudage par manque de pénétration à la racine de la fissure est suffisamment important pour être considéré comme une fissure. Jusqu'à présent, ce genre de géométrie sollicitée en flexion trois points ne présente pas de solution pout le facteur d'intensité de contraintes. Par conséquent, des méthodes de calculs numériques ont été employées pour le déterminer à la racine de la soudure. La validation des résultats a été réalisée par une étude numérique. Cette étude porte sur les paramètres influençant la précision du mode I des valeurs du facteur d'intensité de contraintes pour une fissure centrale à travers l'épaisseur de la pièce. Les paramètres ont été optimisés par la méthode d'extrapolation du déplacement afin de minimiser les erreurs. La méthode d'interaction intégrale basée sur les énergies a également été utilisée, et a permis d'obtenir des erreurs négligeables pour un intervalle de longueurs de fissures. L'évaluation du facteur d'intensité de contraintes des modes I et II s'est faite en fonction des recommandations faites pour le mode I dans les mêmes conditions.  ABSTRACT: The goal of the present work is to address some of the less understood aspects of the partial joint penetration (PJP) weld in the area of low cycle and high cycle bending fatigue of turbine runner steel subjected to constant amplitude loading. Welded joints of thick blades and the band/crown in the Francis turbine runners (or the hub in the propeller runners) can be deemed representative of the joints of load-carrying cruciform fillet welds with certain simplified considerations. The design of the cruciform joint studied in this thesis was performed considering the capacities of the available fatigue testing machine and flexure fixture. The geometry was selected such that the test results would allow the characterization of the weld toe and root fatigue lives; this feature therefore makes it an ideal specimen for studying the influence of weld penetration depth as well as the weld metal on fatigue behavior. To this aim, four different test types were devised. A wrought martensitic stainless steel AISI 415 was used as base metal, and as weld metals, martensitic E410NiMo and austenitic E316L stainless steels were employed. The particular PJP weld was fabricated under realistic conditions as used for turbine runners. Unique experimental fatigue data in three-point bending tests were produced for load-carrying cruciform fillet welded joints with concave fillet weld (round weld toes). The crack initiation life showed that the weld toe surface finish has a favorable effect on the fatigue strength, and the gap-tip at the weld root is significant enough to be considered as a crack-like defect. Until now, for complex crack geometry of load-carrying cruciform joint with concave fillet weld under three-point bending load, the stress intensity factor (SIF) solution has not been established. Therefore, numerical methods are used to calculate the SIF at the weld root crack tip. To validate the results, a numerical study of the parameters influencing the accuracy of the computed mode I SIF values is presented for a through-thickness center crack. Optimized influencing parameters can minimize the errors obtained with the displacement extrapolation method (DEM), whereas the errors obtained with the energy-based interaction integral method (IIM) are negligible for a variety of crack lengths. Based on the recommendations made for the mode I SIF calculation, assessment of the mode I and mode II SIFs is performed at the weld root crack tip of a load-carrying cruciform fillet welded joint loaded under a three-point bending condition. The accuracy of the mode I SIF calculated with DEM is independent of the crack length, whereas that of mode II is highly dependent. The IIM provides accurate SIFs for both modes for various crack lengths.


identifier: Zheng, J. (2018). Numerical, Analytical and Experimental Studies of the Hydrogeotechnical Behaviors of Slurried Materials  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les mines produisent des minéraux précieux, mais aussi une grande quantité de rejets miniers solides, y compris des résidus miniers et des stériles. Dans la plupart des cas, les résidus sont transportés par des canalisations et confinés dans des parcs à résidus, tandis que les stériles sont entreposés sous forme de haldes à stérile. Ces méthodes traditionnelles de gestion des rejets miniers peuvent poser des problèmes environnementaux et géotechniques. Une autre méthode consiste à utiliser les rejets miniers pour remblayer les chantiers miniers sous terre, ce qui peut améliorer la stabilité du terrain, augmenter la récupération du minerai et réduire le stockage en surface des rejets miniers.  Cependant, les digues des parcs à résidus et les barricades dans les chantiers miniers peuvent se rompre. Dans la plupart des cas, les conséquences d'une rupture d'une digue de retenue ou d'une barricade sont très graves et même catastrophiques. Il est donc très important d'évaluer correctement la pression interstitielle lors du remplissage afin de garantir la stabilité des digues de retenue des résidus et des barricades de chantiers remblayés. C'est l'objectif principal de la thèse. Pour le dépôt de matières en suspension (résidus miniers ou boues de dragage), Gibson a proposé un modèle en 1958 pour évaluer la pression interstitielle en excès. Sa solution contient une intégrale qui ne peut être évaluée que numériquement. Des solutions analytiques sont donc proposées dans le cadre de cette thèse basées sur le modèle de Gibson (1958). Les solutions analytiques proposées peuvent être résolues à l'aide d'outils de calcul couramment disponibles (e.g. Excel de Microsoft). Les solutions proposées ont été validées par les résultats numériques obtenus par SIGMA/W. Le bon accord entre les résultats analytiques et numériques indique que les solutions proposées peuvent être un outil utile pour évaluer la pression interstitielle pendant le dépôt de matière en suspension, en particulier au stade préliminaire du projet. Dans le cas d'une opération après la fin du dépôt, Gibson n'a proposé qu'une équation différentielle en 1958. Cette équation différentielle ne peut pas être appliquée directement pour évaluer la pression interstitielle ou l'excès de celle-ci. De nouveaux développements ont été réalisés, menant à une nouvelle solution qui peut être utilisée pour évaluer la pression interstitielle avec des outils de calcul tels que MATLAB. Les solutions proposées ont également été validées par les résultats numériques obtenus par SIGMA/W. Elles peuvent être utilisées pour évaluer la pression interstitielle après le dépôt de matières en suspension (résidus miniers ou boues de dragage) au stade préliminaire d'un projet. Pour la conception de barricade dans les chantiers remblayés, le facteur le plus important à considérer est la contrainte totale exercée sur celle-ci pendant et peu de temps après le dépôt du remblai. Au cours de ce processus, une consolidation du dépôt sous son poids propre peut avoir lieu, accompagnée de la génération d'une contrainte effective et d'un effet d'arche le long des interfaces de contact. Jusqu'à présent, la consolidation sous le poids propre et l'effet d'arche n'avaient jamais été pris en compte simultanément dans l'évaluation des contraintes dans les chantiers remblayés. Dans cette thèse, de nouvelles solutions sont proposées pour évaluer les contraintes totales et effectives des chantiers remblayés en prenant en compte la consolidation sous le poids propre et l'effet d'arche. Pour les remblais à très haute perméabilité, la solution proposée pour le cas de base imperméable peut être réduite à la solution proposée par Li et Aubertin en 2009 pour les chantiers remblayés à pression hydrostatique. Les solutions proposées sont également validées par une modélisation numérique réalisée avec Plaxis2D. Un exemple d'application des solutions proposées montre qu'un coefficient de consolidation élevé et un faible taux de remblayage sont favorables au drainage, ce qui se traduit par une contrainte effective élevée et une contrainte totale faible dans le chantier remblayé. Malgré les nombreuses études sur la pression et les contraintes exercées sur les chantiers remblayés, un dilemme existe. Dans les quelques manuels disponibles sur les remblais miniers, les pressions dans les chantiers remblayés avec du remblai en pâte ont été jugées très faibles. Une légère construction de barricade a été recommandée pour conserver le remblai en pâte dans les chantiers miniers. Cela ne correspond pas aux mesures in situ, qui ont montré que les pressions interstitielles et les contraintes totales au cours de l'opération de remblayage peuvent être aussi élevées que la pression iso-géostatique due au poids des terres. Une révision de la définition du remblai en pâte donnée dans les manuels révèle qu'un remblai en pâte répondant au critère en termes de saignement d'eau peut être très visqueux et probablement non saturé. Lorsque ce remblai est placé dans un chantier, il se produit un effet d'arche associé à la cohésion apparente, ce qui entraîne de faibles contraintes dans les chantiers remblayés. En pratique, l'application d'un tel remblai en pâte peut être très difficile. Il faut ajouter plus d'eau dans le remblai pour réduire la consommation d'énergie nécessaire au pompage et au transport, pour obtenir une surface de remblayage horizontale ou pour assurer des contacts étroits entre le remblai et le plafond du chantier. Lorsque le remblai en pâte est placé dans le chantier sous forme de boue, le remblai n'a aucune résistance effective au cisaillement. Les pressions interstitielles et les contraintes totales peuvent être aussi élevées que la pression iso-géostatique due au poids des terres. Ces deux cas extrêmes indiquent que les pressions et les contraintes dans les chantiers remblayés dépendent de la teneur en eau ou en solides du remblai. Pour étayer cette hypothèse, une série d'essais sur colonne a été réalisée avec un remblai en pâte de différents pourcentages de solides. Les contraintes totales verticales ont été mesurées au centre et près du mur. Les résultats montrent que les contraintes totales verticales dans un chantier diminuent à mesure que le pourcentage de solides augmente. Lorsque le pourcentage de solide du remblai est très élevé, une contrainte totale verticale faible au centre et près du mur a été obtenue. Une légère construction de barricade suffit. Lorsque le pourcentage de solides est faible, les contraintes totales verticales aussi élevées que la pression iso-géostatique ont été obtenues. Une légère construction de barricade peut ne pas suffire. Les principaux résultats de ce projet sont présentés dans sept articles de revue, dont deux publiés et cinq soumis. Les résultats des travaux connexes ont été présentés dans les annexes, incluant notamment les résultats des essais de laboratoire effectués pour mesurer le coefficient de pression des terres dans les chantiers remblayés et ceux sur l'efficacité de la réduction du frottement en utilisant différents matériaux lubrifiants.  ABSTRACT: Mines produce not only valuable minerals, but also a large amount of solid wastes including tailings and waste rocks. For most cases, the tailings are transported by pipes and confined in tailings impoundments while the waste rocks are disposed as waste rock piles. These traditional mine waste management methods can pose some environmental and geotechnical problems. Thus, more and more mines use the mine wastes to fill underground mine stopes. This practice allows improved ground stability, increased ore recovery and reduced surface disposal of mine wastes.  However, tailings dams and barricades can fail. In most cases, the consequences associated with a tailing dam or barricade failure are very serious and catastrophic. It is thus very important to correctly evaluate the pore water pressure (PWP) in the tailings impoundments and in mine backfilled stopes during and after the deposition operation to ensure stable tailings dams and barricades of backfilled stopes. This is the main objective of the thesis. For the case of ongoing deposition of a slurry, Gibson proposed a model in 1958 to evaluate the excess PWP. His solution contains an integral part, which can only be evaluated numerically. Analytical solutions are thus proposed in the context of this thesis based on the Gibson (1958) model. The proposed analytical solutions can be solved by commonly available tools of calculation (e.g. Excel of Microsoft). The proposed solutions have been validated by numerical results obtained by SIGMA/W. The good agreement between the analytical and numerical results indicates that the proposed solutions can be a useful tool to evaluate the PWP during the slurry deposition, especially in the preliminary stage of a project. For the case of after the end of deposition operation, Gibson only proposed a governing equation in 1958. The differential equations cannot directly be applied to evaluate the PWP or excess PWP. New development has been done, resulting in a new solution that can be used to evaluate the PWP with some commercial calculation tools like MATLAB. The proposed solutions have also been validated by numerical results obtained by SIGMA/W. They can be used to evaluate the PWP after the slurry deposition, in the preliminary stage of a project.  For the case of barricade design in backfilled stopes, the most critical factor is the total stresses during and shortly after the slurry deposition. During theses processes, self-weight consolidation can take place, accompanied with the generation of effective stress and arching effect along the fill-wall contact interfaces. Until now, the self-weight consolidation and the arching effect have never been considered simultaneously in the evaluation of stresses in backfilled stopes. In this thesis, new solutions are proposed to evaluate the total and effective stresses in backfilled stopes by considering the self-weight consolidation and arching effect. For backfill with very high permeability, the proposed solution for the case of impervious base can reduce to the solution proposed by Li and Aubertin in 2009 for backfilled stopes with hydrostatic pressure. The proposed solutions are also validated by numerical modeling conducted with Plaxis2D. Sample application of the proposed solutions shows that high consolidation coefficient and low filling rate are favorable to the drainage, resulting in high effective stress and low total stress in the backfilled stope.  Despite the numerous studies on the pressure and stresses in backfilled stopes, a dilemma exists. In the few available handbooks on mine backfills, light barricades are recommended to retain paste backfill in mine stopes because the pressures in stopes backfilled with paste backfill were evaluated as very small. This does not correspond to the in situ measurements, which showed that the PWP and total stresses during the backfilling operation can be as high as the iso-geostatic pressure based on the overburden of the backfill. A revision on the definition of paste backfill given in the handbooks reveals that a paste backfill meeting the criterion in terms of water bleeding can be very viscous and probably unsaturated. When such backfill is placed in a stope, arching associated with the apparent cohesion takes place, resulting in small stresses in the backfilled stopes. In practice, the application of such paste backfill can be very difficult. More water has to be added in the backfill to minimize the energy consumption for the pumping and transportation, to obtain horizontal backfill surface or to ensure tight contacts between the backfill and stope roofs. When the paste backfill is placed in the stope in form of slurry, the backfill has no effective shear strength. The PWP and total stresses can be as high as the iso-geostatic pressure based on the overburden of the backfill. These two extreme cases indicate that the pressures and stresses in the backfilled stope depend on the water or solid content of the backfill. To verify this hypothesis, a series of column tests were conducted with a paste backfill of different solid contents. The vertical total stresses were measured at the center and near the wall. The results show that the vertical total stresses in a backfilled stope decrease as the solid content increases. When the solid content of backfill is very high, low vertical total stress at the center and near the wall were obtained. A light barricade may be enough. When the solid content is low, the vertical total stresses as high as the iso-geostatic pressure were obtained. A light barricade may not be enough.  The main results of this project are presented in seven journal articles with two published and five submitted. The laboratory test results conducted to measure the earth pressure coefficient in backfilled stopes and those performed to investigate the efficiency of friction reduction by using different lubricant materials have been presented in Appendices.


identifier: Cardinal, D. D. (2018). The Impact and Elimination of Carbonaceous Impurities in Chemical Vapor Deposition Graphene on Copper  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Grace à ses propriétés uniques, le graphène a réussi à capter l'attention des scientifiques depuis sa première isolation. Les mécanismes de croissance de cet allotrope de carbone ne sont pas entièrement compris mais il est connu qu'ils dépendent du substrat sur lequel est cru ce matériau incroyable. Dans une expérience typique de synthèse de graphène par dépôt chimique en phase vapeur (CVD), le substrat catalyse la dissociation d'un hydrocarbure via deux régimes de croissances possibles : le premier purement surfacique, où le carbone reste lié à la surface pour des métaux de transition ayant une faible solubilité du carbone (Cu et possiblement Pt), le second impliquant une dissolution dans le matériau suivi d'une précipitation du carbone (Ir, Ru, Ni). Dans ces travaux, nous proposons que ce mécanisme dépend d'un seuil, c'est à dire que la solubilité du carbone dans le cuivre est extrêmement faible mais assez haute pour que le carbone présent dans le matériau peut jouer un rôle dans la germination et la croissance latérale du graphène. Cet effet est étudié via le piégeage du carbone grâce à un prétraitement d'oxygène afin de purifier le cuivre ce qui montre les impacts sur la germination du graphène. Nous avons découvert que la méthode de purification la plus efficace est d'induire l'oxydation du cuivre en profondeur dicté par le diagramme de phase Cu-O ce qui nécessite une réduction de température pendant le prétraitement de 1000 C a 700 C en gardant une pressure d'oxygène de 5x10−5 Torr. Étendu sur 3 croissances avec un temps de prétraitement augmentant (10, 20, et 40 min) suivi d'un protocole de croissance de graphène normal, la nucléation de graphène est réduite résultant en une augmentation de taille de domaine jusqu'une suppression complète est atteint à 40 min. Un prétraitement d'oxygène nous permet aussi de faire croitre des domaines de graphène large de 860 um2.  ABSTRACT: Graphene has piqued the interest of scientists and technologists since its isolation because of its unique properties. The growth mechanisms of this carbon allotrope aren't fully understood but are known to depend on the substrate used to grow this wonder material. In a typical graphene synthesis experiment using chemical vapor deposition (CVD), the substrate catalyzes the dissociation of a hydrocarbon with two possible growth regimes: one purely surface mediated where the carbon remains surface-bound for transition metals having very low carbon solubility (Cu and possibly Pt) and one involving a bulk dissolution and subsequent precipitation of the carbon (Ir, Ru, Ni). In this work we propose that the salient feature is one of threshold, that is to say, the carbon solubility of copper is extremely low but is elevated enough that bulk-bound carbon can play a role in nucleation and subsequent lateral growth of graphene. This is investigated via carbon gettering using oxygen gas pre-treatments to further purify the copper which show clear impacts on graphene nucleation. It was found that the most efficient method of purification is to induce bulk copper oxide as dictated by the Cu-O phase diagram which means lowering the temperature during pre-treatment to 700 C from the 1000 C growth temperature and maintaining a 5x10−5 Torr oxygen pressure. Over 3 growths of increasing pre-treatment time (10, 20, and 40 min) followed by a regular graphene growth protocol, the graphene nucleation is reduced resulting in increased single domain size until full quenching is achieved at 40 minutes. An oxygen pre-treatment also enables us to grow large-area graphene domains of 860 um2.


identifier: Jobidon-Lavergne, H. (2018). Intégration de la simulation numérique à la navigation chirurgicale pour le traitement de la scoliose par chirurgie de modulation de croissance sans fusion par attache flexible  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La scoliose est une maladie caractérisée par une déformation en trois dimensions du rachis qui affecte entre 2% et 3% de la population. Dans le cas de scolioses progressives et sévères, un traitement par chirurgie est généralement nécessaire pour corriger les déformations. Les chirurgies les plus utilisées consistent à venir corriger les courbes scoliotiques à l'aide d'une instrumentation composée de tiges fixées postérieurement aux vertèbres par des vis, crochets ou bandes flexibles, afin de venir fusionner les niveaux instrumentés. Ce type de chirurgie restreint cependant la croissance et la flexibilité du rachis. Une approche plus récente de modulation de croissance, sans fusion, pour les patients pédiatriques, consiste à implanter des vis latéralement sur les corps vertébraux, du côté convexe de la courbe, puis de relier les vis avec un câble qui est mis en tension. Cette compression intervertébrale induit une correction initiale et transfert les charges de compression des plaques de croissance des corps vertébraux du côté concave vers le côté convexe. Ce rééquilibrage des chargements est utilisé pour une correction additionnelle dans le temps avec une modulation de la croissance, basé sur le principe de Hueter-Volkmann. Ce dernier principe décrit le phénomène de ralentissement de la croissance osseuse pour une plaque de croissance en compression et l'accélération lorsqu'en tension. Pour cette chirurgie appelée « Anterior Vertebral Body Tethering », il est difficile pour les chirurgiens de prédire les résultats à long terme. Pour aider à planifier cette chirurgie, une approche récente utilisant un modèle par éléments finis personnalisé a permis de simuler cette chirurgie et la croissance du patient sur 2 ans avec une précision moyenne de 4° d'angle de Cobb. Ce modèle utilise en entrée des données préopératoires et n'est cependant pas mis à jour pour tenir compte de la variabilité du positionnement intraopératoire du patient et des vis, ainsi que celle des manipulations de correction. Les systèmes de navigation chirurgicale basés sur l'imagerie intraopératoire sont utilisés pour guider l'installation des vis et/ou vérifier leur position. Ces systèmes permettent aussi de recaler certaines planifications préopératoires sur le patient et d'assister à l'exécution des manoeuvres. Tel un GPS pour une voiture, la navigation permet à un outil chirurgical équipé d'une référence dynamique de se situer sur le patient virtuel (carte routière) pour bien se positionner dans le patient (route). Ce système de navigation n'est cependant pas utilisé avec la planification préopératoire basée sur le modèle par éléments finis. Ce projet visait à intégrer le modèle par éléments finis personnalisé au système de navigation, dans le but de prendre en compte le réel positionnement intraopératoire du patient et des vis pour faire la mise à jour de la planification. Plus spécifiquement, les deux sous-objectifs consistaient à recaler le modèle par éléments finis sur les images de CBCT intraopératoires, puis de faire l'acquisition de la position des vis dans le modèle pour refaire la simulation des manoeuvres de correction. La méthode développée pour recaler le modèle par éléments finis sur les images CBCT intraopératoires comporte des étapes pré et intraopératoires. Préopératoirement, une reconstruction 3D du rachis, du bassin et de la cage thoracique du patient est obtenue à partir de radiographies biplanaires, le modèle est construit sur cette géométrie et la flexibilité du patient est calibrée, puis la simulation des manoeuvres de correction est effectuée pour générer la planification préopératoire. Au début de l'opération, des images de CBCT du patient en position décubitus latéral sont acquises, puis un algorithme de segmentation automatique génère les modèles 3D des corps vertébraux et pédicules. Le modèle par éléments finis est premièrement aligné globalement de manière rigide en recalant une seule vertèbre sur celle correspondante sur les images CBCT. Cet alignement est obtenu en définissant des nuages de points représentant la surface des corps vertébraux et pédicules seulement, pour la vertèbre du modèle et du CBCT, en alignant leurs systèmes de coordonnés locaux et finalement en alignant les nuages de points avec un algorithme d'optimisation «Iterative Closest Point». Pour prendre en compte la différence de positionnement, une simulation de recalage de multiples niveaux est accomplie en appliquant des déplacements sur certaines des vertèbres du modèle vers celles correspondantes dans les images CBCT, utilisant ainsi le comportement biomécanique du modèle pour recaler toutes les vertèbres. La planification de la chirurgie a ensuite été mise à jour à partir de la nouvelle position relative des vertèbres. Cette méthode de recalage a été validée en utilisant des données rétrospectives de CBCT intraopératoire, de reconstruction 3D et de modèles par éléments finis de 18 patients scoliotiques ayant subi la chirurgie de modulation de croissance au CHU Sainte-Justine. Les images de CBCT ont été automatiquement segmentées, puis le modèle a été recalé pour tous les patients de la cohorte. Après le recalage, une différence de translation de 1.4 1.2mm a été mesurée en calculant la distance euclidienne entre des marqueurs anatomiques des vertèbres du modèle et des modèles 3D des images CBCT. La différence d'orientation de 2.7 2.6º, 2.8 2.4º et 2.5 2.8º dans les plans frontal, sagittal et transverse respectivement a été mesurée en calculant l'angle entre les axes des repères locaux des vertèbres du modèle et des images CBCT. La distance surface à surface moyenne après recalage était de 1.5 1.2mm et le processus de recalage a pris en moyenne 204  25s. La méthode d'acquisition de la position des vis dans le modèle consiste à utiliser le tournevis utilisé en chirurgie et d'y fixer une référence dynamique. À la fin de chaque insertion, la position de la vis est acquise par un ordinateur connecté au navigateur, puis recalée sur le modèle pour faire la simulation des manoeuvres de correction avec les positions réelles du patient et des vis. La calibration de la référence dynamique pour permettre la navigation du point de fixation du câble sur la vis a été faite à l'aide d'un outil de calibration spécialement conçu qui comporte la même interface qu'une vis. Le processus de calibration est effectué selon les instructions sur l'écran du navigateur, en utilisant un palpeur, la référence dynamique du patient, ainsi que le tournevis équipé de la référence dynamique et de l'outil de calibration. L'outil de calibration est ensuite retiré pour l'insertion des vis. Un ordinateur connecté au navigateur par un fil Ethernet, communiquant par le protocole TCP/IP avec le logiciel StealthLink Server permet ensuite de faire l'acquisition des positions du bout et de l'arrière du tournevis perçues par le navigateur en 3D. Le recalage des positions acquises est effectué en utilisant l'inverse de la même transformation géométrique rigide qui aligne globalement le modèle sur les images CBCT. Une fois les positions acquises, le système de coordonnées local des vis est calculé et les positions des noeuds de vis sont placés sur l'axe de la vis où le câble s'installe. Ces noeuds sont lus par le modèle pour générer les éléments de vis qui sont ensuite utilisés pour simuler les manipulations de correction, qui prend alors en compte le positionnement intraopératoire du patient et des vis. La méthode d'acquisition des vis a été validée sur un fantôme conçu en se basant sur la reconstruction 3D d'un des patients de la cohorte et en utilisant une reproduction du tournevis imprimé en 3D équipé d'une référence dynamique amovible. Les positions acquises ont été comparées à celles observées directement sur le rendu de volume des images CBCT. La différence en translation pour l'acquisition était en moyenne de 1.0 ± 0.4mm, tandis que celle d'orientation était de 1.9 ± 0.5, 1.7 ± 0.5et 2.2 ± 0.9dans les plans frontal, sagittal et transverse respectivement. La méthode de transfert des positions vers le modèle a été validé par inférence en faisant une simulation d'acquisition sur des modèles 3D de vis insérés dans la reconstruction 3D du modèle par éléments finis recalé sur les images CBCT. La simulation avec les positions intraopératoires du patient et des vis a été exécutée avec succès pour le seul patient testé. Ces deux méthodes ont été implémentées dans un logiciel nommé SimNav, qui permet l'exécution automatique ou manuelle du processus de recalage et de faire l'acquisition de la position des vis dans le modèle. Le logiciel permet aussi de lancer les simulations, d'élaborer la planification préopératoire et de configurer plusieurs scénarios d'instrumentation. Les résultats ont montré la faisabilité de l'intégration du modèle par éléments finis personnalisé au système de navigation, mais les méthodes développées présentent encore quelques limitations. La méthode de calcul de la position des repères anatomiques sur les modèles 3D des vertèbres dans les images CBCT n'a pas été validée. De plus, le modèle altère la géométrie de la reconstruction 3D au moment de faire la modélisation automatique du patient et affecte le processus de recalage qui se base sur l'hypothèse que cette géométrie est représentative de celle du patient. Pour ce qui est de l'acquisition de la position des vis dans le modèle, une récente lettre d'avertissement de la Food and Drug Administration stipule que l'utilisation d'une référence dynamique amovible est plus risquée que d'utiliser un outil équipé d'une référence dynamique intégrée et précalibrée au navigateur. La validation des algorithmes, la géométrie du modèle et la conception d'un outil dédié à la navigation des vis pour cette chirurgie sont tous des problèmes qui devront être adressés dans le futur. Certains concepts pour faire le guidage de la manoeuvre de correction ont été élaborés lors de ce projet, mais aucun n'a fait l'objet d'un développement technique et devront être étudiés davantage dans des projets à venir. Ce projet a permis de montrer la faisabilité d'intégrer au navigateur intraopératoire la planification chirurgicale obtenu du modèle par éléments finis personnalisé pour la chirurgie de modulation de croissance. Les outils développés dans ce projet sont les premiers composants d'un système de navigation qui intègrera la planification chirurgicale basée sur un modèle par éléments finis personnalisé, le recalage intraopératoire et le guidage des manoeuvres pour optimiser les résultats à long terme de cette chirurgie.  ABSTRACT: Scoliosis is a disease characterized by a 3D deformation of the spine that afflicts between 2% and 3% of the population. In the case of severe progressive scoliosis, surgical treatment is generally necessary to correct the deformations. The most utilized surgery are correcting the scoliotic curves with an instrumentation composed of rods fixed on the posterior side of the vertebrae with screws, hooks or bands, in order to fuse the instrumented levels. This type of surgery has the disadvantage of restraining the growth and flexibility of the patient. More recent approaches of fusionless growth modulation can be used on patients with remaining growth, one of which consists of inserting screws laterally on the vertebral body, on the convex side of the curve and attach them with a cable in tension. This intervertebral compression results in an initial correction and a transfer of the compression loads on the growth plates from the concave to the convex side. This rebalancing of loads is used to induce a growth modulation and further correct the spine over time, based on the Hueter-Volkmann principle. This principle describes the reduced bone growth rate of an epiphyseal plate that is under compression and a greater growth rate when under tension. For this surgery named « Anterior Vertebral Body Tethering », it is hard for surgeons to predict the long term outcomes. To help surgeons to plan this surgery, a recent approach based on a personalized finite element model allowed to simulate the surgery and growth over 2 years with an average of 4° of Cobb angle accuracy. This model uses preoperative data as input and do not take into account variations in patient and screw positioning, as well as in correction manoeuvers. Image based navigation systems are used for this surgery in order to guide the insertion of the screws and/or verify their position. Those systems also allow for the registration of some preoperative plans and assists the execution of the manoeuver. Like a GPS for cars, navigation allows to show a tool that is equipped with a reference frame on the virtual patient (road map) to navigate to a proper point in the patient (road). However, this navigation system is not used with the finite element model based surgical plan. This project aimed to integrate a personalized finite element model to the navigation system to update the preoperative surgical plan with the intraoperative patient and screw positioning and allow the update of the plan. More specifically, the sub-objectives were to first, register the model to the intraoperative CBCT images and secondly, to acquire the screw positioning into the finite element model in order to update the correction manoeuver simulation. The developed method to register the finite element model to the intra-operative CBCT images consists of pre and intraoperative steps. Preoperatively, the spine, pelvis and thoracic cage are 3D reconstructed from biplanar radiograph before the model is constructed and the flexibility of the patient is calibrated, then the preoperative plan is obtained by simulating the surgery. At the beginning of the operation, CBCT images of the patient in the lateral decubitus positioning are acquired, then an automatic segmentation algorithm generates the vertebral body and pedicles 3D models. The finite element model is first globally aligned by rigidly registering one of its vertebra to the corresponding one in the CBCT images. This alignment is obtained by defining two point clouds representing the points on the surface of the vertebral body and pedicles only, for one target vertebra in the finite element model and CBCT, by aligning their local coordinate systems and finally align the point clouds with an iterative closest point algorithm. To account for positioning differences, a multi-level registration simulation is achieved by applying displacements to a few vertebra of the finite element model towards their corresponding ones in the CBCT, using the biomechanical behaviour of the model to register all the vertebrae. The surgical plan is then updated from the new relative positions of the vertebrae. This method has been validated with retrospective intra-operative CBCT images, 3D reconstructions and finite element models of 18 scoliotic patients that had previously undergone growth modulation procedures at the CHU Ste Justine hospital. CBCT images have been automatically segmented, then the finite element model has been registered to the model for all the patients of the cohort. After registration, the translation error was of 1.4 1.2mm, measured as the Euclidean distance between anatomical landmarks on the finite element model and CBCT vertebrae. The orientation error was 2.7 2.6º, 2.8 2.4º and 2.5 2.8º in the frontal, sagittal, and transverse planes respectively and obtained by measuring the angle between the axes of the corresponding local coordinate system in the three planes. The average surface-to-surface distance was 1.5 1.2mm and the registration process took on average 204 25s. The proposed method for the acquisition of the screw positioning in the model uses the actual screwdriver used for this surgery, with a removable reference frame. At the end of each insertion, the positioning of the screw is acquired using a computer that is connected to the navigator, then registered on the model (registered to the patient) to allow for the simulation of the correction manoeuvers with the actual patient and screw positioning. The calibration of the reference frame on the screwdriver to allow navigation of the center of the screw was achieved using a specifically designed calibration tool that attaches to the screwdriver like a normal anterior vertebral body tethering screw. The calibration process is done following the instructions shown on the navigator's screen, using a navigated probe, the patient's reference frame and the screwdriver equipped with the reference frame and the calibration tool. The calibration tool is then removed for the insertion of the screws. A computer connected to the navigator with an Ethernet cable and communicating using the TCP/IP protocol with the StealthLink Server allows to acquire the position in 3D of the tip and hind of the screwdriver, as tracked by the navigator. Those positions are then registered on the FEM using the inverse of the transformation that globally aligns the finite element model to the CBCT images. Once the position acquired, the local coordinate system is computed and the screw nodes are placed along the axis where the cable passes. Those nodes are added to the model to generate the screw elements that are then used to simulate the correction manipulation simulation that takes into account the actual patient and screw positioning. The method to acquire the screw positioning in the model has been validated on a phantom based on the 3D reconstruction of one of the patients in the cohort, using a 3D printed replica of the original screwdriver equipped with a removable reference frame. The acquired positions have been compared to the corresponding points measured directly on the CBCT images. The translation error was on average 1.0 ± 0.4mm and the orientation error was 1.9 ± 0.5, 1.7 ± 0.5and 2.2 ± 0.9in the frontal, sagittal and transverse planes. The method to transfer the acquired positions to the finite element model has been validated by inference by simulating an acquisition with screw 3D models inserted in the 3D reconstruction of the registered finite element model. The simulation with the actual patient and screw positioning was successfully solved for the only tested patient. Those two methods have been implemented in a dedicated software called SimNav that allows the automatic or manual execution of the registration process and to acquire the screw positions in the model. The software also allows to launch simulations, to elaborate the preoperative plan and to configure different instrumentation scenarios. The results have shown the feasibility of the integration of the personalized finite element model to the navigation system, but the developed methods still have some limitations. The method to compute the anatomical landmarks on the 3D models of the CBCT images has not been validated. Furthermore, the finite element model modify the actual patient geometry when built. This impacts the registration process, because it is based on the hypothesis that the geometry represents the actual patient. For the screw positioning acquisition method, a warning letter from the Food and Drug Association stipulates that the use of a removable reference frame is riskier than a tool with a reference frame integrated and pre-calibrated to the navigator. The validation of the algorithms, the geometry of the model and the design of a dedicated navigated tool for the screw insertion will have to be assessed in the future. During this project, some concepts have been elaborated to guide the correction manipulation, but none have been under technical development and this subject will have to be studied in the next projects. This project allowed to show the feasibility of the integration of the personalized finite element model based surgical plan for anterior vertebral body tethering to the intraoperative navigation system. The tools developed in this project are the first components of a navigation system that will integrate surgical planning based on finite elements modeling, intra-operative registration of the plan and guidance to execute the plan to optimise the long term outcomes of this surgery.