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Thèse en Sciences et Technologies de l'Eau, de l'Energie et de l’Environnement |
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Thèse en Sciences et Technologies de l'Eau, de l'Energie et de l’Environnement. Caractérisation géomécanique de sols bruts et traités pour une meilleure utilisation en construction routière / Marie Thérèse Marame MBENGUE
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Titre de série : Thèse en Sciences et Technologies de l'Eau, de l'Energie et de l’Environnement Titre : Caractérisation géomécanique de sols bruts et traités pour une meilleure utilisation en construction routière : cas des emprunts latéritiques de SAABA et de KAMBOINSE au Burkina Faso Type de document : texte imprimé Auteurs : Marie Thérèse Marame MBENGUE, Auteur Année de publication : 2023 Importance : 269 p. Langues : Français (fre) Résumé : Les routes en Afrique subtropicale subissent souvent des dégradations prématurées. Ceci est lié à plusieurs facteurs dont le plus important est la mauvaise caractérisation des matériaux constitutifs du corps de chaussée. La plupart de ces structures sont construites avec des matériaux disponibles localement pour des raisons économiques. Au Burkina Faso, le matériau le plus utilisé est le sol latéritique. Cependant, ce sol étant le produit d’une altération d’une roche mère sous climat tropical, son comportement dépend donc de plusieurs facteurs, le rendant ainsi difficile à caractériser. La plupart des spécifications pour l’utilisation de ces matériaux en structures routières se base essentiellement sur des paramètres d’identification.
Une évaluation beaucoup plus fine, en prenant en compte les caractéristiques mécaniques de ces sols afin d’améliorer leur durabilité s’avère nécessaire. L’objectif de cette thèse est de caractériser des sols latéritiques traités ou non du Burkina Faso plus précisément des emprunts de Saaba et de Kamboinsé, dans les alentours de Ouagadougou, pour une meilleure utilisation en construction routière. Deux types de traitement ont été proposés, l’amélioration par ajout de ciment et par ajout de granulats concassés. Pour la stabilisation au ciment, les mélanges ont été obtenus par ajout de 1 à 3 % par rapport à la masse sèche du matériau latéritique. Pour la lithostabilisation au granulats concassés, les mélanges ont été obtenus par ajout de 20 à 35% de granulats de concassés de granites. Les caractéristiques physico-mécaniques et minéralogiques de ces sols traités ou non ont été étudiées en fonction de la profondeur de prélèvement. Les résultats ont permis de discuter de l’influence que peuvent avoir certains paramètres physiques sur les caractéristiques mécaniques de ces sols d’une part et sur la possibilité de les utiliser ou non à l’état brut dans les structures de chaussés en se basant sur le (CEBTP, 1984) et des études scientifiques antérieures d’autre part. Après amélioration au ciment, on note un effet plus significatif sur les sols de Saaba que sur ceux de Kamboinsé car contenant plus d’argiles minérales. Après ajout de 2% de ciment, la plupart de ces matériaux sont utilisables en couche de base de chaussée. La litho-stabilisation montrent que l’augmentation observée pour le CBR (70% à 297%) ne permet l’utilisation des sols étudiés qu’en couche de fondation. Mais la résistance à la compression a augmenté de l’ordre de 5% à 620%, dépassant même la valeur maximale de 1,5 MPa proposée par (Messou, 1980) pour une utilisation en couche de fondation. Les résultats issus de l’essai triaxial ont montré que les contraintes déviatoriques augmentent (249% à 332) pour un taux de ciment de 3% par rapport à un sol brut. En plus, les paramètres de cisaillement c et φ et les modules sécants E30 et E50 augmentent également pour le même taux de ciment. L’application de charges cycliques (faible nombre de cycle) augmente la rigidité des matériaux et son effet est plus significatif sur les matériaux bruts comparés aux matériaux améliorés au ciment. Les résultats des essais de cisaillement direct montrent que l’ajout de ciment augmente les paramètres c et φ des matériaux. Ce qui a comme effet, une atténuation des déformations permanentes. La considération des paramètres de cisaillement serait très intéressante dans les critères de dimensionnement de chaussé routières.
Abstract : Roads in subtropical Africa are often subjected to premature deterioration. This is due to several factors, the most important being the poor characterization of the pavement materials. Most of these roads are built using locally available materials for economic benefits. In Burkina Faso, the most commonly used material is lateritic soil. However, as this soil is the product of alteration of a bedrock in a tropical climate, its behaviour depends on several factors, making it difficult to characterize. Most of the specifications for the use of these materials in road structures are essentially based on identification parameters. A much more detailed evaluation is necessary, considering the mechanical characteristics of these soils in order to improve their durability. The objective of this thesis is to characterize stabilized or unstabilized lateritic soils from Burkina Faso, more precisely collected from the Saaba and Kamboinsé areas in the vicinity of Ouagadougou, for a better use in road construction. Two types of treatment were proposed, improvement by addition of cement and by addition of crushed aggregates. For the case of stabilisation using cement, the mixtures were obtained by adding 1 to 3% cement to the dry mass of the lateritic material. For the case of litho-stabilization using crushed aggregates, the mixtures were obtained by adding 20 to 35% of crushed granite aggregates to the dry mass of lateritic material. The physico-mechanical and mineralogical characteristics of these treated and untreated soils were studied with respect to the depth of extraction. The results allowed to discuss the influence that certain physical parameters can have on the mechanical characteristics of these soils, on the one hand, and the possibility of using them in the raw state in the base layer of pavement structures referring to (CEBTP, 1984) and previous scientific studies, on the other hand. After improvement with cement, the effect is more significant on soils from Saaba than on those from Kamboinsé due to their higher content of clay mineral.
After addition of 2% cement, most of these materials can be used as pavement base layer, as the mechanical parameter increased. The litho-stabilisation shows that the CBR increases (70% to 297%) which allows the use of the studied soils only in sub-base layer. However, the compressive strength increased by 5% to 620%, exceeding the maximum required value of 1.5 MPa proposed by (Messou, 1980) for use in sub-base layer. The results of the triaxial test showed that the deviatoric stresses increase (249 to 332%) for cement content of 3% compared to raw soil. In addition, the shear parameters c and φ and the secant moduli E30 and E50 also increase for the same cement ratio. The application of cyclic loads (low cycle number) increases the stiffness of the materials, and its effect is more significant on raw materials compared to cement stabilized materials. The results of the direct shear tests show that the addition of cement increases the parameters c and φ of the materials. This has the effect of attenuating the permanent deformations. The consideration of shear parameters would be of great interest in the design criteria of road structures.
Thèse en Sciences et Technologies de l'Eau, de l'Energie et de l’Environnement. Caractérisation géomécanique de sols bruts et traités pour une meilleure utilisation en construction routière : cas des emprunts latéritiques de SAABA et de KAMBOINSE au Burkina Faso [texte imprimé] / Marie Thérèse Marame MBENGUE, Auteur . - 2023 . - 269 p.
Langues : Français (fre)
Résumé : Les routes en Afrique subtropicale subissent souvent des dégradations prématurées. Ceci est lié à plusieurs facteurs dont le plus important est la mauvaise caractérisation des matériaux constitutifs du corps de chaussée. La plupart de ces structures sont construites avec des matériaux disponibles localement pour des raisons économiques. Au Burkina Faso, le matériau le plus utilisé est le sol latéritique. Cependant, ce sol étant le produit d’une altération d’une roche mère sous climat tropical, son comportement dépend donc de plusieurs facteurs, le rendant ainsi difficile à caractériser. La plupart des spécifications pour l’utilisation de ces matériaux en structures routières se base essentiellement sur des paramètres d’identification.
Une évaluation beaucoup plus fine, en prenant en compte les caractéristiques mécaniques de ces sols afin d’améliorer leur durabilité s’avère nécessaire. L’objectif de cette thèse est de caractériser des sols latéritiques traités ou non du Burkina Faso plus précisément des emprunts de Saaba et de Kamboinsé, dans les alentours de Ouagadougou, pour une meilleure utilisation en construction routière. Deux types de traitement ont été proposés, l’amélioration par ajout de ciment et par ajout de granulats concassés. Pour la stabilisation au ciment, les mélanges ont été obtenus par ajout de 1 à 3 % par rapport à la masse sèche du matériau latéritique. Pour la lithostabilisation au granulats concassés, les mélanges ont été obtenus par ajout de 20 à 35% de granulats de concassés de granites. Les caractéristiques physico-mécaniques et minéralogiques de ces sols traités ou non ont été étudiées en fonction de la profondeur de prélèvement. Les résultats ont permis de discuter de l’influence que peuvent avoir certains paramètres physiques sur les caractéristiques mécaniques de ces sols d’une part et sur la possibilité de les utiliser ou non à l’état brut dans les structures de chaussés en se basant sur le (CEBTP, 1984) et des études scientifiques antérieures d’autre part. Après amélioration au ciment, on note un effet plus significatif sur les sols de Saaba que sur ceux de Kamboinsé car contenant plus d’argiles minérales. Après ajout de 2% de ciment, la plupart de ces matériaux sont utilisables en couche de base de chaussée. La litho-stabilisation montrent que l’augmentation observée pour le CBR (70% à 297%) ne permet l’utilisation des sols étudiés qu’en couche de fondation. Mais la résistance à la compression a augmenté de l’ordre de 5% à 620%, dépassant même la valeur maximale de 1,5 MPa proposée par (Messou, 1980) pour une utilisation en couche de fondation. Les résultats issus de l’essai triaxial ont montré que les contraintes déviatoriques augmentent (249% à 332) pour un taux de ciment de 3% par rapport à un sol brut. En plus, les paramètres de cisaillement c et φ et les modules sécants E30 et E50 augmentent également pour le même taux de ciment. L’application de charges cycliques (faible nombre de cycle) augmente la rigidité des matériaux et son effet est plus significatif sur les matériaux bruts comparés aux matériaux améliorés au ciment. Les résultats des essais de cisaillement direct montrent que l’ajout de ciment augmente les paramètres c et φ des matériaux. Ce qui a comme effet, une atténuation des déformations permanentes. La considération des paramètres de cisaillement serait très intéressante dans les critères de dimensionnement de chaussé routières.
Abstract : Roads in subtropical Africa are often subjected to premature deterioration. This is due to several factors, the most important being the poor characterization of the pavement materials. Most of these roads are built using locally available materials for economic benefits. In Burkina Faso, the most commonly used material is lateritic soil. However, as this soil is the product of alteration of a bedrock in a tropical climate, its behaviour depends on several factors, making it difficult to characterize. Most of the specifications for the use of these materials in road structures are essentially based on identification parameters. A much more detailed evaluation is necessary, considering the mechanical characteristics of these soils in order to improve their durability. The objective of this thesis is to characterize stabilized or unstabilized lateritic soils from Burkina Faso, more precisely collected from the Saaba and Kamboinsé areas in the vicinity of Ouagadougou, for a better use in road construction. Two types of treatment were proposed, improvement by addition of cement and by addition of crushed aggregates. For the case of stabilisation using cement, the mixtures were obtained by adding 1 to 3% cement to the dry mass of the lateritic material. For the case of litho-stabilization using crushed aggregates, the mixtures were obtained by adding 20 to 35% of crushed granite aggregates to the dry mass of lateritic material. The physico-mechanical and mineralogical characteristics of these treated and untreated soils were studied with respect to the depth of extraction. The results allowed to discuss the influence that certain physical parameters can have on the mechanical characteristics of these soils, on the one hand, and the possibility of using them in the raw state in the base layer of pavement structures referring to (CEBTP, 1984) and previous scientific studies, on the other hand. After improvement with cement, the effect is more significant on soils from Saaba than on those from Kamboinsé due to their higher content of clay mineral.
After addition of 2% cement, most of these materials can be used as pavement base layer, as the mechanical parameter increased. The litho-stabilisation shows that the CBR increases (70% to 297%) which allows the use of the studied soils only in sub-base layer. However, the compressive strength increased by 5% to 620%, exceeding the maximum required value of 1.5 MPa proposed by (Messou, 1980) for use in sub-base layer. The results of the triaxial test showed that the deviatoric stresses increase (249 to 332%) for cement content of 3% compared to raw soil. In addition, the shear parameters c and φ and the secant moduli E30 and E50 also increase for the same cement ratio. The application of cyclic loads (low cycle number) increases the stiffness of the materials, and its effect is more significant on raw materials compared to cement stabilized materials. The results of the direct shear tests show that the addition of cement increases the parameters c and φ of the materials. This has the effect of attenuating the permanent deformations. The consideration of shear parameters would be of great interest in the design criteria of road structures.
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MarieAdobe Acrobat PDFThèse en Sciences et Technologies de l'Eau, de l'Energie et de l’Environnement. Etude du comportement mécanique des poutres mixtes bois-béton avec connexion par tige d’acier – approche expérimentale et modélisation / Djidoula TAKO
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Titre de série : Thèse en Sciences et Technologies de l'Eau, de l'Energie et de l’Environnement Titre : Etude du comportement mécanique des poutres mixtes bois-béton avec connexion par tige d’acier – approche expérimentale et modélisation Type de document : texte imprimé Auteurs : Djidoula TAKO, Auteur Année de publication : 2023 Importance : 219 p. Langues : Français (fre) Résumé : Cette thèse se concentre sur l'étude de plusieurs variantes de connecteurs par tige d'acier haute adhérence, couramment utilisés pour le renforcement du béton, dans le but d'améliorer les performances structurales des poutres mixtes bois-béton. Ces poutres combinent une poutre en bois (bois tropicaux) avec une dalle de béton, ce qui nécessite des connecteurs de cisaillement à l'interface des deux matériaux. Dans le contexte spécifique du Burkina Faso, une série d'essais a été réalisée pour évaluer différentes configurations de géométrie de tiges d'acier. Cela comprend les tiges d'acier battues dans le bois, les tiges d'acier filetées et les tiges d'acier filetées avec crochet de diamètre 12 mm et 14 mm. En outre, une solution innovante a été testée, consistant en un connecteur par tige d'acier non fileté de 12 mm de diamètre couplé à un profilé en U. Ce connecteur est issu d’un processus de fabrication simplifié avec une tige d'acier soudée à un profilé en U. Son installation est faite par battage à l'interface de la poutre mixte. L’intérêt de l’utilisation d’un profilé en U réside dans le fait d’offrir une grande surface de contact entre l'acier et le béton pour profiter au mieux de la grande résistance du béton.
Suite à la caractérisation des matériaux, des tests expérimentaux de cisaillement ou push-out ont été réalisés sur les différentes configurations de connecteurs afin d'étudier leur résistance, leur ductilité et leur mode de ruine. Sept systèmes de connexion ont été testés, et la connexion combinant des tiges d'acier haute adhérence non filetées couplées à un profilé en U a été identifiée comme la meilleure en termes de résistance, de rigidité et de ductilité. Les résultats ont montré que le filetage détériore légèrement le comportement des connexions, tandis que la présence du crochet améliore significativement le comportement des connexions par tige d'acier seules. De plus, un modèle numérique 3D utilisant le logiciel Abaqus a été calibré et validé à l'aide des résultats expérimentaux.
Des essais de flexion à quatre points ont ensuite été réalisés sur des poutres mixtes bois-béton. La connexion par tiges d'acier haute adhérence non filetées couplées à un profilé en U a été utilisée en combinaison avec la connexion par tiges d'acier haute adhérence filetées avec crochet vissées dans le bois pour construire des poutres mixtes. Au total, 12 poutres mixtes ont été réalisées. L'objectif de cette étude était d'analyser l'influence du comportement des connecteurs sur le comportement global des poutres mixtes bois-béton. Les résultats des tests expérimentaux ont montré que les poutres équipées uniquement d'un système de connexion par tiges d'acier non filetées couplées à un profilé en U présentaient les meilleures performances mécaniques en termes de capacité et de rigidité effective. Les poutres équipées de systèmes de connexion combinant les tiges d'acier non filetées couplées à un profilé en U et la connexion par tiges d'acier filetées avec crochet avaient une résistance et une rigidité effective proches des poutres équipées uniquement d'un système de connexion par tiges d'acier non filetées couplées à un profilé en U. Le modèle numérique développé pour les poutres mixtes permet de prédire avec précision le comportement des poutres mixtes testées expérimentalement.
Par ailleurs, le modèle numérique créé s'est avéré plus performant que les modèles analytiques pour prédire le comportement des poutres mixtes, et il a été utilisé pour mener des analyses paramétriques sur les connexions. Les études paramétriques réalisées grâce au modèle numérique ont permis de mettre en évidence l'importance de l'enfoncement du profilé en U dans le bois et l'espacement idéal pour obtenir un comportement en connexion totale des poutres mixtes. En perspective, il est prévu de développer une approche visant à modéliser avec une meilleure précision la connexion tige d'acier/profilé en U.
Abstract : This thesis focuses on the study of various variants of high-strength rebar connectors commonly used for concrete reinforcement, with the aim of improving the structural performance of timber-concrete composite beams. These beams combine a timber (tropical timber) beam with a concrete slab, requiring shear connectors at the interface of the two materials. In the specific context of Burkina Faso, a series of tests were conducted to evaluate different configurations of rebar geometry. This includes unthreaded rebars that have been hammered into the timber, as well as threaded rebars with or without a hook that have been screwed into the timber. The diameter of the rebar is 12 mm and 14 mm. Additionally, an innovative solution was tested, consisting of a non-threaded 12 mm diameter rebar connector coupled with a U-profile. This connector is derived from a simplified manufacturing process with a rebar welded to a U-profile. It is installed by hammering at the interface of the composite beam. The use of a U-profile offers a large contact surface between the rebar and the concrete to maximize the concrete's high strength.
Following material characterization, experimental push-out shear tests were performed on different connector configurations to study their strength, ductility, and failure mode. Seven connection systems were tested, and the connection combining non-threaded high-strength rebars coupled with a U-profile was identified as the best in terms of strength, stiffness, and ductility. The results showed that threading slightly deteriorates the behavior of the connections, while the presence of the hook significantly improves the behavior of rebar connections alone. Additionally, a 3D numerical model using Abaqus software was calibrated and validated using experimental results.
Four-point bending tests were then conducted on timber-concrete composite beams. The connection with non-threaded high-strength rebars coupled with a U-profile was used in combination with the connection using threaded high-strength rebars with hooks screwed into the timber to construct timber-concrete composite beams. A total of 12 composite beams were constructed. The objective of this study was to analyze the influence of connector behavior on the overall behavior of timber-concrete composite beams. The results of the experimental tests showed that beams equipped solely with the connection system of non-threaded rebars coupled with a U-profile exhibited the best mechanical performance in terms of capacity and effective stiffness. Beams equipped with connection systems combining non-threaded rebars coupled with a U-profile and the connection using threaded rebars with hooks had a bearing capacity and effective stiffness close to beams equipped solely with the connection system of non-threaded rebars coupled with a U-profile. The numerical model developed for the composite beams accurately predicts the behavior of the experimentally tested timber-concrete composite beams.
Furthermore, the created numerical model proved to be more accurate than analytical models in predicting the behavior of composite beams and was used to conduct parametric analyses on the connections. The parametric studies performed using the numerical model highlighted the importance of the embedding of the U-profile into the timber and the ideal spacing to achieve full connection behavior of timber-concrete composite beams. In the future, there are plans to develop an approach to more accurately model the rebar/U-profile connection.Thèse en Sciences et Technologies de l'Eau, de l'Energie et de l’Environnement. Etude du comportement mécanique des poutres mixtes bois-béton avec connexion par tige d’acier – approche expérimentale et modélisation [texte imprimé] / Djidoula TAKO, Auteur . - 2023 . - 219 p.
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Résumé : Cette thèse se concentre sur l'étude de plusieurs variantes de connecteurs par tige d'acier haute adhérence, couramment utilisés pour le renforcement du béton, dans le but d'améliorer les performances structurales des poutres mixtes bois-béton. Ces poutres combinent une poutre en bois (bois tropicaux) avec une dalle de béton, ce qui nécessite des connecteurs de cisaillement à l'interface des deux matériaux. Dans le contexte spécifique du Burkina Faso, une série d'essais a été réalisée pour évaluer différentes configurations de géométrie de tiges d'acier. Cela comprend les tiges d'acier battues dans le bois, les tiges d'acier filetées et les tiges d'acier filetées avec crochet de diamètre 12 mm et 14 mm. En outre, une solution innovante a été testée, consistant en un connecteur par tige d'acier non fileté de 12 mm de diamètre couplé à un profilé en U. Ce connecteur est issu d’un processus de fabrication simplifié avec une tige d'acier soudée à un profilé en U. Son installation est faite par battage à l'interface de la poutre mixte. L’intérêt de l’utilisation d’un profilé en U réside dans le fait d’offrir une grande surface de contact entre l'acier et le béton pour profiter au mieux de la grande résistance du béton.
Suite à la caractérisation des matériaux, des tests expérimentaux de cisaillement ou push-out ont été réalisés sur les différentes configurations de connecteurs afin d'étudier leur résistance, leur ductilité et leur mode de ruine. Sept systèmes de connexion ont été testés, et la connexion combinant des tiges d'acier haute adhérence non filetées couplées à un profilé en U a été identifiée comme la meilleure en termes de résistance, de rigidité et de ductilité. Les résultats ont montré que le filetage détériore légèrement le comportement des connexions, tandis que la présence du crochet améliore significativement le comportement des connexions par tige d'acier seules. De plus, un modèle numérique 3D utilisant le logiciel Abaqus a été calibré et validé à l'aide des résultats expérimentaux.
Des essais de flexion à quatre points ont ensuite été réalisés sur des poutres mixtes bois-béton. La connexion par tiges d'acier haute adhérence non filetées couplées à un profilé en U a été utilisée en combinaison avec la connexion par tiges d'acier haute adhérence filetées avec crochet vissées dans le bois pour construire des poutres mixtes. Au total, 12 poutres mixtes ont été réalisées. L'objectif de cette étude était d'analyser l'influence du comportement des connecteurs sur le comportement global des poutres mixtes bois-béton. Les résultats des tests expérimentaux ont montré que les poutres équipées uniquement d'un système de connexion par tiges d'acier non filetées couplées à un profilé en U présentaient les meilleures performances mécaniques en termes de capacité et de rigidité effective. Les poutres équipées de systèmes de connexion combinant les tiges d'acier non filetées couplées à un profilé en U et la connexion par tiges d'acier filetées avec crochet avaient une résistance et une rigidité effective proches des poutres équipées uniquement d'un système de connexion par tiges d'acier non filetées couplées à un profilé en U. Le modèle numérique développé pour les poutres mixtes permet de prédire avec précision le comportement des poutres mixtes testées expérimentalement.
Par ailleurs, le modèle numérique créé s'est avéré plus performant que les modèles analytiques pour prédire le comportement des poutres mixtes, et il a été utilisé pour mener des analyses paramétriques sur les connexions. Les études paramétriques réalisées grâce au modèle numérique ont permis de mettre en évidence l'importance de l'enfoncement du profilé en U dans le bois et l'espacement idéal pour obtenir un comportement en connexion totale des poutres mixtes. En perspective, il est prévu de développer une approche visant à modéliser avec une meilleure précision la connexion tige d'acier/profilé en U.
Abstract : This thesis focuses on the study of various variants of high-strength rebar connectors commonly used for concrete reinforcement, with the aim of improving the structural performance of timber-concrete composite beams. These beams combine a timber (tropical timber) beam with a concrete slab, requiring shear connectors at the interface of the two materials. In the specific context of Burkina Faso, a series of tests were conducted to evaluate different configurations of rebar geometry. This includes unthreaded rebars that have been hammered into the timber, as well as threaded rebars with or without a hook that have been screwed into the timber. The diameter of the rebar is 12 mm and 14 mm. Additionally, an innovative solution was tested, consisting of a non-threaded 12 mm diameter rebar connector coupled with a U-profile. This connector is derived from a simplified manufacturing process with a rebar welded to a U-profile. It is installed by hammering at the interface of the composite beam. The use of a U-profile offers a large contact surface between the rebar and the concrete to maximize the concrete's high strength.
Following material characterization, experimental push-out shear tests were performed on different connector configurations to study their strength, ductility, and failure mode. Seven connection systems were tested, and the connection combining non-threaded high-strength rebars coupled with a U-profile was identified as the best in terms of strength, stiffness, and ductility. The results showed that threading slightly deteriorates the behavior of the connections, while the presence of the hook significantly improves the behavior of rebar connections alone. Additionally, a 3D numerical model using Abaqus software was calibrated and validated using experimental results.
Four-point bending tests were then conducted on timber-concrete composite beams. The connection with non-threaded high-strength rebars coupled with a U-profile was used in combination with the connection using threaded high-strength rebars with hooks screwed into the timber to construct timber-concrete composite beams. A total of 12 composite beams were constructed. The objective of this study was to analyze the influence of connector behavior on the overall behavior of timber-concrete composite beams. The results of the experimental tests showed that beams equipped solely with the connection system of non-threaded rebars coupled with a U-profile exhibited the best mechanical performance in terms of capacity and effective stiffness. Beams equipped with connection systems combining non-threaded rebars coupled with a U-profile and the connection using threaded rebars with hooks had a bearing capacity and effective stiffness close to beams equipped solely with the connection system of non-threaded rebars coupled with a U-profile. The numerical model developed for the composite beams accurately predicts the behavior of the experimentally tested timber-concrete composite beams.
Furthermore, the created numerical model proved to be more accurate than analytical models in predicting the behavior of composite beams and was used to conduct parametric analyses on the connections. The parametric studies performed using the numerical model highlighted the importance of the embedding of the U-profile into the timber and the ideal spacing to achieve full connection behavior of timber-concrete composite beams. In the future, there are plans to develop an approach to more accurately model the rebar/U-profile connection.Exemplaires(0)
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TakoAdobe Acrobat PDFThèse en Sciences et Technologies de l'Eau, de l'Energie et de l’Environnement. Urban residential electricity consumption in relation to households' characteristics and energy behaviours in the west african economic and monetary union / Komlan Hector Seth TETE
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Titre de série : Thèse en Sciences et Technologies de l'Eau, de l'Energie et de l’Environnement Titre : Urban residential electricity consumption in relation to households' characteristics and energy behaviours in the west african economic and monetary union : towards the implementation of a digital tool for domestic energy efficiency Type de document : texte imprimé Auteurs : Komlan Hector Seth TETE, Auteur Année de publication : 2023 Importance : 428 p. Langues : Français (fre) Résumé : Dans les résidences, l'électricité est utilisée pour faire fonctionner des appareils tels que les luminaires, les systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation (CVC), les appareils de conservation des aliments et les appareils de cuisine, les appareils d'information, de communication et de divertissement (ICD) et d'autres appareils divers. La demande d'électricité dans le secteur résidentiel de l'Union Economique et Monétaire Ouest Africaine (UEMOA) a atteint 36 % de la demande globale d'électricité en 2020. Le secteur résidentiel semble donc être l'un des principaux secteurs d'intérêt pour les programmes et stratégies de gestion axée sur la demande (GAD) et d'amélioration de l'utilisation dans une telle région. Cependant, il est très difficile de trouver des informations sur les modes d'utilisation et les caractéristiques de la consommation domestique d'électricité, car il existe peu de recherches scientifiques à ce sujet. Cette thèse vise donc à fournir des informations sur l'utilisation réelle de l'électricité par les ménages dans l'espace UEMOA. Le Burkina Faso a été choisi comme pays d'étude, avec un accent sur l'échelle urbaine. Deux phases de collecte de données ont été effectuées. La première phase comprenant une enquête auprès de 387 ménages dans la ville de Ouagadougou constituant à notre connaissance, la première étude à grande échelle sur l'électricité domestique à l'échelle d'une ville entreprise au Burkina Faso ; et la seconde est une phase de suivi de la consommation de six (06) résidences prises parmi celles qui ont été enquêtées. Des informations sur les caractéristiques et les comportements des ménages ont été collectées dans le but de réaliser une analyse complète des caractéristiques et des modes d'utilisation réelle de l'électricité domestique à l'échelle urbaine.
D'importantes variations dans la demande d'énergie électrique entre les ménages urbains ont été révélées, ce qui a conduit à la formation de trois groupes de consommateurs stratifiés par niveau de consommation : les petits consommateurs pour lesquels la consommation annuelle d'électricité varie de 181 à 1 250 kWh avec une moyenne de 891 kWh, les consommateurs moyens pour lesquels la consommation annuelle moyenne d'électricité est de 1 976 kWh, avec des valeurs allant de 1 251 à 2 862 kWh, et les grands consommateurs pour lesquels la consommation annuelle d'électricité varie entre 2 863 et 10 188 kWh, avec une moyenne de 4 339 kWh par an. Une ANOVA à sens unique et une analyse post hoc ont révélé des différences significatives (de l’ordre de 1%) entre les groupes de consommateurs.
L'étude a révélé deux (02) principaux facteurs comportementaux de consommation d'électricité dans les ménages urbains de l'UEMOA, à savoir “l'utilisation globale des appareils" et "la présence dans
l’habitat". Ces facteurs ont ensuite révélé quatre (04) principaux modèles comportementaux d'utilisation de l'électricité, à savoir la présence, l'utilisation des appareils, la présence et l'utilisation des appareils, et autres facteurs. Enfin, les recherches sur la relation entre les modèles comportementaux (déterminés) de consommation d'électricité et les caractéristiques des ménages ont dévoilé huit (08) profils comportementaux (PC) de consommation d'électricité : les profils Moderne, Senior, Famille équipée, Autres-FS, Équilibré, Conservateur, Vintage, et Autres-ES. Ces profils correspondent à des groupes de ménages ayant des antécédents, des caractéristiques et des comportements différents.
Les déterminants de la demande d'électricité domestique ont été étudiés à l'aide de modèles de régression sur des facteurs tels que le logement, les ménages et les facteurs socio-économiques (DHSE), la possession d'appareils (AO) et l'utilisation des appareils et les comportements énergétiques (AUEB). Le revenu des ménages et le régime d’occupation du logement ont été identifiés comme les facteurs socio-économiques les plus significatifs pour la prédiction de la consommation d’électricité résidentielle domestique (ERD), tandis que la possession d'appareils d'éclairage, du ventilateur, du réfrigérateur, du fer à repasser, du congélateur et du climatiseur ont été identifiés comme les facteurs de possession des appareils les plus significatifs pour la prédiction de l’ERD. Enfin les facteurs d’utilisation des appareils les plus significatifs pour la prédiction de l’ERD sont l’utilisation des appareils d'éclairage, du téléviseur, du réfrigérateur, du congélateur et du climatiseur. Les facteurs DHSE expliquent individuellement 62,1% de la variance de l'électricité résidentielle domestique (ERD) et 70,2% et 70,5%, lorsqu'ils sont combinés à l'AO et à l'AUEB respectivement., lorsqu'ils sont combinés à l'AO et à l'AUEB.
Ensuite, la demande d'électricité domestique urbaine a été caractérisée en termes de modes d'utilisation et de contribution des utilisateurs finaux et a révélé une consommation annuelle moyenne d'électricité de 2 395 kWh pour l'ensemble de l'échantillon, la consommation annuelle moyenne des PB des profils comportementaux étant comprise entre 1 186 et 4 748 kWh. Les schémas d'utilisation de cette demande ont révélé trois types de pics de consommation dans la journée. Le premier se produit le matin vers 5 ou 6 heures selon la saison, le deuxième en milieu de journée (13 heures) et le troisième, qui correspond au principal pic de la demande d'électricité domestique, le soir (entre 19 et 21 heures). En ce qui concerne la contribution des utilisations finales, l'étude a révélé que les principaux appareils consommateurs du secteur de l'électricité domestique comprennent les climatiseurs, les ventilateurs, les téléviseurs, les réfrigérateurs et les congélateurs et les appareils d'éclairage, tandis que les principales activités de consommation comprennent le confort thermique, la cuisson et la conservation des aliments, l'information-communication-divertissement et l'éclairage.
Abstract : Within the residences, electricity is used to operate appliances such as lighting fixtures, heating, ventilation and air-conditioning (HVAC) systems, food-preserving and kitchen appliances, information, communication and entertainment (ICE) appliances and other various appliances. Electricity demand in the residential sector of the West African Economic and Monetary Union (UEMOA) reached 36% of the overall demand for electricity in 2020. Therefore, the residential sector appears to be one of the main interest sectors for Demand-Side Management (DSM) and improvement of use in such a region. However, information on actual patterns of use and characteristics of domestic electricity use remains very challenging to find, as little research currently exists. This Thesis aimed, therefore, to provide insights into the actual residential electricity use in the UEMOA. Burkina Faso was chosen as the country of the study, with a focus on the urban scale. Two stages of data collection including a survey with 387 households, the first large-scale, city-wide household electricity study undertaken in Burkina Faso to our knowledge, and a monitoring phase within six (06) residents were conducted in the city of Ouagadougou. Information on the households’ characteristics and behaviours was collected to yield a comprehensive analysis of the characteristics and patterns of use of actual city-scale domestic electricity demand.
Large variations in electrical energy demand between urban households were revealed, leading to the formation of three groups of consumers stratified per level of consumption: the low consumers for which the annual electricity ranged from 181 to 1 250 kWh with a mean of 891 kWh, the medium consumers for which the mean annual electricity use was 1 976 kWh, with values ranging from 1 251 to 2 862 kWh, and the high consumers for which the annual electricity use varies between 2 863 and 10 188 kWh, with a mean of 4 339 kWh per annum. A one-way ANOVA and a post hoc analysis revealed significant differences between the groups of consumers at 1% level.
The study revealed two (02) main electricity use behavioural factors within urban households in UEMOA namely “Global Appliance Use” and “Spatial Presence”, with such factors revealing further, four (04) main behavioural patterns of electricity use including Presence, Appliance use, Presence and Appliance use and Other. Finally, investigations on the relationship between the determined behavioural patterns of use of electricity and characteristics of the households unveiled eight (08) behavioural profiles (BPs) of electricity use namely the Modern, Senior, Equipped Family, Others-FS, Balanced, Conservative, Vintage and Others-ES profiles. Such profiles correspond to groups of households with different backgrounds, characteristics and behaviours.
Determinants of domestic electricity demand were investigated using regression models upon factors including dwelling, households and socio-economic (DHSE), appliance ownership (AO) and appliance use and energy behaviours (AUEB) factors. Household income and dwelling tenure type, emerged as the unambiguously significant DHSE predictors of DREC while unambiguously significant AO predictors of DREC were ownership of lighting fixtures, fans, fridges, irons, freezers and air-conditioners, and unambiguously significant AUEB predictors of DREC included lighting fixtures, TV sets, fridges, freezers, and air-conditioner use. DHSE factors individually explained 62.1% of the variance in domestic residential electricity consumption (DREC), and 70.2% and 70.5%, when combined with AO and AUEB respectively
Following, urban domestic electricity demand was characterised in terms of patterns of use and contribution of the end-users and revealed a mean annual electricity consumption of 2395 kWh for the overall sample, with the behavioural profiles' BPs mean annual electricity consumption ranging from 1 186 and 4 748 kWh. Patterns of use of such demand demonstrated three types of peaks. The first one occurs in the morning around 5 and 6 a.m. depending on the season, the second, around midday (1 p.m.), and the third, which corresponds to the main and highest peak of the domestic electricity demand, in the evening (between 7 to 9 p.m.). On the end-uses contribution, the study revealed that the main consuming appliances of the domestic electricity sector include ACs, fans, TV sets, fridges and freezers, and lighting appliances while main consuming activities include cooling, cooking and food-preserving, information-communication-entertainment, and lighting.
Finally, as a way of capitalising on the results of the study, a tool characterising domestic electricity consumption was developed to act as a DSM/EE supporting tool for the management of domestic electricity in urban areas of the UEMOA. Features of such a tool included mainly the identification and categorisation of an electricity user based solely on the residents’ characteristics and behaviours, modelling and computing of the patterns of use, computing of the monthly and annual electricity consumption and the associated costs, and providing energy conservation/efficiency strategies for the optimisation of the electricity use within the residence. Findings suggest that the tool can be seen as a good assisting tool not only for estimations of the needs of a household for a renewable system sizing but can also be good for the prevision of the demand, which makes it an asset for a wide range of actors of the electricity sector in the UEMOA.Thèse en Sciences et Technologies de l'Eau, de l'Energie et de l’Environnement. Urban residential electricity consumption in relation to households' characteristics and energy behaviours in the west african economic and monetary union : towards the implementation of a digital tool for domestic energy efficiency [texte imprimé] / Komlan Hector Seth TETE, Auteur . - 2023 . - 428 p.
Langues : Français (fre)
Résumé : Dans les résidences, l'électricité est utilisée pour faire fonctionner des appareils tels que les luminaires, les systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation (CVC), les appareils de conservation des aliments et les appareils de cuisine, les appareils d'information, de communication et de divertissement (ICD) et d'autres appareils divers. La demande d'électricité dans le secteur résidentiel de l'Union Economique et Monétaire Ouest Africaine (UEMOA) a atteint 36 % de la demande globale d'électricité en 2020. Le secteur résidentiel semble donc être l'un des principaux secteurs d'intérêt pour les programmes et stratégies de gestion axée sur la demande (GAD) et d'amélioration de l'utilisation dans une telle région. Cependant, il est très difficile de trouver des informations sur les modes d'utilisation et les caractéristiques de la consommation domestique d'électricité, car il existe peu de recherches scientifiques à ce sujet. Cette thèse vise donc à fournir des informations sur l'utilisation réelle de l'électricité par les ménages dans l'espace UEMOA. Le Burkina Faso a été choisi comme pays d'étude, avec un accent sur l'échelle urbaine. Deux phases de collecte de données ont été effectuées. La première phase comprenant une enquête auprès de 387 ménages dans la ville de Ouagadougou constituant à notre connaissance, la première étude à grande échelle sur l'électricité domestique à l'échelle d'une ville entreprise au Burkina Faso ; et la seconde est une phase de suivi de la consommation de six (06) résidences prises parmi celles qui ont été enquêtées. Des informations sur les caractéristiques et les comportements des ménages ont été collectées dans le but de réaliser une analyse complète des caractéristiques et des modes d'utilisation réelle de l'électricité domestique à l'échelle urbaine.
D'importantes variations dans la demande d'énergie électrique entre les ménages urbains ont été révélées, ce qui a conduit à la formation de trois groupes de consommateurs stratifiés par niveau de consommation : les petits consommateurs pour lesquels la consommation annuelle d'électricité varie de 181 à 1 250 kWh avec une moyenne de 891 kWh, les consommateurs moyens pour lesquels la consommation annuelle moyenne d'électricité est de 1 976 kWh, avec des valeurs allant de 1 251 à 2 862 kWh, et les grands consommateurs pour lesquels la consommation annuelle d'électricité varie entre 2 863 et 10 188 kWh, avec une moyenne de 4 339 kWh par an. Une ANOVA à sens unique et une analyse post hoc ont révélé des différences significatives (de l’ordre de 1%) entre les groupes de consommateurs.
L'étude a révélé deux (02) principaux facteurs comportementaux de consommation d'électricité dans les ménages urbains de l'UEMOA, à savoir “l'utilisation globale des appareils" et "la présence dans
l’habitat". Ces facteurs ont ensuite révélé quatre (04) principaux modèles comportementaux d'utilisation de l'électricité, à savoir la présence, l'utilisation des appareils, la présence et l'utilisation des appareils, et autres facteurs. Enfin, les recherches sur la relation entre les modèles comportementaux (déterminés) de consommation d'électricité et les caractéristiques des ménages ont dévoilé huit (08) profils comportementaux (PC) de consommation d'électricité : les profils Moderne, Senior, Famille équipée, Autres-FS, Équilibré, Conservateur, Vintage, et Autres-ES. Ces profils correspondent à des groupes de ménages ayant des antécédents, des caractéristiques et des comportements différents.
Les déterminants de la demande d'électricité domestique ont été étudiés à l'aide de modèles de régression sur des facteurs tels que le logement, les ménages et les facteurs socio-économiques (DHSE), la possession d'appareils (AO) et l'utilisation des appareils et les comportements énergétiques (AUEB). Le revenu des ménages et le régime d’occupation du logement ont été identifiés comme les facteurs socio-économiques les plus significatifs pour la prédiction de la consommation d’électricité résidentielle domestique (ERD), tandis que la possession d'appareils d'éclairage, du ventilateur, du réfrigérateur, du fer à repasser, du congélateur et du climatiseur ont été identifiés comme les facteurs de possession des appareils les plus significatifs pour la prédiction de l’ERD. Enfin les facteurs d’utilisation des appareils les plus significatifs pour la prédiction de l’ERD sont l’utilisation des appareils d'éclairage, du téléviseur, du réfrigérateur, du congélateur et du climatiseur. Les facteurs DHSE expliquent individuellement 62,1% de la variance de l'électricité résidentielle domestique (ERD) et 70,2% et 70,5%, lorsqu'ils sont combinés à l'AO et à l'AUEB respectivement., lorsqu'ils sont combinés à l'AO et à l'AUEB.
Ensuite, la demande d'électricité domestique urbaine a été caractérisée en termes de modes d'utilisation et de contribution des utilisateurs finaux et a révélé une consommation annuelle moyenne d'électricité de 2 395 kWh pour l'ensemble de l'échantillon, la consommation annuelle moyenne des PB des profils comportementaux étant comprise entre 1 186 et 4 748 kWh. Les schémas d'utilisation de cette demande ont révélé trois types de pics de consommation dans la journée. Le premier se produit le matin vers 5 ou 6 heures selon la saison, le deuxième en milieu de journée (13 heures) et le troisième, qui correspond au principal pic de la demande d'électricité domestique, le soir (entre 19 et 21 heures). En ce qui concerne la contribution des utilisations finales, l'étude a révélé que les principaux appareils consommateurs du secteur de l'électricité domestique comprennent les climatiseurs, les ventilateurs, les téléviseurs, les réfrigérateurs et les congélateurs et les appareils d'éclairage, tandis que les principales activités de consommation comprennent le confort thermique, la cuisson et la conservation des aliments, l'information-communication-divertissement et l'éclairage.
Abstract : Within the residences, electricity is used to operate appliances such as lighting fixtures, heating, ventilation and air-conditioning (HVAC) systems, food-preserving and kitchen appliances, information, communication and entertainment (ICE) appliances and other various appliances. Electricity demand in the residential sector of the West African Economic and Monetary Union (UEMOA) reached 36% of the overall demand for electricity in 2020. Therefore, the residential sector appears to be one of the main interest sectors for Demand-Side Management (DSM) and improvement of use in such a region. However, information on actual patterns of use and characteristics of domestic electricity use remains very challenging to find, as little research currently exists. This Thesis aimed, therefore, to provide insights into the actual residential electricity use in the UEMOA. Burkina Faso was chosen as the country of the study, with a focus on the urban scale. Two stages of data collection including a survey with 387 households, the first large-scale, city-wide household electricity study undertaken in Burkina Faso to our knowledge, and a monitoring phase within six (06) residents were conducted in the city of Ouagadougou. Information on the households’ characteristics and behaviours was collected to yield a comprehensive analysis of the characteristics and patterns of use of actual city-scale domestic electricity demand.
Large variations in electrical energy demand between urban households were revealed, leading to the formation of three groups of consumers stratified per level of consumption: the low consumers for which the annual electricity ranged from 181 to 1 250 kWh with a mean of 891 kWh, the medium consumers for which the mean annual electricity use was 1 976 kWh, with values ranging from 1 251 to 2 862 kWh, and the high consumers for which the annual electricity use varies between 2 863 and 10 188 kWh, with a mean of 4 339 kWh per annum. A one-way ANOVA and a post hoc analysis revealed significant differences between the groups of consumers at 1% level.
The study revealed two (02) main electricity use behavioural factors within urban households in UEMOA namely “Global Appliance Use” and “Spatial Presence”, with such factors revealing further, four (04) main behavioural patterns of electricity use including Presence, Appliance use, Presence and Appliance use and Other. Finally, investigations on the relationship between the determined behavioural patterns of use of electricity and characteristics of the households unveiled eight (08) behavioural profiles (BPs) of electricity use namely the Modern, Senior, Equipped Family, Others-FS, Balanced, Conservative, Vintage and Others-ES profiles. Such profiles correspond to groups of households with different backgrounds, characteristics and behaviours.
Determinants of domestic electricity demand were investigated using regression models upon factors including dwelling, households and socio-economic (DHSE), appliance ownership (AO) and appliance use and energy behaviours (AUEB) factors. Household income and dwelling tenure type, emerged as the unambiguously significant DHSE predictors of DREC while unambiguously significant AO predictors of DREC were ownership of lighting fixtures, fans, fridges, irons, freezers and air-conditioners, and unambiguously significant AUEB predictors of DREC included lighting fixtures, TV sets, fridges, freezers, and air-conditioner use. DHSE factors individually explained 62.1% of the variance in domestic residential electricity consumption (DREC), and 70.2% and 70.5%, when combined with AO and AUEB respectively
Following, urban domestic electricity demand was characterised in terms of patterns of use and contribution of the end-users and revealed a mean annual electricity consumption of 2395 kWh for the overall sample, with the behavioural profiles' BPs mean annual electricity consumption ranging from 1 186 and 4 748 kWh. Patterns of use of such demand demonstrated three types of peaks. The first one occurs in the morning around 5 and 6 a.m. depending on the season, the second, around midday (1 p.m.), and the third, which corresponds to the main and highest peak of the domestic electricity demand, in the evening (between 7 to 9 p.m.). On the end-uses contribution, the study revealed that the main consuming appliances of the domestic electricity sector include ACs, fans, TV sets, fridges and freezers, and lighting appliances while main consuming activities include cooling, cooking and food-preserving, information-communication-entertainment, and lighting.
Finally, as a way of capitalising on the results of the study, a tool characterising domestic electricity consumption was developed to act as a DSM/EE supporting tool for the management of domestic electricity in urban areas of the UEMOA. Features of such a tool included mainly the identification and categorisation of an electricity user based solely on the residents’ characteristics and behaviours, modelling and computing of the patterns of use, computing of the monthly and annual electricity consumption and the associated costs, and providing energy conservation/efficiency strategies for the optimisation of the electricity use within the residence. Findings suggest that the tool can be seen as a good assisting tool not only for estimations of the needs of a household for a renewable system sizing but can also be good for the prevision of the demand, which makes it an asset for a wide range of actors of the electricity sector in the UEMOA.Exemplaires(0)
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SethAdobe Acrobat PDFThèse en Sciences et Technologies de l'Eau, de l'Energie et de l’Environnement. Application of Upflow Anaerobic Sludge Blanket Reactor coupled with Trickling Filters for Municipal Wastewater Treatment / Philomina Mamley Adantey ARTHUR
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Titre de série : Thèse en Sciences et Technologies de l'Eau, de l'Energie et de l’Environnement Titre : Application of Upflow Anaerobic Sludge Blanket Reactor coupled with Trickling Filters for Municipal Wastewater Treatment : Technical, Environmental and economic assessment in the tropical developing country of Ghana Type de document : texte imprimé Auteurs : Philomina Mamley Adantey ARTHUR, Auteur Année de publication : 2023 Importance : 259 P. Langues : Français (fre) Résumé : La gestion des eaux usées reste un défi majeur dans la plupart des pays en développement notamment ceux d'Afrique subsaharienne confrontés au manque d'infrastructures adéquates pour la collecte, l'évacuation, et le traitement de ces eaux. Ce défi est davantage exacerbé par la croissance rapide de la population, l'urbanisation galopante et l'industrialisation. Les eaux usées non traitées contiennent pourtant des polluants divers tels que des composés toxiques et des agents pathogènes qui mettent en danger la santé publique et les écosystèmes récepteurs. Elles sont cependant composées de riches ressources telles que de l'eau douce, des nutriments et de l’'énergie qui peuvent être exploitées en utilisant des technologies adaptées et respectueuses de l'environnement, en appliquant les principes de l'économie circulaire, ce qui favoriserait une gestion durable des eaux usées. Le réacteur à lit de boues anaérobie à flux ascendant (UASB) est considéré comme une option technologique efficace de traitement des eaux usées qui a été largement mise en oeuvre dans plusieurs régions du monde, notamment en Europe, en Amérique latine et en Inde. Cette technologie est cependant moins représentée en Afrique subsaharienne malgré les conditions climatiques qui semblent être favorables à son fonctionnement. Cette étude de thèse a porté sur l’évaluation de la viabilité technique, environnementale et économique d'un réacteur UASB grandeur réelle couplé à des lits bactériens comme unités de post-traitement à la STEP de Mudor à Accra, capitale du Ghana dans la sous-région ouest-africaine. L'évaluation technique a révélé une performance satisfaisante du système UASB avec une efficacité d'élimination de plus de 70% pour les paramètres de pollutions considérés (matières solides, les matières organiques et les charges microbiennes), tandis que le post-traitement par lits bactériens a encore amélioré l'élimination de ces contaminants jusqu'aux limites acceptables fixées par l’Agence de Protection de l’Environnement (EPA) du Ghana. La quantité journalière de biogaz produite est comprise entre 101 Nm3/j et 1673 Nm3/j, avec une production moyenne journalière de à 613 ± 271 Nm3/j, correspondant à un rendement spécifique de 0.140 ± 0.07 m3biogaz/kgDCO traitée. La qualité du biogaz produit contient en moyenne 65% de méthane. Cependant, 23% du méthane généré est dissous dans l'effluent, ce qui réduit le potentiel de valorisation énergétique du biogaz. L'évaluation environnementale a utilisé la méthodologie du GIEC pour mesurer l'empreinte carbone de la station de traitement des eaux usées municipales de Mudor. L'étude a révélé que les émissions totales de gaz à effet de serre (GES) provenant des opérations de cette station s’élevaient à 39 619,36 tCO2eq/an. Les émissions de CO2 provenant de la consommation
d'énergie ont été estimées à 165,74 tCO2eq/an, soit 8,5% des émissions totales. Le méthane dissous dans les effluents a été identifié comme la source la plus importante d'émissions de GES avec une contribution de plus de 90%, soit 37 676,67 tCO2eq/an. Une analyse coûts-avantages a été utilisée pour l'évaluation économique. Elle a révélé que la gestion du personnel était responsable du pourcentage le plus élevé (37%) des charges d’exploitation, tandis que la consommation d'énergie de la station d'épuration ne représentait que 7,3% des charges globales d’exploitation. L'analyse des bénéfices effectuée en utilisant la valorisation des ressources a révélé que le potentiel de récupération d'énergie (534,1 MWh/an) à partir du biogaz et des boues générées par la station pourrait compenser complètement la demande totale d'énergie de la station (392,7 MWh/an). Il a également été constaté que l'effluent traité riche en nutriments présentait une concentration plus faible en métaux lourds et une charge microbienne acceptable pour réutilisation en agriculture. Fort de ces résultats, la technologie du réacteur UASB présente donc une alternative de traitement efficace des eaux usées, économiquement réalisable et qui peut être mise en oeuvre dans les pays en développement en vue d'une gestion des eaux usées pour le développement durable dans cette partie du monde.
Abstract : Wastewater management remains one major challenge in most developing countries in sub-Saharan Africa (SSA) due to the lack of adequate infrastructure for wastewater disposal, collection, and treatment. This challenge has been exacerbated by rapid population growth, urbanization, and industrialization. Meanwhile, untreated wastewater contains pollutants such as toxic compounds and pathogens which put at risk public health and the receiving ecosystems. Wastewater is, however, composed of rich resources such as freshwater, nutrients and energy, which can be harnessed using modern and eco-friendly technologies that employ circular economy principles, promoting sustainable wastewater management. The Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB) reactor has been identified as an efficient and low-cost wastewater treatment option which has been widely implemented in several regions of the world, especially in Latin America and India. This technology is, however, less represented in SSA despite the favourable climatic conditions. This study, therefore, evaluated the technical, environmental, and economic sustainability of a full-scale UASB reactor coupled with Trickling Filters as post-treatment units in Accra, the capital city of Ghana in the West African sub-region. The technical assessment revealed satisfactory system performance with over 70% removal efficiency for solids, organic matter, and microbial loads, whilst post-treatment further enhanced the removal of these contaminants to acceptable limits set by the Environmental Protection Agency (EPA), Ghana. However, the system could not adequately remove nutrients, with nitrogen and phosphorous compounds far exceeding discharge limits. Daily biogas production was between 101 Nm3/d and 1673 Nm3/d, with an average daily production of 613 ± 271 Nm3/d, corresponding to a specific yield of 0.14 ± 0.07 m3biogas/kgCOD removed. Biogas produced contained 65% of methane. However, 23% of the methane generated remained dissolved in the effluent, reducing biogas energy recovery potential. Environmental assessment employed the IPCC GHG inventory methodology to measure the carbon footprints of the full-scale municipal wastewater treatment plant. It was found from the study that the total greenhouse gas (GHG) emissions from the operations of the Mudor Plant were estimated at 39,619.36 tCO2eq/yr. CO2 emissions from energy consumption were estimated at 165.74 tCO2eq/yr, constituting 8.5% of the total emissions. Dissolved methane in the effluent was identified as the single most significant source of GHG emissions, with over 90% contribution at 37,676.67 tCO2eq/yr. A cost-benefit analysis was employed for the economic assessment. Cost analysis revealed that staff management was responsible for the highest percentage (37%)
of the operational cost, whilst energy consumption of the anaerobic-based wastewater treatment plant was only 7.3% of the total operational cost. Benefit analysis carried out employing resource recovery revealed that energy recovery potential (534.1 MWh/yr) from biogas and sludge generated by the Plant could completely offset the total Plant energy demand (392.7 MWh/yr). Additionally, it was found that the nutrient-rich effluent had lower heavy metals concentration with acceptable microbial load count for urban irrigation. Thus, the UASB reactor technology presents an efficient, economically feasible and sustainable wastewater treatment alternative that can be implemented in developing countries towards the attainment of sustainable wastewater management for sustainable development in this part of the world.Thèse en Sciences et Technologies de l'Eau, de l'Energie et de l’Environnement. Application of Upflow Anaerobic Sludge Blanket Reactor coupled with Trickling Filters for Municipal Wastewater Treatment : Technical, Environmental and economic assessment in the tropical developing country of Ghana [texte imprimé] / Philomina Mamley Adantey ARTHUR, Auteur . - 2023 . - 259 P.
Langues : Français (fre)
Résumé : La gestion des eaux usées reste un défi majeur dans la plupart des pays en développement notamment ceux d'Afrique subsaharienne confrontés au manque d'infrastructures adéquates pour la collecte, l'évacuation, et le traitement de ces eaux. Ce défi est davantage exacerbé par la croissance rapide de la population, l'urbanisation galopante et l'industrialisation. Les eaux usées non traitées contiennent pourtant des polluants divers tels que des composés toxiques et des agents pathogènes qui mettent en danger la santé publique et les écosystèmes récepteurs. Elles sont cependant composées de riches ressources telles que de l'eau douce, des nutriments et de l’'énergie qui peuvent être exploitées en utilisant des technologies adaptées et respectueuses de l'environnement, en appliquant les principes de l'économie circulaire, ce qui favoriserait une gestion durable des eaux usées. Le réacteur à lit de boues anaérobie à flux ascendant (UASB) est considéré comme une option technologique efficace de traitement des eaux usées qui a été largement mise en oeuvre dans plusieurs régions du monde, notamment en Europe, en Amérique latine et en Inde. Cette technologie est cependant moins représentée en Afrique subsaharienne malgré les conditions climatiques qui semblent être favorables à son fonctionnement. Cette étude de thèse a porté sur l’évaluation de la viabilité technique, environnementale et économique d'un réacteur UASB grandeur réelle couplé à des lits bactériens comme unités de post-traitement à la STEP de Mudor à Accra, capitale du Ghana dans la sous-région ouest-africaine. L'évaluation technique a révélé une performance satisfaisante du système UASB avec une efficacité d'élimination de plus de 70% pour les paramètres de pollutions considérés (matières solides, les matières organiques et les charges microbiennes), tandis que le post-traitement par lits bactériens a encore amélioré l'élimination de ces contaminants jusqu'aux limites acceptables fixées par l’Agence de Protection de l’Environnement (EPA) du Ghana. La quantité journalière de biogaz produite est comprise entre 101 Nm3/j et 1673 Nm3/j, avec une production moyenne journalière de à 613 ± 271 Nm3/j, correspondant à un rendement spécifique de 0.140 ± 0.07 m3biogaz/kgDCO traitée. La qualité du biogaz produit contient en moyenne 65% de méthane. Cependant, 23% du méthane généré est dissous dans l'effluent, ce qui réduit le potentiel de valorisation énergétique du biogaz. L'évaluation environnementale a utilisé la méthodologie du GIEC pour mesurer l'empreinte carbone de la station de traitement des eaux usées municipales de Mudor. L'étude a révélé que les émissions totales de gaz à effet de serre (GES) provenant des opérations de cette station s’élevaient à 39 619,36 tCO2eq/an. Les émissions de CO2 provenant de la consommation
d'énergie ont été estimées à 165,74 tCO2eq/an, soit 8,5% des émissions totales. Le méthane dissous dans les effluents a été identifié comme la source la plus importante d'émissions de GES avec une contribution de plus de 90%, soit 37 676,67 tCO2eq/an. Une analyse coûts-avantages a été utilisée pour l'évaluation économique. Elle a révélé que la gestion du personnel était responsable du pourcentage le plus élevé (37%) des charges d’exploitation, tandis que la consommation d'énergie de la station d'épuration ne représentait que 7,3% des charges globales d’exploitation. L'analyse des bénéfices effectuée en utilisant la valorisation des ressources a révélé que le potentiel de récupération d'énergie (534,1 MWh/an) à partir du biogaz et des boues générées par la station pourrait compenser complètement la demande totale d'énergie de la station (392,7 MWh/an). Il a également été constaté que l'effluent traité riche en nutriments présentait une concentration plus faible en métaux lourds et une charge microbienne acceptable pour réutilisation en agriculture. Fort de ces résultats, la technologie du réacteur UASB présente donc une alternative de traitement efficace des eaux usées, économiquement réalisable et qui peut être mise en oeuvre dans les pays en développement en vue d'une gestion des eaux usées pour le développement durable dans cette partie du monde.
Abstract : Wastewater management remains one major challenge in most developing countries in sub-Saharan Africa (SSA) due to the lack of adequate infrastructure for wastewater disposal, collection, and treatment. This challenge has been exacerbated by rapid population growth, urbanization, and industrialization. Meanwhile, untreated wastewater contains pollutants such as toxic compounds and pathogens which put at risk public health and the receiving ecosystems. Wastewater is, however, composed of rich resources such as freshwater, nutrients and energy, which can be harnessed using modern and eco-friendly technologies that employ circular economy principles, promoting sustainable wastewater management. The Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB) reactor has been identified as an efficient and low-cost wastewater treatment option which has been widely implemented in several regions of the world, especially in Latin America and India. This technology is, however, less represented in SSA despite the favourable climatic conditions. This study, therefore, evaluated the technical, environmental, and economic sustainability of a full-scale UASB reactor coupled with Trickling Filters as post-treatment units in Accra, the capital city of Ghana in the West African sub-region. The technical assessment revealed satisfactory system performance with over 70% removal efficiency for solids, organic matter, and microbial loads, whilst post-treatment further enhanced the removal of these contaminants to acceptable limits set by the Environmental Protection Agency (EPA), Ghana. However, the system could not adequately remove nutrients, with nitrogen and phosphorous compounds far exceeding discharge limits. Daily biogas production was between 101 Nm3/d and 1673 Nm3/d, with an average daily production of 613 ± 271 Nm3/d, corresponding to a specific yield of 0.14 ± 0.07 m3biogas/kgCOD removed. Biogas produced contained 65% of methane. However, 23% of the methane generated remained dissolved in the effluent, reducing biogas energy recovery potential. Environmental assessment employed the IPCC GHG inventory methodology to measure the carbon footprints of the full-scale municipal wastewater treatment plant. It was found from the study that the total greenhouse gas (GHG) emissions from the operations of the Mudor Plant were estimated at 39,619.36 tCO2eq/yr. CO2 emissions from energy consumption were estimated at 165.74 tCO2eq/yr, constituting 8.5% of the total emissions. Dissolved methane in the effluent was identified as the single most significant source of GHG emissions, with over 90% contribution at 37,676.67 tCO2eq/yr. A cost-benefit analysis was employed for the economic assessment. Cost analysis revealed that staff management was responsible for the highest percentage (37%)
of the operational cost, whilst energy consumption of the anaerobic-based wastewater treatment plant was only 7.3% of the total operational cost. Benefit analysis carried out employing resource recovery revealed that energy recovery potential (534.1 MWh/yr) from biogas and sludge generated by the Plant could completely offset the total Plant energy demand (392.7 MWh/yr). Additionally, it was found that the nutrient-rich effluent had lower heavy metals concentration with acceptable microbial load count for urban irrigation. Thus, the UASB reactor technology presents an efficient, economically feasible and sustainable wastewater treatment alternative that can be implemented in developing countries towards the attainment of sustainable wastewater management for sustainable development in this part of the world.Exemplaires(0)
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MamleyAdobe Acrobat PDFThèse en Sciences et Technologies de l'Eau, de l'Energie et de l’Environnement. Etude comparative des performances de technologies photovoltaïques dans différentes zones climatiques de l’Afrique de l’Ouest / TOSSA KOSSOUN Alain
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Titre de série : Thèse en Sciences et Technologies de l'Eau, de l'Energie et de l’Environnement Titre : Etude comparative des performances de technologies photovoltaïques dans différentes zones climatiques de l’Afrique de l’Ouest Type de document : texte imprimé Auteurs : TOSSA KOSSOUN Alain, Auteur Année de publication : 2017 Importance : 171 p. Langues : Français (fre) Résumé : Les performances des modules photovoltaïques (PV) varient fortement en fonction de leur technologie et du climat de leur site d’installation. Cette thèse a permis de comparer les performances de trois technologies PV différentes (monocristallin, polycristallin et micromorphe) dans cinq zones climatiques de l’Afrique de l’Ouest : saharienne, sahélienne, soudano-sahélienne, soudanienne et guinéenne. La comparaison s’est faite autour de deux principales thématiques : le ratio de performance et l’influence de la salissure. Un dispositif expérimental, « banc I-V », a été installé à cet effet en zone soudano-sahélienne. Deux approches de modélisation ont été développées puis validées expérimentalement avec les mesures du banc I-V. La première approche nommée LM, est basée sur les modèles électriques et la seconde sur les réseaux de neurones de type perceptron (PMC). Les modèles PMCs conçus ont permis d’estimer les ratios de performance des modules, avec des erreurs quadratiques moyennes RMSE inférieures à 0,02. Ces erreurs sont de 3 à 6 fois inférieures à celle obtenue avec l’approche LM. Les réseaux PMC ont été utilisés par la suite pour simuler les ratios de performance des modules et comparer les technologies PV dans toutes les cinq zones climatiques. L’étude a révélé une meilleure performance des modules micromorphes dans toutes les zones climatiques. On peut retenir globalement pour toute la région ouest africaine, une baisse maximale du rendement des modules de l’ordre de 20 %. En zone soudano-sahélienne, l’étude de l’influence de la poussière sur les technologies PV a montré que lorsque les modules restent sans nettoyage sur toute l’année, les chutes de puissances atteignent 40 % pour les modules cristallins et 65 % pour les micromorphes. Il a également été montré en zone soudano-sahélienne, que les modules PV peuvent rester sans nettoyage en période pluvieuse. En période sèche, les modules cristallins devront être nettoyés une fois par semaine et les micromorphes toutes les trois semaines.
Abstract : The performances of photovoltaic (PV) modules highly depend on their technology and the climatic condition of the site where they are installed. This thesis aims to compare the performance of three different PV technologies (monocrystalline silicon, polycrystalline silicon and micromorph) in five climatic zones of West Africa namely Saharian, Sahelian, Sudano-Sahelian, Sudanian and Guinean. The comparison is performed through two main themes: the performance ratio and the influence of dirt. An experimental device “I-V bench” has been installed for this purpose in the Sudano-Sahelian zone. Two modeling approaches have been developed and experimentally validated with measurements from the I-V bench. The first approach named LM, is based on electrical models and the second one, on the perceptron multilayer networks (PMC). The calculation based on PMC models we proposed gives module performance ratios, with a mean square error RMSE less than 0.02. This accuracy is 3 to 6 times better than that obtained with the LM approach. The PMC networks were subsequently used to simulate the performance ratios and compare PV technologies in the five climatic zones. The study showed a better performance of micromorph modules in all climatic zones. Roughly, one can assume for the entire West African region, a maximum drop for module efficiencies of about 20 %. In Sudano-Sahelian zone, the study of soiling influence on PV technologies has shown that when the modules are not cleaned throughout the year, the power drop should be around 40 % for crystalline modules and 65 % for micromorph. It was also shown in the Sudano-Sahelian zone that the PV modules can remain without any cleaning during the rainy season. In dry periods, the crystalline modules should be cleaned once a week and the micromorph, every three weeks.
Thèse en Sciences et Technologies de l'Eau, de l'Energie et de l’Environnement. Etude comparative des performances de technologies photovoltaïques dans différentes zones climatiques de l’Afrique de l’Ouest [texte imprimé] / TOSSA KOSSOUN Alain, Auteur . - 2017 . - 171 p.
Langues : Français (fre)
Résumé : Les performances des modules photovoltaïques (PV) varient fortement en fonction de leur technologie et du climat de leur site d’installation. Cette thèse a permis de comparer les performances de trois technologies PV différentes (monocristallin, polycristallin et micromorphe) dans cinq zones climatiques de l’Afrique de l’Ouest : saharienne, sahélienne, soudano-sahélienne, soudanienne et guinéenne. La comparaison s’est faite autour de deux principales thématiques : le ratio de performance et l’influence de la salissure. Un dispositif expérimental, « banc I-V », a été installé à cet effet en zone soudano-sahélienne. Deux approches de modélisation ont été développées puis validées expérimentalement avec les mesures du banc I-V. La première approche nommée LM, est basée sur les modèles électriques et la seconde sur les réseaux de neurones de type perceptron (PMC). Les modèles PMCs conçus ont permis d’estimer les ratios de performance des modules, avec des erreurs quadratiques moyennes RMSE inférieures à 0,02. Ces erreurs sont de 3 à 6 fois inférieures à celle obtenue avec l’approche LM. Les réseaux PMC ont été utilisés par la suite pour simuler les ratios de performance des modules et comparer les technologies PV dans toutes les cinq zones climatiques. L’étude a révélé une meilleure performance des modules micromorphes dans toutes les zones climatiques. On peut retenir globalement pour toute la région ouest africaine, une baisse maximale du rendement des modules de l’ordre de 20 %. En zone soudano-sahélienne, l’étude de l’influence de la poussière sur les technologies PV a montré que lorsque les modules restent sans nettoyage sur toute l’année, les chutes de puissances atteignent 40 % pour les modules cristallins et 65 % pour les micromorphes. Il a également été montré en zone soudano-sahélienne, que les modules PV peuvent rester sans nettoyage en période pluvieuse. En période sèche, les modules cristallins devront être nettoyés une fois par semaine et les micromorphes toutes les trois semaines.
Abstract : The performances of photovoltaic (PV) modules highly depend on their technology and the climatic condition of the site where they are installed. This thesis aims to compare the performance of three different PV technologies (monocrystalline silicon, polycrystalline silicon and micromorph) in five climatic zones of West Africa namely Saharian, Sahelian, Sudano-Sahelian, Sudanian and Guinean. The comparison is performed through two main themes: the performance ratio and the influence of dirt. An experimental device “I-V bench” has been installed for this purpose in the Sudano-Sahelian zone. Two modeling approaches have been developed and experimentally validated with measurements from the I-V bench. The first approach named LM, is based on electrical models and the second one, on the perceptron multilayer networks (PMC). The calculation based on PMC models we proposed gives module performance ratios, with a mean square error RMSE less than 0.02. This accuracy is 3 to 6 times better than that obtained with the LM approach. The PMC networks were subsequently used to simulate the performance ratios and compare PV technologies in the five climatic zones. The study showed a better performance of micromorph modules in all climatic zones. Roughly, one can assume for the entire West African region, a maximum drop for module efficiencies of about 20 %. In Sudano-Sahelian zone, the study of soiling influence on PV technologies has shown that when the modules are not cleaned throughout the year, the power drop should be around 40 % for crystalline modules and 65 % for micromorph. It was also shown in the Sudano-Sahelian zone that the PV modules can remain without any cleaning during the rainy season. In dry periods, the crystalline modules should be cleaned once a week and the micromorph, every three weeks.
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