Les avalanches de neige sont un des risques naturels majeurs des régions montagneuses. Les grandeurs physiques de l'avalanche telles que la vitesse, l'épaisseur et la densité sont difficiles à évaluer au sein même de l'écoulement, alors qu'elles sont à la base des modèles d'avalanche. C'est pour ces raisons que la détermination des sollicitations exercées par l'avalanche de neige sur les ouvrages de type galerie paravalanche s'avère problématique. Le niveau de protection de ce type d'ouvrage est donc difficilement quantifiable. Dans une première partie de ce travail, nous avons fait un inventaire des ouvrages de protection et des modèles d'avalanches couramment utilisés. La deuxième partie de notre travail porte sur la connaissance et la détermination des sollicitations avalancheuses et, leurs variations spatio-temporelles sur les structures de type galerie paravalanche. Pour ceci, une expérimentation a été réalisée sur une plaque instrumentée de capteur de force placée dans un couloir d'avalanche sur le site naturel du Col du Lautaret. Pour compléter ces résultats, une expérimentation d'écoulement granulaire dans un canal incliné a été mise en place. Les résultats expérimentaux montrent que les sollicitations d'impact ont des valeurs très élevées proche de la rupture de pente et qu'elles décroissent rapidement avec l'augmentation de la distance par rapport à cette rupture. La dernière partie de notre travail consiste à étudier avec le logiciel EF Fedeaslab les réponses dynamiques de la structure des galeries paravalanches sous les chargements avalancheux obtenus expérimentalement. L'effet dynamique sur la structure a été quantifié en comparant les réponses de la structure sous chargement dynamique puis statique.

La quantification du risque avalanche à long terme dans un but de zonage et d'optimisation des moyens de protection est fait dans la plupart des pays sur la base de la connaissance des événements de forte intensité. Ces approches fondées sur les périodes de retours, centrées uniquement sur l'aléa, ne considèrent pas explicitement les éléments à risque étudiés (bâtiments, personnes à l'intérieur, etc.) et négligent les possibles contraintes budgétaires. Afin de palier à ces limitations, les méthodes de zonage basés sur le risque et les analyses coût-bénéfice ont récemment émergées. Elles combinent la distribution de l'aléa avec les relations de vulnérabilité des éléments étudiés. Ainsi, l'évaluation systématisée de la vulnérabilité des bâtiments permet de mieux quantifier le risque dans un couloir d'avalanche donné. Cependant, en pratique, les relations de vulnérabilité disponibles restent principalement limitées à de rares estimations empiriques déduites de l'analyse de quelques catastrophes survenues. De plus, les méthodes existantes basées sur le risque font face à des calculs encore lourds, et les hypothèses sur la modélisation de l'aléa sont discutables (choix de quelques scénarios, faible considération des valeurs extrêmes, etc.). Dans cette thèse, ces problèmes sont abordés en construisant grâce à une approche fiabiliste des relations de fragilité de différents configurations de bâtiments en béton armé (BA) sollicités par des avalanches de neige et également des relations de fragilité pour les personnes potentiellement à l'intérieur de ces bâtiments. Ces relations sont ensuite utilisées dans un cadre de quantification du risque et de recherche de structure de défense optimale. L'apport de cette thèse est donc l'enrichissement de la caractérisation de la vulnérabilité et du risque face aux avalanches par des approches de complexités variables utilisables en fonction de la spécificité du cas et du temps imparti pour conduire l'étude. La thèse est composée de quatre volets. D'abord, les courbes de fragilité associées à différents états limites de murs en BA soumis au chargement uniforme d'une avalanche sont obtenues à partir d'approches classiques de dimensionnement du BA. Ensuite, l'approche est étendue à des modèles numériques de bâtis plus riches (modèle masse-ressort) permettant de décrire en particulier l'évolution temporelle de la réponse du système. A partir de ces relations de fragilité, de nouvelles relations pour les personnes à l'intérieur de ces bâtiments sont proposées. Ces relations pour les bâtiments et les personnes sont utilisées dans une analyse complète de sensibilité du risque. Enfin, une formule analytique du risque basée sur la statistique des valeurs extrêmes est proposée pour efficacement quantifier le risque et obtenir une caractéristique optimale de digue paravalanche. / Long term avalanche risk quantification for mapping and the design of defense structures is done in mostcountries on the basis of high magnitude events. Such return period/level approaches, purely hazardoriented,do not consider elements at risk (buildings, people inside, etc.) explicitly, and neglect possiblebudgetary constraints. To overcome these limitations, risk based zoning methods and cost-benefit analyseshave emerged recently. They combine the hazard distribution and vulnerability relations for the elementsat risk. Hence, the systematic vulnerability assessment of buildings can lead to better quantify the riskin avalanche paths. However, in practice, available vulnerability relations remain mostly limited to scarceempirical estimates derived from the analysis of a few catastrophic events. Besides, existing risk-basedmethods remain computationally intensive, and based on discussable assumptions regarding hazard modelling(choice of few scenarios, little consideration of extreme values, etc.). In this thesis, we tackle theseproblems by building reliability-based fragility relations to snow avalanches for several building types andpeople inside them, and incorporating these relations in a risk quantification and defense structure optimaldesign framework. So, we enrich the avalanche vulnerability and risk toolboxes with approaches of variouscomplexity, usable in practice in different conditions, depending on the case study and on the time availableto conduct the study. The developments made are detailed in four papers/chapters.In paper one, we derive fragility curves associated to different limit states for various reinforced concrete(RC) buildings loaded by an avalanche-like uniform pressure. Numerical methods to describe the RCbehaviour consist in civil engineering abacus and a yield line theory model, to make the computations asfast as possible. Different uncertainty propagation techniques enable to quantify fragility relations linkingpressure to failure probabilities, study the weight of the different parameters and the different assumptionsregarding the probabilistic modelling of the joint input distribution. In paper two, the approach is extendedto more complex numerical building models, namely a mass-spring and a finite elements one. Hence, muchmore realistic descriptions of RC walls are obtained, which are useful for complex case studies for whichdetailed investigations are required. However, the idea is still to derive fragility curves with the simpler,faster to run, but well validated mass-spring model, in a “physically-based meta-modelling” spirit. Inpaper three, we have various fragility relations for RC buildings at hand, thus we propose new relationsrelating death probability of people inside them to avalanche load. Second, these two sets of fragilitycurves for buildings and human are exploited in a comprehensive risk sensitivity analysis. By this way,we highlight the gap that can exist between return period based zoning methods and acceptable riskthresholds. We also show the higher robustness to vulnerability relations of optimal design approaches ona typical dam design case. In paper four, we propose simplified analytical risk formulas based on extremevalue statistics to quantify risk and perform the optimal design of an avalanche dam in an efficient way. Asensitivity study is conducted to assess the influence of the chosen statistical distributions and flow-obstacleinteraction law, highlighting the need for precise risk evaluations to well characterise the tail behaviour ofextreme runouts and the predominant patterns in avalanche - structure interactions.

Les avalanches de plaque représentent un risque naturel majeur dont la prévision demeure très difficile. Le manque de lois constitutives fiables à l’échelle du matériau rend difficiles les tentatives de modélisation de ce phénomène. Plus spécifiquement, la réponse mécanique de la neige durant et après la rupture, dans des régimes de chargements rapides , demeure relativement méconnue. La nature particulièrement fragile du matériau au sein de ce régime de déformation rend ardue la réalisation d’expériences et complique l’observation à l’échelle microstructurale.Dans ce travail de thèse, un modèle numérique de neige fondé sur la Méthode des Éléments Discrets a été développé en tant qu’alternative aux expériences. Le modèle nous permet de simuler la réponse de la neige à des chargements mécaniques en tenant compte de la microstructure réelle du matériau grâce à l’intégration d’images acquises par microtomographie à rayons X en entrée du modèle. La neige est considérée comme un matériau granulaire cohesif, et une méthode originale a été développée afin de modéliser la forme de chaque grain. Les grains individuels sont ensuite assemblés pour reconstituer la matrice de la neige grâce à la prise en compte de lois de contact cohésives.Le modèle a été utilisé afin d’explorer la réponse mécanique macroscopique de différent échantillons de neige à un chargement mixte normal-cisaillant. Trois modes de rupture ont été observés dans tous les échantillons de neige testés, en fonction du niveau de contrainte normale appliquée : une rupture en cisaillement localisée pour des niveaux de contrainte normale faibles (mode A), un effondrement normal induit par rupture en cisaillement à des niveaux intermédiaires de contrainte normale (mode B) et un effondrement normal pour des valeurs de contrainte normale élevées (mode C). Ces différents modes de rupture produisent une enveloppe de rupture fermée dans l’espace des contraintes, ce pour les différents types de neige étudiés.Les mécanismes internes conduisant à l’effondrement normal des échantillons ont été étudiés plus en détail à l’échelle microscopique. Il a été montré que ce mode de rupture était associé à un mécanisme de flambement des chaînes de force. En outre, la stabilité de ces chaînes de force semble être contrôlée par les contacts entre les éléments des chaînes et les grains environnants. La rupture de ces contacts, observée dans les modes B et C, autorise le développement du flambement des chaînes de force et aboutit à l’effondrement volumique. / Dry slab snow avalanches represent a major natural hazard that is extremely difficult to manage. Attempts to model this phenomenon are hindered by the lack of a constitutive law that would describe the mechanical behaviour of snow on a material scale. In particular, relatively little is known on the failure and post-failure response of snow at high loading-rates. The highly fragile nature of the material in this deformation regimerenders experimental investigation difficult and complicates observation at the microstructural level.As an alternative to experiments, a Discrete Element Method-based numerical model of snow is developed in this thesis. The model enables us to simulate the response of snow to mechanical loading, while accounting for actual snow microstructure by using X-ray attenuation images of snow microstructure as input. Snow is considered as a cohesive granular material and an original methodology is developed in order to model the shape of each grain. Individual grains are bound into the snow matrix by modelling cohesion between neighbouring grains.The model is then used to explore the macroscopic mechanical response of different snow samples to mixed-mode loading. Three typical modes of failure are observed in all tested snow samples, depending on the level of applied normal stress: a localized shear failure at low normal stress (mode A), a shear failure-induced volumetric collapse at intermediate levels of normal stress (mode B), and a normal failure and collapse for high values of normal stress (mode C). The observed failure modes result in closed failure envelopes and no qualitative difference is observed between the mechanical responses of different snow types.The internal mechanisms that lead to volumetric collapse are further examined on the microscale. Force chain buckling is identified as a trigger of this material instability. Additionally, force chain stability appears to be controlled by the contacts between the force chain members and the surrounding grains. The failure in these contacts, which is evidenced in modes B and C, allows force chain buckling to develop and results in subsequent volumetric collapse.