En région montagneuse, les infrastructures et les voies de communications sont soumises à de nombreux risques naturels dont les phénomènes d'origine gravitaire. Au-delà du danger pour les usagers, les conséquences des interruptions du trafic deviennent problématiques d'un point de vue économique et il devient indispensable de sécuriser les itinéraires. La mise en place d'écrans de filets pare-pierres est une des solutions possibles pour la protection contre les éboulements rocheux. Cette thèse porte sur l'étude des écrans souples ou filets métalliques de protection contre les chutes de blocs et plus précisément sur l'écran développé par l'entreprise GTS. Le filet constitutif de ces écrans se différencie par rapport aux systèmes conventionnels par un comportement orthotrope, dû à un maillage spécifique. Dans cette étude nous caractérisons le comportement de ces écrans de filets sous des chargements statiques et dynamiques de type impact par une approche couplant l'expérimentation et la modélisation numérique. L'étude procède pas à pas, les divers constituants sont évalués de façon quasi-statique, en laboratoire, et également in-situ pour reproduire les conditions réelles d'utilisation, en particulier l'aspect dynamique. Une attention particulière concernant les dissipateurs d'énergie, qui représentent l'élément centrale de ce type de structure, nous a permis de mettre au point un élément fusible robuste et fiable. Une campagne d'essais en grandeur réel sur les écrans de filets étudiés a permis de valider deux classes énergétiques (3000 kJ et 5000 kJ) selon les recommandations européennes. Les données recueillis lors des expérimentations ont permis de calibrer et valider différentes modélisations numériques de type éléments finis et éléments discrets. La pertinence de la modélisation a été évaluée au niveau des différentes échelles étudiées, échelle d'une maille, échelle d'une nappe, échelle du dissipateur d'énergie et échelle de la structure entière. Les performances et les limites des deux approches, MEF (méthode des éléments finis) et MED (méthodes des éléments discrets) ont été évaluées pour ce qui est de nos modélisations.

Les sols sont utilisés dans différents dispositifs de protection contre les chutes de blocs rocheux : pour couvrir des structures exposées, telles que les tunnels ou les galeries, ou construire des merlons. Une campagne d’essais expérimentaux instrumentés a été menée pour compléter l’observation des phénomènes, en particulier pour mieux caractériser la distribution spatio-temporelle de pression induite à l’interface entre la couche de sol protectrice et la structure, dans différentes configurations d’impact. Plusieurs configurations d’impacts ont été considérées, caractérisées par l’épaisseur de sable (D), le diamètre équivalent du bloc rocheux (B, ou sa masse) et sa hauteur de chute libre (H). L’étude paramétrique expérimentale a comporté 43 essais, combinant systématiquement différentes valeurs de D, B et H de l’ordre de celles rencontrées en pratique. Suite au dépouillement des mesures, une expression de la pression induite à l’interface sol-structure pendant un impact au sommet de la couche de sol protectrice a été proposée. La démarche exposée pour établir, dans une configuration d’impact D, B et H, les valeurs des paramètres qui caractérisent les cinq grandeurs décrivant la distribution spatio-temporelle de pression induite à l’interface sol-structure, peut être appliquée à d’autres natures de sols ou densités de compactage. Par ailleurs, un modèle numérique tridimensionnel simple de calcul en déformations, en dynamique explicite, a été développé. Le comportement en déformations du sol a été représenté par un modèle élastoplastique, avec critère de rupture de Mohr-Coulomb et faible dilatance. Les calculs ont été réalisés avec le logiciel ABAQUS. Enfin, une méthode de dimensionnement des couches de sol en protection de structures a été proposée. Cette méthode comporte deux étapes : (1) Pour la configuration d’impact B, D, H considérée, utiliser l’expression développée dans cette étude pour définir la distribution spatio-temporelle de pression induite à l’interface sol-structure, puis (2) Calculer en dynamique la structure soumise à cette impulsion de pression. / An extensive experimental parametric study has been carried out to characterize how impact loads of low velocity (lower than 100 km/h) are transmitted to a structure through a protective sand layer. Different rock fall conditions have been considered, corresponding to actual conditions in current practice. The experimental program consisted of 43 full scale impact tests on a sand layer protecting a concrete foundation mat, combining three sand layer thicknesses (1, 1.5 and 2 m), impacting blocs of equivalent diameters in the range of 0.42 to 1.79 m and five free falling heights, up to 33 m. Based on the analysis of pressure cells measurements for the different rock fall conditions, the pressure induced at the interface between the protective sol layer and the structure by an impact was expressed in terms of impact conditions, defined by layer thickness (D), size of the impacting bloc (B) and height of free fall (H). Procedures to derive the model parameters from the tests are explained in detail. A numerical model was developed to simulate an impact on a structure protected by a soil layer based on a deformation analysis approach. The Finite Element code ABAQUS was used. The bloc, the soil and the structure were considered as different bodies, having contact conditions between them. The stress‐strain relationship in the soil was assumed to be elastoplastic. Friction angle and dilation angles were derived from laboratory tests on the sand. The elastic modulus was assumed constant, equal to usual values for compacted sands. An approach is proposed for the design of soil layers to protect structures from impacting loads due to rock falls.

En zones de montagne, l'aléa de chutes de pierre concerne à la fois les personnes, les infrastructures et les voies de communication. Différentes mesures de protection peuvent être envisagées pour réduire les conséquences de tels aléas. Certaines de ces mesures sont basées, totalement ou en partie, sur l'utilisation de la forêt comme structure de protection. Des structures de protections faites d'arbres abattus et laissés sur place peuvent également être utilisées pour améliorer ou maintenir la fonction de protection de la forêt suite à des travaux d'entretien forestiers, notamment. L'objectif principal de ce travail est d'étudier la capacité de protection de ces systèmes pare-blocs composés d'arbres en travers ainsi que de fournir des éléments d'aide à leur dimensionnement. Un modèle numérique basé sur la Méthode des Eléments Discrets (MED) a été développé pour étudier l'impact d'un projectile sur une tige de bois vert. Ce modèle permet de prendre en compte à la fois l'interaction bloc-structure à l’échelle locale du contact et la réponse dynamique de la structure « arbre en travers ». Des études expérimentales en laboratoire à petite échelle ont été menées pour calibrer et valider le modèle numérique. Le modèle développé a enfin été utilisé pour analyser l'efficacité des systèmes pare-blocs composés d'arbres en travers. La diminution de l'énergie du bloc suite à l'impact, la réponse de la structure, et son endommagement ont été analysés pour différentes conditions d'impact. Ces résultats ont permis d'établir des recommandations pour la conception de ces dispositifs de protection. / In mountain areas, natural hazards such as snow avalanches, landslides or rockfall threaten people and infrastructures. For this reason, civil engineering has proposed solutions to reduce the risk associated with such hazards. Despite the developments in this field, the protective capacity of forest is largely recognized. For rockfall hazard in particular, forests protection function is relevant as rock impacts onto trees lead to a significant rock energy loss. After forests maintenance tasks or windstorms the protection capacity of forests decreases. For this, felled trees are often left on the ground, in oblique position to compensate the decrease in the forest protection capacity due the forests stands density reduction. The main goal of this PhD research is to study the rockfall protection structures made of felled trees. Moreover, these investigations aim to provide recommendations for the design of such devices. A numerical model based on the Discrete Element Method (DEM) has been developed to study the dynamic response of fresh wood structures to impact. Laboratory experiments have been carried out to calibrate and validate the numerical developments. The DEM model implemented has been finally used to simulate real scenarii of rock impacts on simplified felled tree structures. These simulations have allowed identifying the most favorable configurations leading to a maximal loss of the rock kinetic energy during the impact onto a felled tree structure. Some improvements on the design of these structures are proposed to improve their capacity to dissipate the rock energy.

En région montagneuse, les infrastructures et les voies de communications sont soumises à de nombreux risques naturels dont les phénomènes d’origine gravitaire. Au-delà du danger pour les usagers, les conséquences des interruptions du trafic deviennent problématiques d’un point de vue économique et il devient indispensable de sécuriser les itinéraires. La mise en place d’écrans de filets pare-pierres est une des solutions possibles pour la protection contre les éboulements rocheux. Cette thèse porte sur l’étude des écrans souples ou filets métalliques de protection contre les chutes de blocs et plus précisément sur l’écran développé par l’entreprise GTS. Le filet constitutif de ces écrans se différencie par rapport aux systèmes conventionnels par un comportement orthotrope, dû à un maillage spécifique. Dans cette étude nous caractérisons le comportement de ces écrans de filets sous des chargements statiques et dynamiques de type impact par une approche couplant l’expérimentation et la modélisation numérique. L’étude procède pas à pas, les divers constituants sont évalués de façon quasi-statique, en laboratoire, et également in-situ pour reproduire les conditions réelles d’utilisation, en particulier l’aspect dynamique. Une attention particulière concernant les dissipateurs d’énergie, qui représentent l’élément centrale de ce type de structure, nous a permis de mettre au point un élément fusible robuste et fiable. Une campagne d’essais en grandeur réel sur les écrans de filets étudiés a permis de valider deux classes énergétiques (3000 kJ et 5000 kJ) selon les recommandations européennes. Les données recueillis lors des expérimentations ont permis de calibrer et valider différentes modélisations numériques de type éléments finis et éléments discrets. La pertinence de la modélisation a été évaluée au niveau des différentes échelles étudiées, échelle d’une maille, échelle d’une nappe, échelle du dissipateur d’énergie et échelle de la structure entière. Les performances et les limites des deux approches, MEF (méthode des éléments finis) et MED (méthodes des éléments discrets) ont été évaluées pour ce qui est de nos modélisations. / In mountainous areas, infrastructures, roads and railways are subject to various natural hazards due to the gravitational phenomena. Beyond the danger to users, the consequences of traffic interruptions becomes, from an economic point of view, more and more problematic and it becomes essential to secure these itineraries. An existing method to protect against the rockfall is to set up rockfall barriers made by metallic nets. This thesis focuses on the study of the rockfall protection barriers made by metallic net developed by the company GTS. The net of these barriers is different compared to conventional systems by an orthotropic behavior, due to a special form of the mesh. In this study we characterize the behavior of these barriers under static and dynamic loading (impact) by an approach combining the experimentation and the numerical modeling. The study proceeds step by step, the components are evaluated in quasi-static, in laboratory, and also in-situ to simulate the real conditions of use, especially the dynamic aspect. A special attention concerning the energy dissipators, which represent the principal element of this structure, has enabled us to develop a robust and reliable fuse element. A campaign of full-scale tests on the studied rockfall barriers allows the validation of two energy classes (3000 kJ and 5000 kJ) according to the European recommendations. The data collected during experiments permits to develop various numerical models of finite elements and discrete elements. The relevance of the modelisation was evaluated at the different studied scales, the mesh scale, the net scale, the energy dissipators scale and the scale of the entire structure.