Predicting terrain trafficability of deformable terrain is a difficult task with applications in e.g, forestry, agriculture, exploratory missions. The currently used techniques are neither practical, efficient, nor sufficiently accurate and inadequate for certain soil types. An online method which predicts terrain trafficability is of interest for any vehicle with purpose to reduce ground damage, improve steering and increase mobility. This thesis presents a novel approach for predicting the model parameters used in modelling a virtual terrain. The model parameters include particle stiffness, tangential friction, rolling resistance and two parameters related to particle plasticity and adhesion. Using multi-body dynamics, both vehicle and terrain can be simulated, which allows for an efficient exploration of a great variety of terrains. A vehicle with access to certain sensors can frequently gather sensor data providing information regarding vehicle-terrain interaction. The proposed method develops a statistical model which uses the sensor data in predicting the terrain model parameters. However, these parameters are specified at model particle level and do not directly explain bulk properties measurable on a real terrain. Simulations were carried out of a single tracked bogie constrained to move in one direction when traversing flat, homogeneous terrains. The statistical model with best prediction accuracy was ridge regression using polynomial features and interaction terms of second degree. The model proved capable of predicting particle stiffness, tangential friction and particle plasticity, with moderate accuracy. However, it was deduced that the current predictors and training scenarios were insufficient in estimating particle adhesion and rolling resistance. Nevertheless, this thesis indicates that it should be possible to develop a method which successfully predicts terrain model properties.

La fabrication additive est l’un des secteurs industriels les plus en développent ces dernières années. L’une de ces technologies de fabrication les plus prometteuses est la fusion laser sélective (SLS), et relève d’un intérêt croissant aussi bien industriel qu’académique. Néanmoins, beaucoup de phénomène mis en jeu par ce procédé demeure non encore bien compris, entravant ainsi son développement pour la production de pièces de bonne qualité pour des applications industrielles. L’objectif de cette thèse est de développer un cadre de simulation numérique permettant la simulation du procédé SLS pour des poudres de polymère afin de comprendre les multiples et complexes phénomènes physiques qui se produise lors du frittage laser et d’étudier l’influence des paramètres du procédé sur la qualité du produit final. Contrairement aux approches classiques de modélisation numérique, basées sur la définition de matériaux homogène équivalents pour la résolution des équations de bilan, nous proposons une simulation globale du procédé du frittage laser de poudres, en utilisant la méthode des Eléments Discrets (DEM). Cela consiste en un couplage entre quatre sous-modèles : transferts radiatif dans le milieu granulaire semi-transparent, conduction thermique dans les milieux discrets, coalescence puis densification. Le modèle de transferts par rayonnement concerne l’interaction du faisceau laser avec le lit de poudre. Plusieurs phénomènes sont ainsi pris en compte, notamment la réflexion, la transmission, l’absorption et la réfraction. De plus, une méthode de Monte-Carlo couplée à la méthode du Lancer de rayons est développée afin d’étudier l’influence de la réfraction sur la distribution de l’énergie du laser dans le lit de poudre. Le modèle de conduction dans des milieux discrets décrit la diffusion thermique inter-particules. Finalement, le modèle de frittage décrit les cinétiques de coalescence et de diffusion de l’air dans le polymère et densification du milieu. Cela permet de décrire les cinétiques de fusion des grains, dont l’énergie de surface et la diffusons de l’air sont les deux moteurs principaux. Le couplage entre les différents modèles nous a permis de proposer un modèle numérique global, validé grâce à des comparaisons à des résultats de simulations théoriques et expérimentales, trouvés dans la littérature. Une analyse paramétrique est alors proposée pour la validation du modèle et l’étude du procédé. L’influence de différents paramètres aussi bien du procédé que du matériau sur le champ de température, la densité relative du matériau sa structure, etc , est ainsi investiguée. Les résultats montrent une bonne précision dans la modélisation des différents phénomènes complexes inhérents à ce procédé, et ce travail constitue un potentiel réel pour la modélisation et l’optimisation des procédés de fabrication additive par matériaux granulaires. / Many industrial and academic interests concerning the additive manufacturing processes are developed in the last decades. As one of the most promising technique of additive manufacturing, the Selective Laser Sintering (SLS) has been valued by both industry and academic. However, it remains that several phenomena are still not well understood in order to properly model the process and propose quality improvement of parts made. The goal of this Ph.D. project is to develop a framework of numerical simulation in order to model the SLS process in polymer powder bed, meanwhile understanding multiple physical phenomena occurring during the process and studying the influence of process parameters on the quality of final product. In contrast to traditional approach, based on the equivalent homogeneous material in numerical modeling of partial differential equations derived from conservation laws, we propose a global model to simulate powder-based additive manufacturing by using the Discrete Element method (DEM). It consists in a coupling between four different physical models: radiative heat transfer, discrete heat conduction, sintering and granular dynamics models. Firstly, the submodel of radiative heat transfer concerns the interaction between the laser beam and powder bed. Several phenomena are considered, including the reflection, transmission, absorption and scattering. Besides, a modified Monte Carlo ray-tracing method is developed in order to study the influence of scattering on the distribution of the deposited laser energy inside the powder bed Furthermore, the submodel of discrete heat conduction describes the inter-particles heat diffusion. Moreover, the sintering submodel concerns the phenomena of coalescence and air diffusion. It describes the melting kinetics of grains, driven by surface tension and the release of entrapped gases inside powder bed. Finally, the granular dynamics submodel concerns the motions and contacts between particles when depositing a new layer of powders. The coupling between these submodels leads to propose a global numerical framework, validated by comparing the results to both simulated and experimental ones from literatures. A parametric study is then proposed for model validation and process analysis. The Influence of different material and process parameters on the evolution of temperature, relative density and materials structure and characteristics are investigated. The results exhibit accurate modeling of the complex phenomena occurring during the SLS process, and the work constitute a great potential in modeling and optimization of additive processes.

La modélisation multi-échelle multi-physique de la solidification d'alliages métalliques demande de combiner des phénomènes à l'échelle macroscopique du produit et microscopiques à l'échelle des structures de solidification. Dans cette thèse, l'empilement aléatoire des grains équiaxes avec des morphologies typiques de solidification est étudié. Nous mettons tout d'abord en évidence les paramètres hydrodynamiques adimensionnels qui régissent l'empilement de grains équiaxes : le nombre de Stokes, St, le nombre d'Archimède, Ar, et le rapport entre le temps caractéristique de la croissance et le temps caractéristique du mouvement, Γ. Un dispositif expérimental a été conçu par similitude hydrodynamique avec le phénomène réel de l'empilement de la solidification afin d'étudier l'influence de la géométrie des grains équiaxes et l'influence des conditions hydrodynamiques sur la fraction d'empilement. En outre, un outil numérique basé sur le méthode des éléments discrets a été développé pour compléter le travail expérimental de détermination de : la fraction d'empilement locale, le nombre de particules voisines en contact et l'orientation des particules. Des fractions d'empilement entre environ 0,53 et 0,67 ont été mesurées et calculées pour les grains sphériques non-cohésifs, alors que des valeurs allant jusqu'à environ 0,30 sont trouvées pour les grains dendritiques non-cohésifs. Enfin, nous étudions la dynamique de l'empilement, qui est la transition d'un régime de sédimentation à l'équilibre mécanique. L'évolution des variables comme la fraction locale de solide, le nombre de particules voisines en contact et l'orientation du grain en fonction du temps est présentée / Solidification multiphase multiscale modeling of metal alloys is based on the combination of the phenomena at the macroscopic scale of the product and at the microscopic scale of the solidification structures. In this thesis, the random packing of the typical equiaxed grain morphologies in metal alloy solidification is investigated. Firstly, we highlight the hydrodynamic dimensionless parameters governing the grain packing in the melt: the Stokes number, St, the Archimedes number, Ar, and the growth-to-motion ratio, Γ. Subsequently, an experimental setup is designed by hydrodynamic similarity with the actual solidification packing phenomenon in order to investigate the influence of the equiaxed grain geometry and the hydrodynamic conditions on the average solid packing fraction. Additionally, a numerical Discrete Element Method tool is developed to complement the experimental work by accessing to those granular variables which result difficult to be experimentally obtained such as the local packing fraction, the contacting neighbors and the particle orientation. Packing fractions between approximately 0.53 and 0.67 are measured and computed for the spherical noncohesive grains, for different hydrodynamic, frictional and polydispersity conditions, whereas values down to approximately 0.30 are found for noncohesive dendrite envelopes. Finally, we investigate the packing dynamics, which is the transition from a sedimentation regime to the mechanical equilibrium (packing). The evolution of the local solid fraction, contacting neighbors, mechanical contacts and grain orientation are given

The subject of this splitted article is the commissioning of a new application that may be part of a processing machine. Considering the example of the intermittent transport of small-sized goods, for example, chocolate bars, ideas for increasing the maximum performance are discussed. Starting from an analysis, disadvantages of a conventional motion approach are discussed, and thus, a new motion approach is presented. For realising this new motion approach, a virtual process model has to be built, which is the subject of this article. Therefore, the real process has to be abstracted, so only the main elements take attention in the modelling process. Following, important model parameters are determined and verified using virtual experiments. This finally leads to the possibility to calculate useful operating speed–dependent trajectories using the process model.

La prédiction de trajectoire de bloc et la conception de structures de protection sont deux des questions principales de l'ingénierie des chutes de pierres. La prédiction de la trajectoire d'un bloc dépend en grande partie des rebonds de ce bloc tandis que la conception de structures de protection, comme des remblais, est étroitement liée à la force d'impact sur le bloc.En se basant sur ce contexte, la thèse traite aussi bien de l'interaction entre un bloc et un milieu granulaire que des rebonds d'un bloc sur un milieu granulaire, en utilisant une modélisation numérique par la méthode des éléments discrets. L'objectif de la thèse est d'identifier et de mesurer les mécanismes qui contrôlent le rebond du bloc et le transfert de charge à l'intérieur du milieu impacté. Le contenu principal comprend trois parties: la modélisation DEM du processus d'impact, le rebond du bloc et le comportement micromécanique du milieu impacté.La loi de contact classique est utilisée pour modéliser le processus d'impact. Elle est mise en œuvre avec une résistance aux roulements pour considérer les effets de forme des particules et est calibrée par des tests triaxiaux quasi-statiques. Le bloc est modélisé par une sphère avec une vitesse d'incident tandis que le milieu est modélisé par un assemblage de particules sphériques poly-dispersées. La modélisation numérique de l'impact est validé en termes de force d'impact, de durée d'impact et de profondeur de pénétration par des expériences de la littérature.Le rebond du bloc et le processus de propagation d'énergie à l'intérieur du milieu impacté sont examinés ensemble. La résistance du milieu pendant l'impact est représentée par l'énergie de tension élastique. La résistance du milieu n'est pas constante car l'augmentation d'énergie de tension élastique est suivie par l'augmentation d'énergie cinétique, la dissipation d'énergie et par la diminution du nombre de coordination. L'occurrence du rebond du bloc obtenue avec des simulations 3D montre que trois régimes d'impact existent, ce qui est en accord avec les résultats de citet{Bourrier_2008}. De plus, la comparaison entre les diagrammes d'occurrence de rebond 2D et 3D montre que les positions et les formes des diagrammes d'occurrence de rebond changent en raison de résistances et de dissipations d'énergie différentes. En se basant sur les deux aspects de l'étude, la relation entre le rebond du bloc et la propagation d'énergie à l'intérieur du milieu est discutée.Le comportement micromécanique du système impacté est examiné en se focalisant sur les mécanismes des chaînes de force. Le réseau de chaînes de force dans le milieu impacté est caractérisé à partir des tensions entre les particules. L'objectif est d'identifier le rôle des chaînes de force dans la force d'impact sur le bloc et dans la microstructure du milieu. En étudiant la force d'impact sur le bloc avec des impacts sur des échantillons de grains de tailles différentes montre que l'échantillon composé de grands grains a une plus grande force d'impact, des chaînes de force plus longues comparées à l'épaisseur du milieu ainsi qu'un grand pourcentage de chaînes de force avec une longue durée de vie. De plus, l'étude de la distribution spatiale et temporelle des chaînes de force montre que la résistance du milieu pendant l'impact est portée par les particules des chaînes situées entre le bloc et la base du milieu impacté et que la propagation des chaînes de force dans la direction latérale joue un rôle secondaire. Enfin, l'étude des mécanismes du flambage des chaînes de force indique que, provoqués par les mouvements entre les particules de la chaîne, l'augmentation de nombre de flambages est liée à la diminution de la force d'impact sur le bloc ainsi qu'à l'augmentation de l'énergie cinétique et de la dissipation d'énergie à l'intérieur du milieu. / The prediction of boulder trajectory and the design of protection structures are particularly two main interests of rockfall engineering. The prediction of boulder trajectory largely depends on the bouncing of the boulder, and the design of protection structures, such as embankments, are closely related to the impact force on the boulder.Based on this background, the thesis deals with the interaction between a boulder and a granular medium as well as the bouncing of a boulder on a granular medium, through numerical modelling based on discrete element method. The objective of the thesis is to identify and quantify the mechanisms that governs the bouncing of boulder and the load transfer inside the impacted medium. The main contents include three parts: DEM modelling of the impact process, global bouncing of the boulder and micromechanical behaviour of the impacted medium.The classical contact law implemented with rolling resistance to consider particle shape effects calibrated based on quasi-static triaxial tests is used to model the dynamic impact process. The boulder is modelled as a single sphere with an incident velocity, the medium is modelled as an assembly composed of poly-disperse spherical particles. The numerical impact modelling is validated in terms of impact force, impact duration, penetration depth by experiments from literature.Bouncing of the boulder is investigated together with the energy propagation process inside the impacted medium. The strength of the medium during impact is represented by elastic strain energy, while the strength of the medium is not persistent since the increase of elastic strain energy is followed by the increase of kinetic energy and energy dissipation, as well as the decrease of the coordination number. Boulder's bouncing occurrence obtained based on 3D simulations shows that three impact regimes exist, which is consistent with the results of citet{Bourrier_2008}. In addition, comparison between 2D and 3D bouncing occurrence diagrams shows that the positions and shapes of bouncing occurrence diagrams shift due to the different strength and energy dissipation properties. Based on the two aspects of investigations, the relation between the bouncing of the boulder and the energy propagation inside the medium is discussed.The micromechanical behaviour of the impacted system is investigated by focusing on force chain mechanisms. The force chain network in the impacted medium is characterized based on particle stress information. The aim is to find the role of force chains in the strength and the microstructure of the medium. Investigations of the impact force on the boulder by impacting samples composed of different grain sizes shows that sample composed of big grains resulting in a larger impact force, longer force chains compared with the medium thickness, and large percentage of long age force chains. In addition, the spatial and temporal distribution of force chains are investigated and the results show that the strength of the medium under impact is built by chain particles located between the boulder and the bottom boundary, and the force chain propagation in the lateral direction of the medium plays a secondary role. Moreover, the investigation of force chain buckling mechanisms indicates that, triggered by the relative movements between the chain particles, the increase of buckling number is related to the decrease of impact force on the boulder as well as the increase of kinetic energy and energy dissipation inside the medium.

Ces travaux de thèse sont consacrés à l’examen du rôle du rayonnement thermique dans le processus de propagation des flammes issues de la combustion des particules d’aluminium dans l’air. Le sujet étant complexe et d’un intérêt industriel, il nécessite de prendre en compte le couplage de nombreux phénomènes physico-chimiques afin de prédire finement les conséquences des explosions de poussières. Une analyse bibliographique approfondie est proposée, concernant les mécanismes d’inflammation et de combustion des particules d’aluminium et aussi concernant les connaissances relatives à la propagation des flammes de poussières. La question spécifique de la nature des échanges thermiques et de l’influence du rayonnement thermique est étudiée. La revue bibliographique souligne les approximations et les hypothèses simplificatrices utilisées dans la littérature permettant donc de définir les pistes d’améliorations. Compte tenu des limitations importantes concernant la physique de ces flammes, un outil de simulation de physique numérique nommé « RADIAN », proche de la simulation numérique directe, a été développé proposant un couplage fin entre les différents modes d’échanges thermiques et la combustion pour modéliser la propagation de la flamme dans un nuage de poussières. La méthode des éléments discrets (MED) est utilisée pour modéliser numériquement les échanges radiatifs entre les particules et les échanges conductifs entre gaz et particules. La méthode des différences finies est utilisée pour modéliser numériquement la conduction thermique dans la phase gazeuse et la combustion. Un modèle radiatif est proposé se basant sur la théorie de Mie sur les interactions rayonnement-particules. Les résultats des simulations sont comparés avec des solutions analytiques et des données expérimentales de la littérature. Mais en plus, une étude expérimentale est aussi conduite afin de mesurer la distribution du flux radiatif devant la flamme et la vitesse de combustion laminaire pour des flammes Méthane-Sic, Méthane-Alumine et Al-air. Un bon accord entre les simulations et les expériences est démontré. La loi de Beer-Lambert relative au transfert radiatif devant le front de flamme s’avère inapplicable et une nouvelle solution analytique est proposée. La présence de particules absorbantes du rayonnement promeut la propagation de la flamme. En particulier, il a été montré expérimentalement et confirmé numériquement que les mélanges riches d’AL-air sont susceptibles d’accélérer rapidement. / In this thesis, the role of thermal radiation in aluminum-air flames propagation is studied. The subject being complex and of industrial interest, it requires the coupling of many physiochemical phenomena to accurately predict the consequences of dust explosions. A thorough literature review is proposed about the ignition and the combustion of aluminum particles and about the available theoretical models of dust flames propagation. The specific question of the nature of thermal exchanges and the influence of thermal radiation is studied. The bibliographic review underlines the simplifying assumptions and hypotheses used in the literature making possible the definition of improvement areas. Because of the limited amount of knowledge available to address these questions, a numerical tool “RADIAN” is developed enabling an accurate coupling between the different modes of heat exchange and combustion. The Discrete Element Method (DEM) is used to numerically model the radiative exchanges between particles and the gas-particle thermal conduction. The Finite Difference method is used to numerically model the thermal conduction through the gas phase and combustion. A radiative model based on Mie theory for radiation-particles interactions is incorporated. The results of the simulations are compared with available analytical solutions and experimental data. An original experimental study is also conducted to measure the distribution of irradiance ahead of the flame front and the laminar burning velocity for methane-air-Sic, methane-air-alumina and Al-air flames. A good agreement between numerical simulations and experiments is demonstrated. The Beer-Lambert’s law for radiative transfer in front of the flame front is found to be inapplicable and a new analytical solution is proposed. The presence of absorbing particles may promote the flame propagation. In particular, it is shown experimentally and confirmed theoretically/numerically that Al-air rich mixtures are likely to rapidly accelerate.

A presente pesquisa tem como objetivo realizar um estudo teórico e desenvolver simulações computacionais envolvendo a dinâmica de sistemas gás-sólido. O foco principal do trabalho é a modelagem do particulado através da análise das forças de contato entre partículas de materiais granulares utilizando modelos contínuos baseados na mecânica dos solos e na teoria cinética dos escoamentos granulares (sistemas grandes com muitas partículas, formulação Euleriana - Volumes Finitos) e modelos discretos baseados nas características físicas dos materiais (sistemas intermediários e número limitado de partículas, formulação Lagrangeana - Método dos Elementos Discretos). Investigam-se os modelos existentes na literatura com intuito de melhorar os modelos contínuos e discretos baseados na interação entre as partículas que caracterizam a dinâmica do particulado em sistemas gás-sólido. Propõe-se uma nova abordagem para a determinação do coeficiente de rigidez da mola baseada em uma equivalência entre os modelos lineares e não-lineares. Utiliza-se o código fonte MFIX para realizar simulações computacionais da dinâmica de sistemas gás-sólido, analisando o processo de fluidização, mistura e segregação de partículas, influência das correlações de arrasto, e análise das forças de contato entre as partículas através do novo método para a determinação do coeficiente de rigidez da mola . Os resultados obtidos são comparados com dados numéricos e experimentais da literatura. / The purpose of the present study is to perform a theoretical study and develop numerical simulations involving dynamic in gas-solid systems. The focus of the work is the modeling of particulate matter using continuous models based on soil mechanics and the kinetic theory of granular flows (large systems with many particles, Eulerian formulation - Finite Volume) and discrete models based on physical characteristics of the particles (intermediate systems and limited number of particles, Lagrangian formulation - Discrete Element Method). It is proposed a new approach to determine the normal spring stiffness coefficient of the linear model through the numerical solution for the overlap between particles in non-linear models. The linear spring stiffness is determined using an equivalence between the linear and the non-linear models. It is used the MFIX computational code to perform numerical simulations of the dynamics of gas-solid systems. It is analyzed the processes of fluidization, mixing and particle segregation and the influence of drag correlations. The proposed approach for normal spring stiffness coefficient is applied in the numerical simulations of two problems: single freely falling particle and bubbling fluidized bed. The results were compared with numerical and experimental data from literature.

Une méthode de couplage continu-discret a été développée pour simuler les mécanismes complexes d'endommagement de la silice soumise à un choc laser de haute puissance. Dans un premier temps, une classification des méthodes numériques existantes a été faite pour choisir celles les mieux adaptées à la simulation du comportement sous choc de la silice. Comme résultat de cette classification, deux méthodes ont été retenues: la méthode des éléments discrets (DEM) et la méthode des éléments naturels contraints (CNEM). Ces méthodes sont alors couplées en se basant sur la technique dite "Arlequin". Puis, un modèle numérique permettant de tenir compte des différents phénomènes qui caractérise le comportement de la silice sous haute pression a été développé. Pour bien caractériser les mécanismes de fissuration de la silice à l’échelle microscopique, un nouveau modèle de rupture a été développé dans ce travail. Finalement, ces deux modèles, modèle de comportement et modèle de rupture, ont été intégrés dans la méthode du couplage pour simuler d'un point de vue mécanique le choc laser sur un échantillon en silice. / A discrete-continuum coupling approach has been developed to simulate the laser-induced damage in silica glass. First, a classification of the different numerical methods has been performed to select the ones that best meet the objectives of this work. Acting upon this classification, the Discrete Element Method (DEM) and the Constrained Natural Element Method (CNEM) have been retained. Subsequently, a coupling approach between these methods has been proposed. This approach is based on the Arlequin technique. In the second part, a numerical model of the silica glass mechanical behavior has been developed to better characterize the silica glass response under highly dynamic loadings and particularly loading generated by a laser beam. To correctly characterize the silica glass cracking mechanisms, a new fracture model has been proposed in this work. Finally, all these developments have been used to simulate the laser-induced damage in silica glass.

Le comportement mécanique en cisaillement sous contrainte normale constante de joints rocheux est étudié en utilisant une approche numérique par éléments discrets (DEM Discrete Element Model). Les influences respectives de la rugosité des surfaces des joints, de l'élasticité des épontes, de la rupture des aspérités de surface et du niveau de contrainte de compression sur les comportements en fermeture et cisaillement des joints rocheux sont particulièrement analysées. Pour la première fois la rugosité des joints considérée comme auto-affine est utilisée avec DEM pour étudier le frottement des joints rocheux. Cette rugosité est décrite par l’intermédiaire de trois paramètres :exposant de rugosité auto-affine, longueur de corrélation auto-affine et variance des fluctuations de hauteur. Sur la base d’un algorithme fondé sur la méthode spectrale, huit surfaces auto-affines isotropes correspondant à différentes rugosités ont été générées. Ces surfaces numériques sont utilisées comme moules permettant de générer les surfaces composées d’éléments discrets utilisées dans la suite de l’étude. La modélisation par éléments discrets s’appuie sur une calibration des propriétés élastiques effectuée à partir d’un volume élémentaire représentatif suivie de l’implémentation d’un critère elliptique de contraintes de rupture (au niveau des lois d’union entre éléments) permettant de simuler les grandes lignes du comportement quasi-fragile d’un mortier(utilisé lors d’expérimentations antérieures). Sur cette base et une fois les surfaces rugueuses implémentées dans les modèles DEM, les essais de fermeture (test de compression) des huit joints sont effectués sous deux niveaux de contrainte de compression : 14 MPa et 21 MPa. Par la suite, les joints sont cisaillés selon deux directions perpendiculaires. Pour chaque direction de cisaillement et chaque niveau de contrainte de compression, les joints sont testés en utilisant trois modèles mécaniques différents : 1) modèle rigide dans lequel, à l’exception des surfaces de joint en contact,les épontes ne peuvent pas se déformer, 2) modèle élastique dans lequel les épontes peuvent se déformer dans leur volume et 3) modèle élastique-fracture dans lequel les épontes peuvent se déformer dans leur volume et les liens entre les particules peuvent rompre selon le critère elliptique de contrainte. L'utilisation de ces trois modèles mécaniques différents permet d'étudier de façon systématique l'influence de la rugosité seule (modèle rigide), l'influence de l'élasticité et de la rugosité (modèle élastique) et enfin, l'effet combiné de la rugosité, de l'élasticité et de la rupture(modèle élastique-fracture). L’étude des résultats obtenus lors des simulations DEM est accompagnée d’une analyse énergétique permettant d’estimer l’évolution de l’énergie élastique stockée dans le système, de l’énergie de friction, du travail associé à la dilatance du joint et de l’énergie dissipée au cours de l’essai de cisaillement. / The shear behavior of rock joints under constant normal stress is studied using Discrete Element Method (DEM). The respective influences of joint surface roughness, elasticity of medium, fracture of surface asperities, and level of compression load on the closure and shear behaviors of rock joints are particularly analyzed. For the first time the roughness of the joints considered as self-affine is use dwith DEM to study the friction of rock joints, the roughness is described through three parameters:self-affine roughness exponent, self-affine correlation length and height variance. Using a numerical algorithm based on spectral method, eight isotropic self-affine surfaces corresponding to different roughness are generated. Latter, numerical surfaces are used as molds to generate the discrete elements surfaces. The discrete element modeling is premised on a preliminary calibration of the elastic properties performed on a representative elementary volume and on the implementation of the fracture properties (elliptic fracture criterion expressed in stress) describing with a reasonable accuracy the quasi-brittle fracture behavior of mortar (used in previous experimental tests). On this basis and once the roughness surfaces implemented in DEM, the simulations of the compression/closure test are performed on the eight joints and this for two compression stress levels: 14 MPa and 21 MPa. Then, the eight DEM joints are sheared along two perpendicular directions. For each shear direction and each level of compression stress, the joints are tested through three different mechanical models: 1) rigid model in which the medium cannot deform excepted at the contact surface of joints, 2) elastic model in which the medium can deform in its volume and 3) elastic-fracture model in which the medium can deform in its volume and the bondsbetween discrete elements can failed according to the elliptic fracture criterion. The use of these three mechanical models allows studying systematically the influence of the roughness alone (rigidmodel), the influence of elasticity and roughness (elastic model) and finally, the combined effect ofthe joint roughness, of the elasticity and of the fracture (elastic-fracture model). The study of the results obtained from the DEM simulations is followed by an energetic analysis allowing theestimation of the evolutions, as a function of the shear displacement, of the elastic energy stored inthe system, of the friction energy, of the work related to the joint dilatancy and of the energy dissipated by internal damping of the DEM. / En esta tesis se estudia la fricción en juntas rocosas utilizando el Método de Elementos Discretos (DEM). En particular, se estudia la influencia de la rugosidad de las superficies de la junta, la elasticidad, la fractura, y el nivel de carga de compresión sobre el comportamiento de cierre y de cizalla de las juntas rocosas. Por primera vez la rugosidad de las juntas considerada como auto-afín esutilizada para estudiar la fricción de juntas rocosas, la rugosidad se describe mediante tres parámetros: el exponente de rugosidad, la longitud de correlación auto-afín y la varianza de alturas. Mediante un algoritmo de computadora basado en métodos espectrales, ocho superficies autoafines isotrópicas con diferente rugosidad fueron creadas. Posteriormente, las ocho superficies fueron utilizadas como moldes para generar las juntas utilizando elementos discretos. Antes de realizar las simulaciones de compresión y cizallaura, se calibraron las propiedades elásticas y defractura (criterio de fractura elíptico basado en esfuerzos) de las juntas numéricas a los datos experimentales (obtenidos previamente) de unas muestras de mortero mediante la utilización de un volumen elemental representativo (REV). Una vez que las propiedades mecánicas de las juntas se obtuvieron mediante la calibración del REV, se realizaron las pruebas de cierre (prueba de compresión) de las ocho juntas DEM. Se utilizaron dos niveles de esfuerzo de compresión para laspruebas de cierre: 14 MPa y 21 MPa. Después, las ocho juntas DEM fueron cizalladas en dos direcciones mutuamente perpendiculares. Para cada dirección de cizalla y cada nivel de esfuerzo decompresión (14 y 21 MPa), las juntas fueron cizalladas usando uno de los tres modelos mecánicos siguientes: 1) un modelo rígido, en el que las juntas no se pueden deformar, excepto en su superficie,2) un modelo puramente elástico, en el que las juntas se pueden deformar en todo su volumen y 3)un modelo elástico con fractura en el que las juntas se pueden deformar en su volumen y, si elesfuerzo sobre las uniones entre partículas excede cierto nivel de esfuerzo máximo, las uniones se rompen de una manera irreversible. El uso de estos tres modelos mecánicos nos permitirá estudiar de manera sistemática: la influencia de la rugosidad (modelo rígido), la influencia de la elasticidad y rugosidad (modelo puramente elástico) y, finalmente, el efecto combinado de la rugosidad de las juntas, la elasticidad y la fractura (modelo elástico con fractura). El estudio de los resultados obtenidos de las simulaciones DEM es seguido por una análisis energético el cual permite estudiar la evolución de los diferentes tipos de energía en función del desplazamiento de cizalla: energía elástica almacenada en el sistema, energía de fricción entre elementos discretos, el trabajo relacionado conla dilatación de la junta y la energía disipada por el amortiguamiento interno del DEM.

Cette contribution, en s’appuyant sur expérimentation et modélisation numérique, vise à une meilleure compréhension du comportement de structures en maçonnerie. Nous traitons tout d’abord le cas des murs soumis à un chargement hors plan de type pression uniforme. Les applications en ingénierie sont multiples, par exemple le cas de la maison individuelle construite en montagne en zone bleu, zone où les structures sont susceptibles de subir un impact de type avalanche de neige ; ou encore le cas de la maçonnerie soumise à une pression latérale induite par une charge accidentelle telle qu’une explosion dans une zone Seveso ou plus généralement en ville suite à l’explosion d’une conduite de gaz. Notre étude se confine au cas quasi-statique, l’objet étant une meilleure compréhension du comportement d’un mur en maçonnerie soumis à pression latérale uniforme. Nous avons aussi testé différentes configurations de renforcement par matériau composite. Puis nous évaluons pas à pas, les possibilités de la modélisation via la méthode des éléments discrets (DEM). Des essais judicieusement choisis, maçonnerie à joint sec ou mortier, nous permettent d’en évaluer les pertinences et les limites. Nous abordons ensuite sur maquettes, les essais sous charge ponctuelle hors plan en quasi-statique et le cas de l’impact en dynamique, puis nous traitons des essais vibratoires et des sollicitations dynamiques harmoniques. La modélisation DEM est aussi évaluée dans certains cas tels que les vibrations et les sollicitations modales, voir l’application d’une sollicitation sismique unidirectionnelle. L’étude des sollicitations dynamiques est limitée à la vibration et l’impact, plus facile à gérer en laboratoire que les essais dynamiques de « type souffle », non ici abordés mais que nous mettons en perspective. / The study, based on experiments and numerical modeling, discusses the behavior of masonry walls in the loading case of a uniform out of plane pressure. Engineering applications are multiple, for example the case of detached house built on mountain in blue area, where structures are liable to undergo an impact of snow avalanche type; or the case of masonry subjected to lateral pressure induced by accidental load such as an explosion in Seveso area or more generally in city following the explosion of a gas pipeline. Our study allows, first to quantify the bearing capacity in the case of uniform pressure in quasi-static loading case, and thus to highlight the associated modes of rupture, and secondly to estimate the improvements in terms of global behavior when the structure is reinforced by Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP) layers. Then, discrete element method (DEM) is illustrated by applications to various masonry problems from simple to more complicated, where in plane loading, out of plane loading, or both, are considered. This modeling allows us to evaluate the pertinence and limitations of DEM in masonry structure. Finally we discuss the dynamic tests, with the case of impact, easier to manage in laboratory than the testing dynamic "blast type" that we will put into perspective.