Un modèle constitutif complètement couplé est présenté pour l'analyse rigoureuse de la déformation, de l'écoulement de fluides et de transfert de chaleur dans les milieux poreux saturés à double porosité soumis à des chargements thermo-hydro-mécaniques, y compris ceux induisant un non-équilibre thermique local. La phase solide contient deux cavités distinctes: le bloc poreux et le réseau des fissures. Les équations de champs sont obtenues à partir des équations de conservation de la masse, du mouvement et de l'énergie et sont résolues par une approche par élément finis. Le modèle est utilisé pour deux types d'applications: la stabilité d'un puits de forage stimulée thermiquement pour la récupération de pétrole et l'extraction de chaleur dans un réservoir géothermique fracturé. Les différences substantielles, particulièrement de la contrainte effective, soulignent l'influence majeure de la double porosité et du non-équilibre thermique pour prédire le comportement des milieux fracturés.

Du fait de la richesse de ses ressources naturelles, la France est traditionnellement un grand producteur de roches destinées à la construction. Le secteur souffre pourtant d'une sous-utilisation de ces produits et il est caractérisé par une organisation artisanale, avec un grand nombre de petites entreprises distribuées sur le territoire. Produit naturel, la pierre a de nombreux attributs positifs du point de vue du développement durable : un cycle de vie long, une bonne résistance, une grande facilité d'entretien et de recyclage, et des pratiques d'extraction et de fabrication avancées générant de faibles coûts en termes d'énergie et de pollution. Compte tenu des caractéristiques positives de la pierre, cette thèse vise à encourager un rapprochement de l'architecture contemporaine et de la pierre de taille, afin de répondre aux normes environnementales et à la qualité de vie de ceux qui utilisent les ouvrages construits. Toutefois, il existe de fortes contraintes liées aux caractéristiques propres de ce matériau. D'abord des contraintes morphologiques, liées à la transmission de force typique des systèmes voutés qui, sollicitées par un état de compression qui est favorable à la pierre et qui est transmis seulement par le contact continu entre les surfaces des éléments, transmettent une poussée non négligeable sur les structures de confinement. En outre des contraintes technologiques, liées à la nécessité de créer une structure temporaire qui simplifie la mise en œuvre qui s'avère exigeante en ressources et matériaux et suppose un temps de réalisation long. La méthode que nous définissons dans la thèse, en s'inspirant de la stéréotomie, vise la mise en place d'un processus continu et contrôlé de création de l'objet architectural, de sa conception à sa validation, sur la base de critères objectifs, jusqu'à sa réalisation. Dans le champ très vaste des structures en pierre de taille, sur la base des objectifs de notre recherche, nous nous sommes concentrés sur des systèmes obtenus à partir d'un appareillage plat de pierres, breveté par l'ingénieur français Joseph Abeille en 1699. Cette proposition se trouve à l'interface entre les systèmes voûtés et les structures réciproques. Nous avons donc mis en place une méthode de support à la conception et à la fabrication s'appuyant sur des logiciels de modélisation géométrique et mécanique actuels. Une procédure automatique permet de générer des familles paramétriques des structures caractérisées par l'assemblage de claveaux en pierre. Plusieurs sorties graphiques sont programmées dans la même procédure, visant à optimiser les processus de fabrication. Si plusieurs possibilités formelles sont disponibles, il est nécessaire de disposer d'un outil et de critères pour opérer la sélection. Dans certains cas, ceux-ci concernent les conditions de fabrication, d'installation et de fonctionnement des structures, dans d'autres cas, ils portent sur la mécanique des structures en pierre de taille. Nous avons donc utilisé un modèle numérique pour simuler le comportement des structures clavées en pierre, afin de sélectionner une structure performante sur la base de ces critères. Cette étape nous permet également d'étudier l'influence des paramètres considérés comme significatifs et indiqués au stade de la conception sur la performance de la structure. La relation soulignée par cette analyse de sensibilité devient un outil d'évaluation, qui peut être utile dans les choix de conception. Enfin, il nous est apparu indispensable d'expérimenter plusieurs réalisations à grande échelle, afin de tester la faisabilité des structures dessinées et la fonctionnalité de l'outil numérique. Les conclusions de ce travail visent à promouvoir la possibilité de mettre à disposition des architectes et ingénieurs des outils adéquats pouvant favoriser la réappropriation de la pierre massive comme matériau de construction, et proposer des formes et des caractéristiques positives adaptées à la demande actuelle / Due to the abundance of its natural resources, France has traditionally been a major producer of rocks for construction. Yet the sector suffers from underuse of these products and is characterized by an artisanal organization, with a large number of small-scale industries distributed over the territory. Thanks to their natural origin, stones have many attributes that fit with sustainable development principles: a long life cycle, good resistance, ease of maintenance and recycling, and advanced mining and manufacturing practices characterized by low energy consumption and pollution. Considering these good characteristics, this thesis aims at encouraging reconciliation between contemporary architecture and dimension stone, in order to meet the environmental standards and enhance the quality of life of those using the buildings. However, there are strong constraints related to the specific characteristics of this material. First of all, the morphological constraints related to the transmission of forces typical of the vaulted systems. Vaulted systems are solicited by compressions transmitted only through the direct contact between the surfaces of the different elements, but that exert a significant thrust on the confinement structures. In addition, technological constraints are related to the need of creating a temporary structure to simplify the construction. This temporary sub-structure proves demanding in terms of resources and materials, and requires a long time to be completed. The method described in the thesis, which is inspired by stereotomy, aims at building a continuous and controlled process for the creation of the architectural object – going from design to validation to construction - based on objective criteria. In the huge field of structures made of dimension stones, we are focusing for this research on systems obtained from a flat bonding of stones patented by the French engineer Joseph Abeille in 1699. The characteristics of this flat stones bonding make it particularly interesting and potentially effective from the formal and structural point of view. We have therefore created a way to support the design and the production - based on existing modeling and mechanical software. An automatic procedure generates parametric families of structures based on Abeille's bonding. Several graphical outputs are programmed in the same procedure, aimed at optimizing the manufacturing process. However, if many formal opportunities are created by the process, it is necessary to have tools and criteria to make the selection. In some cases, these criteria are related to the conditions of manufacturing, installation and functioning of the structures; in other cases, they are related to the mechanics of stone structures. To achieve this, we have used a numerical model to simulate the behavior of the different stone structures and helps the identification of the most performing one – depending on the defined criteria. This simulation also allows us to study the influence of some parameters, considered significant at the design stage, on the performance of the structure. The relationships underlined by this analysis provide an assessment tool that can be useful in design choices. Finally, we considered necessary to experiment with several large-scale construction - to test the feasibility of the designed structures and the functionality of the digital tool. The conclusions of this study are intended to provide architects and engineers with adequate tools to promote and facilitate the appropriation of the stone as a building material, and propose forms and materials suitable to contemporary requirements

Un modèle constitutif complètement couplé est présenté pour l'analyse rigoureuse de la déformation, de l'écoulement de fluides et de transfert de chaleur dans les milieux poreux saturés à double porosité soumis à des chargements thermo-hydro-mécaniques, y compris ceux induisant un non-équilibre thermique local. La phase solide contient deux cavités distinctes: le bloc poreux et le réseau des fissures. Les équations de champs sont obtenues à partir des équations de conservation de la masse, du mouvement et de l'énergie et sont résolues par une approche par élément finis. Le modèle est utilisé pour deux types d'applications: la stabilité d'un puits de forage stimulée thermiquement pour la récupération de pétrole et l'extraction de chaleur dans un réservoir géothermique fracturé. Les différences substantielles, particulièrement de la contrainte effective, soulignent l'influence majeure de la double porosité et du non-équilibre thermique pour prédire le comportement des milieux fracturés. / A fully coupled constitutive model is presented for a rigorous analysis of deformation, hydraulic and heat flows in saturated dual porosity media subject to thermo-hydro-mechanical loadings including those able to cause local thermal non-equilibrium. The solid phase is assumed to contain two distinct cavities: the porous blocks and the fissure network. The governing equations are derived based on the equations of conservation of mass, momentum and energy. Solution to the governing equations is obtained numerically using the finite element approach. The capabilities of the model address two energy applications: the stability of a borehole in a thermally enhanced oil recovery context and the heat extraction of enhanced geothermal systems. Substantial differences, particularly in the effective stress response, highlight the major influence of the dual porosity model and the importance of the local thermal non-equilibrium assumption to predict the behaviour of fractured media.