Les sols argileux peuvent présenter des variations importantes de volume lors d'un changement hydrique, tel une période de sécheresse. Ce phénomène de retrait-gonflement des sols argileux est à l'origine de nombreux préjudices aux bâtis ce qui le situe, après les inondations, au second rang des aléas naturels français en matière de coût des dommages : 5 milliard d'euros entre 1988 et 2007. Les maisons individuelles sont les plus touchées par ce phénomène qui provoque un tassement différentiel du bâti à l'origine de sa dégradation (fissures dans les éléments de maçonnerie non armée en particulier). L'objectif de cette thèse est d'étudier la vulnérabilité des bâtis vis-à-vis de l'aléa retrait-gonflement à travers une analyse de l'interaction sol-structure. Ce travail s'est porté sur les trois grands volets suivants : le comportement hydromécanique des sols argileux, l'interaction sol-structure et l'évaluation des dommages structuraux. Le comportement hydromécanique des sols argileux a été modélisé par le concept de surface d'état et intégré dans un modèle d'interaction sol-structure inspiré du modèle de Winkler, avec des approches de plus en plus complexes : cas unidimensionnel tout d'abord, 2D ensuite en assimilant la structure à une poutre, puis en 3D en représentant la structure par une plaque. Ces modèles d'interaction sol-structure permettent de calculer la déflexion relative d'un bâti, en fonction d'une valeur de succion imposée et des propriétés mécaniques ou hydromécaniques de la structure et du sol d'assise. La déflexion relative du bâti est alors comparée à des valeurs seuils afin d'évaluer le dommage. La dernière partie de cette thèse consiste en une étude de faisabilité pour le développement de courbes de vulnérabilités adaptées à la problématique du retrait gonflement. Ces courbes représentent la moyenne des dommages d'un type de bâti conçu sur un type de sol gonflant pour une valeur de succion imposée. Ces courbes ont été développées à partir d'une typologie des sols gonflants et d'une typologie des bâtis issue des bases de données des maisons sinistrées. La moyenne des dommages est calculée par la méthode de Monte-Carlo, en prenant en compte la variabilité des paramètres du bâti.

Les affaissements de terrain de grande ampleur résultent de l'effondrement de cavités souterraines issues de l'activité industrielle humaine (mines ou carrières) ou formées naturellement par la circulation d'eau dans des massifs de roches solubles (calcaire, gypse). Leur impact sur le bâti existant en surface est généralement très important comme en attestent les exemples récents des affaissements d'Auboué (1996), de Moutiers (1997) et de Roncourt (1999) qui ont endommagé plus de cinq cents bâtiments et ouvrages ou le fontis sur le chantier METEOR en 2003. Il est donc nécessaire de prévoir les mouvements du sol de surface (tassements et déformation horizontale) résultants de ces phénomènes et surtout de déterminer l'influence que peut avoir la présence d'une ou plusieurs structures en surface sur la forme et l'amplitude de ces mouvements.<br />Le programme de cette thèse s'articule donc autour de la thématique suivante : évaluation des risques urbains liés aux mouvements de sol dus à la présence de cavités souterraines et interaction avec le bâti et les structures.<br /><br />La première partie porte sur la conception d'un modèle réduit physique bidimensionnel permettant de représenter un effondrement de cavité de type fontis. Elle apporte une contribution innovante à la conception de modèles réduits physiques 1g par la mise au point d'un matériau analogique cohérent, dérivé du matériau de Schneebeli. Des essais sont alors menés pour caractériser l'influence de l'interaction sol-structure lors d'un tel phénomène.<br /><br />Ensuite un modèle numérique est développé à partir d'un outil numérique permettant l'emploi conjoint de deux codes de calcul complémentaires basés sur une approche en milieu continu d'une part et sur la mécanique des éléments distincts d'autre part. Les résultats issus de ce modèle sont alors comparés avec ceux provenant des essais réalisés sur le modèle expérimental.<br /><br />La dernière étape est une confrontation de cet outil numérique dans un essai de rétro-analyse d'un fontis réel survenu dans le massif de l'Hautil en 1991.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Génie civil : Lille 1 : 2006. / N° d'ordre (Lille 1) : 3951. Résumé. Titre provenant de la page de titre du document numérisé. Bibliogr. p. 125-127. Liste des publications.

L'instabilité des cavités souterraines (mines, carrières, tunnels,...) peut induire les mouvements de terrains d'amplitude suffisante pour endommager les bâtiments et les infrastructures en surface. Les méthodes traditionnelles, utilisées dans les pratiques d'ingénieur pour prévoir les déformations dans les structures, sont basées sur les caractéristiques des mouvements de terrain en condition de terrain vierge sans prendre en compte l'effet de la présence des structures en surface. L'objectif de cette thèse est de prédire les déformations des ouvrages en tenant compte de l'influence de l'interaction sol-structure, d'une part ; et d'évaluer la performance d'une solution de protection (tranchée périphérique), d'autre part. Cela a été achevé par la réalisation d'études paramétriques utilisant deux approches complémentaires : une approche expérimentale à l'aide d'un modèle réduit physique 3D sous gravité normale et une modélisation numérique 3D par la méthode des éléments finis. En particulier l'effet d'un certain nombre de paramètres géométriques et mécaniques a pu être investigué dans l'étude de l'interaction sol-structure : la position de la structure par rapport à la cuvette d'affaissement, le poids de la structure et la raideur relative entre le sol et la structure. Concernant l'étude de l'efficacité de tranchées périphériques, l'effet de la position de la structure, de la position de la tranchée vis-à-vis de la structure et de la rigidité de la tranchée a été analysé. Les résultats obtenus ont abouti à une meilleure compréhension du problème d'interaction sol-structure et ont montré l'importance de cet effet qui doit être pris en compte dans l'évaluation de la vulnérabilité du bâti. Le transfert des mouvements du sol à la structure est faible (moins de 2,5%), dans le cas modélisé : structure rigide et interface glissante. Les différents résultats ont permis par ailleurs de mettre en évidence l'efficacité de la tranchée périphérique pour réduire les sollicitations affectant les structures. La tranchée doit être remplie avec un matériau très déformable et surtout placée à une distance de l'ordre d'un mètre de la structure.

Le présent mémoire de thèse propose de nouvelles méthodes de simulation pour la prédiction du comportement dynamique des bâtiments sous séisme. En s'appuyant sur la similitude architecturale des étages d'un immeuble, une méthode d'homogénéisation des milieux à périodicité unidirectionnelle est élaborée afin de réduire son modèle structural tridimensionnel à un modèle simplifié (poutre équivalente). La structure simplifiée est ensuite étudiée en interaction avec le sol. La dispersion significative observée sur les propriétés du sol est introduite sous la forme d'une matrice d'impédance aléatoire construite à l'aide du maximum d'entropie. L'ensemble est soumis à un signal sismique naturel et la réponse dynamique est calculée dans le domaine linéaire (cas déterministe et stochastique) et dans le domaine non-linéaire (décollement de fondation). Dans le cas non-linéaire, une sous structuration de type Craig-Bampton permet de déterminer la réponse de la structure par analyse modale

Dans le contexte du calcul sismique basé sur la notion de performance, lesingénieurs se trouvent confrontés à une tâche difficile pour estimer la performance etévaluer les risques des systèmes sol-structure en interaction. Afin d’accomplir cette tâcheavec succès, toutes les sources d'incertitudes aléatoires et épistémiques doivent être prisesen compte au cours du processus de conception. Ainsi, des méthodes appropriées sontnécessaires pour l'étude de la propagation de l'incertitude des paramètres du systèmedécrivant la structure, le sol, et les charges appliquées aux réponses structurelles endéfinissant des états limites de performance. L’objectif de cette thèse est de contribuer àl’étude du comportement sismique des structures en interaction avec le sol et d’offrir denouveaux outils pour le traitement de problèmes pertinents, orientés vers la nouvellephilosophie de conception parasismique des structures : la conception basée sur laperformance (performance-based design). Cet axe de recherche structure ce travail dedoctorat. La problématique s’inscrit dans le cadre de proposition de modèles simplifiés afind’aborder un problème compliqué tel que l’interaction sol-structure (ISS). Lecomportement non linéaire de la structure est déterminé par une approche capacitive baséesur la performance sismique telle que la méthode N2 proposée par P. Fajfar. Dans saversion originale, cette méthode considère que la structure est encastrée à sa base,négligeant ainsi l’ISS. Il s'agit d'une extension de la méthode N2 et que nous appelleronsN2-ISS. A notre connaissance, il n'existe pas d'études qui ont intégré l'ISS dans ce type deformalisme. Pour examiner la validité et la fiabilité du modèle présenté, une analysecomparative a été faite entre l'approche que nous proposons et trois autres méthodes: 1) laméthode introduite dans le code BSSC 1997, 2) la méthode proposée par Avilès & Perez–Rocha (2003) ainsi que 3) la méthode dynamique temporelle non linéaire. Les résultatsobtenus ont montré que la réponse en déplacement de la structure était assez proche dansles quatre méthodes.Les courbes de fragilité sont établies en tenant compte des effets de l’ISS et desincertitudes associées au chargement (mouvement du sol), aux propriétés de la structure,du sol, et de la fondation (impédances, ...). L’incertitude épistémique est égalementconsidérée de manière indirecte suite à la comparaison entre deux procédures d'évaluationdes états d’endommagements (Méthode de Park & Ang et Méthode de RISK-UE). L'étudea abouti aussi à une caractérisation préliminaire du risque sismique dans une partie de laville d'Oran dont les caractéristiques géologiques et géotechniques étaient disponibles.Cette étude a permis la cartographie du dommage et d'étudier la la vulnérabilité sismiquedes bâtiments. / In the context of performance-based earthquake engineering (PBEE), a challengingtask for structural engineers is to provide performance and risk assessment for structures orsoil-structure interaction (SSI) systems. In order to fulfill this task successfully, all relevantsources of aleatory and epistemic uncertainties must be accounted for during the designprocess. Thus, proper methods are required for the study of uncertainty propagation frommodel parameters describing the structure, the soil, and the applied loads to structuralresponses by defining some performance limit states. The objective of this thesis is tocontribute to the study of the seismic behavior of structures interacting with soil andprovide new tools for the treatment of relevant issues facing the new philosophy of seismicdesign of structures: performance-based design. The objective of this thesis is to contributeto the study of the seismic behavior of structures interacting with soil and provide newtools for the treatment of relevant issues facing the new philosophy of seismic design ofstructures: (performance-based design). This research structure this doctoral work. Theissue is part of proposed simplified models to address a complicated problem such as soilstructureinteraction (SSI). The nonlinear behavior of the structure is determined by acapacitive approach based on the seismic performance as N2 method proposed by P.Fajfar. In its original version, this method considers that the structure is fixed at its base,thus neglecting the ISS. The new proposed method called N2-SSI is an extension of the N2method. To our knowledge, there are no studies that have joined the SSI ISS in this type offormalism. The proposed approach is validated and compared with time history analysis,Building Seismic Safety Council (BSSC) method (NEHRP, 2003), and a method proposedby Aviles and Perez-Rocha (2003). The results obtained showed that the responsedisplacement of the structure was fairly close in the four methods.The fragility curves are established taking into account the effects of the ISS anddifferent uncertainty sources: the load (input ground motion), the soil, the structure and theSSI (impedances, ...). Epistemic uncertainty was investigated through comparison betweentwo different approaches in assessing damage states (Park and Ang and Risk-UE). Thestudy also resulted in a preliminary characterization of the seismic risk in a part of the Orancity, where geological and geotechnical characteristics were available. This study allowedthe mapping of the damage and the study of the seismic vulnerability of buildings.

Les études des phénomènes d'interaction sismique sol-structure pour le dimensionnement d'ouvrages en génie civil sont fondées sur deux hypothèses simplificatrices fortes : l'homogénéité latérale du sol sous la fondation, et la représentation du mouvement sismique par des ondes planes à incidences verticales ou inclinées. Pour de grands ouvrages reposant sur des radiers flexibles étendus, ces hypothèses ne sont plus valides, d'autant que les observations in situ des ondes sismiques font apparaître une variabilité spatiale importante même sur de courtes distances et indépendamment de l'effet du passage d'onde. Dans ce travail sont développés les outils de modélisation et d'analyse numérique permettant de tenir compte de cette variabilité ainsi que de celle des caractéristiques mécaniques du sol. Une approche probabiliste est retenue, et leur influence est directement reliée à la réponse de la structure au séisme par une formulation intégrale incorporant ces deux aspects simultanément. Pour une mise en oeuvre numérique efficace, la dimension aléatoire des fluctuations - grandes ou petites - aléatoires des caractéristiques mécaniques du sol est réduite par l'introduction du développement de Karhunen-Loeve de l'opérateur de raideur dynamique associé. Cette technique est aussi appliquée au champ sismique incident. Les résultats obtenus pour des cas complexes réalistes permettent de mettre en évidence certains phénomènes dont l'appréhension apparaît indispensable dans le cadre d'une étude industrielle. Ils donnent notamment quelques indications utiles sur la sensibilité de la réponse de la structure à la variabilité spatiale du mouvement sismique ou des paramètres du sol.

Le sol présente une variabilité spatiale des propriétés physiques et mécaniques dont les effets sur des structures légères avec semelles filantes et sur les conduites enterrées ne sont pas bien pris en compte dans leur dimensionnement. Cette variabilité naturelle peut être très importante dans le cas de ces ouvrages car elle induit des tassements différentiels, dont les conséquences peuvent être dommageables : fissures dans les murs, les poutres ou encore des fuites dans les réseaux d'assainissement. La variabilité naturelle du sol et l'incertitude liée à la connaissance imparfaite des propriétés du sol et/ou du béton ou de l'acier de la structure sont les principales sources d'incertitude dans le choix des paramètres de calcul pour le dimensionnement de ces structures. Dans cette thèse, une approche analytique avec les méthodes probabilistes (FOSM et SOSM) et le modèle de Winkler, puis numérique avec le couplage de la méthode des éléments finis avec des approches géostatistiques ont été successivement menées pour modéliser le comportement des semelles filantes et des conduites enterrés lorsque les incertitudes sur les propriétés mécaniques du sol et de la structure sont prises en compte dans leur dimensionnement. Il apparait ainsi, l'importance du comportement longitudinal de ces ouvrages et du poids des incertitudes dans leur dimensionnement.

Le renforcement des sols en zone sismique par des colonnes ballastées et/ou des inclusions rigides représente une alternative prometteuse et de plus en plus répandue par rapport aux solutions lourdes de fondations sur pieux. On sait que les pieux subissent, du fait de leur rigidité, des moments très importants au niveau de la liaison chevêtre-pieu. Les inclusions rigides surmontées d'un matelas granulaire permettent de mieux dissiper les efforts inertiels transmis par la superstructure, mais peuvent nécessiter des armatures si ce matelas n'est pas suffisamment épais. On peut penser que la colonne à module mixte (CMM) offre une solution combinant l'effet " matelas " à travers sa partie supérieure en colonne ballastée plus flexible et l'effet stabilisateur de la colonne inférieure. Cette thèse présente dans une première partie l'étude expérimentale réalisée au Laboratoire 3S-R (Grenoble) sur des modèles réduits à l'échelle 1/10 afin d'analyser la réponse de ces systèmes sous différentes charges statiques et dynamiques. Le modèle physique se compose d'une semelle carrée reposant directement sur l'argile renforcée. Le chargement vertical et horizontal, statique et dynamique est appliqué par l'intermédiaire de la fondation. Une instrumentation a été placée au niveau de la semelle pour obtenir la réponse globale du système, ainsi que dans la partie rigide inférieure du modèle pour évaluer la répartition des efforts entre inclusion et partie flexible supérieure. Une attention toute particulière a été donnée à la simulation de l'effet inertiel d'un séisme. Les profils de moments, d'efforts tranchants et de déplacements en fonction de la profondeur déterminés à partir de 20 extensomètres répartis régulièrement sur toute la hauteur de la partie rigide ont permis d'étudier l'influence de la hauteur de la colonne ou du matelas. La comparaison entre les déplacements dynamiques de la semelle et les courbes P-y (pression latérale P fonction du déplacement latéral y de la tête de pieu), permet de quantifier la dissipation de l'énergie dans les différentes parties du système. Les résultats expérimentaux montrent que la partie supérieure souple absorbe l'essentiel de l'énergie inertielle sismique. Une modélisation numérique 3D confirme les tendances observées expérimentalement et souligne l'importance du rôle de la zone de transition entre partie souple et partie rigide.

Trois stratégies de modélisation de structures sont proposées dans ce document. La première consiste à l'utilisation des éléments poutres multifibres de cinématique Timoshenko et des lois de comportement basées sur la mécanique de l'endommagement pour le béton et la plasticité pour les aciers. Après une présentation succincte de plusieurs éléments poutres multifibres existants dans la littérature, un nouvel élément Timoshenko avec des fonctions d'interpolation d'ordre supérieure est proposé. La deuxième stratégie concerne la prise en compte de l'Interaction du Sol avec la Structure (ISS) et le développement d'un élément d'interface 3D modélisant une fondation rigide superficielle reposant sur un massif de sol. Basé sur le concept des macro-éléments, ce nouvel outil est formulé en variables globales (forces et déplacements) et selon la théorie de plasticité, permettant ainsi de diminuer le temps de calcul. Enfin, la troisième stratégie traite de problème de la localisation des déformations et de l'objectivité des résultats des calculs dans un milieu enrichi (milieu avec microstructure). L'évolution de la zone de localisation est étudiée avec des modèles second gradient locaux pour différents types de lois simples basées sur la théorie de plasticité ou de l'endommagement. Des comparaisons avec des résultats expérimentaux et/ou des exemples numériques prouvent la performance des stratégies de modélisation proposées.