Dans le domaine du génie parasismique, l'Interaction du Sol avec la Structure (ISS) est un phénomène important à considérer pour espérer rendre compte du comportement réel d'une structure et donc évaluer sa vulnérabilité. Ce travail présente la construction d'un élément d'interface 3D modélisant une fondation superficielle de forme circulaire, rectangulaire ou filante reposant sur un massif de sol semi infini et permettant de prendre en compte l'ISS en considérant les non-linéarités matérielles (la plasticité du sol) et les non-linéarités géométriques (le décollement de la fondation). Basé sur la méthode des macro-éléments, cet élément permet de travailler en variables globales (forces et déplacements) et comporte 5 degrés de libertés. Tous les éléments du torseur d'effort appliqués à la fondation sont présents excepté le moment de torsion qui n'est pas pris en compte. Cette description globale permet ainsi de simplifier le modèle en minimisant d'une part la préparation des données et du maillage et d'autre part les temps de calculs. Les nonlinéarités sont traitées grâce aux théories classiques de plasticité et peuvent ainsi être couplées de manière simple selon la théorie des multi-mécanismes. Une description mathématique de chaque mécanisme est proposée. Le macro-élément est implémenté dans FedeasLab, un code élément finis développé dans Matlab. Des comparaisons avec des résultats expérimentaux d'une fondation soumise à des chargements cycliques, ainsi que dynamiques mais aussi des simulations modélisant des ouvrages d'arts (bâtiment, pont...) montrent le bon fonctionnement du macro-élément 3D d'ISS. Enfin, l'efficacité et la robustesse de ce genre d'outils permettent de faire des analyses paramétriques faisant évoluer plusieurs paramètres de sols qui seront présentées à l'issue de cette thèse.

Les structures offshores sont conçues pour résister à des chargements environnementaux sévères. Des études expérimentales et numériques de la fondation d’une éolienne offshore soumise à des chargements statiques monotones/cycliques sont présentées dans ce manuscrit. Des pieux isolés (diamètre de 1,8 m et 40 m de longueur) et une structure en treillis fondée sur 4 pieux ont été testés à 100×g en centrifuge dans un massif de sable de Fontainebleau dense. Le comportement du pieu isolé a été identifié à travers des essais de chargement axial monotone. Différentes méthodes de mise en place de pieu ont été adoptées (installation à 1×g et à 100×g) et leur influence sur la capacité portante a été mesurée. Le diagramme de stabilité du pieu a été construit à partir des résultats des essais cycliques, des essais CPT ont été réalisés et l’influence des contraintes initiales a été étudiée. Des résultats expérimentaux de la fondation jacket soumise à des chargements latéraux cycliques sont enfin présentés. La méthode des éléments finis et un macro-élément pour des pieux ont été utilisés pour reproduire numériquement les résultats expérimentaux. Les lois de comportement adoptées sont basées sur la théorie d’hypo-plasticité et les contraintes initiales dans le sol sont issues de la méthode ICP-05. Les résultats numériques sont confrontés aux résultats expérimentaux et aux résultats analytiques obtenus à partir de la norme API. / Offshore structures are designed to resist to severe environmental loads. This manuscript presents experimental and numerical studies on offshore wind turbine pile foundations submitted to static monotonic/cyclic loads. Isolated piles (diameter of 1.8 m and embedded length of 40m) and a four-legged truss structure installed in dense Fontainebleau sand have been tested at 100×g in a geotechnical centrifuge. The behavior of the isolated piles has been characterized under monotonic axial load. The piles have been jacketed at 1×g and 100×g and the influence of the setup method on the bearing capacity has been measured. The stability diagram of a pile has been constructed using cyclic tests, CPT experiments have been performed and the influence of the initial stresses has been studied. Finally, experimental results of the jacket foundation submitted to lateral cyclic loadings are presented. The finite element method and a macro-element for piles have been used to numerically reproduce the experimental results. Constitutive laws are based on the hypoplasticity theory and the initial stresses in the soil have been calculated using the IC-05 method. The numerical results are compared with the experimental and the analytical results from the API standards.

Cette thèse de doctorat porte sur la réponse des fondations caisson dans du sable pour les éoliennes en mer soumises à des chargements monotones et cycliques combinés. Le processus de défaillance et l’enveloppe de rupture (diagramme de capacité portante) d’une fondation en caisson dans du sable soumise à des chargements monotones combinés sont premièrement étudiés à l’aide du modèle constitutif de Mohr-Coulomb. La méthode Lagrangian-Smoothed Particle Hydrodynamics Combinée (CLSPH) est adoptée pour prendre en compte les grandes déformations et les limites de l'approche sont mises en évidence. Une loi constitutive basée sur la notion de l’état critique pour le sable récemment mis au point (SIMSAND) est ensuite introduite et utilisée avec la méthode CLSPH. Des tests d’effondrement du sol dans un canal rectangulaire et d’une colonne granulaire en prenant en compte différentes géométries sont simulés afin de valider l’approche en termes de morphologie de dépôt final, des profils d’écoulement et de zones non perturbées. La méthode CLSPH et le modèle SIMSAND sont ensuite utilisés pour étudier le diagramme de capacité portante des fondations caisson dans du sable. Différents paramètres ayant une incidence sur la forme et la taille de l'enveloppe de rupture sont pris en compte, tels que la densité et la rigidité du sol, la résistance au frottement, la rupture des grains, la géométrie et les dimensions de la fondation. Une formule analytique est introduite pour décrire la surface de rupture 3D capable à reproduire les résultats numériques. Sur la base de la formule analytique proposée, un macro-élément pour des fondations caisson dans du sable soumises à des chargements monotones et cycliques est finalement développé dans le cadre de l'hypoplasticité. L’outil numérique proposé est validé avec des résultats expérimentaux. / This PhD thesis deals with the response of caisson foundations in sand for offshore wind turbines submitted to combined monotonic and cyclic loadings. First, the failure process and failure envelope (or bearing capacity diagram) of a caisson foundation in sand under combined monotonic loadings is investigated using the conventional Mohr-Coulomb constitutive model. A Combined Lagrangian-Smoothed Particle Hydrodynamics(CLSPH) method is adopted to consider large deformations and the limitations of the approach are highlighted. A recently developed critical state model for sand (SIMSAND) is then introduced and combined with the CLSPH method. Rectangular channel soil collapse tests and granular column collapse tests considering different aspect ratios are simulated to validate the approach in terms of final deposit morphologies, flow profiles and undisturbed areas.The CLSPH method and the SIMSAND model are then used to investigate the bearing capacity diagram of the caisson foundation in sand. Different parameters affecting the shape and size of the failure envelope are considered, as soil density and stiffness, friction strength, grain breakage, geometry and aspect ratio of the foundation. An analytical formula is introduced to describe the 3D failure surface reproducing the numerical results. Based on the proposed analytical formula, a macro-element for the caisson foundation in sand submitted to monotonic and cyclic loadings is finally developed within the framework of hypoplasticity. Validation is provided through comparison with experimental results.

Ce travail traite d'une formulation pour l'étude du couplage symétrique entre éléments finis et éléments de frontière en mécanique. La formulation ainsi décrite, est basée sur l'adaptation des méthodes intégrales variationnelles de Galerkin entièrement régularisées en élasticité tridimensionnelle et s'appuie sur la construction de la matrice de rigidité d'un macro-élément représentant un domaine élastostatique tridimensionnel sans forces de volume. La procédure de couplage mise en oeuvre présente l'avantage d'être symétrique et a été implantée avec succès dans les environnements éléments finis de CAST3M. Dans le cadre du traitement des double intégrales de surface, un nouveau schéma d'intégration singulière respectant parfaitement la symétrie des formulations intégrales variationnelles mises en jeu, a été développé et présenté dans le cadre de ce travail. L'application directe de la méthode des éléments de frontière traditionnelle dite des collocations pour modéliser les solides fissurés conduit à la dégénéréscence de la formulation numérique. Une des alternatives consiste à appliquer l'approche variationnelle. Une formulation intégrale variationnelle adaptée à l'étude d'un domaine élastique tridimensionnel présentant une fissure interne non débouchante a été développée dans le cadre de ce travail. Le développement et l'implantation de la matrice de rigidité du macro-élément fissuré en termes de degrés de liberté en déplacement sur la frontière externe du domaine et en saut de déplacement sur la surface propre à la fissure, nous ont permis de procéder à une validation numérique portant sur un barreau cylindrique présentant une fissure circulaire, centrée, en mode I et non débouchante. Nous proposons également une formulation intégrale variationnelle pour l'étude d'un domaine semi-infini à surface partiellement libre et contenant une zone de non linéarités. L'utilisation des solutions fondamentales de Mindlin permettent, dans le cas de la modélisation d'un espace semi-infini, de réduire les supports géométriques à discrétiser dans le domaine éléments de frontière. Une perspective intéressante serait son implantation numérique afin de réaliser une application réelle sur un problème de géotechnique.

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.

Modélisations simplifiées pour l’analyse du risque sismique de bâtiments en béton armé. Résumé de la thèse en français (1800 signes max.) : La thèse s’inscrit dans le cadre du projet MARS (Méthodes Avancées pour le Risque Sismique, EDF R&D). Elle concerne plus particulièrement certaines tâches sur le développement des méthodes simplifiées et robustes de calcul pour permettre la simulation intensive et table de la réponse sismique de bâtiments en béton armé. En effet, |’analyse de risque nécessite un très grand nombre de calculs pour tenir compte des incertitudes, tant sur le chargement (aléa sismique) que sur le comportement non linéaire des structures. Dans la première partie de ce travail, nous effectuerons une étude bibliographique sur les modèles de résolution sismique pour les bâtiments en béton armé. Cette étape va nous permettre de rassembler le maximum d’éléments nécessaires permettant de comprendre et d’identifier tous les paramètres, les avantages, les inconvénients et la limite d’utilisation de chaque procédure de calcul numérique par éléments finis. Dans la deuxième partie, on développe un macro-élément de poteau-poutre, associé â un modèle de comportement non linéaire afin de traduire la réponse de la structure sous les sollicitations sismiques. Des hypothèses cinématiques ont été adoptées pour limiter le nombre de degrés de liberté. La loi de comportement globale en cisaillement est décrite dans le cadre delà plasticité. Nous avons choisi un modèle à écrouissage cinématique pour prendre en compte la dissipation due à la fissuration. Les paramètres sont identifiés à partir de résultats expérimentaux ou bien pré-calculés par des analyses â une échelle locale (calculs 3D par éléments finis ou calcul simplifié type « Modified Compression Field Theory >>). Des analyses numériques ont été réalisées afin de valider le modèle proposé comparant à des essais expérimentaux disponibles dans la littérature. / This PhD is part of the MARS project (Advanced Methods for Seismic Risk, EDF R&D). It relates particularity to the development of simplified and robust calculation. The overall aim is to significantly reduce the intensive computation time without loosing a reliable simulation of the seismic response of reinforced concrete buildings methods. Seismic risk analysis requires a very large number of repeated calculations to account for uncertainties of both the loading (seismichazard) and the nonlinear behaviour of structures. ln the first part of this work, a bibliographic study on seismic resolution models for reinforced concrete buildings is provided. This step allows collecting the maximum of necessary elements to understand and identify all the parameters, advantages, disadvantages and limits of use of each finite element calculation method. In the second part, a macro—elements for beam—column joint associated to a nonlinear behavior to reflect the response to the structure under seismic loads ls developed. Kinematic assumptions have been adopted to limit the number of degrees of freedom. The law of global shear behavior is described in the context of plasticity. A model with kinematic hardening is chosen to account for the dissipation due to cracking. Model parameters are identified from experimental results or pre-calculated by analysis on a local scale vla 3D finite element calculation or the implied "Modihed Compression Field Theory Numerical analyses were performed to validate the proposed approach against experimental tests available in the literature.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre de l'élaboration de méthodes simplifiées d'analyse du comportement non-linéaire des ouvrages en béton armé à voiles porteurs sous action sismique. Une stratégie de modélisation simplifiée basée sur la notion de macro-éléments a été adoptée, afin de décrire le comportement non-linéaire du mur voile et d'estimer sa capacité résistante vis-à-vis des forces latérales. Les lois de comportement utilisées pour le béton et l'acier sont basées sur la théorie de l'endommagement et de la plasticité. La validation des capacités prédictives du modèle à partir des résultats expérimentaux a été aussi effectuée. De plus, une étude paramétrique a été réalisée pour étudier la sensibilité des résultats aux variations des paramètres liés au modèle, au matériau et/ou type de chargement. / Abstract