Cette thèse s'intéresse au comportement mécanique de géocellules constitutives de merlons pare-blocs. Ces ouvrages sont des digues placées sur la trajectoire potentielle des blocs rocheux et visant leur arrêt. Les géocellules sont des structures métriques associant enveloppe préfabriquée et matériau granulaire. <br />Les cellules étudiées sont cubiques et constituées de grillage à maille hexagonale et de géotextile, et remplies de matériau granulaire grossier, de sable ou de mélange sable-pneus déchiquetés.<br />Le comportement de cellules individuelles a été étudié expérimentalement pour des chargements pseudo-statique et dynamique. Il apparaît que la réponse de la cellule à faible déformation, sous compression pseudo-statique, dépend principalement des caractéristiques du matériau de remplissage. Celles de l'enveloppe interviennent en grandes déformations. Sous impact, par une sphère de 250kg, la capacité d'une cellule à limiter les contraintes transmises à son support dépend des conditions aux limites de la cellule et, dans une moindre mesure, du matériau de remplissage. La configuration optimale est une cellule remplie du matériau granulaire grossier libre de se déformer latéralement.<br />Les modèles numériques de comportement mécanique des matériaux et des cellules, de type éléments discrets, ont été calés et validés grâce aux résultats de ces expérimentations.<br />Les résultats ont été extrapolés à l'échelle de l'ouvrage dans le but d'orienter les choix structurels en vue d'expérimentations sur ouvrage vraie grandeur.

Cette thèse a pour objet l'étude du comportement d'un nouveau système de galerie de protection contre les chutes de blocs appelé Pare-blocs Structurellement Dissipant (PSD). L'innovation majeure, par rapport aux solutions classiques, est de dissiper l'énergie d'impact directement dans la dalle en béton armé ou dans des appuis fusibles, et non plus dans une couche de matériau amortissant. Les phénomènes dynamiques ayant lieu lors de l'impact d'un bloc sur la dalle sont analysés au moyen d'expérimentations sur une structure PSD à l'échelle 1/3. Les efforts de percussion appliqués à la dalle, durant la phase de contact avec le bloc, sont estimés ainsi que les différents transferts et dissipations d'énergie. Les résultats ont permis de valider le principe de fonctionnement et de réparation des PSD et font apparaître que la dalle est endommagée par trois mécanismes majeurs : le poinçonnement, la mise en flexion et la déstructuration de surface de la zone impactée. Les principales grandeurs expérimentales sont retrouvées à l'aide de simulations numériques des essais avec un code éléments finis. Un modèle mécanique simplifié « masses-ressorts-amortisseur » est également développé dans le but de concevoir des méthodes de dimensionnement applicables en bureau d'études. Les perspectives de ce travail sont d'aboutir à l'établissement de recommandations sur la conception et la réalisation des pare-blocs structurellement dissipants.

Le cadre général de ce travail concerne la modélisation du comportement mécanique sous impact de merlons de protection contre les chutes de blocs rocheux. Les ouvrages ciblés sont à technologie cellulaire, et sont composés de gabions à enveloppe grillagée remplis de matériaux granulaires (pierres concassées ou mélange de sable et de déchiquetas de pneus). L'absence de recommandations relatives au dimensionnement de ce type de structure de protection a conduit à la mise en place du projet ANR REMPARe couplant expérimentations in situ et modélisations numériques. Dans le cadre de ce projet, une méthode numérique innovante couplant les approches discrète et continue a été développée. Localement, la méthode des éléments discrets est employée pour conserver la précision de modélisation dans les zones fortement sollicitées proches de l'impact. Le remblai technique aval, peu sollicité, a été discrétisé par une méthode continue aux différences finies. La jonction entre ces deux zones fait l'objet d'un couplage basé sur des critères de conservation d'énergie et de condition cinématique en déplacement. Un modèle de comportement pour les gabions a été proposé et calibré à partir d'essais expérimentaux réalisés à l'échelle de la cellule. Des simulations d'impacts sur un merlon de protection prototype ont été menées puis validées par comparaison avec les mesures issues des expérimentations en vraie grandeur. Afin d'améliorer la compréhension des mécanismes engendrés, l'étude paramétrique portant sur les propriétés des matériaux et les caractéristiques d'impact a permis d'évaluer leur influence sur le mécanisme d'impact.

Les écrans de filets pare-blocs sont des structures complexes hétérogènes formés d'un filet métallique maintenu par des câbles, des poteaux et des haubans munis de dissipateurs d'énergie. Le filet intercepte la trajectoire du bloc rocheux et résiste à sa perforation en dissipant l'énergie cinétique de l'impact dans les différents éléments de la structure. Le problème de modélisation posé par ces structures met en jeu de nombreuses non-linéarités tant matérielles que géométriques : l'impact dynamique rapide, les grandes déformations du filet et des câbles, les glissements et les frottements (dans le filet, du filet sur les câbles ou des câbles sur les supports), la plastification du filet ou des éléments dissipateurs, ainsi qu'un très grand nombre de paramètres géométriques ou technologiques (type de filet, type de dissipateur, type d'architecture de kit).Les travaux de doctorat présentés ici proposent deux nouvelles approches pour la modélisation numérique de deux principaux éléments du comportement des écrans de filets pare-blocs : les propriétés élastiques intrinsèques des filets et l'effet rideau, c'est-à-dire le glissement du filet sur les câbles de rives. Sur le premier point, il est à noter que les recherches qui ont été consacrées jusqu'à présent à l'étude du filet se concentrent pour l'essentiel sur des typologies particulières. Dans ce travail, les propriétés intrinsèques des différentes technologies de filets sont déterminées à l'aide de la méthode d'homogénéisation des milieux périodiques discrets dans laquelle chaque filet est remplacé par une membrane homogène. Une comparaison des comportements non-linéaires des principales technologies de filets est effectuée et met en évidence des différences remarquables dans la distribution des efforts aux bords de chaque filet et les caractéristiques des déformations. Concernant le deuxième point, plusieurs études ont montré l'importance de la modélisation des câbles glissants pour reproduire le comportement réel de la structure. Dans la deuxième partie de la thèse, l'effet rideau est modélisé. Un modèle analytique de câble glissant à « n » nœuds est développé. Ensuite, ce modèle est implémenté dans un algorithme numérique mettant en œuvre une utilisation avancée du logiciel de calcul par éléments finis code-aster en statique et en dynamique. Cet algorithme est validé par des calculs analytiques et les limites de la méthode utilisée sont exposées. Enfin, des tests numériques sont conduits sur des modèles de filets en tenant compte de l'effet rideau pour évaluer l'influence du modèle développé sur les résultats. Des remarques, observations et conseils sont déduits afin d'aboutir à un outil numérique d'aide à la conception des écrans de filets pare-blocs / Soft rockfall barriers are complex structures that generally consist of a metallic net supported by steel posts and cables with brake elements. Several experimental and numerical studies have been carried out to evaluate their behaviour and a technical agreement in EU was recently established to certify these barriers based on experimental tests. Actually, manufacturers develop rockfall kits with their own technical specificities. The objective of the present work is to determine the intrinsic properties of most common nets technologies and to investigate their influence on the overall mechanical behaviour of the structure. To this end, a comprehensive comparison between the local behaviours of the different nets is first presented using equivalent homogeneous membranes. Results derived for square nets under static concentrated loading illustrate the influence of the manufacturing technology on the deflection and stresses distribution. Then, a numerical and analytical model for the so-called “curtain effect” is developed and validated. It is focused on the capacity of the proposed methodology to study and evaluate the response of the whole barrier

Cette thèse a pour objectif de quantifier l'aléa rocheux de type chute de blocs sur une galerie pare-blocs et ainsi pouvoir intégrer cette structure dans un système de détection et d'alerte de l'activité d'un versant rocheux. Pour ce type de problème, les méthodes inverses peuvent permettre une caractérisation (identification et localisation) de l'effort subi par la structure. Ces méthodes sont largement utilisées pour des structures de type poutre et plaques sous charges dynamiques inconnues. Pour résoudre ce genre de problème, l'une des approches les plus utilisées est de créer les fonctions de transfert entre des points d'impact et de mesure sur la structure expérimentalement ou numériquement, de mesurer les réponses, et de trouver la force par déconvolution du signal. Il est connu que ce type de problème est « mal posé ». Afin d'obtenir une solution stable ayant un sens physique, il faut généralement avoir recours à la régularisation soit par filtrage du bruit, soit par des méthodes de régularisation classique, telle que celle de Tikhonov. Le problème de caractérisation des impacts sur une structure devient plus complexe lorsque la localisation du point d'impact est inconnu. Pour résoudre ce problème, on peut utiliser une approche basée sur la minimisation d'une fonctionnelle représentant l'erreur entre les réponses mesurées et estimées en plusieurs points formant un quadrillage sur la structure. Dans le cas d'une structure en situation réelle avec des conditions aux limites complexes, Il est préférable d'opter pour une approche expérimentale. Une série d'essai sur des structures simples de type poutre et plaque permet de contrôler les paramètres influants sur la qualité de reconstruction de l'effort. Afin de recréer les caractéristiques de la structure et son comportement, une application de la démarche sur une dalle en béton armé s'avère la plus appropriée. En utilisant les fonctions de transfert obtenues expérimentalement et validées numériquement, la localisation des efforts et l'identification de leurs historiques devient possible. Cette étude ouvre les perspectives d'étendre l'application des méthodes inverses à la caractérisation des efforts de type souffle générés par une avalanche ou par une explosion.

Le Pare-blocs Structurellement Dissipant (PSD) est un type de galerie pare-blocs innovant. Il se compose d'une dalle en béton armé reposant sur des appuis fusibles métalliques. Contrairement aux galeries pare-blocs traditionnelles, le PSD utilise directement le mouvement de la dalle, et la déformation de la dalle et des appuis, pour dissiper l'énergie d'impact de blocs rocheux. Le but de cette thèse est de contribuer à améliorer l'analyse et le dimensionnement du PSD sous les impacts rocheux. L'analyse structurelle du PSD nécessite des analyses d'impact appropriées. Un algorithme d'impact est donc développé, qui permet de traiter les impacts unilatéraux entre un projectile rigide et une structure déformable. Cet algorithme est ensuite mis en œuvre dans un code de calculs par éléments finis. Validé par plusieurs tests, ce développement fournit un outil de calcul pour le PSD permettant de prendre en compte les effets de vitesse du comportement des matériaux. Cet outil est utilisé pour modéliser le PSD sous différentes conditions d'impact. D'abord, les essais d'impact sur une maquette PSD à l'échelle 1/3 sont modélisés pour connaître la faisabilité de la modélisation structurelle. Une corrélation satisfaisante entre les résultats numériques et expérimentaux permet de réaliser plusieurs séries d'études paramétriques avec le même modèle aux éléments finis pour mettre en évidence l'influence de la masse et de la vitesse des blocs rocheux, de la position de point d'impact sur la dalle, de l'épaisseur de la dalle, du type de béton et du pourcentage d'armatures de la dalle. Enfin, des calculs à l'échelle de la structure sont effectués. Toutes ces études montrent la robustesse du concept PSD, ainsi que ses optimisations possibles, particulièrement pour améliorer sa résistance vis-à-vis du poinçonnement.

Ce travail de thèse s'intéresse au comportement mécanique des merlons pare-blocs à technologie cellulaire. Ces ouvrages de génie civil sont construits en surélévation et placés sur la trajectoire potentielle des blocs rocheux, en amont des zones à protéger. Le caractère cellulaire est offert par l'utilisation de gabions (géocellule) alliant une enveloppe grillagée et un matériau de remplissage granulaire de type pierres concassées, mélange de sable et de déchiquetas de pneus ou encore ballast. L'absence de méthodes de dimensionnement relatives à ce type de structure a conduit à la création du projet de recherche ANR REMPARe alliant expérimentations et modélisations numériques multi-échelles. Dans le cadre de ce projet et dans la continuité des précédents travaux, deux dispositifs expérimentaux ont été développés, l'un permettant d'étudier le comportement d'une structure à échelle réduite constituée d'un assemblage de cellules, l'autre permettant d'étudier le comportement de merlons à échelle réelle. Il apparait que le comportement des structures est conditionné par les matériaux mis en œuvre et par les conditions aux limites. L'efficacité des structures est évaluée à travers leur capacité à dissiper l'énergie d'impact en concentrant les dégradations au parement et en réduisant les déformations et les contraintes transmises à la partie arrière. Les résultats des expérimentations fournissent une base données pour le calage et la validation de modèles numérique développés en parallèle. Le retour d'expérience permet d'élaborer des prescriptions pour la construction, le suivi et la maintenance de ces ouvrages.

Ce travail de thèse s'intéresse au comportement mécanique des merlons pare-blocs à technologie cellulaire. Ces ouvrages de génie civil sont construits en surélévation et placés sur la trajectoire potentielle des blocs rocheux, en amont des zones à protéger. Le caractère cellulaire est offert par l'utilisation de gabions (géocellule) alliant une enveloppe grillagée et un matériau de remplissage granulaire de type pierres concassées, mélange de sable et de déchiquetas de pneus ou encore ballast. L'absence de méthodes de dimensionnement relatives à ce type de structure a conduit à la création du projet de recherche ANR REMPARe alliant expérimentations et modélisations numériques multi-échelles. Dans le cadre de ce projet et dans la continuité des précédents travaux, deux dispositifs expérimentaux ont été développés, l'un permettant d'étudier le comportement d'une structure à échelle réduite constituée d'un assemblage de cellules, l'autre permettant d'étudier le comportement de merlons à échelle réelle. Il apparait que le comportement des structures est conditionné par les matériaux mis en œuvre et par les conditions aux limites. L'efficacité des structures est évaluée à travers leur capacité à dissiper l'énergie d'impact en concentrant les dégradations au parement et en réduisant les déformations et les contraintes transmises à la partie arrière. Les résultats des expérimentations fournissent une base données pour le calage et la validation de modèles numérique développés en parallèle. Le retour d'expérience permet d'élaborer des prescriptions pour la construction, le suivi et la maintenance de ces ouvrages. / This study focuses on the mechanical behavior of cellular rockfall protection structures. These engineering structures are constructed in elevation and placed on the potential trajectory of falling boulders, upslope areas to be protected. The cellular character is provided by the use of gabions (geocell) combining a mesh and different types of granular filling materials : crushed stones, mixture of sand and shredded tires or ballast. The lack of design methods for this type of structure has led to the creation of the research project ANR REMPARe, combining multi-scale experiments and numerical modeling. As part of this project and in the following of previous works, two experimental devices were developed, one to study the behavior of a small-scale structure consisting of an assembly of cells, the other to study the behavior of full-scale structures. It appears that the behavior of structures is conditioned by the materials used and the boundary conditions. The effectiveness of the structures is assessed through their ability to dissipate the impact energy by concentrating the damage in the front part and reducing the stresses and strains transmitted to the back part. The experimental results provide a database for calibration and validation of numerical models developed in parallel. The feedback allows to establish requirements for construction, monitoring and maintenance of these structures.

Le cadre général de ce travail concerne la modélisation du comportement mécanique sous impact de merlons de protection contre les chutes de blocs rocheux. Les ouvrages ciblés sont à technologie cellulaire, et sont composés de gabions à enveloppe grillagée remplis de matériaux granulaires (pierres concassées ou mélange de sable et de déchiquetas de pneus). L'absence de recommandations relatives au dimensionnement de ce type de structure de protection a conduit à la mise en place du projet ANR REMPARe couplant expérimentations in situ et modélisations numériques. Dans le cadre de ce projet, une méthode numérique innovante couplant les approches discrète et continue a été développée. Localement, la méthode des éléments discrets est employée pour conserver la précision de modélisation dans les zones fortement sollicitées proches de l'impact. Le remblai technique aval, peu sollicité, a été discrétisé par une méthode continue aux différences finies. La jonction entre ces deux zones fait l'objet d'un couplage basé sur des critères de conservation d'énergie et de condition cinématique en déplacement. Un modèle de comportement pour les gabions a été proposé et calibré à partir d'essais expérimentaux réalisés à l'échelle de la cellule. Des simulations d'impacts sur un merlon de protection prototype ont été menées puis validées par comparaison avec les mesures issues des expérimentations en vraie grandeur. Afin d'améliorer la compréhension des mécanismes engendrés, l'étude paramétrique portant sur les propriétés des matériaux et les caractéristiques d'impact a permis d'évaluer leur influence sur le mécanisme d'impact. / This study focuses on numerical modelling of the mechanical behaviour of rockfall protection structure submitted to impact. The concerned structures are constituted by cell assembly composed by wire mesh cages filled with granular material (crushed stone, mixture of sand and shredded tires). The lack of design norms led to the set up of the ANR REMPARE project which is based on real scale experiment and numerical modelling. In this project, an innovative numerical method, combining continuous and discrete approaches, has been developed. Locally, the discrete element method is used to maintain the accuracy of modelling in the highly stressed areas near the impacted zone. Downstream, the embankment, lowly stressed, is simulated by a finite difference method. The link between the two domains is ensured by a combined method which is based on energy conservation and respect of border kinematic conditions. A model for the geocells is proposed and calibrated from experimental tests carried out at the cell scale. Impacts on rockfall protection prototype are simulated and validated by comparison with measurements obtained on real scale experiments. Parametric studies on material's properties and characteristics of impact are carried out to evaluate their influence on the impact mechanisms.

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.