Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

L'étude de la sécurité sismique des grands barrages-voûtes existants ou devant être construits dans des zones sujettes à des tremblements de terres nécessite une modélisation numérique des différents éléments intervenants dans son comportement dynamique. Les sols de fondation ainsi que l'eau du réservoir jouent un rôle important dans l'analyse dynamique des barrages. On parle ainsi souvent d'un système barrage-réservoir-fondation. Le choix des différents paramètres de modélisation devient alors primordial pour l'obtention d'un modèle représentatif de la réalité. L'OFEN (Office fédéral de l'énergie en Suisse) a entrepris des études et recherches à long terme sur les principaux barrages suisses. Un réseau d'accélérographes permettant d'enregistrer l'amplitude des mouvements à différents points des barrages lors de tremblements de terres a été installé. Trois barrages-voûtes suisses seront ainsi modélisés ; soit le barrage Mauvoisin qui a une hauteur de 250 mètres, le barrage d'Émosson d'une hauteur de 180 mètres ainsi que le barrage Punt-dal-Gal qui a pour sa part une hauteur de 130 mètres. La modélisation des barrages sera réalisée à l'aide du logiciel EADC-3D-2008 qui est spécialisé dans la modélisation des barrages et qui permet de considérer l'interaction barrage-réservoir-fondation. Pour évaluer l'efficacité des modèles à l'étude, les simulations seront comparées aux données réellement enregistrées par les accélérographes lors de tremblements de terre. Afin de déterminer l'influence de chaque paramètre de modélisation, une étude paramétrique des différents modèles sera réalisée. Trois tailles de modèles seront ainsi générés ; soit un grossier, un intermédiaire et un raffiné. Un paramètre sera modifié tout en gardant les autres invariables. La rigidité ainsi que l'amortissement du barrage et du sol seront analysés en tenant compte de l'amortissement du réservoir par propagation d'onde. Pour la sollicitation, l'hypothèse d'excitation simultanée des supports sera considérée car la base de données disponible pour des analyses qui tiennent compte de l'excitation variable est encore insuffisante. Finalement, l'influence de la rigidité du sol et du barrage ainsi que celle de l'amortissement du barrage et de la fondation sur l'altération de la réponse sismique des modèles, en fonction de la taille du maillage, seront démontrées.

Le métro de Paris, exploité par la Régie Autonome des Transports Parisiens (RATP), compte aujourd’hui seize lignes et transporte environ 5 millions de passagers par jour. L’ensemble des infrastructures du métro est essentiellement souterrain et a été construit pour la plupart au début du XXe siècle. Environ 85% des tunnels sont composés d’une voûte en maçonnerie et de piédroits et radier en béton non armé. Certains de ces ouvrages présentent des pathologies de dégradation, notamment des fissures en clé de voûte et des discontinuités dans le contact tunnel-sol encaissant. Lors de travaux dans les tunnels ou à proximité, le comportement de la maçonnerie de la voûte est difficile à appréhender, d’une part parce que les matériaux constitutifs sont rarement étudiés de façon approfondie et d’autre part parce qu’il existe peu de modèles de calcul qui intègrent l’environnement particulier de ces tunnels. La thèse décrit un modèle de comportement permettant de représenter au mieux le comportement des voûtes en maçonnerie de tunnel. Ce modèle a été implanté dans un code de calcul par éléments finis, afin de pouvoir évaluer l’influence de travaux à proximité. Pour cela, un modèle existant dans la littérature a été choisi et adapté : le comportement des voûtes en maçonnerie est représenté par une loi de comportement qui combine une technique d’homogénéisation de la maçonnerie et une loi d’endommagement isotrope décrivant l’évolution des propriétés mécaniques des matériaux constitutifs, ce qui permet de reproduire de façon implicite le comportement non linéaire orthotrope de la voûte ; le comportement des piédroits et du radier est représenté par une loi d’endommagement isotrope. Le modèle proposé, implanté dans le code de calcul CESAR-LCPC, permet de reproduire le mécanisme de ruine d’un tunnel par la formation de rotules. Parallèlement au travail de modélisation, la thèse présente une campagne d’essais de laboratoire qui caractérise les matériaux constitutifs de la voûte et des piédroits et du radier, et qui donne la valeur des paramètres du modèle. Ces essais ont été réalisés sur des éprouvettes issues de carottes prélevées in situ. Enfin, le modèle numérique, alimenté par les caractéristiques mécaniques issues des essais en laboratoire, est utilisé pour simuler la réponse d’un tunnel en maçonnerie à des chargements appliqués à proximité. Cette modélisation a été conduite sur deux cas d’étude concernant le réseau du métro parisien / The Paris subway system, operated by the Régie Autonome des Transports Parisiens (RATP), has sixteen lines and carries about 5 million passengers daily. The infrastructure is mostly underground and was built predominantly in the early twentieth century. About 85% of the tunnels are built with a masonry vault and unreinforced concrete sidewalls and slab. Some of these structures show degradation pathologies, notably cracks at the crown of the tunnel and discontinuities at the tunnel – soil interface. When civil engineering works are carried out in the tunnels or nearby, the behavior of the masonry vault is difficult to predict, firstly because the constitutive materials of the tunnel are rarely thoroughly studied and secondly because there are few models that incorporate the particular behavior of these tunnels. The thesis describes a model that represents the behavior of the masonry tunnel vaults. This model was implemented in a finite element code in order to assess the influence of nearby engineering works. In the selected approach, an existing model was selected from the literature and adapted to our study: the behavior of the masonry vault is represented by the selected model that combines a homogenization technique for the masonry and an isotropic damage law describing the evolution of the mechanical properties of each component, thus reproducing implicitly the nonlinear orthotropic behavior of the vault; the behavior of the sidewalls and slab is represented by an isotropic damage law. The proposed model, implemented in the computer code CESAR-LCPC, reproduces the failure mechanism of a tunnel by the formation of hinges. Alongside the modeling work, a laboratory test campaign was undertaken to characterize the materials of the vault, sidewalls and slab, and to estimate the model parameters. These tests were carried out on specimens taken from cores extracted in situ. Finally, the numerical model, along with the characteristics obtained from laboratory testing, is used to simulate the response of a masonry tunnel subjected to loads applied nearby in two case studies on the Paris subway system

Les forces de contact dans un milieu granulaire se répartissent de façon très inhomogène en un réseau de "chaînes de forces" qui supporte la plus grosse partie des contraintes. Il est primordial de bien comprendre l'influence du désordre des forces à l'échelle du grain sur les propriétés d'équilibre mécanique d'un milieu granulaire à l'échelle macroscopique.<br /><br />La mesure de forces dans un milieu granulaire est délicate à cause d'un couplage fondamental entre les déformations du capteur et la mobilisation des forces de friction entre grains ou entre grains et paroi. Cependant, en définissant proprement le protocole de mesure, nous avons pu améliorer de façon très significative la reproductibilité des résultats en comparaison des mesures que l'on trouve dans la littérature.<br /><br />Nous nous sommes intéressé aux liens qui existent entre la structure de l'empilement granulaire et la répartition des contraintes. Sous l'effet d'un cisaillement ou de vibrations, l'équilibre d'une colonne granulaire dans un silo évolue considérablement ainsi que la structure de l'empilement comme le révèlent des mesures de densité moyenne et locale. Sous le sommet d'un tas de sable formé par écoulement des grains en avalanches, j'ai observé très clairement un minimum ou "trou" de pression, alors que la pression est maximum si les grains sont déposés en couches horizontales. Nous avons aussi mesuré les fluctuations résiduelles de la pression en fonction de la taille des grains ou de la hauteur de remplissage du silo et ai observé que leur dépendance avec la taille des grains montrent une régression statistique anormale en comparaison de celle déduite de la distribution des forces à l'échelle du grain.<br /><br />La plupart des observations sont qualitativement et quantitativement bien reproduites par le modèle OSL dans lequel les contraintes se propagent selon deux directions dont l'une s'identifie à la direction moyenne des chaînes de forces. La notion de propagation anisotrope de forces permet de comprendre la distribution de pression sous un tas ou la forme de la courbe de saturation de la pression dans un silo, y compris les oscillations de la pression en présence d'une surcharge.<br /><br />Nous avons proposé en outre un modèle de durcissement d'arches qui permet d'expliquer l'existence d'un mode d'écoulement fragmentaire après renversement d'un tube rempli de grains et met en évidence le rôle non négligeable de l'élasticité des parois.

L'une des façons de protéger une installation électrique d'une surintensité est d'utiliser un fusible. Les fusibles de la société Ferraz Shawmut contiennent du sable facilitant l'extinction de l'arc électrique créé par la surintensité. L'optimisation de l'arrangement des grains de sable grâce à une vibration permet d'améliorer les propriétés des fusibles. Des éprouvettes de sable, préparées par pluiviation, sont vibrées à différentes fréquences et accélérations. Le comportement dynamique des grains de sable et la compacité montrent une dépendance vis-à-vis de l'amplitude de vibration. Une modélisation énergétique des états vibratoires est réalisée. Une étude de dimensionnement des fusibles montre que dans le cas de vibrations verticales, l'effet de la hauteur de sable sur la compacité du milieu granulaire est prédominant. Tandis que le diamètre des récipients modifie le système convectif. La caractérisation d'empilements granulaires vibrés relaxés par tomographie X montre que les vibrations ne créent pas de ségrégation. Une étude de la compacité locale et des mesures d'intercepts dans les phases "grains" et "pores" permettent l'étude du tassement (dilatation). Des hétérogénéités de structures sont également détectées.

Les ouvrages d’assainissement en maçonnerie de meulière construits au 19ème siècle à Paris ont une forme ovoïdale et sont soumis à des sollicitations agressives qui ont largement augmenté depuis le début du 20ème siècle. Si la majorité de ces ouvrages continuent à fonctionner, leur état général se dégrade inexorablement. Comme la reconstruction n’est pas toujours possible pour des raisons de coût et d’impact social, la réhabilitation est la solution adoptée par de nombreux maîtres d’ouvrages. La thèse est une partie du projet RESAME qui a pour but de réduire les coûts de réhabilitation, d’améliorer la durabilité des réparations et de diminuer le temps d’intervention sur le site. L’objectif principal de la thèse est de mettre au point de nouvelles méthodes de restructuration plus économiques que les méthodes usuellement utilisées. Après avoir présenté les ouvrages d’assainissement et leurs types de dégradations. Les techniques d’auscultation et de réhabilitation sont données. Une synthèse bibliographique de l’application des matériaux composites sur des structures en maçonnerie est détaillée en première partie. Du fait de la géométrie et des matériaux, des voutes ont été substitué aux ovoïdes pour nos essais présentés en seconde partie. Deux procédés ont été mis au point au cours de la thèse : un chemisage mince par mortier fibré de 3 cm et un renforcement par collage de matériaux composites (Lamelles et tissus). Vingt voûtes ont subi un chargement jusqu’à la rupture. Le but de l’ensemble des essais est de déterminer les mécanismes de ruine, les charges de la première fissuration et les charges à la rupture. Un gain important est alors constaté pour les méthodes de renforcement. Les résultats obtenus sont présentés et discutés. / In 19th century, Sewerage systems constructed in Paris were egg-shaped and made of masonry. Collectors are subjected to aggressive loads which have largely increased since the early 20th century. Even, if the majority of structures are still in service, their general condition deteriorates inexorably, and as the reconstruction is not always possible for reasons of cost and social impact, rehabilitation is the solution adopted by many clients. The thesis is a part of the project RESAME designed to reduce rehabilitation costs, improve the durability of repairs and reduce response times on the site. The main objective of this thesis is to develop new methods of restructuring. After introducing sewerage systems and their types of damage, auscultation techniques and rehabilitation will be presented. A bibliographical survey of the application of composite materials on planes and curved structures masonry is detailed in first time. Because of the complexity of geometry and materials, the vaults were substituted by the ovoid for our tests presented in the second half. Two methods are developed in this thesis: a thin layer of fiber reinforced mortar (FRM) by 3 cm and reinforcement by composite materials. Twenty vaults have been loading up to failure. The purpose of the tests is to determine the failure mechanisms, the first cracking loads and breaking loads. An important gain is then observed as well as a delay in cracking for every reinforcement method. The results are presented and discussed. These two processes will be applicable on several projects soon.

La 1ère partie de la thèse comprend trois volets. Le premier rappelle les connaissances générales sur la construction médiévale, en particulier le problème des plans. Ont été considérés plus en détail les plans du St­ Sépulcre d’Arculf et la reconstitution du temple futur de Richard de St ­Victor. Le 2nd volet fait le point sur les connaissances médiévales en mathématiques et en physique. Le 3e résume les théories sur la stabilité des voûtes développées du XVIIe au XXe siècle, par des mathématiciens et des ingénieurs, puis par des restaurateurs et historiens de l’architecture. La 2e partie est consacrée à l’étude de l’église de Brion (Maine ­et ­Loire), qui est remarquable par la qualité et la diversité de ses voûtes : en berceau sur le chœur, voûtes d’ogives primitives sur le transept, coupole nervée sur la croisée, voûtes à croisée d’ogives de type angevin sur la nef, et une voûte nervée complexe, apparentée à celles du chœur de St ­Serge d’Angers, au haut du clocher. La principale originalité de la thèse réside dans l’étude géométrique et mécanique de ces voûtes. L’analyse de modèles numériques réalisés par un procédé photogrammétrique a permis d’identifier la forme des voûtains. On a constaté notamment que ceux des voûtes d’ogives sont cylindriques, et que la direction des assises ne dicte pas leur géométrie. L’analyse mécanique utilise la théorie de l’élasticité. Elle a permis de montrer l’importance de plusieurs points : fonction des doubleaux qui soulagent la voûte en berceau, rôle de la colonnette centrale d’un fenêtre géminée, contraintes importantes qui apparaissent autour du trou de passage des cloches, fonctionnement des voûtes angevines comme des coupoles. / The 1st part of the thesis consists of three sections. Section 1 recalls the general knowledge about medieval construction, especially the problem of plans. Arculf’s plans of the Holy Sepulchre and the reconstruction of the future temple by Richard of St. Victor were considered in more detail. Section 2 is a review of medieval knowledge in mathematics and physics. Section 3 summarizes the theories on the stability of vaults developed from the 17th to the 20th century, by mathematicians and engineers, then by restorers and architectural historians.The 2nd part is devoted to the study of the church of Brion (Maine ­et­ Loire), which is remarkable for the quality and diversity of its vaults : barrel vault on the choir, primitive rib vault on the transept, ribbed dome on the crossing, Angevin type rib vaults on the nave, and a complex ribbed vault, similar to those of the choir of St­Serge in Angers, at the top of the bell tower. The main originality of the thesis lies in the geometrical and mechanical study of these vaults. The analysis of numerical models carried out by a photogrammetric method made it possible to identify the shape of the serveries. It has been found, in particular, that those of rib vaults are cylindrical, and that the direction of the courses does not determine their geometry. Mechanical analysis uses the elasticity theory. It has shown the importance of several points : the function of the transverse arches which support the barrel vault, the role of the mullion of a double window, the important constraints that appear around the bell hole, the Angevin vaults working as cupolas.

Le terme variabilité spatiale des mouvements sismiques (SVGM en anglais pour Spatial Variability of Ground Motion) désigne les différences entre deux mesures du mouvement du sol effectuées à différents endroits, généralement en surface. La modélisation de SVGM ainsi que son effet sur la réponse dynamique des barrages est nécessaire pour l'intégration du phénomène dans les codes parasismiques. L'étude actuelle présente une mesure et une enquête approfondie sur SVGM à l'interface barrage voûte - fondation rocher. Des mesures in situ sont utilisées pour sa quantification et des simulations numériques pour la compréhension plus approfondie des phénomènes physiques qui contribuent à SVGM notamment à l'interface, c-à-d la topographie de la voûte et l'interaction sol-structure. Les données in situ provient d'une campagne sismologique qui a eu lieu sur et autour le barrage voûte du Saint Guérin pendant six mois. Le sous-ensemble d'événements consiste des événements de faible à moyenne magnitude, locaux et régionaux. Ainsi, des analyses linéaires sont permises. Tout d'abord, l'analyse dynamique du barrage voûte est réalisée; les fréquences de vibration, le coefficient d'amortissement et l'amplification de crête sont estimées profitant des mesures continues de bruit ambiant et des enregistrements sismiques. Ensuite, le SVGM est quantifiée au moyen de la phase et de la variabilité d'amplitude en utilisant des estimations de cohérence et de l'écart type de la différence des amplitudes des spectres de Fourier respectivement. Forte variabilité est observée à la fois en phase et en amplitude à l'interface de barrage-fondation rocher. Une fois que les estimateurs de la variabilité sont obtenus à partir des données, les modèles paramétriques existants sont comparés avec eux. Accentuation est mis sur deux observations: 1) les mouvements sismiques au champ libre semblent être légèrement moins variable par rapport aux mouvements à l'interface barrage-fondation rocher et 2) à l'interface barrage-fondation rocher, il y a une variabilité plus forte autour des fréquences de vibration du barrage. Ces observations suggèrent que la présence de la structure ainsi que la topographie du canyon augmentent SVGM. Cette hausse semble cependant être faible étant donné que les observations sont montés par des modèles paramétriques satisfaisants basés sur des données provenant de réseaux sismiques plates (sans topographie et structure). Des simulations numériques dans le code SPECFEM3D, basé sur les éléments spectraux, sont utilisées pour étudier plus profondément les observations in situ par le découplage des différentes causes de SVGM et évaluer l'impact de chacune. Une étude paramétrique en utilisant une topographie du canyon simplifié tente d'identifier l'effet de la topographie du canyon local sur SVGM tandis qu'un modèle géométrique précis du barrage voûte à Saint Guérin et sa topographie du canyon nous donne une idée plus précise sur l'impact de l'interaction barrage-fondation rocher sur SVGM. Les résultats de cette recherche devraient contribuer à l'amélioration de notre compréhension de SVGM à l'interface barrage-fondation rocher et de proposer des modèles de variabilité utilisés dans la conception de barrages voûtes. / Spatial variability of seismic ground motions (SVGM) denotes the differences between two time histories of the ground motion recorded at different locations, generally at the ground surface. The modeling of SVGM and the understanding of its influence on the dam's response are necessary so as design codes start to incorporate its effects in their provisions. This study presents a measure and a profound investigation of SVGM at the dam-foundation rock interface of an arch dam. In-situ measurements are used to quantify SVGM and numerical simulations to deeper understand the particular physical phenomena that contribute to SVGM at the interface, i.e. local canyon topography and rock-structure interaction. The in-situ data comes from a seismological experimental campaign that has taken place on and around Saint Guérin arch dam over the period of six months. The campaign was held in the framework of the present thesis. The subset of events consists of low to moderate magnitude local and regional earthquakes. Thus, analysis is allowed in the linear range. Firstly, dynamic analysis of the arch dam is conducted; the frequencies of vibration, the damping coefficient and the crest amplification are estimated based on ambient noise and seismic records. Then, SVGM is quantified by means of phase and amplitude variability using coherency estimates and standard deviation of difference of Fourier amplitudes respectively. High variability is observed both in phase and amplitude at the dam-foundation rock interface. Once the estimators of variability are obtained from the data, parametric models are fitted to them. Focus is given on two observations : 1) the ground motions in the free field appear to be slightly less variable with respect to the motions at the dam-foundation rock interface and 2) at the dam-foundation rock interface, there is higher variability around the frequencies of vibration of the dam. These observations suggest that the presence of the structure along with the canyon topography increase SVGM. This increase though seems to be small given that the observations are satisfactory fitted by parametric models based on data coming from flat seismic arrays. Numerical simulations in the SPECFEM3D code, based on the spectral element method are used to deeper investigate the in-situ observations by decoupling the various causes of SVGM and evaluating the impact of each one. A parametric study using a simplified canyon topography attempts to identify the effect of local canyon topography on SVGM while a geometrically accurate model of the Saint Guérin arch dam and its canyon topography gives us a better insight on the dam-foundation rock interaction impact on SVGM. Although both features are found to increase SVGM, their impact remains secondary. The findings of the present research are expected to contribute in enhancing our understanding of SVGM at the dam-foundation rock interface and proposing variability models used in arch dams' design.