Les gabions cellulaires sont constitués d'une enceinte de palplanches métalliques remplie d'un remblai frottant. Ils sont utilisés dans des sites portuaires ou fluviaux comme soutènements ou comme batardeaux. Bien qu'utilisés depuis plus de 80 ans, leur fonctionnement mécanique n'est qu'imparfaitement compris et des accidents surviennent encore, y compris en cours de construction. L'emploi des méthodes fondées sur la théorie du calcul à la rupture peut contribuer à fonder le dimensionnement de ces ouvrages sur des bases rigoureuses. Le calcul à la rupture des gabions cellulaires présente plusieurs particularités géométrie authentiquement tridimensionnelle, modélisation mixte des éléments constitutifs (enceinte de palplanches modélisées comme une coque, matériau de remblai modélisé comme un milieu continu 3D). La modélisation coque des palplanches permet notamment d'envisager des cinématiques avec des déformations en flexion des palplanches ce qui correspond à certaines observations d'accidents ou de modèles réduits à grande échelle. Un premier chapitre introductif rappelle la constitution des gabions et des gabionnades, leurs utilisations et leurs méthodes de dimensionnement. Le chapitre 2 donne les bases de la modélisation des gabions que nous utiliserons dans la suite. Les chapitres 3, 4, 5 et 6, appliquent les méthodes statique et cinématique au gabion isolé et à la gabionnade. Le chapitre 7 est consacré à la comparaison des résultats avec des données de différents types : mesures in situ, cas d'accident, essais sur modèles réduits.

Ce travail tente de développer des outils numériques efficaces pour une approche plus rationnelle et moins empirique du dimensionnement à la ruine des ouvrages de génie civil. Contrairement aux approches traditionnelles reposant sur une combinaison de calculs élastiques, l'adoption de coefficients de sécurité et une vérification locale des sections critiques, la théorie du calcul à la rupture nous semble être un outil prometteur pour une évaluation plus rigoureuse de la sécurité des ouvrages. Dans cette thèse, nous proposons de mettre en œuvre numériquement les approches statique par l'intérieur et cinématique par l'extérieur du calcul à la rupture à l'aide d'éléments finis dédiés pour des structures de plaque en flexion et de coque en interaction membrane-flexion. Le problème d'optimisation correspondant est ensuite résolu à l'aide du développement, relativement récents, de solveurs de programmation conique particulièrement efficaces. Les outils développés sont également étendus au contexte de l'homogénéisation périodique en calcul à la rupture, qui constitue un moyen performant de traiter le cas des structures présentant une forte hétérogénéité de matériaux. Des procédures numériques sont spécifiquement développées afin de déterminer puis d'utiliser dans un calcul de structure des critères de résistance homogènes équivalents. Enfin, les potentialités de l'approche par le calcul à la rupture sont illustrées sur deux exemples complexes d'ingénierie : l'étude de la stabilité au feu de panneaux en béton armé de grande hauteur ainsi que le calcul de la marquise de la gare d'Austerlitz / This work aims at developping efficient numerical tools for a more rational and less empirical assessment of civil engineering structures yield design. As opposed to traditionnal methodologies relying on combinations of elastic computations, safety coefficients and local checking of critical members, the yield design theory seems to be a very promising tool for a more rigourous evaluation of structural safety. Lower bound static and upper bound kinematic approaches of the yield design theory are performed numerically using dedicated finite elements for plates in bending and shells in membrane-bending interaction. Corresponding optimization problems are then solved using very efficient conic programming solvers. The proposed tools are also extended to the framework of periodic homogenization in yield design, which enables to tackle the case of strong material heterogeneities. Numerical procedures are specifically tailored to compute equivalent homogeneous strength criteria and to use them, in a second step, in a computation at the structural level. Finally, the potentialities of the yield design approach are illustrated on two complex engineering problems : the stability assessment of high-rise reinforced concrete panels in fire conditions and the computation of the Paris-Austerlitz railway station canopy

L’objectif principal de la thèse a été d’étudier les propriétés de résistance des matériaux nanoporeux par des approches théoriques et numériques. Dans le contexte des méthodes d’homogénéisation, des critères de résistance macroscopiques ont été établis par des approches analytiques à l’homogénéisation non-linéaire et à l’analyse limite. Les critères de résistance ainsi obtenus permettent de tenir en compte les effets de taille, tout en améliorant les formulations déjà existantes.
 En outre, dans le but de servir de référence pour la calibration et/ou la validation des modèles analytiques, des simulations numériques basées sur la dynamique moléculaire ont été conduites, en se référant à des monocristaux d’aluminium contenant des nanopores sphériques, sous des conditions multiaxiales de vitesse de déformation. Par rapport aux simulations actuellement disponibles dans la littérature, les résultats obtenus ont clairement établi que les surfaces de résistance sont significativement influencées par les trois invariants isotropes de contrainte.
 Finalement, dans le but de mettre à profit les indications fournies par les simulations numériques, le cas d’un matériau nanoporeux constitué d’une matrice ductile sensible aux trois invariants isotropes a été étudié par une approche par l’analyse limite, en prenant en compte une formulation modifiée du critère de résistance de bigoni. La solution exacte du problème a été établie dans le cas d’un chargement isotrope. A partir des résultats ainsi obtenus, une approche d’analyse limite cinématique a été mise en place, et permet de fournir des estimations des propriétés de résistance macroscopiques sous chargements axisymétriques. / The main objectif of the thesis consisted in investigating strength properties of nanoporous materials by means of theoretical and numerical approaches. In the framework of homogenization methods, novel macroscopic strength criteria have been established via a non-linear homogenization procedure and a kinematic limit-analysis approach. Resulting yield functions allowed to take into account void-size effects on nanoporous materials strength properties, thereby resulting in a strong enhancement of available estimates. Furthermore, aiming to funish effective benchmarking evidence for the calibration and/or the assessment of theoretical models, molecular-dynamics based computations have been carried out on in-silico single crystals embedding spherical nanovoids, simulation domains undergoing multiaxial strain-rate boundary conditions. With respect to available numerical studies, proposed results clearly showed the influence of all the three isotropic stress invariants on computed material strength surfaces. Finally, with the aim to account for physical indications coming from numerical simulations, a ductile nanoporous material with a general isotropic plastic matrix has been investigated via a limit analysis approach, by referring to a modified version of the bigoni strength criterion. The limit state of a hollow-sphere model undergoing isotropic loadings has been exactly determined. Correspondigly, a novel strength criterion has been analytically established in the case of axysimmetric boundary conditions.

Résumé Nous présentons en premier lieu dans ce travail les principales notions de la théorie de l'Analyse Limite (AL) — ou théorie des charges limites — en mécanique. Puis nous proposons une méthode de point intérieur destinée à résoudre des problèmes de programmation convexe posés par la méthode statique de l'AL, en vue d'obtenir des bornes inférieures de la charge limite (ou de ruine) d'un système mécanique. Les principales caractéristiques de cette méthode de point intérieur sont exposées en détail, et particulièrement son itération type. En second lieu, nous exposons l'application de cet algorithme sur un problème concret d'analyse limite, sur une large gamme de tailles numériques, et nous comparons pour validation les résultats obtenus avec ceux déjà existants ainsi qu'avec ceux calculés à partir de versions linéarisées du problème statique. Nous analysons également les résultats obtenus pour des problèmes classiques avec matériaux de Gurson, pour lesquels la linéarisation ou la programmation conique ne s'applique pas. La deuxième partie de cet ouvrage a trait à la méthode cinématique de l'analyse limite, qui, elle, s'occupe de fournir des bornes supérieures des charges limites. En premier lieu, nous traitons de l'équivalence entre la méthode cinématique classique et la méthode cinématique mixe, en partant d'une l'approche variationnelle fournie précédemment par Radenkovic et Nguyen. Ensuite, prenant en compte les exigences particulières aux formulations numériques, nous présentons une méthode mixte originale, parfaitement cinématique, utilisant aussi bien des champs de vitesses linéaires que quadratiques, continus ou discontinus. Son modus operandi pratique est tiré de l'analyse des conditions d'optimalité de Karush, Kuhn et Tucker, fournissant par là un exemple significatif d'interaction fructueuse entre la mécanique et la programmation mathématique. La méthode est testée sur des problèmes classiques avec les critères de plasticité de von Mises/Tresca et Gurson. Ces test démontrent l'efficacité remarquable de cette méthode mixte — qui par ailleurs n'utilise que le critère de plasticité comme information sur le matériau — et sa robustesse, laquelle s'avère même supérieure à celle de codes commerciaux récents de programmation conique. Enfin, nous présentons une approche de décomposition, elle aussi originale, des problèmes de bornes supérieures en analyse limite. Cette approche est basée à la fois sur la méthode cinématique mixte et l'algorithme de point intérieur précédents, et elle est conçue pour utiliser jusqu'à des champs de vitesse quadratiques discontinus. Détaillée dans le cas de la déformation plane, cette approche apparaît très rapidement convergente, ainsi que nous le vérifions sur le problème du barreau comprimé de von Mises/Tresca dans le cas de champs de vitesse linéaires continus. Puis elle est appliquée, dans le cas de champs quadratiques discontinus, au problème classique de la stabilité du talus vertical de Tresca, avec des résultats particulièrement remarquables puisqu'ils améliorent nettement les solutions cinématiques connues jusqu'à présent dans la littérature sur le sujet. Cette caractéristique de forte convergence qualifie particulièrement cette méthode de décomposition comme algorithme de base pour une parallélisation directe— ou récursive — de l'approche par éléments finis de l'analyse limite. Abstract Firstly, the main notions of the theory of Limit analysis (LA) in Mechanics —or collapse load theory – is presented. Then is proposed an Interior Point method to solve convex programming problems raised by the static method of LA, in order to obtain lower bounds to the collapse (or limit) load of a mechanical system. We explain the main features of this Interior Point method, describing in particular its typical iteration. Secondly, we show and analyze the results of its application to a practical Limit Analysis problem, for a wide range of sizes, and we compare them for validation with existing results and with those of linearized versions of the static problem. Classical problems are also analyzed for Gurson materials to which linearization or conic programming does not apply. The second part of this work focuses on the kinematical method of Limit Analysis, aiming this time to provide upper bounds on collapse loads. In a first step, we detail the equivalence between the classical an general mixed approaches, starting from an earlier variational approach of Radenkovic and Nguyen. In a second step, keeping in mind numerical formulation requirements, an original purely kinematical mixed method—using linear or quadratic, continuous or discontinuous velocity fields as virtual variables—is proposed. Its practical modus operandi is deduced from the Karush-Kuhn-Tucker optimality conditions, providing an example of crossfertilization between mechanics and mathematical programming. The method is tested on classical problems for von Mises/tresca and Gurson plasticity criteria. Using only the yield criterion as material data, it appears very efficient and robust, even more reliable than recent conic commercial codes. Furthermore, both static and kinematic present approaches give rise to the first solutions of problem for homogeneous Gurson materials. Finally, an original decomposition approach of the upper bound method of limit analysis is proposed. It is based on both previous kinematical approach and interior point solver, using up to discontinuous quadratic velocity. Detailed in plane strain, this method appears very rapidly convergent, as verified in the von Mises/Tresca compressed bar problem in the linear continuous velocity case. Then the method is applied, using discontinuous quadratic velocity fields, to the classical problem of the stability of a Tresca vertical cut, with very significant results as they notably improved the kinematical solutions of the literature. Moreover its strong convergence qualifies this decomposition scheme as a suitable algorithm for a direct—or recursive—parallelization of the LA finite element approach.