Cette thèse s'inscrit comme une étape vers la maîtrise de la résistance au choc des structures en béton, en développant la connaissance du comportement dynamique du matériau pour mieux calculer les ouvrages vis-à-vis des chargements accidentels. Une première partie récapitule les mécanismes physiques mis en évidence grâce aux essais de traction directe à des vitesses échelonnées du régime quasi-statique au domaine atteint lors des chocs durs (technique des barres d'Hopkinson), et propose plusieurs expressions de l'évolution de la résistance avec la vitesse, en fonction des paramètres caractéristiques du matériau. On a pu en déduire une optimisation du béton par rapport aux sollicitations dynamiques rapides. Une deuxième partie décrit l'essai de dalles au tube à choc, mis au point pour valider sur une structure modèle les résultats obtenus à l'échelle du matériau. Les données recueillies sur 24 dalles constituées de différents bétons, armés ou non, sont présentées en détails. Leur analyse permet de tester plusieurs méthodes de calcul approchées, et de définir un cahier des charges incontournable pour des modèles de calcul en dynamique plus sophistiqués, qui restent à développer.

Ce travail porte sur l'analyse de la fiabilité de structures marines de type Jacket, de comportement élastique-parfaitement plastique, vis-à-vis de chargement de houle linéaire stochastique. Les fonctions d'état de sécurité ou de ruine du système mécanique, calculées à l'aide d'une méthode d'analyse de contraintes pas-à-pas, prennent en compte les efforts combinés de flexion et de traction-compression par le flambement (écoulement bi-dimensionnel), dans les éléments de la structure. Les incertitudes des résistances des éléments de la structure sont prises en compte par des lois normales ou log-normales, définies à partir de données statistiques, rapportées par le comité LRFD (sur des facteurs de résistance et de chargement), de la Société Américaine de Génie civil. L'incertitude du chargement de houle est prise en compte par un modèle de houle linéaire stochastique, gaussien stationnaire ergodique. L'approche de la probabilité de ruine globale du système mécanique se fait par deux méthodes: la méthode dite de Premier Ordre, basée sur l'approximation des hyperplans équivalents des intersections ou des unions des régions de ruine du système, et la méthode dite hybride, basée sur la simulation Monte-Carlo. Enfin, deux exemples d'application d'un portique et d'une structure marine installée en eau moyennement profonde, mettent en évidence les avantages de l'utilisation du modèle d'efforts combinés de flexion et de traction-compression, y compris le flambement, proposé dans ce travail. Les modèles proposés dans ce travail, d'application aux structures marines, mais de portée beaucoup plus grande, permettent d'étudier la variation de la probabilité de ruine globale d'un système mécanique, en fonction des critères adoptés dans sa conception. Ils permettent également d'établir des critères pour définir les niveaux de sécurité désirables.

Cette thèse traite le problème de la stabilité des ouvrages souterrains creusés en terrain meuble à faible profondeur. La stabilité de ce type d'ouvrages est normalement étudiée en utilisant des méthodes justifiées par l'expérience mais dont les hypothèses ne sont pas toutes cohérentes au plan mécanique. L'application systématique du calcul à la rupture et de l'analyse limite fournit des encadrements pour les chargements conduisant à la rupture d'un système donné. Le mémoire décrit la mise en oeuvre numérique d'une forme régularisée de l'approche cinématique de l'analyse limite pour l'étude de la stabilité des ouvrages souterrains. La résistance des sols est modélisée par des critères de Tresca, de Tresca tronqué en traction et de Mohr-Coulomb en conditions bidimensionnelles, et par des critères de Tresca et de Mohr-Coulomb pour les calculs tridimensionnels. Les calculs reproduisent les modes de rupture observés dans les travaux souterrains et sur modèles. Les charges limites calculées sont voisines des valeurs expérimentales.

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.

Dans cette recherche est développé un modèle de calcul de la capacité portante des murs en maçonnerie de petits éléments sous charges verticales centrées ou excentrées. Le modèle est capable de prendre en compte l'influence des discontinuités mécaniques introduites par les joints horizontaux et verticaux en considérant les caractéristiques mécaniques des blocs et des joints de mortier. La détermination des caractéristiques mécaniques du mortier des joints a également été menée. Les essais sur des éprouvettes découpées dans les joints de mortier après durcissement ont mis en évidence l'influence des phénomènes de succion des blocs sur les caractéristiques mécaniques du mortier. Cette étude a montré également que la détermination de la loi de comportement du mortier à partir .de celle des assemblages et des blocs en utilisant l'approche proposée par PAGE sous-estime la valeur du module d'élasticité initial du mortier. Un dispositif expérimental spécifique a été mis au point pour la détermination des lois excentricité-courbure à effort normal maintenu constant. Ce dispositif permet également de mettre en évidence les modes de rupture observés dans les assemblages ainsi que l'influence du type de mortier sur leur déformabilité. D'une manière générale, on a pu constater une bonne correspondance entre résultats théoriques et expérimentaux en particulier dans le cas où l'on considère la maçonnerie comme un matériau hétérogène.

Dans le but de mener à bien le dimensionnement des barrages en terre construits sur sols mous, on développe une approche couplant la consolidation des sols et les écoulements à surface libre. Ce modèle de consolidation à surface libre des sols élastiques ou élastoplastiques isotropes ou anisotropes, écrouissables ou non, prend en compte la variabilité ou la constance des principaux paramètres mécaniques et hydrauliques du sol (indice des vides, écrouissage, perméabilités, compressibilités, teneur en eau). Le traitement numérique de ce problème, effectué au niveau du code de calculs par éléments finis CESAR du Laboratoire Central des Ponts et Chaussées, conduit à la résolution de systèmes d'équations différentielles non-linéaires, pour lesquels on propose des algorithmes transitoires itératifs et des éléments finis appropriés du type déplacement et diffusion. L'application du modèle au calcul d'un ouvrage réel, construit et mis en eau par étapes, a permis d'obtenir des résultats encourageants tant du point de vue mécanique que du point de vue hydraulique.

Ce travail présente l'application de concepts modernes du génie logiciel au développement d'un environnement de simulation modulaire de systèmes thermiques complexes. Une application stricte des idées de la Conception Orientée Objet permet la réalisation d'un environnement modulaire, souple et efficace. Une analyse hiérarchique du système à étudier nous fournit un graphe de dépendance entre les composants du système. Chaque composant est confiné dans un objet informatique et a son propre modèle de calcul. Le travail essentiel du simulateur est la résolution des conditions de connexion entre les composants. La structure hiérarchique est conservée et exploitée pour une parallélisation des calculs pendant la simulation numérique. Pour une meilleure capitalisation des modèles développés, nous nous reposons sur une « modélothèque » à partir de laquelle l'utilisateur peut récupérer des modèles pour construire son propre système de simulation. Des exemples d'application de notre environnement de simulation pour des problèmes thermiques de bâtiment sont présentés.

On développe dans ce travail un modèle de comportement pour le béton armé conçu pour le calcul des structures pour éléments finis dans le cadre de comportement à court terme et sans effets dynamiques. Le comportement du béton entre fissures est modélisé par une formulation élastoplastique avec paramètres multiples d'écrouissage. La fissuration est introduite au moyen de la formulation distribuée avec un diagramme de radoucissement qui tient compte de l'énergie de rupture et la géométrie de l'élément fini. On obtient ainsi l'objectivité des résultats vis-à-vis du maillage d'éléments fini. On incorpore à cette formulation l'effet de l'armature; on propose un modèle pour le comportement du béton armé: 1) la liaison de l'armature avec le béton armé fissuré incorpore l'effet dit tension stiffening; 2) on considère l'effet du glissement acier béton : l'énergie consommée par ce processus est considérée de façon conjointe avec l'énergie de rupture en traction dans le diagramme du radoucissement; 3) le modèle considère aussi l'effet de goujon et peut inclure n'importe quelle loi d'engrènement pour la fissure; 4) le modèle permet un nombre quelconque de directions de fissures et de couches d'armature. Finalement on montre les bonnes performances du modèle par comparaison de leurs résultats avec les données expérimentales sur structures planes en béton armé.

Le but de cette thèse est l'étude prédictive par calcul aux éléments finis des effets de la fissuration à l'échelle de structures en béton armé et précontraint soumises à des chargements statiques, cycliques et dynamiques. Il s'agit d'une part de préciser les lois de comportement des matériaux constitutifs de ces structures, et d'autre part de développer des outils numériques adaptés. Pour la modélisation du comportement du béton, un modèle du comportement macroscopique est présenté, couplant la plasticité à l'endommagement. Pour la partie plastique, il s'agit d'adapter la loi élastoplastique au comportement spécifique du béton. La (micro)fissuration du matériau est représentée à l'échelle macroscopique en termes de déformations plastiques, et l'apparition et l'évolution du dommage par l'évolution de variables plastiques. En particulier, la porosité plastique modélise la variation irréversible de l'espace poreux connecté créé par (micro)fissuration. Cette signification physique est à la base du couplage phénoménologique de la plasticité et de l'endommagement : les effets du dommage sont modélisés par une variation des caractéristiques élastiques fonction de la variable d'endommagement choisie : la porosité plastique. Cette loi de comportement est utilisée au sein d'un élément fini particulier : l'élément poutre multifibre, issu de l'extension des approches multicouches au cas tridimensionnel. L'outil numérique développé permet de prendre en compte des phénomènes non-linéaires tant matériels que géométriques dans l'analyse de structures à poutres sous des chargement divers avec un temps de calcul raisonnable. Pour l'application au cas des structures en béton précontraint, la formulation prend en compte des déplacements relatifs (glissement) entre câble précontraint et béton : la précontrainte est traitée comme un problème de condition aux limites à l'interface acier-béton. Ces développements sont mis en oeuvre dans un code de calcul par éléments finis. Au travers d'exemples d'applications numériques, le domaine d'application et les limites des outils proposés sont précisés. Ces outils se veulent une aide à la conception pour les ingénieurs, dans les études prédictives des effets du dommage à l'échelle des structures.

La méthode d'homogénéisation en calcul à la rupture permet de calculer les propriétés de résistance à l'échelle macroscopique d'un matériau hétérogène périodique (matériaux composites, sols renforcés) à partir de la solution d'un problème de calcul à la rupture défini sur la période de base. Une méthode numérique spécifique destinée à résoudre un tel problème est mise au point. Elle est fondée sur la mise en oeuvre de l'approche cinématique du calcul à la rupture et conduit : 1) à la recherche du minimum d'une fonction convexe d'un nombre fini de paramètres scalaires pour laquelle un algorithme de résolution est proposé. 2) à une évaluation par l'extérieur du convexe de résistance macroscopique qui se révèle d'autant plus précise que le nombre de paramètres de minimisation est élevé. On procède à de nombreuses applications de cette méthode à des problèmes de "contrainte plane" (plaques renforcées ou perforées chargées dans leur plan) et son extension prometteuse à des problèmes en "déformation plane" est esquissée.