L'analyse des tolérances des mécanismes a pour but d'évaluer la qualité du produit lors de sa phase de conception. La technique consiste à déterminer si, dans une production de grandes séries, le taux de rebuts des mécanismes défaillants est acceptable. Deux conditions doivent être vérifiées: une condition d'assemblage et une condition fonctionnelle. La méthode existante se base sur le couplage de la simulation de Monte Carlo avec un algorithme d'optimisation qui est très couteuse en temps de calcul. L'objectif des travaux de thèse est de développer des méthodes plus efficaces basées sur des approches probabilistes. Dans un premier temps, il est proposé une linéarisation des équations non linéaires du modèle de comportement afin de simplifier l'étape faisant appel à l'algorithme d'optimisation. Une étude de l'impact de cette opération sur la qualité de la probabilité est menée. Afin de minimiser l'erreur d'approximation, deux procédures itératives pour traiter le problème d'assemblage sont proposées. Ils permettent de calculer la probabilité de défaillance d'assemblage de façon précise en un temps de calcul réduit. En outre, les travaux de thèse ont permis le développement d'une nouvelle méthode de résolution basée sur la méthode de fiabilité système FORM (First Order Reliability Method) système. Cette méthode permet de traiter uniquement le problème fonctionnel. Elle a nécessité la mise au point d'une nouvelle formulation du problème d'analyse des tolérances sous forme système. La formulation décompose le mécanisme hyperstatique en plusieurs configurations isostatiques, le but étant de considérer les configurations dominantes menant à une situation de défaillance. La méthode proposée permet un gain de temps considérable en permettant d'obtenir un résultat en quelques minutes, y compris pour atteindre des faibles probabilités. / Tolerance analysis of mechanism aims at evaluating product quality during its design stage. Technique consists in computing a defect probability of mechanisms in large series production. An assembly condition and a functional condition are checked. Current method mixes a Monte Carlo simulation and an optimization algorithm which is too much time consuming. The objective of this thesis is to develop new efficient method based on probabilistic approach to deal with the tolerance analysis of overconstrained mechanism. First, a linearization procedure is proposed to simplify the optimization algorithm step. The impact of such a procedure on the probability accuracy is studied. To overcome this issue, iterative procedures are proposed to deal with the assembly problem. They enable to compute accurate defect probabilities in a reduced computing time. Besides, a new resolution method based on the system reliability method FORM (First Order Reliability Method) for systems was developed for the functional problem. In order to apply this method, a new system formulation of the tolerance analysis problem is elaborated. Formulation splits up the overconstrained mechanism into several isoconstrained configurations. The goal is to consider only the main configurations which lead to a failure situation. The proposed method greatly reduces the computing time allowing getting result within minutes. Low probabilities can also be reached and the order of magnitude does not influence the computing time.

Cette thèse vise à étudier le comportement de revêtement articulé du tunnel en développant une nouvelle approche numérique à la Méthode de Réaction Hyperstatique (HRM) et la production des modèles numériques en deux dimensions et trois dimensions à l'aide de la méthode des différences finies (FDM). L'étude a été traitée d'abord sous charges statiques, puis effectuée sous charges dynamiques. Tout d'abord, une étude bibliographique a été effectuée. Une nouvelle approche numérique appliquée à la méthode HRM a ensuite été développée. En même temps, un modèle numérique en deux dimensions est programmé sur les conditions de charge statique dans le but d'évaluer l'influence des joints, en termes de la distribution et des caractéristiques des joints, sur le comportement du revêtement articulé de tunnel. Après cela, des modèles complets en trois dimensions d'un seul tunnel, de deux tunnels horizontaux et de deux tunnels empilés, dans lesquels le système des joints est simulé, ont été développés. Ces modèles en trois dimensions permettent d'étudier le comportement non seulement du revêtement du tunnel, mais encore le déplacement du sol entourant le tunnel lors de l’excavation. Un modèle numérique en trois dimensions simplifié a ensuite été réalisé afin de valider la nouvelle approche numérique appliquée à la méthode HRM.Dans la dernière partie de ce mémoire, la performance du revêtement articulé du tunnel sous chargements dynamiques est prise en compte par l’analyse quasi-statique et dynamique complète en utilisant le modèle numérique en deux dimensions (FDM). Un modèle HRM a également été développé prenant en compte des charges quasi-statiques. Les différences de comportement de tunnel sous chargements statiques et sismiques sont mises en évidence et expliquées. / This PhD thesis has the aim to study the behaviour of segmental tunnel lining by developing a new numerical approach to the Hyperstatic Reaction Method (HRM) and producing two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) numerical models using the finite difference method (FDM). The study first deals with under static loads, and then performs under dynamic loads. Firstly, a literature review has been conducted. A new numerical approach applied to the HRM has then been developed. At the same time, a 2D numerical model is programmed regarding static loading conditions in order to evaluate the influence of the segmental joints, in terms of both joint distribution and joint stiffness characteristics, on the tunnel lining behaviour. After that, full 3D models of a single tunnel, twin horizontal tunnels and twin tunnels stacked over each other, excavated in close proximity in which the joint pattern is simulated, have been developed. These 3D models allow one to investigate the behaviour of not only the tunnel lining but also the displacement of the ground surrounding the tunnel during the tunnel excavation. A simplified 3D numerical model has then been produced in order to validate the new numerical approach applied to the HRM. In the last part of the manuscript, the performance of the segmental tunnel lining exposed to dynamic loading is taken into consideration through quasi-static and full dynamic analyses using 2D numerical models (FDM). A new HRM model has also been developed considering quasi-static loads. The differences of the tunnel behaviour under static and seismic loadings are highlighted.

Ce travail de recherche a pour objectif de présenter la conception de tunnels au moyen de la méthode hyperstatique aux coefficients de réaction (HRM). Les modèles développés par la méthode HRM sont tout d'abord proposés pour étudier le comportement de tunnels en forme de fer à cheval inversée dans différentes conditions, par exemple en considérant deux cas de charge, deux géométries différentes de revêtement de tunnel, deux cas de coefficients de réaction différents, changement de la rigidité des coefficients de réaction, conditions de sol multicouches, surcharges en surface et sol saturés. Les modèles présentés permettent d’aboutir à des prévisions qualitatives avec une efficacité de calcul élevée par rapport à la modélisation numérique en différences finies. Une analyse paramétrique est ensuite réalisée pour estimer le comportement du revêtement de tunnel en forme de fer à cheval dans un grand nombre de cas couvrant les conditions généralement rencontrées dans la pratique. Ensuite, en prenant comme exemple un tunnel métropolitain à deux voies, une série de fonctions mathématiques est déduite et utilisée dans le processus d'optimisation d’un tunnel de forme complexe, ce qui offre aux concepteurs de tunnels un support théorique leur permettant de choisir la forme optimale du tunnel à mettre en oeuvre. L’effet de différents paramètres, tels que le coefficient des terres au repos, le module d’Young du sol, la profondeur du tunnel, les surcharges en surface, sur les efforts internes et la forme du tunnel. Dans la dernière partie du manuscrit, l’influence d’un changement de température sur les efforts dans le revêtement d’un tunnel circulaire au moyen de la méthode HRM est étudiée en tenant compte de différents facteurs, tels que l’épaisseur du revêtement de tunnel, le module d’élasticité du revêtement et le coefficient de dilatation thermique du sol. / This research work aims to present the design of tunnel by means of the Hyperstatic Reaction Method (HRM). The models developed by the HRM method are firstly proposed for investigating the behaviour of U-shaped tunnels under different conditions, considering two load cases, two different geometries of U-shaped tunnel lining, two different cases of springs, change of the spring stiffness, multi-layered soil conditions, surcharge loading, and saturated soil masses. The presented models permit to obtain good predictions with a high computational efficiency in comparison to finite difference numerical modelling. Then a parametric analysis has permitted to estimate the U-shaped tunnel lining behaviour in a large number of cases which cover the conditions that are generally encountered in practice. Thereafter, taking a twin-lane metro tunnel as an example, a series of mathematical functions used in the optimization progress of sub-rectangular tunnel shape is deduced, which gives to tunnel designers a theoretical support to choose the optimal sub-rectangular tunnel shape. The effect of different parameters, like the lateral earth pressure factor, soil Young’s modulus, tunnel depth, surface loads, on the internal forces and shape of sub-rectangular tunnel is then given. In the last part of the manuscript, the influence of a temperature change on the lining forces of circular tunnel by means of the HRM method is investigated, considering different factors, such as the tunnel lining thickness, lining elastic modulus and ground coefficient of thermal expansion.