Modélisations expérimentale et numérique d'ouvrages pare-blocs modulaires : Application à la technologie Bloc Armé®

Experimental and numerical modeling of modular protection structures against rockfall : Application to the Bloc Armé® technology

• Auteur / Autrice : Agathe Furet
• Direction : Stéphane Lambert, Pascal Villard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie
• Date : Soutenance le 27/08/2020
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut national de recherche pour l’agriculture, l’alimentation et l’environnement (France ; 2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Vincent Acary
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Gotteland, Marie-Aurélie Chanut
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Yves Delenne, Pierre Breul

Mots clés

Mots clés contrôlés

Risques naturels

Design patterns

Impact

Béton -- Essais

Mots clés libres

Structures pare-Blocs

Essais expérimentaux

Impact

Modélisation numérique

Différences finies

Risques naturels

Rockfall protection structures

Experimental tests

Impact

Numerical modeling

Finite differences

Natural hazards

Résumé

Cette thèse Cifre s’intéresse au comportement sous impact de structures de protection issues de la technologie Bloc Armé® proposée conjointement par Géolithe Innov et Géolithe. La structure est composée de blocs en béton liaisonnés par des armatures métalliques verticales et horizontales. L’innovation principale réside dans le système d’armatures qui assure un liaisonnement des blocs et confère à la structure une capacité à répartir les efforts et à dissiper de l’énergie.Des essais à échelle réelle permettent de caractériser la réponse dynamique de la structure selon deux types d’essais. Premièrement, la structure mise en œuvre horizontalement sur une couche support est soumise à des impacts à haute énergie (2000 kJ) par lâchers verticaux d’un impactant. Deuxièmement, des essais à énergie moindre (125 kJ) sont réalisés par impact horizontaux sur un mur vertical de dimensions limitées. Des modèles réduits de la structure, à l’échelle ¼, sont également impactés, au laboratoire. Cette campagne est l’occasion de tester de nombreuses configurations de mur dans des conditions d’impact variées. Ces campagnes expérimentales permettent d’illustrer les mécanismes par lesquels une telle structure articulée se déforme sous sollicitation dynamique localisée. Les différents modes de déplacement des murs et certains phénomènes dissipant l’énergie d’impact sont mis en évidence et quantifiés. Les nombreuses mesures faites lors des essais constituent une importante base de données expérimentales, pour accompagner le développement du modèle numérique.Un modèle numérique aux différences finies est proposé pour cette structure. Une approche réaliste est suivie pour la modélisation : chacun des éléments de la structure est modélisé explicitement. Un modèle simple est volontairement considéré pour le béton constitutif des blocs. Le modèle est calibré d’après des valeurs issues de la littérature et des mesures faites spécifiquement. La confrontation des résultats de simulations d’impact avec les résultats expérimentaux témoigne d’une bonne aptitude du modèle à reproduire le comportement dynamique global de la structure et à estimer son déplacement résiduel, en particulier. Le modèle permet de quantifier la dissipation d’énergie découlant de la plastification du béton des blocs et des frottements dans la structure. Le modèle est ensuite utilisé pour simuler la réponse de murs de géométries variées et sous impact à haute énergie. Les perspectives de ce travail sont de proposer un modèle robuste capable de simuler des impacts à énergie de l’ordre de 5 000 kJ sur des ouvrages dont la géométrie pourra être complexe.

This Cifre thesis investigates the impact response of protective structures based on the Bloc Armé® technology, developed by Géolithe Innov and Géolithe. This structure is made of concrete blocks linked by vertical and horizontal metal reinforcements. The main innovation lies in the reinforcement system which ensures the bonding of the blocks and gives the structure an ability to distribute the forces and dissipate energy.Two types of real-scale experiments permit to characterize the dynamic response of the structure. Firstly, the structure laid horizontally on a support layer is subjected to high- energy impacts (2000 kJ) by freely dropping of a projectile. Secondly, lower energy impact tests (125 kJ) are carried out by horizontal impact on a vertical wall of limited dimensions. Reduced models of the structure, at ¼ scale, are also tested under impact in the laboratory. This campaign permits to test many walls of different configurations under various impact conditions. These experimental campaigns illustrate the deformation mechanisms under localized dynamic solicitation for this kind of articulated structure. The different displacement modes of vertical walls and several phenomena dissipating impact energy are highlighted and quantified. The numerous measurements made during the tests constitute an important experimental database, supporting the development of the numerical model.A numerical model, developed with the finite differences method, is proposed for this structure. A realistic approach is followed for the modeling: each element of the structure is modeled explicitly. A simple model is deliberately considered for the concrete constituting the blocks. The model is calibrated based on values from the literature and measurements made specifically. The comparison of impact simulations results with experimental ones attests of the ability of the model in reproducing the global dynamic behavior of the structure and in estimating its residual displacement, in particular. The model quantifies the energy dissipation resulting from plasticization of the concrete blocks and from friction in the structure.The model is then used to simulate the response of walls of various geometries and under high energy impact. The outlooks of this work are to propose a robust model able to simulate the structure response to impacts with energies up to 5,000 kJ, considering structures with complex geometries.