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An extensive experimental parametric study has been carried out to characterize how impact loads of low velocity (lower than 100 km/h) are transmitted to a structure through a protective sand layer. Different rock fall conditions have been considered, corresponding to actual conditions in current practice. The experimental program consisted of 43 full scale impact tests on a sand layer protecting a concrete foundation mat, combining three sand layer thicknesses (1, 1.5 and 2 m), impacting blocs of equivalent diameters in the range of 0.42 to 1.79 m and five free falling heights, up to 33 m. Based on the analysis of pressure cells measurements for the different rock fall conditions, the pressure induced at the interface between the protective sol layer and the structure by an impact was expressed in terms of impact conditions, defined by layer thickness (D), size of the impacting bloc (B) and height of free fall (H). Procedures to derive the model parameters from the tests are explained in detail. A numerical model was developed to simulate an impact on a structure protected by a soil layer based on a deformation analysis approach. The Finite Element code ABAQUS was used. The bloc, the soil and the structure were considered as different bodies, having contact conditions between them. The stress‐strain relationship in the soil was assumed to be elastoplastic. Friction angle and dilation angles were derived from laboratory tests on the sand. The elastic modulus was assumed constant, equal to usual values for compacted sands. An approach is proposed for the design of soil layers to protect structures from impacting loads due to rock falls., Les sols sont utilisés dans différents dispositifs de protection contre les chutes de blocs rocheux : pour couvrir des structures exposées, telles que les tunnels ou les galeries, ou construire des merlons. Une campagne d’essais expérimentaux instrumentés a été menée pour compléter l’observation des phénomènes, en particulier pour mieux caractériser la distribution spatio-temporelle de pression induite à l’interface entre la couche de sol protectrice et la structure, dans différentes configurations d’impact. Plusieurs configurations d’impacts ont été considérées, caractérisées par l’épaisseur de sable (D), le diamètre équivalent du bloc rocheux (B, ou sa masse) et sa hauteur de chute libre (H). L’étude paramétrique expérimentale a comporté 43 essais, combinant systématiquement différentes valeurs de D, B et H de l’ordre de celles rencontrées en pratique. Suite au dépouillement des mesures, une expression de la pression induite à l’interface sol-structure pendant un impact au sommet de la couche de sol protectrice a été proposée. La démarche exposée pour établir, dans une configuration d’impact D, B et H, les valeurs des paramètres qui caractérisent les cinq grandeurs décrivant la distribution spatio-temporelle de pression induite à l’interface sol-structure, peut être appliquée à d’autres natures de sols ou densités de compactage. Par ailleurs, un modèle numérique tridimensionnel simple de calcul en déformations, en dynamique explicite, a été développé. Le comportement en déformations du sol a été représenté par un modèle élastoplastique, avec critère de rupture de Mohr-Coulomb et faible dilatance. Les calculs ont été réalisés avec le logiciel ABAQUS. Enfin, une méthode de dimensionnement des couches de sol en protection de structures a été proposée. Cette méthode comporte deux étapes : (1) Pour la configuration d’impact B, D, H considérée, utiliser l’expression développée dans cette étude pour définir la distribution spatio-temporelle de pression induite à l’interface sol-structure, puis (2) Calculer en dynamique la structure soumise à cette impulsion de pression.

[Departement_IRSTEA]Territoires [TR1_IRSTEA]SEDYVIN; International audience; Determination of spatial and temporal patterns of rockfall events remains a serious challenge in most mountain areas and especially when it comes to quantitative hazard assessments, because of the scarcity and incompleteness of long-term records. This lack of reliable baseline data is particularly problematic in urbanized areas where rockfall risk tend to increase as urbanization is climbing up on slopes. On forested slopes, dendrogeomorphic methods have been applied repeatedly to fill this data gap, as they provide both spatial and temporal reconstructions of past rockfall events with high accuracy. In this study, the systematic mapping of 1,004 broadleaved trees at Saint-Paul-de-Varces (French Alps) was used to document a total of 1,516 rockfall scars visible on the surface of stems. We then coupled the so-called scar counting approach with the conditional impact probability concept, so as to estimate the likelihood of those rockfalls which did not collide with trees. This coupled method allows estimating and mapping of recurrence interval of rockfalls. Our results show a clear reduction of rockfall frequency in the down slope direction as well as a noticeable lateral change in it. This is consistent with the concave profile of the slope and the barrier effect of trees at the study site. These findings also demonstrate, on one hand, the usefulness of broadleaved tree species to reconstruct rockfall frequencies and, on the other hand, the efficiency of our approach to reveal spatio-temporal patterns of rockfall activity. The approach presented here could become a powerful tool for rockfall hazard assessments which, coupled with a 3D-modelling of block trajectories, will further allow computation of frequency - intensity maps on forested slopes.; La détermination de la fréquence, de l’intensité et de la distance d’arrêt des chutes de blocs est complexe. La rareté et l’aspect lacunaire des inventaires sont particulièrement problématiques pour le zonage de l’aléa, notamment dans les zones urbaines où le risque lié aux chutes de pierre augmente avec l’urbanisation croissante des versants. Sur les versants forestiers, la dendrogéomorphologie a été utilisée, à plusieurs reprises, pour pallier ces lacunes. Cette méthode, basée sur l’analyse et la datation des impacts dans les séries de cernes de croissance, a permis notamment la reconstruction des événements passés sur plusieurs décennies avec des résolutions spatio-temporelles élevées mais a majoritairement été utilisée sur des résineux. Dans cette étude, 1 004 feuillus et 1 516 cicatrices d’impacts liées aux chutes de blocs ont été systématiquement inventoriés et cartographiés sur une parcelle de 0,6 ha localisée sur les contreforts du massif du Vercors (Alpes françaises du Nord) dans la commune de Saint-Paul-de-Varces. Ces données, couplées à une courbe allométrique (âge/diamètre) et au concept de probabilité conditionnelle d’impact – dont l’objectif est d’estimer la fréquence des chutes de pierre ne laissant aucune trace dans la végétation – ont permis de quantifier et de cartographier précisément la période de retour de l’aléa sur le versant. Les résultats mettent en évidence une diminution très marquée de la fréquence des chutes de pierre de l’amont (> 3 impacts par an) vers l’aval (< 0,2 impact par an) de la parcelle liée au profil longitudinal concave du versant et à l’effet barrière de la forêt. Transversalement, de fortes variations sont également enregistrées, les fréquences maximales étant enregistrées à proximité de talwegs dans lesquels se concentrent les chutes de blocs. Nos résultats démontrent la fiabilité des essences de feuillus de l’étage collinéen pour reconstruire la fréquence des chutes de pierre. Ils mettent également en évidence l’efficacité de notre approche, basée sur un simple comptage des impacts sur les tiges, pour une cartographie précise de la récurrence de l’aléa. Cette approche pourra être utilisée, dans le futur, (i) pour calibrer des modèles trajectographiques de chutes de blocs et (ii) cartographier la fréquence/intensité de l’aléa avec une résolution spatio-temporelle élevée.

In mountainous areas, infrastructures, roads and railways are subject to various natural hazards due to the gravitational phenomena. Beyond the danger to users, the consequences of traffic interruptions becomes, from an economic point of view, more and more problematic and it becomes essential to secure these itineraries. An existing method to protect against the rockfall is to set up rockfall barriers made by metallic nets. This thesis focuses on the study of the rockfall protection barriers made by metallic net developed by the company GTS. The net of these barriers is different compared to conventional systems by an orthotropic behavior, due to a special form of the mesh. In this study we characterize the behavior of these barriers under static and dynamic loading (impact) by an approach combining the experimentation and the numerical modeling. The study proceeds step by step, the components are evaluated in quasi-static, in laboratory, and also in-situ to simulate the real conditions of use, especially the dynamic aspect. A special attention concerning the energy dissipators, which represent the principal element of this structure, has enabled us to develop a robust and reliable fuse element. A campaign of full-scale tests on the studied rockfall barriers allows the validation of two energy classes (3000 kJ and 5000 kJ) according to the European recommendations. The data collected during experiments permits to develop various numerical models of finite elements and discrete elements. The relevance of the modelisation was evaluated at the different studied scales, the mesh scale, the net scale, the energy dissipators scale and the scale of the entire structure., En région montagneuse, les infrastructures et les voies de communications sont soumises à de nombreux risques naturels dont les phénomènes d’origine gravitaire. Au-delà du danger pour les usagers, les conséquences des interruptions du trafic deviennent problématiques d’un point de vue économique et il devient indispensable de sécuriser les itinéraires. La mise en place d’écrans de filets pare-pierres est une des solutions possibles pour la protection contre les éboulements rocheux. Cette thèse porte sur l’étude des écrans souples ou filets métalliques de protection contre les chutes de blocs et plus précisément sur l’écran développé par l’entreprise GTS. Le filet constitutif de ces écrans se différencie par rapport aux systèmes conventionnels par un comportement orthotrope, dû à un maillage spécifique. Dans cette étude nous caractérisons le comportement de ces écrans de filets sous des chargements statiques et dynamiques de type impact par une approche couplant l’expérimentation et la modélisation numérique. L’étude procède pas à pas, les divers constituants sont évalués de façon quasi-statique, en laboratoire, et également in-situ pour reproduire les conditions réelles d’utilisation, en particulier l’aspect dynamique. Une attention particulière concernant les dissipateurs d’énergie, qui représentent l’élément centrale de ce type de structure, nous a permis de mettre au point un élément fusible robuste et fiable. Une campagne d’essais en grandeur réel sur les écrans de filets étudiés a permis de valider deux classes énergétiques (3000 kJ et 5000 kJ) selon les recommandations européennes. Les données recueillis lors des expérimentations ont permis de calibrer et valider différentes modélisations numériques de type éléments finis et éléments discrets. La pertinence de la modélisation a été évaluée au niveau des différentes échelles étudiées, échelle d’une maille, échelle d’une nappe, échelle du dissipateur d’énergie et échelle de la structure entière. Les performances et les limites des deux approches, MEF (méthode des éléments finis) et MED (méthodes des éléments discrets) ont été évaluées pour ce qui est de nos modélisations.

In mountainous areas, infrastructures, roads and railways are subject to various natural hazards due to the gravitational phenomena. Beyond the danger to users, the consequences of traffic interruptions becomes, from an economic point of view, more and more problematic and it becomes essential to secure these itineraries. An existing method to protect against the rockfall is to set up rockfall barriers made by metallic nets. This thesis focuses on the study of the rockfall protection barriers made by metallic net developed by the company GTS. The net of these barriers is different compared to conventional systems by an orthotropic behavior, due to a special form of the mesh. In this study we characterize the behavior of these barriers under static and dynamic loading (impact) by an approach combining the experimentation and the numerical modeling. The study proceeds step by step, the components are evaluated in quasi-static, in laboratory, and also in-situ to simulate the real conditions of use, especially the dynamic aspect. A special attention concerning the energy dissipators, which represent the principal element of this structure, has enabled us to develop a robust and reliable fuse element. A campaign of full-scale tests on the studied rockfall barriers allows the validation of two energy classes (3000 kJ and 5000 kJ) according to the European recommendations. The data collected during experiments permits to develop various numerical models of finite elements and discrete elements. The relevance of the modelisation was evaluated at the different studied scales, the mesh scale, the net scale, the energy dissipators scale and the scale of the entire structure., En région montagneuse, les infrastructures et les voies de communications sont soumises à de nombreux risques naturels dont les phénomènes d’origine gravitaire. Au-delà du danger pour les usagers, les conséquences des interruptions du trafic deviennent problématiques d’un point de vue économique et il devient indispensable de sécuriser les itinéraires. La mise en place d’écrans de filets pare-pierres est une des solutions possibles pour la protection contre les éboulements rocheux. Cette thèse porte sur l’étude des écrans souples ou filets métalliques de protection contre les chutes de blocs et plus précisément sur l’écran développé par l’entreprise GTS. Le filet constitutif de ces écrans se différencie par rapport aux systèmes conventionnels par un comportement orthotrope, dû à un maillage spécifique. Dans cette étude nous caractérisons le comportement de ces écrans de filets sous des chargements statiques et dynamiques de type impact par une approche couplant l’expérimentation et la modélisation numérique. L’étude procède pas à pas, les divers constituants sont évalués de façon quasi-statique, en laboratoire, et également in-situ pour reproduire les conditions réelles d’utilisation, en particulier l’aspect dynamique. Une attention particulière concernant les dissipateurs d’énergie, qui représentent l’élément centrale de ce type de structure, nous a permis de mettre au point un élément fusible robuste et fiable. Une campagne d’essais en grandeur réel sur les écrans de filets étudiés a permis de valider deux classes énergétiques (3000 kJ et 5000 kJ) selon les recommandations européennes. Les données recueillis lors des expérimentations ont permis de calibrer et valider différentes modélisations numériques de type éléments finis et éléments discrets. La pertinence de la modélisation a été évaluée au niveau des différentes échelles étudiées, échelle d’une maille, échelle d’une nappe, échelle du dissipateur d’énergie et échelle de la structure entière. Les performances et les limites des deux approches, MEF (méthode des éléments finis) et MED (méthodes des éléments discrets) ont été évaluées pour ce qui est de nos modélisations.

International audience; (Civ. 2e, 22 oct. 2009, Société Aréas dommages, n° 08-16.766, FS-P+B+R, D. 2009. 2684, obs. I. Gallmeister et 2010. 413, note B. Duloum ; RCA 2010. comm. 37, obs. L. Bloch ; RLDC 2010. 3706, éclairage par J. Julien)

International audience; (Civ. 2e, 26 sept. 2002, n° 897 FS-P+B, SCI Brémond et autres c/ société MAT et autres, Bull. civ. II, n° 198)