Analysis and design of protective structures against rock falls
Analyse et dimensionnement d'ouvrages de protection contre les chutes de blocs
Résumé
The Structurally Dissipating Rock-shed (SDR) is a new kind of rock-shed. It is composed of a reinforced concrete slab supported by several metallic fuse supports. As opposed to the traditional rock-shed, the innovative SDR structure uses directly the slab motion and the deformation of slab and fuse supports to dissipate impact energy of rock blocks. This thesis aims to study SDR structural behaviour under rock blocks impacts and to improve the design of SDR structure. The structural analysis of SDR needs appropriate impact analyses. An impact algorithm was thus developed, which can resolve the unilateral impact problems between a rigid projectile and a soft structure. This impact algorithm has then been implemented in a finite element program. Validated by several tests, this development can be used for SDR structural analysis with account of the materials dynamic behaviour. This analysis tool has been used to model the SDR structure under different impact conditions. At first, the impact tests of a 1/3 scale SDR model are simulated in order to know the structure modelling feasibility. A satisfying correlation between the experimental and numerical results allows carrying out several sensitivity studies with respect to the mass and velocity of rock blocks, impact point position on the slab, thickness, concrete material and reinforcement ratio of the slab. At last, the full scale structural calculations are performed. All theses studies show the robustness of the SDR concept, and at the same time, the possible optimisations of the SDR structure, particularly for its punching shear resistance.
Le Pare-blocs Structurellement Dissipant (PSD) est un type de galerie pare-blocs innovant. Il se compose d'une dalle en béton armé reposant sur des appuis fusibles métalliques. Contrairement aux galeries pare-blocs traditionnelles, le PSD utilise directement le mouvement de la dalle, et la déformation de la dalle et des appuis, pour dissiper l'énergie d'impact de blocs rocheux. Le but de cette thèse est de contribuer à améliorer l'analyse et le dimensionnement du PSD sous les impacts rocheux. L'analyse structurelle du PSD nécessite des analyses d'impact appropriées. Un algorithme d'impact est donc développé, qui permet de traiter les impacts unilatéraux entre un projectile rigide et une structure déformable. Cet algorithme est ensuite mis en œuvre dans un code de calculs par éléments finis. Validé par plusieurs tests, ce développement fournit un outil de calcul pour le PSD permettant de prendre en compte les effets de vitesse du comportement des matériaux. Cet outil est utilisé pour modéliser le PSD sous différentes conditions d'impact. D'abord, les essais d'impact sur une maquette PSD à l'échelle 1/3 sont modélisés pour connaître la faisabilité de la modélisation structurelle. Une corrélation satisfaisante entre les résultats numériques et expérimentaux permet de réaliser plusieurs séries d'études paramétriques avec le même modèle aux éléments finis pour mettre en évidence l'influence de la masse et de la vitesse des blocs rocheux, de la position de point d'impact sur la dalle, de l'épaisseur de la dalle, du type de béton et du pourcentage d'armatures de la dalle. Enfin, des calculs à l'échelle de la structure sont effectués. Toutes ces études montrent la robustesse du concept PSD, ainsi que ses optimisations possibles, particulièrement pour améliorer sa résistance vis-à-vis du poinçonnement.
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