Thèse Étude du Comportement Dynamique de la Terre Crue et Influence de la Vitesse de Déformation Expérimentations et Modélisation Application à l'Analyse de Vulnérabilité des Structures H/F - Doctorat_Gouv

Établissement : Université Grenoble Alpes
École doctorale : I-MEP² - Ingénierie - Matériaux, Mécanique, Environnement, Energétique, Procédés, Production
Laboratoire de recherche : Laboratoire Sols, Solides, Structures et Risques
Direction de la thèse : Yann MALECOT ORCID 0000000174771818
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-05-01T23:59:59La terre crue est un matériau de construction dotée d'un impact écologique très faible, et dont les propriétés hygrothermiques sont avantageuses. Son utilisation est cependant pénalisée par l'absence de règles de dimensionnement, notamment vis-à-vis des sollicitations dynamiques/sismiques. En effet, peu d'informations sont actuellement disponible sur le comportement du matériau [Thompson et al., 2022], et rend la modélisation à l'échelle structurelle et la définition de règles de calculs particulièrement complexes [PN Terre]. De plus, les études portant sur l'influence de la vitesse de déformation sur la réponse mécanique sont presque inexistantes [Chen el al., 2024]. L'objectif de la thèse est donc de proposer une caractérisation mécanique approfondie du matériau, pour différentes vitesses de déformation, afin de mieux comprendre son comportement. Cette dernière portera sur l'analyse du pisé, méthode très largement majoritaire dans l'état de l'art scientifique actuel [Thompson et al., 2022]. Le but est de mettre en place différents essais permettant de proposer différentes sollicitations (traction, compression, cisaillement, oedométrique), pour différentes gammes de vitesses de déformation, allant du quasi-statique à la dynamique rapide (103-104 s-1). En effet, les essais actuels sont généralement limités à de la compression simple, sans prise en compte de potentiels effets dynamiques [Avila et al., 2021]. La thèse sera également axée sur un dialogue numérique-expérimental, basée sur la méthode des éléments finis, en s'appuyant sur des lois de comportement non-linéaires existantes. Les essais de caractérisation seront donc simulés afin de calibrer un modèle numérique du matériau étudié. Enfin, la réalisation d'essais à l'échelle pilote permettra de confronter le modèle mis en place à la réponse dynamique d'éléments structuraux pour différentes sollicitations (monotone type impact, puis cycliques/sismiques).

La terre crue est un matériau de construction naturel, abondant et souvent facilement accessible. Largement utilisée pendant des siècles, la terre crue a presque disparu du domaine de la construction dans les pays occidentaux au cours du XXème siècle, notamment au profit du béton armé. Ainsi, à l'échelle mondiale, le domaine de la construction serait responsable de 10% des émissions de gaz à effets de serre en 2021 [UNEP Buildings GSR, 2021]. Avec l'urgence climatique, il y a ces dernières années un regain d'intérêt très fort au niveau national et international pour les matériaux bio/géo-sourcés. La terre crue propose un faible impact écologique et de nombreux avantages en termes de confort dans les bâtiments. Cependant, son utilisation est largement freinée par l'absence de règles de calculs [RILEM 274 - TCE], lié notamment à un manque de connaissances et de caractérisation du matériau. Différents projets à l'échelle nationale et internationales visent donc à en améliorer la compréhension [WHEAP, UNESCO ; PN Terre].
Dans le domaine académique, on observe ces dernières années une production relativement abondante en lien avec les constructions bio- et géo-sourcées, en particulier sur le matériau terre crue, et d'autant plus pour le mode constructif du pisé [Thompson et al., 2022]. Cependant, une majorité d'étude se concentre sur la variabilité du matériau, en proposant une caractérisation mécanique souvent limitée à des essais de compression simple, et de manière plus occasionnelle des essais de cisaillement [Avila et al., 2021]. D'autres types d'essais sont beaucoup plus rares, tels que les essais de traction directe [Araki et al., 2016] ou les essais triaxiaux [Nowamooz & Challazon, 2011]. Pour cette raison, le développement, l'adaptation et la calibration de lois de comportement pour les simulations numériques sont relativement difficiles [Avila et al., 2023], de par le manque d'informations pour certains paramètres (comme par exemple l'énergie de fracturation [Nguyen et al., 2023]). De plus, la caractérisation de l'influence de la vitesse de déformation sur la réponse est quasiment inexistante, et uniquement étudiée sur de la terre stabilisée au ciment [Chen et al., 2024]. Plus récemment, quelques essais ont été réalisés à plus grande échelle en quasi-statique, en pushover [El Nabouch et al., 2019] ou en cycliques [Ning et al., 2025] ; peu d'essais dynamiques sur table vibrante ont été proposés [Yadav et al., 2023]. Cependant, les essais à l'échelle structurelle restent difficiles à analyser, et ne suffisent pas pour caractériser en détail le comportement mécanique de la terre crue à l'échelle du matériau.

Pour répondre à cette demande, l'objectif du projet de thèse est d'améliorer la compréhension et la modélisation du comportement mécanique de la terre crue, avec la prise en compte de la vitesse de chargement sur sa réponse. La thèse se focalisera sur l'utilisation d'une terre « idéale », c'est-à-dire un pisé homogénéisé par double compactage [Xu et al., 2018], afin de limiter la variabilité des résultats et de faciliter la réalisation des spécimens pour les essais expérimentaux. Un passage à l'échelle pilote sera également proposé, en utilisant la même composition de terre crue, pour faciliter les analyses et comparaisons.
D'un point de vue scientifique, l'objectif est de quantifier l'influence de la vitesse de déformation sur le comportement mécanique, en proposant différents types d'essais, afin de caractériser plusieurs mécanismes et paramètres : compression, traction, cisaillement, énergie de fracturation, etc. En particulier, l'influence de la teneur en eau sur la réponse mécanique sera étudiée. Un fort dialogue expérimental-numérique sera mis en place, pour modéliser les différents essais, et proposer une méthodologie de passage de l'échelle du matériau à l'échelle de l'élément structurel.

Pour parvenir à cet objectif, des expérimentations à l'échelle du matériau avec différents temps caractéristiques sont envisagés, du quasi-statique à la dynamique rapide (103-104 défs.s-1). Ces dernières seront associées à des simulations par éléments finis afin de proposer un outil numérique, et dans le but de caractériser le comportement dynamique d'éléments structuraux. Des expérimentations à l'échelle structurelle sont prévues pour valider la méthodologie proposée.
a)A l'échelle du matériau, il sera nécessaire de définir la composition du matériau (pisé avec double compactage), ainsi que le procédé de mis en oeuvre des échantillons testés. Une formulation de base ainsi qu'un protocole de mise en oeuvre seront sélectionnés. Différents types d'essais seront mis en place afin de caractériser les propriétés mécaniques du matériau sous différentes types de sollicitations, et pour une large gamme de vitesses de chargement : essais quasi-statique ou à vitesse faible (presse électromécanique), essais de traction, compression, cisaillement sous contrainte axiale en dynamique (barres de Hopkinson), essais sous très hautes vitesses, avec ou sans confinement (lanceur à gaz, vérin rapide). Une étude paramétrique sur la teneur en eau, et potentiellement la composition du matériau choisi, pourra également être réalisée. Chaque essai sera judicieusement instrumenté afin de faciliter la validation du modèle numérique.
b)Concernant la modélisation, le projet de thèse s'appuiera sur la méthode des éléments finis, avec le choix et la calibration d'un modèle de plasticité et/ou d'endommagement, avec évolution de la surface de charge. Cette méthodologie est déjà largement utilisée dans la littérature pour la terre crue, en se basant sur des lois générales de plasticité ou des lois de comportement de béton dans les logiciels commerciaux (Concrete Damaged Plasticity, Total Strain Based Rotating Crack Model, etc.) [Nguyen et al., 2023 ; Silva et al., 2018]. Il sera notamment question de sélectionner un modèle 3D capable de tenir compte également de la vitesse de déformation. L'accent sera mis sur l'intérêt de développer dès le début de la thèse un fort dialogue expérimental-numérique, afin de garantir la pertinence des essais et mesures réalisées pour cet objectif de modélisation.
c)A l'échelle structurelle, il s'agira ensuite de proposer quelques essais afin de mettre en avant l'intérêt de la méthodologie pour l'analyse de la vulnérabilité des structures de génie civil sous sollicitations dynamiques (impact, perte de portance, sismique etc.). Une application sur un élément de structure sous chargement monotone de type impact sera envisagée dans un premier temps. D'autres essais pourront ensuite compléter la campagne expérimentale (sollicitation plus complexes, cycliques, sismiques, etc.). Ce changement d'échelle a pour but d'introduire une certaine hétérogénéité dans (i) la composition du matériau et (ii) la répartition des contraintes. L'objectif sera donc de proposer une comparaison numérique aux expérimentations.

Le projet de recherche possède un important volet expérimental, incluant des expérimentations fines à l'échelle du matériau et des expérimentations plus lourdes à l'échelle structurelle. Une attention particulière sera mise sur l'instrumentation des essais. Il sera nécessaire d'avoir un candidat ayant un goût particulier pour un travail expérimental, manuel, soigné et rigoureux, avec de bonnes capacités d'analyse et de compréhension des phénomènes mécaniques en jeu.
Il n'y aura pas de développement de code significatif durant la thèse. Le candidat devra néanmoins être capable de traiter des données volumineuses issues des expérimentations (instrumentation, stéréo-corrélation), de construire et d'identifier un modèle numérique basée sur un comportement non-linéaire. De bonnes connaissances en calcul par éléments finis sont nécessaires, ainsi que des capacités de développement de routines en langage de programmation (Python).