Sujet de thèse IFSTTAR

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Fiche détaillée :

Titre : Contribution à l’élaboration de dispositifs de retenue de route entièrement ou partiellement en bois.

Laboratoire principal - Référent principal TS2 - LBMC  -  BRIZARD Denis      tél. : +33 472142386

Directeur du laboratoire principal MITTON David  -

Spécialité de la thèse mécanique

Axe 1 - COP2017 - Transporter efficacement et se déplacer en sécurité

Site principal Bron

Etablissement d'inscription UNIVERSITE CLAUDE-BERNARD-LYON 1

Ecole doctorale MEGA (MECANIQUE, ENERGETIQUE, GENIE CIVIL, ACOUSTIQUE)

Directeur de thèse prévu RONEL Sylvie  -  Université Gustave Eiffel  -  TS2 - LBMC

Type de financement prévu Contrat doctoral  - Ifsttar

Résumé

Contexte
La grande majorité des dispositifs de retenue de route sont en acier galvanisé. Ces barrières sont destinées à empêcher un véhicule sortant de la route de percuter des obstacles latéraux. Elles sont installées sur des centaines de kilomètres sur le bord des routes et autoroutes. Les dispositifs de protection urbains (garde-corps, barrières, bornes anti-intrusion, potelets) sont également en grande majorité en matériau métallique.
Dans un contexte global de développement durable, il convient désormais de prendre en compte l’énergie grise (énergie consommée tout au long du cycle de vie du produit [1]) et les émissions de gaz à effet de serre des matériaux de construction utilisés à grande échelle. Cela concerne donc les dispositifs de protection largement mis en oeuvre sur les routes et en milieu urbain.
Le matériau bois présente un impact environnemental plus faible que celui de l’acier [2]. Son utilisation dans les dispositifs de protection routiers et urbains reste cependant marginale. Il existe des barrières mixtes bois-acier, dans lesquelles un habillage en bois vient recouvrir des lisses et des poteaux en acier. Toutefois, dans ces dispositifs mixtes, le bois est utilisé principalement pour des raisons esthétiques. Il conviendrait donc de mieux exploiter les propriétés
du bois dans ces applications : lorsque les barrières et les véhicules entrent en contact, c’est à dire lorsqu’elles sont soumises à des chocs.

Objectifs
Le travail de la thèse consistera à étudier la viabilité de l’utilisation du matériau bois dans des applications -structurelles et non esthétiques- de protection aux chocs des usagers de la route.
Pour cela, il faudra dans un premier temps, à l’aide d’une étude bibliographique, recenser les différentes essences de bois envisageables pour la construction de dispositifs entièrement ou partiellement en bois. Il faudra également étudier les lois de comportement spécifiques au bois disponibles dans la littérature scientifique. La loi de comportement devra prendre en compte la vitesse de déformation, paramètre important dans un contexte de sollicitation dynamique (choc de véhicule par exemple).
Une étude expérimentale permettra d’alimenter ces modèles matériaux indispensables à la conception des dispositifs. En effet, les loi matériaux intégrées dans les codes de calcul (LS-DYNA par exemple) dédiées au bois sont génériques et nécessitent ajustements et calibrations [3]. Les travaux de thèse reposeront sur l’utilisation des moyens de caractérisation expérimentale disponibles au laboratoire : des barres de Hopkinson de diamètre 30 mm pour la caractérisation dynamique de petits échantillons ; un système de type bloc-barres [4] de diamètre 80 mm pour la caractérisation dynamique d’échantillons de plus grande taille ou de petites structures ; une machine de traction-compression pour des essais quasi-statiques. Il sera probablement nécessaire de mener des essais à diverses vitesses de déformation (du quasi-statique au dynamique rapide [5]) et à différentes échelles du matériau bois.
Par ailleurs, le matériau bois -pour une essence donnée- peut présenter une variabilité importante de ses propriétés, que ce soit au sein d’un même arbre ou bien d’un arbre à un autre. Il est aussi sujet à divers défauts (noeuds, fentes, roulures, ...). La prise en compte de ces incertitudes et de leur propagation constituera un volet important à traiter tout au long de la thèse, tant au niveau expérimental [5] que dans les modèles numériques développés.
Ce projet s’inscrit dans la continuité des travaux de thèse menés au sein du laboratoire :
– Clément Goubel [6] a étudié la modélisation des barrières mixtes bois-acier (2012) ;
– Gengjian Qian [7] a appliqué des méthodes d’analyse de sensibilité globale à la modélisation des essais de choc véhicule-barrière (2017) ;
– Biswarup Bhattacharyya [8] développe des méthodes de propagation des incertitudes en dynamique rapide (soutenance prévue en septembre 2020).

Rattachement aux axes de recherche Ifsttar
Ce sujet de thèse s’inscrit dans les axes et objectifs de recherche de l’Ifsttar :
– Axe 1 : Transporter efficacement et se déplacer en sécurité.
– Objectif 2 : Renforcer la sécurité et l’ergonomie des déplacements, pour
une mobilité sereine et respectueuse de la vie humaine.
– Axe 2 : Améliorer l’efficience et la résilience des infrastructure.
– Objectif 5 : Contribuer au développement d’une économie circulaire de la construction, par l’accroissement de l’usage de matériaux renouvelables et de bio-matériaux alternatifs.
Il s’inscrit également dans la stratégie Stratégie scientifique portant sur l’aménagement durable des territoires.

Valorisation
Il est prévu de valoriser les travaux de thèse par la publication d’articles dans des revues à comité de lecture, ainsi par la participation à des conférences.

Profil candidat.e
Master en mécanique. Culture appréciée en dynamique rapide (simulation numérique ou expérimental) et/ou matériau bois. Expérience en programmation scientifique (Python, Octave, ...). La motivation du candidat sera un atout.

Références
[1] Manish K. Dixit. Embodied energy and cost of building materials : correlation analysis. Building Research & Information, 45(5) :508–523, July 2017.
[2] Chihiro Kayo and Ryu Noda. Climate change mitigation potential of wood use in civil engineering in Japan based on life-cycle assessment. Sustainability, 10(2) :561, February 2018.
[3] Y. D. Murray, J. D. Reid, R. K. Faller, B. W. Bielenberg, and T. J. Paulsen. Evaluation of LS-DYNA Wood Material Model 143. Technical Report FHWA-HRT-04-096, August 2005.
[4] E. Jacquelin and P. Hamelin. Block-bar device for energy absorption analysis. Mechanical Systems and Signal Processing, 15(3) :603–617, May 2001.
[5] Tiberiu Polocoşer, Bohumil Kasal, and Frank Stöckel. State-of-the-art : intermediate and high strain rate testing of solid wood. Wood Science and Technology, pages 1–56, June 2017.
[6] D. Brizard, S. Ronel, and E. Jacquelin. Estimating Measurement Uncertainty on Stress-Strain Curves from SHPB. Experimental Mechanics, 57(5) :735–742, June 2017.
[7] C. Goubel, M. Massenzio, and S. Ronel. Wood–steel structure for roadside safety barriers. International Journal of Crashworthiness, 17(1) :63–73, February 2012.
[8] Gengjian Qian. Analyse de sensibilité et robustesse dans le génie industriel - Méthodologies et applications aux essais de chocs. PhD thesis, Université Claude Bernard - Lyon 1, Lyon, France, April 2017.
[9] Biswarup Bhattacharyya, Eric Jacquelin, and Denis Brizard. Uncertainty quantification of nonlinear stochastic dynamic problem using a kriging-narx surrogate model. In Uncertainty Quantification in Computational Sciences and Engineering, page 13, Crete, Greece, June 2019.

Mots-clefs: Bois, dispositif de retenue de route, mécanique des chocs, modèle matériau, quantification des incertitudes, caractérisation mécanique.

Laboratoire principal - Référent principal	TS2 - LBMC - BRIZARD Denis tél. : +33 472142386
Directeur du laboratoire principal	MITTON David -
Spécialité de la thèse	mécanique
Axe	1 - COP2017 - Transporter efficacement et se déplacer en sécurité
Site principal	Bron
Etablissement d'inscription	UNIVERSITE CLAUDE-BERNARD-LYON 1
Ecole doctorale	MEGA (MECANIQUE, ENERGETIQUE, GENIE CIVIL, ACOUSTIQUE)
Directeur de thèse prévu	RONEL Sylvie - Université Gustave Eiffel - TS2 - LBMC
Type de financement prévu	Contrat doctoral - Ifsttar
Résumé Contexte La grande majorité des dispositifs de retenue de route sont en acier galvanisé. Ces barrières sont destinées à empêcher un véhicule sortant de la route de percuter des obstacles latéraux. Elles sont installées sur des centaines de kilomètres sur le bord des routes et autoroutes. Les dispositifs de protection urbains (garde-corps, barrières, bornes anti-intrusion, potelets) sont également en grande majorité en matériau métallique. Dans un contexte global de développement durable, il convient désormais de prendre en compte l’énergie grise (énergie consommée tout au long du cycle de vie du produit [1]) et les émissions de gaz à effet de serre des matériaux de construction utilisés à grande échelle. Cela concerne donc les dispositifs de protection largement mis en oeuvre sur les routes et en milieu urbain. Le matériau bois présente un impact environnemental plus faible que celui de l’acier [2]. Son utilisation dans les dispositifs de protection routiers et urbains reste cependant marginale. Il existe des barrières mixtes bois-acier, dans lesquelles un habillage en bois vient recouvrir des lisses et des poteaux en acier. Toutefois, dans ces dispositifs mixtes, le bois est utilisé principalement pour des raisons esthétiques. Il conviendrait donc de mieux exploiter les propriétés du bois dans ces applications : lorsque les barrières et les véhicules entrent en contact, c’est à dire lorsqu’elles sont soumises à des chocs. Objectifs Le travail de la thèse consistera à étudier la viabilité de l’utilisation du matériau bois dans des applications -structurelles et non esthétiques- de protection aux chocs des usagers de la route. Pour cela, il faudra dans un premier temps, à l’aide d’une étude bibliographique, recenser les différentes essences de bois envisageables pour la construction de dispositifs entièrement ou partiellement en bois. Il faudra également étudier les lois de comportement spécifiques au bois disponibles dans la littérature scientifique. La loi de comportement devra prendre en compte la vitesse de déformation, paramètre important dans un contexte de sollicitation dynamique (choc de véhicule par exemple). Une étude expérimentale permettra d’alimenter ces modèles matériaux indispensables à la conception des dispositifs. En effet, les loi matériaux intégrées dans les codes de calcul (LS-DYNA par exemple) dédiées au bois sont génériques et nécessitent ajustements et calibrations [3]. Les travaux de thèse reposeront sur l’utilisation des moyens de caractérisation expérimentale disponibles au laboratoire : des barres de Hopkinson de diamètre 30 mm pour la caractérisation dynamique de petits échantillons ; un système de type bloc-barres [4] de diamètre 80 mm pour la caractérisation dynamique d’échantillons de plus grande taille ou de petites structures ; une machine de traction-compression pour des essais quasi-statiques. Il sera probablement nécessaire de mener des essais à diverses vitesses de déformation (du quasi-statique au dynamique rapide [5]) et à différentes échelles du matériau bois. Par ailleurs, le matériau bois -pour une essence donnée- peut présenter une variabilité importante de ses propriétés, que ce soit au sein d’un même arbre ou bien d’un arbre à un autre. Il est aussi sujet à divers défauts (noeuds, fentes, roulures, ...). La prise en compte de ces incertitudes et de leur propagation constituera un volet important à traiter tout au long de la thèse, tant au niveau expérimental [5] que dans les modèles numériques développés. Ce projet s’inscrit dans la continuité des travaux de thèse menés au sein du laboratoire : – Clément Goubel [6] a étudié la modélisation des barrières mixtes bois-acier (2012) ; – Gengjian Qian [7] a appliqué des méthodes d’analyse de sensibilité globale à la modélisation des essais de choc véhicule-barrière (2017) ; – Biswarup Bhattacharyya [8] développe des méthodes de propagation des incertitudes en dynamique rapide (soutenance prévue en septembre 2020). Rattachement aux axes de recherche Ifsttar Ce sujet de thèse s’inscrit dans les axes et objectifs de recherche de l’Ifsttar : – Axe 1 : Transporter efficacement et se déplacer en sécurité. – Objectif 2 : Renforcer la sécurité et l’ergonomie des déplacements, pour une mobilité sereine et respectueuse de la vie humaine. – Axe 2 : Améliorer l’efficience et la résilience des infrastructure. – Objectif 5 : Contribuer au développement d’une économie circulaire de la construction, par l’accroissement de l’usage de matériaux renouvelables et de bio-matériaux alternatifs. Il s’inscrit également dans la stratégie Stratégie scientifique portant sur l’aménagement durable des territoires. Valorisation Il est prévu de valoriser les travaux de thèse par la publication d’articles dans des revues à comité de lecture, ainsi par la participation à des conférences. Profil candidat.e Master en mécanique. Culture appréciée en dynamique rapide (simulation numérique ou expérimental) et/ou matériau bois. Expérience en programmation scientifique (Python, Octave, ...). La motivation du candidat sera un atout. Références [1] Manish K. Dixit. Embodied energy and cost of building materials : correlation analysis. Building Research & Information, 45(5) :508–523, July 2017. [2] Chihiro Kayo and Ryu Noda. Climate change mitigation potential of wood use in civil engineering in Japan based on life-cycle assessment. Sustainability, 10(2) :561, February 2018. [3] Y. D. Murray, J. D. Reid, R. K. Faller, B. W. Bielenberg, and T. J. Paulsen. Evaluation of LS-DYNA Wood Material Model 143. Technical Report FHWA-HRT-04-096, August 2005. [4] E. Jacquelin and P. Hamelin. Block-bar device for energy absorption analysis. Mechanical Systems and Signal Processing, 15(3) :603–617, May 2001. [5] Tiberiu Polocoşer, Bohumil Kasal, and Frank Stöckel. State-of-the-art : intermediate and high strain rate testing of solid wood. Wood Science and Technology, pages 1–56, June 2017. [6] D. Brizard, S. Ronel, and E. Jacquelin. Estimating Measurement Uncertainty on Stress-Strain Curves from SHPB. Experimental Mechanics, 57(5) :735–742, June 2017. [7] C. Goubel, M. Massenzio, and S. Ronel. Wood–steel structure for roadside safety barriers. International Journal of Crashworthiness, 17(1) :63–73, February 2012. [8] Gengjian Qian. Analyse de sensibilité et robustesse dans le génie industriel - Méthodologies et applications aux essais de chocs. PhD thesis, Université Claude Bernard - Lyon 1, Lyon, France, April 2017. [9] Biswarup Bhattacharyya, Eric Jacquelin, and Denis Brizard. Uncertainty quantification of nonlinear stochastic dynamic problem using a kriging-narx surrogate model. In Uncertainty Quantification in Computational Sciences and Engineering, page 13, Crete, Greece, June 2019.
Mots-clefs:	Bois, dispositif de retenue de route, mécanique des chocs, modèle matériau, quantification des incertitudes, caractérisation mécanique.

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