Modelling ballast behaviour under dynamic loading. Part 1: A 2D polygonal discrete element method approach

International audienceDiscrete element simulation provides some insight into the alteration of railway ballast after repeated train passings. The present Part 1 is devoted to a 2D model of this granular layer interposed between the deformable ground and the rail sleeper, to which a large number of loading cycles is applied. Ballast grains are modelled as indeformable polygonal solids. A detailed account of the application to this frictional dynamical problem of the Non-Smooth Contact Dyna- mics numerical method is given. Validation is obtained through comparison with physical experiments performed on assemblies of prismatic mineral grains. Numerical results on the settlement of a track submitted to 20,000 loading cycles or more are presented

Approche combinée éléments finis / éléments discrets pour la modélisation des structures maçonnées

MONTPELLIER-BU Sciences (341722106) / SudocSudocFranceF

Contribution à la modélisation de granulats tridimensionnels : application au ballast

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Méthode des élements finis espace-temps (adaptation du maillage en cours d'évolution avec contact)

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Dynamic Effects in Stress Analysis for Discrete Elements Modeling: Application to Masonry

International audienceThe discrete element modelling allows the study of the mechanical behaviour of a collection of solids, submitted to dynamic excitations. The proposed definition of a stress tensor concerns a cell constituted of its kernel, and its neighbouring solids. We demonstrate that taking into account the inertial effects allows the symmetry of the stress tensor. The relative weight of the centrifugal effects remaining in the final expression of the stress tensor is evaluated in order to determine whether or not it has to be taken into account, depending on the application. The proposed definition allows the definition of the load level on different parts of the discontinuous structure. Applications to real masonry cases are presented

Contribution à l étude de la stabilité des massifs rocheux fracturés (caractérisation de la fracturation in situ, géostatistique et mécanique des milieux discrets)

La simulation numérique est un outil essentiel pour mieux comprendre la réalité des phénomènes qui se produisent au sein des milieux discrets, en particulier des milieux rocheux fracturés. Notre travail a pour objectif d étudier le comportement mécanique et dynamique des milieux rocheux en réalisant des modèles discontinus dans lesquels les mesures de l orientation et l espacement interfractura, effectuées sur le terrain, sont intégrées au modèle de façon stochastique. Pour la génération des milieux fracturés numériques des algorithmes basés sur les méthodes statistiques et géostatistiques sont développés. Le comportement mécanique de modèles académiques et de structures réelles en maçonnerie est étudié grâce à la méthode Non Smooth Contact Dynamics (NSCD). Des structures en maçonneries telles que le monument historique de l amphithéâtre de Nîmes et l aqueduc d Arles sont étudiées, à échelle réelle, en deux et trois dimensions pour leurs comportements dynamiques pendant une sollicitation sismique. Les modèles de milieux rocheux fracturés engendrés à partir d études de cas sont analysés selon deux axes : l étude de la stabilité de pentes rocheuses et la conception de travaux souterrains par la méthode NSCD en utilisant le code LMGC90. La stabilité de ces modèles est étudiée en deux et trois dimensions. Les analyses effectuées sur ces modèles ont permis de proposer des recommandations pour l installation d éventuels soutènements. Elles ont également permis la distinction des familles des fractures jouant un rôle prépondérant dans l instabilité de ces massifs. La modélisation de certaines méthodes de protection en travaux au rocher telles que le boulonnage et les filets pare-pierres est ensuite abordée dans les perspectives envisagées comme développement de nos travauxThe numerical simulation is an essential tool for a better understanding of phenomena that occur within discrete environments, in particular in the fractured rock mass. This study aims to investigate the mechanical and dynamic behaviour of rock masses using discrete models in which surveyed data for orientation and inter-fracture spacing are introduced into the model in a stochastic way. For the generation of a jointed rock mass model, algorithms based on statistical and geostatistical methods are developed. The mechanical behaviour of academic models and real masonry structures is studied using the Not Smooth Contact Dynamics (NSCD) method. The dynamic behaviour, during seismic loading, of masonry structures such as the historic monuments of Nîmes amphitheatre and Arles aqueduct are studied, in real scale, in two and three dimensions. The models of fractured rock masses generated from case studies are analyzed with two objectives: the study of the stability of rock slopes and the design of underground structures by the NSCD method, using the LMGC90 code. The stability of these models is investigated in two and three dimensions. The tests performed on these models are used to make recommendations for the installation of support systems, where necessary. They also allow the distinction of the fracture sets playing a critical role in the instability of these masses. The modelling of protection systems, such as rock bolting and cable nets, is then addressed as a possible development of our workMONTPELLIER-BU Sciences (341722106) / SudocSudocFranceF

Modélisation du comportement mécanique par éléments discrets d'ouvrages tri-dimensionnels. Contribution à la définition d'éléments de contacts surfaciques

Cette thèse concerne la modélisation d'ouvrages maçonnés tri-dimensionnels en grand appareil, précontraints, ou comportant un grand nombre de blocs. Ces structures sont des constructions en gros blocs de pierre, éventuellement liés par des joints de mortier, dont les géométries tridimensionnelles ne permettent généralement pas la définition d'un volume élémentaire représentatif. Le comportement mécanique de ces édifices ou structures, peut être étudié par des méthodes qui considèrent le comportement des blocs et leurs interactions avec des blocs voisins par frottement sec ou en présence de mortier cohésif. Nous avons donc choisi de les modéliser par la méthode des éléments discrets Non Smooth Contact Dynamics. Les monuments étudiés sont des structures en pierres massives, simple appareil régulier (mur) ou irrégulier (pont Julien) et structures précontraintes (escalier, coupole). D'une part, un nouvel algorithme de détection des contacts a été développé pour gérer les contacts surfaciques, spécifiques aux maçonneries. Diverses applications sur des cas réels, et des comparaisons avec des expériences issues de la littérature, ont montré la robustesse de l'algorithme. Les résultats obtenus par l'analyse des descentes de charges sont cohérents avec les caractères physiques et géométriques des ouvrages considérés. D'autre part, les liaisons de contacts conduisent souvent à un problème statiquement indéterminé au niveau local. L'étude sur des cas académiques a permis de tester la pertinence de la méthode. Une comparaison a été faite avec la méthode de résolution existante, implémentée dans LMGC90MONTPELLIER-BU Sciences (341722106) / SudocSudocFranceF

Stress and Strain Tensors in Granular Medium Application to Masonry Structures

International audienceThe general framework of the present paper is the modeling of stone work, subject to dynamic loads. In this study, a masonry structure is considered as a collection of rigid blocks, linked together by Coulomb’s type friction laws. We define on such a granular medium, a stress tensor and a macroscopic strain tensor, on an elementary cell. The definition of these tensors allows us to get, locally, an average information on this granular medium

NSCD discrete element method for modelling masonry structures

International audienceThe aim of this paper is to present a discrete element approach for the study of stonework. In the present work, a masonry structure is considered as a collection of rigid or deformable blocks, interacting together by contact laws. In this paper, we use the non-smooth contact dynamics (NSCD) resolution method mainly used for the modelling of granular media. In the considered masonry structures we define, on an elementary cell, average local strain and stress tensors. These definitions are valid under dynamical loading of the structure, taking into account rotations. We present their use on academic and on real masonry structures

Force fluctuations in a pushed granular material

International audienceWe analyse the time evolution of stresses in a noncohesive granular bed cut by the motion of a tool. Our numerical simulations both in two and three dimensions reveal large fluctuations of the force acting on the tool. These fluctuations have a decreasing exponential distribution. We find that, in spite of fluctuations, the mean force is well fitted by an analytical form obtained from a limit analysis with Coulomb's failure criterion