Les tremblements de terre engendrent des dommages importants sur les structures qui nous entourent. Les séismes importants des dernières années, tel celui du Chili en 2010, démontrent la gravité des impacts structuraux, économiques et sociaux. Ces évènements permettent aux ingénieurs de modifier et d'améliorer les normes en vigueur. Comme les bâtiments, les ponts sont soumis à des dommages allant de léger à la perte de l'ouvrage. Afin de restreindre les dommages aux structures, le dimensionnement à la performance est souvent utilisé dans la pratique. Ce dernier permet de limiter les dommages selon le séisme de calcul. Ces dommages sont catégorisés par niveaux de performance passant de service à dommages sévères. Afin de relier la réponse de la structure à ces niveaux, l'ingénieur de la pratique utilise des paramètres de mesures permettant de quantifier les dommages. Ces paramètres situent la performance de la structure selon les différents états limites qui bornent les niveaux de performance. Plusieurs états limites sont proposés dans la littérature afin de définir le niveau d'endommagement des piliers de pont en béton armé. Ceux-ci peuvent être des déformations ou encore des ductilités. Au cours des dernières années, certaines méthodes de renforcement ont été mise sur pied afin de palier aux différentes lacunes structurales. L'une d'entre elles est le confinement à l'aide de matériaux composite. La ductilité, les dommages, la séquence d'endommagement et, du même coup, la performance des éléments structuraux sont modifiés par la présence de ce type de renforcement. De cette manière, les différents états limite de la, littérature représentent moins bien les niveaux d'endommagement atteints pendant un tremblement de terre. Dans le but de quantifier les différents dommages d'une pile de pont renforcée de matériaux composite afin d'évaluer les états limites bornant les niveaux de performance, une campagne numérique a été complétée. À l'aide de données expérimentales, le modèle numérique a été calibré. La plastification des barres longitudinales, la rupture du PRF ainsi que le comportement hystérésis a pu être reproduit de manière efficace et précise. Par la suite, une campagne numérique de douze poteaux, selon différents paramètres, a été complétée afin d'évaluer les différents états limites. Les résultats ont permis de démontrer que les états limites proposés dans la littérature ne représentent pas le comportement de piles de pont renforcées de matériaux composites. En effet, les ductilités et les déformations bornant les différents états surestiment l'endommagement qui survient pour des poteaux confinés de PRF. Selon les résultats obtenus, il a été possible de proposer de nouvelles valeurs plus représentative de l'endommagement.

Les tremblements de terre survenus à San Fernando en 1971, à Loma Prieta en 1989, à Northridge en 1994 et au Chili en 2010 ont permis de découvrir les déficiences des ouvrages construits selon les anciennes normes de conception parasismique. Deux des causes majeures de ces déficiences ont été le manque de confinement des sections critiques et les problèmes liés au recouvrement à la base. De ces leçons, les nouvelles normes de construction au Québec adoptent la philosophie du dimensionnement à la performance, interdissent le recouvrement à la base et recommandent un détail de ferraillage plus rigoureux. Étudier le comportement sismique des piliers de ponts au Québec en suivant la philosophie du dimensionnement est l'objectif principal d'un ensemble de projets, dont celui-ci, qui est en cours au Centre de recherche en génie parasismique (CRGP) de l'Université de Sherbrooke. Pour leur réalisation, le pont Chemin des dalles, situé dans la région de Trois-Rivières, a été retenu comme pont type. Étudier le comportement sismique des piliers de ponts en béton armé d'armatures en spires hélicoïdales est l'objectif spécifique de ce projet de maîtrise. De ce fait, un spécimen à échelle réelle a été conçu, construit, instrumenté et testé au laboratoire de structures de l'Université de Sherbrooke. Le renforcement du pilier en béton par des spires hélicoïdales a permis de ceinturer les barres d'armatures longitudinales, d'avoir un comportement plus ductile et une grande capacité à dissiper de l'énergie. En utilisant la méthode par poussée progressive, les états limites et d'endommagement, et les indicateurs liés à la ductilité, à la dissipation d'énergie, à l'endommagement et à l'amortissement du pilier construit ont été déterminés. Certaines réponses du pilier ont été prédites à l'aide de logiciels d'éléments finis. Ces prédictions ont été assez proches de celles mesurées lors de l'essai réalisé au laboratoire. La cartographie de l'endommagement a été aussi prédite. Pour situer l'endommagement du pilier, des formulations sur l'évaluation de la longueur de la rotule plastique ont été utilisées. Le pilier à l'étude a eu un comportement assez ductile, une bonne capacité à dissiper de l'énergie et une stabilité de capacité. La quantification des états d'endommagement du pilier testé, en se basant sur la description des états limites, a été comparable à celles proposées pour d'autres piliers.

Une structure en béton armé est sujette à différents types de sollicitations. Les tremblements de terre font partie des événements exceptionnels qui induisent des sollicitations extrêmes aux ouvrages. Pour faire face à cette problématique, les codes de calcul des ponts routiers font appel à une approche basée sur des niveaux de performance qui sont rattachés à des états limites. Actuellement, les états limites d'une pile de ponts en béton armé (BA) confinée à l'aide de polymères renforcés de fibres de carbone (PRFC) proposés dans la littérature ne prennent pas en compte le confinement lié au chemisage de PRFC en combinaison avec celui des spirales d'acier. Ce projet de recherche était la suite du volet de contrôle non destructif d'une étude réalisée en 2012 qui comprenait un volet expérimental [Carvalho, 2012] et un volet numérique [Jean, 2012]. L'objectif principal était de compléter l'étude du comportement des poteaux en BA renforcés de PRFC soumis à un chargement cyclique avec les données acoustiques recueillies par St-Martin [2014]. Plus précisément, les objectifs spécifiques étaient de déterminer les états limites reliés aux niveaux de performance et de caractériser la signature acoustique de chaque état limite (p. ex. fissuration du béton, plastification de l'acier et rupture du PRFC). Une méthodologie d'analyse acoustique basée sur l'état de l'art de Behnia et al. [2014] a été utilisée pour quantifier la gravité, localiser et caractériser le type de dommages. Dans un premier temps, les données acoustiques provenant de poutres de 550 mm x 150 mm x 150 mm ont permis de caractériser la signature acoustique des états limites. Puis, des cinq spécimens d'essai construits en 2012, les données acoustiques de trois spécimens, soient des poteaux circulaires d'un diamètre de 305 mm et d'une hauteur de 2000 mm ont été utilisée pour déterminer les états limites. Lors de ces essais, les données acoustiques ont été recueillies avec 14 capteurs de résonances qui étaient reliés à un système multicanal et au logiciel AEwin SAMOS 5.23 de Physical Acoustics Corporation (PAC) [PAC, 2005] par St-Martin [2014]. Une analyse de la distribution des paramètres acoustiques (nbr. de comptes et énergie absolue) combiné à la localisation des événements et le regroupement statistique, communément appelé clustering, ont permis de déterminer les états limites et même, des signes précurseurs à l'atteinte de ces états limites (p. ex. l'initiation et la propagation des fissures, l'éclatement de l'enrobage, la fissuration parallèle aux fibres et l'éclatement du PRFC) qui sont rattachés aux niveaux de performances des poteaux conventionnels et confinés de PRFC. Cette étude a permis de caractériser la séquence d'endommagement d'un poteau en BA renforcé de PRFC tout en démontrant l'utilité de l'écoute acoustique pour évaluer l'endommagement interne des poteaux en temps réel. Ainsi, une meilleure connaissance des états limites est primordiale pour intégrer les PRFC dans la conception et la réhabilitation des ouvrages.

Un tremblement de terre est un phénomène difficilement prévisible et inévitable, il est donc important que les ponts sollicités soient capables d'y résister sans s’effondrer de façon fragile. La meilleure façon est d'augmenter la ductilité des poteaux en béton. Au cours des dernières années, les matériaux en polymères renforcés de fibres (PRF) ont connu un essor important particulièrement au niveau du confinement des poteaux de béton afin d'augmenter leur ductilité. Par contre, le confinement empêche l’inspection visuelle de l’endommagement de ces derniers. Il faut alors faire appel à des méthodes d'auscultation non destructives. L’émission acoustique est une méthode très intéressante permettant de connaître en temps réel le comportement et le niveau d'endommagement à l’intérieur de la section confinée. De plus, la vitesse ultrasonore est un procédé fort efficace quand vient le temps d'évaluer les dommages. Dernièrement, différentes méthodes de confinement ont été proposées. Mais, ce renforcement ne règle pas complètement le problème. En effet, il peut déplacer le problème vers une autre section du poteau qui est plus faible. L'objectif du projet est d'évaluer l’influence du confinement de PRF sur la résistance et surtout la ductilité d'un pilier de pont soumis à une charge cyclique et d'en faire l’auscultation en temps réel. L’objectif principal consiste à identifier, en temps réel, avec le plus de précision possible, le comportement et l’endommagement d'un pilier de pont renforcé de PRF. Les vitesses ultrasonores ont été utilisées dans le but de quantifier les dommages et de cibler les zones les plus endommagées. L’émission acoustique a servi également à quantifier l’endommagement et à localiser celui-ci en trois dimensions. La méthode de localisation en trois dimensions utilisée est la technique de détection de temps d'arrivée selon le seuil. Puisque l’endommagement d'un poteau correspondant à différents états limites, il pouvait donc être possible d'associer les événements acoustiques à différents états limites. D'ailleurs, il était impératif de bien connaître le comportement des ondes dans les différents matériaux et d'anticiper les régions qui seraient les plus endommagées. Ensuite, on a procédé à l’installation de capteurs piézoélectriques aux endroits stratégiques pour la cueillette de données durant le test. Par la suite, on a procédé à l’analyse des résultats permettant d'obtenir la hauteur de la rotule plastique puis les différentes ductilités correspondant aux principaux états limites pour chacun des poteaux. Une comparaison avec les résultats expérimentaux et un modèle numérique a également été réalisée. Il a donc été possible de comparer l’influence de deux paramètres variant, soit l’espacement des étriers et la charge axiale sur la rotule plastique. Les paramètres d'émission acoustique utilisés afin de quantifier l’endommagement et les états limites sont le nombre d'événements, l’énergie, l’amplitude et le nombre de comptes pour un événement. La quantification de l’endommagement vient du résultat du cumul de ces paramètres en fonction de chaque nouvelle ductilité atteinte. La variation des vitesses ultrasonores correspondant à ces mêmes ductilités a également été utilisée afin de quantifier les états limites d'endommagement. Les deux méthodes ont servi à démontrer l’influence positive du confinement de PRFC sur un poteau de béton armé. De plus, elles ont été utilisées afin de déterminer l’influence des deux paramètres variant (espacement des étriers et charge axiale) sur la rotule plastique ainsi que sur les différents états limites. On remarque ainsi que l’augmentation de la charge axiale a une plus grande influence que l’espacement des étriers en ce qui a trait à la ductilité d'un poteau. L’augmentation de la charge axiale et de l’espacement des étriers contribuent à la diminution de la ductilité. Le confinement de PRFC est une méthode de renforcement permettant d'améliorer le comportement sismique des poteaux et par le fait même diminuer les dommages structuraux et les pertes humaines. D'autre part, l’émission acoustique et les vitesses ultrasonores se sont avérées être des méthodes efficaces permettant de déterminer l’endommagement et le comportement de ces derniers de façon continue et ponctuelle.

Résumé : Plusieurs tremblements de terre passés ont montré que face aux séismes, les ponts peuvent être les points faibles d’un réseau de transport. Néanmoins, les retours des expériences postsismiques ainsi que les études théoriques et expérimentales effectuées par les chercheurs et les ingénieurs de la pratique ont permis de faire évoluer les règles de l'art relatives au comportement sismique des ponts. Un des résultats de cette évolution est le dimensionnement basé sur la performance sismique (DBPS). En bref, le DBPS tente de concevoir des structures qui atteindront un état limite de performance déterminé lorsqu’ils sont soumis à un séisme d’une intensité donné. Toutefois, dans l'optique du DBPS, il est primordial de situer les états limites des composantes principales des ponts, principalement des piliers, de manière mesurable plutôt que phénoménologique. Lors du développement de courbes de fragilité des ponts au Québec, il est apparu que les états limites des piliers de ponts n'étaient pas clairement définis. Un programme de recherche expérimental a donc été conçu pour déterminer les états limites des piliers de pont en béton armé. Le projet comprend l’essai d’un poteau en béton armé à échelle réelle soumis à des cycles de chargement latéral en plus d’une charge axiale constante représentative du niveau de chargement réel. Le poteau reproduit les propriétés exactes des piliers du pont Chemin des Dalles (Trois-Rivières, Québec). Ce projet de recherche vise à améliorer l’évaluation de la fragilité sismique des ponts actuels du réseau routier québécois et à optimiser le dimensionnement sismique des futures structures selon l’approche basée sur la performance sismique. En particulier, le projet cherche à répondre aux incertitudes importantes qui subsistent sur la description quantitative des états limites des piliers de ponts en béton armé, particulièrement au niveau des déformations associées. / Abstract : Several past earthquakes have shown that bridges can be the weak points of a transport network. Nevertheless, returns of the post-seismic experiences as well as theoretical and experimental studies made by researchers and practice engineers allowed the art rules evolution related to the seismic behavior of bridges. One result of this evolution is the seismic performance based design (DBPS). In brief, the DBPS tries to design structures which will reach a certain limit state of performance when they are submitted to an earthquake of a given intensity. However, in the optics of the DBPS, it is essential to define the limit states of the main components of bridges, mainly for columns, in a measurable way rather than phenomenological. During the development of the fragility curves of bridges in Québec, it seemed that the limit states of the bridges columns were not clearly defined. An experimental research program was thus designed to determine the limit states of the reinforced concrete bridge columns. The project includes the testing of a large-scale reinforced concrete bridge column submitted to lateral cycles load in addition to a constant axial load which represented the real dead load level. The column reproduces the exact properties of the Chemin des Dalles bridge columns (Trois-Rivières, Québec). This research project aims to improve the evaluation of the seismic fragility of existing bridges of Québec road network and optimize the seismic design for future structures according to the performance based seismic approach. In particular, the project seeks to address the significant uncertainties which remain on the quantitative description of the limit states of the reinforced concrete bridge columns, particularly at the associated deformations level.

Abstract : Fragility curves are a very useful tool for seismic risk assessment of bridges. A fragility curve describes the probability of a structure being damaged beyond a specific damage state for different levels of ground shaking. Since more than half of all bridges in the province of Quebec (Canada) are in service for more than 30 years and that these bridges were designed at that time without seismic provisions, generating fragility curves for these structures is more than necessary. These curves can be used to estimate damage and economic loss due to an earthquake and prioritize repairs or seismic rehabilitations of bridges. Previous studies have shown that seismic damage experienced by bridges is not only a function of the epicentral distance and the severity of an earthquake but also of the structural characteristics of the bridge and the soil type on which it is built. Current methods for generating fragility curves for bridges do not account for soil conditions. In this work, analytical fragility curves are generated for multi-span continuous concrete girder bridges, which account for 21% of all bridges in Quebec, for the different soil profile types specified in the Canadian highway bridge design code (CAN/CSA-S6-06). These curves take into account the different types of abutment and foundation specific to these bridges. The fragility curves are obtained from time-history nonlinear analyses using 120 synthetic accelerograms generated for eastern Canadian regions, and from a Monte Carlo simulation to combine the fragility curves of the different structural components of a bridge||Résumé : Les courbes de fragilité sont un outil très utile pour l’évaluation du risque sismique des ponts. Une courbe de fragilité représente la probabilité qu'une structure soit endommagée au-delà d'un état d'endommagement donné pour différents niveaux de tremblement de terre. Étant donné que plus de la moitié des ponts dans la province de Québec (Canada) ont plus de 30 années de service et que ces ponts n'ont pas été conçus à l'époque à l'aide de normes sismiques, la génération de courbes de fragilité pour ces structures est plus que nécessaire. Ces courbes peuvent servir à estimer les dommages et les pertes économiques causés par un tremblement de terre et à prioriser les réparations ou les réhabilitations sismiques des ponts. Des études antérieures ont montré que l'endommagement subi par les ponts suite à un tremblement de terre n'est pas seulement fonction de la distance de l'épicentre et de la sévérité du tremblement de terre, mais aussi des caractéristiques structurales du pont et du type de sol sur lequel il est construit. Les méthodes actuelles pour générer les courbes de fragilité des ponts ne tiennent pas compte des conditions du sol. Dans ce travail de recherche, des courbes de fragilité analytiques sont générées pour les ponts à portées multiples à poutres continues en béton armé, soit pour 21% des ponts au Québec, pour les différents types de sol spécifiés dans le Code canadien sur le calcul des ponts routiers (CAN/CSA-S6-06). Ces courbes prennent en compte les différents types de culée et de fondation spécifiques à ces ponts. Les courbes de fragilité sont obtenues à partir d'analyses temporelles non linéaires réalisées à l'aide de 120 accélérogrammes synthétiques généres pour l’est du Canada, et d'une simulation de Monte Carlo pour combiner les courbes de fragilité des différentes composantes du pont.

Le dimensionnement basé sur la performance (DBP), dans une approche déterministe, caractérise les objectifs de performance par rapport aux niveaux de performance souhaités. Les objectifs de performance sont alors associés à l'état d'endommagement et au niveau de risque sismique établis. Malgré cette approche rationnelle, son application est encore difficile. De ce fait, des outils fiables pour la capture de l'évolution, de la distribution et de la quantification de l'endommagement sont nécessaires. De plus, tous les phénomènes liés à la non-linéarité (matériaux et déformations) doivent également être pris en considération. Ainsi, cette recherche montre comment la mécanique de l'endommagement pourrait contribuer à résoudre cette problématique avec une adaptation de la théorie du champ de compression modifiée et d'autres théories complémentaires. La formulation proposée adaptée pour des charges monotones, cycliques et de type pushover permet de considérer les effets non linéaires liés au cisaillement couplé avec les mécanismes de flexion et de charge axiale. Cette formulation est spécialement appliquée à l'analyse non linéaire des éléments structuraux en béton soumis aux effets de cisaillement non égligeables. Cette nouvelle approche mise en œuvre dans EfiCoS (programme d'éléments finis basé sur la mécanique de l'endommagement), y compris les critères de modélisation, sont également présentés ici. Des calibrations de cette nouvelle approche en comparant les prédictions avec des données expérimentales ont été réalisées pour les murs de refend en béton armé ainsi que pour des poutres et des piliers de pont où les effets de cisaillement doivent être pris en considération. Cette nouvelle version améliorée du logiciel EFiCoS a démontrée être capable d'évaluer avec précision les paramètres associés à la performance globale tels que les déplacements, la résistance du système, les effets liés à la réponse cyclique et la quantification, l'évolution et la distribution de l'endommagement. Des résultats remarquables ont également été obtenus en référence à la détection appropriée des états limites d'ingénierie tels que la fissuration, les déformations unitaires, l'éclatement de l'enrobage, l'écrasement du noyau, la plastification locale des barres d'armature et la dégradation du système, entre autres. Comme un outil pratique d'application du DBP, des relations entre les indices d'endommagement prédits et les niveaux de performance ont été obtenus et exprimés sous forme de graphiques et de tableaux. Ces graphiques ont été développés en fonction du déplacement relatif et de la ductilité de déplacement. Un tableau particulier a été développé pour relier les états limites d'ingénierie, l'endommagement, le déplacement relatif et les niveaux de performance traditionnels. Les résultats ont démontré une excellente correspondance avec les données expérimentales, faisant de la formulation proposée et de la nouvelle version d'EfiCoS des outils puissants pour l'application de la méthodologie du DBP, dans une approche déterministe. / Abstract : Performance Based Design (PBD) methodology, in a deterministic approach, characterizes the performance objectives in relation to the desired performance levels. Performance objectives are associated with the stated damage condition and the seismic hazard level. Despite this rational approach, its application is still difficult and reliable tools for capturing the evolution, distribution and measuring the damage are indeed required. All phenomena related to nonlinearities (materials and deformations) must also be considered. This research shows how the Damage mechanic could contribute to solving this problematic jointly with an adaptation of the MCFT (Modified Compression Field Theory) formulation and other complementary theories. The proposed formulation, adapted for monotonic, pushover and cyclic loads, allows considering the nonlinear shear-related effects coupled with axial and flexural mechanisms. This formulation is specially addressed to nonlinear analysis of concrete structural elements subjected to non-negligible shear effects. This new approach implemented in EfiCoS (a layered damage mechanic based finite element program), including modeling criteria, is also presented here. Calibrations of this new approach comparing the predictions with experimental data were carried out for concrete shear walls as well as for concrete beams and bridge columns where shear effects have to be considered. This new improved version of software EFiCoS demonstrated to be capable of evaluating accurately the parameters associated with the overall performance, such as displacements, the system strength, the effects related to the cyclic response and the magnitude, evolution and distribution of the damage. Remarkable results were also obtained in reference to the appropriate detection of engineering limit states such as cracking, strains, spalling in cover, crushing, local yielding in bars and system strength degradation, among others. As a very useful application tool for PBD, relationships between the predicted damage indices and the performance levels were obtained and expressed as charts and tables. These charts were derived in terms of the drift and the displacement ductility. A particular table was developed to relate the engineering limit states, the damage, the drift and the traditional performance levels. Results have shown a very good agreement with the experimental data, making the proposed formulation and the new version of EfiCoS a powerful tool for the application of the PBD methodology, in a deterministic approach.