L’armature en acier est le renforcement interne le plus utilisé dans les structures en béton armé dans le domaine du génie civil. Dans le paysage nord-américain, il peut être facilement observable que ces structures avec ce type armature présentent une détérioration avancée due à une corrosion importante. C’est pour cette raison, depuis quelques décennies, que l’armature en polymère renforcé de fibres (PRF) fait partie d’une recherche intensive. Jusqu’à maintenant, cette armature a démontré sa faisabilité à plusieurs reprises. Dans ce un premier temps, la caractérisation des barres de PRF a fait l’objet d’une batterie de recherche faramineuse. Ensuite, les poutres, étant donné que c’est l’un des éléments les plus importants dans une structure en béton armé, ont été étudiées en flexion et en cisaillement sur près de deux décennies. Il y a également eu les dalles, les murs de refend, la longueur d’ancrage, les poutres profondes, etc. qui ont été énormément étudiés. Dernièrement, les colonnes sont étudiées pour en comprendre leur comportement. De plus, les normes actuelles ne donnent soit pas ou pas assez d’informations pour être en mesure de calculer adéquatement ces éléments structuraux. C’est la raison pourquoi il faut effectuer d’avantage de recherche pour mettre à jours les différentes normes. Le groupe de recherche du professeur Brahim Benmokrane a été mandaté par le comité de l’American Concrete Intitute ACI440 pour aider à développer la première norme américaine sur les éléments en béton armé renforcés de PRFV. Le guide actuel, soit l’ACI440.1R-15, ne fait pas office de loi pour les praticiens. En ce qui concerne les colonnes, ce guide ne mentionne aucune ligne directrice pour le calcul de ces éléments structuraux. La recherche étant mise en place par le professeur Carol Shield, du Department of Civil Engineering, Civil, Environmental, and Geo- Engineering à l’Université de Minneapolis, au Minnesota et du professeur Antonio Nanni, du Department of Civil, Architectural & Environmental Engineering à l’Université de Miami, en Floride, tous deux membres du comité de l’ACI440, le but est de développer et de valider l’utilisation des barres de PRFV dans les colonnes en béton armé. C’est également grâce à deux partenaires (fournisseurs) de barres de PRFV que ce projet a pu se réaliser. Du côté canadien, les barres sablées sont fournies par la compagnie Pultrall inc et du côté américain, ce sont des barres déformées sablées de la compagnie Hughes Brother. Les deux types de barres sont les plus utilisés jusqu’à présent dans les nouvelles constructions. À travers un programme expérimental et analytique, 20 colonnes à pleine échelle en béton armé ont été testées avec une charge excentrique. Les colonnes ont comme dimensions 406 mm x 406 mm x 2 032 mm. Elles ont été dimensionnées selon les normes ACI318-15 et ACI440.1R-15. Les spécimens se divisent en quatre séries de quatre colonnes chacune. La série I est formée de six barres No.6 (Type A). La série II est formée de huit barres No.6 (Type A). La série III est composée de huit barres No.8 (Type A). La série IV, quant à elle, est formée de six barres No.6 (Type B). Les types A et B sont des PRFV. Finalement, la série V est formée de six barres No.6 en acier, qui est la référence. L'objectif principal est de tester ces spécimens pour étudier le comportement des poteaux-poutres sous chargement combiné de compression et de flexion. Les essais expérimentaux ont été réalisés dans les laboratoires de structure, de la Faculté de génie, de l’Université de Sherbrooke. L’objectif principal de ces essais est d’étudier le comportement des colonnes. Sur la base des conclusions des essais expérimentaux, les colonnes de PRFV ont eu un comportement similaire aux colonnes renforcées avec de l’armature en acier. Plus l’excentricité est grande, moins la capacité axiale est élevée. Pour une même excentricité, les colonnes de PRFV présentent le même mode de rupture, mis à part le comportement différent de l’armature. Lorsqu’on augmente la rigidité axiale de l’armature longitudinale, la capacité axiale augmente. Il a été enregistré que les barres d’armature de PRF ont contribué à la résistance en flexion composée. Il a été remarqué qu’il y avait trois zones distinctes, comme le suggère la norme américaine ACI318-15 : la zone contrôlée en compression, la zone de transition compression/traction et la zone contrôlée par la traction. Finalement, le calcul théorique pour l’obtention du diagramme d’interaction P-M est sécuritaire par rapport aux résultats expérimentaux. Cette sécurité est plus observable lorsqu’on néglige la contribution des barres de PRFV en compression, incluse dans l’axe neutre.

Abstract : Deterioration of concrete structures reinforced with steel bars can be seen daily in regions with aggressive weather as steel-corrosion problems worsen. Fiber-reinforced-polymers (FRP) reinforcement has proven its feasibility through different civil structural elements. Present guidelines for FRP structures in North-America and Europe have not yet handled axially loaded members, due to the lack of research and experiments. This research takes charge of providing experimental database as well as extensive analyses and design recommendations of circular concrete columns reinforced totally with different FRP bars and spirals/hoops (FRP-RC columns). Full-scale columns were tested under monotonic loading with different levels of eccentricity. Test variables included the eccentricity-to-diameter ratio (e/D); reinforcement type (GFRP and CFRP vs. steel); concrete strength; longitudinal and transverse reinforcement ratio; and confinement configuration. All specimens measured 305 mm diameter and 1500 mm height. Test results indicated that specimens reinforced with glass-FRP (GFRP) or carbon-FRP (CFRP) reached their peak strengths with no damages to GFRP or CFRP rebar on either side of specimens. Specimens with CFRP reinforcement (CFRP-RC) behaved very similarly to their steel counterparts, and achieved almost the same nominal axial forces. Specimens with GFRP reinforcement (GFRP-RC) exhibited, however, reduced stiffness and achieved lower nominal axial forces than their steel or CFRP counterparts. Failure of GFRP-RC and CFRP-RC specimens was dominated by concrete crushing at low levels of eccentricity (e/D ratios of 8.2% and 16.4%). Experimental strain results revealed that GFRP bars developed high levels of strains and stresses on the compression and tension sides and hence the GFRP-RC specimens could sustain constant axial load after peak for some time up to the limit of concrete crushing at higher levels of eccentricity (e/D ratios of 8.2% and 16.4%), which help to delay the full damage. At these levels, flexural–tension failure initiated in the GFRP-RC specimens resulting from large axial and lateral deformations and cracks on the tension side until secondary compression failure occurred due to strain limitations in concrete and degradation of the concrete compressive block. The failure of CFRP-RC specimens at higher levels of eccentricity (e/D ratios of 8.2% and 16.4%) was characterized as flexural–compression in which it took place in a less brittle manner. On the other hand, this research also included different studies to analyze the test results, evaluate rebar efficiency, and provide recommendations for analysis and design. It was, therefore, indicated that the axial and flexural capacities of the tested FRP-RC specimens could be reasonably predicted using plane sectional analysis, utilizing the equivalent rectangular stress block (ERSB) parameters given by the ACI 440.1R-15 or CSA S806-12. All predictions underestimated the actual strength with variable levels of conservatism ranged between 1.05 to 1.25 for the GFRP-RC specimens and between 1.20 to 1.40 for the CFRP-RC specimens. These levels were noticeably reduced to critical limits in specimens with high-strength concretes. An elaborate review was made to the available ERSB parameters in the present steel and FRP design standards and guidelines. Modified expressions of the ERSB given in ACI 440.1R-15 and CSA S806-12 were developed. The results indicated good correlation of predicted and measured strength values with enhanced levels of conservatism. Additionally, sets of axial force–bending moment (P-M) interaction diagrams and indicative bar charts are introduced, and recommendations drawn. The compressive-strength contribution of FRP reinforcement was thoroughly reviewed and discussed. The minimum GFRP and CFRP reinforcement ratios to avoid rebar rupturing were broadly examined. Finally, the flexure stiffness (EI) of the tested specimens was analytically determined and compared with the available expressions using experimental and analytical M-ψ responses. Proposed equations are developed and validated against the experimental results to represent the stiffness of GFRP-RC and CFRP-RC columns at service and ultimate levels. / La détérioration des structures en béton armé avec des barres d’armature d’acier peut être observée quotidiennement dans les régions à climat agressif. Le renforcement interne en polymères renforcés de fibres (PRF) a démontré sa faisabilité grâce à différents éléments structuraux en génie civil. Les lignes directrices actuelles pour les structures en béton armé de PRF en Amérique du Nord et en Europe n'ont pas encore gérées les sections soumises à des efforts axiaux excentrique, en raison du manque de recherches et d'expériences. Cette recherche permet d’augmenter la base de données expérimentales ainsi établir des analyses approfondies et des recommandations de conception pour les colonnes circulaires en béton armé complètement renforcées de PRF (barres et spirales). Des grandeur-nature colonnes ont été testées sous charge monotone avec différents niveaux d'excentricité. Les variables de test comprenaient le rapport excentricité / diamètre (e/D) ; le type de renfort (PRFV et PRFC comparativement à l’acier); la résistance du béton en compression; le taux d’armature longitudinal et transversal; et la configuration de l’armature de confinement. Tous les échantillons mesuraient 305 mm de diamètre et 1500 mm de hauteur. Les résultats des tests ont indiqué que les spécimens renforcés avec des PRF de verre ou des PRF de carbone atteignaient leur résistance maximale sans endommager les barres d’armature. Des deux types de renforcement, les spécimens de PRFCCFRP se comportaient de manière très similaire à leurs homologues en acier et atteignaient presque les mêmes résistances axiales. Cependant, les spécimens avec renforcement en PRFV ont présenté une rigidité réduite et des forces axiales nominales inférieures à celles de leurs homologues en acier ou en PRFC. Le mode de rupture des spécimens de PRFC et de PRFV a été dominé par l’écrasement du béton à de faibles niveaux d'excentricité (rapports e/D de 8,2% et 16,4%). Les résultats ont révélé que les barres de PRFV ont développé des niveaux élevés de déformations et de contraintes sur les faces en compression et en tension et, par conséquent, les spécimens de PRFVC pourraient supporter une charge axiale constante après la résistance ultime pendant un certain temps jusqu'à la limite de la rupture en compression du béton du noyau à des niveaux supérieurs d'excentricité (rapport e/D de 8,2% et 16,4%), ce qui contribue à retarder la dégradation. À ces niveaux, une rupture en tension a été initiée dans les spécimens de PRFV résultant à de grandes déformations axiales et latérales et des fissures du côté de la face en tension jusqu'à ce que la rupture en compression du béton. La rupture des spécimens de PRFC à des niveaux supérieurs d'excentricité (rapport e/D de 8,2% et 16,4%) a été caractérisé comme étant en compression du béton dans laquelle il s'est déroulé de manière moins fragile. D'autre part, cette recherche comprenait également différentes études pour analyser les résultats des tests, évaluer l'efficacité des barres d'armature et fournir des recommandations pour l'analyse et la conception. Il a donc été indiqué que les capacités axiales et de flexion des spécimens en PRF testées pourraient être raisonnablement prédites en utilisant une analyse en section plane, en utilisant les paramètres du bloc de contrainte rectangulaire équivalent (BCRE) donnés par l'ACI 440.1R-15 ou la CSA S806- 12. Toutes les prédictions ont sous-estimé la résistance réelle avec des niveaux de variabilité conservateur entre 1,05 et 1,25 pour les spécimens de PRFC et entre 1,20 et 1,40 pour les spécimens de PRFC. Ces niveaux ont été nettement réduits à des limites critiques dans les spécimens avec des bétons à haute résistance. Un examen approfondi a été effectué sur les paramètres du BCRE disponibles dans les normes et les directives de conception actuelles en acier et en PRF. Les expressions modifiées du BCRE fournies dans ACI 440.1R-15 et CSA S806-12 ont été développées. Les résultats indiquent une bonne corrélation entre les valeurs de résistance prédites et mesurées avec des niveaux accrus de conservatisme. La contribution de la résistance à la compression du renforcement en PRF a été soigneusement examinée et discutée. Le taux d’armature minimum de PRFV et de PRFC pour éviter la rupture de l'armature ont été largement examinés. Enfin, la rigidité en flexion (EI) des spécimens testés a été déterminée de manière analytique et comparée aux expressions disponibles dans la littérature en utilisant les réponses expérimentales et analytiques M-ψ. Les expressions modifiées de la rigidité en flexion EI apportées dans l’ACI 440.1R ont été développées et validées.