Cette thèse, en s’appuyant sur l’expérimentation et la modélisation numérique vise à une meilleure compréhension du comportement des dalles épaisses en béton armé sous sollicitations de cisaillement. Le cas particulier des dalles avec épingles est d’ailleurs spécifiquement étudié et comparé aux dalles sans armatures d’effort tranchant, l’influence de l’effort membrane est également abordé. Une synthèse bibliographique a tout d’abord été effectuée pour mettre en évidence les paramètres agissant sur la contrainte de cisaillement à travers les résultats des travaux et études précédentes comme la résistance caractéristique du béton en compression, le taux d’armatures longitudinales et transversales, et le rapport a/d, la taille des granulats. La campagne expérimentale a ensuite été réalisée sur trente dalles dont 9 dalles sans épingles et 21 dalles avec épingles partagées en quatre séries, la première conçue pour étudier le comportement global et local au cisaillement, la deuxième pour analyser l’interaction des épingles avec les armatures longitudinales, la troisième pour étudier l’effet d’un effort axial sur la résistance au cisaillement et vérifier s’il existe une interférence des aciers d’effort tranchant sur l’effort axial et la quatrième pour étudier l’effet de l’engrènement des granulats en faisant varier la taille de leur diamètre maximal. Les résultats montrent l’augmentation de la résistance au cisaillement grâce aux épingles mais également l’interaction de ceux-ci avec les armatures longitudinales et l’effort de compression. Pour ce qui est de l’influence de l’augmentation du diamètre des granulats, celle-ci est supplantée par les épingles qui remplacent cet effet. Les résultats expérimentaux sont comparés aux prévisions basées sur l’Eurocode 2, l’Annexe Nationale Française, le Fib Model Code 2010 et l’ACI 318-14. Les résultats montrent que globalement l’approche française ANF et le fib Model Code 2010 donnent des résultats très proches des valeurs expérimentales. L’EC2 donne également des résultats acceptables avec des marges de sécurité raisonnable. La comparaison des résultats analytiques obtenus avec l’EC2, l’ACI 318-14, le Fib Model Code montre que l’ANF donnent de bons résultats. La modélisation des dalles, en utilisant le modèle de béton élasto-plastique avec endommagement d’ABAQUS EXPLICIT, donne les meilleurs résultats en comparaison avec la campagne expérimentale, tant pour la détermination de la charge ultime et de l’effort tranchant maximal que pour le mode de rupture qui est similaire au mode de rupture expérimental. / This thesis, based on experimentation and numerical modeling aims at a better understanding of the behaviour of reinforced concrete slabs equipped with shear reinforcements, by measuring the effect of stirrups on their shear strength. A bibliographical synthesis was first carried out to highlight the parameters acting on the shear stress through the results of previous work and studies such as the characteristic resistance of concrete in compression, the rate of longitudinal and transverse reinforcements, the shear to span ratio the size of the aggregates and the applying of an axial load. The experimental campaign was then carried out on thirty slabs including 9 slabs without shear reinforcement and 21 slabs with stirrups shared in four series, the first designed to study the global and local shear behaviour, the second to analyze the interaction of the stirrups with the longitudinal reinforcement, the third to study the effect of an axial effort on the shear strength and to check whether there is interference from the shear reinforcement on the behaviour of axial effort and the fourth to study the effect of meshing of aggregates by varying the size of their maximum diameter. The results confirm the shear gain through the adding of stirrups and also their interaction with longitudinal reinforcement and axial compression. Also, the stirrups cancel the effect of increasing the diameter of concrete aggregates. The experimental results are compared with the forecasts based on Eurocode 2, the French national Annex, the Fib Model Code 2010 and the ACI 318-14. The results show that overall the French approach ANF (avg = 1.00, std = 0.08) and the fib Model Code 2010 give very close results of experimental values. The EC2 also gives acceptable results with reasonable security margins. Comparison of the analytical results obtained with the EC2, the ACI 318-14, the Fib Model Code shows that both the ANF is successful; The best average of the "experimental shear strength and the numerical shear strength ratio (1.014) was obtained with the ANF (0.03). The modeling of slabs, using the elastoplastic concrete model with damage through ABAQUS EXPLICIT gives results comparable to the experimental results, not only for the determination of the ultimate load and the maximum shear strength but also for the failure mode which is similar to the experimental one.

La réaction sulfatique interne (RSI) est une pathologie conduisant au gonflement et à la dégradation du béton de certains ouvrages. En tant que gestionnaire d'ouvrages, VINCI doit assurer la sécurité des usagers et des biens. Pour cela, une évaluation de l'aptitude au service des ouvrages concernés est nécessaire. Ce travail a pour but d'améliorer la modélisation des phénomènes mécaniques induits par la formation d'ettringite différée, notamment sous contrainte. Une campagne expérimentale a été réalisée sur éprouvettes prismatiques en béton réactif libres de contraintes, armées uniaxialement, armées triaxialement et soumises à un chargement uniaxial de compression de 14,5 MPa. Les phénomènes expansifs sont relativement isotropes en l'absence de contraintes et atteignent 0,6 % en fin de réaction. Le bridage induit par la présence des armatures conduit à une diminution importante des déformations dans les directions concernées, sans impact majeur sur le gonflement dans les directions libres : les déformations du béton initiées par la RSI sont de fait anisotropes sous chargement anisotrope. Une fissuration préférentielle est observée parallèlement à la direction gênée. L'application d'un chargement uniaxial de compression à hauteur de 14,5 MPa entraine un raccourcissement du béton dans la direction chargée, les déformations de fluage masquant les éventuelles expansions. La décharge de ces corps d'épreuve après environ 420 jours d'immersion a provoqué une reprise des gonflements de l'ordre de 0,10 % en 3 jours dans la direction chargée, sans effet visible dans les autres directions. Au cours des 200 jours suivants, des gonflements longitudinaux et transversaux similaires en termes de cinétique et d'amplitude ont été observés. Ce phénomène a été attribué au renouvèlement de l'eau de conservation ayant eu lieu au moment de la décharge, en particulier à une réaccélération du lessivage des alcalins. L'endommagement induit par la RSI sur le béton a été caractérisé par le biais d'essais de compression, traction par fendage et mesures de module d'Young avant et après gonflement. [...] / Delayed ettringite formation is a pathology leading to swelling and degradation of the concrete of certain structures. As structure manager, VINCI must ensure the safety of users and goods. To do so, an assessment of the serviceability of affected structures is necessary. This work aims to improve the modeling of mechanical phenomena induced by delayed ettringite formation, especially under stress. An experimental campaign was carried out on prismatic reactive concrete specimens. Some were plain, uniaxially reinforced, triaxially reinforced and subjected to an uniaxial compressive loading of 14.5 MPa. Expansions appeared fairly isotropic in stress-free conditions and reached 0,6 %. Restraint due to reinforcements led to decreased strains in the restrained directions. Expansions were only slightly impacted in transversal free directions. Therefore, DEF expansion under uniaxial stress is anisotropic. Cracks were observed parallel to the restrained direction. For prestressed concrete, creep strains hid possible strains induced by DEF. These specimens were unload after 420 days of immersion in water. It led to a strain increase of about 0,10 % in 3 days in the loaded direction, without any effect on transversal directions. Similar kinetic and range of expansion was measured in both longitudinal and transversal throughout the 200 following days. This phenomenon was understood as the consequence of an alkali leaching acceleration after storage water renewal that occurred during specimens unloading. DEF induced damage on concrete was characterize through compressive tests, brazilian tensile tests and Young modulus measurements before and after expansions. DEF effect on steel-concrete bond behavior was also measured through pull-out tests. Maximal steel-concrete bond stress appears slightly impacted by longitudinal expansions of about 0.25 %, but the bond shear modulus decreases significantly after DEF. All collected experimental data were used to fit a poromechanical model of DEF taking into account all the phenomena involved in the of reinforced concrete behavior (plasticity, damage, creep, shrinkage, distributed reinforcements...). [...]

L’objectif principal de cette thèse est d’étudier l’efficacité d’un inhibiteur à base de phosphate, Na3PO4, sur l’amorçage de la corrosion des armatures du béton. L’étude a été réalisée moyennant des méthodes électrochimiques et d’analyse de surface associées à l’émission acoustique et à la technique de la cellule de diffusion. L’évaluation de l’efficacité de l’inhibiteur en milieu simulant le béton a été réalisée en utilisant une nouvelle méthode de prétraitement de l’armature et de suivi de la corrosion. Il apparaît qu’en présence de Na3PO4 le rapport critique [Cl-] / [OH-] d’amorçage de la corrosion par piqûre atteint une valeur (R=15) nettement supérieure à celle sans utilisation de Na3PO4 (R ~ 0,6). L’inhibition est due à la formation d’un film renfermant des composés phosphatés (FePO4, (PO4)2Fe3,8H2O) qui bloque les sites anodiques actifs de l’acier, et augmente de façon significative sa résistance à la corrosion localisée. Pour un rapport R > 15, la dépassivation est liée à la présence d’une forte teneur en chlorure dans le milieu et conduit à terme, à la destruction quasi générale du film formé au préalable sur la surface de l’acier.La technique de cellule de diffusion a permis d’étudier, principalement, la cinétique de diffusion des ions Cl- dans un mortier confectionné sans et avec Na3PO4. La présence du phosphate dans le mortier entraîne une réduction du coefficient de diffusion des ions chlorures, et un accroissement important de la période d’amorçage du processus de corrosion. Enfin, l’inhibiteur adjuvant engendre la formation de nouveaux produits à base de phosphate dans le mortier (principalement : Ca3H2(P2O7)2, H2O et CaHPO4, 2H20). La disparition des hydrates usuels du ciment entraine une légère diminution de la résistance à la compression du béton, et de son module d’élasticité. Néanmoins, la présence de ces composés phosphatés bloque les pores du mortier et freine la diffusion des chlorures. Il s’ensuit une amélioration de la résistance de la corrosion du mortier armé en milieu 3 % NaCl. L’ensemble de ces résultats a montré clairement que cet adjuvant demeure recommandé pour la protection des armatures contre la corrosion en milieu chloruré. / The main aim of this thesis is to study the effectiveness of a phosphate based inhibitor, Na3PO4, against steel reinforcement corrosion initiation. The study was carried out by means of electrochemical methods and surface analysis associated with the acoustic emission and the diffusion cell technique. The effectiveness evaluation of this inhibitor in medium simulating the concrete pore solution has been studied using new method for reinforcement pretreatment and the corrosion monitoring. It appears that in the presence of Na3PO4, the critical ratio [Cl-] / [OH-] which prevents the pitting corrosion initiation reaches 15. This value is significantly higher than that found in the case of the steel without Na3PO4 (R ~ 0. 6). The inhibition is due to the layer formation containing phosphate compounds (FePO4, (PO4)2Fe3.8H2O), resulting in a considerable reduction of the anode active sites in contact with the electrolyte. This reinforces the steel passivation and greatly increases its resistance to localized corrosion. For R > 15 ratio, the depassivation has been associated with the presence of a high chloride content in the medium and with the destruction of the film formed beforehand on the steel surface. The diffusion cell technique was used to study mainly the Cl- ion diffusion kinetics in a mortar without and with Na3PO4. The presence of phosphate in the mortar, leads to the chloride ions diffusion coefficient reduction and an important increase of the corrosion process initiation period. Finally, the adjuvant inhibitor causes the formation of new phosphate-based products in the mortar (principally: Ca3H2(P2O7)2.H2O et CaHPO4.2H20). The disappearance of usual cement hydrates induces a slight decrease of compressive strength of the concrete and its elasticity modulus. Nevertheless, the presence of these phosphate compounds blocks the mortar pores and restricts the chloride diffusion. It follows an improvement of the corrosion resistance of the reinforced mortar in 3% NaCl medium. All these results clearly show that this adjuvant is recommended for the reinforcement protection against corrosion in chloride medium.

Pour les panneaux de grande hauteur soumis à un fort gradient thermique associé à l’incendie, ils subissent des déplacements hors plan importants qui, du fait de l’excentrement du poids propre qui en résulte, vont engendrer des efforts de flexion venant s’ajouter aux efforts de compression déjà existants. Un tel changement de géométrie, d’autant plus prononcé que le panneau est de grande hauteur, combiné à une dégradation simultanée des propriétés de résistance des matériaux sous l’effet de l’élévation de température, peut conduire à un effondrement de la structure sous poids propre. L’évaluation de la résistance au feu d’éléments de structures de grandes dimensions, repose sur la théorie du calcul à la rupture, appliquée d’une part à la détermination d’un diagramme d’interaction au feu caractérisant la résistance du panneau en chacune de ses sections, d’autre part à l’analyse de la ruine globale du panneau dans sa configuration déformée. Le programme comporte deux volets complémentaires. Le premier volet concerne l’approche expérimentale. Un mur de 9 mètre a été testé sur le grand équipement Vulcain afin de valider le modèle de calcul d’une part, qui est en cours du développement, et à identifier des phénomènes locaux éventuels non accessibles par la modélisation d’autre part. Le deuxième volet concerne le développement d’outils de modélisation et de calcul performants. Basées sur une approche cinématique, des procédures itératives qui se reposent sur la méthode de perturbation ont été construit pour chercher une solution analytique pour prédire la configuration déformée d’une plaque soumis à un fort gradient thermique. Ensuite, des méthodes numériques fondées sur la discrétisation en éléments finis du panneau déformé, traité comme une coque à faible courbure, et l’utilisation de techniques d’optimisation non-linéaires, qui ont connu récemment des progrès importants, devront pouvoir être développées et appliquées à ce problème / High rise reinforced concrete walls under fire exhibit important out-of-plane displacements, which in turn lead to an eccentricity of the self-weight with respect to the initial undeformed configuration, resulting in supplementary bending moments. This geometrical change, combined with the degradation of the stiffness and strength properties of reinforced concrete due to severe temperature increase, may lead to the failure of walls under fire.Investigation on fire resistance of reinforced concrete walls will be based on the yield design approach in order to analyze the global stability of high rise walls, taking into account the geometry changes induced by the thermal loading.The program consists of two parts.Firstly, a 9-meter high reinforced concrete wall has already been tested under fire with the equipment Vulcan. This full size experiment aims at validating the modeling of plates under large out-of-plan displacement and identifying potential local phenomenon which has not been considered in the model.Secondly, a yield design approach will carried out to analyze the stability of reinforced concrete walls. By using the perturbation method, a recursive analytical procedure based on a kinematic approach is proposed to find the deformed configuration of reinforced concrete walls under fire. The deformed configuration will be later modeled as a shallow shell, on which a yield design procedure will be performed by a non-linear optimization

Cette thèse s'inscrit comme une étape vers la maîtrise de la résistance au choc des structures en béton, en développant la connaissance du comportement dynamique du matériau pour mieux calculer les ouvrages vis-à-vis des chargements accidentels. Une première partie récapitule les mécanismes physiques mis en évidence grâce aux essais de traction directe à des vitesses échelonnées du régime quasi-statique au domaine atteint lors des chocs durs (technique des barres d'Hopkinson), et propose plusieurs expressions de l'évolution de la résistance avec la vitesse, en fonction des paramètres caractéristiques du matériau. On a pu en déduire une optimisation du béton par rapport aux sollicitations dynamiques rapides. Une deuxième partie décrit l'essai de dalles au tube à choc, mis au point pour valider sur une structure modèle les résultats obtenus à l'échelle du matériau. Les données recueillies sur 24 dalles constituées de différents bétons, armés ou non, sont présentées en détails. Leur analyse permet de tester plusieurs méthodes de calcul approchées, et de définir un cahier des charges incontournable pour des modèles de calcul en dynamique plus sophistiqués, qui restent à développer.

Des méthodes de dimensionnement parasismique récentes reposent sur la prédiction de quantités locales dans les analyses sismiques non-linéaires. Dans ce contexte la modélisation de l'amortissement avec un modèle visqueux est un point faible. Cette thèse porte sur le développement d'une représentation physique des sources d'amortissement matérielles dans les éléments structuraux des portiques en béton armé (BA). Nous avons formulé et implanté dans un code de calculs par éléments finis (EF) un nouvel élément de poutre multifibre basé sur une cinématique de Euler-Bernoulli enrichie par des sauts de déplacement, et une nouvelle loi de béton robuste capable de représenter les principales sources de dissipation matérielles. Le modèle de matériau a été développé dans le cadre donné par la thermodynamique avec variables internes et une méthode des EF mixte a été retenue pour l'implantation numérique. Les simulations numériques faites avec cet élément multifibre montrent que des sources de dissipation autres que matérielles devraient être ajoutées dans les modèles et que ce nouvel élément est capable de simuler l'évolution non-linéaire d'un portique en BA en un temps de calcul satisfaisant.

Le béton armé (BA) a été largement étudié, surtout à travers son comportement mécanique et ses capacités physico-chimique. Par contre la notion de réparation des ouvrages de génie civil par des solutions composites est plus rarement traitée. Cette recherche porte essentiellement sur : l'analyse de l'influence du degré de fissuration sur la résistance ultime des éprouvettes réparées et l'application des concepts de fiabilité afin d'estimer la probabilité de défaillance. Dans ce but, des poutres en BA ont été pré fissurées par des essais en flexion 3 points jusqu'à 2 niveaux différents d'endommagement puis réparées. L'insertion d'une tige en composite (soit fibre de carbone, soit fibre de verre) et le collage d'une plaque en carbone sur la face tendue de la poutre courte, ont été utilisés comme méthodes de réparation. Lors des essais en flexion de poutres réparées, leur comportement a été évalué à l'aide d'un microscope à longue distance et par la technique d'émission acoustique. A partir des résultats obtenus, nous avons constaté que les deux méthodes de réparation sont très efficaces. En effet, les éprouvettes réparées ont considérablement augmenté leurs résistances ultimes. Une approche probabiliste utilisant les méthodes Monte Carlo et FORM pour déterminer la probabilité de défaillance de l'éprouvette testée en flexion trois points a été utilisée. Ces résultats nous ont permis d'élaborer des abaques qui mettent en relation la force résistante de l'éprouvette, le coefficient de variation et la probabilité de défaillance.

Le parc d'installations nucléaires dont EDF a la charge est soumis régulièrement à des réévaluations de sureté. Concernant le risque sismique, ces réévaluations ont mené à la décision de prendre en compte les comportements non-linéaires des matériaux dans les structures lors des modélisations et des simulations numériques des bâtiments composant ce parc d'installations assez souvent réalisés en béton armé. Dans ce contexte, le besoin de disposer de modélisations représentatives du comportement de plaques en béton armé soumises à des sollicitations sismiques est fort et il s'est avéré que la littérature ne proposait que très peu de ce type de modélisation. Afin de répondre à ce besoin tout en cherchant à maîtriser la phase d'identification des paramètres du modèle, un modèle de plaque en béton armé pour des applications sismiques est proposé dans ce travail. Ce modèle, DHRC (Dissipative Homogenised Reinforced Concrete), est construit par une approche d'homogénéisation périodique. Il couple deux phénomènes dissipatifs : l'endommagement de la matrice de béton et le glissement interne à l'interface entre les barres de renfort en acier et le béton avoisinant. Ce couplage original entre endommagement et glissement permet une meilleure représentativité de la dissipation d'énergie au cours des cycles de chargement induite par la dégradation du matériau. Les paramètres du modèle global sont identifiés par une procédure d'homogénéisation automatisée et la résolution numérique de problèmes cellulaires. La procédure s'appuie sur les caractéristiques géométriques de la microstructure de la plaque et un nombre très restreint de caractéristiques matériaux, permettant ainsi à l'ingénieur de l'utiliser de manière simple et maîtrisée. Le modèle implanté dans le code de calculs par éléments finis ASTER est validé numériquement sur plusieurs structures tests sous des chargements simples et combinés. Sa capacité à simuler le comportement expérimental de structures voiles est également analysée. Des perspectives d'enrichissement du modèle à l'échelle microscopique sont proposées. Enfin, une simplification unidimensionnelle de ce modèle permet de représenter le comportement de barres en béton armé pour des représentations simplifiées de type bielles ou treillis ou pour modéliser le comportement de poteaux en béton armé en traction-compression.

L'objectif de cette thèse est de mettre en place un cadre numérique qui permet de simuler la réponse de structures en béton armé de taille industrielle soumises à des impacts sévères. Notre modèle repose sur trois ingrédients principaux : 1) la modélisation éléments discrets (ED) du béton, permettant de profiter de la nature « discrète » de cette formulation et de décrire facilement l'apparition et la propagation des discontinuités fortes de la matière ; 2) la modélisation éléments finis (EF) poutre des armatures, donnant la possibilité de représenter toute la complexité du ferraillage que l'on rencontre dans les structures industrielles en béton armé ; 3) un modèle de liaison acier-béton original, que nous avons proposé et mis en œuvre dans le code EUROPLEXUS, et qui constitue le principal apport de cette thèse. Nous avons effectué une étude théorique et numérique sur la stabilité et la précision de ce modèle de liaison, et avons calibré ses paramètres en simulant un essai d'arrachement. En modélisant l'essai de traction d'un tirant (barre en béton contenant une armature), nous avons montré la capacité de notre modèle à reproduire le transfert des efforts entre le béton et l'armature au niveau de l'interface acier-béton. Testé et validé sur des cas-tests élémentaires, le modèle mixte ED-EF a ensuite été appliqué à la simulation de vraies structures en béton armé. Nous avons simulé de manière détaillée quelques essais connus (l'impact mou sur poutre CEA, l'essai Meppen II-4), ce qui a permis de valider l'ensemble de notre approche numérique et de recueillir des éléments pour définir les pistes d'amélioration des modèles que nous avons mis en œuvre. / The aim of this work is to set up a numerical framework to simulate the behaviour of industrial size reinforced concrete structures subjected to severe impacts. Our model is based on three main features : 1) modeling of the concrete with a discrete method to handle easily strong material discontinuities such as initiation and propagation of macro-cracks ; 2) modeling of the reinforcement bars with finite element method to be able to represent complex reinforcement cages of industrial structures ; 3) an original steel-concrete bond model that we proposed and implemented in the dynamic explicit code EUROPLEXUS and that constitutes the main task of this work. We studied theoretically and numerically this model to guarantee its stability and precision during the time integration. We calibrated its parameters by simulating pull-out tests. To verify our model, we simulated a tie-test (a long concrete column which contains a reinforcement bar) and showed that our model ensures the correct transfert of forces between steel and concrete. After testing our model on simple benchmarks, we simulated real reinforced concrete structures subjected to impacts (soft impact on a beam, Meppen test n°II-4), allowing us to validate our numerical approach and to define some perspectives to improve the models we have developped.

Ces travaux portent sur la réparation et le renforcement de structures béton armé par matériaux composite. Dans ce domaine, la solution de type carbone-époxy appliqué sur les faces extérieures des structures occupe une place prépondérante, mais reste perfectible. L'objectif principal de cette thèse est de proposer des solutions alternatives à ces matériaux, tels que les composites de type textile-mortier (Textile Reinforced Concrete, " TRC ") et d'en juger la faisabilité, les performances et le comportement. Une approche expérimentale et analytique, aux échelles micro, méso et macroscopiques, est menée en s'appuyant notamment sur la technique de mesure de champs de déplacements par corrélation d'images. À l'égard de l'étude du matériau, une procédure d'essai de caractérisation en traction directe des TRC a été conçue et validée. La conduite de 98 essais par cette procédure, a permis de mieux appréhender le comportement de ces composites, notamment l'articulation entre les mécanismes locaux et leur traduction à l'échelle macroscopique. Les principaux leviers permettant l'optimisation des TRC ont ainsi été déterminés. À l'échelle structurelle, l'étude de 11 poutres réparées vis-à-vis de l'effort tranchant, par collage de plats préfabriqués ou moulage à même la poutre, a été conduite. Il en ressort que les solutions TRC se comparent favorablement à celles de type carbone-époxy. Aussi, le comportement local a été finement évalué, notamment, l'évolution des efforts repris par le renfort TRC ainsi que la validité du modèle analytique du treillis. Un comportement de type multifissurant ou pull-out du TRC sensible à son procédé de mise en oeuvre a également été mis en avant