Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2008. / Titre de l'écran-titre (visionné le 2 sept. 2008). Bibliogr.

Thèse de doctorat : Mécanique et énergétique : Vandoeuvre-les-Nancy, INPL : 2005. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr.

Les bâtiments actuels faits de pièces en béton préfabriqué utilisent généralement des assemblages qui n’offrent que peu ou pas de continuité à la structure. Il en résulte une sous utilisation importante des matériaux par rapport à une même structure se comportant de façon monolithique. Plusieurs études portant sur des assemblages rigides, soudés ou assemblés par post-tension, ont déjà été réalisées. Bien que structuralement viable, aucun de ces modèles ne s'est avéré capable de répondre pleinement aux besoins de l'industrie. Les tolérances de construction trop serrées et la complexité de réalisation ont souvent posé problème. Les travaux présentés ici portent donc sur le développement d'un assemblage rigide boulonné, utilisable à grande échelle, destiné à l'industrie du bâtiment multiétagé en béton préfabriqué. L'étude entreprise comporte deux phases, soit la conception du système structural et la détermination de la rigidité des assemblages. Les résultats obtenus sont utilisés afin de comparer le nouveau concept aux charpentes actuelles. La démarche d’analyse s’appuie sur le logiciel VisualDesign pour élaborer la structure du bâtiment, et sur le logiciel d’analyse par éléments finis ANSYS pour la caractérisation du comportement des assemblages. Les efforts de recherche ont été orientés de manière à établir la faisabilité du modèle, afin de permettre le développement futur de projets de recherche en partenariat avec l’industrie. / To this day, the connections of precast concrete buildings offer little or no continuity to the structure. Consequently, when compared to monolithic structures, the material is clearly not used to its full capacity. Studies on rigid connections, welded or assembled by post tension, have been carried out by a few investigators. Although structurally valid, none of the proposed connections proved able to meet the needs of the construction industry, due to stringent erection tolerances and complexity of assembly. The work presented here concerns the development of a bolted rigid connection system likely to be used on a large scale by the precast concrete construction industry. The study is separated in two parts. The first is concerned with the development and tuning of the new structural system while the second one deals with the determination of the rigidity of the proposed connection. The connection behaviour is then used to compare the amount of material used in the new system and the actual precast system. The software Visual Design was used to analyse the building structure, and the finite element software ANSYS to determine the characteristic behaviour of the new connection. The intent of the research is to establish the feasibility of the proposed model, so that future research and development efforts can be carried out in partnership with the precast industry.

Le présent document traite de l'utilisation d'un nouveau platelage en aluminium, présentement développé à l'Université Laval. Ce nouveau platelage, d'une hauteur de 200 mm, se veut une alternative aux dalles en béton armé couramment utilisées dans les ponts routiers. Il est proposé de connecter le platelage à des poutres en acier à l'aide d'une connexion boulonnée antiglissement utilisant des boulons en acier galvanisé ASTM F3125/F3125M-15a de grade A325 et de diamètre M20. L'optique est de développer une action composite totale afin d'obtenir la pleine capacité de la poutre mixte. Cependant, le coefficient de dilatation thermique de l'aluminium étant le double de celui de l'acier, des mouvements différentiels entre le platelage en aluminium et les poutres en acier sont possibles suite à des variations de température. Le comportement de cet assemblage sous les charges thermiques doit donc être étudié. Ce projet propose d'utiliser la méthode des éléments finis à l'aide du logiciel commercial Abaqus afin de déterminer le comportement de cet assemblage face à la combinaison des charges thermiques et mécaniques à l'état limite d'utilisation (ÉLUT) ainsi qu'à l'état limite ultime (ÉLUL). Ces charges sont déterminées à partir des directives du Code canadien sur le calcul des ponts routiers (CAN/CSA S6-14). Les résultats montrent qu'il est possible de développer l'action composite totale entre le platelage en aluminium et les poutres en acier. Aussi, en suivant les recommandations prescrites par cette étude, il est possible de prévenir le glissement sous les charges thermiques et de maintenir le comportement antiglissement de l'assemblage à l'ÉLUT en plus de prévenir la rupture de l’assemblage boulonné sous la combinaison des charges thermiques et mécaniques à l’ÉLUL. / This project concerns the use of a new aluminium bridge deck that is being developed at Université Laval. It is a 200 mm deep aluminium bridge deck, which represents an alternative to the reinforced concrete slabs in bridges. This project proposes to connect the aluminium bridge deck to steel girders using galvanized ASTM F3125/F3125M-15a grade A325 bolts of diameter M20 in a slip-critical connection. Full composite action between the deck and the girders is expected in order to develop the full capacity of the composite section. However, the coefficient of thermal expansion of aluminium, being twice that of steel, differential movements may occur during temperature changes. To understand the behavior of the bolted connection under such thermal loadings, this project uses finite element model with the Abaqus software. The combinations of dead, live and thermal loads at the ultimate limit state (ULS) and serviceability limit state (SLS) are studied. The loads are calculated according to the Canadian Highway Bridge Design Code (CAN/CSA S6-14). Results confirm that full composite action between the aluminium deck and the steel girders can be achieved. Moreover, by following the recommendations of this study, it is possible to eliminate the sliding that may occur during the thermal loading of the beam at the serviceability limit state (SLS). This study also offers a solution to prevent the failure of the bolted connections following the combination of thermal and mechanical loads.

Ce projet porte sur la problématique de l’influence de l’humidité sur la performance des attaches boulonnées des charpentes en bois. Afin d’améliorer la justesse des règles de calcul des charpentes en bois présentées dans la norme canadienne CSA-O86, nous vérifions, dans cette étude, la pertinence du coefficient de service (KSF) appliqué aux attaches dans des teneurs en humidité (TH) variables. Pour ce faire, nous utilisons cinq types d’attaches assemblées de bois sec (TH ≈ 12%) et humide (TH ≥ 19%) et testées en trois conditions d’humidité (TH ≈ 8%; TH ≈ 12%; TH ≥ 19%). Toutes les attaches sont constituées d’une membrure de pin gris (Pinus banksiana) de 89 mm d’épaisseur et de plaques de jonctions en acier de 6,4 mm d’épaisseur, le tout assemblé de boulons de 12,7 mm de diamètre de grade 2 et, dans certains cas, de grade 5. Les attaches sont à un, deux et six boulons; pour ce dernier, on fait varier l’espacement entre les rangées et entre les boulons. Chaque série inclut six éprouvettes, avec un joint à chacune des deux extrémités, pour un total de 198 tests de traction parallèle au fil du bois en double cisaillement. Les paramètres suivants sont déterminés pour chaque test : la limite de proportionnalité, le seuil de plasticité, la charge maximale, la rigidité, la ductilité et le mode de rupture. Les résultats de cette étude révèlent que c’est l’humidité du bois lors du test et non pas lors du montage qui est plus importante pour la performance des attaches. La rigidité augmente en proportion de la diminution de l’humidité en dessous du point de saturation des fibres, qui est accompagnée par une transition du mode de rupture de ductile à fragile. Les attaches assemblées et testées humides (TH > 19%) sont les plus faibles, mais les plus ductiles. Le séchage du bois a un plus grand effet sur les attaches avec un espacement plus petit entre connecteurs : en plus de la rupture fragile, leur résistance est réduite 15% en condition très sèche (TH ≈ 8%). La diminution de la résistance d’attaches en conditions très sèches est observée; néanmoins, pour les modes de rupture fragiles, le coefficient de service (KSF) est jugé trop conservateur. Des propositions sont faites et justifiées pour le remplacement du KSF par le coefficient de service en cisaillement et en traction longitudinale (KSv et KSt) dans les cas de rupture fragile, comme il est couramment recommandé dans la norme américaine National Design Specification. / This research is focused on the effect of moisture on the performance of bolted connections in timber structures. To improve the accuracy of the engineering design of timber structures based on the Canadian standard CSA-O86, we studied the relevance of the service factor (KSF) as applied to the lateral resistance of fastenings in different moisture conditions (MC). To reach this goal, we used five connection configurations assembled with seasoned (MC ≈ 12%) and unseasoned (MC ≥ 19%) timber and tested at various moisture conditions: wet (MC ≥ 19%), dry (MC ≈ 12%) and very dry (MC ≈ 8%). All connections were 89-mm thick jack pine (Pinus banksiana) sawn lumber and 6.4-mm thick steel side plates assembled with 12.7-mm diameter bolts of grade 2 and, in some cases, of grade 5. The joints included one, two or six bolts; in the latter, the fasteners were installed in two rows with various spacing between the rows and between the bolts in a row. Each series consisted of six specimens, with a joint at both ends, with a total of 198 tests in tension parallel to grain of wood in double shear. The following parameters were determined from each test: proportional limit, yield point, maximum load, stiffness, ductility and failure mode. Results of the study revealed that it was moisture content at test and not at the time of assembly that influenced the performance of the tested connections the most. The stiffness increased in direct proportion with the decrease of moisture content below the fibre saturation point, which was accompanied with a transition from ductile to brittle failure. Connections assembled and tested unseasoned (MC > 19%) were the weakest but the most ductile. Seasoning had the highest effect on the connections with the minimum spacing of fasteners within and between the rows: not only were they the most brittle, their load capacity was reduced 15% in very dry conditions (MC ≈ 8%). The reduction of load capacity of connections in very dry conditions was observed; yet for brittle failure modes, the service factor KSF was found to be overly conservative. Proposals are put forward and justified to replace the KSF by service condition factors in longitudinal shear and tension (KSv and KSt) in case of brittle failure modes, which is the current recommended practice in the US National Design Specification.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2016-2017 / Les éléments des ponts en acier sont exposés à de sévères conditions environnementales, tel l’épandage de sels déglaçant sur les routes. Ces éléments ont besoin d’un niveau suffisant de protection contre la corrosion afin de préserver leur intégrité à long terme. Une solution efficace, devenue populaire au Canada, est la métallisation. La métallisation est un revêtement anticorrosion formé par projection thermique de métal, généralement du zinc, sur la surface à protéger. La protection fournie au substrat d’acier est assurée par une barrière physique et une protection galvanique. Pour le calcul des assemblages boulonnés antiglissement, les codes de conception, tel le code Canadien sur le calcul des ponts routiers CAN/CSA S6-14, spécifient, en fonction des conditions des surfaces de contact désirées, un coefficient de glissement à utiliser. Actuellement, ces codes ne fournissent aucun coefficient de glissement entre deux surfaces métallisées. Donc, il est pratique courante pour les fabricants de ponts en acier de masquer les surfaces de contact des joints boulonnés avant de métalliser, ce qui est très couteux pour l’industrie puisque ce travail doit se faire manuellement. Récemment, des études ont évalué la résistance au glissement à court terme d’assemblages antiglissement ayant des surfaces de contact métallisées. Les résultats ont révélé une résistance au glissement supérieure aux assemblages sur acier nu grenaillés. Dans la présente recherche, la performance en fluage des assemblages antiglissement métallisés a été caractérisée pour s’assurer qu’une résistance en glissement de Classe B soit toujours valide à long terme. L’effet de la relaxation de la force de serrage sur la charge de glissement a aussi été évalué. Les résultats ont démontré une bonne performance en fluage. Aussi, les résultats ont révélé que la relaxation de la force de serrage n’a pas d’impact significatif sur la résistance au glissement des assemblages antiglissement métallisés. Les conclusions de cette étude pourraient bien influencer de futures révisions des codes de conception et avoir un impact sur l’industrie de l’acier en Amérique du Nord.Mots clés : Assemblage boulonné antiglissement, métallisation, pont routier en acier, fluage, relaxation / Steel bridge elements are exposed to harsh environmental conditions, such as de-icing salts on roadways. These elements need a satisfactory level of protection against corrosion to preserve their long-term structural integrity. A very efficient solution that is now popular in Canada is metallization. Metallization is an anticorrosion coating formed by thermal spray of metals, usually zinc, onto the surface to protect. The protection of the steel substrate is ensured by both a physical barrier and a galvanic protection. Designs standards, such as the Canadian Highway Bridge Design Code CAN/CSA S6-14, specify desired conditions for various faying surfaces and associated slip coefficients to be used in slip-critical connections. Currently, these standards do not address faying surface conditions that are metallized. Thus, bridge fabricators are compelled to mask off joint faying surfaces before metallizing, which is very expensive for the industry. Earlier studies investigated the short-duration slip resistance of high strength bolted connections with metallized faying surfaces. Results revealed greater slip resistance than the typical uncoated blast-cleaned Class B faying surface. In this research, creep resistance of slip-critical bolted joints with zinc-metallized faying surfaces is characterized, to ensure that the Class B slip resistance is still valid at long-term. The effect of the relaxation of the clamping force on the slip resistance is also evaluated. Results of this study have shown a satisfactory creep performance. Also, results revealed that the relaxation of the clamping force does not impact significantly the slip resistance of the metallized assemblies. This will likely to influence future code revisions and impact steel bridge fabrication in North America. Keywords: Slip-critical bolted connection, metallization, steel bridge construction, creep, relaxation

Les assemblages boulonnés doivent être conçus en tant qu’assemblages de type antiglissement s’ils sont soumis à des charges variables, à des vibrations ou à un phénomène de fatigue. Ces situations sont fréquentes dans la construction des ponts en acier. Le fini de surfaces de contact des pièces en acier à assembler contrôle le niveau de résistance au glissement des assemblages. Les normes de conception, telle que le code canadien sur le calcul des ponts routiers CAN/CSA S6-06 (CSA 2006) ainsi que American Institute of Steel Construction (AISC 2010), spécifient les conditions de surfaces de contact avec des coefficients de frottement associés à utiliser pour la conception. Actuellement, ces normes ne spécifient pas la résistance au glissement pour des surfaces de contact qui sont métallisées ou pour une combinaison de surface métallisée et une autre galvanisée (appelées métallisées-galvanisées dans ce qui suit), alors que les éléments de la charpente d’acier sont couramment métallisés ou galvanisés pour assurer leur durabilité. Les fabricants de ponts sont donc obligés de masquer les surfaces de contact des assemblages avant d’appliquer les revêtements de protection sur les éléments structuraux, ce qui augmente considérablement les coûts et le temps de fabrication. Dans cette recherche, les résistances au glissement des assemblages de type antiglissement ayant des surfaces complètement métallisées ainsi que des surfaces métallisées-galvanisées, ont été caractérisées en vue des dispositions de la norme canadienne en vigueur. Les coefficients de frottement moyens sont obtenus en effectuant des tests en compression et en tension. Ces tests ont révélé une grande augmentation de la résistance au glissement des surfaces de contact métallisées, comparativement aux surfaces décapées sans revêtement. Pour ce qui est des surfaces de contact métallisées-galvanisées, les coefficients de frottement obtenus ont été plus élevés que ceux fournis par la norme pour les surfaces de contact galvanisées et, dans la majorité des cas, aussi élevés que ceux pour les surfaces décapées sans revêtement. Mots clés: assemblages boulonnés antiglissement, galvanisation à chaud, métallisation, normes de conception de la charpente d’acier, ponts en acier, résistance au glissement. / The slip resistance is a critical factor influencing high strength bolted joint behaviour in steel structures under repeated loading. The surface condition of the connected steel components, also known as the faying surface, controls the level of the slip resistance. Design standards, such as the Canadian Highway Bridge Design Code CAN/CSA S6-06 (CSA 2006) and the American Institute of Steel Construction (AISC 2010) specifications, specify desired conditions for faying surfaces and associated slip coefficients for design purposes. Currently, these standards do not address faying surface conditions that are completely metallized or that have one connected face metallized and the other face galvanized (hereafter referred to as galvanized-metallized faying surfaces), although steel bridge components are widely metallized or galvanized to provide long-term protection against wear and corrosion. This compels steel bridge fabricators to mask off all faying surfaces before metallizing, a practice that is labour-intensive, costly and time-consuming. In this study, the resistance of slip-critical joints in steel bridges with metallized and galvanized-metallized faying surfaces are characterized in the light of the CAN/CSA-S6-06 standard. The mean slip coefficient is determined from a compression and tension test regimes. These tests revealed much greater slip resistance for metallized faying surfaces than the typical uncoated blast-cleaned surface. For the metallized-galvanized surfaces, the mean slip coefficients were found to be much greater than that for galvanized surfaces and, in the majority of cases, also greater than the uncoated blast-cleaned surface. Keywords: steel bridge construction, galvanization, metallization, slip-critical bolted joints, slip resistance, design standards.

Comprendre et pouvoir prédire l’effet combiné du temps et des conditions ambiantes sur le comportement mécanique du bois et de ses assemblages est un sujet récurrent pour l’ingénierie de construction. Cette étude tend à établir l’influence du taux de chargement à la résistance du bois à l’enfoncement de boulon dans différentes conditions de service. La partie expérimentale du projet consiste à mesurer la résistance à l’enfoncement de boulon parallèle au fil du bois. Les attaches des éprouvettes de pin gris (Pinus banksiana) de 31×89×660 mm sont assemblées à l’aide d’un boulon de 12,5 mm de diamètre et de deux plaques de jonction en acier de 6 mm d’épaisseur à chaque extrémité. Chaque assemblage est réalisé après conditionnement du bois selon trois régimes : 1) l’état humide supérieur à 24%, 2) l’état sec à environ 12%, et 3) l’état très sec proche de 8%. Pour chacune des trois conditions d’humidité, sept taux de chargement descendant de 115 KN/min à 0,1N/min en intervalles logarithmiques sont appliqués jusqu'à rupture. Dans chaque série de tests, six éprouvettes sont incluses. Une distribution de la densité du bois et de ses défauts est établie dans chaque série de tests pour que l’étude soit représentative face à ce matériau hétérogène et variable. La rigidité élastique, la limite d’élasticité, le seuil de plasticité, la résistance maximale ainsi que la densité et la teneur en humidité sont mesurés pour chaque zone de test. Une comparaison des données de test avec les équations empiriques de durée de chargement est présentée dans cette étude. Pour 12% de teneur en humidité, la résistance à l’enfoncement montre le même comportement face à la durée de chargement que celui en flexion ou en compression. La perte de résistance à l’enfoncement est analysée et corrélée aux valeurs de résistance ainsi qu’aux coefficients d’ajustement des normes de calcul européenne, canadienne, et américaine. Les pondérations des normes nord-américaines semblent correspondre aux résultats de ce projet en se basant sur un temps de référence à rupture de 10 minutes. / Understanding and predicting the effect of load duration and ambient conditions on mechanical behavior of wood is an important subject in wood engineering. The aim of the study is to establish the influence of the rate of loading on the embedding strength of wood in various service conditions. The experimental part of the project consists of measuring the embedding strength of wood parallel to grain. Jack pine specimens (Pinus banksiana) of 31×89×660 mm are assembled using one bolt of 12.5-mm in diameter and two 6-mm thick steel side plates at each end. Specimens are assembled after conditioning to one of the following equilibrium moisture contents (MC): 1) green, at least 24 % MC, 2) air-dry, about 12 % MC, and 3) very dry, about 8% MC. Seven rates of loading, varying between 115 KN/min and 0.1N/min, are applied to the specimens in each moisture condition. Given the heterogeneity of the material, the test pieces are matched using visual grading and density distribution to attribute similar wood quality to each test series. Elastic stiffness, proportional limit, yield point, the maximum resistance, MC and specific gravity are determined for each embedding zone after the test. A comparison between test values and empirical equations for duration of load is presented in this study. At 12% MC, embedding strength shows an equal behavior for duration of load, similar to bending and compression. The loss of the dowel embedding strength is analyzed and correlated to the strength values and the adjustment factors of the Canadian, European and American wood design codes. Predictions of the North-American codes appear to fit the results of this research based on 10-min reference test duration.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Mécanique : Lille 1 : 2006. / N° d'ordre (Lille 1) : 3888. Titre provenant de la page de titre du document numérisé. Bibliogr. f. 158-162.

Le haut rapport résistance/poids de l’aluminium, son extrudabilité et sa grande résistance à la corrosion rendent ce matériau prometteur dans un système de pont durable et performant où un platelage alvéolé en aluminium repose sur des poutres en acier. Il est avantageux de développer l’action composite entre le platelage et les poutres, mais plusieurs défis entravent l’atteinte de l’action composite, assurée par des assemblages boulonnés antiglissement. Leur conception doit tenir compte de : la corrosion galvanique, du coefficient de frottement de l’interface acier-aluminium, du coefficient de dilatation thermique double de l’aluminium en comparaison avec celui de l’acier et des défis liés à l’installation des connecteurs en cisaillement. Un programme expérimental a été élaboré pour évaluer la performance des connecteurs en cisaillement mécanique ponctuel identifiés. L’alliage d’aluminium 6063-T6, les boulons ASTM F3125 grade A325 et F1852 ainsi que les boulons aveugles Oneside et Ultra-Twist des fabricants Ajax et Huck ont été mis à l’essai. Les essais de glissement à court terme démontrent que le coefficient de frottement et la rigidité de l’assemblage augmentent lorsque l’épaisseur des plaques en aluminium augmente et que, en contact avec de l’aluminium grenaillé, l’acier métallisé offre une meilleure résistance au glissement et une plus grande rigidité que l’acier galvanisé. La relaxation par glissement a causé une diminution systématique et significative de la charge de précontrainte. La charge de précontrainte initiale moyenne de chacun des connecteurs est suffisante, mais celle des boulons aveugles démontre une variabilité élevée. La relaxation s’apparente à celle des assemblages entièrement galvanisés et le resserrage est efficace pour la diminuer. Les cycles de température causent une perte cumulative de la charge de précontrainte et celle-ci est aussi diminuée par une baisse de température. Pour finir, la résistance au glissement estimée après 75 ans et à -47°C est largement supérieure que celle de conception. / Aluminium’s high strength to weight ratio, coupled with its extrudability and high corrosion resistance makes it very promising in a durable and efficient bridge concept, where an aluminium honeycombed-deck rests on steel girders. It is advantageous to develop a composite behavior between the multicellular aluminium deck and the steel girders, but many challenges hinder the composite behavior, developed by slip critical bolted connections. Indeed, the design of such connectors need to take into account: galvanic corrosion, the slip factor at the faying surface between steel and aluminium, the thermal expansion factor of aluminium, which is twice that of steel, and the installation challenges of the shear connectors. An experimental program was drafted to evaluate the performance of the identified shear connectors. The 6063-T6 aluminium alloy, the ASTM F3125 grade A325 and F1852 bolts as well as two blind bolts, Ajax’s Oneside and Huck’s Ultra-Twist, were tested. The short-term slip tests reveal that the slip factor and the joint rigidity increase when thicker aluminium plates are used, and that, in contact with sandblasted aluminium, metallized steel yields a higher slip factor and joint rigidity then hot-dip galvanized steel. Relaxation induced by slip caused a systematic and significant decrease of the bolt preload during slip. The achieved initial bolt preload of the identified shear connectors is appropriate, but the standard deviation of the blind bolts is high. The measured relaxation is similar to that of an all hot-dip galvanized steel joints and retightening the bolts is an efficient method to reduce it. Temperature cycles yield acumulative loss of the bolt preload and a decrease in temperature yields a direct reduction of the bolt preload. Finally, the slip resistance estimated at 75 years and at -47°C is largely superior to the design slip resistance.