Les enquêtes récentes sur les séismes ont fait ressortir l'importance des murs en béton armé en tant que partie intégrante des structures. L'évolution des règlements prend en compte ces considérations, par contre le bâti existant doit subir des renforcements dans l'objectif de leur mise en conformité. Dans cette thèse une étude expérimentale faite sur douze murs (six élancés et six courts) renforcés par un collage externe en composite a été conduite. Les murs ont été conçus en étant sous-renforcés à la flexion et cisaillement. Quatre de ces six échantillons ont été renforcés par des bandes de PRFC collées. Deux spécimens, un témoin et un renforcé, ont été soumis à un test de chargement statique et quatre échantillons, l'un témoin et trois rénovés, ont été soumis à des essais de charge cyclique. La discussion et l'analyse des tests incluent la description de la fissuration, l'analyse de la rigidité, de la capacité de charge ultime, de la ductilité.

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.

Un béton exposé à des cycles de gel-dégel peut subir des dégradations généralement identifiées sous deux formes. Le gel interne, d'une part, qui affecte le coeur du matériau et peut aboutir à une microfissuration généralisée de la pâte cimentaire. La sensibilité d'un béton courant à ce mode de détérioration peut être diminuée par la présence d'un réseau de bulles d'air au sein de la pâte cimentaire. L'écaillage, d'autre part, qui est une détérioration de surface. Cette dernière est le plus souvent quantifiée par la perte de masse sur la surface exposée. Cette forme de dégradation est fortement influencée par la présence d'une solution aqueuse proche de la surface de béton exposée et de sa concentration en sels fondants (généralement du chlorure de sodium). Lorsque la formulation d'un béton courant n'est pas adaptée pour résister à ce type d'environnement, les dégradations liées au gel interne et à l'écaillage peuvent pénaliser l'exploitation de l'ouvrage concerné dans des conditions de services attendues. Des essais laboratoire, exposant des corps d'épreuve en béton à des cycles de gel-dégel accélérés, permettent d'évaluer la résistance d'un béton face à ces deux formes de détériorations. La communauté scientifique s'accorde sur les essais permettant de caractériser la détérioration par le gel interne et l'aspect protecteur d'un réseau de bulles d'air. Par contre, l'écaillage est encore abordé par diverses procédures expérimentales qui ne font pas consensus et ont peu évolué depuis le milieu des années 1990 (...)

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.

Le béton auto-plaçant renforcé de fibres (BAPF) est l’un des récents développements dans le monde de la technologie du béton combinant les performances de l’auto-consolidation avec la ductilité post-pic et les nombreux avantages face à la fissuration grâce à la présence des fibres dans le béton. L’utilisation de BAPF accroît l’efficacité économique globale de la phase de construction en réduisant la main d’oeuvre, ou la consommation d’énergie requise, en accélérant la vitesse de construction, la réduction ou l’élimination de ferraillage conventionnel et à la simplification des détails et placement du ferraillage. Le BAPF a gagné en popularité dans ses utilisations durant les dernières années telles dans les tabliers de ponts, les poutrelles et les poutres. En dépit de preuve d’amélioration de synergie entre la technologie d’auto-placement et l’ajout de fibres dans le BAPF, il est obligatoire de déterminer les propriétés convenables de ce matériau pour trouver les caractéristiques inappropriées dans le béton à l’état frais et durci. A cet égard, les défauts, tels l’agglomération de fibres, la ségrégation et la performance d’écoulement et le placement incorrects à cause de propriétés rhéologiques inappropriées à l’état frais, entraînent une réduction dans la résistance évaluée. L’objectif principal de cette étude est d’évaluer les propriétés du béton auto-plaçant (BAP), des mélanges intégrant différentes teneurs en granulats et du BAPF (avec insertion de différents types et teneurs de fibres). Ceci peut aider au développement de BAPF avec une rhéologie adaptée et une performance mécanique adéquate incluant une résistance d’adhésion et de cisaillement convenable pour des applications structurelles. Dans le but d’évaluer l’effet des fibres sur les propriétés rhéologiques de BAP à l’état frais, des mélanges intégrant quatre types de fibres avec différents élancement (L/D) seront étudiés. Ces fibres incluent des crochets d’acier (STH 55/30), du fil d’acier tréfilé (STN 65/13), de la macro-fibre synthétique de propylène (PP 56/38) et de l’alcool polyvinylique (PVA 60/12) avec différentes teneurs volumiques (0.25%, 0.5%) ajoutées au BPA de référence. Tous les mélanges ont un rapport w/b fixé à 0,42 et la teneur en granulats grossiers est respectivement de 29, 32 et 35% par volume de béton. Les caractéristiques de béton frais ont été évaluées en considérant l’affaissement, l'évaluation du temps d’écoulement (V-funnel), l'amplitude à l'écoulement du BAP (J-Ring), le tassement de surface et le rhéomètre ConTec. Les propriétés du béton durci, en particulier la résistance à la compression, la résistance à la traction par fendage, la résistance à la flexion, et le module élastique ont été évaluées. L’effet des types de fibres, des teneurs en fibres et en granulats sur la résistance à la rupture et la robustesse du BAP au cisaillement des mélanges optimisés, incluant le BAP de référence, le SCCAGG (32% and 35%), le FRSCC ST-H (0.25% and 0.5%), le FRSCCPP (0.25% and 0.5%), le PVA (0.25% and 0.5%) et le ST-N (0.25% and 0.5%) ont été testés en utilisant l’essai de cisaillement direct pour évaluer la résistance en cisaillement et la résistance résiduelle du béton. Les résultats des essais prennent en considération la capacité portante en cisaillement de l’élément structurel fabriqué à partir de BAPF. Les résultats des essais montrent que l’ajout de fibres était beaucoup plus efficace que l’accroissement de la teneur en agrégats sur la résistance au cisaillement du BAP. L’amélioration de la contrainte au cisaillement à la rupture comparée au mélange de référence est plus grande avec 16.3% pour l’ajout de fibre de type STN 0.5%, 15.8% pour l’ajout de fibre de type STH 0.5%, 14.92% pour l’ajout de fibre de type PP 0.5% et 7.73% pour l’ajout de fibre de type PVA 0.5%. De plus, l’ajout de fibres améliore le comportement post-pic en cisaillement du BPA en comparaison à l’augmentation de la teneur en granulats. L’augmentation de la teneur en fibres de 0.25% à 0.5%, par volume de béton, a amélioré la résistance et la ténacité au cisaillement, le comportement en flexion peu importe le type de fibres. Cette amélioration a été la plus élevée dans le cas du STH 0.5% et la plus basse pour des valeurs de PVA0.5%. La réponse de la résistance à l’adhésion des barres d’armatures localisées à différentes hauteurs de l’élément de mur (effet top-bar) a été étudiée pour des mélanges optimisés; le BPA de référence, les mélanges ST-H 0.5, et PP 0.5 ont été testés à travers l’essai d’arrachement direct des barres coulées dans le large élément de mur. Utilisation de fibres de propylène et de fibres à crochets d’acier au BPA a légèrement augmenté le facteur de modification à l’adhérence (effet top-bar) de 1 dans le cas du BPA jusque 1,1 et 1,2 pour les fibres de propylène et de crochets d’acier respectivement. Les éléments de mur fabriqués à partir du mélange de BPA de référence a montré la distribution de résistance la plus uniforme avec moins de 5% de réduction de sa résistance à l’adhérence sur la hauteur. Ces pertes de résistance à l’adhérence pour les éléments de mur coulés avec du BPA intégrant les de fibres de propylène et de fibres à crochets d’acier sont respectivement de 10% et 20%. / Abstract : Fiber reinforced self-consolidating concrete (FR-SCC) is one of the recent developments in the world of concrete technology which combines the self-consolidating performance with the post-peak ductility and multiple cracking advantages due to presence of fiber reinforcement in concrete. The use of FR-SCC increases the overall economic efficiency of the construction process by reducing the workforce, or energy consumption required, increasing speed of construction, reduction or elimination of the conventional reinforcement and to the simplification of reinforcement detailing and placement. The FR-SCC has gained increasing popularity applications in the last few years such as bridge decks, girders and beams. Despite the improvement evidence of synergy between self-consolidating technology and fiber addition in the FR-SCC, finding adequate properties of this material is mandatory to find any improper characteristics in the fresh and hardened states. In this regards, defects, such as fiber clustering, segregation and improper flow performance and placement due to improper rheological properties in the fresh state, which leads to reduction in strength, are evaluated. The main objective of this study is to evaluate some rheological and mechanical properties of self-consolidating concrete (SCC) mixtures with different aggregate contents and FR-SCC (incorporating different fiber types and contents). This can help to develop of FR-SCC with adapted rheology and proper mechanical performance including bond strength and shear strength for structural application. In order to evaluate the effect of fibers on rheological properties of SCC in the fresh state, mixtures incorporating four types of fibers with different aspect ratio (L/D) were investigated. The fibers included steel hooked (STH 55/30), steel drawn wire needles (STN 65/13), synthetic macro-fiber propylene (PP 56/38) and polyvinyl alcohol (PVA 60/12) with variety of volume content (0.25%, 0.5%) added to the SCC reference. All mixtures has a fixed w/b ratio of 0.42 and different coarse aggregate contents of 29, 32 and 35%, by volume of concrete. The fresh concrete characteristics were evaluated by considering the slump flow, V-funnel, J-Ring, surface settlement and ConTec rheometer. The hardened properties, mainly compressive strength, splitting tensile strength, flexural strength, flexural toughness, and modulus of elasticity were evaluated. The effect of fiber type, fiber content, and coarse aggregate content on ultimate shear load and shear toughness of the optimized mixtures. The mixtures including SCC reference, SCC with aggregate volume of 32% and 35% (SCCAGG 32% and SCCAGG 35%), SCC incorporating ST-H fibers with the dosages of 0.25% and 0.5% (FRSCC ST-H 0.25% and FRSCC ST-H 0.5%), SCC incorporating PP fibers with the dosages of 0.25% and 0.5% (FRSCC PP 0.25% and FRSCC PP 0.5%), SCC incorporating PVA fibers with the dosages of 0.25% and 0.5% (FRSCC PVA 0.25% and FRSCC PVA 0.5%) and SCC incorporating ST-N fibers with the dosages of 0.25% and 0.5% (FRSCC ST-N 0.25% and FRSCC ST-N 0.5%) were tested using the direct shear push-off test to evaluate shear strength and residual shear strength of the concrete. These test results could be used in the shear load carrying capacity of the structural element made by FRSCC. The test results show that adding fiber was much more effective than increasing aggregate content on the shear strength behaviour of SCC. The ultimate shear stress improvement of the mixtures incorporating fiber compared to the SCC reference mixture were 16.3% for STN 0.5%, 15.8% for STH 0.5%, 14.92% for PP 0.5%, and 7.73% for PVA 0.5% mixture. Moreover, adding fibers improved the post-peak shear behaviour of SCC compared to addition of aggregate content. Increasing the fiber content from 0.25% to 0.5%, by volume of concrete, improved shear strength, shear toughness and flexural toughness behaviour regardless of the fiber types. This enhancement was highest in the case of STH 0.5% and lowest values for PVA0.5%. The bond strength response of rebars located at different heights of the wall element (top-bar effect) investigated for optimized mixtures, including SCC reference, ST-H 0.5, and PP 0.5 mixtures was tested through direct pull-out test of rebars cast in the large wall elements. Adding propylene and steel hooked fibers to SCC is found to slightly increase the bond modification factor (top-bar effect) from 1 in the case of SCC up to 1.1 and 1.2 for propylene and steel hooked fibers, respectively. The wall elements made with SCC reference mixture showed the most uniform bond strength distribution and had less than 5% reduction of bond strength along the height. These bond strength losses for wall element cast with SCC incorporating 0.5 % of steel hooked fiber and that of propylen fiber with the same volume are 10% and 20%, respectively.

Dans le contexte du stockage géologique des déchets radioactifs, ce travail contribue à la caractérisation de l’effet de l’endommagement diffus sur les propriétés de rétention d’eau et transfert de gaz (perméabilité et percée de gaz). Les matériaux considérés sont les bétons CEM I et CEM V sélectionnés par l’Andra, l’argilite du Callovo-Oxfordien (roche hôte) et les interfaces argilite/béton. Cette étude a fourni des informations sur la microstructure des bétons à partir de leurs propriétés de rétention d’eau mais également à partir de la porosimétrie au mercure. Chaque béton a une microstructure bien distincte, caractérisée par une proportion non négligeable de pores capillaires pour le CEM I et une grande proportion de pores des hydrates pour le CEM V. Plusieurs protocoles d’endommagement ont été développés. L’endommagement contribue à réduire la capacité de rétention d’eau du béton CEM I et à augmenter leur perméabilité au gaz. En revanche, tous les échantillons endommagés présentent une pression de percée au gaz significativement plus faible que celles des matériaux sains, et ceci quel que soit le type de béton. Pour l’argilite, on observe une prise d’eau progressive à HR=100%, qui engendre un endommagement du matériau. Ce dernier réduit sa capacité de rétention d’eau. Par ailleurs, ses propriétés de rétention d’eau et de transport de gaz dépendent fortement de son état hydrique initial ainsi que de son endommagement. Enfin, on observe un phénomène de colmatage au niveau des interfaces, d’abord mécanique, puis hydraulique (et surement chimique) suite à l’injection d’eau. Ceci a pour conséquence de réduire la pression de percée des échantillons d’interface / In the context of geological disposal of radioactive waste, this work contributes to the characterization of the effect of diffuse damage on the water retention and gas transfer properties of concrete (CEM I and CEM V) selected by Andra, Callovo-Oxfordian argillite (host rock) and argillite / concrete interfaces. This study provides information on the concrete microstructure from Mercury porosimetry intrusion and water retention curves: each concrete has a distinct microstructure, CEM I concrete is characterized by a significant proportion of capillary pores while CEM V concrete has a large proportion of C-S-H pores. Several protocols have been developed in order to damage concrete. The damage reduces water retention capacity of CEM I concrete and increases its gas permeability. Indeed, gas breakthrough pressure decreases significantly for damaged concrete, and this regardless of the type of concrete. For argillite, the sample mass increases gradually at RH = 100%, which creates and increases damage in the material. This reduces its ability to retain water. Otherwise, water retention and gas transport properties of argillite are highly dependent of its initial water saturation, which is linked to its damage. Finally, we observed a clogging phenomenon at the argillite/concrete interfaces, which is first mechanical and then hydraulic (and probably chemical) after water injection. This reduces the gas breakthrough pressure interfaces

Les tabliers métalliques à dalle orthotrope sont sensibles au phénomène de fatigue produit par les charges des poids lourds du trafic. Ce comportement n'est pas précisément prédit avec les méthodes de l'Eurocode 3, compte tenu de la complexité des effets locaux et de la connaissance insuffisante du rôle mécanique du revêtement (diffusion des charges et participation à la flexion locale). De plus l'augmentation du trafic des camions et éventuellement celle des charges admissibles par essieu en Europe tend à rendre ce problème bien plus critique. Le renforcement de ces tabliers est donc souhaitable de façon à prolonger la durée de vie des ponts existants, et aussi augmenter la durabilité des nouveaux ponts. Le béton fibré à ultra hautes performances (BFUP) a été envisagé comme nouvelle solution de revêtement, étant donné ses propriétés mécaniques, ses possibilités de mise en œuvre et sa durabilité. L'objectif de cette thèse, réalisée dans le cadre du projet ANR Orthoplus, est de quantifier expérimentalement l'apport des revêtements couramment utilisés dans les structures à dalle orthotrope et de valider la solution innovante en BFUP. Des essais statiques et dynamiques sur corps d'épreuve à grande échelle (2,40x4,00) m2 ont été réalisés sur la plate-forme d'essai des structures de l'IFSTTAR. Quatre corps d'épreuve ont été testés : tôle de platelage de 14 mm non revêtue et revêtue de 80 mm de béton bitumineux, tôle de 10 mm revêtue de 35 mm de BFUP et tôle de 12 mm revêtue de 35 mm de BFUP. L'influence des différents types de chargement positionnés au centre des corps d'épreuve a été analysée : plaques métalliques type Eurocode 1 et vraies roues de camion. L'étude a porté sur le détail de fatigue: liaison auget-tôle de platelage entre pièces de pont. La contrainte géométrique de fatigue (extrapolation au point chaud) a été évaluée expérimentalement en utilisant deux schémas d'extrapolation linéaire des déformations à proximité du cordon de soudure du détail étudié, le schéma du rapport CECA et celui proposé par l'Institut International de Soudure, à partir des mesures réalisées au-dessous de la tôle de platelage (σT) et sur l'âme de l'auget (σA).La cohérence entre estimation quasi-statique des déformations et comportement sous cycles de fatigue a été vérifiée, ainsi que la rigidification importante apportée par le BFUP, bien que ce dernier ne participe pas avec une connexion totale. Les résultats expérimentaux ont été confrontés à des modèles de différents niveaux de complexité qu'il reste nécessaire de calibrer empiriquement pour prévoir les contraintes géométriques. A partir des contraintes de fatigue obtenues expérimentalement, nous avons calculé la durée de vie des dalles orthotropes testés à l'aide de la règle du cumul linéaire de l'endommagement. Enfin nous avons mené une étude par analyse de cycle de vie d'un pont à dalle orthotrope pour vérifier la pertinence environnementale des différentes solutions de revêtement. Les nombreuses données expérimentales acquises dans ce travail sont de nature à permettre une amélioration significative du dimensionnement rationnel des tabliers à dalle orthotrope et de leur revêtement pour une meilleure prise en compte de leur gestion durable / Orthotropic steel bridge decks are sensitive to fatigue damage induced by live heavy traffic loads. This behaviour is not precisely predicted by Eurocode 3, because of the complexity of local effects. The pavement overlay is not taken into account for calculating the fatigue resistance because of the lack of knowledge concerning its mechanical behaviour (loads diffusion and participation in the local deflection) and the behaviour of the composite structure. Moreover, the increase in heavy traffic and potential regulations evolution in Europe – towards an increase of acceptable loads of truck axles - tend to render the orthotropic decks fatigue behaviour an even more critical issue. The reinforcement of these steel decks is therefore crucial to extend the service life of existing bridges, and also increase the durability of new bridges. Ultra-high performance fibre-reinforced concrete (UHPFRC) has been chosen as a possible alternative topping layer considering its remarkable durability, flowability and mechanical properties. The purpose of this thesis, carried out within the framework of a joint R&D project called Orthoplus, is to quantify experimentally the mechanical contribution of topping layers currently used in orthotropic steel bridge decks and validate an alternative concept using UHPFRC coating. Static and dynamic tests of large scale panels (2,40x4,00) m2 were carried out at the IFSTTAR Structures Laboratory. Four prototypes have been tested: a 14 mm thick deck plate without surfacing, the same deck plate associated with 80 mm of bituminous concrete surfacing, a 10 mm thick deck plate topped with 35 mm of UHPFRC and a panel with the same UHPFRC topping layer and a 12 mm thick deck plate. The influence of different centered load types and configurations has been analyzed: rectangular steel plates according to Eurocode 1 and real truck wheels. The experimental programme has been focused on the rib-to-deck welded joints at mid-span between two transverse crossbeams. The fatigue geometrical stresses in the deck and the trough, respectively denoted as σD and σT, have been derived from two linear extrapolations of measured strains next to the toe of the welded joint: the extrapolation schemes from the ECSC report and from the IIW document. Consistency between quasi static strains and deflections estimate and behaviour under fatigue cycles has been verified, as well as the significant additional stiffness provided by the UHPFRC overlay, although its contribution does not correspond to a perfectly connected composite section. The experimental results have been compared to simple and more complex models which still need empirical calibration for predicting the geometrical stresses. Using the experimentally obtained fatigue geometrical stresses the service life of the tested prototypes were calculated using Miner's rule. Finally a life cycle assessment study of an orthotropic steel bridge deck was carried out to verify the environmental relevance of the alternative topping layer solutions. The numerous experimental data obtained from this work shall make it possible to significantly improve the rational design method of orthotropic slabs and their associated deck overlay, in view of a better accounting of their long term and sustainable structural management

Ces travaux ont pour but d'étudier le comportement mécanique de structures précontraintes et d'évaluer l'influence de la technologie de précontrainte utilisée : précontrainte par torons adhérents, précontrainte par torons non-adhérents TGG. Le champ d'application final porte sur l'analyse de la sûreté et de la durabilité des enceintes de confinement de centrales nucléaires. L'attention est alors portée principalement sur le comportement à la fissuration du béton et au rôle de la liaison mécanique torons de précontrainte-structure.La démarche proposée se décompose en trois étapes successives. Elle débute par la caractérisation expérimentale des mécanismes de dégradation à l'échelle de la structure (essais de flexion 4 points sur poutres précontraintes) et à l'échelle locale du matériau (fissuration, déformations différées du béton, liaisons armatures passives-béton et torons-structure par des essais d'arrachement et de traction sur tirants). Une instrumentation multiple (CIN, fibres optiques) favorise la robustesse de la démarche. Des modèles numériques sont ensuite développés pour décrire les mécanismes caractérisés expérimentalement. Un intérêt particulier est porté à la modélisation mésoscopique de l'interface armatures-béton et macroscopique de l'interface torons-coulis d'injection. L'utilisation des différents modèles, couplée à la prise en compte de l'évolution temporelle des déformations différées du béton, favorise une analyse prédictive du comportement des structures étudiées.L'application à une tranche d'enceinte de confinement permet de prédire l'influence de la technologie de précontrainte utilisée sur le comportement à la fissuration de la structure. / This work aims to study the mechanical behavior of partially prestressed structures and to evaluate the influence of the post-tensioning system: bonded tendons, individual unbonded greased and sheathed strands. Under the scope of the safety and durability of nuclear containments, specific attention is devoted to the concrete cracking behavior and to the role of the mechanical tendons-structure bond. The proposed approach is divided into three successive parts. It starts with an experimental study of damage mechanisms at the structural level (4-point bending tests on prestressed concrete beams) and at the local scale (cracking, delayed strains of concrete, reinforcement-concrete bond, tendons-structure bond with pull-out tests and tension tests on reinforced concrete ties). The used instrumentation (DIC, optical fibers) allows for the robustness of the approach. Numerical models are then developed, based on the previous characterized mechanisms. A particular interest is focused on the meso-modeling of the reinforcement-concrete interface and on the macro-modeling of the tendons-injected grout bond. The use of the developed models, considering in parallel the influence of the evolutive delayed strains of concrete, provides a predictive analysis of the mechanical behavior of the studied prestressed structures. A final application to a part of a nuclear containment offers an accurate prediction of the influence of the post-tensioning system on the cracking behavior of the structure.

Le comportement des structures en béton armé (BA) et en béton précontraint (BP) exposées au feu est une thématique de recherche importante en génie civil. Actuellement, le comportement de l'interface béton-acier à haute température et la simulation thermomécanique non linéaire des structures en béton sont des verrous à lever. Ces deux questions font l'objet de cette thèse. Après avoir fait un état de l'art sur le comportement à froid de l'interface béton-acier, un modèle à haute température est proposé ainsi que son intégration numérique dans le code de calcul ANSYS. Puis, les performances de plusieurs modèles non linéaires du béton ont été analysées. Finalement, des méthodologies de modélisation du transfert thermique et du comportement mécanique des structures exposées au feu ont été proposées et validées à travers des simulations d'essais / Behaviour of reinforced concrete and prestressed concrete structures subjected to fire is an important research theme in civil engineering. Actually, steel-concrete interface behaviour at high temperature and nonlinear thermomechanical simulation of concrete structures are obstacles we need to solve. These obstacles are the subject of this thesis. After doing a summary of all studies concerning the steel-concrete interface, a behaviour model of the interface at high temperature has been developed and a numerical integration method of this model has also been proposed. Subsequently, non linear material models for simulating concrete have been analyzed. Finally, methodologies of modeling thermal transfer and mechanical behaviour of structures have been proposed and validated through simulations of experimental tests

Le but de ce projet de recherche est de développer un outil de modélisation du comportement d’éléments en béton armé selon une discrétisation par couches. En flexion, la modélisation repose sur la capacité de prédire d’une part le comportement d’une section fissurée et d’autre part, le comportement global d’une poutre fléchie. Un endommagement relié à l’historique de chargement est également pris en compte par l’apparition de déformations permanentes et l’imposition d’une diminution de la rigidité des matériaux. L’outil offre alors la possibilité d’établir des seuils d’alarme par la mise à jour de l’indice de fiabilité d’une structure, ce qui constitue un atout significatif à la télésurveillance. Une portion expérimentale permet de confronter les résultats obtenus de la modélisation à des essais en laboratoire sous chargements statiques et cycliques sur des poutres instrumentées. La comparaison entre les résultats expérimentaux et la prédiction du modèle démontre une très bonne concordance, autant sous chargements statiques que cycliques, malgré une prédiction un peu conservatrice des indicateurs de performance à la rupture. Ce phénomène est toutefois favorable dans l’optique de poser des seuils d’alarme en télésurveillance. Finalement, le modèle permet de construire une enveloppe de rupture incluant l’interaction des efforts de cisaillement et de flexion. L’utilisation de la théorie des champs de compression modifiée permet le suivi de l’inclinaison des fissures et de la déformation des étriers à l’ultime. Bref, le modèle assemblé s’avère un outil de prédiction efficace du comportement réel d’éléments fléchis et cisaillés en béton armé. / The objective of this research project is to develop a modeling tool (layer by layer) for the behavior of reinforced concrete members. For flexure, the model relies on the capacity to predict the behavior of a cracked section and also the behavior of the entire bent beam. Damage related to historic loading also applies, including permanent deformations and a diminished rigidity to the material. It is therefore possible to set up an alarm threshold by upgrading the reliability index of the structure which constitutes a complementary tool to telesurveillance or monitoring. An experimental program was setup to obtain results to validate the model with static and cyclic loading of instrumented beams. The comparison between the experimental results and the model predictions shows an excellent agreement for the static loading behavior, even though it is on the safe side of the performance index indicators. The phenomenon is nonetheless favourable for the proposed telesurveillance alarm threshold. Finally, the model can generate a rupture envelop including the interaction between the shear force and bending moment. The use of the modified compression field theory allows the follow-up of the crack inclination and the deformation in the stirrups at rupture. In summary, this prediction tool reveals to be a very useful one to simulate the behavior of reinforced concrete members subjected to shear and bending.