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

La modélisation de l’impact des différentes méthodes de réhabilitation, en fonction du temps d’initiation des dégradations, est le défi majeur dans le domaine de la durabilité des structures. La durabilité d’une structure est liée directement aux conditions d’exposition influencées par le climat et l’environnement où l’ouvrage est localisé. Selon le degré d’exposition, la vitesse de dégradation des structures peut alors s’accélérer ou être lente. Ce travail développe une étude approfondie sur l’exposition des structures en condition hivernales, qui comprend l’utilisation des sels de déglaçage. Une enquête a été réalisée pour connaître la quantité de sel utilisée au Québec et au Canada. En complément, les trois types de sel de déglaçage les plus utilisés ont été évalués afin de déterminer sa vitesse de progression dans un béton sous conditions hivernales sévères. Une station météorologique mobile MexStUL, munie des plusieurs capteurs de mesures temporelles, a été développé pour monitorer des conditions d’exposition dans deux sites expérimentaux soumis au climat hivernal rigoureux des années 2018/19. Il a été alors possible de prédire les facteurs climatiques (température, humidité, vitesse et direction des vents, ensoleillement et précipitations) et environnementaux (trafic, condition de route, concentration de sel sur la chaussée, aux éclaboussures et au brouillard salin) relatifs aux conditions d’exposition des structures. Des modèles ont été proposés afin de prédire l’exposition à travers du biais d’une station météorologique mobile ainsi que pouvoir évaluer l’influence spatiale de la concentration de sel de déglaçage. Un nouveau capteur a été développé, mesurant la concentration de brouillard salin sous condition hivernale sévère. Les résultats démontrent une importante variabilité spatiale de concentration pour l’exposition stagnante. Un modèle d’influence spatiale des éclaboussures a été proposé afin de délimiter ce type d’exposition. La concentration du brouillard salin pendant l’hiver montre une évolution importante et un modèle de concentration a été proposé et le volume de brouillard salin pendant l’hiver a pu être estimé. / Modeling the impact of the various rehabilitation methods, as a function of the initiation time of the damage, is the major challenge in the field of structural durability. The durability of a structure is directly linked to the exposure conditions influenced by the climate and the environment where the structure is located. Depending on the degree of exposure, the rate of degradation of structures can then accelerate or be slow. This work develops an in-depth study on the exposure of structures in winter conditions, which includes the use of de-icing salts. A survey was carried out to find out the amount of salt used in Quebec and Canada. In addition, the three most used types of de-icing salt were evaluated to determine its speed of progression in concrete under severe winter conditions. A mobile weather station MexStUL, designed with several sensors of temporal measures, has been developed to monitor exposure conditions in two different experimental sites on severe winter conditions during 2018/19. It was then possible to predict the climatic (temperature, humidity, speed and wind direction, sunshine and precipitation) and environmental factors (traffic, road condition, salt concentration on road, splashes and salt laden mist) relating to the conditions of exposure of the structures. Models were proposed to predict exposure condition using a meteorological station and evaluation of spatial influence of de-icing salt on different types of exposure as well. A new sensor has been developed, measuring the concentration of salt laden mist under severe winter conditions. Results demonstrate an important spatial variability on stagnant water. A model about spatial influence of brine splashes is proposed to delimit this type of exposure. Airborne concentration during winter climate shows an important evolution and a concentration model is proposed and the volume of salt laden mist is also determined during winter.

La gestion des infrastructures routières en béton armé pose un problème important en Amérique du Nord. En effet, en plus de la dégradation des ouvrages causée par le vieillissement usuel (effet mécanique et exposition aux agents agressifs), la croissance des charges et du volume du trafic routier depuis la conception de ces ouvrages a entrainé une accélération de cette dégradation. Qui plus est, l'intégration récente dans les équations de calcul de résistance de certains mécanismes, notamment l'effet d'échelle en cisaillement amène des interrogations sur la capacité en cisaillement de certains types d'ouvrages, notamment les dalles épaisses sans armature de cisaillement. Suite à l'effondrement du Viaduc de la Concorde en 2006, une structure à dalle épaisse sans armature de cisaillement, le Ministère des Transports du Québec (MTQ), conjointement avec l'Université Laval, a entrepris une étude sur le renforcement en cisaillement de dalles épaisses (sans armature de cisaillement). La méthode étudiée consiste à insérer des barres d'armature crénelées dans des trous verticaux préalablement injectés d'époxy et percés à partir de la face supérieure des dalles. Pour réaliser cette étude, trois groupes de dalles de geometries différentes ont été confectionnés. La moitié de ces dalles a alors été renforcée avec la méthode décrite précédemment tandis que les autres dalles agissaient à titre de dalles témoins. L'ensemble des dalles a ensuite été soumis à des essais de flexion en trois points pour en déterminer le comportement sous sollicitation en cisaillement. Les résultats obtenus démontrent qu'un renforcement en cisaillement à l'aide de barres d'armature droites permet d'augmenter la charge et la flèche atteinte à l'ultime. Un tel renforcement permet aussi d'observer des fissures de cisaillement à une charge bien inférieure à la charge ultime, ce qui n'est pas le cas pour les dalles non renforcées, dont la rupture en cisaillement survient dès l'apparition d'une fissure de cisaillement. L'étude des dalles ainsi renforcées permet également d'observer un comportement post-pic beaucoup plus fragile que celui rencontré pour des dalles renforcées de façon usuelle en cisaillement avec des étriers fermés conventionnels.

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.

La corrosion des armatures, provoquée par la pénétration des chlorures, est une des causes principales de la dégradation des structures de béton armé en Amérique du Nord. La prédiction de la pénétration de ces ions dans le béton par un modèle numérique permettra, à terme, de planifier et quantifier correctement les interventions à réaliser sur une structure dégradée ou vieillissante. Plusieurs facteurs, telles que la température et l’humidité relative de l’air, ont un effet marqué sur le mouvement des ions chlorures à l’intérieur du béton. Leurs effets, de même que le degré réel d’exposition des structures aux chlorures, sont encore mals compris. Ce projet de recherche a comme objectif d’évaluer l’influence des conditions extérieures auxquelles les structures sont soumises sur l’intensité et la vitesse de pénétration des ions chlorures dans le béton. Il a aussi pour but la validation du modèle par éléments finis STADIUM® sous ces nouvelles conditions limites. L’effet de la température, de la variation de l’humidité relative de l’air et de l’application de certains types de protection du béton ont été mesurés en laboratoire par des profils de pénétration des chlorures dans le béton. Des simulations numériques ont été réalisées en imposant les mêmes conditions d’exposition que celles étudiées. La comparaison des résultats expérimentaux et numériques ont permis de constater la précision du modèle à prédire les concentrations en chlorures au niveau des armatures. Un volet in situ a porté sur les conditions d’exposition de structures de stationnements multiétagés en service. La température et l’humidité relative de l’air à l’intérieur des ouvrages ont été mesurées. Bien que la quantité de sels apportée par les voitures sur les dalles des stationnements soit une donnée inconnue, les concentrations en chlorures présentes dans les différentes phases de l’eau à la surface du béton ont été mesurées régulièrement pendant trois hivers. La variabilité et l’intensité des résultats obtenus offrent une vision unique et nouvelle des conditions d’exposition réelles des stationnements multiétagés. / The corrosion of steel in reinforced concrete by the penetration of chlorides is one of the primary causes of concrete degradation in North America. The prediction of chloride ingress in concrete by numerical modeling will lead to better planning and evaluation of the repair and maintenance needs of degrading and aging structures. Several factors, such as air temperature and relative humidity, affect the movement of chloride ions inside concrete. Their effects and the real exposure conditions of structures to chlorides are still not well understood. The goal of this research project is to evaluate the influence of the exposure conditions of structures on the penetration of chloride ions. The objective is also to validate the finite element model STADIUM® under the new exposure conditions. The effect of temperature, variation of air’s relative humidity and application of certain types of protection on concrete surfaces were measured by chloride profiles in laboratory. Numerical simulations were conducted, imposing similar exposure conditions to those studied. The comparison between experimental and numerical results shows the precision level of the model in predicting the chloride concentration at rebar level. The in situ part of the program concentred on exposure conditions of in service multistage parking structures. The air temperature and the relative humidity inside the structures were measured. The amount of salt brought by cars on the parking’s slabs is unknown, however, chloride concentrations in the various phases of water present at the surface of the concrete have been measured regularly during three winters. The variability and intensity of the results obtained offer a unique and new vision of real exposure conditions of multistage parking structures.

L'installation de l'armature de cisaillement dans les poutres en béton armé est souvent onéreuse et complexe. De plus, la fragilité de la rupture en cisaillement en fait un danger pour la sécurité du public. L'utilisation d'un béton renforcé de fibres (BRF) s'avère être une alternative intéressante pour fournir une résistance en cisaillement suffisante et éviter ce mode de rupture. Suite aux diverses études réalisées dans le passé par les chercheurs, certains points restent à analyser concernant les poutres en BRF. En effet, la majorité des études ont porté sur des poutres de petites tailles faites de béton renforcé de fibres d'acier. Il faut donc approfondir l'effet d'échelle et l'utilisation de fibres synthétiques. Des essais à la rupture en quatre points sur trois séries de poutres de tailles différentes (150x250x2200mm, 300x500x4400mm, 300x800x7100mm) ont été réalisées à l'Université de Sherbrooke par Tran [2009], Nguyen [2006] et Lavictoire [2010]. Le présent projet de recherche s'inscrit à la suite de leurs projets et consiste à compléter les essais déjà réalisés afin d'étudier l'effet d'échelle en présence de fibres. L'objectif est également d'analyser et de comparer l'apport des fibres utilisées (synthétiques et crochetées en acier) sur la résistance à l'effort tranchant des poutres en BRF. Des essais à la rupture ont été réalisés sur huit poutres dans le but de posséder des résultats pour des poutres avec les renforts en cisaillement suivant : aucun renfort, minimum d'étriers selon la norme CSA A23.3-04, taux volumiques de 0.5% et 1.0% de fibres d'acier et synthétiques. Parallèlement, des essais de caractérisation du comportement post-fissuration des BRF ont été réalisés conformément à la norme ASTM C1609/C1609M-10. Les résultats montrent que malgré une augmentation significative de la résistance à l'effort tranchant, les fibres ne parviennent pas à enrayer l'effet d'échelle. De plus, les deux types de fibre utilisés ont permis d'obtenir des résistances semblables avec un taux volumique de 0.5%. Alors qu'un taux de 1.0% de fibres d'acier a permis d'atteindre des résistances comparables aux poutres avec le minimum d'étriers selon la norme, l'utilisation de 1.0% de fibres synthétiques n'a pas eu d'effet notable comparativement à 0.5%. Les fibres ont également permis de retarder l'apparition des fissures diagonales et d'en réduire l'ouverture en comparaison aux poutres sans renfort en cisaillement sous chargement équivalent. Elles ont par ailleurs provoqué une augmentation de la rigidité des spécimens. Des tentatives d'estimation de la résistance en cisaillement des sept poutres en BRF du programme expérimental ont été réalisées en utilisant différentes valeurs de résistance post-fissuration obtenues par l'essai ASTM C1609/C1609M-10. Les données récoltées avec ce projet étant insuffisantes, davantage de recherches sont nécessaires afin de déterminer une équation de design adaptée aux poutres de BRF et un paramètre de résistance post-fissuration adéquat.

Ce mémoire présente les résultats de calculs analytiques de prédiction du comportement de dispositifs de retenue de niveau PL-2 armé d'armature en polymères renforcés de fibres de verre (PRFV) soumis aux essais de chargement quasi statique horizontal. L'un des modèles analytiques à l'étude est le calcul de la charge ultime que peut reprendre un dispositif de retenue en fonction des dimensions de la fissure au niveau de la connexion. Le deuxième modèle analytique à l'étude est le calcul de prédiction de la relation charge-déflexion en tête de muret. La collaboration entre le Ministère des Transports du Québec (MTQ), le Ministère des Transports de l'Alberta et l'Université de Sherbrooke a permis d'effectuer des essais quasi statiques sur plusieurs configurations durant les dernières années. Les configurations de dispositifs provenant du MTQ sont des barrières de type 210 et 311 dont les murets et les dalles sont entièrement armés de barres en PRFV. Les configurations des dispositifs de l'Alberta sont quant à eux des dispositifs de type S-1642 et S-1650 dont les murets sont armés de barres en PRFV et les dalles sont armées de barres d'acier enduit d'époxy. Grâce à cette banque de données, il est possible d'effectuer l'étude des modèles sur différentes configurations et ainsi déterminer certaines de leurs limites. De plus, une modélisation par éléments finis de la configuration de dispositif de retenue de type 311 (PL-2) a été effectuée. Le dispositif a été modélisé en trois dimensions avec le logiciel ADINA. De ce modèle, une comparaison avec les données expérimentales a été effectuée afin de le valider. De plus, une étude paramétrique a été effectuée sur l'influence des résistances du béton de la dalle et du muret et du module d'élasticité des barres en polymères renforcés de fibres (PRF). En effet, des bétons de 35 MPa et 50 MPa ont été utilisés afin de représenter trois cas de combinaison de résistance en compression des bétons. Finalement, trois grades de modules élastiques ont été utilisés sur le dispositif ayant un béton de 35 MPa au niveau de la dalle et un béton de 50 MPa au niveau du muret (combinaison la plus courante) afin d'étudier l'effet du module élastique des barres.

Dans cette recherche, on a conçu et validé un nouveau noeud sans fil qui sera intégré dans un système automatique de contrôle des structures de génie civil. Le prototype est conçu à partir des dernières technologies dans le domaine des systèmes embarqués. Le prototype utilise la technologie développée pour les réseaux sans fil personnels WPAN (Wireless Personal Area Network) pour la transmission de données vers la centrale locale d'interrogation des données. Les capacités de calcul que le prototype possède nous permettent d'implémenter et d'exécuter plusieurs algorithmes de contrôle de l'état des structures. La transformée de Fourier rapide est utilisée comme algorithme illustratif dans le noeud sans fil. L'objectif de cette recherche est de mettre en place un réseau de capteurs sans fil qui supporte le calcul collaboratif en temps réel des dominées mesurées, pour l'identification des dommages potentiels dans la structure.

Bien que les connaissances sur les bétons autoplaçants (BAP) soient suffisantes pour permettre leur utilisation, certains paramètres mal exploités, tels que la thixotropie et la robustesse, restent à améliorer. Le premier objectif de ce mémoire est d'établir un protocole expérimental faisable sur chantier, pour mesurer la restructuration du béton, due au phénomène de la thixotropie. Durant la première partie de ce travail, cinq dispositifs expérimentaux ont été testés sur deux mortiers de bétons équivalents, et en second lieu, sur deux bétons autoplaçants. Les analyses sont basées sur la répétabilité et sur des corrélations entre les résultats de ces dispositifs avec ceux du rhéomètre. Les meilleurs essais empiriques, qui ont montré des erreurs relatives faibles et de très bonnes relations, tels que la palette portative, l'étalement au cylindre et le plan incliné, sont employés par la suite, pour étudier la robustesse des bétons autoplaçants. Dans la deuxième partie du mémoire, l'objectif consiste à étudier la robustesse de plusieurs bétons, vis-à-vis de la variation de l'humidité du sable et du dosage en superplastifiant, tout en analysant leurs propriétés pertinentes. En effet, nous avons adopté une méthode pour classer huit BAP, en matière de robustesse, confectionnés avec plusieurs combinaisons d'agents colloïdaux et de superplastifiants (PNS et PCP). Des analyses statistiques nous ont permis de sélectionner les meilleures propriétés étudiées, qui montrent une très bonne concordance de classement des bétons étudiés selon la robustesse. À partir de ces résultats, on a pu démontrer que l'essai de la palette portative est aussi adéquat pour déterminer la robustesse des BAP. En ce qui concerne l'effet des agents colloïdaux sur la robustesse, une classification a été faite, identifiant quatre catégories différentes. Les agents colloïdaux à base de polysaccharide, utilisés dans les bétons à base de polynaphtalène, qui permettent à ces derniers de développer une plus grande robustesse, appartiennent à la classe I. Un autre agent de viscosité de même famille appartient à la classe II, mais il confère au béton une robustesse moins importante. L'amidon modifié, qui offre aux BAP une tolérance moyenne aux changements de la quantité d'eau dans les mélanges se rapporte à la classe III. Enfin, le dérivé de cellulose, qui ne permet pas au BAP de développer une moindre robustesse, est catégorisé dans la classe IV. Une confirmation du même ordre de robustesse avec deux BAP différents a été prouvée durant la deuxième phase de cette partie, en modifiant le dosage de superplastifiant de «10 % par rapport au mélange de référence. La robustesse de ces deux bétons autoplaçants répond du même degré, tant à la variation de l'humidité de sable qu'à la variation de dosage de superplastifiant.