Au Québec, l’épandage des sels de déglaçage pendant l’entretien hivernal des routes est l’une des causes de la corrosion des armatures en acier dans les ouvrages routiers en béton armé. La corrosion de l’acier crée des tensions internes dans le béton, ce qui entraine l’éclatement du béton qui enrobe l’armature d’acier. La durée de vie des infrastructures routières est par conséquent réduite et les coûts d’entretien sont augmentés. Le présent projet de recherche est né d’une collaboration entre le ministère des Transports, de la Mobilité durable et de l’Électrification des Transports (MTMDET) et l’Université de Sherbrooke. Il vise à étudier l’utilisation des barres en polymères renforcés de fibres de verre (PRFV), non sujettes à la corrosion dans les dalles en béton armé continu (BAC). Dans cette étude, une section de chaussée de 300 mètres de long a été instrumentée pendant la reconstruction de l’autoroute 40 Ouest à Montréal, pour caractériser le comportement à court et à long terme des dalles en BAC avec des armatures en PRFV. Les résultats expérimentaux montrent que les conditions climatiques affectent considérablement le comportement à la fissuration des dalles en BAC de PRFV et d’acier. Une analyse par éléments finis d’une section de la chaussée a été également réalisée avec le logiciel Abaqus en vue d’étudier l’influence de plusieurs paramètres tels que le taux d’armature longitudinale, les propriétés des barres de PRFV et leur profondeur, l’épaisseur de la dalle, le coefficient de dilatation thermique du béton et l’espacement des armatures transversales sur le comportement de la dalle en BAC de PRFV. Le modèle par éléments finis a été validé avec les résultats expérimentaux obtenus en chantier. Les résultats numériques montrent que le coefficient de dilatation thermique du béton, le taux d’armature longitudinale, les propriétés des barres de PRFV et leur positionnement dans la dalle, l’épaisseur de la dalle constituent les paramètres qui influencent le plus le comportement des dalles en BAC. Pour le dimensionnement des dalles en BAC de PRFV, des taux d’armature ainsi que des propriétés de barres de PRFV ont été proposés en tenant compte des résultats expérimentaux ainsi que de l’analyse par éléments finis.

Depuis plusieurs années l'équipe de recherche S4M se concentre sur une approche technologique de la SHM avec pour objectif la surveillance de systèmes complexes par des capteurs intelligents distribués: le Smart Sensing. L'équipe S4M conduit des travaux d'instrumentation de structures complexes au travers du déploiement de systèmes de surveillance distribués et de recherche de marqueurs de vieillissement par la mesure et l'exploitation de signaux via des capteurs MEMS déployés. Différents domaines ont déjà été adressés avec des travaux conduits conjointement avec des constructeurs aéronautiques. Ce travail de recherche, effectué en partenariat avec le laboratoire LMDC de l'INSA se focalise sur le matériau de type béton renforcé par des plaques composites, comme structure hétérogène nécessitant une surveillance périodique et/ou continue. Un des enjeux est de contrôler la maintenance préventive ou le surdimensionnement par des coefficients de confiance en proposant une méthode de contrôle non destructif. Notre objectif de recherche est de contribuer dans la recherche d'une ou de signature(s) dans des signaux mesurés par des capteurs piezo en réponse à des impulsions générant la propagation d'ondes mécaniques témoignant un vieillissement ou un endommagement de la structure poutre en béton armé. / For several years the research team S4M focuses on a technological approach to SHM with the aim for monitoring of complex systems by intelligent sensors distributed: Smart Sensing. The S4M team led instrumentation complex structures work through the deployment of distributed monitoring systems and search for markers of aging by measuring and operating signals through deployed MEMS sensors. Different areas have already been addressed with the work conducted jointly with aircraft manufacturers. This research, conducted in partnership with the LMDC-INSA laboratory focuses on the concrete like material reinforced composite plates as heterogeneous structure requiring periodic or continuous monitoring. One of the challenges is to control preventive maintenance or oversizing trusted coefficients by providing a non-destructive testing method. Our research goal is to help in the search for a signature in the signals measured by piezo sensors in response to pulses generating propagation of mechanical waves reflecting an aging or damage to the beam structure of reinforced concrete.

Depuis la première certification de lancier de béton projeté tenue par l’American Concrete Institute (ACI) au printemps 2001, ce programme de certification gagne continuellement en popularité. La certification des lanciers consiste à s’assurer que les lanciers sont en mesure de manipuler les équipements de projection de façon sécuritaire et d’appliquer le béton projeté de façon adéquate. Une partie importante de la certification consiste à évaluer l’enrobage des aciers d’armature sur des carottes prélevées d’un panneau rempli de béton projeté par le lancier. L’enrobage est jugé adéquat, ou non, par un évaluateur reconnu de l’ACI, selon une évaluation qualitative basée sur des paramètres reliés à la présence de vides ou de défauts derrière les barres d’armature. Toutefois, il existe peu d’information objective sur l’effet de la qualité d’enrobage. Ce mémoire présente des résultats expérimentaux portant sur l’évaluation des effets des défauts d’enrobage sur la durabilité et les propriétés structurales d’un ouvrage en béton projeté. Plus particulièrement, l’effet des défauts d’enrobage sur l’initiation de la corrosion des barres d’aciers d’armature et sur les propriétés d’adhérence de l’acier d’armature dans le béton est évalué. La consistance de projection (quantité d’eau ajoutée à la lance), l’épaisseur de recouvrement, les types de défaut créés derrière la barre par une mauvaise projection ont une importance majeure sur les propriétés d’un ouvrage en béton projeté. / Since the first shotcrete nozzleman certification held by the American Concrete Institute (ACI) in the spring of 2001, the program has continuously grown in popularity. The nozzleman certification consists of making sure that the nozzle operator are capable of operating shotcrete equipments and apply shotcrete in a safe and effective manner. A significant part of the certification program consists of evaluating the rebar encasement on specific core extracts from shotcrete panels. Encasement is considered adequate or not by an examiner accredited by the ACI, according to a qualitative evaluation based on established parameters such as the presence of voids or defaults behind bars. However, there is a limited amount of objective information available to determine what is acceptable or not as for the quality of an encasement. This document presents experimental results relating to the evaluation of the effects of defects on durability and structural properties of a shotcrete application. More particularly, the effect of a poor quality encapsulation on the initiation of corrosion of reinforcing bars and on the properties of the bond between reinforcing steel and shotcrete are visited. The shotcrete’s consistency (amount of water added at the lance), the concrete cover thickness, the types of defects created behind the bar by a poor workmanship have a major importance on the properties of a shotcrete work.

Le phénomène de fluage, qui est défini comme la déformation dessous une charge constante, a un effet à long terme sur la déformation des structures en béton armé. Récentes recherches montrent que la déformabilité de structures en béton armé du au fluage après quelques décades est largement sous-estimée par les normes. Plusieurs recherchent montrent que le fluage à long terme du béton suit une loi logarithmique dans le temps. Le fluage du béton provient de la microstructure du silicate de calcium (C-S-H) hydratée. Bien que de nombreux travaux expérimentaux et théoriques aient été réalisés, les mécanismes de fluage du C-S-H demeurent mal connus. Parmi les facteurs qui influent sur le comportement au fluage du CS- H, l’humidité relative (HR) est le principal. En fait, la teneur en eau dans les microspores joue un rôle important dans la rigidité, la résistance et la viscosité de la microstructure C-SH. La technique d'indentation permet de caractériser les propriétés mécaniques de la pâte de ciment à l'échelle microscopique et nanométrique à laquelle les mécanismes de fluage agissent. Par rapport aux expériences de fluage traditionnelles qui durent des mois et des années, le test d'indentation présente l'avantage d'évaluer les propriétés de fluage des matériaux à base de ciment en quelques minutes. De plus, il est plus facile pour l’échantillon d’atteindre l’équilibre humidité en raison du petit volume sondé. Pour extraire correctement les propriétés de fluage, la première étape consiste à établir une méthode d’essai d'indentation viscoélastique. Pour cette étude, la microindentation viscoélastique est analysée respectivement par une pointe sphérique et une pointe de Berkovich. Les propriétés de fluage à long terme sont bien décrites par le paramètre module de fluage de contact (C) de la complaisance au fluage logarithmique. Les propriétés mécaniques de structures C-S-H semblables à celles de Jennite et de Tobermorite à 1.4 nm sont ensuite caractérisées par une microindentation à différents niveaux d’HR. À différents niveaux d’HR, le comportement de fluage et de relaxation des C-S-H est étudié par la nanoindentation statistique sur une pâte de ciment. Le rôle de l'eau sur le comportement au fluage de C-S-H est réexaminé. De nouvelles découvertes concernant le mécanisme de fluage de C-S-H sont présentées et discutées. / The phenomenon of creep has a long-term effect on the durability of the concrete structures. It has been widely agreed that concrete creep originates from the microstructure of calciumsilicate- hydrates (C-S-H). Being a formidable problem, the creep mechanism of C-S-H is still an enigma although numerous experimental and theoretical works have been done. Among the factors affecting the creep behavior of C-S-H, relative humidity (RH) is the primary one. The water content in the micropores plays an important role in the stiffness, the strength, and the viscosity of the microstructure C-S-H. The indentation technique allows characterizing the mechanical properties of the cement paste at the microscale and the nanoscale. Notably, the phenomenon of creep can be observed during the indentation holding phase. Compared with the traditional creep experiments lasting for months and years, indentation testing has the advantage of assessing the creep properties of the cement-based materials in minutes. In addition, it is easier for the specimen to reach the moisture equilibrium because of the small volume probed. To properly extract the creep properties, the first step is to establish the scheme of viscoelastic indentation. For this study, viscoelastic microindentation is analyzed by a spherical and a Berkovich indenter tip, respectively. The long term creep properties are well captured by the parameter of contact creep modulus (C) from logarithmic creep compliance. The mechanical properties of alike C-S-H structures of jennite and 1.4 nm tobermorite are then characterized by microindentation at various levels of RH. At the two levels of RH, the creep and the relaxation behavior of C-S-H is finally investigated by the statistical nanoindentation on a cement paste. The role of the water on the creep behavior of C-S-H is re-examined. The new findings for the creep mechanism of C-S-H are presented and discussed.

La corrosion des armatures en acier est l'un des mécanismes les plus destructifs pour les structures en béton armé. La corrosion nuit non seulement à l'intégrité structurale et à l’aptitude au service de la structure endommagée, mais peut aussi entraîner des défaillances inattendues ou des ruptures fragiles. Malgré les dispositions rigoureuses de la plupart des codes de pratique pour éviter la corrosion, des signes de dommages dus à la corrosion sont toujours signalés. Récemment, des systèmes à matrice cimentaire renforcée de fibre (MCRF) ont été proposés comme une technique innovante de renforcement/réparation pour les structures en béton afin de surmonter les inconvénients associés à l'utilisation des systèmes de polymères renforcés de fibres (PRF). Bien que l'utilisation de composites MCRF pour renforcer les éléments en béton non endommagés ait prouvé son efficacité, très peu est connu sur la viabilité de leur utilisation pour renforcer les éléments en béton endommagés à divers niveaux dus à la corrosion. De plus, les comportements de post-réparation et la durabilité à long-terme des éléments corrodés et renforcés par les systèmes MCRF et qui seront probablement exposés aux mêmes conditions environnementales qui prévalaient avant leur réparation, n'ont pas retenu l'attention des chercheurs dans la littérature. De plus, la plupart de nos infrastructures, telles que les ponts et garages de stationnement, sont susceptibles d'être endommagées par la corrosion tout en étant soumises à des charges oscillatoires qui provoquent de la fatigue. À ce jour, aucune information n'est disponible sur l'effet de la combinaison de la charge de fatigue et de la corrosion dans les structures renforcées par les systèmes MCRF. Dans ce travail, les comportements monotones et de fatigue en flexion des poutres en béton endommagées par la corrosion et renforcées par des systèmes MCRF ont été étudiés en plus de leur performance à long-terme, c'est-à-dire après une exposition à un environnement corrosif après leur renforcement. Le travail comprend des investigations expérimentales et numériques. Les prédictions analytiques et les formulations théoriques actuellement disponibles dans les codes de conception ont été aussi vérifiées par rapport aux résultats expérimentaux. Le programme expérimental consistait à tester trente (30) poutres en béton à grande échelle de 150 × 250 × 2800 mm. Les poutres ont été construites et testées en configuration de charge à quatre points. Un processus accéléré de corrosion a été utilisé pour corroder les armatures d'acier en traction dans le tiers central des poutres. Les paramètres d'essai comprenaient le niveau de corrosion (représenté par 10, 20 et 30% de perte de masse dans l'acier de traction), le type de système de renforcement utilisé (Polyparaphénylène benzobisoxazole (PBO-MCRF), MCRF de carbone et PRF), la quantité de composites MCRF (1, 2, 3 et 4 couches), le schéma de renforcement MCRF (couches ancrées aux extrémités par rapport aux couches continues sous forme U) et le régime de chargement (monotone et fatigue). Les résultats des tests ont montré que l'utilisation de composites MCRF améliorait significativement le comportement en flexion des poutres corrodées. Les composites MCRF ont contrôlé le mode de défaillance des poutres renforcées plutôt que le niveau de corrosion des barres d'acier. Les poutres renforcées par la MCRF ont montré une augmentation de leurs résistances ultimes variant entre 7 et 65% de celles des poutres vierges (poutres ni corrodées ni renforcées) en fonction du type, de la quantité et du schéma de la MCRF utilisée. L'exposition des poutres réparées par la MCRF à d’autres cycles de corrosion a entraîné une réduction de 23% de la perte de masse de l'acier. Le schéma en U était plus efficace que le schéma d'ancrage aux extrémités à retarder le délaminage des couches de MCRF dans les poutres renforcées et testées à court terme. Il a également atténué l'effet des fissures de corrosion longitudinales et, par conséquent, a augmenté l'efficacité du renforcement MCRF. Les essais de fatigue ont montré que la corrosion des barres d'acier diminuait considérablement la résistance à la fatigue des poutres non renforcées. Le renforcement avec des composites MCRF a augmenté la durée de vie en fatigue des poutres endommagées par la corrosion de 38 à 377% de celle des poutres corrodées non-renforcées. Cependant, le renforcement par MCRF n'a pas restauré la durée de vie en fatigue des poutres vierges. Dans l'étude numérique réalisée dans ce travail, des modèles d'éléments finis (ÉF) tridimensionnels (3D) ont été développés pour simuler le comportement non linéaire des poutres corrodées et renforcées par des composites MCRF et PRF à l'aide du progiciel ATENA-3D. Les résultats de l'analyse numérique étaient en bon accord avec ceux obtenus expérimentalement en termes de modes de défaillance, de déformations, de capacités de charge et de flèches. Les modèles ÉF développés ont été capables de capturer le comportement non-linéaire des poutres testées avec une bonne précision. Une étude paramétrique a ensuite été menée pour étudier l'effet de la résistance à la compression du béton et de l'épaisseur de recouvrement des armatures sur l'efficacité de renforcement des systèmes composites. Il a été observé que la rupture des poutres renforcées par des FRCM était indépendante de la résistance à la compression du béton ou de l'épaisseur de de recouvrement et était régie uniquement par le glissement du tissu dans la matrice. Sur le plan analytique, les équations de conception de l’ACI-549.4R-13 (ACI 2013) ont été évaluées à l'aide des données expérimentales obtenues à partir des tests. Il a été conclu que les formulations théoriques de l’ACI-549.4R-13 peuvent raisonnablement prédire les résistances ultimes des poutres renforcées ancrées à l'extrémité mais sous-estimer celles des poutres ancrées en continu sous forme U. Un facteur de schéma de 1,1 a ensuite été proposé pour calculer la résistance nominale des poutres renforcées par MCRF sous forme U. Le résultat de ce travail a été publié (ou soumis pour publication) dans cinq articles de revues et cinq conférences, comme détaillé tout au long de la thèse. / Corrosion of steel reinforcement is one of the most destructive mechanisms for reinforced concrete (RC) structures. Corrosion not only impairs the structural integrity and the serviceability of the damaged structure, but it may also lead to unexpected and brittle failures. Despite the rigorous provisions of most codes of practice to avoid corrosion, evidences of corrosion damage are still being reported. Recently, fabric-reinforced cementitious matrix (FRCM) systems were proposed as an innovative strengthening/repair technique for RC structures to overcome the drawbacks associated with the use of the well-documented fiber-reinforced polymer (FRP) systems. While the use of FRCM composites to strengthen un-damaged RC members has proven its efficiency, very little is known about the viability of their use to retrofit RC members with various levels of corrosion damage. In addition, the post-repair performance and the long-term durability of the FRCM-strengthened corroded members, which most likely will be exposed to the same environmental conditions that have prevailed prior their repair, have not received attention in the literature. Moreover, most of our infrastructures such as bridges and parking garages are susceptible to corrosion damage while continuously being subjected to oscillatory loads that cause fatigue. To date, no information is available about the effect of combining fatigue loading with corrosion in FRCM-strengthened structures. In this work, the monotonic and fatigue flexural behaviors of corrosion-damaged RC beams strengthened with FRCM systems were investigated in addition to their long-term performance, i.e. after further exposure to corrosive environment following their strengthening. The work includes experimental and numerical investigations. The analytical predictions and theoretical formulations that are currently available in the design codes have been verified against the experimental results. The experimental program consisted of testing thirty (30) large-scale RC beams of 150×250×2800 mm. The beams were constructed and tested under four-point load configuration. An accelerated corrosion process was utilized to corrode the bottom steel reinforcement in the middle third of the test specimens. The test parameters included the level of corrosion damage (represented by 10, 20, and 30% mass loss in the tensile steel), the type of the strengthening system used (Polyparaphenylene benzobisoxazole (PBO-FRCM), C-FRCM, and FRP), the amount of FRCM composites (1, 2, 3, and 4 layers), the FRCM strengthening Scheme (end-anchored versus continuously wrapped layers), and the loading regime (monotonic and fatigue). The test results showed that the use of FRCM composites significantly enhanced the flexural behavior of the corroded beams. FRCM governed the failure mode of the strengthened beams rather than the level of corrosion damage of the steel bars. FRCM-strengthened beams showed an increase in their ultimate strengths that ranged between 7 and 65% of that of the virgin (neither corroded nor strengthened) beam based on the type, amount, and Scheme of the FRCM used. Exposing the repaired beams to post-repair corrosion resulted in 23% reduction in the steel mass loss. The U-wrapped scheme was more efficient than the end-anchoring scheme in delaying the delamination of the FRCM plies in the short-term repaired beams. It also mitigated the effect of the longitudinal corrosion cracks and consequently increased the post-repair strengthening effectiveness of FRCM systems. Fatigue tests showed that corrosion of steel bars dramatically decreased the fatigue life of the unstrengthened-beams. Strengthening with FRCM composites increased the fatigue life of the corrosion-damaged beams by 38 to 377% of that of the corroded-unstrengthened beams. However, FRCM strengthening did not restore the fatigue life of the virgin beams. In the numerical study carried out in this work, three-dimensional finite element (FE) models were developed to simulate the nonlinear behavior of the corroded beams strengthened with FRCM and FRP composites using the software package ATENA-3D. The results of the numerical analysis were in good agreement with those obtained experimentally in terms of failure modes, strains, load-carrying capacities, and deflections. The developed FE models were able to capture the non-linear behavior of the tested beams with good accuracy. A parametric study was then conducted to investigate the effect of concrete compressive strength and thickness of concrete cover on the strengthening effectiveness of the composite systems. It was observed that failure of RCM-strengthened beams was independent of the compressive strength of concrete or the thickness of the concrete cover and was governed only by fabric slippage within the matrix. Analytically, the design equations of ACI-549.4R-13 (ACI 2013) were assessed using the experimental data obtained from the tests. It was concluded that the theoretical formulations of CI-549.4R-13 can reasonably predict the ultimate strengths of the end-anchored strengthened beams but underestimated those of continuously-anchored beams. A scheme factor of 1.1 was then proposed to calculate the nominal strength of beams strengthened with continuously-wrapped shape of FRCM. The outcome of this work has been published (or submitted for publication) in five journal articles and five conferences, as detailed throughout the thesis.

Cette thèse porte sur l'étude théorique et expérimentale des structures en béton armé sous sollicitations statique puis dynamique de type séismique. Une importante recherche bibliographique a été effectuée en vue d'analyser au mieux le comportement dynamique des matériaux ainsi que celui des éléments structuraux. Cette recherche est complétée par l'étude des structures essayées sur table séismique. Les enseignements qui ont été tirés de cette étude préalable, notamment ceux concernant la modification de la rigidité des structures Béton Armé sous chargement alterné et séismique, ont permis d'établir une méthode de calcul (dite ''statique équivalente") pour l'analyse de la tenue aux séismes des structures en Béton Armé. Cette méthode tient compte, en particulier de la non-linéarité du comportement des matériaux. Les réponses au séisme qui ont été obtenues par cette méthode sur des portiques essayés sur table vibrante, concordent de façon très satisfaisante avec les valeurs d'essais.

Le but de ce projet est de comprendre l’effet des cycles de gel/dégel sur le comportement en mécanique des poutres en béton armé de PRFB ainsi que le développement des capacités structurales des PRFB dans un renforcement interne. Afin de réaliser cette étude, vingt poutres en béton armé de PRFB ont été préparées et exposées à deux environnements différents le premier à une température ambiante et le deuxième à 260 cycles de gel/dégel de (-250C, à +150C). Le projet inclut aussi deux autres paramètres, le premier est le taux de renforcement qui est caractérisé par deux groupes (groupe 1) inclut des poutres sur armées et le (groupe 2) inclut des poutres sous-armées, le deuxième paramètre est le rapport entre la portée du cisaillement (a) et la profondeur de la poutre (d), (a/d). Les poutres ont été testées en flexion de quatre points. Les conclusions obtenues varient en fonction des paramètres étudiés. / The objective of this project is to study the effect of freeze-and-thaw cycles on the mechanical performance of concrete beams reinforced with basalt fibre-reinforced polymers (BFRP) bars that are recently developed. Twenty concrete beams reinforced with BFRP bars were cast and exposed to two different environments: (a) room temperature and (b) 260 cycles of freeze-and-thaw at temperature varying between 25oC and +15oC. The project investigated two other parameters namely (a) the internal reinforcement ratio (under and over reinforced beams) and the shear span-to-depth ratio (a / d). All beams were tested in four point bending. The experimental results were compared to the predictions of the Canadian code. The effect of each parameter on the behaviour of the beams is presented and discussed.

Selon les codes de construction canadiens, dans les bâtiments susceptibles d'être soumis à des efforts sismiques, un système de reprise des forces sismiques (SRFS) doit être défini et il doit être en mesure de reprendre la totalité des efforts latéraux infligés par les tremblements de terre. Cette hypothèse permet de dimensionner le SRFS sécuritairement, mais soulève également une difficulté : déterminer les efforts sismiques dans les éléments n'en faisant pas partie, c'est-à-dire les éléments du système de reprise des charges de gravité (SRCG). Cette difficulté a même été mise en évidence lors de récents séismes à travers le monde. En effet, plusieurs bâtiments munis d'un SRFS bien défini se sont effondrés ou ont dû être démolis sans que le SRFS n'ait atteint sa pleine capacité. C'est plutôt parce que le SRCG n'a pas été en mesure de subir les déplacements latéraux. Selon les codes de construction canadiens en vigueur (CNBC 2010 et CSA A23.3-14), les efforts dans les éléments ne faisant pas partie du SRFS doivent être déterminés par analyse non linéaire ou par une méthode simplifiée si certains critères sont respectés. Ce mémoire de maîtrise présente une nouvelle méthode pour calculer les efforts dans les éléments ne faisant pas partie du SRFS basée sur l'analyse dynamique linéaire. Cette nouvelle méthode est basée sur l'hypothèse que si, dans le modèle d'éléments finis d'un bâtiment, la rigidité des éléments qui ne font pas partie du SRFS est réduite par un facteur assez élevé, les déplacements du modèle complet seront égaux à ceux du SRFS et les efforts peuvent être déterminés en les majorant par le facteur de réduction de la rigidité. La nouvelle méthode est démontrée par le calcul de la réponse sismique de bâtiments de 12 étages en béton armé symétrique et asymétrique. Aussi, ces résultats sont comparés à ceux obtenus à partir de l'application de la méthode d'analyse simplifié proposé dans la norme canadienne calcul des structures en béton (CSA A23.3-14, art. 21.11.2.2). Afin d'avoir des valeurs de comparaison cohérentes, des analyses non linéaires dans le temps sont également effectuées. Les résultats montrent que la nouvelle méthode peut prédire adéquatement le cisaillement et le moment de flexion en requérant moins de temps de modélisation que la méthode simplifiée de la norme A23.3-14. Par conséquent, cette nouvelle méthode est un bon substitut à l'analyse non linéaire pour prédire les forces sismiques dans les éléments ne sont pas considérés partie du SRFS.

Abstract : One of the aims of the thesis is to study corrosion development in cracked concrete, in relation to the effect of concrete cover depth, exposure direction, load-induced transverse cracks, defects in the steel-concrete interface under horizontal bars caused by top-casting and self-healing of the transverse cracks. The other aim is to study the mechanical performance of reinforced concrete beams damaged by corrosion accelerated by a climate accelerated method (wetting/drying cycles in salt fog). Two main parts are included in this thesis. The first part discusses corrosion development, including corrosion initiation and propagation, in cracked concrete. The second part discusses the mechanical performance of slender and deep beams damaged by climate accelerated corrosion, in terms of failure mode, yield capacity, ultimate capacity and ultimate deflection. According to the experimental study, it was found that, corrosion always initiated under the load-induced cracks. It should be noted that corrosion initiation is related to appearance of cracks but not crack width. The surface exposure condition is also an important parameter influencing corrosion development. Top-tensioned surface is the worst exposure condition, because corrosion development was accelerated by both ponding and gravity effect of chloride solution. Furthermore, top-casting-induced defects formed in steel-concrete interface under horizontal top-cast bars due to bleeding, segregation and settlement of fresh concrete, and they were favorable for both corrosion initiation and propagation. Self-healing occurred when the cracked samples were cured in a humidity room with 100% R.H due to the formation of ettringite in the inner zone and calcite in the outer zone of crack planes. Self-healing reduced air flow through the cracks and reduced the risk of corrosion considerably. The flexural performances of slender beams were tested. Corrosion of the reinforcements modified the failure mode of reinforced concrete beams. Both yield and ultimate capacity were correlated to the maximum cross-sectional loss of tensile bars. The experimental results indicated that 1% reduction in cross-section corresponds to 1% reduction in yielding capacity and ultimate capacity. For mechanical performance of deep beams, the results show that, serious pitting corrosion on the tensile bars changed the failure mode from shear to flexure. The failure mode of corroded deep beams depends not only on span to effective depth ratio and corrosion degree of tensile bars, but also on the corrosion degree of stirrups. / Résumé : Un des objectifs de la thèse est d'étudier le développement de la corrosion dans le béton armé fissuré, en fonction de l’enrobage des armatures, des conditions d’exposition, de l’endommagement de l’interface acier-béton induit par le chargement et des défauts de l'interface acier-béton sous les barres horizontales liés à la mise en œuvre du béton frais en prenant en compte l'auto-cicatrisation des fissures transversales. L'autre objectif est d'étudier la performance mécanique des poutres en béton armé endommagées par la corrosion naturelle en ambiance agressive (des cycles humifification/séchage en brouillard salin). Deux parties principales constituent cette thèse. La première partie traite du développement de la corrosion, à la fois initiation et propagation, dans le béton armé en présence de fissures. La deuxième partie traite de la performance mécanique des poutres longues et courtes endommagés par la corrosion des armatures, en termes de mode de défaillance, seuil de plastification, capacité ultime résiduelle et flèche ultime à rupture. Les résultats de l'étude expérimentale confirment que la corrosion est toujours initiée dans les fissures induites par le chargement. Il convient de noter que la corrosion est liée à la présence des fissures mais pas à leur largeur. Les conditions d'exposition sont également un paramètre important influençant le développement de la corrosion. Ainsi, une surface tendue correspondant à la surface supérieure est la pire condition d'exposition, parce que le développement de la corrosion est accéléré par les effets de l’accumulation des chlorures ainsi que l’effet gravitaire favorisant leur pénétration. En outre, les dommages induits par le “top-cast effect” qui sont formés à l'interface acier-béton sous les barres horizontales par le ressuage et le tassement du béton frais, sont favorables à la fois à la l’initiation et à la propagation de la corrosion. Le phénomène d’auto-cicatrisation des fissures survient lorsque les échantillons fissurés sont conservés à 100% d'humidité relative en raison de la formation d'ettringite dans la zone intérieure et de la calcite dans la zone extérieure du plan de fissuration. L’auto-cicatrisation réduit le débit d'air à travers les fissures et réduit considérablement le risque de corrosion. Les performances en flexion de poutres longues ont été testées. La corrosion des armatures modifie le mode de défaillance des poutres en béton armé. La diminution de la charge de plastification et de la capacité ultime a été corrélée à la perte de section transversale des barres tendues. Les résultats expérimentaux indiquent qu’une réduction de 1% de la section transversale correspond à une réduction de 1% de la charge de plastification et de la capacité ultime. En ce qui concerne les performances mécaniques des poutres courtes, les résultats montrent qu’une corrosion sévère par piqûres sur les armatures tendues change le mode de défaillance par cisaillement à celui en flexion. Le mode de rupture des poutres courtes corrodées dépend non seulement du ratio entre la portée et la hauteur utile, mais également du degré de corrosion des cadres d’effort tranchant.

Ce document traite des impacts de blocs rocheux sur les ouvrages de protection et plus particulièrement de leurs conséquences sur le dimensionnement et le suivi de tels ouvrages. La première partie est consacrée à des ouvrages innovants multicouches pour la protection de bâtiments contre des chutes de blocs avec des énergies inférieures au mégajoule (MJ). La deuxième partie est consacrée aux ouvrages de protection de type PSD (pare-blocs structurellement dissipant) avec dalle horizontale destinés à protéger des voies de circulation (routes, voies ferrées,...) soumis à des impacts de blocs rocheux pouvant aller jusqu'à 20 MJ. Les premières études ont été complétées ici par celle du fonctionnement des ouvrages PSD comportant une dalle inclinée. Enfin la dernière partie concerne le suivi des ouvrages PSD : comme cela est évoqué dans la deuxième partie, les PSD peuvent être endommagés lors d'impacts exceptionnels et il semble important de pouvoir effectuer un suivi de ces ouvrages en caractérisant les endroits où les impacts ont eu lieu mais aussi le niveau de sollicitation. Pour cela nous avons utilisé une approche fondée sur l'analyse inverse et les premiers résultats obtenus sont présentés. Enfin ce document se termine par une analyse de ces différentes approches et des pistes qu'il reste encore à explorer.