Thèse en cotutelle, doctorat en génie civil : Université Laval, Québec, Canada, Philosophiæ doctor (Ph. D.) et Université Toulouse III - Paul Sabatier, Toulouse, France / Un modèle de comportement mécanique des bétons fibrés est développé et implanté dans le logiciel éléments finis Cast3m. Il vient compléter le modèle de fissuration orthotrope du béton Fluendo3D, en ajoutant la capacité de traiter des matériaux à fibres courtes, cylindriques et rectilignes. Ce modèle, qui s'appuie sur des données d'essais et certains mécanismes modélisés issus de la littérature, permet d'apporter des éléments de compréhension du comportement de ce type de matériau, et notamment concernant le phénomène de multi-fissuration. La caractérisation des phénomènes mis enjeu durant l'extraction des fibres est le point de départ de cette étude. Les effets de l'inclinaison des fibres par rapport à la direction d'extraction sont pris en compte et interviennent dans le comportement du modèle qui présente la capacité d'utiliser des orientations préférentielles de fibres. Le phénomène de multi-fissuration est représenté grâce à une loi d'effet d'échelle de Weibull qui permet de tenir compte de la dispersion des résistances à la traction du béton et d'expliquer le développement de la multi-fissuration. Cette représentation permet d'obtenir des distributions d'ouvertures de fissures dans des macro-éléments finis, et apporte donc une nouvelle précision dans le calcul des ouvertures de fissures dans des structures de grandes dimensions. / A model for the mechanical behavior of fiber-reinforced concrete is developed and implemented in Cast3m finite element software. It completes the orthotropic concrete cracking model Fluendo3D, by adding the ability to treat materials with short, cylindrical and straight fibers. This model, which is based on tests results and assumptions of mechanisms modelled from litterature, provides elements of understanding of the behavior of this type of material, especially concerning the phenomenon of multi-cracking. The characterization of the phenomena involved during the extraction of the fibers is the starting point of this study. The effects of the inclination of the fibers with respect to the direction of extraction are taken into account and intervene in the behavior of the model which presents the capacity to use preferential orientations of fibers. The multi-cracking phenomenon is represented by a Weibull scaling law that allows to take into account the dispersion of the concrete tensile strengths and to explain the development of multi-cracking process. This representation makes it possible to obtain crack opening distributions in macro-finite elements, and thus brings a new precision in the calculation of cracks openings in large structures.

Thèse en cotutelle, doctorat en génie civil : Université Laval, Québec, Canada, Philosophiæ doctor (Ph. D.) et Université Toulouse III - Paul Sabatier, Toulouse, France / Un modèle de comportement mécanique des bétons fibrés est développé et implanté dans le logiciel éléments finis Cast3m. Il vient compléter le modèle de fissuration orthotrope du béton Fluendo3D, en ajoutant la capacité de traiter des matériaux à fibres courtes, cylindriques et rectilignes. Ce modèle, qui s'appuie sur des données d'essais et certains mécanismes modélisés issus de la littérature, permet d'apporter des éléments de compréhension du comportement de ce type de matériau, et notamment concernant le phénomène de multi-fissuration. La caractérisation des phénomènes mis enjeu durant l'extraction des fibres est le point de départ de cette étude. Les effets de l'inclinaison des fibres par rapport à la direction d'extraction sont pris en compte et interviennent dans le comportement du modèle qui présente la capacité d'utiliser des orientations préférentielles de fibres. Le phénomène de multi-fissuration est représenté grâce à une loi d'effet d'échelle de Weibull qui permet de tenir compte de la dispersion des résistances à la traction du béton et d'expliquer le développement de la multi-fissuration. Cette représentation permet d'obtenir des distributions d'ouvertures de fissures dans des macro-éléments finis, et apporte donc une nouvelle précision dans le calcul des ouvertures de fissures dans des structures de grandes dimensions. / A model for the mechanical behavior of fiber-reinforced concrete is developed and implemented in Cast3m finite element software. It completes the orthotropic concrete cracking model Fluendo3D, by adding the ability to treat materials with short, cylindrical and straight fibers. This model, which is based on tests results and assumptions of mechanisms modelled from litterature, provides elements of understanding of the behavior of this type of material, especially concerning the phenomenon of multi-cracking. The characterization of the phenomena involved during the extraction of the fibers is the starting point of this study. The effects of the inclination of the fibers with respect to the direction of extraction are taken into account and intervene in the behavior of the model which presents the capacity to use preferential orientations of fibers. The multi-cracking phenomenon is represented by a Weibull scaling law that allows to take into account the dispersion of the concrete tensile strengths and to explain the development of multi-cracking process. This representation makes it possible to obtain crack opening distributions in macro-finite elements, and thus brings a new precision in the calculation of cracks openings in large structures.

En Amérique du nord, la majorité des structures en béton, approchant leur fin de vie, présentent des conditions sévères de détérioration. Les effets combinés de cycles de gel-dégel et la présence de sel de déglaçage sont les raisons principales de dégradation des structures. De plus, la présence de fissures accélère considérablement la dégradation en offrant un chemin préférentiel à la pénétration des agents agressifs. Grâce à leur grande résistance en compression et leur comportement ductile en traction, leur faible perméabilité et grande résistance à la pénétration des ions chlorure, l'utilisation des bétons fibrés à ultra-haute performance (BFUP) est une solution de choix pour augmenter la durée de vie des structures. Plusieurs études évaluent la durabilité du BFUP en utilisant les mêmes méthodes que pour le béton ordinaire, soit avec des échantillons de BFUP sain et les résultats de ces études confirment la durabilité exceptionnel du matériau. Cependant, en état de service, le BFUP comme le béton ordinaire présente des fissures soit en raison du retrait ou de la charge appliquée à la structure. Il est bien connu que, pour le béton ordinaire, la durabilité du matériau diminue grandement une fois fissurée au-delà d'un seuil critique. Le BFUP ayant un comportement plus ductile, il est possible de s'attendre à une meilleure durabilité que le béton ordinaire pour une même déformation. Cependant, peu d'études permettent de faire un lien direct entre la durabilité du matériau et l'ouverture des fissures du matériaux lorsqu'il est mis sous charge. Ce projet de maîtrise se divise en deux parties. La première est de faire la caractérisation de la durabilité de différents mélanges de BFUP, disponibles au Québec. La seconde partie consiste à caractériser la résistance à la pénétration des ions chlorure pour des poutres de BFUP soumises à une charge de flexion. Ces poutres présentent des micro-fissures du même ordre de grandeur qu'à l'état de service. Pour la caractérisation de la durabilité de différents mélanges, des informations sur la porosité des matériaux, la résistance à l'écaillage et la perméabilité aux ions chlorure sont obtenus. La perméabilité est évaluée selon un essai de migration accéléré et selon une procédure modifiée de cet essai accéléré, développée et adaptée pour les BFUP lors de précédents travaux. Les résultats confirment l'excellente durabilité des BFUP. La procédure modifiée de l'essai de migration accélérée reste difficile à mener pour des matériaux comportant des fibres métalliques et es améliorations sont suggérées. Pour l'évaluation de la perméabilité aux ions chlorure des poutres de BFUP maintenues sous charge, un montage et une méthode d'essai ont été développés et validés. L'analyse par corrélation d'images numériques est utilisée pour l'observation et la mesures des ouvertures des fissures. La perméabilité aux ions chlorures des poutres maintenues sous charge est évaluée par un essai de migration accélérée. Les coefficients de diffusion des ions chlorures obtenus pour les poutres fissurées sont inférieures à celui de la poutre de référence non chargée. Ce résultat inattendu est également observé avec les profils de chlorure. L'application d'un courant électrique pour l'accélération de l'essai de migration et la présence de micro-fissure pourrait être en cause. Une recherche plus exhaustive à ce sujet doit être menée pour comprendre ce phénomène. / In North America, most of concrete structures, as they approach their lifetime design, present severe deterioration conditions. The combined effects of freeze-thaw cycles and the presence of de-icing salt are the main reasons for structural degradation. In addition, the presence of cracks considerably accelerates degradation by providing a preferential path for aggressive agents to penetrate. Thanks to their high compressive strength and ductile tensile behaviour, low permeability and high resistance to chloride ion penetration, the use of Ultra-High Performance Fiber Reinforced Concrete (UHPFRC) is a preferred solution to increase the service life of structures. Several studies evaluate the durability of UHPFRC using the same methods as for ordinary concrete, i.e. with samples of sound UHPFRC and the results of these studies confirm the exceptional durability of the material. However, in service state, UHPFRC, like ordinary concrete, exhibits cracks either due to shrinkage or load applied to the structure. It is well known that, for ordinary concrete, the durability of the material greatly decreases when cracked above a critical threshold. Since UHPFRC has a more ductile behaviour, it is possible to expect a better durability than ordinary concrete for the same deformation. However, few studies have made a direct link between the durability of the material and the opening of material cracks when loaded. This master's project is divided in two parts. The first part to characterize the durability of different UHPFRC available in Quebec. The second part consists of characterizing the resistance to chloride ion penetration for UHPFRC loaded beams. These beams have microcracks of the same order of magnitude as in service condition. For the characterization of the durability of different UHPFRC, information on material porosity, scalling resistance and chloride ion permeability is obtained. Permeability is assessed according to an accelerated migration test and a modified procedure of this accelerated test, developed and adapted for UHPFRC in previous work. The results confirm the excellent durability of UHPFRC. The modified accelerated migration test procedure remains difficult to carry out for materials containing metallic fibers and possible improvements are suggested. For the evaluation of the chloride ion permeability of UHPFRC beams maintained under load, a test set-up and a method are developed and validated. Digital Image Correlation analysis is used for observing and measuring crack openings. The chloride ion permeability of beams held under load is evaluated by an accelerated migration test. This unexpected result is also observed with chloride profiles. The application of an electrical current to accelerate the migration test and the presence of micro-cracking may be the issue. A more comprehensive research is needed to understand this phenomenon.

Le béton fibré à ultra-haute performance (BFUP) est doté d'une durabilité exceptionnelle. Les essais de migration accélérée qui sont couramment appliqués pour mesurer la diffusion du chlore dans le béton s’appliquent difficilement aux composites à base de ciment à cause de leur très faible perméabilité, voire ne s’appliquent pas du tout lorsque ces composites contiennent des fibres métalliques. Afin d'évaluer sa durabilité dans les structures, il y a aujourd'hui un besoin critique d'évaluer avec précision le niveau de perméabilité afin que les entreprises prennent confiance à utiliser ce matériau en émergence sur le marché. Des profils de chlore et des coefficients de diffusion de chlore relativement faible Dcl ont été mesurés pour les BFUP avec des fibres organiques et métalliques. Cependant, certains échantillons avec fibres métalliques ont montré une présence de corrosion et des fissures avant la fin de l'essai de migration accélérée. / Ultra-high-performance fiber reinforced concrete (UHPFRC) is exceptionally durable. Accelerated migration tests are commonly applied to measure the chloride diffusion. This test is applied with difficulty to cementitious composites because their very low permeability, or not at all when these composites such as UHPCs contain metallic fibers. In order to improve its durability in the structural application, there is now a critical need to accurately assess the level of permeability, so that companies gain confidence in using this emerging material on the market. Chloride profiles and relatively low chloride diffusion coefficients Dcl were found for the UHPFRC with organic and metallic fibers. However, some samples with metallic fibers showed corrosion and cracking before the end of the accelerated migration test.

Ce travail examine les propriétés mécaniques du béton léger (LWAC) fabriqué avec des granulats commercialement connus par Stalite et renforcé avec des fibres. Les paramètres étudiés comprenaient la résistance à la compression (25 et 40 MPa), le type de fibres (acier, synthétique, basalte-minibars ou BMB et hybrides) et la fraction volumique des fibres (0,5 et 1%). Les essais effectués comprenaient des essais de compression, de déformation axiale, de traction sous pression, de module d'élasticité, de flexion, de retrait et de perte de masse. De plus, des tests de pénétration des ions chlorure et de résistivité de surface ont été effectués pour examiner la durabilité du béton. Les résultats des essais ont montré que le coefficient d'efficacité du LWAC, défini comme le rapport entre la résistance à la compression et la densité, était supérieur de 16% à celui du béton de poids normal (NWC). De plus, le module d'élasticité de LWAC a chuté de 8,5 à 15,2% par rapport à celui de NWC alors que son coefficient de Poisson variait entre 0,2 et 0,24. L'ajout de fibres a amélioré les propriétés mécaniques du LWAC. L'absorption d'énergie de LWAC a augmenté de 129% en augmentant la fraction volumique des fibres BMB de 0,5 à 1%. De plus, le module de rupture du LWAC était plus élevé que celui prévu avec les formulations ACI 318 (2014). Les résultats des tests de durabilité ont montré que la pénétration des ions chlorure de LWAC était « très faible » selon la classification ASTM C1202 (2012). De plus, l'utilisation d'agrégats légers a augmenté la résistivité de surface du béton jusqu'à 150%. Cependant, l'ajout de fibres d'acier a augmenté la pénétration des ions chlorure et diminué la résistivité de surface du mélange, tandis que l'ajout de fibres BMB n'a montré aucune influence sur les deux paramètres. / This study investigates the mechanical properties and durability of lightweight aggregate concrete (LWAC) made with expanded slate coarse aggregates (commerciallyknown as Stalite aggregates) and reinforced with different types of fibers. The parameters investigated included the compressive strength (25 and 40 MPa), the type of fibers (steel, synthetic, and basalt-minibars or BMB, and hybrid fibers), and the volume fraction of the fibers used (0.5 and 1%). The experimental tests conducted to characterize the obtained LWAC included compression tests, axial deformation tests, pressure tension tests, modulus of elasticity tests, flexure tests, shrinkage tests, and mass-loss tests. Furthermore, both chloride-ion penetration and surface resistivity tests were carried out to examine the durability of LWAC mixes. Test results showed that the efficiency ratio of LWAC, defined as the ratio of compressive strength to density, was 16% higher than that of normal weight concrete (NWC). Moreover, the modulus of elasticity of LWAC dropped by 8.5 to 15.2% compared to that of NWC whereas its Poisson’s ratio ranged between 0.2 and 0.24. The addition of fibers significantly enhanced the mechanical properties of the LWAC. For instance, the energy absorption of LWAC increased by 129% by increasing the volume fraction of BMB fibers from 0.5 to 1%. Furthermore, the modulus of rupture of LWAC was higher than that predicted using ACI 318 (2014) formulations. In terms of durability, test results showed that the chloride penetration of LWAC was “very low” according to ASTM C1202 (2012) classification. Moreover, using lightweight aggregates increased the surface resistivity of concrete up to 150%. However, the addition of steel fibers increased the chloride penetration and decreased the surface resistivity of the mix while the addition of BMB fibers showed no influence on both parameters.

La détérioration des structures en béton armé est inévitable pour de nombreuses raisons telles que les exigences de charge, les changements d'utilisation, les changements dans les codes de conception, et le plus important, l'exposition continue à un environnement difficile pendant le cycle de vie. Par conséquent, ils deviennent vulnérables à la fissuration, à la carbonatation du béton, à l'écaillage de la couverture et à d'autres formes de détérioration qui rendent indispensable la demande de processus de modernisation et de renforcement. Récemment, les systèmes matrices cimentaires renforcées de fibres (MCRF) ont rejoint la famille des matériaux de renforcement/réparation en tant qu'alternative prometteuse pour surmonter les inconvénients associés aux systèmes de polymère renforcé de fibres (PRF). Les MCRF ont montré des performances significatives dans le renforcement des structures déficientes/détériorées en termes de déformation et de capacité de charge. Cependant, l'utilisation de tels systèmes a été limitée aux structures simplement soutenues. À ce jour, la faisabilité de l'utilisation de systèmes MCRF pour renforcer les structures à plusieurs portées n'a jamais été signalée, bien que de telles structures se manifestent dans de nombreuses applications d'ingénierie telles que les bâtiments résidentiels, les garages de stationnement, les ponts supérieurs et les ponts à longue portée. Par conséquent, le comportement de telles structures lorsqu'elles sont renforcées avec des MCRF est inconnu en termes de modes de rupture, de ductilité et, surtout, de formation de rotules plastiques à leurs sections critiques. Dans cette étude, le comportement en flexion de poutres à multi-portées en béton armé déficientes et renforcées avec des systèmes MCRF a été étudié. Le travail comprend des enquêtes expérimentales et analytiques. Le travail expérimental consistait en seize poutres à deux portées à grande échelle de 150 x 250 x 3600 mm. Les poutres ont été construites et testées dans des configurations de charge à cinq points. Pour stimuler le défaut de flexion qui pourrait survenir lors de la conception ou pendant la construction, le rapport des armatures de traction interne dans la section déficiente était presque de 50 % de celui de l'autre section et doit donc être renforcé. Les paramètres d'essai comprenaient l'emplacement (sections négatives ou positives) et le type de systèmes de renforcement utilisés (PBO-MCRF, C-MCRF et PRF), le nombre de composites MCRF (1, 2 et 4 couches), et le schéma de renforcement (configurations symétriques et asymétriques). Les résultats des tests ont reflété le rôle important de l'utilisation de MCRF systèmes dans l'amélioration de la réponse en flexion des structures continues déficientes, en particulier la ductilité, les rapports de redistribution des moments et les capacités de charge. Les systèmes MCRF, en particulier PBO-MCRF, ont montré une réponse de glissement progressive entre les fibres et leur matrice environnante, contrairement à la manière rigide et soudaine courante des systèmes PRF. Ceci était cohérent avec la ductilité des poutres renforcées, qui présentaient des indices comparables à ceux des poutres de contrôles. Par conséquent, les sections renforcées avaient une capacité de rotation suffisante pour redistribuer les moments dans un intervalle représentant 42 et 80 % de celle de leurs homologues non renforcées dans la poutre de contrôle. Les systèmes MCRF ont également amélioré la capacité de flexion des poutres renforcées avec une augmentation comprise entre 5 et 36 % de celle des poutres de contrôle par rapport à une augmentation comprise entre 31 et 63 % pour la capacité de moment, en fonction du type, de la quantité, de l'emplacement et de la configuration du MCRF utilisé. De plus, l'utilisation de couches MCRF dans les régions d'affaissement a considérablement amélioré la rigidité en flexion des poutres renforcées dans la phase de service (avant la plastification de l'acier) par rapport à leurs homologues dans les sections de monopolisation. Cela était dû à l'effet de restriction des composites MCRF sur le comportement à la fissuration émergé dans de telles régions d'affaissement Analytiquement, les directives de conception de l'ACI 549.4R-20 (ACI 2020) ont été étudiées à l'aide des données expérimentales obtenues à partir des tests. Il a été conclu que les formulations de l'ACI 549.4R (2020) sous-estimaient les résistances ultimes des poutres renforcées par MCRF. Par conséquent, l'auteur a développé un modèle de déformation qui peut identifier avec précision les déformations de décollement dans les systèmes MCRF à utiliser dans les équations de conception estimant la contribution de ces systèmes à la capacité de flexion des éléments renforcés. Cette étude a introduit un modèle analytique qui peut prédire avec précision le comportement en flexion des structures à plusieurs travées en mettant l'accent sur leur capacité de rotation et leur ductilité. Contrairement aux modèles disponibles dans la littérature, le modèle proposé tient compte de la variation de la rigidité de la structure lors du chargement y compris celle du système de renforcement utilisé. Le modèle peut déterminer avec précision la capacité de rotation des rotules en plastique formées, estimer le rapport de redistribution des moments entre les sections critiques à n'importe quelle charge appliquée et anticiper le mécanisme de défaillance de la structure renforcée. L'efficacité du modèle a été validée par rapport aux résultats d'essais des poutres renforcées avec MCRF considérées dans le programme expérimental et un bon accord entre les résultats expérimentaux et analytique a été obtenu. Afin de déterminer avec précision les flèche à mi-portée des structures renforcées à multi-portées, un nouveau paramètre de réduction a été incorporé dans les formulations ACI 318 (2019) pour tenir compte de la rigidité du système de renforcement, car ces formulations ont été principalement développées pour les structures non renforcées. Les nouvelles formulations ont considérablement amélioré la prédiction de la capacité de déflexion des structures renforcées avec un rapport expérimental/analytique moyen de 1.02 contre 1.7 lorsque les formulations ACI ont été utilisées. Le résultat de ce travail a été publié (ou soumis pour publication) dans cinq articles de revues et un article dans une conférence, comme détaillé tout au long de la thèse. / Deterioration of reinforced concrete (RC) structures is unavoidable due to many reasons such as loading requirements, changes in use, change in the design codes, and the most important the continuous exposure to harsh environment during the life cycle. Consequently, they become vulnerable to cracking, concrete carbonation, cover spalling, and other forms of deterioration that make the demand for retrofitting and strengthening processes are essential. At present, fabric reinforced cementitious matrix (FRCM) systems have recently joined the family of strengthening/repairing techniques as a promising alternative to overcome the drawbacks associated with fiber reinforced polymer (FRP) systems. FRCM showed significant performance in strengthening the deteriorated structures in terms of the deformation and the load-carrying capacities. However, the use of such systems has been limited to the simply supported structures. To date, the feasibility of the use of FRCM systems to strengthen multi-span RC structures has never been reported, though such structures are manifested in many engineering applications such as RC residential buildings, parking garages, and long span bridges. Therefore, the behavior of RC continuous structures when strengthened with FRCM systems is unknown in terms of failure modes, ductility, moment redistribution between critical sections and most importantly, the formation of plastic hinges at those sections. In this study, the flexural behavior of RC deficient continuous beams strengthened with FRCM systems were investigated. The work included experimental and analytical investigations. The experimental work consisted of sixteen large-scale continuous beams of 150 x 250 x 3600 mm. The beams were constructed and tested under five-point load configurations. To stimulate the flexural deficiency that might occur in design or during construction, the ratio of the internal tensile steel in the deficient section was almost 50% of that of the other section and therefore need to be strengthened. The test parameters included the location (hogging or sagging sections) and the type of strengthening systems used (PBO-FRCM, C-FRCM, and FRP), the number of FRCM systems (1, 2, and 4 layers), and the strengthening scheme (symmetric and asymmetric configurations). The test results proved the efficiency of FRCM systems in enhancing the flexural response of RC deficient continuous structures, particularly the ductility, the moment redistribution ratios, and load-carrying capacities. FRCM systems, especially PBO-FRCM showed gradual slippage response between the fibers and their surrounding matrix contrary to the common stiff and sudden manner of FRP systems. This was consistent with the ductility of the strengthened beams, which showed comparable indices to that of the control beams. Consequently, the strengthened sections had enough rotation capacity to redistribute the moments in a range representing 42 and 80% from that of their unstrengthened counterparts in the control beam. FRCM also increased the load-carrying capacity of the strengthened beams in a range between 5 and 36% of that in the control beams compared to an increase ranged between 31 and 63% for the moment capacity, based on the type, amount, location, and configuration of the FRCM used. Moreover, strengthening the sagging regions notably enhanced the flexural stiffness of the strengthened beams in the service stage (before steel yielding) compared to their counterparts in the hogging regions. This was due to the restriction effect of FRCM composites on the cracks formation and their pattern emerged in such sagging regions. Analytically, the design guidelines of ACI 549.4R-20 (ACI 2020) were investigated using the experimental data obtained from the tests. It was concluded that the formulations of ACI 549.4R (2020) underestimated the ultimate strengths of FRCM-strengthened beams. Therefore, the author developed a strain model that can accurately identify the debonding strains in FRCM systems to be used in the design equations estimating the contribution of such systems to the flexural capacity of strengthened elements. This study proposed an analytical model that can accurately predict the flexural behavior of multi-span RC structures with a focus on their rotational capacity and ductility. Unlike the available models in the literature, the proposed model accounts for the variation in the structure's stiffness during loading including that of the strengthening system used. The model can precisely determine the rotational capacity of the formed plastic hinges, estimate the moment redistribution ratio between the critical sections at any applied load, and anticipate the failure mechanism of the strengthened structure. The efficiency of the model was validated against the test results of FRCM-strengthened beams considered in the experimental program and a good agreement between the experimental and the theoretical results was obtained. To accurately determine the midspan deflections of continuous EB-strengthened structures, a new reduction parameter was incorporated in the ACI 318 (2019) formulations to account for the stiffness of the strengthening system, as those formulations were mainly developed for unstrengthened RC structures. The new formulations substantially enhanced the prediction of the deflection capacity of the strengthened structures with an average experimental-to-analytical ratio of 1.02 versus 1.7 when ACI formulations were used. The outcome of this work has been published (or submitted for publication) in five journal articles as well as one conference paper as detailed throughout the thesis.

Titre de l'écran-titre (visionné le 2 mai 2023) / Les bétons renforcés de fibres à ultra-hautes performances (BFUP) sont une nouvelle classe de composites de ciment aux propriétés mécaniques et de durabilité exceptionnelle qui inspirent la créativité architecturale, tout en prolongeant la durée de vie des bâtiments et des structures. Cette thèse vise à introduire de nouveau BFUP écologique avec des structures à faible teneur en ciment et des outils avancés pour tenir compte des défis industriels qui limitent l'utilisation du BFUP, en particulier l'architecture de formes complexes, telles que la distribution des fibres. Premièrement, les propriétés mécaniques d'un nouveau BFUP écologique à faible teneur en ciment qui a été récemment développé à l'Université Laval seront caractérisées dans cette étude en mettant l'accent sur des essais d'extraction et des essais de flexion. Ensuite, nous couplons la méthode d'inductance magnétique (MIM) et la méthode des éléments finis (FEM) pour tenir compte de la distribution des fibres afin de prédire le comportement en traction et en flexion du BFUP avec différentes distributions de fibres. Une vaste campagne expérimentale a été menée sur le test d'arrachement de fibre unique, le test de traction directe et le test de flexion à quatre points sur des éléments architecturaux aux formes complexes. Les méthodes de moulage ont également été variées pour comprendre l'effet de la distribution et de l'orientation des fibres. Sur la base des résultats présentés, ce travail a développé et validé avec succès un outil MIM-FEM pour prédire le comportement en traction du BFUP en tenant compte de la distribution non uniforme des fibres. En particulier, les éléments complexes de X-connexion d'un projet de passerelle futuriste pour le Québec sont utilisés pour évaluer les outils développés et leurs limites. Le présent travail offre une nouvelle direction pour favoriser les projets d'applications de BFUP au Québec pour améliorer leur fiabilité contre la distribution de fibres ainsi que pour introduire de nouveau BFUP à faible émission de carbone. / Ultra-High-Performance Fiber Reinforced Concrete (UHPFRC) are a new class of cement composites with outstanding mechanical and durability properties which inspires architectural creativity, while extending the life of buildings and structures. This thesis aims to introduce novel ecological UHPFRC with low cement structures and advanced tools to account for industrial challenges which limit the use of UHPFRC, especially architecture of complex forms, such as the fiber distribution. Firstly, the mechanical properties of a new ecological UHPFRC with low cement which was recently developed at Laval Université will be characterized in this study with emphasis on pull-out tests and bending tests. Then, we couple the magnetic inductance method (MIM) and Finite Element Methods (FEM) to account for the fiber distribution to predict the tensile and bending behavior of UHPFRC with different fiber distributions. A wide experimental campaign was carried out on single fiber pull-out tests, direct tensile tests and four-point bending tests, along with bending tests on architectural elements with complex shapes. The casting methods were also varied to understand the effect of fiber distribution and orientation. Results from this work show the successful development and validation of MIM-FEM tool to predict the tensile UHPFRC behavior by considering a non-uniform fiber distribution. In particular, the complex X-connection elements of a futuristic footbridge project for Quebec is used to evaluate the tools developed and their limitations. The present work opens a new direction to foster UHPFRC applications projects in Quebec to enhance their reliability against the fiber distribution effects as well as for introducing novel UHPFRC with low carbon.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2012-2013. / Le comportement des bétons fibrés à ultra-hautes performances (BFUP) dépend fortement de l’orientation des fibres vis-à-vis de la direction des sollicitations. L’orientation des fibres étant principalement due à la mise en oeuvre de la structure, la ductilité d’un ouvrage s’en retrouve fortement dépendant. Dans ce mémoire de maîtrise, un modèle numérique est développé pour capturer l’effet de l’orientation des fibres via leurs mécanismes d’extraction. Il s’agit d’un modèle d’endommagement micromécanique, utilisé dans le cadre de la mécanique de la rupture linéaire élastique permettant de modéliser la propagation des fissures, la dissipation d’énergie et donc la ductilité de la structure. Cette approche permet également de rendre le modèle indépendant de la finesse du maillage et de modéliser l’effet d’échelle. Dans ce travail, les BFUP sont composés de fibres courtes en acier dont le pourcentage volumique est inférieur à 3%. La résistance en compression du BFUP est si grande que le matériau est admis être purement linéaire élastique en compression. Le modèle est implanté dans le logiciel Code_Aster pour calibration, validation et application sur des essais de traction et sur des essais de flexion quatre points : le modèle développé reproduit très bien ces résultats expérimentaux. / The behavior of ultra-high performance fiber reinforced concrete (UHPFRC) strongly depends on fibers’ orientations relatively to the direction of stresses. Fibers’ orientations are mostly due to concrete casting of the structure and therefore the ductility of a structure is highly dependent of those orientations. In this MSc thesis, a numerical model is developed to capture the effect of fiber orientation considering the fiber pull-out mechanism. A micromechanical damage model based on linear elastic fracture mechanics to model crack propagation, energy dissipation and thus structure’s ductility. This approach also corrects spurious mesh sensitivity and captures size effect. In this work, UHPFRC are made of short steel fibers with fiber content inferior to 3%. The compressive strength of UHPFRC is so important that the material is assumed to be purely linear elastic in compression. The model is implemented in Code_Aster software for calibration, validation and application on tensile tests and four-point bending tests : the developed model can reproduce these experimental results.

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.

Cette étude porte sur le comportement au cisaillement des poutres en béton léger fibré et renforcées par des barres de polymère renforcé de fibres de basalte (PRFB). Dix poutres (150x250x2400 mm) coulées avec du béton fibré ou non-fibré ont été testées en flexion. Deux poutres ont été coulées sans fibres (poutres contrôles) tandis que les huit autres poutres ont été coulées avec du béton contenant des différents types et pourcentages de fibres. Les paramètres étudiés comprenaient le type de fibres ajoutés au béton (fibres de basalte, de polypropylène et d’acier), la fraction volumique des fibres (0, 0,5 et 1,0%) et les taux de renforcement des barres de PRFB (0,95 et 1,37%). Une comparaison entre les résultats expérimentaux et les modèles analytiques actuellement disponibles dans la littérature a été réalisée pour évaluer l'applicabilité de tels modèles pour prévoir la capacité des poutres testées en cisaillement. Les résultats de la présente étude indiquent que la géométrie des fibres joue un rôle important dans l'augmentation du nombre de fissures que celles observées dans les poutres contrôles. L'ajout de fibres a entraîné une défaillance plus ductile et le taux d'ouverture des fissures était retardé. La largeur de la fissure a diminué avec l'augmentation des ratios de renforcement longitudinal et des fractions volumiques des fibres. L'augmentation du taux de renforcement longitudinal a entraîné une rigidité plus élevée et a diminué les flèches à tous les stades du chargement. Les poutres coulées avec 1% de fibres de basalte, de polypropylène et d'acier ont montré une augmentation dans leurs capacités de cisaillement par rapport aux poutres contrôles d'environ 11, 16 et 63%, respectivement. Le type de fibres affectait de manière significative le gain dans les capacités de cisaillement des poutres, ce qui était attribué aux différentes propriétés physiques et mécaniques des fibres utilisées, telles que leurs dimensions, leurs géométries, et leurs mécanismes de liaison avec le béton. Les poutres coulées avec des fibres en acier à 0,5% présentaient des capacités de cisaillement plus élevées que celles coulées avec des fibres de basalte et de polypropylène de 23 et 16% respectivement, alors que les poutres coulées avec des fibres en acier à 1% de volume présentaient un gain de 47 et 41%, respectivement, dans leurs capacités. Les capacités de cisaillement prévues selon les équations de la norme CSA-S806-12 étaient conservatrices avec un rapport moyen Vprév/Vexp de 0,80 (écart type, ÉT = 0,12) pour les poutres sans fibres. Les modèles établis par Shin (1994) et Gopinath (2016) ont fourni de bonnes prévisions quant aux capacités de cisaillement des poutres en béton renforcé de fibres de basalte avec des ratios moyens Vprév/Vexp de 1,34 (ÉT = 0,09) et de 1,35 (ÉT = 0,07), respectivement. De même, le modèle de Shin (1994) a bien prédit les capacités de cisaillement des poutres en béton armé de fibres de polypropylène avec un rapport Vprév/Vexp de 1,34 (ÉT = 0,18). Les modèles de Gopinath (2016), Ashour A (1992) et Shin (1994) ont prédit les capacités de cisaillement des poutres en béton armé de fibres d'acier assez raisonnablement avec des ratio Vprév/Vexp de 1,01 (ÉT = 0,06), 1,07 (ÉT = 0,01) et 1,20 (ÉT = 0,08), respectivement. Un nouveau modèle a été proposé pour prédire les capacités de cisaillement des poutres en béton léger fibré renforcées par des barres longitudinales PRFB. Le modèle proposé prédit bien les capacités de cisaillement des poutres en béton léger (avec des fibres de basalte) avec un rapport Vprév/Vexp de 1,01 (ÉT = 0,05) et celles des poutres en béton léger (avec des fibres de polypropylène) avec un rapport Vprév/Vexp de 0,99 (ÉT = 0,06). Le facteur de liaison et la matrice de liaison d'interface utilisés étaient respectivement 0,75 et 4,18 MPa. En même temps, le modèle proposé prédit bien les capacités de cisaillement des poutres coulées avec des fibres d’acier avec un rapport Vprév/Vexp de 0,9 (ÉT = 0,00) quand le facteur de liaison et la matrice de liaison d'interface utilisés étaient respectivement 1,0 et 6,8 MPa. / This study reports on the shear behavior of fiber-reinforced lightweight concrete (FRLWC) beams reinforced with basalt fiber-reinforced polymer (BFRP) bars. Ten beams (150x250x2400 mm) cast with concrete with and without fibers were tested under fourpoint loading configuration until failure occurred. Two beams were cast without fibers and acted as control while the other eight beams were cast with different types and percentages of fiber. The investigated parameters included the fiber type (basalt, polypropylene, and steel fibers), the fibers volume fraction (0, 0.5, and 1.0%), and the beams’ reinforcement ratios (0.95 and 1.37%). Comparison between the experimental results and the analytical models currently available in the literature was performed to assess the applicability of such models for LWC reinforced with BFRP bars. Based on the outcome of the current study, the geometry of fibers played an important role in increasing the number of cracks than those observed in the control beams. The addition of fibers led to a more ductile failure and the rate of crack opening was delayed. Crack width decreased with the increase of the longitudinal reinforcement ratios and the fibers’ volume fractions. Increasing the reinforcement ratio resulted in higher stiffness and decreased its deflection at all stages of loading. Beams cast with 1% of basalt, polypropylene, and steel fibers showed an increase in their shear capacities in compared to control beams about 11, 16, and 63%, respectively. The type of fibers significantly affected the gain in the shear capacities of the beams, which can be attributed to the different physical and mechanical properties of the fibers used such as aspect ratios, lengths, geometries, densities, and their bonding mechanisms. Beams cast with 0.5% steel fibers exhibited higher shear capacities than those cast with basalt and polypropylene fibers by 23 and 16%, respectively, whereas the beams cast with 1% steel fibers showed a gain by 47 and 41%, respectively. The predicted shear capacities according to CSA-S806-12 code provisions were conservative with an average ratio Vpred /Vexp of 0.80 (standard deviation, SD = 0.12) for beams without fibers. Good predictions for the shear capacities of the basalt-fiber reinforced concrete beams (BLWC) were provided by the models derived by Shin (1994) and Gopinath (2016) in which the ratios Vpred /Vexp were 1.34 (SD = 0.09) and 1.35 (SD = 0.07), respectively. Also, the model of Shin (1994) predicted well the shear capacities of the polypropylene-fiber reinforced concrete beams (PLWC) with a Vpred /Vexp ratio of 1.34 and SD of 0.18. The models of Gopinath (2016), Ashour A (1992), and Shin (1994) predicted the shear capacities of steel-fiber reinforced concrete beams (SLWC) fairly reasonable with a Vpred /Vexp ratio of 1.01 (SD = 0.06), 1.07 (SD = 0.01) and 1.20 (SD = 0.08), respectively. A new model was proposed to predict the shear capacities of FRWLC beams reinforced with BFRP longitudinal bars. The proposed model predicted well the shear capacities of BLWC beams with a Vpred /Vexp ratio of 1.01 (SD = 0.05) and those of PLWC beams with a Vpred /Vexp ratio of 0.99 (SD = 0.06). The bond factor and the interface bond matrix used were 0.75 and 4.18 MPa, respectively. The proposed model also predicted well the shear capacities of beams cast with SLWC with a Vpred /Vexp ratio of 0.9 when the bond factor and the interface bond matrix were taken equal to 1.00 and 6.8 MPa, respectively.