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.

L’armature en acier est le renforcement interne le plus utilisé dans les structures en béton armé dans le domaine du génie civil. Dans le paysage nord-américain, il peut être facilement observable que ces structures avec ce type armature présentent une détérioration avancée due à une corrosion importante. C’est pour cette raison, depuis quelques décennies, que l’armature en polymère renforcé de fibres (PRF) fait partie d’une recherche intensive. Jusqu’à maintenant, cette armature a démontré sa faisabilité à plusieurs reprises. Dans ce un premier temps, la caractérisation des barres de PRF a fait l’objet d’une batterie de recherche faramineuse. Ensuite, les poutres, étant donné que c’est l’un des éléments les plus importants dans une structure en béton armé, ont été étudiées en flexion et en cisaillement sur près de deux décennies. Il y a également eu les dalles, les murs de refend, la longueur d’ancrage, les poutres profondes, etc. qui ont été énormément étudiés. Dernièrement, les colonnes sont étudiées pour en comprendre leur comportement. De plus, les normes actuelles ne donnent soit pas ou pas assez d’informations pour être en mesure de calculer adéquatement ces éléments structuraux. C’est la raison pourquoi il faut effectuer d’avantage de recherche pour mettre à jours les différentes normes. Le groupe de recherche du professeur Brahim Benmokrane a été mandaté par le comité de l’American Concrete Intitute ACI440 pour aider à développer la première norme américaine sur les éléments en béton armé renforcés de PRFV. Le guide actuel, soit l’ACI440.1R-15, ne fait pas office de loi pour les praticiens. En ce qui concerne les colonnes, ce guide ne mentionne aucune ligne directrice pour le calcul de ces éléments structuraux. La recherche étant mise en place par le professeur Carol Shield, du Department of Civil Engineering, Civil, Environmental, and Geo- Engineering à l’Université de Minneapolis, au Minnesota et du professeur Antonio Nanni, du Department of Civil, Architectural & Environmental Engineering à l’Université de Miami, en Floride, tous deux membres du comité de l’ACI440, le but est de développer et de valider l’utilisation des barres de PRFV dans les colonnes en béton armé. C’est également grâce à deux partenaires (fournisseurs) de barres de PRFV que ce projet a pu se réaliser. Du côté canadien, les barres sablées sont fournies par la compagnie Pultrall inc et du côté américain, ce sont des barres déformées sablées de la compagnie Hughes Brother. Les deux types de barres sont les plus utilisés jusqu’à présent dans les nouvelles constructions. À travers un programme expérimental et analytique, 20 colonnes à pleine échelle en béton armé ont été testées avec une charge excentrique. Les colonnes ont comme dimensions 406 mm x 406 mm x 2 032 mm. Elles ont été dimensionnées selon les normes ACI318-15 et ACI440.1R-15. Les spécimens se divisent en quatre séries de quatre colonnes chacune. La série I est formée de six barres No.6 (Type A). La série II est formée de huit barres No.6 (Type A). La série III est composée de huit barres No.8 (Type A). La série IV, quant à elle, est formée de six barres No.6 (Type B). Les types A et B sont des PRFV. Finalement, la série V est formée de six barres No.6 en acier, qui est la référence. L'objectif principal est de tester ces spécimens pour étudier le comportement des poteaux-poutres sous chargement combiné de compression et de flexion. Les essais expérimentaux ont été réalisés dans les laboratoires de structure, de la Faculté de génie, de l’Université de Sherbrooke. L’objectif principal de ces essais est d’étudier le comportement des colonnes. Sur la base des conclusions des essais expérimentaux, les colonnes de PRFV ont eu un comportement similaire aux colonnes renforcées avec de l’armature en acier. Plus l’excentricité est grande, moins la capacité axiale est élevée. Pour une même excentricité, les colonnes de PRFV présentent le même mode de rupture, mis à part le comportement différent de l’armature. Lorsqu’on augmente la rigidité axiale de l’armature longitudinale, la capacité axiale augmente. Il a été enregistré que les barres d’armature de PRF ont contribué à la résistance en flexion composée. Il a été remarqué qu’il y avait trois zones distinctes, comme le suggère la norme américaine ACI318-15 : la zone contrôlée en compression, la zone de transition compression/traction et la zone contrôlée par la traction. Finalement, le calcul théorique pour l’obtention du diagramme d’interaction P-M est sécuritaire par rapport aux résultats expérimentaux. Cette sécurité est plus observable lorsqu’on néglige la contribution des barres de PRFV en compression, incluse dans l’axe neutre.

Abstract : Steel and fiber-reinforced-polymer (FRP) materials have different mechanical and physical characteristics. High corrosion resistance, high strength to weight ratio, non-conductivity, favorable fatigue enable the FRP to be considered as alternative reinforcement for structures in harsh environment. Meanwhile, FRP bars have low modulus of elasticity and linear-elastic stress-strain curve. These features raise concerns about the applicability of using such materials as reinforcement for structures prone to earthquakes. The main demand for the structural members in structures subjected to seismic loads is dissipating energy without strength loss which is known as ductility. In the rigid frames, columns are expected to be the primary elements of energy dissipation in structures subjected to seismic loads. The present study addresses the feasibility of reinforced-concrete columns totally reinforced with glass-fiber-reinforced-polymer (GFRP) bars achieving reasonable strength and the drift requirements specified in various codes. Eleven full-scale reinforced concrete columns—two reinforced with steel bars (as reference specimens) and nine totally reinforced with GFRP bars—were constructed and tested to failure. The columns were tested under quasi-static reversed cyclic lateral loading and simultaneously subjected to compression axial load. The columns are 400 mm square cross-section with a shear span 1650 mm. The specimen simulates a column with 3.7 m in height in a typical building with the point of contra-flexure located at the column mid-height. The tested parameters were the longitudinal reinforcement ratio (0.63, 0.95 and 2.14), the spacing of the transverse stirrups (80, 100, 150), tie configuration (C1, C2, C3 and C4), and axial load level (20%, 30% and 40%). The test results clearly show that properly designed and detailed GFRP-reinforced concrete columns could reach high deformation levels with no strength degradation. An acceptable level of energy dissipation compared with steel-reinforced concrete columns is provided by GFRP reinforced concrete columns. The dissipated energy of GFRP reinforced concrete columns was 75% and 70% of the counter steel columns at 2.5% and 4% drift ratio respectively. High drift capacity achieved by the columns up to 10% with no significant loss in strength. The high drift capacity and acceptable dissipated energy enable the GFRP columns to be part of the moment resisting frames in regions prone to seismic activities. The experimental ultimate drift ratios were compared with the estimated drift ratios using the confinement Equation in CSA S806-12. It was found from the comparison that the confinement Equation underestimates values of the drift ratios thus the experimental drift ratios were used to modify transverse FRP reinforcement area in CSA S806-12. The hysteretic behavior encouraged to propose a design procedure for the columns to be part of the moderate ductile and ductile moment resisting frames. The development of design guidelines, however, depends on determining the elastic and inelastic deformations and on assessing the force modification factor and equivalent plastic-hinge length for GFRP-reinforced concrete columns. The experimental results of the GFRP-reinforced columns were used to justify the design guideline, proving the accuracy of the proposed design equations. / L’acier et les matériaux à base de polymères renforcés de fibres (PRF) ont des caractéristiques physiques et mécaniques différentes. La résistance à la haute corrosion, le rapport résistance vs poids, la non-conductivité et la bonne résistance à la fatigue font des barres d’armature en PRF, un renforcement alternatif aux barres d’armature en acier, pour des structures dans des environnements agressifs. Cependant, les barres d’armature en PRF ont un bas module d’élasticité et une courbe contrainte-déformation sous forme linéaire. Ces caractéristiques soulèvent des problèmes d'applicabilité quant à l’utilisation de tels matériaux comme renforcement pour des structures situées en forte zone sismique. La principale exigence pour les éléments structuraux des structures soumises à des charges sismiques est la dissipation d'énergie sans perte de résistance connue sous le nom de ductilité. Dans les structures rigides de type cadre, on s'attend à ce que les colonnes soient les premiers éléments à dissiper l'énergie dans les structures soumises à ces charges. La présente étude traite de la faisabilité des colonnes en béton armé entièrement renforcées de barres d’armature en polymères renforcés de fibres de verre (PRFV), obtenant une résistance et un déplacement latéral raisonnable par rapport aux exigences spécifiées dans divers codes. Onze colonnes à grande échelle ont été fabriquées: deux colonnes renforcées de barres d'acier (comme spécimens de référence) et neuf colonnes renforcées entièrement de barres en PRFV. Les colonnes ont été testées jusqu’à la rupture sous une charge quasi-statique latérale cyclique inversée et soumises simultanément à une charge axiale de compression. Les colonnes ont une section carrée de 400 mm avec une portée de cisaillement de 1650 mm pour simuler une colonne de 3,7 m de hauteur dans un bâtiment typique avec le point d’inflexion situé à la mi-hauteur. Les paramètres testés sont : le taux d’armature longitudinal (0,63%, 0,95% et 2,14 %), l'espacement des étriers (80mm, 100mm, 150 mm), les différentes configurations (C1, C2, C3 et C4) et le niveau de charge axiale (20%, 30 % et 40%). Les résultats des essais montrent clairement que les colonnes en béton renforcées de PRFV et bien conçues peuvent atteindre des niveaux de déformation élevés sans réduction de résistance. Un niveau acceptable de dissipation d'énergie, par rapport aux colonnes en béton armé avec de l’armature en acier, est atteint par les colonnes en béton armé de PRFV. L'énergie dissipée des colonnes en béton armé de PRFV était respectivement de 75% et 70% des colonnes en acier à un rapport déplacement latéral de 2,5% et 4%. Un déplacement supérieur a été atteint par les colonnes en PRFV jusqu'à 10% sans perte significative de résistance. La capacité d’un déplacement supérieur et l’énergie dissipée acceptable permettent aux colonnes en PRFV de participer au moment résistant dans des régions sujettes à des activités sismiques. Les rapports des déplacements expérimentaux ultimes ont été comparés avec les rapports estimés en utilisant l’Équation de confinement du code CSA S806-12. À partir de la comparaison, il a été trouvé que l’Équation de confinement sous-estime les valeurs des rapports de déplacement, donc les rapports de déplacement expérimentaux étaient utilisés pour modifier la zone de renforcement transversal du code CSA S806-12. Le comportement hystérétique encourage à proposer une procédure de conception pour que les colonnes fassent partie des cadres rigides à ductilité modérée et résistant au moment. Cependant, l'élaboration de guides de conception dépend de la détermination des déformations élastiques et inélastiques et de l'évaluation du facteur de modification de la force sismique et de la longueur de la rotule plastique pour les colonnes en béton armé renforcées de PRFV. Les résultats expérimentaux des colonnes renforcées de PRFV étudiées ont été utilisés pour justifier la ligne directrice de conception, ce qui prouve l’efficacité des équations de conception proposées.