Terrorism has become a serious threat in the world, with bomb attacks carried out both inside and outside buildings. There are already many unreinforced masonry buildings in existence, and some of them are historical buildings. However, they do not perform well under blast loading. Aiming on protecting masonry buildings, retrofitting techniques were developed. Some experimental work on studying the effect of retrofitted URM walls has been done in recent years; however, these tests usually cost a significant amount of time and funds. Because of this, numerical simulation has become a good alternative, and can be used to study the behaviour of masonry structures, and predict the outcomes of experimental tests. This project was carried out to find efficient retrofitting technique under blast loading by developing numerical material models. It was based on experimental research of strengthening URM walls by using retrofitting technologies under out-of-plane loading at the University of Adelaide. The numerical models can be applied to study large-scaled structures under static loading, and the research work is then extended to the field of blast loading. Aiming on deriving efficient material models, homogenization technology was introduced to this research. Fifty cases of numerical analysis on masonry basic cell were conducted to derive equivalent orthotropic material properties. To study the increasing capability in strength and ductility of retrofitted URM walls, pull-tests were simulated using interface element model to investigate the bond-slip relationship of FRP plates bonded to masonry blocks. The interface element model was then used to simulate performance of retrofitted URM walls under static loads. The accuracy of the numerical results was verified by comparing with the experimental results from previous tests at the University of Adelaide by Griffith et al. (2007) on unreinforced masonry walls and by Yang (2007) on FRP retrofitted masonry walls. To study the de-bonding behaviours of retrofits bonded to masonry, and find appropriate solution to protect certain masonry walls against blast loading, various retrofitting technologies were examined. The simulation covers explosive impacts of a wide range of impulses. Based on this work, pressure-impulse diagrams for different types of retrofitted URM walls were developed as a design guideline for estimating the blast effect on retrofitted masonry walls. The outcomes of this research will contribute to the development of numerical simulation on modelling retrofitted URM walls, improving the technique for explosion-resistant of masonry buildings, and providing a type of guideline for blast-resistant design. / http://proxy.library.adelaide.edu.au/login?url= http://library.adelaide.edu.au/cgi-bin/Pwebrecon.cgi?BBID=1349719 / Thesis (M.Eng.Sc.) - University of Adelaide, School of Civil, Environmental and Mining Engineering, 2009

La corrosion des armatures constitue la principale cause de dégradation des ouvrages en béton armé, et occasionne des coûts élevés de maintenance/réparation. Pour prévenir ce problème sur ouvrages neufs, une solution consiste à renforcer les structures en béton par des armatures non-métalliques de type Polymère Renforcé de Fibres (PRF), généralement à base de fibres de verre, de carbone ou d'aramide. Il existe aujourd'hui plusieurs textes réglementaires consacrés aux armatures PRF, notamment aux USA, au Canada et au Japon, et de nombreux ouvrages en béton armé par barres en PRF ont d'ailleurs été construits dans ces pays. Cependant, si l'utilisation de ces nouvelles armatures semble à priori prometteuse, elle suscite encore des réserves de la part des maîtres d'ouvrages, notamment en France. Il subsiste en effet des incertitudes sur le comportement à long terme des structures renforcées par PRF, et plus particulièrement sur la durabilité en milieu alcalin des armatures à matrice vinylester ou époxy renforcée par des fibres de verre (PRFV), qui sont actuellement les plus utilisées, ou encore sur le vieillissement de l'interface PRF/béton. Dans ce contexte, la présente étude vise à développer pour la première fois en France, un ensemble de méthodologies permettant, d'une part, de caractériser les principales propriétés physiques, mécaniques et d'interface des différentes armatures en PRF disponibles sur le marché, mais également d'évaluer la durabilité d'armatures en PRFV (les plus représentatives du marché) et de l'interface PRFV/béton à travers des procédures pertinentes de vieillissements accélérés. La première partie de l'étude a donc été consacrée à la caractérisation physique et mécanique d'une sélection d'armatures du commerce, confectionnées à base de fibres de verre, de carbone ou d'aramide, et au comportement mécanique de l'interface entre ces PRF et le béton. Outre la caractérisation microstructurale des PRF par techniques de microscopie et d'analyse thermique, la mise en place de dispositifs d'essais de traction et de flexion 3 points à appuis rapprochés (Short-beam test) a permis d'accéder respectivement aux propriétés mécaniques en traction (module d'élasticité, résistance) et à la résistance au cisaillement inter-laminaire des armatures. Des essais spécifiques d'arrachement (Pull-out) ont ensuite permis d'évaluer l'influence de différents paramètres (type de fibre, diamètre et géométrie de surface des barres) sur le mécanisme de transfert d'effort à l'interface armature/béton. Une grande originalité de l'approche proposée réside dans l'instrumentation d'une partie des corps d'épreuve par des capteurs de déformation à fibre optique disposés au niveau de l'interface armature/béton ; ce dispositif de mesures réparties permet d'accéder à des informations locales comme le profil des déformations de traction de l'armature, et d'en déduire la longueur d'ancrage des différentes armatures dans le béton. En complément de l'étude expérimentale précédente, un travail de modélisation analytique et numérique a été initié en vue de simuler les essais d'arrachement et d'appréhender plus finement les mécanismes d'interface mis en jeu entre l'armature et le béton lors de ces essais. Dans cette optique, un modèle analytique d'interface a tout d'abord été proposé, puis introduit dans un modèle aux éléments finis (modèle d'endommagement de zones cohésives). Enfin, un protocole de vieillissement accéléré a été appliqué à des barres en PRFV seules ou noyées dans un milieu cimentaire. Les caractéristiques résiduelles des armatures et des interfaces ont été évaluées à différentes échéances de vieillissement (jusqu'à 240 jours). Hormis une diminution des propriétés mécaniques des barres soumises à une immersion directe en solution alcaline, cette condition pouvant être considérée comme très sévère par rapport aux conditions de service, il n'a pas été observé de dégradation des propriétés d'adhérence PRF/béton par rapport à l'état initial / Corrosion of the steel reinforcing bars (rebars) is the main process involved in the degradation of reinforced concrete (RC) structures, and has large repercussions on the maintenance/reparation expenses. To prevent such degradations on new infrastructures, the use of corrosion-free reinforcements, such as Fiber Reinforced Polymer (FRP) bars based on glass, carbon or aramid fibers, is gaining interest. Specific guidelines are already available in several countries (USA, Canada or Japan for instance), that define the design principles and good practices for this type of internal rebars; beside, many FRP RC structures have been built and are in service in these countries. Although the development of these new reinforcing bars is quite promising, infrastructures owners are still reluctant for their wide-scale use, especially in France. There are still major concerns regarding the long term behavior of FRP RC structures, and more particularly, the durability of glass fibers reinforced polymers (GFRP) when subjected to an alkaline environment, and the ageing behavior of the GFRP/concrete bonding as well. In this context, the present study aims at developing for the first time in France, a set of methodologies that allows : to characterize the main physical/mechanical properties of different types of FRP bars from the marketto assess the durability of GFRP bars (the most common type of bar) and their interface with concrete through relevant accelerated ageing procedures. The first part of this study was thus devoted to the physical/mechanical characterization of a selection of commercially available FRP rebars, based on glass, carbon or aramid fibers, and to the mechanical behavior of corresponding FRP/concrete interfaces. Beside the microstructural characterization of the various FRP materials by microscopy and thermal analysis techniques, tensile and short beam tests were developed in order to determine the tensile properties (Young's modulus and strength) and the interlaminar shear strength (ILSS) of the bars. Specific pull-out tests then made it possible to evaluate the influence of several parameters (type of fibers, diameter and surface geometry of the bars) on the mechanism of load transfer at the bar/concrete interface. A main originality of the proposed approach relied on the instrumentation of several test bodies by optical fiber strain sensors, which were installed along the bar/concrete interface. Such a distributed measurement system provided local information in the form of tensile strain profiles of the bars along the interface, and made it possible to determine the effective transfer length of the various types of FRP bars. As a complement to the previous experimental study, an analytical and numerical modeling work was initiated to simulate the pull-out tests and investigate more closely the interfacial mechanisms involved in the FRP bar/concrete bond behavior. In this line, an improved interface model was first proposed, which was then implemented in a finite element model (cohesive zone model formulated in the context of damage mechanics).Finally, an accelerated ageing protocol was developed and applied to the GFRP bars, either alone or embedded in a concrete medium. The retention properties of both bars and interfaces were determined after various periods of exposure (up to 240 days). Except a drop of tensile properties observed for GFRP bars that were directly immersed in an alkaline solution, which is considered as a very severe environment compared to actual service conditions, no significant loss of interfacial properties was detected on aged specimens compared to the initial state

Les techniques de renforcement de structures en béton armé (BA) par collage de polymères renforcés de fibres (PRF) trouvent un important champ d'applications dans le renforcement des poteaux en BA. Le chemisage par PRF confine le noyau du poteau et permet d'augmenter sa résistance et sa ductilité. Bien que de nombreux travaux expérimentaux aient été consacrés à l'étude de l'effet de confinement du PRF sur le comportement des poteaux en BA, la réalisation d'une simulation réaliste de la réponse structurelle de tels éléments présente de nombreuses difficultés liées aux modèles de comportement peu appropriés à reproduire précisément la réponse mécanique du béton confiné. Dans cette recherche, un modèle de comportement élasto-plastique endommageable est développé pour reproduire la réponse mécanique du béton sollicité suivant un chemin triaxial de contraintes. Ce modèle prend en compte différents mécanismes de comportement du béton tels que les déformations irréversibles, l'endommagement dû à la microfissuration, la sensibilité au confinement et les caractéristiques de dilatation. Un processus d'identification des paramètres du modèle est proposé sur la base d'essais classiques. La validation de ce modèle est ensuite démontrée en comparant des résultats de simulations à des données expérimentales de la littérature sur des bétons confinés activement puis des bétons confinés par des PRF présentant une large gamme de rigidité. Le modèle proposé est également comparé à différentes modélisations de la littérature. Les capacités du modèle sont illustrées et analysées sur des applications tridimensionnelles de poteaux en BA de taille réelle, non confinés et confinés par PRF. / For the past two decades, externally bonded Fiber Reinforced Polymers (FRP) has gained much popularity for seismic rehabilitation of reinforced concrete (RC) columns. In this technique, FRP wrap installed on the surface of a column acts as lateral confinement and enhance the strength and deformation capacity of the concrete element. Although many experimental works have been devoted to the study of confining effect of FRP on the behavior of RC columns, the numerical simulation of FRP-jacketed RC columns remains a challenging issue due to the lack of appropriate constitutive model for confined concrete. In this study, a damage plastic model is developed to predict the behavior of concrete under triaxial stress states. The proposed model takes into account different material behavior such as irreversible strain, damage due to microcracking, confinement sensitivity and dilation characteristic. A straightforward identification process of all model’s parameters is then presented. The identification process is applied to different normal strength concrete. The validity of the model is then demonstrated through confrontation of experimental data with simulations considering active confined concrete and FRP confined concrete with a wide range of confinement stiffness. The proposed constitutive model is also compared with other models from the literature and the distinguishing features of this new model are discussed. Furthermore, the capacity of the model in the three-dimensional finite element analysis of full-scale RC columns is demonstrate and discussed.

Dans le domaine de la construction, le béton armé est un matériau le plus couramment utilisé pour construire des bâtiments, des ponts…Avec sa grande histoire, il y a un très grand nombre d'ouvrages qui se retrouve dégradé pour de multiples raisons tels que les accidents routiers, l'évolution de trafic, les modifications de chargement dans les bâtiments ou les actions climatiques… Pour résoudre ces problèmes, deux possibilités principales s'offrent aux maitres d'ouvrage : la reconstruction ou la réparation. La reconstruction est une solution intéressante mais coûte très cher et ne peut pas être appliquée pour tous les ouvrages (ouvrages historiques …) La deuxième solution est donc souvent utilisée pour maintenir les ouvrages dans un bon état de service. Une des méthodes de réparation couramment utilisée consiste à l'application de matériaux composites pour renforcer les structures béton armé. Les coûts relativement acceptables et la mise en oeuvre rapide en font une solution technique de plus en plus appréciée. La technique de renforcement par matériaux composites se traduit par l'encollage de tissu ou de plats réalisés à partir de fibres de carbone ou de verre sur un support en béton. Ces types de matériaux ne sont pas d'origine naturelle, leur production provoque de forts impacts sur l'environnement et de plus, ces matériaux ne sont pas dégradables à leur fin de vie. Donc pour répondre à la question du développement durable qui demande que tous les domaines respectent l'environnement, un nouveau matériau écologique pouvant remplacer ces matériaux dans le renforcement de structure béton armé est toujours demandé. La fibre de Lin est un matériau d'origine naturelle qui présente de bonnes propriétés mécaniques. A l'heure actuelle, la fibre de Lin est appliquée dans plusieurs domaines : l'automobile, le sport, … Dans le domaine génie civil, avec ses bonnes propriétés mécaniques, la fibre de lin peut être utilisée dans le domaine du renforcement des structures béton armé en substitution des fibres courantes (fibre de carbone, fibre de verre…) Le but de cette thèse est l'évaluation de la capacité d'utilisation des fibres de Lin dans le renforcement de poutres béton armé. L'étude se focalisera au cas de renforcement au cisaillement qui n'est pas bien documenté dans la littérature, sui sera comparé avec le renfort par des fibres de carbone. Le programme expérimental est réalisé sur des tests de flexion 3 points avec la charge approche de l'appui pour avoir un fort effort tranchant dans la zone intéressée sur des poutres rectangulaires et des poutres en T. Les poutres sont renforcées par des tissus de lin bidirectionnels et unidirectionnels et par différentes configurations de renforcement. Les normes de calcul ACI, FIB, CSA, CNR-DT… recommandées pour calculer des structures avec des renforts de carbone et de verre dans le renforcement au cisaillement sont appliquées afin de vérifier leur efficacité dans le cas d'un renforcement par fibres de lin. Enfin un modèle numérique est étudié par la méthode des éléments finis pour reproduire le comportement des poutres renforcées par fibre naturelle afin d'étudier les paramètres qui jouent un rôle important dans le renforcement au cisaillement des poutres béton armé par fibre de lin. Les résultats montrent que le renfort par fibre de Lin présente des effets significatifs dans le renforcement au cisaillement de poutres béton armé (augmentation de la résistance de cisaillement de 10% à 33%). Le renfort par fibres de Lin présente une capacité mécanique équivalence à celle de fibre de carbone dans le renforcement au cisaillement de poutres béton armé et un potentiel dans le renforcement de structure béton armé. Les résultats du modèle numérique par la méthode des éléments finis traduisent un comportement similaire à ceux enregistrés lors des essais expérimentaux / In the field of construction, concrete is the most common material used to construct buildings, bridges... With its great history, there are a large number of structures that is found degraded for many reasons such as road accidents, changes in traffic, load changes in buildings or climate action ...To resolve these issues, two main options available to project owners: the reconstruction or repair. Reconstruction is an interesting solution but is very expensive and cannot be applied to all structures (historical works ...). The second solution is often used to keep the structures under service conditions. A repair methods commonly used is the application of composite materials to strengthen reinforced concrete structures. The relatively acceptable cost and rapid implementation make this technical solution increasingly appreciated. The Flax fiber is a natural material which has good mechanical properties. At present, the flax fiber is applied in several areas: automotive, sports ... In the civil engineering field, with its good mechanical properties, flax fiber can be used in the field of building Reinforced Concrete structures substitution of regular fibers (carbon fiber, fiberglass ...) The aim of this thesis is the evaluation of the ability to use flax fibers in strengthening reinforced concrete beams. The study will focus on a case of shear reinforcement that is not well documented in the literature; it will be compared with the reinforcement with carbon fibers. The experimental program was carried out on 3-point bending tests with the support of load approach for a strong shear in the area concerned on rectangular beams and T-beams. The beams are reinforced by bidirectional flax fabrics and unidirectional reinforcement and different configurations. The calculation standards ACI, FIB, CSA, CNR-DT ... recommended to calculate structures with carbon reinforcements and glass in building for shear strengthening are applied to ensure their effectiveness in the case of a reinforcement flax fibers. Finally, a numerical model is being studied by the finite element method to reproduce the behavior of beams reinforced with natural fiber to study the parameters that play an important role in shear strengthening of concrete beams reinforced with flax fiber. The results show that the reinforcing flax fiber has significant effects in the shear reinforcement of reinforced concrete beams (increase in shear resistance of 10% to 33%). The reinforcement by flax fiber has a mechanical capacity equivalent to that of carbon fiber in the shear reinforcement of reinforced concrete beams and potential in strengthening reinforced concrete structure. The results of the numerical model by the finite element method reflect a behavior similar to those obtained during the experimental tests. The model also valid flax fiber capacity comparable to that of carbon fiber in the shear strengthening of reinforced concrete beams

L'avancée de la technologie des PRF a suscité l'intérêt de l'introduction de nouvelles fibres, comme la fibre de basalte, qui a un potentiel d'offrir une solution efficace, lorsqu’utilisée dans les structures en béton, soit sur la résistance à la corrosion, la durabilité et la rentabilité. En outre, les codes et les guides disponibles, ne fournissent pas de recommandations pour l'utilisation de barres en PRFB puisque les recherches passées dans ce domaine sont limitées. Donc, des travaux de recherche sont nécessaires pour caractériser et comprendre le comportement des barres de PRFB dans les éléments en béton armé. En conséquence, les objectifs principaux sont d'évaluer les caractéristiques à court et long terme des barres de PRFB nouvellement développées, ainsi que d'évaluer les performances structurales de ces nouvelles barres comme renforcement interne dans les poutres et les dalles de pont et d'introduire ce nouveau renforcement dans les codes et les guides de dimensionnement. Les tests expérimentaux ont été faits en trois parties. La première partie porte sur le développement de trois nouvelles barres et tendons en PRFB pour déterminer leurs propriétés physiques et mécaniques. Les performances à long terme et de durabilité ont été réalisées en conditionnant les barres de PRFB dans une solution alcaline simulant les conditions humides dans le béton pour déterminer la compatibilité comme renforcement interne dans les éléments en béton. Par la suite, les propriétés ont été déterminées et comparées avec des spécimens non conditionnés (référence). La seconde partie a porté sur sept dalles de pont en béton armé grandeur réelle avec les bords restreints, simulant les tabliers de pont les plus utilisés en Amérique du Nord, pour évaluer la performance des dalles renforcées de PRFB et d'acier. Les dalles mesurent 3000 mm de long × 2500 mm de large × 200 mm d'épaisseur. Les dalles ont été testées jusqu'à la rupture sous une charge concentrée au centre de celles-ci simulant l'empreinte d'une roue d'un camion. Les capacités en poinçonnement sont prédites en utilisant les exigences réglementaires disponibles, et sont comparées aux résultats expérimentaux. La troisième partie de cette étude portait sur les essais de 14 poutres en béton de 3100 mm de long × 200 mm de large × 300 mm de profond pour examiner le comportement en flexion et les performances en service des barres de PRFB avec deux états de surfaces: fini sablé et crénelé. Les poutres ont été testées en flexion en quatre points avec une portée libre de 2700 mm jusqu'à la rupture. Les résultats sont introduits et discutés en terme : du comportement de la fissuration, des flèches, de la capacité en flexion et des modes de ruptures. De plus, le coefficient d'adhérence (kb) des barres de PRFB est déterminé et comparé avec les recommandations des codes et guides actuels. Les résultats sont introduits et discutés en terme : du comportement de la fissuration, des flèches, de la capacité en flexion et des modes de ruptures. De plus, le coefficient d'adhérence des barres de PRFB est déterminé et comparé avec les recommandations des codes et guides actuels. Les résultats de l'étude concluent sur la viables pour la production des barres de PRFB pour respecter les exigences des codes actuelles. Également, les résultats d'essai indiquent que les barres de PRFB ont de bonnes propriétés mécaniques et peuvent être placées dans la même catégorie que les barres de PRFV, soit grade III. De plus, le comportement des poutres et des dalles de pont renforcées de PRFB est similaire que pour un renforcement en PRFV et PRFC et les exigences réglementaires sont applicables pour les barres de PRFB. / Abstract: The advances in fiber-reinforced-polymer (FRP) technology have spurred interest in introducing new fibers, such as basalt FRP (BFRP), which has the potential to offer an efficient solution when implemented in concrete structure, such as corrosion resistant, durable and cost-effective. Furthermore, the available design codes and guides do not provide any recommendations for the use of BFRP bars since fundamental studies and relevant applications are still limited. Therefore, investigations are needed to characterize and understand the behavior of BFRP bars in concrete members. Consequently, the main objectives of this experimental investigation are to evaluate the short- and long-term characteristics of newly developed BFRP bars, as well as evaluate the structural performance of these new bars as internal reinforcement for concrete beams and bridge-deck slabs to introduce these new reinforcing bars to the design codes and guides. The experimental tests were completed through three parts. The first part was conducted on three newly developed BFRP bars and tendons to investigate their physical and mechanical properties. Durability and long-term performance were assessed by conditioning the BFRP bars in an alkaline solution simulating the moist concrete environment to determine their suitability as internal reinforcement for concrete elements. Thereafter, the properties were assessed and compared with the unconditioned (reference) values. The second part of this study was conducted on seven full-scale edge-restrained concrete bridge-deck slabs simulating actual slab-on-girder bridge-deck that is commonly used in North America to evaluate the performance of concrete bridge-deck slabs reinforced with BFRP and steel bars. The deck slabs measured 3000 mm long × 2500 mm wide × 200 mm deep. The slabs were tested up to failure under single concentrated load acting on the center of each slab simulating the footprint of sustained truck wheel load. The punching shear capacities were predicted using the available provisions, and compared with the experimental results. The third part of this study included testing of fourteen concrete beams of 3100 mm long × 200 mm wide × 300 mm deep to investigate the flexural behavior and serviceability performance of sand-coated and ribbed BFRP bars in concrete beams. The beams were tested under four-point bending over a clear span of 2700 mm until failure. The results are introduced and discussed in terms of cracking behavior, deflection, flexure capacity, and failure modes. In addition, the bond-dependent coefficient (kb) of the BFRP bars was determined and compared with the recommendations of the current FRP design codes and guides. The findings of this study concluded the feasibility of producing BFRP bars meet the requirements of the current FRP standards. Also, the test results revealed that the BFRP bars had good mechanical behavior and could be placed in the same category as grade II and grade III GFRP bars. Moreover, the behavior of the concrete bridge-deck slabs and beams reinforced with BFRP bars was quite similar to the counterparts reinforced with glass- and carbon-FRP bars and the available FRP provisions are applicable for BFRP bars. The beam test results yielded an average bond-dependent coefficient (kb) of 0.76±0.03 and 0.83±0.03 for the sand-coated and ribbed BFRP bars, respectively.

This thesis deals with monitoring the durability of FRP reinforcement in different types of environments which cause degradation. The theoretical part of the thesis describes reinforcing fibers, matrix materials, manufacturing technology of composite reinforcements by pultrusion and durability of FRP materials in environmental degradation. In the experimental part of this thesis was carried storing samples reinforcements in alkaline environment with various temperatures. As suitable were selected temperatures of 20 °C, 40 °C and 60 °C. Subsequently are described changes in physical properties of the reinforcements and tracking optical microscope.

The advancement in manufacturing technologies to produce high-performing engineered wood products (EWP) has allowed wood to be utilized beyond the traditional low-rise light-frame structures and to become a viable material option for much larger structures. Although glued-laminated timber (glulam) is included as a material option in the current blast code (CSA, 2012), its response to blast loading is not yet well documented. An experimental program investigating the behaviour of seventy glulam beams and columns was developed with focus on establishing the dynamic characteristics of glulam beams and columns with and without the effect of FRP reinforcement. A shock tube capable of simulating high strain rates similar to those experienced during blast was used. Thirty-eight beams with three different cross-sections were tested statically and dynamically to establish the high strain rate effects (dynamic increase factor). Six columns were also tested dynamically with axial load levels ranging from 15 to 75 % of the columns’ compression design capacity. Different retrofit configurations varying from simple tension reinforcement to U-shaped tension reinforcement with confinement using both unidirectional and bi-directional FRP were investigated on a total of twenty-six beams. A procedure capturing the strain-rate effects, variable axial load and FRP, was developed and found to be capable of predicting the flexural behaviour of the beams up to maximum resistance with reasonable accuracy when compared to experimentally obtained static and dynamic resistance curves. Implications on the design of both retrofitted and unretrofitted specimens are also discussed.

A theory is developed for the analysis of composite systems consisting of steel wide flange sections reinforced with GFRP plates connected to one of the flanges through a layer of adhesive. The theory is based on an extension of the Gjelsvik theory and thus incorporates local and global warping effects but omits shear deformation effects. The theory captures the longitudinal transverse response through a system of three coupled differential equations of equilibrium and the lateral-torsional response through another system of three coupled differential equations. Closed form solutions are developed and a super-convergent finite element is formulated based under the new theory. A comparison to 3D FEA results based on established solid elements in Abaqus demonstrates the validity of the theory when predicting the longitudinal-transverse response, but showcases its shortcomings in predicting the torsional response of the composite system. The comparison sheds valuable insight on means of improving the theory. A more advanced theory is subsequently developed based on enriched kinematics which incorporates shear deformation effects. The shear deformable theory captures the longitudinal-transverse response through a system of four coupled differential equations of equilibrium and the lateral-torsional response through another system of six coupled differential equations. A finite difference approximation is developed for the new theory and a new finite element formulation is subsequently to solve the new system of equations. A comparison to 3D FEA illustrates the validity of the shear deformable theory in predicting the longitudinal-transverse response as well as the lateral-torsional response. Both theories are shown to be computationally efficient and reduce the modelling and running time from several hours per run to a few minutes or seconds while capturing the essential features of the response of the composite system.

La corrosion des armatures constitue la principale cause de dégradation des ouvrages en béton armé, et occasionne des coûts élevés de maintenance/réparation. Pour prévenir ce problème sur ouvrages neufs, une solution consiste à renforcer les structures en béton par des armatures non-métalliques de type Polymère Renforcé de Fibres (PRF), généralement à base de fibres de verre, de carbone ou d'aramide. Il existe aujourd'hui plusieurs textes réglementaires consacrés aux armatures PRF, notamment aux USA, au Canada et au Japon, et de nombreux ouvrages en béton armé par barres en PRF ont d'ailleurs été construits dans ces pays. Cependant, si l'utilisation de ces nouvelles armatures semble à priori prometteuse, elle suscite encore des réserves de la part des maîtres d'ouvrages, notamment en France. Il subsiste en effet des incertitudes sur le comportement à long terme des structures renforcées par PRF, et plus particulièrement sur la durabilité en milieu alcalin des armatures à matrice vinylester ou époxy renforcée par des fibres de verre (PRFV), qui sont actuellement les plus utilisées, ou encore sur le vieillissement de l'interface PRF/béton. Dans ce contexte, la présente étude vise à développer pour la première fois en France, un ensemble de méthodologies permettant, d'une part, de caractériser les principales propriétés physiques, mécaniques et d'interface des différentes armatures en PRF disponibles sur le marché, mais également d'évaluer la durabilité d'armatures en PRFV (les plus représentatives du marché) et de l'interface PRFV/béton à travers des procédures pertinentes de vieillissements accélérés. La première partie de l'étude a donc été consacrée à la caractérisation physique et mécanique d'une sélection d'armatures du commerce, confectionnées à base de fibres de verre, de carbone ou d'aramide, et au comportement mécanique de l'interface entre ces PRF et le béton. Outre la caractérisation microstructurale des PRF par techniques de microscopie et d'analyse thermique, la mise en place de dispositifs d'essais de traction et de flexion 3 points à appuis rapprochés (Short-beam test) a permis d'accéder respectivement aux propriétés mécaniques en traction (module d'élasticité, résistance) et à la résistance au cisaillement inter-laminaire des armatures. Des essais spécifiques d'arrachement (Pull-out) ont ensuite permis d'évaluer l'influence de différents paramètres (type de fibre, diamètre et géométrie de surface des barres) sur le mécanisme de transfert d'effort à l'interface armature/béton. Une grande originalité de l'approche proposée réside dans l'instrumentation d'une partie des corps d'épreuve par des capteurs de déformation à fibre optique disposés au niveau de l'interface armature/béton ; ce dispositif de mesures réparties permet d'accéder à des informations locales comme le profil des déformations de traction de l'armature, et d'en déduire la longueur d'ancrage des différentes armatures dans le béton. En complément de l'étude expérimentale précédente, un travail de modélisation analytique et numérique a été initié en vue de simuler les essais d'arrachement et d'appréhender plus finement les mécanismes d'interface mis en jeu entre l'armature et le béton lors de ces essais. Dans cette optique, un modèle analytique d'interface a tout d'abord été proposé, puis introduit dans un modèle aux éléments finis (modèle d'endommagement de zones cohésives). Enfin, un protocole de vieillissement accéléré a été appliqué à des barres en PRFV seules ou noyées dans un milieu cimentaire. Les caractéristiques résiduelles des armatures et des interfaces ont été évaluées à différentes échéances de vieillissement (jusqu'à 240 jours). Hormis une diminution des propriétés mécaniques des barres soumises à une immersion directe en solution alcaline, cette condition pouvant être considérée comme très sévère par rapport aux conditions de service, il n'a pas été observé de dégradation des propriétés d'adhérence PRF/béton par rapport à l'état initial / Corrosion of the steel reinforcing bars (rebars) is the main process involved in the degradation of reinforced concrete (RC) structures, and has large repercussions on the maintenance/reparation expenses. To prevent such degradations on new infrastructures, the use of corrosion-free reinforcements, such as Fiber Reinforced Polymer (FRP) bars based on glass, carbon or aramid fibers, is gaining interest. Specific guidelines are already available in several countries (USA, Canada or Japan for instance), that define the design principles and good practices for this type of internal rebars; beside, many FRP RC structures have been built and are in service in these countries. Although the development of these new reinforcing bars is quite promising, infrastructures owners are still reluctant for their wide-scale use, especially in France. There are still major concerns regarding the long term behavior of FRP RC structures, and more particularly, the durability of glass fibers reinforced polymers (GFRP) when subjected to an alkaline environment, and the ageing behavior of the GFRP/concrete bonding as well. In this context, the present study aims at developing for the first time in France, a set of methodologies that allows : to characterize the main physical/mechanical properties of different types of FRP bars from the marketto assess the durability of GFRP bars (the most common type of bar) and their interface with concrete through relevant accelerated ageing procedures. The first part of this study was thus devoted to the physical/mechanical characterization of a selection of commercially available FRP rebars, based on glass, carbon or aramid fibers, and to the mechanical behavior of corresponding FRP/concrete interfaces. Beside the microstructural characterization of the various FRP materials by microscopy and thermal analysis techniques, tensile and short beam tests were developed in order to determine the tensile properties (Young's modulus and strength) and the interlaminar shear strength (ILSS) of the bars. Specific pull-out tests then made it possible to evaluate the influence of several parameters (type of fibers, diameter and surface geometry of the bars) on the mechanism of load transfer at the bar/concrete interface. A main originality of the proposed approach relied on the instrumentation of several test bodies by optical fiber strain sensors, which were installed along the bar/concrete interface. Such a distributed measurement system provided local information in the form of tensile strain profiles of the bars along the interface, and made it possible to determine the effective transfer length of the various types of FRP bars. As a complement to the previous experimental study, an analytical and numerical modeling work was initiated to simulate the pull-out tests and investigate more closely the interfacial mechanisms involved in the FRP bar/concrete bond behavior. In this line, an improved interface model was first proposed, which was then implemented in a finite element model (cohesive zone model formulated in the context of damage mechanics).Finally, an accelerated ageing protocol was developed and applied to the GFRP bars, either alone or embedded in a concrete medium. The retention properties of both bars and interfaces were determined after various periods of exposure (up to 240 days). Except a drop of tensile properties observed for GFRP bars that were directly immersed in an alkaline solution, which is considered as a very severe environment compared to actual service conditions, no significant loss of interfacial properties was detected on aged specimens compared to the initial state

The application of advanced materials in infrastructure has grown rapidly in recent years mainly because of their potential to ease the construction, extend the service life, and improve the performance of structures. Ultra-high performance concrete (UHPC) is one such material considered as a novel alternative to conventional concrete. The material microstructure in UHPC is optimized to significantly improve its material properties including compressive and tensile strength, modulus of elasticity, durability, and damage tolerance. Fiber-reinforced polymer (FRP) composite is another novel construction material with excellent properties such as high strength-to-weight and stiffness-to-weight ratios and good corrosion resistance. Considering the exceptional properties of UHPC and FRP, many advantages can result from the combined application of these two advanced materials, which is the subject of this research. The confinement behavior of UHPC was studied for the first time in this research. The stress-strain behavior of a series of UHPC-filled fiber-reinforced polymer (FRP) tubes with different fiber types and thicknesses were tested under uniaxial compression. The FRP confinement was shown to significantly enhance both the ultimate strength and strain of UHPC. It was also shown that existing confinement models are incapable of predicting the behavior of FRP-confined UHPC. Therefore, new stress-strain models for FRP-confined UHPC were developed through an analytical study. In the other part of this research, a novel steel-free UHPC-filled FRP tube (UHPCFFT) column system was developed and its cyclic behavior was studied. The proposed steel-free UHPCFFT column showed much higher strength and stiffness, with a reasonable ductility, as compared to its conventional reinforced concrete (RC) counterpart. Using the results of the first phase of column tests, a second series of UHPCFFT columns were made and studied under pseudo-static loading to study the effect of column parameters on the cyclic behavior of UHPCFFT columns. Strong correlations were noted between the initial stiffness and the stiffness index, and between the moment capacity and the reinforcement index. Finally, a thorough analytical study was carried out to investigate the seismic response of the proposed steel-free UHPCFFT columns, which showed their superior earthquake resistance, as compared to their RC counterparts.