Une des causes majeures responsables de la perte de performance des ouvrages en béton armé (fissuration excessive, perte de capacité portante) peut être imputée à la corrosion des armatures présentes dans les éléments structuraux. Ce phénomène est susceptible de se développer soit par carbonatation, soit par pénétration des ions chlorures par le béton d'enrobage. C'est alors que des produits de corrosion apparaissent et génèrent des contraintes de traction qui, dès dépassement de la résistance en traction, favorisent l'apparition de fissures. D'un point de vue pratique, dès que les premières fissures sont remarquées à la surface du béton, la corrosion a généralement atteint un stade avancée et des actions de maintenance doivent être envisagées. Cela entraînent d'importants coûts évitables si une prédiction satisfaisante avait pu être réalisée. Cette étude vise à apporter des éléments de réponse à cette problématique. Deux objectifs essentiels sont considérés dans ces travaux de thèse : le premier consiste à proposer des lois de comportement robuste et satisfaisantes permettant de bien décrire le comportement des éléments de structure existants et le second vise à introduire une méthode probabiliste permettant d'actuali ser les paramètres des deux modèles sur la base de l'information disponible sur le terrain. Un cadre constitutif générique couplant élasticité, endommagement isotrope et glissement interne, thermodynamiquement admissible, est pour cela développé. Cette classe de modèles est particularisée au cas de l'interface acier/béton en présence de corrosion et au cas du béton. Ces dernières peuvent être utilisées non seulement sous chargement monotone mais aussi sous chargement cyclique. Les lois proposées permettent de prendre en compte les effets hystérétiques, les déformations permanentes et l'effet unilatéral. En outre, ces dernières ont été validées sur différents cas tests. Des versions multifibres des lois précédemment mentionnées ont également été développées pour offrir à l'ingénieur des modèles simplifiés. Une prise en compte du caractère imparfait de l'interface acier/béton au sein du formalisme multifibre est notamment considérée. L'étape d'identification des paramètres mat ériaux n'est pas toujours aisée à réaliser en raison d'une part des incertitudes qui entachent ces derniers et, d'autre part, de la méconnaissance des mécanismes locaux. Ainsi, une méthodologie probabiliste complète permettant d'actualiser les paramètres d'entrée sur la base d'observations extérieures est proposée. Elle s'appuie sur une utilisation conjointe des réseaux bayésiens et de la théorie de la fiabilité. Elle permet ainsi de réduire l'écart entre la prédiction numérique et les mesures réalisées sur le terrain. Ce travail de thèse devrait contribuer à fournir aux gestionnaires d'ouvrage des outils d'aide à la décision leur permettant de mieux gérer leurs ouvrages en béton armé / A major source of a noticeable loss of performance (excessive cracking, loss of carrying load capacity) can be attributed to the corrosion phenomena induced either by carbonation or by chloride ions ingress. The corrosion products being expansive, tensile stresses are generated and usually lead to the cover concrete cracking when tensile strength is exceeded. From a practical point of view, when first observable signs of degradation are noticed on site, it is generally too late and maintenance actions have to be made. This results in important expenses that could have been avoided if a satisfying prediction had been made. This thesis aims to propose some answers to that problem. Two main objectives have been handled. The first one consists in formulating reliable constitutive models for a better understanding of the mechanical behaviour of existing concrete structures. The second objective aims to develop a probabilistic approach for updating t he mechanical model according to experimental information available on site. A general constitutive framework, thermodynamically admissible, has been proposed coupling elasticity, isotropic damage and internal sliding. This general framework has been declined in two specific constitutive models, on one hand for modelling the steel/concrete interface including corrosion and, on the other hand for modelling the concrete behaviour. Both models are validated on several structural cases. They can be used for monotonic and cyclic loadings. Besides, they account for non linear hysteretic effects, quasi unilateral effect, permanent strains, etc. Simplified versions of the proposed constitutive models are also proposed for engineering purposes within the framework of the multifiber beams theory. In the case of the steel/concrete interface, although a Timoshenko based kinematic is assumed, a non-perfect interface between steel and concrete can be considered locally. The material para meter identification is not always straightforward. Therefore, the use of robust updating methods can improve the accuracy of mechanical models. A complete probabilistic approach based on Bayesian Networks has been proposed. It allows not only considering the uncertainties related to mechanical parameters but also reducing the gap between experimental measurements and numerical predictions. This study provides to stakeholders pertinent decision tools for predicting the structural behaviour of degraded reinforced concrete structures

Une des causes majeures responsables de la perte de performance des ouvrages en béton armé (fissuration excessive, perte de capacité portante) peut être imputée à la corrosion des armatures présentes dans les éléments structuraux. Ce phénomène est susceptible de se développer soit par carbonatation, soit par pénétration des ions chlorures par le béton d'enrobage. C'est alors que des produits de corrosion apparaissent et génèrent des contraintes de traction qui, dès dépassement de la résistance en traction, favorisent l'apparition de fissures. D'un point de vue pratique, dès que les premières fissures sont remarquées à la surface du béton, la corrosion a généralement atteint un stade avancée et des actions de maintenance doivent être envisagées. Cela entraînent d'importants coûts évitables si une prédiction satisfaisante avait pu être réalisée. Cette étude vise à apporter des éléments de réponse à cette problématique. Deux objectifs essentiels sont considérés dans ces travaux de thèse : le premier consiste à proposer des lois de comportement robuste et satisfaisantes permettant de bien décrire le comportement des éléments de structure existants et le second vise à introduire une méthode probabiliste permettant d'actuali ser les paramètres des deux modèles sur la base de l'information disponible sur le terrain. Un cadre constitutif générique couplant élasticité, endommagement isotrope et glissement interne, thermodynamiquement admissible, est pour cela développé. Cette classe de modèles est particularisée au cas de l'interface acier/béton en présence de corrosion et au cas du béton. Ces dernières peuvent être utilisées non seulement sous chargement monotone mais aussi sous chargement cyclique. Les lois proposées permettent de prendre en compte les effets hystérétiques, les déformations permanentes et l'effet unilatéral. En outre, ces dernières ont été validées sur différents cas tests. Des versions multifibres des lois précédemment mentionnées ont également été développées pour offrir à l'ingénieur des modèles simplifiés. Une prise en compte du caractère imparfait de l'interface acier/béton au sein du formalisme multifibre est notamment considérée. L'étape d'identification des paramètres mat ériaux n'est pas toujours aisée à réaliser en raison d'une part des incertitudes qui entachent ces derniers et, d'autre part, de la méconnaissance des mécanismes locaux. Ainsi, une méthodologie probabiliste complète permettant d'actualiser les paramètres d'entrée sur la base d'observations extérieures est proposée. Elle s'appuie sur une utilisation conjointe des réseaux bayésiens et de la théorie de la fiabilité. Elle permet ainsi de réduire l'écart entre la prédiction numérique et les mesures réalisées sur le terrain. Ce travail de thèse devrait contribuer à fournir aux gestionnaires d'ouvrage des outils d'aide à la décision leur permettant de mieux gérer leurs ouvrages en béton armé

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

Le béton armé associe la bonne résistance à la traction de l’acier à la grande résistance à la compression du béton. Toutefois, cette association ne présente un réel intérêt que s’il y a une bonne adhérence à l’interface des deux composants (béton et armatures). Or de nombreuses agressions accidentelles ou environnementales sont susceptibles d’altérer cette adhérence et rendre impossible le transfert des efforts entre les deux composants. L’objectif de notre thèse est d’étudier les propriétés de l’interface acier béton et de caractériser son endommagement sous l’effet de sollicitations mécaniques, thermiques et physicochimiques. Les principales sollicitations retenues dans cette étude concernent l’effet des températures élevées, l’effet de la carbonatation, l’effet des alternances de gel/dégel et l’effet de la corrosion.Au cours de cette étude, nous avons utilisé différentes techniques non destructives de caractérisation des matériaux et nous avons mis au point des dispositifs originaux de mesures simultanées de la résistance à l’arrachement et l’évaluation des discontinuités générées au cours des sollicitations. Parmi les paramètres d’influence de l’adhérence, nous avons examiné l’effet de la nature des barres d’acier (barre lisse ou barre haute adhérence), l’incidence de leur diamètre et l’effet de la longueur d’ancrage. Les résultats obtenus mettent en évidence les interventions respectives du collage physico-chimique et du frottement mécanique ainsi que l’effet de la résistance du béton dans le mode de ruine des éprouvettes de béton armé. Les différentes phases de dégradation de l’interface ont été identifiées. / Reinforced concrete combines the good tensile strength of steel with the high compressive strength of concrete. However, this association is of real interest if there is a good adhesion at the interface of the two components (concrete and reinforcement). However, accidental or environmental attack may alter the adhesion and make it impossibleto transfer forces between the two components. The aim of this dissertation is to study the properties of the steel concrete interface and to characterize its damage due to mechanical, thermal, and the physicochemical attacks. The main demands included in this study concern the effect of high temperatures, the effect of carbonation, the effect of alternating freeze / thaw and the effect of corrosion. In this study, we used different non-destructive techniques for the material characterization and we have developed original devices for simultaneous measurements of the pull-out resistance and for evaluation of discontinuities. Among the influencing parameters of adhesion, we examined the effect of the nature of the steel bars (smooth bar or deformed bar), the effect of their diameter and of the embedment length. The results highlight the respective interventions of the physicochemical bonding, the mechanical friction and the effect of the concrete strength in thefailure mode of reinforced concrete specimens. The different phases of interface degradation have been identified.

De nos jours, le béton est le matériau de construction le plus utilisé dans le monde en raison de ses performances mécaniques, sa facilité de mise en oeuvre, son coût compétitif et sa « recyclabilité ». Toutefois, compte tenu de son caractère fragile en terme mécanique et de sa faible résistance à la traction, il est souvent renforcé par des armatures métalliques qui lui confèrent une bonne ténacité et une meilleure aptitude à supporter les efforts de traction. Ce composite béton-armature ne peut cependant assurer efficacement son rôle que si les deux composants sont étroitement liés l’un à l’autre. C’est donc dans la qualité de l’adhérence que réside l’efficacité du transfert des efforts entre les deux matériaux. Or, dès la mise en place des ouvrages en béton armé et pendant toute la durée de leur exploitation, différentes actions et agents agresseurs peuvent modifier la qualité de cette adhérence. Il peut s’agir de phénomènes naturels comme le gel/dégel et l’action du dioxyde de carbone atmosphérique, ou des sollicitations accidentelles comme l’incendie ou encore l’action de certains agents spécifiques comme les chlorures et les sulfates. Notre objectif dans cette thèse est de qualifier les modifications d’adhérence qui résultent de quatre types de sollicitations couramment rencontrées dans la vie des ouvrages en béton armé: l’effet des températures élevées, l’effet de la carbonatation, l’effet des cycles gel/dégel, l’effet de la corrosion. Nous évaluons la qualité de l’adhérence par la mesure de la résistance à l’arrachement et par l’analyse du comportement résiduel sous sollicitation mécanique. La technique d’émission acoustique est utilisée pour localiser en temps réel, l’endommagement du matériau sous sollicitation. Les applications de notre étude concernent non seulement les armatures et inserts classiques du béton armé mais aussi les nombreux dispositifs constructifs des structures mixtes acier – béton qui utilisent les liaisons par goujons pour relier les deux matériaux. / Nowadays, concrete is the most used construction material in the world because of its mechanical performances, its ability to be molded or cast, its competitive cost and its recyclability. However, concrete has a low ductility and a relatively low tensile strength compared to other construction materials. Therefore, concrete is often reinforced by steel rebars to improve the ductility and tensile strength. Nevertheless, to make reinforced concrete being highly efficient material, the two components need to be correctly bonded each to other. The bond quality the efficiency of the force transfer between rebar and concrete surrounding ensures. In fact, since the casting of concrete and during the service life of reinforced concrete structure, various actions such corrosion action, freeze/thaw attack and chemical attack etc. may affect the bond quality. The objective of this PhD research work is to qualify the changes of adhesion property causing by four types of action which frequently takes place in the service life of reinforced concrete structures: the effect of high temperatures, the effect of carbonation, the effect of cycles freeze/thaw, the effect of corrosion. The concrete-rebar bond quality is evaluated by doing pull-out tests under static mechanical action and measuring the bond strength and analyzing residual behaviour. Moreover, the acoustic emission technique is used to locate the cracks and evaluate the cracking evolution in real time. The founding of this study can be also extended to apply to other concrete-steel structures like composite structures in which headed studs are used to connect steel profiles to concrete.