In Quebec and in North-America, there is a common deterioration problem of the reinforced concrete structures in parking garages. The harsh environment surrounding those structures corrodes the steel rebars which is the principal cause of degradation. However, this problem can be completely eliminated by the use of a non corroding material such as glass fiber-reinforced polymer (GFRP). This master's thesis presents an overview of the properties of fiber-reinforced polymer (FRP) material and the standards related to their application. Also, the internal punching shear resistance mechanisms of two-way slabs are reviewed. This type of structure is widely used in parking garages. The results of eight two-way slabs reinforced with GFRP bars tested up to punching shear failure are presented in this master's thesis. Moreover, two reference slabs reinforced with steel have also been tested. The test parameters are : (i) the reinforcement type (GFRP or Steel) (ii) the slab thickness (iii) the column dimensions (iv) the reinforcement ratio and; (v) the presence of compressive reinforcement. The slab dimensions are 2.5 m x 2.5 m with a slab thickness of 200 or 350 mm. The results revealed that all the specimens reinforced with GFRP bars showed a brittle failure similar to the reference specimens reinforced with steel. Furthermore, the GFRP specimens had a similar crack pattern and surface failure than the homologue reference specimens. However, the GFRP specimens showed a normalized punching shear strength of 67% in average of the reference specimens with the same reinforcement ratio. Those results are due to the lower modulus of elasticity of the GFRP bars which is about 25% of the steel. The ACI 440.1R-06 shows a very conservative ratio of the experimental results to the prediction (Vc,exp /Nc,pred ) of 2.11 which lead to a none optimum and economical design of two-way slabs reinforced with FRP bars. However, the proposed equation in the next CSA-S806 standard shows good agreement with the experimental results with a ratio Vc,exp /N c,pred of 1.04 and a COV of 13%. Furthermore, the coefficient of determination, R2, of this equation is 0.95. The experimental results presented in this document have been used in the reconstruction of a parking garage in Quebec City. The Hôtel de ville parking garage is the first field application worldwide to use GFRP bars in a two-way slabs.

Au cours des dernières années, la détérioration des structures en béton armé a pris une ampleur sans précédent, et ce, malgré le fait que leur durée de vie en service initialement prévue est loin d'être atteinte. La corrosion de l'armature d'acier est un des principaux facteurs réduisant la durée de vie des ponts en béton armé d'acier. Par ailleurs, l'armature en matériaux composites de polymères renforcés de fibres (PRF) constitue une solution à l'armature métallique afin de pallier au problème de la corrosion d'acier et à la détérioration des structures en béton armé. Aussi, les barres d'armature en matériaux composites de PRF possèdent une résistance en traction élevée (environ 2 à 6 fois la limite élastique de l'acier d'armature conventionnel), ce qui leur permet de constituer un renforcement structural attrayant pour les structures en béton. Le comportement d'éléments structuraux en béton armé de barres en PRF est différent de ceux en béton armé de barres d'acier. En effet, les barres en PRF possèdent un module d'élasticité relativement plus faible que celui de l'acier et ont des propriétés d'adhérence différentes de celles des barres d'acier. L'utilisation des barres d'armature en PRF pour armer les dalles de tabliers de ponts se concrétise de plus en plus avec l'avancement des recherches dans ce domaine. La recherche entamée dans le cadre de cette thèse s'inscrit dans un programme de travaux réalisés au sein de la Chaire de recherche CRSNG/Industrie sur les Matériaux composites novateurs en PRF pour les infrastructures au département de génie civil à l'Université de Sherbrooke. Le comportement de membrures en béton armé de PRF soumis à des sollicitations mécaniques constitue un des principaux axes de recherche. Dans le cadre de cette thèse, une série d'essais a été effectuée sur huit dalles de ponts à confinement interne à grande échelle. Les paramètres des essais comprennent: (1) l'épaisseur de la dalle, (2) le type et le taux d'armature transversale de l'assemblage inférieur, (3) la résistance en compression du béton, et (4) le taux d'armature dans les autres directions (armatures transversale et longitudinale de l'assemblage supérieur et l'armature longitudinale de l'assemblage inférieur). Lors des essais de chargement, les dalles ont été supportées par deux poutrelles métalliques espacées de 2000 mm centre à centre et soumises à une charge statique concentrée sur une aire de contact de 600 mm x 250 mm afin de simuler une charge de camion (87,5 kN-CL-625) et ce conformément au code Canadien sur le calcul des ponts routiers [CAN/CSA-S6-06]. Aussi, une analyse numérique du comportement des dalles testées sous charges est faite à l'aide d'un logiciel d'éléments finis ADINA version 8.2. Les essais ont montré que toutes les dalles testées ont rompu par poinçonnement, peu importe le paramètre étudié. Aussi, une épaisseur de dalle de 175 mm répond aux exigences du Canadien sur le calcul des ponts routiers [CAN/CSA-S6-06]. Par ailleurs, les résultats ont montré que la résistance en compression du béton est un paramètre qui influe sur la déflexion, les déformations dans les barres et l'ouverture de fissures. Enfin, les résultats des analyses numériques effectuées corroborent avec ceux obtenus expérimentalement.

La méthode de renforcement des ouvrages en béton par collage de matériaux composites est une pratique qui connaît actuellement un essor important. Dans cette optique, nous nous proposons d'apporter une contribution à l'analyse du comportement des dalles en béton armé renforcées par matériaux composites. Après avoir examiné les limites technologiques des différentes techniques de renforcement, le bilan bibliographique repose sur l'analyse des méthodes proposées pour le calcul et le dimensionnement des structures renforcées, en particulier dans le cas des dalles en flexion où les efforts sont transmis au renfort composite d'une manière bidirectionnelle. <br /><br />Dans ce contexte, un protocole expérimental a été mis au point afin d'évaluer les performances des diverses théories développées pour prédire la rupture des composites. Cette étude a démontré l'efficacité du critère de Tsai-Wu à prédire la résistance du composite stratifié carbone/époxy étudié. <br /><br />Dans un second temps, nous avons élaboré une procédure théorico-expérimentale portant sur l'évaluation du gain en résistance des dalles renforcées par matériaux composites ainsi que les paramètres influençant le comportement en rigidité. L'ensemble des résultats a mis clairement en évidence l'influence du composite en particulier sur la capacité portante de la dalle qui peut être augmentée jusqu'à cinq fois.<br /><br />L'analyse des modes de rupture obtenus expérimentalement confirme que la ruine de la structure se produit essentiellement par poinçonnement. En conséquence, notre travail s'est orienté vers l'analyse du comportement des dalles renforcées vis-à-vis du poinçonnement. Parmi les différents modèles proposés pour prédire la résistance au poinçonnement des dalles BA, les prédictions du modèle de Menètrey approchent le mieux les valeurs expérimentales. La dernière partie de l'actuel travail concerne la modification du modèle de Menétrey afin de considérer l'effet du composite sur la résistance des dalles renforcées au poinçonnement.

Deterioration of reinforced-concrete (RC) structures due to corrosion of steel limits the service-life and increases the rehabilitation costs. Concrete slabs in parking structures deteriorate faster than any other structural elements because of direct exposure to high concentrations of chlorides used for snow and ice removal-during winter seasons. The use of fiber-reinforced polymer (FRP) bars as an alternative to conventional steel has emerged as a realistic and cost-effective solution to overcome the corrosion problems, particularly for concrete structure exposed to harsh environmental conditions. Design of RC flat slabs is often compromised by their ability to resist shear stresses at the punching-shear surface area. The connections between slabs and supporting columns could be susceptible to high shear stresses and might cause brittle and sudden punching-shear failure. These connections may become the starting points leading to catastrophic punching-shear failure of a flat slab system when the steel reinforcement corrodes. Extensive research work has been conducted on the punching-shear behaviour of steel-reinforced flat slabs. The punching-shear strength of RC flat slabs reinforced with glass fiber-reinforced polymer (GFRP) bars, however, is yet to be fully investigated and understood. This is due to the limited research work on the subject and to the numerous parameters affecting punching-shear behaviour. In addition, the current FRP design codes and guidelines do not provide rational design models addressing the contribution of the FRP as shear reinforcement (stirrups) for FRP-RC flat slabs. Thus, this study aims at investigating the punching-shear behaviour of concrete two-way slabs reinforced in flexure with GFRP bars. The investigation included two-way test specimens without shear reinforcement and others with carbon or glass FRP stirrups to evaluate the performance of specimens without shear reinforcement and the effect of shear reinforcement on the punching-capacity and performance. To achieve this, experimental and analytical studies were conducted. The experimental program included twenty-six interior slab-column connections reinforced with GFRP bars and two specimens reinforced with steel bars for comparisons. The specimens were tested through two phases. Phase I, focused on the two-way slabs without shear reinforcement and the investigated parameters were: (i) flexural reinforcement ratio (ranged from 0.34% to 1.66%) and type (steel and GFRP); (ii) GFRP compression reinforcement; (iii) slab thickness (200 mm and 350 mm); (v) column dimensions (300 × 300 mm and 450 × 450 mm); (iv) concrete strength (normal and high-strength concretes). Phase II, focused on the use of FRP shear reinforcement (stirrups) and its effectiveness and contribution to the punching-shear capacity. The test variables considered in Phase II were: (i) the material of stirrups (carbon and glass FRP); (ii) shear reinforcement ratio; (iii) stirrup spacing; (iv) the effect of flexural reinforcement ratio on the effectiveness of the shear reinforcement. The effect of the different parameters considered in the two phases of the experimental work were presented and discussed in four journal papers. Moreover, the test results and the findings contributed to the first field implementation of GFRP bars in two flat slabs parking garages in Québec's city, which were Québec's city hall (Québec, Canada, 2010) and La Chancelière parking garage (the world's first flat-slab parking garage totally reinforced with GFRP bars) (Québec, Canada, 2011). On the other hand, the analytical study included assessing the accuracy of the current punching-shear design provisions through comparing the test results of the specimens tested herein and 35 specimens from literature. The provisions included CSA 8806-12 (2012), ACI 440 (2006), BS 8110 (1997), and JSCE (1997).

Cette thèse a pour objet l'étude du comportement d'un nouveau système de galerie de protection contre les chutes de blocs appelé Pare-blocs Structurellement Dissipant (PSD). L'innovation majeure, par rapport aux solutions classiques, est de dissiper l'énergie d'impact directement dans la dalle en béton armé ou dans des appuis fusibles, et non plus dans une couche de matériau amortissant. Les phénomènes dynamiques ayant lieu lors de l'impact d'un bloc sur la dalle sont analysés au moyen d'expérimentations sur une structure PSD à l'échelle 1/3. Les efforts de percussion appliqués à la dalle, durant la phase de contact avec le bloc, sont estimés ainsi que les différents transferts et dissipations d'énergie. Les résultats ont permis de valider le principe de fonctionnement et de réparation des PSD et font apparaître que la dalle est endommagée par trois mécanismes majeurs : le poinçonnement, la mise en flexion et la déstructuration de surface de la zone impactée. Les principales grandeurs expérimentales sont retrouvées à l'aide de simulations numériques des essais avec un code éléments finis. Un modèle mécanique simplifié « masses-ressorts-amortisseur » est également développé dans le but de concevoir des méthodes de dimensionnement applicables en bureau d'études. Les perspectives de ce travail sont d'aboutir à l'établissement de recommandations sur la conception et la réalisation des pare-blocs structurellement dissipants.

On dira que le poinçonnement est la conséquence du mouvement relatif d'un objet géologique bien délimité et qualifié pour le moment de " dur .. ( le poinçon) vers et dans un autre objet géologique contigu, plus étendu et plus " mou " ( le massif ). Le mode de raisonnement a été le suivant : partant de l 'image que l'on peut se faire d 'un poinçon possible, on en recherche ,dans la nature, des exemples qu ' on étudie avec autant de précision que possible. Parallèlement on essaye de discuter les hypothèses qui permettront de cerner le problème mécanique et on met au point un programme de calcul numérique. La phase finale est la comparaison des résultats des calculs avec ce qu' on peut savoir de la réalité. Cette démarche de pensée à conditionné toute I'organIsatIon du travail et en particulier, le plan de ce mémoire : - une une première partie expose les qualités d'un poinçon" convenable" ( c 'est-à-dire de bonnes dImensions, correctement dégagées par l'érosion et ou la preuve du mouvement relatif existe) et les difficultés rencontrées dans la recherche d'un tel objet. On y présente les deux exemples réels choisis : ST ILLIERS et CUCULET , ainsi que les méthodes qui ont permis de les étudier . - une deuxième partie présente la m éthode des éléments flnis en essayant surtout de dégager les hypothèses plus ou moins implicites qui lui sont attachées et les paramètres qu'il est nécessaire de connaitre. On s'applique ensuite à poser les hypothèses (simplificatrices) qui permettront d'approcher la valeur de ces paramètres dans les cas géologiques concrets. Enfin, on présente sommairement le programme TECTO qui a été utilisé, ainsi que les programmes de dessIn automatique qui lui sont attachés , en justifiant les options choisies ( une notice d 'utilisation très précise de ces programmes est donnée dans un volume annexe ) . - une troisième partie expose les résultats de 5 séries de calculs : Comparaison avec 2 poinçons de la littérature ( SANF0RD,J 1959 ); Etude théorique du poinçonnement d 'un tricouche; Etude de l'influence de la forme du poinçon appliqué sur une série sédimemaire réelle ( Bassin Parisien ); Modélisation des exemples réels de SAINT ILLIERS et CUCULET ,, en présentant d'abord les conclusions de l'étude géologique . - La conclusion rappelle les prInclpaux résultats et InsIste sur les hypothèses faites. On enprofite pour souligner les questions qui r estent sans réponse et suggérer respectueusement quelques recherche qui devraient aider à combler le hiatus entre Géologie et Mécanique.

De façon à réduire les problématiques de circulation causées par la construction et l'entretien des ponts, les dalles de pont préfabriquées sur leur pleine épaisseur sont une alternative prometteuse à la dalle de béton conventionnel. Ce mémoire présente le développement d'un système de dalles de pont préfabriquées nervurées en béton de fibres métalliques (BFM). L’utilisation de BFM permet des dalles plus minces avec un poids beaucoup plus léger qui peut être intéressant pour certaines opérations. Le concept est d’abord validé par des tests sur des éléments de dalles et de poutres. Des essais en grandeur réelle sont ensuite effectués pour évaluer la performance de la dalle, des nervures et de deux types de joints de tablier. Il est conclu que la dalle proposée est adéquate pour supporter les charges de conception du code canadien et qu’elle peut être jusqu'à 50% plus légère qu'une dalle conventionnelle de 200 mm.

Le forgeage multi-matériaux est un procédé permettant la mise en forme et l’assemblage simultanés de matériaux différents. Ce procédé permet d’obtenir des pièces multi-matériaux avec le « bon matériau placé au bon endroit ». L’objectif des travaux de thèse est de définir les conditions nécessaires à l’établissement de la liaison métallurgique par forgeage à l’interface d’un couple d’aciers. Dans un premier temps, l’état de l’art a servi à l’identification les phénomènes physiques accompagnant le forgeage multi-matériaux et les paramètres clés pilotant l’établissement de la liaison métallurgique. Le principe de base de l’établissement d’une liaison passe par la fragmentation des oxydes en surface des matériaux et par l’application d’une pression de contact favorisant le contact entre les matériaux nus et la diffusion. Les deux paramètres clés identifiés sont donc la pression normale de contact et l’expansion de surface. Le protocole de caractérisation du co-forgeage mis en place comporte trois essais « simples » permettant de solliciter les interfaces avec des pressions et des expansions différentes. Ces dernières, estimées par simulation numérique de l’essai, sont mises en relation avec la qualité des liaisons obtenues évaluée, quant à elle, au travers d’observations métallographiques. Les premières simulations permettent de dimensionner les campagnes expérimentales. Celles-ci sont ensuite conduites sur les moyens de mise en forme de la plateforme VULCAIN. Les efforts de mise en forme et la géométrie globale des pièces et la répartition de matière servent de base à l’identification des paramètres de la simulation. La simulation ainsi obtenue et les observations métallographiques aux interfaces sont ensuite mises en lien. Cette démarche a permis de confirmer l’importance du rôle joué par la pression de contact et l’expansion de surface sur l’établissement d’une liaison au cours de la mise en forme du multi-matériaux. La répartition et la forme des particules d’oxydes semblent liées au chemin thermomécanique subi par l’interface. / The multi-material forging is a forming process allowing, simultaneously, the welding and shaping of multi-material parts with the right material at the right place. The purpose of the presented work is to identify the necessary conditions to obtain a metallurgical bond during forming between two different grades of steel. First, the state of the art allowed the identification of the physical phenomena occurring during multi-material forging and the determination of the key parameters of the bonding which are the contact pressure and the surface expansion at the both sides of the interface. The mechanisms to establish metallurgical bond by forging are based on the breaking and the dispersion of the oxide layer at the interface then the extrusion of the soft material through the voids generated between the oxide fragments. Second, the characterization methodology of this work is presented. It consists of three “simple” forming tests leading to different interface conditions (contact pressure and surface expansion). The first simulations allow the design of the experimental plan for each test. The comparison between simulations and experiments allows the identification of physical parameters of the simulation. Then, the contact pressure and the surface expansion of the identified simulations are used to analyze the metallographic structure and the bonding at the interface.The developed work confirms the major effect of the contact pressure and the surface expansion on the establishment of a metallurgical bond during multi-material forming. The size and the shape of the oxide particles seem to depend on the thermomechanical path at the interface.

Le Pare-blocs Structurellement Dissipant (PSD) est un type de galerie pare-blocs innovant. Il se compose d'une dalle en béton armé reposant sur des appuis fusibles métalliques. Contrairement aux galeries pare-blocs traditionnelles, le PSD utilise directement le mouvement de la dalle, et la déformation de la dalle et des appuis, pour dissiper l'énergie d'impact de blocs rocheux. Le but de cette thèse est de contribuer à améliorer l'analyse et le dimensionnement du PSD sous les impacts rocheux. L'analyse structurelle du PSD nécessite des analyses d'impact appropriées. Un algorithme d'impact est donc développé, qui permet de traiter les impacts unilatéraux entre un projectile rigide et une structure déformable. Cet algorithme est ensuite mis en œuvre dans un code de calculs par éléments finis. Validé par plusieurs tests, ce développement fournit un outil de calcul pour le PSD permettant de prendre en compte les effets de vitesse du comportement des matériaux. Cet outil est utilisé pour modéliser le PSD sous différentes conditions d'impact. D'abord, les essais d'impact sur une maquette PSD à l'échelle 1/3 sont modélisés pour connaître la faisabilité de la modélisation structurelle. Une corrélation satisfaisante entre les résultats numériques et expérimentaux permet de réaliser plusieurs séries d'études paramétriques avec le même modèle aux éléments finis pour mettre en évidence l'influence de la masse et de la vitesse des blocs rocheux, de la position de point d'impact sur la dalle, de l'épaisseur de la dalle, du type de béton et du pourcentage d'armatures de la dalle. Enfin, des calculs à l'échelle de la structure sont effectués. Toutes ces études montrent la robustesse du concept PSD, ainsi que ses optimisations possibles, particulièrement pour améliorer sa résistance vis-à-vis du poinçonnement.

Cette thèse concerne l'étude expérimentale et la modélisation de la déformation des roches polyminérales par le mécanisme de la dissolution cristallisation sous contrainte. D'une part, il est montré qu'une augmentation de la proportion de grains peu solubles dans une roche diminue la résistance à la déformation. Cela indique une compétition entre deux mécanismes: d'une part la dissolution sous contrainte aux contacts des grains accélère la déformation, et d'autre part la cicatrisation de ces contacts inhibe la dissolution et ralentit le fluage. D'autre part, il a été réalisé des expériences de poinçonnement de monocristaux de calcite en présence de fluide. La vitesse de déformation de la calcite est de deux ordres de grandeur plus élevée que prévu par la théorie. Cet effet peut être expliqué par le développement de microfissures dans la calcite au contact du poinçon. Ces résultats sont appliqués au comportement des sites de stockage de déchets radioactifs et de séquestration du CO2.