Thèses (M.Sc.A.)--Université de Sherbrooke (Canada), 1997. / Titre de l'écran-titre (visionné le 24 août 2006). Publié aussi en version papier.

The goal of this research project is to analyze the behavior of columns made with plain concrete and synthetic polypropylene/polyethylene fiber addition. In order to supplement the current data base, an experimental study was carried out on six columns of real size and ordinary concrete resistance confined by circular stirrups and subjected to constant axial loads and cyclic flexure. Three columns were built with concrete of normal resistance with 0% of synthetic fibers and three columns were built of concrete with 1% by volume of synthetic fibers.The used concrete strength varied from 25 to 42 MPa, the resistance of longitudinal steel was 510 MPa, that of the stirrups of 468 and 510 MPa and the axial factor load around 25% Ag f'c . Today, it is possible to explore the behavior in the plastic range of the structural elements under seismic loading. Predictions of behaviour of moment vs curvature as well as predictions of force vs displacement relationship were accomplished. Indeed, the comparison between the experimental results and the prediction made for the specimens with and without fibers shows a very good agreement. In the case of the prediction of the moment vs curvature relationship, the MNPHi software developed by [PAULTRE, 1996] was used and in the case of the prediction of force vs displacement relationship, software DISP96 developed by [LÉGERON, 1998] was used. Finally, the influence of tie spacement as well as addition of fibers were clearly observed.The results show that the presence of polypropylene/polyethylene fibers in the concrete matrix improves ductility, tenacity, and the capacity to dissipate energy. Also, they help to retain the cover concrete.

La réhabilitation parasismique de piliers de ponts et de poteaux de bâtiments en béton armé peut être réalisée efficacement par le confinement à l'aide de polymères renforcés de fibres de carbone (PRFC), ce qui a été étudié dans le présent projet par des essais en compression-flexion sur huit poteaux, dont quatre ont été réhabilités avec des PRFC. Les ponts, viaducs et bâtiments canadiens construits selon les codes de conception datant d'avant les années 1970 sont propices à subir d'importants dommages lors d'un séisme et même à poser un risque pour la sécurité des utilisateurs/occupants. Depuis, les normes parasismiques ont été grandement améliorées. De plus, avec le vieillissement des infrastructures, des dilemmes importants forcent les décideurs à choisir entre la réhabilitation et la reconstruction. Il importe de quantifier l'amélioration de la performance sismique apportée par le confinement des poteaux avant d'adopter cette technique à grande échelle. Pour cela, il faut étudier la ductilité et la résistance des poteaux confinés et non confinés et évaluer l'amélioration de la capacité de dissipation de l'énergie sismique. Les résultats ont de plus été comparés aux prédictions du modèle de confinement de Eid et Paultre afin d'évaluer la précision de ce modèle. Pour répondre à ces objectifs, huit spécimens ont été construits, quatre ont été réhabilités et tous les poteaux ont été testés par chargements axial constant et latéral cyclique. L'espacement des étriers, le niveau de charge axiale ainsi que l'usage de confinement ont été étudiés. Des courbes d'hystérésis ont ensuite été tracées afin de calculer les gains en capacité de dissipation d'énergie sismique. L'hypothèse de départ était que les poteaux confinés reprendraient une charge latérale maximale légèrement plus élevée, mais surtout qu'ils se déformeraient davantage et qu'ils dissiperaient plus d'énergie avant la rupture. Cette recherche vient combler un manque criant de données expérimentales sur le comportement en flexion-compression des poteaux confinés à l'aide de PRF. Les prochaines recherches pourront se baser sur ces résultats pour explorer d'autres paramètres expérimentaux et éventuellement proposer des articles de normes.

Les structures sont parfois soumises à des sollicitations extrêmes telles que des chocs et des séismes, dont les conséquences peuvent être désastreuses. La réduction de la vulnérabilité au séisme du bâti existant est un enjeu de société de première importance. Le renforcement d'éléments structuraux par matériaux composites collés offre une solution intéressante, mais les règles de dimensionnement concernant l'application de tels matériaux pour le renforcement parasismique n'ont pas encore toutes été clairement établies. Le présent travail de thèse se propose de contribuer à l'établissement de ces règles pour le renforcement de poteaux en béton armé, par matériaux composites. Une campagne expérimentale a donc été menée sur plusieurs poteaux en béton armé, d'échelle représentative ; diverses configurations de renforcement ont été appliquées sur ces corps d'épreuve, qui ont ensuite été testés en flexion composée alternée. Ces différents essais nous ont permis d'analyser le comportement des poteaux selon la présence ou non de confinement (tissu de fibres de carbone), de renforcement à la flexion (lamelles), et d'ancrage des lamelles de renfort en matériaux composites. Cette notion d'ancrage des composites a fait l'objet d'une campagne expérimentale complémentaire, visant à caractériser une technique d'ancrage innovante et à en vérifier les performances. Grâce à ces différents essais, les gains en termes d'énergie dissipée apportés par les différentes configurations de renforcement, les gains en termes de ductilité globale de la structure ainsi qu'en termes d'augmentation de la charge portante ont été vérifiés. Outre ces aspects quantitatifs, ce travail a permis de proposer des pistes pour l'établissement de règles de dimensionnement de ces renforts spécifiques à la réhabilitation parasismique, en lien avec les normes actuelles, et notamment l'Eurocode 8 / Structures can be submitted to severe loadings, especially impacts and earthquakes, and reducing the seismic vulnerability of existing structures is thus an important issue. Retrofitting by Fibre-Reinforced Polymer (FRP) is an interesting technical solution but design rules have to be developed concerning their application for seismic strengthening. This thesis aims to contribute to the development of design rules concerning the strengthening of reinforced concrete columns by FRP. For this purpose, an experimental campaign carried out on full-scale reinforced concrete columns has been undertaken. Different strengthening configurations have been applied to columns, which were then tested under combined axial and lateral load. Those tests helped to analyze the behaviour of columns depending on the FRP confinement (carbon FRP jacket), on flexural reinforcement (carbon plates) and on anchorage of FRP. An additional experimental campaign has been undertaken in order to characterize an innovative anchoring system and assess its performance. The purpose of the study was to evaluate the effectiveness of the different strengthening configurations in increasing the dissipated energy and the ductility. In addition to the quantitative aspects, it was made possible to propose design rules for the use of FRP in seismic rehabilitation, linked to current rules, especially Eurocode 8

Les structures sont parfois soumises à des sollicitations extrêmes telles que des chocs et des séismes, dont les conséquences peuvent être désastreuses. La réduction de la vulnérabilité au séisme du bâti existant est un enjeu de société de première importance. Le renforcement d'éléments structuraux par matériaux composites collés offre une solution intéressante, mais les règles de dimensionnement concernant l'application de tels matériaux pour le renforcement parasismique n'ont pas encore toutes été clairement établies. Le présent travail de thèse se propose de contribuer à l'établissement de ces règles pour le renforcement de poteaux en béton armé, par matériaux composites. Une campagne expérimentale a donc été menée sur plusieurs poteaux en béton armé, d'échelle représentative ; diverses configurations de renforcement ont été appliquées sur ces corps d'épreuve, qui ont ensuite été testés en flexion composée alternée. Ces différents essais nous ont permis d'analyser le comportement des poteaux selon la présence ou non de confinement (tissu de fibres de carbone), de renforcement à la flexion (lamelles), et d'ancrage des lamelles de renfort en matériaux composites. Cette notion d'ancrage des composites a fait l'objet d'une campagne expérimentale complémentaire, visant à caractériser une technique d'ancrage innovante et à en vérifier les performances. Grâce à ces différents essais, les gains en termes d'énergie dissipée apportés par les différentes configurations de renforcement, les gains en termes de ductilité globale de la structure ainsi qu'en termes d'augmentation de la charge portante ont été vérifiés. Outre ces aspects quantitatifs, ce travail a permis de proposer des pistes pour l'établissement de règles de dimensionnement de ces renforts spécifiques à la réhabilitation parasismique, en lien avec les normes actuelles, et notamment l'Eurocode 8

Le confinement des poteaux en béton a fait l’objet de plusieurs recherches dans les années précédentes et l’influence des différents paramètres sur l’efficacité du confinement a été aussi soigneusement étudiée, à savoir : la limite élastique de l’acier de confinement, l’espacement entre les barres transversales, la contrainte maximale du béton, l’inclusion des fibres dans le béton. Plusieurs modèles de confinement ont été proposés dans la littérature et l’examen de ces derniers a souligné le besoin de développer un modèle de confinement pour le béton à hautes performances. Ce dernier est caractérisé par son comportement fragile surtout dans les zones à forte sismicité ce qui réduit son utilisation. Il s’est avéré que l’utilisation des fibres, ne serait-ce qu’en petite quantité (0,0% à 1,0% du volume de béton), dans la matrice de béton est très bénéfique pour palier à ce problème de fragilité des BHP. Dans le cadre de ce projet nous allons effectuer une étude expérimentale qui consiste à effectuer des tests de compression centrée sur douze poteaux de dimensions : diamètre : 303 mm, hauteur : 1400 mm, afin d’examiner l’effet de plusieurs paramètres sur le comportement structural des poteaux en béton armé, à savoir : la résistance en compression du béton, l’espacement des étriers, la quantité de fibres utilisée, la présence de l’enrobage du béton, la présence de supports servant à retenir l’enrobage du béton. Les spécimens ont été fabriqués avec des bétons dont la résistance en compression spécifiée varie de 30MPa à 90MPa, selon le cas. Deux pas de spirales sont utilisés, 50 mm et 100 mm. La quantité de fibres variait de 0,0% à 1,0%. Les résultats de l’étude expérimentale montrent que la présence des fibres synthétiques dans la matrice de béton permet de remédier au problème de fragilité des BHP et que des gains de résistance sont observés au niveau du béton confiné et non confiné. L’ajout des fibres a permis à l’enrobage du béton d’atteindre sa résistance théorique et de se rompre par écrasement de matériaux et non par flambage. Des niveaux de ductilité importants sont atteints en fournissant un confinement adéquat aux BHP. Le nombre de spécimens pour analyser les variables : présence de l’enrobage et de supports, était insuffisant pour pouvoir tirer des conclusions fiables à ce sujet. Une bonne corrélation est observée lors de la comparaison des résultats expérimentaux et de ceux obtenus avec le modèle analytique proposé par Eid et Paultre qui est dérivé du modèle Cusson et Paultre.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Le travail de cette thèse a pour but de développer des outils de simulation et une méthode de dimensionnement pour les poteaux hybrides soumis à des chargements combinés. La thèse est composée de 4 parties essentielles et comprend 6 chapitres. Dans la première partie, nous développons un élément fini poutre/poteau hybride élastique et l’interaction partielle avec matrice de raideur exacte. Cet élément fini découle de la solution analytique du système d'équations différentielles couplées obtenues en combinant les équations de champs (équilibre, cinématique et comportement). Les inconnues fondamentales sont les glissements aux interfaces et la déformation de cisaillement de l'élément principal. Ces équations sont résolues pour des conditions de chargement et des conditions aux limites arbitraires en accordant un soin particulier à la détermination des constantes d'intégration. Dans la seconde partie de cette thèse, nous proposons une formulation d'élément fini originale pour l'analyse en grand déplacement des poutres hybrides avec prise en compte des glissements qui se produisent à chaque interface acier-béton. La méthode de co-rotationnelle est retenue. Dans cette approche, le mouvement de l'élément se décompose en un mouvement de corps rigide ct en une partie déformable définie dans un repère co-rotationnel local qui se déplace de manière continue avec l'élément mais qui ne se déforme pas avec ce dernier. Un choix judicieux des variables cinématiques locales accompagné des matrices de transformation correspondantes permet de transposer l'élément linéaire développé en partie 1 en un élément géométriquement non-linéaire performant. La partie 3 est consacrée à l'analyse non linéaire matérielle par élément finis de poutres hybrides en interaction partielle et soumise aux forces combinées de flexion et de cisaillement. Dans la formulation élément fini proposée, nous adoptons la discrétisation par libres et une modèle 3D de comportement du béton avec prise en compte des états plans ce qui permet de reproduire rigoureusement l'effet du confinement et l'action des étriers. En partie 4, nous évaluons la pertinence de la méthode d'amplification des moments proposées dans I'Eurocode 2 et 4 à évaluer la charge ultime de poteaux hybrides soumis à une combinaison de charge axiale et de moment de flexion uni-axial. Dans un premier temps, nous conduisons une étude paramétrique sur 1140 cas différents de poteaux hybrides; étude destinés à couvrir les différentes typologies possibles, afin de disposer d'une base de résultats permettant d'évaluer la pertinence des méthodes simplifiées de I'Eurocode 2 ct de I'Eurocode 4 pour de tels éléments. Cette étude a été réalisée à l'aide d'un élément fini non-linéaire (géométrique et matériel), avec une hypothèse de Bemouilli pour tous les composants du poteau hybride. Il ressort de cette étude que ces méthodes simplifiées ne peuvent être appliquées aux poteaux hybrides. Sur base de l'analyse d'un nombre de cas plus important (2960 configurations), la méthode d'amplification des moments est calibrée pour les poteaux hybrides. / This thesis aims at developing simulation tools and a design method for hybrid beam-columns subjected to combined axial force, bending and shear. The thesis is divided in four main parts and comprises 6 chapters. In the first part, we develop a new finite element formulation based on the exact stiffness matrix for the linear elastic analysis of hybrid beam-columns in partial interaction taking into account the shear deformability of the encasing component. This element relies on the analytical solution of a set of coupled system of differential equations in which the primary variables are the slips and the shear deformation of the encasing beam. The latter is derived by combining the governing equations (equilibrium, kinematics, constitutive laws) and solved for a specific element with arbitrary boundary conditions and loading. Special care has been taken while dealing with the constants of integration. The second part of the thesis addresses a new finite element formulation for a large displacement analysis of elastic hybrid beam-columns taking into account the slips that occur at each steel-concrete interface. The co-rotational method is adopted in which the movement of the clement is divided into a rigid body motion and a deformable portion in the local co-rotational frame which moves and rotates continuously with the element but does not deform with it. Appropriate selection of local kinematic variables along with corresponding transformation matrices allows transforming the linear finite element developed in Part I into a nonlinear one resulting in an efficient locking-free formulation. In Part 3, we derive a finite element formulation for materially nonlinear analysis of hybrid beam-columns with shear deformable encasing component, in partial interaction and subjected to the combined shear and bending. The fiber model is adopted with condensation of the 3D stress-strain relations which allow to account for confinement in a rigorous manner as well as the effect of the stirrups. Part 4 examines the adequacy of the moment magnification method given in Eurocode 2 and 4 to provide an accura te estimation of the ultimate load of hybrid columns subjected to a combination of axial load and uniaxial bending moment. The developed finite element model with a shear rigid encasing component is used to conduct a parametric study comprising 1140 cases to cover the various possible situations. The predictions of the model are compared against the values given by the simplified methods of Eurocode 2 and Eurocode 4. lt is shown that these simplified methods does not give satisfactorily results. Based on the analysis of larger number of cases (2960 configurations), the moment magnification method has been calibrated for hybrid columns.

Ces travaux de recherche visaient à développer un système d'aide à la mobilité pour les personnes ayant une déficience visuelle (VIP ‘Visually Impaired Person’) appelé ‘Smart Environment Explorer Stick (SEES)’. Le but particulier de cette recherche était de développer de nouveaux algorithmes pour améliorer la précision de la détection de la présence de poteaux de la canne SEE-stick en utilisant la méthode de calcul de distance et la recherche de paires de lignes verticales basées sur l'optimisation de la technique de détection de contour de Canny. Désormais, l'algorithme de détection des poteaux est appelé l’algorithme YuRHoS. Le SEES développé comme système de support d'aide à la mobilité VIP a été intégré avec succès à plusieurs dispositifs tels que le serveur distant dénommé iSEE, le serveur local embarqué dénommé SEE-phone et la canne intelligente dénommée SEE-stick. Les performances de SEE-stick ont été améliorées grâce à l'algorithme YuRHoS qui permet de discriminer avec précision les objets (obstacles) en forme de poteau parmi les objets détectés. La comparaison des résultats de détection des poteaux avec ceux des autres algorithmes a conclu que l'algorithme YuRHoS était plus efficace et précis. Le lieu et la couleur des poteaux de test d’évaluation étaient deux des facteurs les plus importants qui influaient sur la capacité du SEE-stick à détecter leur présence. Le niveau de précision de SEE-stick est optimal lorsque le test d’évaluation est effectué à l'extérieur et que les poteaux sont de couleur argentée. Les statistiques montrent que la performance de l'algorithme YuRHoS à l'intérieur était 0,085 fois moins bonne qu'à l'extérieur. De plus, la détection de la présence de poteaux de couleur argentée est 11 fois meilleure que celle de poteaux de couleur noir. / This research aimed to develop a technology system of mobility aid for Visually Impaired Person (VIP) called Smart Environment Explorer Stick (SEES).Particular purpose of this research was developing new algorithm in improving accuracy of SEE-stick for pole detection using distance calculation method and vertical line pair search based on Canny edge detection optimization and Hough transform. Henceforth, the pole detection algorithm was named as YuRHoS algorithm.The developed SEES as supporting system of VIP mobility aid had been successfully integrated several devices such as global remote server (iSEE), embedded local server (SEE-phone) and smart stick (SEE-stick). Performance of SEE-stick could be improved through YuRHoS algorithm, which was able to fix the accuracy of SEE-stick in detecting pole. Test comparison of pole detection results among others algorithm concluded that YuRHoS algorithm had better accuracy in pole detection.Two most significant factors affecting SEE-stick ability in detecting pole was test location and pole color. Level of accuracy of SEE-stick would be optimum once the test location was performed outdoor and pole color was silver. Statistics result shown that YuRHoS algorithm performance indoor was 0.085 times worse than outdoor. Meanwhile, silver-pole-color as object detection could increase YuRHoS algorithm performance as much as 11 times better compare to black-pole-color.

La ductilité et la capacité à dissiper de l'énergie sont deux qualités très importantes pour les éléments structuraux des structures situées dans les régions sismiques comme l'est du Canada. Soulignons que Montréal occupe la deuxieme place en ce qui a trait au risque sismique au Canada. De plus, la réduction des coûts de maintenance des infrastructures est un sujet d'intérêt pour les propriétaries alors que ces derniers doivent en tout temps garantir la sécurité des usagers. Or, le béton renforcé avec des fibres synthétiques semble être un matériau qui remplit ces caractéristiques. Pourtant, son utilisation est actuellement limitée aux éléments non structuraux ou structuraux mais non principaux. Afin de généraliser l'utilisation du béton fibre dans le domaine structural, il faut continuer à produire et à analyser des données expérimentales qui permettront de valider et d'améliorer les prescriptions de design et les modèles analytiques actuels pour la conception des éléments en béton armé avec des fibres dans les zones sismiques. Dans ce contexte, six poteaux circulaires à grande-échelle ont été testés sous une charge axiale constante (25% de Agf'c) et en flexion cyclique. Trois poteaux ont été confectionnés en béton normal (BN) et les trois autres en béton renforcé avec des fibres synthétiques (BRFS). La résistance à la compression du béton spécifiée à 28 jours pour les spécimens était de 30 MPa. Le volume de fibres synthétiques en polypropylène-polyéthylène utilisé a été de 1%. Les trois poteaux en BN étaient renforcés par une armature transversale constituée d'une spirale ayant un pas de 42, 75 et 100 mm respectivement. Ces trois spécimens ont été comparés avec des spécimens similaires en BRFS. Les résultats montrent que la présence des fibres synthétiques dans la matrice de béton améliore le comportement ductile et la capacité a dissiper de l'énergie des spécimens. Il a été observé que cette amélioration n'est pas directement proportionnelle à la quantité d'armature transversale. Toutefois, l'utilisation du béton fibre semble rendre possible une réduction de l'armature transversale tout en conservant un aussi bon sinon un meilleur comportement.