Les études par éléments finis sont de plus en plus utilisées dans l'industrie pour assister la conception de produits, de structures ou de machineries. Plus la capacité de la méthode des éléments finis s'accroit, plus on en demande. À l'heure actuelle, une limitation importante de la méthode est due à son support informatique dont la capacité n?est pas infinie et au temps de résolution d'un gros système. Un des moteurs employé pour réduire la taille du système est d'utiliser des éléments à dimensions réduites, soit des poutres et des coques. Bien que plusieurs études puissent être réalisées avec ces éléments à dimensions réduites, il y a tout de même certaines études dont la géométrie du modèle ne permet pas d'utiliser uniquement ce type d'élément. On peut alors avoir recours aux études multidimensionnelles qui combinent des éléments de dimensions différentes. Ces études se butent cependant à deux problèmes majeurs limitant leur précision et leur automatisation. Le premier étant l'assemblage des différents maillages et le second la compatibilité des degrés de liberté. Cette recherche propose des méthodes pour résoudre les problèmes et démontre comment les automatiser. Deux approches principales sont évaluées et celle retenue est automatisée. Cette méthode est alors modifiée pour s'ajuster à tous les types de connexions entre entités de différentes dimensions. Le produit est alors un maillage exportable, qui, lorsqu'importé dans un solveur externe, conduit à un système d'éléments finis pouvant être calculé par un solveur standard. Ces méthodes sont non seulement automatiques, mais retournent également des résultats intéressants comparés aux autres méthodes.

La présente thèse a pour objectif létude du mécanisme de transfert des flexions à la jonction poutre poteau dans les structures en portiques mixtes soumises à une action sismique, dans l'hypothèse où l'assemblage poutre poteau est de type pleinement résistant. La thèse contribue à la définition des éléments nécessaires pour effectuer un calcul sécuritaire de la résistance à laction sismique des portiques mixtes. A lheure actuelle, le chapitre relatif aux constructions mixtes dans lEurocode 8, basé en partie sur nos travaux, a été édité [prEN 1998-1-3 (2001)]. Notre contribution concerne les poutres mixtes avec dalle et leur jonction aux colonnes, pour le calcul desquelles notre travail établit un ensemble d'éléments d'information cohérents. Cependant, des études dans ce domaine restent utiles pour affiner les règles proposées et étendre leur applicabilité au cas des assemblages à résistance partielle. Rappelons d'abord le principe de base du projet parasismique, à savoir le "dimensionnement capacitif". Lors dun dimensionnement dune structure soumise à forte sollicitation sismique, les éléments de la structure sont proportionnés de manière à réaliser une distribution des zones de dissipation dénergie du séisme dans la structure selon un schéma choisi. Les zones de plastification forment un ensemble ne mettant pas en danger léquilibre global de la structure. Cela correspond à ce qu'on appelle un "dimensionnement capacitif". Dans ce contexte, il est primordial de bien connaître la résistance de chaque élément pour être sûr que la ruine aura lieu là où on le désire. Dans un portique, on applique généralement le concept "poutre faible colonne forte", cest-à-dire que lon désire que la dissipation dénergie se fasse dans des rotules plastiques de poutres. Quelle différence existe-t-il entre les structures en acier et les structures mixtes ? Dans les structures en acier, les résistances des sections et des assemblages sont relativement bien contrôlées et il est aisé de hiérarchiser lapparition des rotules plastiques. Dans les structures mixtes par contre, la contribution de la dalle au moment de flexion résistant de la poutre est une quantité variable mal maîtrisée qui dépend de nombreux paramètres, tels le pourcentage darmatures, la densité des connecteurs et la participation de la poutre transversale dans le schéma résistant. Il est très important de connaître leffet de ces paramètres car ils influencent directement la capacité flexionnelle des poutres et, par conséquent, ils peuvent modifier lordre dapparition des rotules plastiques entre les colonnes et les poutres et complètement mettre à mal le concept poutre faible colonne forte. Le but général de notre thèse est de mettre en évidence et de quantifier le rôle de la dalle -et implicitement de ses composants, les armatures, les goujons connecteurs et la poutre transversale- dans le transfert de moment de flexion de la poutre à la colonne. Lobjectif pratique est la définition de données utilisables par les auteurs de projet, telles que - des largeurs effectives à prendre en considération pour lanalyse des structures en portiques mixtes sous séisme et pour le calcul des résistances (moments plastiques) des sections - des éléments nécessaires à la définition des détails de connexion acier-béton et des armatures - l'implémentation de ces informations dans un format de règle de calcul, dans l'Eurocode 8.

Ce travail s'inscrit dans le cadre d'un partenariat scientifique entre le Laboratoire Navier et la société STRAINS. Convaincue du besoin de renouveler les méthodes actuelles de calcul de structures, STRAINS développe un nouveau logiciel dédié à l'analyse des ouvrages d'art. Dans ce contexte, cette thèse propose de nouveaux outils pour l'analyse des structures élancées. Le modèle élastique de poutre d'ordre supérieur développé par cite{Ferradi2016} est d'abord adapté au cas des déformations imposées, permettant ainsi au modèle de représenter un grand nombre de phénomènes physiques tels que le fluage, la précontrainte ou les chargements thermiques. Différents exemples viennent souligner la précision numérique du modèle ainsi que ses performances en temps de calcul. Le modèle est également étendu au cadre de la théorie de la plasticité. Considérant les déformations plastiques comme des déformations imposées, les résultats précédemment obtenus sont utilisés pour développer une nouvelle cinématique d'ordre supérieur. Enfin, un nouvel élément de poutre élastoplastique pour le béton armé est proposé. Le béton est décrit grâce au modèle élastoplastique et les ferraillages sont modélisés par des éléments barres à une dimension. Cette méthode permet une description précise du comportement du béton et une représentation fidèle des renforcements. La validité des calculs est évaluée par des considérations de dissipation énergétique / This thesis work is presented in the framework of a scientific partnership between Laboratoire Navier and the french start-up STRAINS. Believing in the need for new methodologies in structural analysis, STRAINS is developing a new software dedicated to the structural analysis of bridges. In this context, this work suggests new tools for the analysis of slender structures.The higher-order elastic beam element developed by cite{Ferradi2016} is first extended to the case of eigenstrains, enabling the model to deal with various physical phenomena such as creep, prestress or thermal loads. An enriched kinematics is used to capture the local response of the structure. Different examples highlight the local accuracy of the model and its fast computational performances. The model is also extended to plasticity in small perturbations. Considering the plastic strains developing in the structure as eigenstrains, the previous works are used to derive a higher-order elastoplastic kinematics.Finally, a new elastoplastic beam element for reinforced concrete is suggested. The concrete material is described by using the elastoplastic beam model developed previously while steel rebars are modeled by one dimensional bar elements. This method enables a fine local description of the concrete behavior and an accurate representation of the reinforcement. The validity of computations is assessed thanks to energy considerations

On assiste à une reprise d’intérêt pour l’utilisation du bois comme matériau structural dans la construction de ponts et d’édifices. Le bois lamellé-collé (BLC) est généralement le produit de bois d’ingénierie retenu pour la fabrication des poutres de bois à longue portée. Cependant, de nouvelles approches sont nécessaires afin d’augmenter la longueur des portées actuellement réalisables avec ce matériau compte tenu des limites imposées par les propriétés mécaniques du bois et par les caractéristiques géométriques des sections de BLC. Une approche abordée dans ce mémoire est le développement de sections composites combinant le BLC avec d’autres matériaux. Ce mémoire rapporte la conception et les essais sur des configurations innovatrices de poutres en bois lamellé-collé assemblées avec une ou des planches en béton fibré à ultra-haute performance (BFUP) et des bars d’armature en acier ou en polymère renforcé de fibres (PRF). Le document fournit des détails sur les concepts généraux étudiés, décrit certains des problèmes rencontrés lors de la fabrication des poutres composites et fait ressortir les résultats des essais de flexion en quatre points qui ont été effectués sur les spécimens.

Ce travail de recherche est axé sur le développement de composites à liant phosphatique et fibres de renfort en verre E pour diverses applications structurales en Génie Civil. Dans une première partie, un bilan bibliographique nous permet d'identifier les principaux facteurs aux différentes échelles (nano, micro, méso et macro) ayant une influence sur le comportement global de composites à matrice minérale. Dans un second temps, les propriétés mécaniques et physico-chimiques des constituants sont présentées. Nous développons une méthodologie spécifique de caractérisation en traction, en compression et en cisaillement. Le développement de procédures expérimentales particulières en compression et en cisaillement permet l'identification des lois de comportement et l'évaluation des seuils d'endommagement et charges de rupture. La prévision des différents termes de rigidité élastique des systèmes composites est évaluée à partir d'expressions reprenant les principes de base de la micromécanique des composites. L'analyse du comportement à rupture est abordée au plan mésoscopique en considérant deux critères de résistance en plasticité, anisotropie (Tsai-Wu) et en contrainte normale, de cisaillement (Mohr-Coulomb). La deuxième partie de la recherche est consacrée à l'étude d'éléments structuraux mettant en oeuvre les formulations pultrudés de ces systèmes composites. L'expérimentation de poutres, présentant un rapport de la hauteur de la section à la portée de la poutre compris entre 1/15 et 1/50, met en évidence des modes de rupture spécifiques confirmant les faibles caractéristiques du matériau vis-à-vis de l'effort tranchant, du cisaillement interlaminaire et de la décohésion fibre/matrice. L'optimisation de la conception et du dimensionnement des poutres se poursuit en considérant des modifications d'ordre technologique : modification des sections par addition d'entretoises, confinement des sections par tressage circonférentiel, application d'un confinement par stratification directe. Pour chaque type de structures, nous cherchons à définir les limites de validité des méthodes de dimensionnement usuelles en examinant plus particulièrement la conformité des hypothèses de calcul (Navier-Bernoulli, Saint Venant), la cohérence des équations d'équilibre au regard de la cinématique dans chaque section. Dans un second temps, nous considérons des développements intégrant les non linéarités de comportement ou des modèles d'équilibre de type force adaptés à la redistribution interne des efforts tranchants.

Ce travail de recherche est axé sur le développement de composites à liant phosphatique et fibres de renfort en verre E pour diverses applications structurales en Génie Civil. Dans une première partie, un bilan bibliographique nous permet d’identifier les principaux facteurs aux différentes échelles (nano, micro, méso et macro) ayant une influence sur le comportement global de composites à matrice minérale. Dans un second temps, les propriétés mécaniques et physico-chimiques des constituants sont présentées. Nous développons une méthodologie spécifique de caractérisation en traction, en compression et en cisaillement. Le développement de procédures expérimentales particulières en compression et en cisaillement permet l’identification des lois de comportement et l’évaluation des seuils d’endommagement et charges de rupture. La prévision des différents termes de rigidité élastique des systèmes composites est évaluée à partir d’expressions reprenant les principes de base de la micromécanique des composites. L’analyse du comportement à rupture est abordée au plan mésoscopique en considérant deux critères de résistance en plasticité, anisotropie (Tsai-Wu) et en contrainte normale, de cisaillement (Mohr-Coulomb). La deuxième partie de la recherche est consacrée à l’étude d’éléments structuraux mettant en oeuvre les formulations pultrudés de ces systèmes composites. L’expérimentation de poutres, présentant un rapport de la hauteur de la section à la portée de la poutre compris entre 1/15 et 1/50, met en évidence des modes de rupture spécifiques confirmant les faibles caractéristiques du matériau vis-à-vis de l’effort tranchant, du cisaillement interlaminaire et de la décohésion fibre/matrice. L’optimisation de la conception et du dimensionnement des poutres se poursuit en considérant des modifications d’ordre technologique : modification des sections par addition d’entretoises, confinement des sections par tressage circonférentiel, application d’un confinement par stratification directe. Pour chaque type de structures, nous cherchons à définir les limites de validité des méthodes de dimensionnement usuelles en examinant plus particulièrement la conformité des hypothèses de calcul (Navier-Bernoulli, Saint Venant), la cohérence des équations d’équilibre au regard de la cinématique dans chaque section. Dans un second temps, nous considérons des développements intégrant les non linéarités de comportement ou des modèles d’équilibre de type force adaptés à la redistribution interne des efforts tranchants. / This PhD thesis focuses on the development of E-glass reinforced Inorganic Phosphate Cement (IPC) matrix composites for structural applications in Civil Engineering. First, a bibliographical review highlights the main parameters occurring at different scales (nano, micro, meso and macro) influencing the global behaviour of the composite. Mechanical and physico-chemical properties of the different components are presented, followed by a characterization methodology in tension, in compression and in shear. The development of specific experimental procedures in compression and in shear leads to the identification of the constitutive equations and to the assessment of the damage and failure thresholds. The prediction of the different terms of elastic stiffness is assessed using micromechanical expressions. The failure is analysed at the macroscopic scale considering two failure criteria: Tsai-Wu and Mohr-Coulomb. The second part of the study is devoted to the analysis of loadbearing elements in glass reinforced mineral matrix. The realised beams show a height-to-span ratio between 1/15 and 1/50. The experimentation highlights specific failure modes confirming the weak shear performance of the composite in terms of shear force, interlaminar shear and fibre/matrix decohesion. Some technological modifications allow the optimisation of the design: the use of internal reinforcing struts, external confinement by fiber braiding and external wrapping. For each type of structure, we define the validity limits of the usual design methods examining the design hypotheses (Navier-Bernoulli, Saint Venant) and the equilibrium equations in function of the kinematics. In a second time, we consider the development of a force equilibrium model integrating a non-linear behaviour adapted to the internal redistribution of the shear forces.

L'installation de l'armature de cisaillement dans les poutres en béton armé est souvent onéreuse et complexe. De plus, la fragilité de la rupture en cisaillement en fait un danger pour la sécurité du public. L'utilisation d'un béton renforcé de fibres (BRF) s'avère être une alternative intéressante pour fournir une résistance en cisaillement suffisante et éviter ce mode de rupture. Suite aux diverses études réalisées dans le passé par les chercheurs, certains points restent à analyser concernant les poutres en BRF. En effet, la majorité des études ont porté sur des poutres de petites tailles faites de béton renforcé de fibres d'acier. Il faut donc approfondir l'effet d'échelle et l'utilisation de fibres synthétiques. Des essais à la rupture en quatre points sur trois séries de poutres de tailles différentes (150x250x2200mm, 300x500x4400mm, 300x800x7100mm) ont été réalisées à l'Université de Sherbrooke par Tran [2009], Nguyen [2006] et Lavictoire [2010]. Le présent projet de recherche s'inscrit à la suite de leurs projets et consiste à compléter les essais déjà réalisés afin d'étudier l'effet d'échelle en présence de fibres. L'objectif est également d'analyser et de comparer l'apport des fibres utilisées (synthétiques et crochetées en acier) sur la résistance à l'effort tranchant des poutres en BRF. Des essais à la rupture ont été réalisés sur huit poutres dans le but de posséder des résultats pour des poutres avec les renforts en cisaillement suivant : aucun renfort, minimum d'étriers selon la norme CSA A23.3-04, taux volumiques de 0.5% et 1.0% de fibres d'acier et synthétiques. Parallèlement, des essais de caractérisation du comportement post-fissuration des BRF ont été réalisés conformément à la norme ASTM C1609/C1609M-10. Les résultats montrent que malgré une augmentation significative de la résistance à l'effort tranchant, les fibres ne parviennent pas à enrayer l'effet d'échelle. De plus, les deux types de fibre utilisés ont permis d'obtenir des résistances semblables avec un taux volumique de 0.5%. Alors qu'un taux de 1.0% de fibres d'acier a permis d'atteindre des résistances comparables aux poutres avec le minimum d'étriers selon la norme, l'utilisation de 1.0% de fibres synthétiques n'a pas eu d'effet notable comparativement à 0.5%. Les fibres ont également permis de retarder l'apparition des fissures diagonales et d'en réduire l'ouverture en comparaison aux poutres sans renfort en cisaillement sous chargement équivalent. Elles ont par ailleurs provoqué une augmentation de la rigidité des spécimens. Des tentatives d'estimation de la résistance en cisaillement des sept poutres en BRF du programme expérimental ont été réalisées en utilisant différentes valeurs de résistance post-fissuration obtenues par l'essai ASTM C1609/C1609M-10. Les données récoltées avec ce projet étant insuffisantes, davantage de recherches sont nécessaires afin de déterminer une équation de design adaptée aux poutres de BRF et un paramètre de résistance post-fissuration adéquat.

Deux types de modèles applicables à l'analyse globale de poutres mixtes acier béton sont présentés et analysés dans le mémoire de thèse. Le modèle analytique, basé sur la théorie élastique des poutres, permet le calcul du glissement et de son influence sur les flèches de poutres mixtes simples et continues. Le comportement non linéaire de la poutre mixte est étudié au moyen d'une modélisation par éléments finis. Une formulation par éléments de coque est utilisée pour représenter la dalle et la poutre métallique. La connextion est formulée par des éléments de poutre courts. Le modèle éléments finis tridimensionnel est validé par la confrontation à des résultats expérimentaux de différentes sources. Il s'avère être efficace pour représenter l'influence du glissement et de la fissuration du béton sur la raideur de la poutre mixte. Des exemples numériques illustrent l'application des modèles à l'analyse globale de poutres simples, continues et planchers mixtes

On s'intéresse dans cette recherche à la valorisation du matériau bois dans les ouvrages d'art. Le concept retenu est une structure mixte bois-BFUP (Béton Fibré Ultra Performant). Ce type de conception possède des propriétés structurales qui ne sont théoriquement pas atteintes par l'utilisation seule du bois ou du béton. Ici, le béton est utilisé en compression et le bois essentiellement en traction. La résistance élevée du BFUP associée à la performance du bois en flexion permet d'espérer la conception d'ouvrages légers, faciles à construire, et utilisant un minimum de matière non renouvelable. Cependant, dans cette solution, la connexion à l'interface des deux matériaux est toujours un point extrêmement sensible, notamment sous les actions de fatigue. Du comportement de l'interface dépend le taux d'augmentation de la résistance et de la rigidité. Cette thèse présente des études théoriques et expérimentales sur la contribution des systèmes de connexion au comportement global de nouveaux ponts mixtes bois-BFUP. Après le chapitre de synthèse bibliographique, un modèle, appartenant à la famille des Modèles Multiparticulaires des Matériaux Multicouches (M4), est développé. Sa résolution analytique pour le cas de la poutre mixte a été réalisée et validée par un calcul aux éléments finis. On met en évidence la bonne prise en compte des déformations de cisaillement dans les couches et de glissement à l'interface. Dans la partie expérimentale, des essais exploratoires en flexion sur des poutres mixtes, équipées de différents systèmes de connexion couvrant toutes les familles, sont présentés. Les résultats ont montré que la solution par collage entre le bois et le BFUP est bien plus performante que les autres solutions, tant en rigidité qu'en résistance. Un prototype d'un tablier mixte bois-BFUP collé à l'échelle 1/3 a été ensuite conçu et quatre exemplaires ont été réalisés. Les tests ont permis de démontrer la bonne tenue en fatigue de la solution par collage. Les résultats positifs ont ainsi ouvert des perspectives pour de nouveaux ponts mixtes.

Le lamellé collé est un produit adapté pour répondre à la demande croissante du marché de la construction de Guyane, compte tenu de la ressource forestière. Cependant, des problèmes techniques, climatiques et économiques rendent le collage trop difficile en Guyane. Les professionnels de la construction bois, proposent souvent de réaliser des assemblages mécaniques simples en substituant la colle, mais aucun référentiel technique ne permet de justifier parfaitement ce produit. Le boulonnage seul conduit à une poutre insuffisamment rigide du fait que les lames glissent l'une sur l'autre. Le clou est un organe d'assemblage simple et adapté à la reprise d'efforts tangents. Les travaux entrepris dans cette thèse se sont concentrés sur la question : comment des poutres constituées de lames en gonfolo clouées peuvent présenter une rigidité suffisante en flexion ? Une série d'essais a permis de définir le comportement non linéaire d'un assemblage cloué cisaillé par le glissement des lames. D'autres essais, réalisés sur des bilames cloués sollicités en flexion 4 points, ont montré qu'une densité de clouage suffisante permettait de se rapprocher de la rigidité que conférerait un collage. La modélisation par éléments finis des lames clouées fléchies, utilisant la loi de comportement expérimentale de l'assemblage cloué, permet de définir la performance du bilame en fonction de la densité de clouage et du niveau de chargement. La prédiction correspond bien avec les résultats expérimentaux. Finalement, un assemblage, caractérisé par une densité de clous prédite par le modèle, permet de conférer une rigidité satisfaisante à une poutre lamellée clouée lorsqu'elle est sollicitée en flexion.