La présente étude traite de l'éco-conception d'une pièce structurale, de type poutre tubulaire, en stratifié bio-composite à base de fibres de lin. A cette pièce à concevoir est associé un cas de charge mécanique combinant flexion et torsion et une tenue face aux produits détergents-décontaminant utilisés en environnement médical. Cette étude a pour objectif de montrer la faisabilité d'employer comme architecture de renfort, une mèche de lin pour la réalisation de la pièce. Ce renfort a la particularité d'être constitué de fibres alignées dont la cohésion est assurée par la présence d'un liant par opposition aux fils constituées de fibres retordues. Tout d'abord, pour établir un cahier des charges de fabrication à partir de ceux déjà en vigueur, le comportement mécanique du bio-composite à l'échelle du pli, puis à celui du stratifié et enfin à l'échelle de la poutre stratifié a été modélisé et des critères de conception et de dimensionnement portant sur la rigidité en flexion et en torsion ont été développés de façon analytique. Associée à cette approche et au choix du renfort, le procédé d'enroulement filamentaire a été retenu pour la mise en oeuvre de la pièce. Afin de montrer la compatibilité de la mèche en entrée et le procédé sélectionné, une étude du comportement en traction de la mèche visant à étudier l'effet des paramètres du procédé sur les propriétés mécaniques de la mèche a été réalisée. Cette deuxième phase a été poursuivie par la réalisation de prototypes, suivant le cahier des charges de fabrication établit, qui ont ensuite été analysés en termes de qualité et de performances mécaniques. La corrélation entre ces résultats et ceux obtenus par l'étape de dimensionnement a permis de valider l'approche. Enfin, dans le but d'intégrer l'interaction avec l'environnement opératoire dans le dimensionnement de la pièce, une étude de la durabilité a été réalisée. Celle-ci permet d'établir des stratégies de dimensionnement pour répondre à l'application.

LES METHODES DE CONTROLE DES DUREES DE VIE SE CONCENTRENT SUR LES EFFETS PRIS SEPAREMENT DES PRINCPAUX PROCESSUS DE DEGRADATION. IL APPARAIT TOUTEFOIS ESSENTIEL D'ETUDIER LE COUPLAGE DES EFFETS DE CES DIFFERENTS PROCESSUS CAR LEURS INTERACTIONS PEUVENT CONDUIRE A LA RAPIDE PERTE D'INTEGRITE DES STRUCTURES. LE RENFORCEMENT DEVIENT NECESSAIRE AFIN DE COMPENSER LES PERTES DE RESISTANCES OU DE SUPPORTER DES CHARGEMENTS COMPLEMENTAIRES. LE COLLAGE EXTERIEUR DE POLYMERES RENFORCES DE FIBRES PRF CONSTITUE UNE SOLUTION TECHNOLOGIQUE POUR LA REHABILITATION DES STRUCTURES BETON EXISTANTES. TROIS PRINCIPAUX OBJECTIFS SONT CONSIDERES DANS LA PRESENTE ETUDE. LE PREMIER EST DE PROPOSER DES MODELES PROBALISTES DEPENDANT DU TEMPS POUR LES ACIERS D'ARMATURE ET DES CHARGEMENTS D'EXPLOITATION. LE SECOND EST DE CONDUIRE UNE ANALYSE EN TERME D'INDICES DE FIABILITE. LES MODES DE DEFAILLANCE DES POUTRES EN BETON ARME REPAREES PAR COMPOSITE A BASE DE PRF SERONT SIMULES EN TERMES PROBALISTES PAR LE BIAS DE LA METHODE DE FIABILITE DE PREMIER ORDRE. LE TROISIEME OBJECTIF DE LA RECHERCHE A ETE DE DEVELOPPER, AFIN DE VERIFIER LES RESULTATS DE LA METHODE DE FIABILITE DE PREMIER ORDRE, UNE SIMULATION DE TYPE MONTE CARLO BASEE SUR L'EXPLOITATION DE RESEAUX DE NEURONES ET LA METHODE DES ELEMENTS FINIS. LES RESULTATS PERMETTENT D'IDENTIFIER PLUS CLAIREMENT LES NOMBREUSES VARIABLES INFLUENCANT LA FIABILITE DES ELEMENTS DE STRUCTURE RENFORCES ET D'AFFIRMER LE BESOIN DE RECHERCHES COMPLEMENTAIRES EN VUE DE SAISIR PLUS PERCISEMENT CES INFLUENCES. LES DEUX VARIABLES SIGNIFICATIVES SUR CE POINT SOINT : L'ETAT DE LA STRUCTURE EXISTANTE AU MOMENT DE LA REPARATION ET LA COMPLEXITE DES CHARGEMENTS APPLIQUES.

Les structures constructives de type Gridshells sont réalisées à partir d'une grille régulière plane que l'on déforme élastiquement, puis que l'on rigidifie dans la position souhaitée. Les Gridshells en matériaux composites ont été développés et étudiés depuis plusieurs années au laboratoire Navier. La thèse propose, à travers un historique des réalisations Navier, un retour d'expérience. Elle identifie également les aspects à mieux maîtriser, d'un point de vue simulation numérique ou d'un point de vue matériau et technologie. La thèse détaille alors des développements numériques nouveaux permettant l'analyse ultime de la structure, prise en compte des ruptures de barres (robustesse), et permettant la prise en compte de la torsion dans des poutres anisotropes, c'est-à-dire à section quelconque. Dans le premier chapitre on traite ainsi du contexte dans lequel s'inscrivent les travaux sur les gridshells. La conception des gridshells au laboratoire Navier y est détaillée. En particulier, la méthode numérique historiquement utilisée, à savoir la méthode de relaxation dynamique, est présentée. Le second chapitre présente les réalisations du laboratoire Navier. Plusieurs prototypes ont été réalisés durant les dix dernières années. Les deux dernières structures, le gridshell de Solidays et la Cathédrale Ephémère de Créteil, ont été conçues et fabriquées pour accueillir du public. Les choix importants de conception et de fabrication de ces gridshells sont détaillés, avec un accent sur les avancées technologiques et sur les retours d'expérience. Le troisième chapitre traite du comportement des gridshells en matériaux composites. La démarche a été d'investiguer le comportement du gridshell pour comprendre les processus d'endommagement des gridshells. On montre que le flambement conditionne la robustesse des gridshells. En effet, les résultats de l'étude montrent que lorsque le gridshell a été bien dimensionné et que les risques de flambement de la structure sont écartés, la structure se comporte de manière robuste, du fait de sa forte redondance. Finalement, le dernier chapitre traite d'un nouveau modèle de poutre permettant de prendre en compte la torsion dans les poutres de section quelconque. Dans les précédents chapitres, il est souligné que la non prise en compte de la torsion peut-être préjudiciable pour diverses raisons, sous-estimation des contraintes, méconnaissance des efforts de jonctions, erreur sur la géométrie. Dans ce chapitre, le modèle de poutre est un modèle à quatre degrés de liberté, à la manière des travaux de Basile Audoly et Ethan Grinspun. La simulation numérique, à nouveau réalisée à l'aide d'un algorithme de relaxation dynamique, permet d'obtenir les configurations d'équilibre de structures fortement réticulées telles que les gridshells. Une des particularités de ce travail est que le modèle de poutre est développé en continu jusqu'à l'obtention des efforts intérieurs. Le modèle est ensuite discrétisé et implémenté de manière à pouvoir être utilisé. Une sous-étape permet d'ajouter des forces et des moments extérieurs. Pour des poutres de section rectangulaire, les résultats du modèle sont comparés à un logiciel élément fini et donnent de bons résultats en termes de précision et de temps de calcul. Finalement la méthode numérique est appliquée à des structures composées de poutres connectées. La transmission des efforts au niveau des connexions est implémentée. L'excentricité des connexions est également modélisée ce qui permet d'obtenir de précieuses informations sur les efforts transitant au sein des connexions. Grâce à ces travaux, il devient possible d'utiliser la richesse de forme que peuvent offrir les poutres élancées présentant deux inerties en flexion différentes / The structures like gridshells are structures made of a plane regular grid which is elastically deformed and then stiffened in the wished configuration. The composite materials gridshells have been developed and studied for several years at Navier laboratory. The thesis offer a feedback, through a history of Navier realisations. It also precise the points to improve, in numerical simulation or about materials or technological aspects. Then, the thesis explains the new numerical developments that make possible the ultimate analysis of the structure, taking account the ruptures of beams (robustness), and that makes possible the consideration of the torsion in anisotropic beams, that is to say beams with any cross-section. In the first chapter the context of the work is presented. This chapter explains how the Navier laboratory designs and builds gridshells. In particular, the numerical method historically used - the dynamic relaxation method - is presented. The second chapter presents the gridshell realisations of the Navier laboratory. Several prototypes have been built during the past ten years. The two last ones, the Solidays gridshell and the Ephemeral Cathedral of Creteil, have been designed to shelter public. The important choices during design and fabrication are detailed with an accent on technological progresses and feedbacks. The third chapter deals with the behaviour of composite materials gridhsells. The approach was to investigate the behaviour of the gridshell to understand the processes of damage. It is shown that buckling is particularly dangerous for the gridshell. The results of the study shows that when the gridshell has been well designed and in particular if buckling is avoided, the gridshell behave in a robust manner, thanks to its redundancy. Finally the last chapter deals with a new beam model, able to take into account torsion, for beams with any section. In the previous chapters it was underlined that the consideration of torsion aspects was lacking and has various consequences – incorrect estimation of stress, ignorance of forces and moments in connections, imprecision in geometry. In this chapter, the model of beams used is a four degrees of freedom model, similar to the ones presented by Basile Audoly and Ethan Grinspun. The numerical simulation, performed once again thanks to a dynamic relaxation algorithm, is able to provide equilibrium configurations of highly reticulated structures as gridshells. One of the particularity of this work is the fact that the model is a continuous model, only discretized for numerical simulations. The external forces and moments can be implemented. For beams with rectangular cross-section, the results of the model are compared to finite element modelling simulations. The results are satisfying in term of accuracy and computational time. Finally the numerical method is applied to structures made of interconnected beams. The connections are modelled and the efforts through them are provided by the model. This provides important information about how to design the connections. Thanks to these work it become possible to use the large possibility of shapes offered by slender beams whose flexural inertias are different

Les systèmes multi-capteurs intelligents de gaz (ou nez électroniques), sont déjà déployés dans des domaines aussi divers que la parfumerie, l'industrie alimentaire, la surveillance de l'environnement et à des fins militaires et médicaux. La collaboration engagée dans le cadre du Projet Européen SNIFFER, s'est focalisée sur le développement d'un système type nez-électronique innovant basé sur des capteurs MEMS combinés à des bio-récepteurs olfactifs pour la détection de substances illicites. Dans un autre contexte et ce, dans une démarche interne à ESIEE-Paris, nous avons aussi choisi d'élargir le sujet à la conception d'un système multi-capteurs pour une application en détection de composés organiques volatils.Ainsi, dans la perspective d'une amélioration des technologies par l'utilisation de capteurs MEMS, cette thèse traite de la conception, la fabrication et la caractérisation de capteurs de type micro-poutre résonante en silicium et en diamant et également de la preuve de concept d'un système multi-capteur pour la détection de gaz. Si le choix du silicium en tant que matériaux pour la fabrication de nos capteurs a pour avantage l'énorme éventail de connaissances disponible, le diamant fait sa place dans le monde de la microtechnologie grâce à ses remarquables propriétés physiques et chimiques. Même si certaines études portant sur le développement de dispositifs et de procédés MEMS en diamant sont décrites dans la littérature, une comparaison entre les performances des deux matériaux pour le développement d'un même capteur n'a jamais été étudiée. En conséquence, cette thèse est axée sur l'utilisation de ces deux matériaux pour la conception de micro-poutres résonantes, afin d'établir des éléments de comparaison pour les deux technologies.Dans un premier temps, nous avons mis en place des procédés de micro-structuration du diamant développés auparavant dans notre laboratoire afin de les optimiser pour une fabrication totalement compatible avec les techniques de salle blanche et indépendante des variations des conditions de synthèse du diamant. Nous avons, pour la première fois, réalisé des micro-poutres en diamant avec des jauges en silicium polycristallin intégrées. Nous avons caractérisé le module d'Young du diamant en utilisant deux méthodes différentes aboutissant dans le cas le plus précis à la valeur de 1080 GPa. Ensuite, la sensibilité massique des poutres en silicium et en diamant fabriquées a été évaluée. Dans le meilleur des cas, et pour des fréquences de résonance très proches, les poutres en silicium présentent une sensibilité de 89 Hz/ng tandis que pour les poutres en diamant, la sensibilité s'élève à 212 Hz/ng. Nous avons également observé que pour des faibles variations de masse, l'impact de l'ajout de masse sur le coefficient de qualité des poutres était plus critique pour les structures en silicium.Finalement, une preuve de concept de l'utilisation du système multi-capteur à base de micro-poutres en silicium et en diamant pour la détection de composés organiques volatils a été mise en place. Nous avons démontré la détection de plusieurs composés dans des concentrations de l'ordre de la dizaine de ppm de manière totalement automatique et sans recours à des instruments de mesure. Les résultats de ces détections forment une base de données à partir de laquelle nous avons, par l'application de méthodes statistiques multivariées, abouti à la discrimination des composés testés / Smart multi-sensor systems for gas detection (or electronic noses), are already deployed in areas as diverse as cosmetics and food industry, environment monitoring and military and medical purposes. The ongoing collaboration within the European SNIFFER Project, focused on the development of an innovative electronic nose-like system based on MEMS sensors combined with olfactory bioreceptors for the detection of illicit substances. In another context and, within an internal approach to ESIEE-Paris, we have also chosen to expand the topic to design a multi-sensor system for application in volatile organic compounds detection.Thus, in view of improving these technologies through the use of MEMS sensors, this manuscript comprehensively investigates the design, fabrication and characterization of silicon and diamond resonant micro-cantilevers sensors, and also presents a proof of concept of a multi-sensor system for gas detection. To date, silicon has been used as a building block of micro sensors, whose features are very well known and argued extensively in the literature. On the other hand, diamond as a unique material in terms of its superior physical and chemical properties, has been received attention in microelectronics. Although the realization of diamond MEMS sensors has been presented before, it has been never compared to silicon MEMS gas sensors. Therefore, to establish elements of comparison for the two technologies, this thesis aimed to use these two competitive materials as a building block of micro-cantilever based MEMS gas sensors.Firstly, we set up specific micro-machining processes for the realization of diamond patterns that have been previously developed in our laboratory in order to optimize them for a fully clean room compatible manufacturing, independent of changes in diamond synthesis conditions. We have, for the first time, realized diamond micro-cantilevers with integrated polysilicon gauges. The Young's modulus of diamond was characterized using two different methods resulting in the best case of the value as 1080 GPa. Then, the mass sensitivity of silicon and diamond microcantilevers was evaluated. In the best case, for sensors presenting very similar resonant frequencies, the silicon microcantilever have a sensitivity of 89 Hz / ng whereas for the diamond microcantilever, the sensitivity is 212 Hz / ng. It has been also observed that the impact of adding mass on the beam quality factor was more critical to the silicon structures for low mass load cases.Finally, a proof of concept for the use of the multi-sensor system based on silicon and diamond micro-cantilevers for the detection of volatile organic compounds was established. We demonstrated the detection of several compounds in concentrations of the order of tens of ppm in a fully automatic way and without the use of measuring instruments. The results of these detections form a database from which we resulted in the discrimination of the compounds tested by applying multivariate statistical methods

Ce travail de recherche vise à évaluer le comportement au fluage de nouvelles structures composites en associant trois matériaux: le bois, le béton fibré ultra-haute performance (BFUP) et des armatures polymères renforcées de fibres de carbone (PRFC). Le but de la conception d'une telle section hybride est de faire usage des meilleures caractéristiques de chaque matériau afin d'augmenter sa capacité portante à l'ultime et/ou en service. Aussi, d'un point de vue du comportement mécanique, cette solution de renforcement vise à apprécier et hiérarchiser l'intérêt d'une telle solution liée aux effets déférés, particulièrement au fluage. La première étape consiste à mener une analyse expérimentale sur le comportement en statique de poutres hétérogènes bois-BFUP. Elle est exécutée afin de mieux comprendre le mécanisme d'endommagement ainsi que la performance pour définir le comportement au fluage. Pour cela, une campagne expérimentale en flexion quatre points portant sur trois poutres, dont une poutre témoin, a été conduite sous sollicitation statique. Les résultats obtenus confirment que les poutres hétérogènes Bois-BFUP apportent une optimisation de capacité portante ainsi que de la rigidité. Les poutres hybrides ont permis d'obtenir le même mode de rupture en flexion et la première rupture s'est produite dans la partie comprimée de BFUP supérieur. La seconde partie de la recherche est consacrée à l'analyse du comportement au fluage de poutres hétérogènes bois-BFUP nécessaire pour prédire les déformations à long terme dans des structures composites hybrides. Dans cette étude, deux types d'essai ont été réalisés : essai en environnement contrôlé et essai en environnement non contrôlé (extérieur). En environnement contrôlé les essais fluage ont commencé sous une charge constante de 24 kN dans le laboratoire avec des températures de 20±5 °C et une humidité relative entre 40% et 60%. Ces conditions climatiques peuvent être considérées comme un environnement de classe 1, conformément à l'Eurocode 5. Les résultats ont montré que la flèche de fluage de la poutre renforcée augmente peu tout au long de l'essai. A l'inverse de ces résultats, l'essai de fluage en environnement variable à l'extérieur du laboratoire, qui peut être considéré comme environnement de classe 3 suivant l'Eurocode 5, montre que les effets différés du bois et du béton jouent un rôle très important dans l'évolution de la flèche finale / This dissertation aims to evaluate the creep behaviour of a new composite structure combined three materials: the wood, the ultra-high performance fibre-reinforced concrete (UHPFRC) and the polymer fibre reinforced carbon (CFRP) according to their advantages and performances. The conception of such hybrid section is to use the best characteristics of each material to increase its bearing capacity in the ultimate and / or in service. Furthermore, from the point of view of design, this strengthening solution is to assess and prioritize the interests to reduce the deformation caused by the delayed effects, particularly caused by creep. The first part investigated an experimental analysis of the static behaviour of the wood-UHPFRC beam, and should be performed to understand the mechanism of the hybrid beam as well as the performance which are the directions to identify the creep behaviour. A four-points bending test setup on three beams, one beam witness, was conducted under static loading. The results confirm that heterogeneous Timber-UHPFRC beams provide an optimization of bearing capacity and stiffness. The hybrid beams have produced the same flexural mode of failure and the first crack occurred in the upper part of compressed UHPFRC. The second part of the research is devoted to the analysis of creep behaviour of heterogeneous wood beams UHPC necessary to predict long-term deformations in composite structures. In this study, two types of test setups were conducted: test in a sheltered and outdoor environment. In the sheltered environment, the creep test began under a constant load of 24 kN in the laboratory with temperatures of 20 ± 5 °C and a relative humidity between 40% and 60%. These climatic conditions can be considered as the service class 1, according to Eurocode 5. The results showed that the creep deflection of the reinforced beam gradually increases throughout the test. Unlike these results, the creep test in a variable environment outside the laboratory, which can be considered Class Service 3 to Eurocode 5, shows that the effect of time dependency behaviour of wood and concrete plays a very important role in the evolution of the creep deflection of the hybrid beams

En structure, le bois est soumis à des sollicitations différentes dont les principales sont physiques, mécaniques et environnementales. Lorsque ces sollicitations sont couplées, le comportement mécanique du bois devient difficile à appréhender. L’objectif de cette thèse est de mettre en évidence, via un protocole de suivi de l’évolution de la flèche, l’impact des variations des conditions climatiques sur la durée de vie en structure des poutres de bois. Le travail s’articule essentiellement autour de deux grands axes principaux, un protocole expérimental spécial et une approche analytique basée sur la résistance des matériaux (RDM) de l’évolution de la flèche d’une poutre entaillée en ambiance non contrôlée. Le dispositif prend en compte : les processus de fissuration du bois, notamment de l’ouverture et de la propagation de la pointe d’une fissure se propageant linéairement depuis le droit de l’entaille, jusqu’à la rupture totale de la poutre ; le suivi des paramètres climatiques que sont la température, l’humidité relative du milieu et les variations de l’humidité interne des poutres testées. Les résultats obtenus montrent qu’une humidification entraine une augmentation de la flèche relative et un séchage génère un départ de fissures pouvant conduire à une rupture de la poutre. Le modèle analytique de l’évolution de la flèche d’une poutre entaillée en ambiance non contrôlée, est tiré des hypothèses classiques de la théorie des poutres de Timoshenko et de l’ensemble des résultats expérimentaux obtenus. Il prend en compte les processus de fissuration, les variations de son humidité interne et l’intensité du chargement qui lui est appliqué. Le modèle représente assez bien les comportements instantané et différé de la poutre induits par les chargements mécanique et environnementaux. / In structure, wood is subjected to different loadings, where the principals are physical, mechanical and environmental. The coupling of these different loadings, make the understand of the mechanical behaviour of wood difficult. The aim of this thesis is to highlight, through a protocol for monitoring the evolution of the deflection, the impact of the conditions of climatic variations on the lifetime of timber of the notched beams. The work is essentially based around two major axes highlighting, respectively, a new experimental devices and a new analytical approach of the following of the evolution of the beam deflection, in outdoor conditions. The experimental device takes into account: the monitoring of the evolution of the notched-beam deflection; the cracking processes of wood, in particular the following of its initiation, the opening and the propagation of the tip of crack which appeared, on the notched-beam until its collapse; the monitoring of the climatic parameters such as temperature, the environmental relative humidity and the variations of the moisture content of the beams during the test. The results show that the variations of these climatic parameters favour the acceleration of the wood aging process in the structure. The analytical model of the evolution of the deflection of a notched beam, shown in this work, is based on the classical hypotheses of Timoshenko’s beam theory and all the experimental results obtained. It takes into account the cracking processes of notched-beam, the variations of its moisture content and the intensity of the loading applied on the beam.

Le haut rapport résistance/poids de l’aluminium, son extrudabilité et sa grande résistance à la corrosion rendent ce matériau prometteur dans un système de pont durable et performant où un platelage alvéolé en aluminium repose sur des poutres en acier. Il est avantageux de développer l’action composite entre le platelage et les poutres, mais plusieurs défis entravent l’atteinte de l’action composite, assurée par des assemblages boulonnés antiglissement. Leur conception doit tenir compte de : la corrosion galvanique, du coefficient de frottement de l’interface acier-aluminium, du coefficient de dilatation thermique double de l’aluminium en comparaison avec celui de l’acier et des défis liés à l’installation des connecteurs en cisaillement. Un programme expérimental a été élaboré pour évaluer la performance des connecteurs en cisaillement mécanique ponctuel identifiés. L’alliage d’aluminium 6063-T6, les boulons ASTM F3125 grade A325 et F1852 ainsi que les boulons aveugles Oneside et Ultra-Twist des fabricants Ajax et Huck ont été mis à l’essai. Les essais de glissement à court terme démontrent que le coefficient de frottement et la rigidité de l’assemblage augmentent lorsque l’épaisseur des plaques en aluminium augmente et que, en contact avec de l’aluminium grenaillé, l’acier métallisé offre une meilleure résistance au glissement et une plus grande rigidité que l’acier galvanisé. La relaxation par glissement a causé une diminution systématique et significative de la charge de précontrainte. La charge de précontrainte initiale moyenne de chacun des connecteurs est suffisante, mais celle des boulons aveugles démontre une variabilité élevée. La relaxation s’apparente à celle des assemblages entièrement galvanisés et le resserrage est efficace pour la diminuer. Les cycles de température causent une perte cumulative de la charge de précontrainte et celle-ci est aussi diminuée par une baisse de température. Pour finir, la résistance au glissement estimée après 75 ans et à -47°C est largement supérieure que celle de conception. / Aluminium’s high strength to weight ratio, coupled with its extrudability and high corrosion resistance makes it very promising in a durable and efficient bridge concept, where an aluminium honeycombed-deck rests on steel girders. It is advantageous to develop a composite behavior between the multicellular aluminium deck and the steel girders, but many challenges hinder the composite behavior, developed by slip critical bolted connections. Indeed, the design of such connectors need to take into account: galvanic corrosion, the slip factor at the faying surface between steel and aluminium, the thermal expansion factor of aluminium, which is twice that of steel, and the installation challenges of the shear connectors. An experimental program was drafted to evaluate the performance of the identified shear connectors. The 6063-T6 aluminium alloy, the ASTM F3125 grade A325 and F1852 bolts as well as two blind bolts, Ajax’s Oneside and Huck’s Ultra-Twist, were tested. The short-term slip tests reveal that the slip factor and the joint rigidity increase when thicker aluminium plates are used, and that, in contact with sandblasted aluminium, metallized steel yields a higher slip factor and joint rigidity then hot-dip galvanized steel. Relaxation induced by slip caused a systematic and significant decrease of the bolt preload during slip. The achieved initial bolt preload of the identified shear connectors is appropriate, but the standard deviation of the blind bolts is high. The measured relaxation is similar to that of an all hot-dip galvanized steel joints and retightening the bolts is an efficient method to reduce it. Temperature cycles yield acumulative loss of the bolt preload and a decrease in temperature yields a direct reduction of the bolt preload. Finally, the slip resistance estimated at 75 years and at -47°C is largely superior to the design slip resistance.

Abstract: Recently, fiber-reinforced polymer (FRP) composite materials have been used in the field of civil engineering constructions especially in corrosive environments. They can be used as internal reinforcement for beams, slabs, and pavements, or as external reinforcement for rehabilitation and strengthening different structures. One of their innovative applications is the concrete-filled FRP tubes (CFFTs) which are becoming an alternative for different structural members such as piles, columns, bridge girders, and bridge piers due to their high performance and durability. In such integrated systems, the FRP tubes act as stay-in-place forms, protective jackets for the embedded concrete and steel, and as external reinforcement in the primary and secondary direction of the structural member. Extensive research was developed on CFFTs as columns, but comparatively limited research was carried out on CFFTs as beams especially those with rectangular sections. The circular sections exhibit magnificent confinement efficiency in case of columns. However, the rectangular sections have higher moment of inertia and flexural stiffness to resist the applied loads and deformations in case of beams. Moreover, the construction and architectural requirements prefer the rectangular section of beams, rather than the circular beams, due to its stability during installation and its workability during connecting to other structural members like slabs and columns. Also, CFFTs that are completely filled with concrete are not optimal for applications governed by pure bending, because the excess weight of the cracked concrete below the neutral axis may increase the transportation and installation cost. This dissertation presents experimental and theoretical investigations on the flexural behaviour of rectangular CFFT beams with steel rebar. These hybrid FRP-concrete-steel tubular rectangular beams contain outer rectangular filament-wound glass-FRP (GFRP) tubes to increase the sectional moment of inertia, to provide flexural and shear reinforcement, and to protect the inner structural elements (concrete and steel) against corrosion. The outer tubes were fully-or-partially filled with concrete and were reinforced with steel rebar at the tension side only. Inner hollow circular or square filament-wound GFRP tubes, shifted toward the tension zone, were provided inside the CFFT beam to eliminate the excess weight of the cracked concrete at the tension side, to confine actively the concrete at the compression side and to act as reinforcement at the tension side. The surfaces of tubes adjacent to concrete were roughened by sand coating to fulfill the full composite action of such hybrid section. Several test variables were chosen to investigate the effect of the outer and inner tubes thickness, fibers laminates, and shape on the flexural behaviour of such hybrid CFFT beams. To fulfil the objectives of the study, twenty-four full-scale beam specimens, 3200 mm long and 305×406 mm2 cross section, were tested under a four-point bending load. These specimens include eight fully-CFFT beams with wide range of tube thickness of 3.4 mm to 14.2 mm, fourteen partially-CFFT beams with different outer and inner tubes configurations, and two conventional steel-reinforced concrete (RC) beams as control specimens. The results indicate outstanding performance of the rectangular fully and partially-CFFT beams in terms of strength-to-weight ratio and ductility compared to the RC beams. The fully-CFFT beams with small tube thickness failed in tension by axial rupture of fibers at the tension side. While, the fully-CFFT beams with big tube thickness failed in compression by outward buckling of the outer tube compression flange with warning signs. The results indicate also that the flexural strength of the fully-CFFT beams was ascending nonlinearly with increasing the tubes thickness until a certain optimum limit. This limit was evaluated to define under-and-over-reinforced CFFT sections, and consequently to define the tension and compression failure of fully-CFFT beams, respectively. The inner hollow tubes act positively in reinforcing the partially-CFFT beams and confining the concrete core at the compression side. The strength-to-weight ratio of the partially-CFFT beams attained higher values than that of the corresponding fully-CFFT beams. Generally, the partially-CFFT beams failed gradually in compression due to outward buckling of the outer tube compression flange with signs of confining the concrete core at the compression side. The inner circular voids pronounced better performance than the square inner voids, however they have the same cross sectional area and fiber laminates. Theoretical section analysis based on strain compatibility/equilibrium has been developed to predict the moment-curvature response of the fully-CFFT section addressing the confinement and tension stiffening of concrete. The analytical results match well the experimental results in terms of moment, deflection, strains, and neutral axis responses. In addition, analytical investigation was conducted to examine the validity of the North American design codes provisions for predicting the deflection response of fully and partially-CFFT beams. Based on these investigations, a new power and assumptions were proposed to Branson’s equation to predict well the effective moment of inertia of the CFFT section. These assumptions consider the effect of the GFRP tube strength, thickness and configuration, in addition to the steel reinforcement ratio. The proposed equations predict well the deflection in the pre-yielding and post-yielding stages of the hybrid FRP-concrete-steel CFFT rectangular beams. / Résumé: Les matériaux composites en polymère renforcé de fibres (PRF) ont récemment été utilisés dans le domaine des constructions de génie civil, en particulier dans les environnements corrosifs. Elles peuvent être utilisées comme une armature interne pour des poutres, dalles et les trottoirs, ou comme une armature externe pour la réhabilitation et le renforcement de différentes structures. L'une de leurs applications novatrices est les tubes de polymères renforcés de fibres remplis de béton (TPFRB ) qui sont en train de devenir une alternative pour divers éléments structuraux tels que les pieux, les colonnes, les poutres et les piliers de ponts en raison de leur haute performance et durabilité. Dans de tels systèmes intégrés, les tubes PRF agissent comme un coffrage permanent, une chemise protectrice pour le béton et l'acier encastrés, et comme une armature externe dans les directions longitudinale et transversale de l'élément structural. La recherche a été concentrée sur les TPRFB comme des colonnes, mais très peu de recherche a été effectué les TPRFB comme des poutres particulièrement celles à section rectangulaire. La section circulaire présente une efficacité de confinement efficace en cas de colonnes. Toutefois, la section rectangulaire a un moment d'inertie plus élevé et une rigidité flexionnelle plus efficace pour résister les charges appliquées et les déformations dans le cas des poutres. Par ailleurs, les travaux de construction et les exigences architecturales préfèrent la section rectangulaire des poutres, plutôt que les poutres circulaires, en raison de sa stabilité pendant l'installation et sa maniabilité lors de la connexion à d'autres membres structuraux comme les dalles et les colonnes. En outre, les poutres TPRFB qui sont complètement remplis de béton ne sont pas optimales pour les applications contrôlées par la flexion pure, puisque le béton fissuré en dessous de l'axe neutre ne contribue pas à la résistance et augmente le poids propre et les coûts de transport et d'installation. Cette thèse présente des études théoriques et expérimentales sur le comportement en flexion de poutres rectangulaires (TPRFB) en béton armé. Ces poutres rectangulaires tubulaires hybrides en PRF-béton-acier sont composées de tubes rectangulaires externes fabriquées par enroulement filamentaire. Ces tubes fournissent un renforcement de flexion et de cisaillement; et protègent le béton armé contre la corrosion. Les poutres peuvent être soient entièrement ou partiellement remplies de béton. Des tubes intérieurs ( de section circulaires ou carrés) en polymères renforcés de fibres de verre (PRFV) sont positionnés dans la zone tendue de la poutre afin de réduire le poids et d’éliminer le béton fissuré en traction. Pour augmenter l'action composite de la section hybride, les surfaces des tubes adjacents au béton ont été rendues rugueuses par enrobage de sable. Plusieurs variables ont été choisis pour étudier l'effet de l’épaisseur des tubes extérieurs et intérieurs, les laminés de fibres, et la forme sur le comportement en flexion de ces poutres hybrides (TPRFB). Pour atteindre les objectifs de l’étude, vingt-quatre échantillons de poutre pleine grandeur, ayant une longueur de 3200 mm et une section transversale de 305×406 mm2, ont été testés sous une flexion à quatre points. Ces échantillons comprennent huit poutres de TPRFB entièrement remplis avec une large gamme d'épaisseur du tube externe de 3.4 mm à 14.2 mm, quatorze poutres de TPRFB partiellement remplis avec différentes configurations de tubes extérieurs et intérieurs, et deux poutres en béton armé conventionnel, comme échantillons de référence. Les résultats indiquent une performance exceptionnelle des poutres rectangulaires de TPRFB entièrement et partiellement remplies en termes du rapport de la résistance sur la masse et de la ductilité par rapport aux poutres en béton armé conventionnel. Les poutres de TPRFB entièrement remplies avec un tube de petite épaisseur ont rompu de façon moins ductile en tension par rupture axiale des fibres. Les poutres de TPRFB entièrement remplies et ayant une grande épaisseur ont rompu de façon ductile en compression par flambage local vers l’extérieur des parois en compression du tube externe. Les résultats indiquent également que la résistance à la flexion des poutres de TPRFB entièrement remplies augmente d’une façon non linéaire avec l'augmentation de l'épaisseur des tubes jusqu'à une certaine limite optimale. Cette limite a été évaluée pour définir les sections TPRFB sous-armées et surarmées et, par conséquent, pour définir la rupture en tension et en compression des poutres de TPRFB entièrement remplies, respectivement. Les tubes creux intérieurs agissent positivement dans le renforcement des poutres de TPRFB partiellement remplies et en confinant le noyau de béton du côté en compression. En général, les poutres de TPRFB partiellement remplies ont rompu en compression par flambage local vers l'extérieur des parois en compression du tube externe. Les vides circulaires intérieurs ont montré une meilleure performance que les vides carrés intérieurs, bien qu’ils aient la même superficie de la section transversale et le même taux de PRF. Une analyse théorique basée sur la compatibilité des déformations d’une section en flexion a été développée pour prédire la réponse moment-courbure de la poutre TPRFB en tenant compte des pourcentages de confinement externe et interne. Les résultats analytiques et les résultats expérimentaux s’accordent en termes de moment, flèche, déformations, et positions de l'axe neutre. En outre, une étude analytique a été menée afin d'examiner la validité des codes de conception nord-américains pour prédire la réponse en flexion des poutres TPRFB. En se basant sur les résultats de ces études, de nouvelles équations ont été proposées pour mieux prédire le moment effectif d'inertie de la section et une nouvelle procédure de conception pour prédire les capacités ultimes. Ces équations considèrent l'effet de la résistance des tubes en PRFV externe et interne que le taux d’armature en acier. En outre, ils prédisent bien la flèche dans les phases avant et après la limite élastique des poutres rectangulaires hybrides à haute performance.

Le renforcement de structures ou d'éléments de structure par collage de plats PRF (polymères renforcés de fibres) est une technique actuellement reconnue et utilisée dans le monde entier. Il permet d'augmenter la durée de vie des structures existantes ce qui est très intéressant du point de vue développement durable et est souvent plus intéressant d'un point de vue économique. La première partie de ce travail s'intéresse au renforcement de poutres béton armé par des plats PRF. En effet, ce type de renforcement peut engendrer une rupture prématurée de type peeling-off. Ce mode de ruine très fragile résulte du décollement du béton d'enrobage qui reste collé au matériau de renforcement. Pour une conception optimale d'un renforcement en flexion par collage, il est important d'être en mesure de prévoir ce type de rupture et d'en tenir compte dans le dimensionnement. Pour cela, un modèle numérique fiable de type élasto-plastique est dans un premier temps présenté qui permet de prévoir la rupture de type peeling-off. Ce modèle est validé à l'aide de résultats d'essais expérimentaux. Les paramètres principaux affectant l'efficacité du renforcement sont ensuite mis en évidence dans le cadre d'une étude paramétrique. Les résultats de cette étude sont mis en parallèle avec des résultats d'essais de la littérature prouvant ainsi l'efficacité du modèle proposé. Enfin, plusieurs mesures sont proposées pour améliorer la performance du renforcement et éviter la rupture prématurée de peeling-off. La deuxième partie de ce travail s'attache quant à elle à l'étude de renforcement de tabliers de ponts soumis aux efforts éventuels d'impact d'un véhicule sur une barrière de sécurité. Une campagne expérimentale composée de différentes configurations de dalles est d'abord réalisée. Un modèle numérique s'inspirant du modèle proposé précédemment est ensuite présenté. La confrontation des résultats expérimentaux et numériques montre une concordance encourageante avant la fissuration majeure de la dalle. Enfin, les résultats mettent en relief l'efficacité du renforcement par des plats PRF dans le cas de glissières de sécurité

Cette thèse présente trois méthodes pour l’identification des rigidités des structures d’usage commun dans l’ingénierie civile, à partir de données dynamiques expérimentales. La première méthode est développée pour des structures composées pour portiques. La deuxième méthode proposée est appliquée à des structures constituées pour des poutres isostatiques. La troisième est une méthodologie d’estimation des rigidités en flexion (EI) et au cisaillement (GA/?) pour une structure constituée de murs dont les énergies de déformation en flexion et cisaillement peuvent être soit du même ordre de grandeur, soit l’une prépondérante par rapport à l’autre. Pour chaque méthode, des simulations numériques sont effectuées pour identifier les dommages structuraux ou les variations des rigidités, en termes de localisation et de magnitude de ces dommages. L'incidence et l'impact des erreurs et bruits sur les valeurs estimées des rigidités structurales sont analysés. Les méthodologies sont également appliquées pour localiser des dommages mécaniques ou des réductions de section sur modèles de laboratoire. A partir des concepts dynamiques de base et considérant une typologie donnée de structure, la thèse développe les concepts et formulations permettant d’identifier les rigidités résiduelles des structures considérées. Les méthodes peuvent être aisément mises en oeuvre pour déterminer les éventuels dommages (localisation et intensité) qui peuvent affecter une structure, par exemple après un séisme. Peu de mesures sont requises à cet effet : des essais de vibration libre et du matériel peu onéreux de mesures sont amplement suffisants dans le cas particulier des structures étudiées / This thesis presents three methods to estimate and locate damage in framed buildings, simply-supported beams and cantilever structures, based on experimental measurements of their fundamental vibration modes. Numerical simulations and experimental essays were performed to study the effectiveness of each method. A numerical simulation of a multi-storey framed building, a real bridge and a real chimney were carried out to study the effectiveness of the methodologies in identifying damage. The influence of measurement errors and noise in the modal data was studied in all cases. To validate the experimental effectiveness of the damage estimation methods, static and dynamics tests were performed on a framed model, a simply supported beam, and a cantilever beam in order to determine the linear behavior changes due to the increase of the level of damage. The structural identification algorithms during this thesis were based on the knowledge type of the stiffness matrix or flexibility matrix to reduce the number of modal shapes and required coordinates for the structural assessment. The methods are intended to develop tools to produce a fast response and support for future decision procedures regarding to structures widely used, by excluding experimental information, thereby allowing a cost reduction of extensive and specific testing