Cette étude concerne le comportement des poutres rectangulaires en béton armé sollicitées simultanément par la torsion, la flexion et l'effort tranchant. Un exposé des principales études faites sur ce sujet est présenté, puis après discussion, un critère est proposé. Dix poutres rectangulaires 11'.5 x 12" x 7".5 avec armature transversale furent portées à la rupture pour compléter l'étude théorique et notamment étudier l'effet des étriers.

Les systèmes à matrice cimentaire renforcée de fibres (MCRF) ont été récemment présentés comme une technique innovante de renforcement/réparation externe pour les structures en béton armé et en maçonnerie. Alors que les systèmes MCRF ont prouvé leur efficacité pour renforcer les structures simplement appuyées en termes de capacité et de ductilité, notre connaissance sur le renforcement des structures à multi-portées avec les systèmes MCRF est encore limitée. L'importance de ces structures peut être fréquemment constatée dans la plupart de nos infrastructures telles que les ponts et les garages de stationnement. Cette étude fait partie d'un grand projet qui vise à comprendre le comportement des structures à multi-portées renforcées par les systèmes MCRF. Le programme expérimental consistait des poutres à grande échelle et à deux travées qui ont été testées après avoir été renforcées par des systèmes de polyparaphénylène benzobisoxazole (PBO-MCRF) avec des différents ratios de renforcement négative/positive et avec des différents nombres de couches de renforcement. Les résultats ont confirmé que le renforcement à l'aide de PBO-MCRF a considérablement amélioré la ductilité et la capacité de flexion des poutres renforcées. Malgré le renforcement, les sections déficientes renforcées avec les systèmes MCRF étaient capables de redistribuer les moments jusqu'à 37 %, ce qui représentait 93 % de la capacité de redistribution de leurs homologues dans la poutre contrôle non renforcée. Ces résultats ont suggéré la révision des formulations de la norme Canadienne CSA et le guide ACI qui interdisaient la prise en compte de la redistribution des moments dans la conception des éléments renforcés à l'externe. De plus, un modèle d'éléments finis 3D (MEF) a été développé pour simuler le comportement en flexion non linéaire des poutres renforcées par les systèmes MCRF à l'aide d'ABAQUS. Les résultats numériques ont démontré un bon accord avec les résultats expérimentaux en termes de modes de rupture, de capacité, de ductilité et de redistribution des moments entre les sections critiques. Une étude paramétrique a ensuite été menée pour étendre les résultats obtenus et pour évaluer d'autres paramètres qui n'ont pas été inclus dans le travail expérimental. / Fabric-reinforced cementitious matrix (FRCM) systems have been recently presented as an innovative external strengthening/repair technique for reinforced concrete (RC) and masonry structures. While FRCM systems have proven their efficacy to strengthen simply supported RC structures in terms of flexure capacity and ductility, very little is known about the flexural strengthening of multi-span structures with FRCM systems. The importance of those structures can be frequently noted in most of our infrastructures such as bridges and parking garages. This study is part of a large project that aims at understanding the behavior of FRCM-strengthened multi-span RC structures. The experimental program consisted of testing large-scale two-span beams after being strengthened by Polyparaphenylene benzobisoxazole (PBO-FRCM) systems with different hogging-to-sagging strengthening ratios and different number of strengthening layers. The results confirmed that strengthening using PBO-FRCM significantly enhanced the ductility and the flexural capacity of the strengthened beams. Despite strengthening, the deficient sections strengthened with FRCM systems were capable to redistribute moments up to 37%, which represented 93% of the redistribution capacity of their counterpart sections in the unstrengthened control beam. These findings suggested the revision of the provisions of the CSA and ACI formulations that prohibited the consideration of moment redistribution in the design of externally bonded strengthened elements. Moreover, 3D finite element model (FEM) was developed to simulate the nonlinear flexural behavior of the FRCM-strengthened beams using ABAQUS. The numerical results demonstrated a good agreement with the experimental results in terms of the failure modes, the load-carrying capacity, the ductility, and the moment redistribution between the critical sections. A parametric study was then conducted to extend the obtained results and to assess other parameters that have not be included in the experimental work.

La détérioration des structures en béton armé est inévitable pour de nombreuses raisons telles que les exigences de charge, les changements d'utilisation, les changements dans les codes de conception, et le plus important, l'exposition continue à un environnement difficile pendant le cycle de vie. Par conséquent, ils deviennent vulnérables à la fissuration, à la carbonatation du béton, à l'écaillage de la couverture et à d'autres formes de détérioration qui rendent indispensable la demande de processus de modernisation et de renforcement. Récemment, les systèmes matrices cimentaires renforcées de fibres (MCRF) ont rejoint la famille des matériaux de renforcement/réparation en tant qu'alternative prometteuse pour surmonter les inconvénients associés aux systèmes de polymère renforcé de fibres (PRF). Les MCRF ont montré des performances significatives dans le renforcement des structures déficientes/détériorées en termes de déformation et de capacité de charge. Cependant, l'utilisation de tels systèmes a été limitée aux structures simplement soutenues. À ce jour, la faisabilité de l'utilisation de systèmes MCRF pour renforcer les structures à plusieurs portées n'a jamais été signalée, bien que de telles structures se manifestent dans de nombreuses applications d'ingénierie telles que les bâtiments résidentiels, les garages de stationnement, les ponts supérieurs et les ponts à longue portée. Par conséquent, le comportement de telles structures lorsqu'elles sont renforcées avec des MCRF est inconnu en termes de modes de rupture, de ductilité et, surtout, de formation de rotules plastiques à leurs sections critiques. Dans cette étude, le comportement en flexion de poutres à multi-portées en béton armé déficientes et renforcées avec des systèmes MCRF a été étudié. Le travail comprend des enquêtes expérimentales et analytiques. Le travail expérimental consistait en seize poutres à deux portées à grande échelle de 150 x 250 x 3600 mm. Les poutres ont été construites et testées dans des configurations de charge à cinq points. Pour stimuler le défaut de flexion qui pourrait survenir lors de la conception ou pendant la construction, le rapport des armatures de traction interne dans la section déficiente était presque de 50 % de celui de l'autre section et doit donc être renforcé. Les paramètres d'essai comprenaient l'emplacement (sections négatives ou positives) et le type de systèmes de renforcement utilisés (PBO-MCRF, C-MCRF et PRF), le nombre de composites MCRF (1, 2 et 4 couches), et le schéma de renforcement (configurations symétriques et asymétriques). Les résultats des tests ont reflété le rôle important de l'utilisation de MCRF systèmes dans l'amélioration de la réponse en flexion des structures continues déficientes, en particulier la ductilité, les rapports de redistribution des moments et les capacités de charge. Les systèmes MCRF, en particulier PBO-MCRF, ont montré une réponse de glissement progressive entre les fibres et leur matrice environnante, contrairement à la manière rigide et soudaine courante des systèmes PRF. Ceci était cohérent avec la ductilité des poutres renforcées, qui présentaient des indices comparables à ceux des poutres de contrôles. Par conséquent, les sections renforcées avaient une capacité de rotation suffisante pour redistribuer les moments dans un intervalle représentant 42 et 80 % de celle de leurs homologues non renforcées dans la poutre de contrôle. Les systèmes MCRF ont également amélioré la capacité de flexion des poutres renforcées avec une augmentation comprise entre 5 et 36 % de celle des poutres de contrôle par rapport à une augmentation comprise entre 31 et 63 % pour la capacité de moment, en fonction du type, de la quantité, de l'emplacement et de la configuration du MCRF utilisé. De plus, l'utilisation de couches MCRF dans les régions d'affaissement a considérablement amélioré la rigidité en flexion des poutres renforcées dans la phase de service (avant la plastification de l'acier) par rapport à leurs homologues dans les sections de monopolisation. Cela était dû à l'effet de restriction des composites MCRF sur le comportement à la fissuration émergé dans de telles régions d'affaissement Analytiquement, les directives de conception de l'ACI 549.4R-20 (ACI 2020) ont été étudiées à l'aide des données expérimentales obtenues à partir des tests. Il a été conclu que les formulations de l'ACI 549.4R (2020) sous-estimaient les résistances ultimes des poutres renforcées par MCRF. Par conséquent, l'auteur a développé un modèle de déformation qui peut identifier avec précision les déformations de décollement dans les systèmes MCRF à utiliser dans les équations de conception estimant la contribution de ces systèmes à la capacité de flexion des éléments renforcés. Cette étude a introduit un modèle analytique qui peut prédire avec précision le comportement en flexion des structures à plusieurs travées en mettant l'accent sur leur capacité de rotation et leur ductilité. Contrairement aux modèles disponibles dans la littérature, le modèle proposé tient compte de la variation de la rigidité de la structure lors du chargement y compris celle du système de renforcement utilisé. Le modèle peut déterminer avec précision la capacité de rotation des rotules en plastique formées, estimer le rapport de redistribution des moments entre les sections critiques à n'importe quelle charge appliquée et anticiper le mécanisme de défaillance de la structure renforcée. L'efficacité du modèle a été validée par rapport aux résultats d'essais des poutres renforcées avec MCRF considérées dans le programme expérimental et un bon accord entre les résultats expérimentaux et analytique a été obtenu. Afin de déterminer avec précision les flèche à mi-portée des structures renforcées à multi-portées, un nouveau paramètre de réduction a été incorporé dans les formulations ACI 318 (2019) pour tenir compte de la rigidité du système de renforcement, car ces formulations ont été principalement développées pour les structures non renforcées. Les nouvelles formulations ont considérablement amélioré la prédiction de la capacité de déflexion des structures renforcées avec un rapport expérimental/analytique moyen de 1.02 contre 1.7 lorsque les formulations ACI ont été utilisées. Le résultat de ce travail a été publié (ou soumis pour publication) dans cinq articles de revues et un article dans une conférence, comme détaillé tout au long de la thèse. / Deterioration of reinforced concrete (RC) structures is unavoidable due to many reasons such as loading requirements, changes in use, change in the design codes, and the most important the continuous exposure to harsh environment during the life cycle. Consequently, they become vulnerable to cracking, concrete carbonation, cover spalling, and other forms of deterioration that make the demand for retrofitting and strengthening processes are essential. At present, fabric reinforced cementitious matrix (FRCM) systems have recently joined the family of strengthening/repairing techniques as a promising alternative to overcome the drawbacks associated with fiber reinforced polymer (FRP) systems. FRCM showed significant performance in strengthening the deteriorated structures in terms of the deformation and the load-carrying capacities. However, the use of such systems has been limited to the simply supported structures. To date, the feasibility of the use of FRCM systems to strengthen multi-span RC structures has never been reported, though such structures are manifested in many engineering applications such as RC residential buildings, parking garages, and long span bridges. Therefore, the behavior of RC continuous structures when strengthened with FRCM systems is unknown in terms of failure modes, ductility, moment redistribution between critical sections and most importantly, the formation of plastic hinges at those sections. In this study, the flexural behavior of RC deficient continuous beams strengthened with FRCM systems were investigated. The work included experimental and analytical investigations. The experimental work consisted of sixteen large-scale continuous beams of 150 x 250 x 3600 mm. The beams were constructed and tested under five-point load configurations. To stimulate the flexural deficiency that might occur in design or during construction, the ratio of the internal tensile steel in the deficient section was almost 50% of that of the other section and therefore need to be strengthened. The test parameters included the location (hogging or sagging sections) and the type of strengthening systems used (PBO-FRCM, C-FRCM, and FRP), the number of FRCM systems (1, 2, and 4 layers), and the strengthening scheme (symmetric and asymmetric configurations). The test results proved the efficiency of FRCM systems in enhancing the flexural response of RC deficient continuous structures, particularly the ductility, the moment redistribution ratios, and load-carrying capacities. FRCM systems, especially PBO-FRCM showed gradual slippage response between the fibers and their surrounding matrix contrary to the common stiff and sudden manner of FRP systems. This was consistent with the ductility of the strengthened beams, which showed comparable indices to that of the control beams. Consequently, the strengthened sections had enough rotation capacity to redistribute the moments in a range representing 42 and 80% from that of their unstrengthened counterparts in the control beam. FRCM also increased the load-carrying capacity of the strengthened beams in a range between 5 and 36% of that in the control beams compared to an increase ranged between 31 and 63% for the moment capacity, based on the type, amount, location, and configuration of the FRCM used. Moreover, strengthening the sagging regions notably enhanced the flexural stiffness of the strengthened beams in the service stage (before steel yielding) compared to their counterparts in the hogging regions. This was due to the restriction effect of FRCM composites on the cracks formation and their pattern emerged in such sagging regions. Analytically, the design guidelines of ACI 549.4R-20 (ACI 2020) were investigated using the experimental data obtained from the tests. It was concluded that the formulations of ACI 549.4R (2020) underestimated the ultimate strengths of FRCM-strengthened beams. Therefore, the author developed a strain model that can accurately identify the debonding strains in FRCM systems to be used in the design equations estimating the contribution of such systems to the flexural capacity of strengthened elements. This study proposed an analytical model that can accurately predict the flexural behavior of multi-span RC structures with a focus on their rotational capacity and ductility. Unlike the available models in the literature, the proposed model accounts for the variation in the structure's stiffness during loading including that of the strengthening system used. The model can precisely determine the rotational capacity of the formed plastic hinges, estimate the moment redistribution ratio between the critical sections at any applied load, and anticipate the failure mechanism of the strengthened structure. The efficiency of the model was validated against the test results of FRCM-strengthened beams considered in the experimental program and a good agreement between the experimental and the theoretical results was obtained. To accurately determine the midspan deflections of continuous EB-strengthened structures, a new reduction parameter was incorporated in the ACI 318 (2019) formulations to account for the stiffness of the strengthening system, as those formulations were mainly developed for unstrengthened RC structures. The new formulations substantially enhanced the prediction of the deflection capacity of the strengthened structures with an average experimental-to-analytical ratio of 1.02 versus 1.7 when ACI formulations were used. The outcome of this work has been published (or submitted for publication) in five journal articles as well as one conference paper as detailed throughout the thesis.

Le but de ce projet de recherche est de développer un outil de modélisation du comportement d’éléments en béton armé selon une discrétisation par couches. En flexion, la modélisation repose sur la capacité de prédire d’une part le comportement d’une section fissurée et d’autre part, le comportement global d’une poutre fléchie. Un endommagement relié à l’historique de chargement est également pris en compte par l’apparition de déformations permanentes et l’imposition d’une diminution de la rigidité des matériaux. L’outil offre alors la possibilité d’établir des seuils d’alarme par la mise à jour de l’indice de fiabilité d’une structure, ce qui constitue un atout significatif à la télésurveillance. Une portion expérimentale permet de confronter les résultats obtenus de la modélisation à des essais en laboratoire sous chargements statiques et cycliques sur des poutres instrumentées. La comparaison entre les résultats expérimentaux et la prédiction du modèle démontre une très bonne concordance, autant sous chargements statiques que cycliques, malgré une prédiction un peu conservatrice des indicateurs de performance à la rupture. Ce phénomène est toutefois favorable dans l’optique de poser des seuils d’alarme en télésurveillance. Finalement, le modèle permet de construire une enveloppe de rupture incluant l’interaction des efforts de cisaillement et de flexion. L’utilisation de la théorie des champs de compression modifiée permet le suivi de l’inclinaison des fissures et de la déformation des étriers à l’ultime. Bref, le modèle assemblé s’avère un outil de prédiction efficace du comportement réel d’éléments fléchis et cisaillés en béton armé. / The objective of this research project is to develop a modeling tool (layer by layer) for the behavior of reinforced concrete members. For flexure, the model relies on the capacity to predict the behavior of a cracked section and also the behavior of the entire bent beam. Damage related to historic loading also applies, including permanent deformations and a diminished rigidity to the material. It is therefore possible to set up an alarm threshold by upgrading the reliability index of the structure which constitutes a complementary tool to telesurveillance or monitoring. An experimental program was setup to obtain results to validate the model with static and cyclic loading of instrumented beams. The comparison between the experimental results and the model predictions shows an excellent agreement for the static loading behavior, even though it is on the safe side of the performance index indicators. The phenomenon is nonetheless favourable for the proposed telesurveillance alarm threshold. Finally, the model can generate a rupture envelop including the interaction between the shear force and bending moment. The use of the modified compression field theory allows the follow-up of the crack inclination and the deformation in the stirrups at rupture. In summary, this prediction tool reveals to be a very useful one to simulate the behavior of reinforced concrete members subjected to shear and bending.

Ce projet était composé d’une campagne expérimentale en deux phases. Dans la première phase, des simulations à l’aide de la méthode des éléments finis ont été réalisées afin d'identifier les paramètres les plus sensibles. Dans la seconde phase, une série de 12 poutres en béton armé de 3,4 m de long ont été confectionnées. Ces poutres ont par la suite subi une cure thermique et un séchage à l’air. Ensuite, 10 des 12 poutres confectionnées ont été réparées dans leurs zones centrales en compression à l’aide de deux types de matériaux de réparation. Le premier matériau possédait une plus faible rigidité que le substrat, et le second, une rigidité supérieure. Les conclusions principales de l’étude montrent que le fait d’utiliser un matériau de réparation avec une rigidité supérieure à celle du substrat permet d’obtenir un comportement semblable à celui d’une poutre monolithique. En revanche, l’utilisation d’un matériau à plus faible rigidité tend à affecter négativement le comportement de la poutre réparée. Cette tendance est davantage marquée lorsque l’on considère une charge soutenue, car les matériaux à plus faible rigidité tendent à se déformer davantage que les matériaux plus rigides. Mots clés : Béton, capacité structurale, fluage, compression, MEF, poutre, propriétés mécaniques, réparation / A two-phase research program has been undertaken. In the first phase, computer simulations using a finite-element analysis (FEM) software have been performed to highlight the most sensitive. In the second phase, a series of 12 real-size reinforced concrete beams (3,4 m long) has been cast, air-conditioned and repaired at midspan to different extents, using two formulations of repair self-compacting concrete (high-stiffness and low-stiffness SCC’s), 10 of the 12 beams are repaired beam. The last 2 beams are monolithic beams and used as references. After the installation of the instrumentation, the beams are tested on a 4-point bending setup using two servo-hydraulic actuators, for the measurement of the instantaneous and long-term load deformation. The analysis that follows illustrates the correlation between laboratory results and numerical simulations. The main findings of the study show that using a repair material with a higher stiffness than that of the substrate results in a behavior similar to the monolithic beam. However the use of a material with a lower stiffness tends to negatively affect the behavior of the repaired beam. This trend is more pronounced when considering a sustained load, because the materials with lower stiffness tend to deform more than the rigid materials, it follows that the creep at the young age of the material also affects the behavior of the repaired beams, and that the use of a more rigid material allows the repaired beam to behave like a monolithic beam. Keywords: Beam, concrete, compression, creep, FEM, mechanical repair, structural capacity

Le présent document constitue une partie d'un projet de recherche global sur la quantification de l'endommagement minimal détectable par des mesures de vibrations ambiantes mesurées sur un pont routier en service. L'objectif de l'étude effectuée dans cette maîtrise est de suivre l'évolution des propriétés dynamiques de poutres en béton armé en fonction de différents niveaux d'endommagement qui leur sont infligés en laboratoire, et de vérifier si ces propriétés sont des indicateurs fiables de l'endommagement. Elles serviront par la suite à effectuer une détection d'endommagement avec le logiciel commercial FEMtools et avec un algorithme développé en langage Matlab. Une étude expérimentale qui a porté sur trois spécimens de poutre en béton armé simple fabriqués et testés à l'Université de Sherbrooke est présentée. Toutes les poutres ont été dimensionnées adéquatement en flexion et présentent des défauts de renforcement en cisaillement. Deux spécimens ne renferment que l'armature minimale de cisaillement, et la dernière ne renferme aucune armature de cisaillement, comme c'est le cas pour des ponts-dalle. Les types d'endommagement testés sont ceux qui sont le plus souvent retrouvés sur les ponts routiers au Québec: l'endommagement dû au travail des poutres en flexion-cisaillement, l'endommagement dû à la corrosion des armatures de flexion et l'altération des conditions d'appui. Des essais de flexion quatre points ont été effectués pour simuler les dommages en flexion-cisaillement. Les modifications des conditions d'appuis sont simulées en bloquant les degrés de liberté d'un des appuis. La corrosion des armatures de flexion est simulée en sectionnant de manière séquentielle ces armatures en trois positions le long de la poutre. L'extraction des propriétés modales des poutres a été effectuée après tout nouvel endommagement imposé à l'aide d'excitations au marteau d'impact et d'une série d'accéléromètres. Deux méthodes d'analyse modales ont été utilisées: FRF (fonctions de réponse en fréquence) et FDD (Frequency Domain Decomposition). Les évolutions des propriétés modales à travers les endommagements des trois poutres montrent que les fréquences naturelles et les déformées modales sont des indicateurs très clairs de l'altération des conditions d'appui et de la fissuration en flexion-cisaillement. L'évolution de ces indicateurs est néanmoins plus subtile dans le cas d'une poutre sans renforcement en cisaillement, dont la rupture est très précoce. Les résultats montrent, en revanche, que la corrosion des armatures est un dommage beaucoup plus difficile à saisir à travers l'évolution des propriétés modales. L'ensemble des analyses expérimentales montre aussi que les taux d'amortissement modaux ne constituent pas des indicateurs fiables des endommagements testés sur les poutres.

Le but de ce projet est de comprendre l’effet des cycles de gel/dégel sur le comportement en mécanique des poutres en béton armé de PRFB ainsi que le développement des capacités structurales des PRFB dans un renforcement interne. Afin de réaliser cette étude, vingt poutres en béton armé de PRFB ont été préparées et exposées à deux environnements différents le premier à une température ambiante et le deuxième à 260 cycles de gel/dégel de (-250C, à +150C). Le projet inclut aussi deux autres paramètres, le premier est le taux de renforcement qui est caractérisé par deux groupes (groupe 1) inclut des poutres sur armées et le (groupe 2) inclut des poutres sous-armées, le deuxième paramètre est le rapport entre la portée du cisaillement (a) et la profondeur de la poutre (d), (a/d). Les poutres ont été testées en flexion de quatre points. Les conclusions obtenues varient en fonction des paramètres étudiés. / The objective of this project is to study the effect of freeze-and-thaw cycles on the mechanical performance of concrete beams reinforced with basalt fibre-reinforced polymers (BFRP) bars that are recently developed. Twenty concrete beams reinforced with BFRP bars were cast and exposed to two different environments: (a) room temperature and (b) 260 cycles of freeze-and-thaw at temperature varying between 25oC and +15oC. The project investigated two other parameters namely (a) the internal reinforcement ratio (under and over reinforced beams) and the shear span-to-depth ratio (a / d). All beams were tested in four point bending. The experimental results were compared to the predictions of the Canadian code. The effect of each parameter on the behaviour of the beams is presented and discussed.