Abstract : Deep reinforced concrete beams are commonly used as transfer girders or bridge bents, at which its safety is often crucial for the stability of the whole structure. Such elements are exposed to the aggressive environment in northern climates causing steel-corrosion problems due to the excessive use of de-icing salts. Fiber-reinforced polymers (FRP) emerged as non-corroded reinforcing materials to overcome such problems in RC elements. The present study aims to address the applicability of concrete deep beams totally reinforced with FRP bars. Ten full-scale deep beams with dimensions of 1200 × 300 × 5000 mm were constructed and tested to failure under two-point loading. Test variables were shear-span depth ratio (equal to 1.47, 1.13, and 0.83) and different configurations of web reinforcement (including vertical and/or horizontal web reinforcement). Failure of all specimens was preceded by crushing in the concrete diagonal strut, which is the typical failure of deep beams. The test results indicated that, all web reinforcement configurations employed in the tested specimens yielded insignificant effects on the ultimate strength. However, strength of specimens containing horizontal-only web reinforcement were unexpectedly lower than that of specimens without web reinforcement. The web reinforcement’s main contribution was significant crack-width control. The tested specimens exhibited reasonable deflection levels compared to the available steel-reinforced deep beams in the literature. The development of arch action was confirmed through the nearly uniform strain distribution along the length of the longitudinal reinforcement in all specimens. Additionally, the basic assumption of the strut-and-tie model (STM) was adequately used to predict the strain distribution along the longitudinal reinforcement, confirming the applicability of the STM for FRP-reinforced deep beams. Hence, a STM based model was proposed to predict the strength of FRP-reinforced deep beams using the experimental data, in addition to the available experimentally tested FRP-reinforced deep beams in the literature. Assessment of the available STMs in code provisions was conducted identifying the important parameters affecting the strut efficiency factor. The tendency of each parameter (concrete compressive strength, shear span-depth ratio, and strain in longitudinal reinforcement) was individually evaluated against the efficiency factor. Strain energy based calculations were performed to identify the appropriate truss model for detailing FRP-reinforced deep beams, hence, only four specimens with vertical web reinforcement exhibited the formation of two-panel truss model. The proposed model was capable to predict the ultimate capacity of the tested deep beams. The model was also verified against a compilation of a data-base of 172 steel-reinforced deep beams resulting in acceptable level of adequacy. The ultimate capacity and performance of the tested deep beams were also adequately predicted employing a 2D finite element program (VecTor2), which provide a powerful tool to predict the behavior of FRP-reinforced deep beams. The nonlinear finite element analysis was used to confirm some hypotheses associated with the experimental investigations. / Résumé : Les poutres profondes en béton armé (BA) sont couramment utilisées comme poutre de transfert ou coude de pont, comme quoi sa sécurité est souvent cruciale pour la sécurité de l’ensemble de la structure. Ces éléments sont exposés à un environnement agressif dans les climats nordiques causant des problèmes de corrosion de l’acier en raison de l’utilisation excessive de sels de déglaçage. Les polymères renforcés de fibres (PRF) sont apparus comme des matériaux de renforcement non corrodant pour surmonter ces problèmes dans les BA. La présente étude vise à examiner la question de l'applicabilité des poutres profondes en béton complètement renforcées de barres en PRF. Dix poutres profondes à grande échelle avec des dimensions de 1200 × 300 × 5000 mm ont été construites et testées jusqu’à la rupture sous chargement en deux points. Les variables testées comprenaient différents ratios de cisaillement porté/profondeur (égal à 1.47, 1.13 et 0.83) ainsi que différentes configurations d’armature dans l’âme (incluant un renforcement vertical avec ou sans renforcement horizontal). La rupture de tous les spécimens a été précédée par l’écrasement du béton dans le mât diagonal, ce qui est la rupture typique pour les poutres profondes en BA. Les résultats ont révélé que toutes les configurations de renforcement de l’âme employées dans les spécimens d'essais avaient un effet négligeable sur la résistance ultime. Toutefois, la résistance des spécimens contenant uniquement un renforcement horizontal était étonnamment inférieure à celle des spécimens sans renforcement. La contribution principale du renforcement de l’âme était dans le contrôle de la largeur de fissuration. Les spécimens examinés présentaient une déflexion raisonnable par rapport à ce qui est disponible pour les poutres profondes renforcées en acier dans la littérature. Le développement de l'effet d'arche a été confirmé par la distribution quasi uniforme des déformations le long du renforcement longitudinal dans tous les spécimens. En outre, l'hypothèse de base du modèle des bielles et tirants (MBT) a été utilisée adéquatement pour prédire la distribution de déformation le long du renforcement longitudinal, confirmant l'applicabilité du MBT pour les poutres profondes armées de PRF. Par conséquent, un modèle basé sur un MBT a été proposé afin de prédire la résistance des poutres profondes renforcées de PRF en utilisant les données expérimentales en plus de la mise à l'épreuve expérimentalement des poutres profondes renforcées de PRF trouvées dans la littérature. Une évaluation des MTB disponibles dans les dispositions des codes a été menée afin de déterminer les paramètres importants affectant le facteur d'efficacité de la bielle. La tendance de chaque paramètre (la résistance à la compression du béton, le ratio de cisaillement porté/profondeur, et la déformation dans le renforcement longitudinal) a été évaluée individuellement contre le facteur d'efficacité. Des calculs basés sur l’énergie des déformations ont été effectués pour identifier le modèle de treillis approprié afin de détailler les poutres profondes renforcées de PRF. Par conséquent, seulement quatre spécimens avec un renforcement vertical dans l’âme présentaient la formation de modèles avec deux panneaux de treillis. Le modèle proposé a été capable de prédire la capacité ultime des poutres profondes testées. Le modèle a également été vérifié contre une base de données de 172 poutres profondes renforcées en acier aboutissant en un niveau acceptable de pertinence. La capacité ultime et la performance des poutres profondes testées ont été également adéquatement prédites employant un programme d'éléments finis en 2D (VecTor2), ce qui fournira un puissant outil pour prédire le comportement des poutres profondes renforcées de PRF. L'analyse non linéaire par éléments finis a été utilisée afin de confirmer certaines hypothèses associées à l'étude expérimentale.

Résumé : Les dalles de tabliers de ponts et des stationnements sont exposées à des environnements agressifs en particulier au Québec et en Amérique du Nord en raison de l'utilisation de sels de déglaçage et des cycles de gel-dégel. La substitution des armatures d’acier par des armatures en matériaux composites de polymères renforcés de fibres (PRF) constitue une alternative intéressante qui connait beaucoup de succès ces dernières années. Le béton armé de PRF est durable, car l’armature n’est pas sujette à la corrosion électrochimique. Aussi l’armature de PRF possède une résistance en traction élevée et est légère. En Amérique du Nord, l’utilisation des composites de PRF a suscité une attention toute particulière de la part des ingénieurs et des gestionnaires d’ouvrages. Plusieurs organismes dont des ministères de transport spécifient l’armature de PRF comme matériau structural dans leurs devis techniques pour lutter contre la corrosion et allonger la durée de service de leurs infrastructures. Les dalles en béton armé sont souvent soumises à des efforts de cisaillement critiques. Actuellement les méthodes de calcul au cisaillement (à l’effort tranchant) de dalles unidirectionnelles en béton armé de PRF différèrent d’une norme à une autre. En effet, la majorité des équations proposées dans les normes et guides de conception ont dérivées à partir de relations empiriques. Bien que des efforts de recherche considérables aient été consacrés dans ce domaine au cours de la dernière décennie, une meilleure compréhension du comportement au cisaillement et des mécanismes de rupture de dalles unidirectionnelles en béton armé de PRF est encore nécessaire. Dans cette recherche, un programme expérimental visant à étudier le comportement de dalles renforcées avec différents types de barres en PRF a été mis en place. Vingt-deux dalles unidirectionnelles en béton renforcées avec des barres de PRF ont été construites et testées en flexion a quatre points jusqu’à la rupture. Les paramètres d’étude comprennent : le type et le taux d’armature, le diamètre de la barre, l’espacement et la configuration de l’armature ainsi que la résistance en compression du béton afin d’examiner leur effet sur la résistance au cisaillement des dalles. Le comportement des dalles testées a été examiné en considérant le réseau de fissures, la charge ultime ainsi que les modes de rupture. Aussi, une base de données comprenant 203 poutres et dalles unidirectionnelles en béton armé de PRF rompues en cisaillement a été répertoriée et introduite dans les analyses. Les charges de rupture en cisaillement des dalles testées dans le cadre de cette thèse ainsi que celles de la base de données ont été comparées à celles prédites par les équations de calcul proposées par la normes canadiennes CSA S6-06/S1 et CSA S806-12, ainsi que celles des deux guides de calcul ACI 440.1R-06 et JSCE-97. Les analyses effectuées ont montré que les valeurs prédites par les équations de calcul proposées par l’ACI 440.1R-06 sont très conservatrices, alors que celles prédites par celles de JSCE-97 sont en meilleur accord avec les valeurs expérimentales. Aussi, les résultats obtenus ont montré que les équations de la nouvelle norme CSA S806-12 prédisent bien la résistance au cisaillement expérimentale. Toutefois, une amélioration de l'équation de la norme CSAS806-12, conduisant à de meilleurs résultats, est proposée. Par ailleurs, les résultats obtenus dans le cadre de cette thèse ont mené à une meilleure compréhension des mécanismes de rupture et des facteurs principaux qui contribuent à la résistance au cisaillement de dalles unidirectionnelles en béton armée de PRF. Enfin, des recommandations pour des travaux futurs y sont également formulées. // Abstract : Bridge deck and parking garage slabs are exposed to aggressive environments particularly in the North American regions resulting from the excessive use of de-icing salts. Fiber-reinforced-polymer (FRP) reinforcements have emerged as a practical and sustainable anti-corrosive reinforcing material with superior tensile strength to overcome the corrosion problem. High comfort level and increase use of the material is currently seen. Protection and regulations policies of some Public North American agencies currently include GFRP reinforcing bars as premium reinforcement. Shear behaviour in RC slabs is examined since most of the bridge deck and parking garage slabs are shear critical. However, there is still no agreement in FRP design codes and guidelines for shear strength equations. Several design code equations are still based on empirical relationships while recent developments are based on shear theories. The complex nature of shear phenomena which is influenced by many parameters, in addition to the existence of various schools of thoughts in shear, makes it difficult to find a general agreement on a unified equation. Huge research efforts are being established, however better understanding for the shear behaviour and failure mechanisms for unidirectional FRP RC slabs is still needed. In this research study, an experimental program was designed to investigate the shear behaviour of one-way concrete slabs reinforced with different types of FRP bars. A total of twenty one concrete slabs reinforced with FRP bars in addition to a steel reinforced slab were constructed and tested to failure under two-point loading. The variation in the concrete contribution to the shear strength V[subscript c] is investigated with respect to FRP reinforcement properties. Newly developed GFRP bars with high modulus, which were not previously investigated in the literature, are used. Different FRP reinforcement properties were included in the study such as reinforcement ratio, modulus of elasticity and axial stiffness, type of bars, and reinforcement configuration. Also, normal concrete and high strength concrete were considered in the research program. Analysis of the experimental results included the general behavior of the tested slabs, crack patterns, ultimate capacities, and modes of failure, load deflection relationships as well as the concrete and reinforcement strains. Test results of the present investigation indicate an influence of the reinforcement type, bar diameter, and the shear stiffness of the bars on the mode of failure and the shear strength. The experimental investigation and analysis of test results provided better understanding of concerning mechanisms of failure and factors contributing to the shear capacity of FRP RC slabs. A refined shear model to the CSA S806-12 is introduced and found to provide better results compared to the existing design codes and guidelines. The model is based on regression analysis of an experimental database. The database is assembled from twenty five different studies in addition to the present investigation. The used database includes 203 unidirectional members reinforced with FRP bars (without shear reinforcement) failing in shear. The model was evaluated through the experimental concrete shear capacities (V[subscript c exp]) of the database and found to provide good predictions. The experimental shear capacities of the database ( V[subscript c exp]) was compared to their corresponding predicted shear capacities (Vcpred ) using CSA S806-12, CAN/CSA-S6.1S1, ACI 440.1R-06, and JSCE-97. It was found that the ACI guide is very conservative. It can be noted that using this guide in its present form may reduce the economic competitiveness of fibre-reinforced polymers. JSCE recommendations are in better agreement with the test results. The Canadian CSA S806-12 equation was found to be in good fit with the experimental shear capacities.

La Chine est actuellement confrontée à de sérieux problèmes environnementaux et est listée parmi les pays qui contribuent le plus à la pollution et à la destruction de l'environnement mondial. En particulier, la Chine du Sud est une zone naturellement sujette aux glissements de terrain à cause de conditions tectoniques, climatiques et anthropiques particulièrement défavorables. Depuis la fin des années 1990, l'Etat chinois a mis en place des politiques de reforestation de grande envergure. mais il existe des lacunes de connaissances qu'il convient de combler. En particulier, le choix des espèces les plus adaptées n'est pas aisé parce que les processus par lesquels les plantes stabilisent les pentes ont besoin d'être mieux compris.En introduction, afin de mieux préciser les périmètres qui cadrent cette thèse, sont présentées la situation de la Chine du Sud au regard des glissements de terrain, la discipline d'éco-ingénierie et les solutions qu'elle peut apporter. Ainsi, ce travail (i) se concentre sur des espèces végétales locales, (ii) se limite aux glissements de terrain superficiels, et (iii) concerne à la fois les processus mécaniques et hydriques entre le sol et les racines. A l’intérieur de ces cadres, la thèse a pour objectif de répondre à la question scientifique : quels sont les propriétés racinaires qui influencent la stabilisation des pentes ? La réflexion est ensuite appliquée aux plantes de Chine du Sud afin d’identifier les meilleures espèces-outils. Pour répondre à cette question, à la fois les données de terrain (en Chine du Sud), les expériences de laboratoire (en France) et la formulation de concepts sont mobilisées. Les résultats sont organisés en deux chapitres. Le premier pose la question de l’efficacité de la présence de racines pour stabiliser les pentes, tous d’abord sous l’angle des processus mécaniques, puis sous l’angle des processus hydriques. Le deuxième chapitre permet d’identifier un panel de traits pertinents et non redondants évaluant l’efficacité d’une espèce pour la stabilisation des pentes puis s’appuie sur ce panel afin de sélectionner les espèces chinoises les plus efficaces. Enfin, la discussion aborde les limites de ce travail et propose de nouvelles pistes de recherche.Du point de vue mécanique comme du point de vue hydrique, c’est la conjonction des effets des racines de structure et des racines fines qui importe. Les racines de structure sanas racines fines ne sont pas optimales et peuvent même faire apparaître des lignes de fragilité. Plus précisément, les racines de structure sont particulièrement bienvenues vers l’aval de la pente pour des raisons à la fois mécaniques et hydriques. Les racines fines seules ne sont pas optimales non plus, elles peuvent faire apparaître localement des zones de faiblesse qui, si elles sont proches, participeront au déclenchement d’un glissement de terrain. Des ramifications racinaires denses améliorent la stabilité mécanique. Orientées vers l’aval de la pente, elles améliorent la stabilité hydrique. Les autres traits racinaires pertinents pour évaluer l’efficacité des racines à stabiliser le sol sont la contrainte et la déformation maximale en tension, la concentration en azote et la concentration en sucres solubles. / China is currently facing serious environmental issues and is listed among the countries that contribute most to pollution and destruction of the global environment. Particularly, Southern China is naturally prone to landslides because of unfavourable tectonic, climatic and anthropogenic conditions. Since the late 1990s, the Chinese government has implemented policies of large-scale reforestation, but the question of the most suitable species is still pending. The introduction of this thesis presents the different types of landslides, the context in Southern China and what eco-engineering means, in order to clarify the boundaries within which this work is situated. Thus, this study (i) limits itself to the study of superficial landslides, (ii) fits into the requirement scheme of low-cost solutions using local plant species, and (iii) focuses on the root, plant and hotspot degradation scales. Within those geographical, sociological, political and scientific frameworks, this thesis aims to answer the following scientific question: which species and root architectures are the most efficient to stabilize the steep slopes in Southern China? To answer this question, field data (in Southern China), laboratory experiments (in France) and the formulation of concepts are mobilized. The results are organized into two chapters. The first chapter identifies a panel of relevant and nonredundant traits assessing a given species effectiveness in slope stabilization, and then draws on that panel to select the most efficient Chinese species. The second chapter raises the question of the effectiveness of the presence of roots to stabilize slopes, first in terms of mechanical processes, then in terms of hydraulic processes. Finally, the discussion addresses the limitations of that work and suggests new avenues of research. Root traits relevant to assessing the root effectiveness to soil stabilization are maximum tensile stress and strain, nitrogen concentration as well as concentration in water-soluble sugars. The most efficient species among nine pioneer species measured on the Chinese slopes are Pueraria stricta, a legume native from Southeast Asia which plantation happened from reforestation programs, and Artemisia codonocephala, a spontaneous Asteraceae native from Southern China. Recommendations regarding the nine species are presented for the use of their characteristics in eco-engineering. From the mechanical as well as the hydraulic viewpoint, the conjunction of structural roots and fine roots is determinant. Structural roots alone are not optimal and may even bring up lines of weakness. Specifically, for both mechanical and hydric reasons, structural roots are particularly efficient when they grow downslope. Fine roots alone are not optimal either, as they can produce local areas of weakness which, if they are close, can participate in the triggering of a landslide. The branching organization is also particularly important: dense throughout the root profile, branches improve the mechanical stability. Oriented downslope, branching forks improve underground water flow and thus hydraulic stability. The limits of this thesis point out the difficulty to choose indicators and to follow their evolution over time. Another limitation lies in the difficulty to assess the relationship between roots and soil, as the only root resistance is not sufficient to prevent soil from sliding. Finally, the spatial integration of root properties remains challenging. In conclusion, this thesis contributes to improve the knowledge of the plant material available in the mountains of Southern China. Its results will optimize eco-engineering actions related to slope stability. It also upgrades the knowledge about processes at stake between roots and their environment during a landslide

La résistance du till de la Romaine 3 a été étudiée sous sollicitations cycliques grâce à un nouvel appareil de cisaillement simple cyclique. Les essais ont été effectués à différentes teneurs en eau de compactage (côté sec et côté humide de l’optimum Proctor) et à différentes contraintes de cisaillement cyclique. Il a été démontré que les échantillons compactés du côté sec de l’optimum Proctor ont nécessité environ dix fois plus de cycles de cisaillement pour atteindre la rupture que les échantillons compactés du côté humide. Les essais effectués à faible ratio de cisaillement ont aussi nécessité l’application de dix fois plus de cycles de cisaillement que ceux effectués à ratio de cisaillement élevé avant d’atteindre la rupture. Le projet de recherche présenté s’inscrit dans le cadre de la chaire de recherche industrielle CRSNG – Hydro-Québec sur l’optimisation du cycle de vie des barrages en remblai. / The resistance of Romaine 3 till was studied under cyclic loading using a new cyclic simple shear apparatus. The tests were carried out at different compaction water contents (dry and wet sides of Proctor optimum) and at different cyclic shear stress levels. It was found that ten times more cycles were needed for samples compacted on the dry side of optimum to reach failure than for samples compacted on the wet side of optimum. It was also found that the tests carried out at low cyclic stress ratio took ten times more cycles to reach failure then tests carried out at high cyclic stress ratios. The presented research project is part of the NSERC – Hydro-Québec Industrial Research Chair in life cycle optimisation for embankment dams.