Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished

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La capacité résistante des sections en I en acier laminées à chaud et soudées est étudiée en profondeur dans cette thèse. La résistance en section influencée par le voilement local ainsi que la résistance d'une barre soumise au flambement sont étudiées. Les normes de dimensionnement actuelles reposent sur le principe de classification des sections et la méthode des largeurs efficaces (E.W.M.), ce qui peut conduire à des prédictions de résistance discontinues et des calculs longs et fastidieux, en particulier dans le cas de sections ouvertes non-symétriques ou soumises à des cas de chargement combinés. En raison de ces lacunes, une méthode de conception plus économique et plus simple, l'Overall Interaction Concept (O.I.C.), a été développé. L'O.I.C., qui repose sur l'interaction résistance-instabilité bien connue avec une définition de l'élancement relatif généralisé, abandonne le concept de classification des sections et l'E.W.M., et traite toutes les géométries de section de manière similaire, pour les sections et les membres, et pour des cas de charge simples ou combinés. Compte tenu de ces avantages, le domaine d'application de l'O.I.C. est ici étendu à la conception de profilés en I en acier laminés à chaud et soudés. L'O.I.C. est élargi au Chapitre 1 pour la conception de profilés en I laminés à chaud et soudés dans des situations de chargement combinées ; Le Chapitre 2 se concentre sur la conception de sections en I mono-symétriques sous des cas de charge simples, et le Chapitre 3 traite de l'application de l'O.I.C. au cas des éléments comprimés influencés par les instabilités couplées locales-globales. Dans chaque chapitre, les détails des modèles numériques ainsi que les résultats de validation sont fournis. Des études paramétriques numériques approfondies par le biais de modèles d'éléments finis validés vis-à-vis de résultats expérimentaux sont menées pour étudier l'influence de différentes nuances d'acier, formes de section et divers cas de charge sur la résistance ultime. Sur la base des résultats des éléments finis, des expressions de conception basées sur l'O.I.C. sont proposées. Les prédictions de résistance de l'Eurocode 3, des normes américaines et de la proposition O.I.C. sont comparés aux résultats numériques de référence. Dans l'ensemble, il est démontré que l'O.I.C. délivre des résistances continues et beaucoup plus précises que celles prédites par les normes existantes. Les propositions faites ici serviront de base au développement d'une approche O.I.C plus générale, pour d'autres formes de sections transversales et divers procédés de fabrication. / The resistance capacity of hot-rolled and welded steel I-sections are deeply investigated in this thesis. Both cross-section resistance influenced by local buckling and member resistance influenced by global buckling are considered. Current code-oriented design relies on the traditional cross-section classification system and the Effective Width Method (E.W.M.), which may result in discontinuous resistance predictions and lead to long and tedious design calculation processes, especially when it comes to non-doubly symmetric open sections or to combined loading cases. Due to these shortcomings, a more economic and simple design method, the Overall Interaction Concept (O.I.C.), was developed. The O.I.C., which is based on the well-established resistance-instability interaction with a definition of generalised relative slenderness, abandons the cross-section classification concept and the E.W.M. and deals with all cross-section shapes in a similar way for both sections and members, under simple or combined loading cases. Considering these advantages, an extension of its application scope is expected. The range of application of the O.I.C. in this thesis is extended to cover the design of hot-rolled and welded steel I-sections. The O.I.C. is developed in Chapter 1 for the design of hot-rolled and welded I-sections under combined loading situations; Chapter 2 focuses on an O.I.C.-based design of mono-symmetric I-sections under simple load cases and Chapter 3 discusses the application of the O.I.C. to the resistance of compression members as influenced by local-global coupled instabilities. In each chapter, the details of numerical models as well as validation results are provided. Extensive numerical parametric studies through test-validated finite element models are carried out to investigate the influence of different steel grades, section shapes and various load cases on ultimate resistance. Based on the finite element results, O.I.C. design expressions are proposed. Resistance predictions from Eurocode 3, the American Standards and the proposed O.I.C. approach are compared to the reference numerical results. Overall, it is evidenced that the proposed O.I.C. approach provides more continuous and significantly more accurate resistance predictions than existing design standards. The proposals from this research shall serve as a basis for the derivation of a more general O.I.C. approach to other cross-section shapes and manufacturing processes.

La capacité résistante des sections en I en acier laminées à chaud et soudées est étudiée en profondeur dans cette thèse. La résistance en section influencée par le voilement local ainsi que la résistance d'une barre soumise au flambement sont étudiées. Les normes de dimensionnement actuelles reposent sur le principe de classification des sections et la méthode des largeurs efficaces (E.W.M.), ce qui peut conduire à des prédictions de résistance discontinues et des calculs longs et fastidieux, en particulier dans le cas de sections ouvertes non-symétriques ou soumises à des cas de chargement combinés. En raison de ces lacunes, une méthode de conception plus économique et plus simple, l'Overall Interaction Concept (O.I.C.), a été développé. L'O.I.C., qui repose sur l'interaction résistance-instabilité bien connue avec une définition de l'élancement relatif généralisé, abandonne le concept de classification des sections et l'E.W.M., et traite toutes les géométries de section de manière similaire, pour les sections et les membres, et pour des cas de charge simples ou combinés. Compte tenu de ces avantages, le domaine d'application de l'O.I.C. est ici étendu à la conception de profilés en I en acier laminés à chaud et soudés. L'O.I.C. est élargi au Chapitre 1 pour la conception de profilés en I laminés à chaud et soudés dans des situations de chargement combinées ; Le Chapitre 2 se concentre sur la conception de sections en I mono-symétriques sous des cas de charge simples, et le Chapitre 3 traite de l'application de l'O.I.C. au cas des éléments comprimés influencés par les instabilités couplées locales-globales. Dans chaque chapitre, les détails des modèles numériques ainsi que les résultats de validation sont fournis. Des études paramétriques numériques approfondies par le biais de modèles d'éléments finis validés vis-à-vis de résultats expérimentaux sont menées pour étudier l'influence de différentes nuances d'acier, formes de section et divers cas de charge sur la résistance ultime. Sur la base des résultats des éléments finis, des expressions de conception basées sur l'O.I.C. sont proposées. Les prédictions de résistance de l'Eurocode 3, des normes américaines et de la proposition O.I.C. sont comparés aux résultats numériques de référence. Dans l'ensemble, il est démontré que l'O.I.C. délivre des résistances continues et beaucoup plus précises que celles prédites par les normes existantes. Les propositions faites ici serviront de base au développement d'une approche O.I.C plus générale, pour d'autres formes de sections transversales et divers procédés de fabrication. / The resistance capacity of hot-rolled and welded steel I-sections are deeply investigated in this thesis. Both cross-section resistance influenced by local buckling and member resistance influenced by global buckling are considered. Current code-oriented design relies on the traditional cross-section classification system and the Effective Width Method (E.W.M.), which may result in discontinuous resistance predictions and lead to long and tedious design calculation processes, especially when it comes to non-doubly symmetric open sections or to combined loading cases. Due to these shortcomings, a more economic and simple design method, the Overall Interaction Concept (O.I.C.), was developed. The O.I.C., which is based on the well-established resistance-instability interaction with a definition of generalised relative slenderness, abandons the cross-section classification concept and the E.W.M. and deals with all cross-section shapes in a similar way for both sections and members, under simple or combined loading cases. Considering these advantages, an extension of its application scope is expected. The range of application of the O.I.C. in this thesis is extended to cover the design of hot-rolled and welded steel I-sections. The O.I.C. is developed in Chapter 1 for the design of hot-rolled and welded I-sections under combined loading situations; Chapter 2 focuses on an O.I.C.-based design of mono-symmetric I-sections under simple load cases and Chapter 3 discusses the application of the O.I.C. to the resistance of compression members as influenced by local-global coupled instabilities. In each chapter, the details of numerical models as well as validation results are provided. Extensive numerical parametric studies through test-validated finite element models are carried out to investigate the influence of different steel grades, section shapes and various load cases on ultimate resistance. Based on the finite element results, O.I.C. design expressions are proposed. Resistance predictions from Eurocode 3, the American Standards and the proposed O.I.C. approach are compared to the reference numerical results. Overall, it is evidenced that the proposed O.I.C. approach provides more continuous and significantly more accurate resistance predictions than existing design standards. The proposals from this research shall serve as a basis for the derivation of a more general O.I.C. approach to other cross-section shapes and manufacturing processes.

En vue d'une étude ultérieure du comportement dynamique des matériaux viscoélastiques, une première étape est réalisée comportant une analyse théorique qui conduit à la détermination de la première fréquence propre d'un disque diamétralement soumis à un régime d'excitation sinusoïdale. Par tant de l'évaluation du champs statique des contraintes, un champs de déformations et de déplacements en est déduit. Formant l'hypothèse que ce dernier champs représente l'amplitude du déplacement dans le cas d'une excitation sinusoïdale, l'énergie cinétique du disque en est évaluée au moyen d'un ordinateur, de même que l'énergie potentielle déduite a partir du champs de contraintes. Le quotient de Rayleigh par la suite permet d'obtenir la première fréquence de résonnance correspondant aux conditions limites imposées. On montre que cette fréquence est une^ fonction des propriétés élastiques du matériau et du rapport a/R où "a" est la largeur de contact sur le disque sollicité et "R" est le rayon du disque. Des graphiques sont présentés qui illustrent la dépendance de cette fréquence a ce dernier rapport. La réponse en fréquence de disques de divers matériaux est présentée dans ce rapport. Certains calculs permettent de vérifier que les fréquences de résonance observées sont approximativement en accord avec la théorie.

De nos jours, la conception parasismique des structures en acier repose sur la dissipation d'énergie sismique par l'action de grandes déformations plastiques. Les cadres à diagonales ductiles confinées sont un type de système à contreventements concentriques caractérisé par des membrures qui plastifient autant en traction qu'en compression. Grâce à un mécanisme de restreinte latérale qui renferme un noyau métallique, les diagonales ductiles confinées (DDC) tirent avantage de la ductilité cyclique du matériau. Cependant, les DDC affichent fréquemment une faible rigidité après plastification, causant ainsi d'importantes déformations latérales durant un séisme. De plus, la plastification du noyau est généralement associée à un seul objectif de performance; son comportement sous d'autres intensités sismiques est donc essentiellement inconnu. Les DDC hybrides sont étudiées en tant qu'alternative aux systèmes traditionnels pour pallier leurs limitations. Le concept d'hybridité vise à maîtriser différentes caractéristiques de métaux minutieusement sélectionnés pour obtenir une réponse souhaitable. Cette étude numérique comporte trois objectifs. Les matériaux de noyaux potentiels sont d'abord évalués afin de déterminer les meilleures combinaisons de deux métaux avec des propriétés mécaniques complémentaires. L'analyse de données expérimentales indique que le comportement plastique des DDC hybrides est amélioré par l'emploi d'un acier au carbone 350WT conjointement avec un autre métal qui possède une faible limite élastique et une grande capacité d'écrouissage (p. ex. l'acier inoxydable 304L, l'alliage d'aluminium 5083-O, l'acier au carbone A36, ou l'acier LYP-100). Par la suite, deux nouvelles configurations de DDC hybrides sont conçues afin d'accueillir trois noyaux ductiles connectés en parallèle. La première option proposée comprend un mécanisme de restreinte fait de tubes en acier remplis de béton, tandis que la deuxième option est fabriquée exclusivement à partir de composantes métalliques. Finalement, plusieurs simulations par la méthode des éléments finis sont réalisées sur des modèles numériques pour valider quantitativement l'accroissement de la performance. Comparées aux DDC conventionnelles, les DDC hybrides présentent une réponse d'écrouissage améliorée, une légère augmentation de la rigidité axiale, ainsi qu'une plus grande capacité à dissiper l'énergie. / Contemporary seismic-resistant design of steel structures relies on the dissipation of earthquake energy through significant inelastic deformations. Buckling-restrained braced frames (BRBFs) are a type of concentrically-braced system characterized by braces that yield both in tension and in compression. Thanks to a restraining mechanism that confines a ductile steel core, buckling-restrained braces (BRBs) can take advantage of the cyclic ductility of the steel material. However, BRBs commonly display a low post-yield stiffness, causing substantial interstory drifts and large residual drifts after seismic events. Moreover, yielding of the core is often tied to only a single performance objective, thus making its response at other levels of seismicity largely unpredictable. Hybrid BRB solutions are explored as an alternative to the traditional BRB system to overcome its limitations. The hybrid concept is hinged on harnessing different characteristics from different materials that are carefully combined into one ductile design to achieve a desirable response. This numerical study has three main objectives. Potential core metals are first evaluated to determine the best combinations of two materials with complementary engineering properties. Analysis of experimental data indicates that the post-yield behavior of hybrid BRBs is improved by employing 350WT carbon steel in conjunction with another metal, which possesses a low-yield and high-strain-hardening capacity (e.g., 304L stainless steel, 5083-O aluminum alloy, A36 carbon steel, or LYP-100 low-yield-point steel). Afterwards, two new hybrid BRB systems are designed to accommodate the complex deformation pattern of three core plates connected in parallel. The first proposed option has a restraining mechanism made from concrete-filled steel tubes, while the second hybrid BRB option is fabricated exclusively from metal plate components. Lastly, multiple finite element simulations are carried out on numerical models to quantitatively validate the performance enhancement. Compared to conventional BRBs, hybrid BRBs exhibit an improved strain hardening response, a slight increase in axial stiffness, and a greater energy dissipation capability for an equivalent brace strength.

The standard design procedure of reinforced concrete frame structures starts with linear analysis to obtain the corresponding diagrams of stress resultants (bending moment, shear and axial force), followed by the ultimate analysis of each cross section. The main disadvantage of such a design procedure concerns the (highly) statically indeterminate frames, where the failure of each beam or column would not imply the complete failure of the structure, but would lead to a significant stress resultant redistribution with respect to the result obtained by linear analysis. For that reason, we propose the performance based design procedure where the behavior until complete failure of beam-column and frames imposes to consider so-called plastic hinges corresponding to the zones where plasticity and/ or damage localizes. Engineering structures are usually statically indeterminate, so that the total failure of one member would affect the global response of the structure but it would not lead to a complete loss of the structural integrity. Moreover, being capable of describing the softening response of the members of one particular structure can provide an estimate of the residual life of a partially damaged structure. Such a procedure can also help to provide a more detailed crack description, which is needed to make decisions about the maintenance and repairs.

It is estimated that concrete represents 5% of the anthropogenic CO2 emissions, mainly originating from the production of cement, the most essential component of concrete. The recent awareness to the environmental challenges facing our civilization has led the cement industry to consider substituting cement by mineral additions, by-products of existing industries. In this work, a combination of limestone filler and blast furnace slag is used to design an “eco-concrete”, defined as a concrete combining a massive decrease of the cement content as well as mechanical properties and potential durability equivalent to a normal strength concrete. This research reviews the main concrete mix design parameters and their importance when designing an eco-concrete, resulting in five compositions containing various amounts of water, limestone filler and slag. The independent and combined effects of these parameters are observed on the development of the main concrete properties through the use of specific experimental equipment. Continuous non-destructive methodologies to assess efficiently and accurately the properties of any cement-based materials are developed by combining adapted traditional measurements and ultrasonic testing. The question of the early age cracking risk of these concretes is introduced by studying the effect of temperature on the main concrete properties, and a unified model is proposed for taking its effect of the early age autogenous deformation. Finally, new experimental observations are made regarding the behaviour of concrete under fully restrained deformations. The proposed eco-concrete meets many of the requirements of a sustainable construction material. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / info:eu-repo/semantics/nonPublished

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Cette recherche s’appuie pour certaines données, fournies par des institutions mexicaines sur des bases de donnée réelle. L’objectif est de mesurer les indices de fiabilité des bâtiments en béton armé soumis à des forces sismiques réelles avec épicentre proche, construits sur un sol rigide. Il existe une nécessité d’évaluer l’effet des incertitudes affectant les bâtiments de l’État de Guerrero, du fait que la recherche géophysique un estime GAP sismique avec une zone de 220x90 2km , qui produirait un événement sismique de magnitude Mw=8.4. Nous avons déterminé que la période prédominante de site dans un intervalle de 0.034 à 0.36 [Pérez D. and Mebarki A., 2007]. Nous obtenons ceci, avec l’interprétation de 3600 séismes réels d’une base de données de la SMIS, sélectionnés pour leur grande magnitude et épicentre proche. Lorsque l’ordonnée du spectre de réponse du sol est plus grande que celle du spectre du code, on doit approfondir l’analyses des bâtiments qui s’y trouvent du fait du plus grand risque de dommage et effondrement. Trois propositions de bâtiments de différentes résistances apparaissent, à savoir : 1. Calculer avec les propriétés des matériels de l’Etat de Guerrero. 2. Calculer avec les propriétés de la région centre du pays [RCDF], comme l’on fait actuellement, et, 3. Estimer une dégradation de résistance des bâtiments pour les séismes observé dans le passé. La capacité de résistance latérale du bâtiment est estimée avec deux types d’analyse. Il s’agit de : 1. Static Adaptive Pushover Analysis [DAP], avec laquelle nous mesurons le niveau de ductilité que développe le bâtiment, connaissant le point de plastification et la déformation ultime de chaque bâtiment. 2. Incremental Dynamic Analysis [IDA], pour évaluer en fonction de temps la résistance des bâtiments, soumis à des événements sismiques réels avec changement d’échelle et détermine les moments et la durée de l’état limite du bâtiment a été dépassé. On a observé que les indices de fiabilité dans les bâtiments soumis à des forces sismiques avec épicentre proche, dépendent beaucoup des conditions de sol et de la magnitude du séisme. Les effets de site changent de manière significative quand la magnitude de l’événement sismique augmente, ce qui fait varier les indices de fiabilité des bâtiments. Cette variation montre de l’importance à connaître les propriétés des matériaux de l’État de Guerrero, parce qu’ils influencent grandement sur la période fondamentale de l’édifice / With real information provided by Mexican Institution, we begin this research. The objective is to measure the indexes of reliability of reinforced concrete buildings subjected to real seismic forces with near epicenter, erected on hard soil. There is a need to assess the uncertainty affecting the buildings in the State of Guerrero, since geophysical researches estimate a GAP of area of 220x90 2 km , which will generate an earthquake of Magnitude Mw=8.4. We expect that the predominant period has a range of 0.034 to 0.36 sec [Pérez D. and Mebarki A., 2007]. We achieved this, with the interpretation of 3600 real earthquake from a database of SMIS, selected by their great magnitude and near epicenter. Where the ordinate of the response spectrum of the ground should be superior than the design spectra, thereby considering the buildings that are at greatest risk of damage or collapse. Three proposals for buildings with different resistance emerge, that are: 1. To calculate according to the properties of the materials in the State of Guerrero. 2. To calculate with the properties of the region central of the country [RCDF], as currently done and. 3. To estimate a degradation of resistance of the buildings for the earthquakes suffered in the past. The capacity of lateral resistance of the buildings is considered with two analysis types, that are: 1. Static Adaptive Pushover Analysis [DAP], which measures the level of ductility that develops the building, knowing with this, the yield point and the ultimate capacity of each building. 2. Incremental Dynamic Analysis [IDA], in which the resistance of the building is evaluated in the time-history, with real seismic events scaled to know the duration in which the value of the state limit of the building has been exceeded. We observed that the indexes of reliability in the buildings subject to seismic forces with near epicenter are highly dependent on the conditions of ground and the magnitude of the earthquake. The effects of site changes significantly, when the magnitude of the seismic event increases, that make vary the building reliability indexes. These variations show the great importance and attention that should be devoted to properties of the materials in the State of Guerrero, because they influence significantly the fundamental period of the buildings / Con información real proporcionada por instituciones mexicanas iniciamos este trabajo de investigación. El objetivo es medir los índices de confiabilidad de los edificios de concreto reforzado sometidos a fuerzas sísmicas reales con epicentro cercano, construidos sobre un suelo rígido. Existe una necesidad de valorar la certidumbre en los edificios del estado de Guerrero, debido investigaciones de geofísica que estiman un GAP de área de 220x90 2km que generaría un evento sísmico de magnitud Mw=8.4. Determinamos que el periodo predominante tiene un intervalo de 0.034 a 0.36 [Pérez D. and Mebarki A., 2007]. Logramos esto, con la interpretación de 3600 sismos reales de una base de datos de la SMIS, seleccionados por su gran magnitud y epicentro cercano. Donde la ordenada del espectro de respuesta del suelo debe ser mayor a la del espectro de diseño, con ello considerar a los edificios que se encuentren con mayor riesgo de daño o colapso. Tres propuestas de edificios de diferentes resistencias surgen, que son: 1. Calcular con las propiedades de los materiales del estado de Guerrero. 2. Calcular con las propiedades de la región centro del país [RCDF], como se hace actualmente y, 3. Estimar una degradación de resistencia de los edificios por los sismos sufridos en el pasado. La capacidad de resistencia lateral del edificio se estima con dos tipos análisis, estos son: 1. Static Adaptive Pushover Analysis [DAP], con el cuál medimos el nivel de ductilidad que desarrolla el edificio, conociendo con esto, el punto de fluencia y el de capacidad última de cada edificio. 2. Incremental Dynamic Analysis [IDA], se evalúa la resistencia del edificio en la historia del tiempo, con eventos sísmicos reales escalados para conocer el momento en el cuál el valor del estado límite del edificio ha sido excedido. Se observó que los índices de confiabilidad en los edificios sujetos a fuerzas sísmicas con epicentro cercano, dependen mucho de las condiciones de suelo y la magnitud del sismo. Los efectos de sitio cambian de manera considerable cuando la magnitud del evento sísmico aumenta, lo que hace variar los índices de confiabilidad de los edificios. Esta variación le da importancia a conocer las propiedades de los materiales del estado de Guerrero, porque influyen en el periodo fundamental del edificio