RESUME Les problèmes du comportement dynamique des structures ont une importance technique considérable. Parmi de nombreuses applications plus particulièrement dans le domaine du Génie Civil pour lesquelles la prise en compte de leffet de la vitesse de déformation est nécessaire, on peut citer les problèmes de prévision de la durée de vie, destimation de la sûreté et de la fiabilité des structures. On sen sert dans lanalyse du comportement dynamique non linéaire des structures sollicitées au-delà de la limite élastique ; comme le cas des éléments dune structure exposée aux chocs ou dune structure soumise aux sollicitations violentes comme le cas des sollicitations sismiques. Leffet de la vitesse de déformation peut entraîner la mise hors service de la structure ou de ses éléments constitutifs et causer des dommages matériels et des pertes humaines. Ce comportement agit par le biais de la rupture fragile qui résulte dune réduction des déformations plastiques et de la capacité dissipative de la structure. Lors des séismes respectifs de Northridge 1995 et de Kobe 1994, divers types de ruptures sont identifiées au niveau de la jonction poutre poteau. Ces ruptures sont dûes essentiellement à linsuffisance de ductilité. Des programmes de recherche expérimentale ont été réalisés à travers le monde sur des structures prototypes pour évaluer entre autre l'effet de la vitesse de déformations sur le comportement des assemblages soudés. Au Japon et aux Etats-Unis, cette démarche expérimentale a été mise en ouvre afin didentifier les causes des ruptures dassemblages. En Europe, le progrès des connaissances sest poursuivi, grâce à des activités de recherche visant à lamélioration continue des codes parasismiques. Dans lobjectif détudier linfluence de la vitesse de déformation sur le comportement des structures en zone sismique un programme dessai complet est réalisé à lUniversité de Liège. Les simulations numériques sont conduites à laide du logiciel DRAIN-HASSOUNI dont la version dorigine est appelée DRAIN-2D et dans laquelle on a incorporé le modèle de PERZYNA pour tenir compte de linfluence de la vitesse de déformation.

Ce travail de recherche est axé sur la compréhension du comportement en flexion, statique et instantané, des structures multimatériaux acier-béton collées du génie civil. La première étape consiste à mener une analyse expérimentale et numérique par éléments finis non linéaire sur la caractérisation de la connexion. L'essai Push-Out a été retenu : deux dallettes de béton C25/30 sont connectées à un profilé métallique. Nous faisons varier la géométrie des dallettes et du joint de colle. La ruine est cohésive dans le béton proche de l'interface par cisaillement. Un effet favorable du frottement entre dallette et presse peut se développer et induire le développement de contraintes de compression et augmenter la contrainte de cisaillement moyenne à l'interface. Les dimensions des éprouvettes et du joint de colle influent sur la charge de ruine. Ainsi, l'essai Push-Out est, dans l'état actuel de connaissances, difficile à utiliser pour la caractérisation de la connexion collée acier-béton en vue du dimensionnement de structures. La seconde partie est consacrée à l'analyse du comportement de poutres mixtes acier béton collées. Un essai sur poutre constituée de prédalles et d'une dalle de compression confirme que le collage est une alternative aux connexions traditionnelles. Nous développons aussi un modèle de calcul en variables généralisées et en variables locales en 3D non linéaire. La modélisation par éléments finis apporte plus de précisions, notamment sur l'état de contraintes à proximité de l'interface et à l'approche de la ruine. Les dimensions du joint de colle et la plastification du profilé influent sur la zone de rupture dans le béton.

Ce travail de recherche est axé sur la compréhension du comportement en flexion, statique et instantané, des structures multimatériaux acier-béton collées du génie civil. La première étape consiste à mener une analyse expérimentale et numérique par éléments finis non linéaire sur la caractérisation de la connexion. L’essai Push-Out a été retenu : deux dallettes de béton C25/30 sont connectées à un profilé métallique. Nous faisons varier la géométrie des dallettes et du joint de colle. La ruine est cohésive dans le béton proche de l’interface par cisaillement. Un effet favorable du frottement entre dallette et presse peut se développer et induire le développement de contraintes de compression et augmenter la contrainte de cisaillement moyenne à l’interface. Les dimensions des éprouvettes et du joint de colle influent sur la charge de ruine. Ainsi, l’essai Push-Out est, dans l’état actuel de connaissances, difficile à utiliser pour la caractérisation de la connexion collée acier-béton en vue du dimensionnement de structures. La seconde partie est consacrée à l’analyse du comportement de poutres mixtes acier béton collées. Un essai sur poutre constituée de prédalles et d’une dalle de compression confirme que le collage est une alternative aux connexions traditionnelles. Nous développons aussi un modèle de calcul en variables généralisées et en variables locales en 3D non linéaire. La modélisation par éléments finis apporte plus de précisions, notamment sur l’état de contraintes à proximité de l’interface et à l’approche de la ruine. Les dimensions du joint de colle et la plastification du profilé influent sur la zone de rupture dans le béton. / This PhD thesis investigates the connection of steel-flexural members by bonding and focuseson static and instantaneous behavior. First, experimental and numerical analyses are performed. A push out test is used : two concrete blocks are connected to steel members. The influence of the concrete blocks and bonding joint geometry is examined. Cohesive shear failure appears in concrete near the interface. Failure can occur when the average shear strain is twice the tension limit of concrete, which can be explained by favorable slipping between the concrete block and the support. In this case, the bonding joint is not only solicited in shear but also in compression. Results depend on the length of bonding joint and concrete blocks geometry. So, push out test cannot be now used to characterize the bonding connection between steel and concrete in order to design structures. The second is about the analysis of the behavior of steel concrete composite beams. A precast beam with compressive concrete was tested. Results show that a bonding connection can be an alternativesolution regardless of the slab manufacturing. We develop two numerical models. The first one is based on multi-layer beam modeling and the second one is a nonlinear 3D finite element model. The stress distribution close to the interface and near failure is more accurate with the finite element model than with the generalized model. Bonding joint geometry and plastification of steel girder have an influence on the failure region in the concrete.

Cette thèse traite de l'analyse limite des structures de châssis en acier, qui s'utilise souvent comme la structure principale de support des bâtiments. La structure du cadre en acier est caractérisée par une réponse très ductile et un grand potentiel pour dissiper l'énergie, ce qui est crucial pour la résistance par rapport aux tremblements de terre. La ductilité dans la réponse de la structure est la cause du comportement du matériau lui-même et du comportement des connexions entre les éléments de la structure. Les connexions entre les poutres et les poteaux peuvent influencer de manière significative la réponse de la structure du cadre en acier, parfois jusqu'à 30%. L'idée est de intégrer le comportement des connexions par les éléments de poutres qui seront situés dans les coins du cadre et la modélisation du reste serra fait avec des éléments de poutres non-linéaires qui décrirons le comportement des poutres en acier. Cette recherche est composée de deux parties. La première partie est consacrée au comportement des connexions structurelles, la deuxième partie présente le développement de l'élément fini du faisceau non linéaire capable de représenter le comportement ductile d'un élément de la structure en acier. Dans la première partie de la thèse, nous définissons la procédure d'identification des paramètres constitutifs pour le modèle couplé de plasticité-dégâts avec dix-huit inconnus. Ce modèle constitutif est très robuste et capable de représenter une large gamme de problèmes. La procédure définie a été utilisée dans la préparation de tests expérimentaux pour trois types de connexions en acier structuré. Les tests expérimentaux ont été effectués pour deux cas de charge. Pour la première, la charge a été appliquée dans un sens avec les cycles de chargement et de déchargement. À partir des mesures expérimentales, nous avons conclu que le modèle de plasticité peut bien représentée le comportement de la connexion structurale. Paramètres constitutifs ont été déterminés à partir des résultats de l'expérimentation, on a utilisé une poutre géométriquement exacte avec la loi bilinéaires renforcement du matériel et la loi linéaire pour le ramollissement. Également, on a effectué des essais expérimentaux de deux types de raccords en acier en cas de chargement cyclique. Les données mesurées montrent que le modèle de la plasticité n'est pas assez bon pour décrire le comportement de connexion pour ce type de charge. A savoir, en raison de changements du sens de l'application du chargement, les connexions montrent moins de rigidité, qui peut être décrite avec un modèle constitutif de dommages. Pour cette raison, nous avons développé un nouveau modèle plasticité-dommages qui est capable d'inclure le phénomène mentionné ci-dessus. A la fin de cette section est faite l'identification des paramètres constitutifs. La deuxième partie de la thèse de doctorat est composé de formulations théoriques et la mise en œuvre numérique des faisceaux géométriquement exacte. La réponse de durcissement de la poutre comprend l'interaction entre les forces de la section résultant du stress (N, T et M), et la réponse de ramollissement est définit par la loi non linéaire. Ce type d'élément fini de poutre est capable de décrire le comportement ductile des structures en acier et inclure les effets du second ordre, qui sont très importantes pour l'analyse ultime des structures de cadre en acier. L'élément fini développé de poutre géométriquement exacte et les lois définies de liaison de comportement dans la construction en acier, offrant la possibilité d'une analyse de haute qualité des structures en acier. En utilisant les modèles de poutre proposé et la méthodologie de modélisation des structures de châssis en acier, il est possible de déterminer une distribution réaliste des forces de section transversale , y compris la redistribution due à la formation de rotules plastiques. / This thesis deals with the ultimate load limit analysis of steel frame structures. The steel frame structure has a very ductile response and a large potential to dissipate energy, which is crucial in the case of earthquakes. The ductility in the response of the structure comes from the behavior of the material itself and the behavior of the semi-rigid structural connections. The semi-rigid connections between beams and columns can significantly influence the response of the structure, sometimes up to 30%. In this thesis, we propose a methodology for modeling steel frame structures with included connection behavior. The idea is to model the behavior of the structural connections by the beam elements positioned in the corners of the steel frame structure. Other members of the steel frame structure, steel beams, and columns, will be modeled with nonlinear beam elements. This research consists of two parts. The first part deals with the behavior of the structural steel connections. In the second part, we present the development of the nonlinear beam element capable of representing the ductile behavior of steel structural elements, beams and columns. In the first part of the thesis, we define constitutive parameters identification procedure for the coupled plasticity-damage model with eighteen unknowns. This constitutive model is very robust and capable of representing a wide range of problems. The identification procedure was used in the preparation of experimental tests for three different types of structural steel connections. The experimental tests have been performed for two load cases. In the first, the load was applied in one direction with both the loading and unloading cycles. From the experimental measurements, we have concluded that the response of the experimental structure can be represented by the plasticity model only because no significant change in the elastic response throughout the loading program was observed. Therefore, we have chosen an elastoplastic geometrically exact beam to describe connection behavior. The hardening response of the beam is governed by bilinear law, and the softening response is governed by nonlinear exponential law. The identification of the parameters has been successfully done with fifteen unknown parameters identified. The two types of the experimental structures were also exposed to the cyclic loading. Measured experimental data shows complex connection behavior that cannot be described by the plasticity model alone. Namely, after changing load direction stiffness of the connection decreases. This suggests that the damage model should be incorporated in the constitutive law for the connections behavior as well. Therefore, we propose a new coupled plasticity-damage model capable of representing the loss in the stiffness of the connection with the changing of the load direction. At the end of this part, we also give the constitutive parameters identification for the proposed model. The second part of the thesis deals with the theoretical formulation and numerical implementation of the elastoplastic geometrically exact beam. The hardening response of the beam includes interaction between stress resultant section forces (N, T and M), and the softening response of the beam, which is governed by the nonlinear law. This type of the beam element is capable of representing the ductile behavior of a steel frame structure, and it takes into account second order theory effects. Performed numerical simulations show that the proposed geometrically nonlinear beam element is very robust and is able to provide a more precise limit load analysis of steel frame structures. By using proposed methodology for modeling steel structures, we are able to obtain the real distribution of section forces, including their redistribution caused by forming of the hinges and the connections behavior.