Les enquêtes récentes sur les séismes ont fait ressortir l'importance des murs en béton armé en tant que partie intégrante des structures. L’évolution des règlements prend en compte ces considérations, par contre le bâti existant doit subir des renforcements dans l’objectif de leur mise en conformité. Dans cette thèse une étude expérimentale faite sur douze murs (six élancés et six courts) renforcés par un collage externe en composite a été conduite. Les murs ont été conçus en étant sous-renforcés à la flexion et cisaillement. Quatre de ces six échantillons ont été renforcés par des bandes de PRFC collées. Deux spécimens, un témoin et un renforcé, ont été soumis à un test de chargement statique et quatre échantillons, l'un témoin et trois rénovés, ont été soumis à des essais de charge cyclique. La discussion et l’analyse des tests incluent la description de la fissuration, l’analyse de la rigidité, de la capacité de charge ultime, de la ductilité. / Recent earthquake surveys have revealed the significance of RC walls as an integral part of structures. It reduces the structure damage to some extent. However, like other structural member they too are vulnerable. Researchers on basis of their post eartthquake survey and laboratary experiments have concluded that the RC wall buildings sustained damage, mainly due to design and construction work flaws. In this thesis experimental result of shear walls is discussed. They were designed under-reinforced to fail in shear in ase of short wall and in flexure for slender walls. Three out of these six specimens, in each case, were strengthened externally with CFRP strips bonded to wall panel and mesh anchors installed at wall foundation joint. Two specimens, one RC and one CFRP retrofitted (short and slender wall each), were subjected to static load test and three specimens, one RC and two to three CFRP retrofitted, were subjected to quasi static cyclic load tests. The test result analysis discussion includes failure mode, stiffness, ultimate load capacity, ductility, and energy dissipation.

Abstract : Fragility curves are a very useful tool for seismic risk assessment of bridges. A fragility curve describes the probability of a structure being damaged beyond a specific damage state for different levels of ground shaking. Since more than half of all bridges in the province of Quebec (Canada) are in service for more than 30 years and that these bridges were designed at that time without seismic provisions, generating fragility curves for these structures is more than necessary. These curves can be used to estimate damage and economic loss due to an earthquake and prioritize repairs or seismic rehabilitations of bridges. Previous studies have shown that seismic damage experienced by bridges is not only a function of the epicentral distance and the severity of an earthquake but also of the structural characteristics of the bridge and the soil type on which it is built. Current methods for generating fragility curves for bridges do not account for soil conditions. In this work, analytical fragility curves are generated for multi-span continuous concrete girder bridges, which account for 21% of all bridges in Quebec, for the different soil profile types specified in the Canadian highway bridge design code (CAN/CSA-S6-06). These curves take into account the different types of abutment and foundation specific to these bridges. The fragility curves are obtained from time-history nonlinear analyses using 120 synthetic accelerograms generated for eastern Canadian regions, and from a Monte Carlo simulation to combine the fragility curves of the different structural components of a bridge||Résumé : Les courbes de fragilité sont un outil très utile pour l’évaluation du risque sismique des ponts. Une courbe de fragilité représente la probabilité qu'une structure soit endommagée au-delà d'un état d'endommagement donné pour différents niveaux de tremblement de terre. Étant donné que plus de la moitié des ponts dans la province de Québec (Canada) ont plus de 30 années de service et que ces ponts n'ont pas été conçus à l'époque à l'aide de normes sismiques, la génération de courbes de fragilité pour ces structures est plus que nécessaire. Ces courbes peuvent servir à estimer les dommages et les pertes économiques causés par un tremblement de terre et à prioriser les réparations ou les réhabilitations sismiques des ponts. Des études antérieures ont montré que l'endommagement subi par les ponts suite à un tremblement de terre n'est pas seulement fonction de la distance de l'épicentre et de la sévérité du tremblement de terre, mais aussi des caractéristiques structurales du pont et du type de sol sur lequel il est construit. Les méthodes actuelles pour générer les courbes de fragilité des ponts ne tiennent pas compte des conditions du sol. Dans ce travail de recherche, des courbes de fragilité analytiques sont générées pour les ponts à portées multiples à poutres continues en béton armé, soit pour 21% des ponts au Québec, pour les différents types de sol spécifiés dans le Code canadien sur le calcul des ponts routiers (CAN/CSA-S6-06). Ces courbes prennent en compte les différents types de culée et de fondation spécifiques à ces ponts. Les courbes de fragilité sont obtenues à partir d'analyses temporelles non linéaires réalisées à l'aide de 120 accélérogrammes synthétiques généres pour l’est du Canada, et d'une simulation de Monte Carlo pour combiner les courbes de fragilité des différentes composantes du pont.

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 prédiction de l’état de fissuration est un enjeu crucial pour l’analyse des structures en béton armé, qui nécessite le recours à la modélisation et à la simulation numérique. Le calcul par éléments finis des structures en béton armé pose au moins deux problèmes majeurs :d’une part il existe peu de modèles permettant de traiter à la fois l’initiation, la propagation et l’ouverture des fissures, d’autre part le diamètre généralement faible des armatures métalliques par rapport aux dimensions des structures étudiées nécessite des maillages particulièrement fins. On propose donc des solutions à ces deux problématiques basées sur l’utilisation de fonctions de niveau (level set). L’endommagement et la fissuration du béton sont modélisés à l’aide de l’approche TLS (Thick Level Set). Cette méthode,développée en tant que méthode de régularisation des modèles d’endommagement locaux, utilise une level set afin d’introduire une longueur caractéristique. Cela permet de rendre aisée la localisation de la position des fissures, et donc d’enrichir le champ de déplacement parla méthode des éléments finis étendus (X-FEM) afin de modéliser l’ouverture des macro-fissures. Concernant la modélisation des armatures, une nouvelle approche multidimensionnelle est proposée. Une représentation volumique des armatures par la méthode X-FEM est utilisée dans les zones d’intérêt afin d’obtenir des résultats précis tout en simplifiant la procédure de maillage, tandis qu’une représentation linéique est utilisée dans le reste de la structure afin de réduire le nombre de degrés de liberté du calcul. La méthode de transition développée ici permet d’assurer la cohérence des résultats obtenus / Prediction of cracking is a key point for the analysis ofreinforced concrete structures, which requires the use of Modeling and numerical simulation. The analysis of reinforced concrete structures using the finite element method raises two issues: on one hand, few models areable to deal with the initiation, the propagation and the opening of cracks, on the other hand the diameter of thereinforcements which is usually small compared to the dimensions of the structures necessitates very fine meshes. Some solutions to these two problematics areproposed, based on the use of level set functions.Damage and cracking of concrete are modeled using theThick Level Set (TLS) approach. This method,developped as a mean to regularize local damagemodels, uses a level set to introduce a characteristic length. It makes the location of the cracks easy, whichallows to enrich the displacement field with the eXtendedFinite Element Method (X-FEM) in order to model the macro-cracks opening. Concerning the modeling of thereinforcements, a new multidimensionnal approach isproposed. A volumic representation of the reinforcements with the X-FEM method is used in the zones of interest to get accurate results while simplifying the meshing process, whereas a lineic representation isused elsewhere to decrease the number of degrees of freedom. The developed transition method insures the consistency of the results.

Les éléments de coques multicouches ont montré une grande efficacité dans l'analyse non linéaire des structures. A l'origine, ces éléments avaient été développés pour des lois de comportement spécifiques au béton et à l'acier. Leur généralisation à l'analyse des structures dont le comportement est régi par des lois de comportement à variables internes (plasticité, élasto-visco-plasticité, endommagement) constitue le propos de ce travail de thèse. Issus de l'approche semi-globale, les éléments de coques multicouches permettent de rendre compte des phénomènes non-linéaires tant matériels que géométriques pour l'analyse des structures constituées de coques, sous divers chargements, avec un temps de calcul raisonnable. Dans une première partie, nous développons ces éléments dans le cadre de l'hypothèse des petites perturbations. Une extension est ensuite présentée en intégrant les effets non-linéaires géométriques. Une description lagrangienne actualisée avec un traitement semi-tangentiel des paramètres de rotation est utilisée à cet effet. Dans une seconde partie, nous présentons dans un cadre général, l'aspect théorique ainsi que le traitement numérique des lois de comportement à variables internes. A partir de là, un ensemble de lois de comportement à variables internes permettant la modélisation des comportements de l'acier et du béton sous divers chargements, est présenté. Le but étant d'utiliser ces modèles au sein des éléments finis de coques multicouches, pour le calcul de structures coques en béton armé soumises à des chargements statiques et dynamiques. Une attention particulière est portée sur la condition de contraintes planes d'une part dans le schéma d'intégration des contraintes, et d'autre part dans le calcul du tenseur de comportement tangent. Enfin, les développements effectués sont implantés dans le code de calcul par éléments finis CESAR-LCPC. Au travers d'exemples d'applications numériques, nous précisons le domaine d'application ainsi que les limites des outils proposés.

Cette étude a pour but de contribuer à une meilleure connaissance du comportement mécanique des chaussées en béton armé continu vis-à-vis de la fissuration. Après avoir effectué des rappels sur le béton, une analyse de la liaison mécanique entre le béton et l'acier, on présente comment les problèmes de contact peuvent être traités par la méthode des éléments finis. Une amélioration des essais d'adhérence nous a permis de pratiquer un nouveau test : l'essai ABA. Les résultats tirés de cette étude expérimentale ont permis de caler les paramètres intervenant dans la modélisation numérique de l'interface acier-béton. Pour mieux comprendre l'origine de la fissuration, un dispositif et un processus expérimental ont été mis au point pour permettre de simuler, en laboratoire, sur des essais en vraie grandeur, ce type de comportement. Il a permis de mettre en évidence les déformations thermiques au jeune âge durant la prise du béton. On a montré l'importance de l'épaisseur de béton et du taux d'acier, l'importance de la nature de la liaison entre la dalle et son support, et, pour le schéma de fissuration, l'influence du type d'armature (HA ou Flexarm). En outre, le développement des caractéristiques mécaniques et l'évolution du retrait libre ont été précisés à partir d'éprouvettes témoins. Pour finir, une comparaison des résultats obtenus avec ceux donnés par le modèle numérique est menée.

On développe dans ce travail un modèle de comportement pour le béton armé conçu pour le calcul des structures pour éléments finis dans le cadre de comportement à court terme et sans effets dynamiques. Le comportement du béton entre fissures est modélisé par une formulation élastoplastique avec paramètres multiples d'écrouissage. La fissuration est introduite au moyen de la formulation distribuée avec un diagramme de radoucissement qui tient compte de l'énergie de rupture et la géométrie de l'élément fini. On obtient ainsi l'objectivité des résultats vis-à-vis du maillage d'éléments fini. On incorpore à cette formulation l'effet de l'armature; on propose un modèle pour le comportement du béton armé: 1) la liaison de l'armature avec le béton armé fissuré incorpore l'effet dit tension stiffening; 2) on considère l'effet du glissement acier béton : l'énergie consommée par ce processus est considérée de façon conjointe avec l'énergie de rupture en traction dans le diagramme du radoucissement; 3) le modèle considère aussi l'effet de goujon et peut inclure n'importe quelle loi d'engrènement pour la fissure; 4) le modèle permet un nombre quelconque de directions de fissures et de couches d'armature. Finalement on montre les bonnes performances du modèle par comparaison de leurs résultats avec les données expérimentales sur structures planes en béton armé.

Le but de cette thèse est l'étude prédictive par calcul aux éléments finis des effets de la fissuration à l'échelle de structures en béton armé et précontraint soumises à des chargements statiques, cycliques et dynamiques. Il s'agit d'une part de préciser les lois de comportement des matériaux constitutifs de ces structures, et d'autre part de développer des outils numériques adaptés. Pour la modélisation du comportement du béton, un modèle du comportement macroscopique est présenté, couplant la plasticité à l'endommagement. Pour la partie plastique, il s'agit d'adapter la loi élastoplastique au comportement spécifique du béton. La (micro)fissuration du matériau est représentée à l'échelle macroscopique en termes de déformations plastiques, et l'apparition et l'évolution du dommage par l'évolution de variables plastiques. En particulier, la porosité plastique modélise la variation irréversible de l'espace poreux connecté créé par (micro)fissuration. Cette signification physique est à la base du couplage phénoménologique de la plasticité et de l'endommagement : les effets du dommage sont modélisés par une variation des caractéristiques élastiques fonction de la variable d'endommagement choisie : la porosité plastique. Cette loi de comportement est utilisée au sein d'un élément fini particulier : l'élément poutre multifibre, issu de l'extension des approches multicouches au cas tridimensionnel. L'outil numérique développé permet de prendre en compte des phénomènes non-linéaires tant matériels que géométriques dans l'analyse de structures à poutres sous des chargement divers avec un temps de calcul raisonnable. Pour l'application au cas des structures en béton précontraint, la formulation prend en compte des déplacements relatifs (glissement) entre câble précontraint et béton : la précontrainte est traitée comme un problème de condition aux limites à l'interface acier-béton. Ces développements sont mis en oeuvre dans un code de calcul par éléments finis. Au travers d'exemples d'applications numériques, le domaine d'application et les limites des outils proposés sont précisés. Ces outils se veulent une aide à la conception pour les ingénieurs, dans les études prédictives des effets du dommage à l'échelle des structures.

Le comportement des structures sous certains types d'actions tels que les séismes nécessite une bonne connaissance du comportement des matériaux composants sous des charges cycliques. Dans cette étude, le modèle de comportement cyclique du béton est basé sur la théorie de l'endommagement, sur la mécanique des milieux continus et la thermodynamique des processus irréversibles. Ce modèle tient compte des déformations résiduelles et de la perte de raideur due à la fissuration. Dans son application, les effets biaxiaux et le fluage ne sont pas pris en considération. Le comportement des armatures est considéré élasto - plastique parfait. Une amélioration importante pour l'application du modèle a été de définir une méthode d'identification des paramètres à partir des données physiques obtenues dans les essais classiques de contrôle du béton et d'une expression analytique de la loi de comportement d'usage courant. Le modèle uniaxial est introduit dans un code numérique pour structures planes. La structure à analyser est découpée en plusieurs éléments de poutres. Chaque élément est représenté par un certain nombre de sections. La section est divisée en plusieurs fibres soumises à une sollicitation uniaxiale. Chaque fibre suit sa propre histoire conforme au modèle ci-dessus, mais sa déformation respecte la loi de planéité de la section considérée. Des essais de validation ont été réalisés sur des éprouvettes cylindriques sous charges cycliques de compression, sur des poteaux courts sous compression - traction cyclique et sur des poteaux sous flexion alternée et effort normal constant. La comparaison modèle - essais apporte des résultats encourageants pour l'analyse des structures en béton armé sous charges cycliques.

Ce travail est destiné à mettre au point une méthode de dimensionnement à l'état limite ultime des structures en béton armé fondée sur le calcul à la rupture. La méthode propose une analyse bidimensionnelle, en contrainte plane, dans laquelle les armatures sont représentées comme des milieux continus unidimensionnels plongés dans le béton considéré comme un milieu continu bidimensionnel (modélisation mixte). Appliquant la méthode à la prise en compte de l'effort tranchant dans le dimensionnement des poutres en flexion, on propose de modéliser le renforcement transversal des poutres par la procédure d'homogénéisation en calcul à la rupture, tout en conservant une modélisation discrète des armatures longitudinales. Ayant choisi des critères de résistance simplifiés pour le béton et les armatures, on montre ensuite les limites d'une approche unidimensionnelle du dimensionnement des poutres par le calcul à la rupture. On développe donc une approche numérique fondée sur la programmation linéaire dans le cadre de la méthode des éléments finis. Cette dernière approche permet ainsi d'évaluer l'influence de l'effort tranchant sur la résistance des poutres et de déterminer le domaine de validité de l'approche unidimensionnelle proposée précédemment. La modélisation et l'approche numérique sont finalement validées par comparaison avec des résultats expérimentaux.