La corrosion des armatures de renforcement des structures en béton représente un enjeu socio-économique majeur. Sa détection et le suivi de son évolution constituent un défi pour la recherche appliquée. Les techniques standards non destructives de détection de corrosion mettent en œuvre des procédés indirects tels la mesure d’impédance, de potentiels, ou par ultrasons. Leurs capacités d’auscultation sont limitées dans l’espace (notamment en profondeur), leur coût reste élevé dans un contexte de maintenance périodique et elles conduisent à des paramètres d’interprétation complexe. Des progrès sont nécessaires dans la détection et l’analyse fiable de la progression des processus de corrosion. Dans ce travail, nous présentons une nouvelle méthode pour détecter la corrosion et le suivi de son évolution, basée sur l’observation directe des changements intervenant à l’interface fer-béton par Capteur à Fibre Optique (CFO). L'attaque par corrosion de la surface de l'armature dépend de plusieurs paramètres électrochimiques (température, pH, carbonatation, présence de chlorures, contamination biologique, etc.). Deux comportements mécaniques à l'interface fer-béton sont distingués. Dans le premier cas (carbonatation), le produit d'oxydation du métal reste à l'interface et augmente la pression interne, pouvant conduire à la fissuration de la couche de béton extérieure. Dans le second cas (piqures), les ions métalliques sont évacués hors de la structure avec comme conséquence une réduction de section des barres d'armature (affaiblissement du renforcement). Un CFO innovant est proposé dans le but de localiser et quantifier les deux types de corrosion précités. Le principe consiste à observer l’impact direct de la corrosion sur l’état de déformation d’une fibre optique préalablement précontrainte par construction. Deux procédés métrologiques sont étudiés : Bragg et réflectométrie fréquentielle (Optical Frequency-Domain Reflectometry - OFDR). Des tests de corrosion accélérée montrent la faisabilité du procédé. Une procédure de fabrication simplifiée et à coût optimisé est proposée pour la surveillance in situ et répartie des structures de génie civil, dans une perspective future de maintenance conditionnée. / Corrosion of reinforced bars (rebars) in concrete structures remains a major issue in civil engineering works, being its detection and evolution a challenge for the applied research. Usual non-destructive corrosion detection methods involve impedance, potential or ultra-sonic indirect measurements of complex interpretation. Besides, they are restricted to near-surface examinations and the maintenance cost is still high (scheduled maintenance). Many efforts remain to be done to survey the onset and progression of corrosion processes in a reliable way. In this work, we present a new methodology to detect the onset of corrosion and to monitor its evolution, based on the direct observation of rebar–concrete interface changes by the use of an Optical Fiber Sensor (OFS). The corrosion attack over rebar surface depends on several physical, chemical and electrochemical parameters (temperature, pH, presence of chlorides/CO2, biological contamination, etc.). Two types of mechanical behavior and described. In the first case (carbonation), metal oxidation products stay at the interface and increase internal pressure, potentially leading to a crack of the external concrete layer. In the second case (pitting), metal ions are evacuated out of the structure, leading to a reduction of the rebar section (structural weakness). An innovative sensor design is proposed with the purpose of localizing and quantifying the amount of both corrosion types. The basic principle consists in measuring the impact of corrosion over the state of strain of a prestressed optical fiber. Two metrological techniques are used: Fiber Bragg Grating (FBG) and Optical Frequency-Domain Reflectometry (OFDR). Accelerated corrosion tests were performed in electrolytic solutions for both kinds of corrosion types (pitting and carbonation) and provide a proof-of-concept for the technique. A low-cost, simplified manufacturing procedure is proposed with the aim to provide distributed and in situ Structural Health Monitoring (SHM), suitable for future Condition-Based Maintenance (CBM) of civil engineering concrete structures.

Cette contribution, en s’appuyant sur expérimentation et modélisation numérique vise à une meilleure compréhension du comportement des dalles en béton armé sous sollicitations de cisaillement. Une campagne expérimentale a été réalisée sur des dalles épaisses à pleine échelle de centrales nucléaires. Ces dalles sans armatures d’effort tranchant sont soumises à une sollicitation de cisaillement en chargement quasi-statique. Les essais sont réalisés en faisant varier différents paramètres qui peuvent influencer le comportement au cisaillement. Sont ainsi étudiés : résistance en compression du béton, épaisseur, taux d’armatures longitudinales et transversales, taille des granulats, longueur de la plaque de chargement. L’influence des efforts de membrane, de compression ou de traction, sur le comportement au cisaillement a également été analysée. Les résultats des essais sont ensuite comparés aux prédictions des codes de calcul. Ces résultats ont d’abord permis d’apporter une réponse aux divergences qui existent entre l’Eurocode 2 et l’Annexe Nationale Française quant à la prédiction du cisaillement. Ont également été évalués le niveau de précision donné par d’autres normes de dimensionnement au cisaillement: la norme américaine ACI 318-14, le code nucléaire AFCEN ETC-C 2010, le fib-Model Code 2010 et l’approche par la théorie de la fissure critique de cisaillement CSCT. Ensuite est évalué la possibilité d’analyses non-linéaire par élément finis (EF) pour reproduire le phénomène du cisaillement dans les dalles. Un modèle de béton élastoplastique avec endommagement est combiné à une analyse quasi-statique à schéma de résolution explicite. Des lois de comportement non linéaires appropriées du béton avec des comportements post-pic associés à un critère énergétique ont été considérées. La bonne concordance entre le modèle proposé et les résultats expérimentaux en termes de résistance au cisaillement et de modes de rupture permet de valider la modélisation proposée. Une étude paramétrique a été réalisée sur la base du modèle proposé avec les mêmes propriétés mécaniques de béton. Des lois simplifiées permettant d’estimer les capacités en cisaillement en fonction des différents paramètres étudiés sont finalement proposées. / This study, based on experiments and numerical modeling, aims at a better understanding of the shear behavior of reinforced concrete slabs. An experimental campaign was carried out on full-scale thick slabs typical of nuclear power plant slabs. These slabs without shear reinforcement are subjected to a quasi-static shear loading. The tests are carried out by varying different parameters that can influence the shear behavior: the concrete compressive strength, the slab depth, the bottom longitudinal and transverse reinforcement ratio, the concrete aggregate size, the loading plate length. The influence on shear behavior of compression or tension membrane forces has also been analyzed. The results of tests are then compared with the predictions of the calculation codes. These results first of all helped to answer the differences between the Eurocode 2 and the French National Annex concerning the prediction of the shear capacity of reinforced concrete slabs. The level of accuracy given by other shear dimensioning standards was also assessed: The American standard ACI 318-14, the AFCEN ETC-C 2010 code used for nuclear buildings, the fib-Model 2010 and the Critical Shear Crack Theory. Next, we evaluate the possibilities of a non-linear finite element analysis (EF) to reproduce the phenomenon of shear in slabs. An elastoplastic concrete model with damage was used and combined with a quasi-static analysis using an explicit resolution scheme. Appropriate nonlinear behavior laws of concrete with post-peak behaviors associated with an energy criterion were considered. The good agreement between the proposed model and the experimental results in terms of shear strength and failure modes allowed validating the proposed modeling. A parametric study was conducted based on the numerical proposed model with the same mechanical properties of concrete. Simplified laws allowing estimating the shear capacities according to the different parameters studied are proposed.

Le comportement des structures en béton armé peut s’avérer extrêmement complexe en cas de dépassement de la limite de fissuration du béton. Le caractère composite du béton armé doit être représenté finement. Pour la simulation des structures industrielles, les modèles numériques employés supposent une relation parfaite entre le béton et les armatures qui non seulement ne prennent pas en compte la complexité de la relation entre les deux matériaux mais aussi ne permet pas de présenter finement les caractéristiques de la fissuration étant directement liée à celle des aciers. Dans la littérature, plusieurs méthodes numériques sont proposées pour étudier finement les caractéristiques de la liaison acier-béton, mais toutes ces méthodes posent des difficultés pour les calculs de structures complexes en 3D. En partant des résultats obtenus dans le cadre de la thèse de Torre-Casanova (2012), une nouvelle formation d’un modèle de liaison acier-béton a été développée pour améliorer les performances et la représentativité (comportement cyclique). Ce nouveau modèle a été validé sur un tirant par comparaison avec une solution analytique et des résultats expérimentaux et également testé à l’échelle structurelle pour simuler le comportement d’un voile en cisaillement. Compte tenu de la difficulté pour caractériser numériquement l’ouverture de fissure en cas de fissuration complexe, une nouvelle méthode de post-traitement a également été développée. Finalement, le développement du comportement cyclique de la loi d’adhérence avec enveloppe non-réduite est intégré dans le modèle de liaison acier-béton pour prendre en compte l’irréversibilité du glissement et le boucle d’hystérésis lors du chargement en charge-décharge ou du chargement cyclique. L’application sur un tirant et sur un voile en cisaillement est également effectuée afin d’investiguer le comportement global et local. / Reinforced concrete structure behavior can be extremely complex in the case of exceeding the cracking threshold. The composite characteristics of reinforced concrete structure should be finely presented. In order to compute the industrial structures, a perfect relation hypothesis between steel and concrete is supposed in which not only the complex phenomenon of the two-material relation is not taken into account, but it is also unable to predict the crack characteristics, which is directly linked to the steel. In literature, several numerical methods are proposed in order to finely study the concrete-steel bond behavior, but these methods give many difficulties in computing complex structures in 3D. With the results obtained in the thesis framework of Torre-Casanova (2012), the new concrete-steel bond model has been developed to improve performances (iteration numbers and computational time) and the representation (cyclic behavior) of the initial one. The new model has been verified with analytical solution of steel-concrete tie and validated with the experimental results and equally tested with the structural scale to compute the shear wall behavior. Because of the numerical difficulty in post-processing the crack opening in the complex crack formation, a new crack opening method is also developed. Finally, the cyclic behavior of the bond law with the non-reduced envelope is adopted and integrated in the new bond model in order to take into account the slip irreversibility and the hysteresis during the cyclic load. The application of the model is carried out on a steel-concrete tie and a shear-wall.

Cette thèse s’intéresse à l’étude la corrosion des armatures du béton armé à la fois sur les conditions de son initiation et de sa propagation mais également sur ses conséquences à long terme sur le fonctionnement en service des ouvrages.Le démarrage d’une étude à long terme sur les conditions de l’initiation et de la propagation de la corrosion en ambiance saline est présenté et les premiers résultats confirment l’initiation précoce de la corrosion mais montrent que l’influence des fissures sur la propagation dépend des conditions de leur exposition et de l’enrobage.Une étude a été réalisée sur la carbonatation en présences de fissures et sur ses conséquences sur l’initiation et la propagation de la corrosion. Des échantillons annulaires de mortier renforcé par une armature HA ont été fissurés. Les résultats ont montrés que quelque soit l’ouverture des fissures mécaniques, il y a une carbonatation des lèvres de la fissure et de l’interface acier-béton. Après exposition à des cycles d’humidification séchage, la corrosion se développe tout le long de l’armature mais avec une épaisseur plus importante en sous-face de l’armature ou la qualité de l’interface est moins bonne. Les résultats montrent que les fissures de corrosion induites par le développement de la couche de rouille prennent naissance à partir des micro-fissures dues à l’endommagement mécanique. Ce résultat est cohérent avec le développement des fissures de corrosion observées dans la partie sur l’initiation et la propagation de la corrosion en ambiance saline.Une autre partie de la thèse est consacrée à l’étude des propriétés mécaniques résiduelles de poutres en béton armé corrodées par 26 à 28 années de conservation majoritairement sous charge de flexion en ambiance saline.On s’intéresse d’abord au comportement en traction simple des aciers corrodés. La corrosion induite par les chlorures conduit à des piqûres de géométries très diverses qui rendent difficile l’évaluation de la section résiduelle d’acier. Cependant, il apparait que la contrainte effective de plasticité est peu affectée, la contrainte ultime est légèrement augmentée significative d’un écrouissage plus important après corrosion et surtout l’élongation à rupture est drastiquement réduite par la présence des piqures de corrosion.L’effet de la corrosion des armatures sur le comportement en flexion est ensuite étudié. La corrosion se traduit par un changement du mode de rupture, de l’écrasement du béton comprimé après une phase de plastification des aciers à la rupture fragile et brutale des armatures tendues après corrosion. La diminution de la capacité portante est proportionnelle à la perte de section d’acier dans les sections les plus sollicitées. La perte de ductilité ou diminution de la flèche à rupture des poutres en béton armé est très importante et pourrait remettre ne cause la sécurité dans le fonctionnement des éléments corrodés.L’effet de la corrosion sur la résistance à l’effort tranchant est ensuite étudié. Pour ce faire des éléments courts (poutres épaisses) sont testés en flexion simple. Les résultats montrent que la corrosion peut conduire à des changements de fonctionnement mécanique mais que la résistance vis-à-vis de l’effort tranchant est globalement peu affectée par la corrosion des armatures longitudinales ou des cadres d’effort tranchant. La complexité des phénomènes mis en jeu sur des éléments courts et l’importance des bielles de béton comprimées dans les effets d’arc peuvent expliquer ces résultats. Par ailleurs, la capacité d’ancrage des armatures droites corrodées apparait très largement supérieure à celle attendue compte tenu de la présence des fissures de corrosion et des prévisions issues de la littérature. Le confinement dû à l’appui et le fait que la corrosion naturelle n’affecte pas tout le périmètre des barres d’armatures peuvent expliquer ces résultats surprenants / This thesis aims to study the reinforcement corrosion embedded in reinforced concrete structures on both initiation and propagation of corrosion and its long-term consequences on the service life of structures. Firstly, a long-term study on the conditions for the initiation and propagation of corrosion in saline environment is presented and the first results confirm the early initiation of corrosion, but shows that the influence of pre-cracks on the propagation of corrosion depends on their conditions of exposure and concrete cover thickness. A study was conducted in carbon dioxide condition with presence of cracks to examine its impact on the initiation and propagation of corrosion. The results showed that whatever the mechanical crack opening, the crack edge and the steel-concrete interface were carbonated. Carbonation of the steel-concrete interface is likely to be due to mechanical damage induced by loading and stress transfer from the steel to mortar when creating cracks. This damage is also caused by the presence of internal micro-cracks around the steel bar. Following exposure to wetting-drying cycles, corrosion develops throughout the reinforcement but with a greater thickness of rust layer on the underside of the reinforcement where the quality of the interface is weaker. The results showed that the corrosion cracking induced by the development of rust layer arises from internal micro-cracks due to mechanical damage. This result is consistent with the development of corrosion cracks observed previously in saline environment. Another part of the thesis is to study the residual mechanical properties of corroded reinforced concrete beams of 26-28 years exposed to a saline environment under bending load. The behavior of single tensile steel corroded extracted from these corroded beams is studied. It is very difficult to know the true stress of tensile steels corroded "naturally" in concrete contaminated by exposure to chlorides. Indeed, the corrosion induced by chlorides leads to create corrosion pits with various geometries that make it difficult to determine accurately the residual steel cross-section. However, it appears that the true yield stress is unaffected, the true ultimate stress is slightly increased by corrosion but the total elongation at failure is drastically reduced by the presence of pitting corrosion. The effect of reinforcement corrosion on flexural behavior is then studied. The corrosion resulted in a change in failure mode, from concrete crushing in compression after yielding of tensile steel to brittle failure of tension reinforcement. The decrease of the load bearing capacity is proportional to the loss of steel section in the mid-span section. The loss of ductility or decrease in deflection at failure of reinforced concrete beams is very important and could be the limiting factor for the service life of corroded RC structures. It appears that the change in ductility of corroded reinforced concrete beam is correlated with the change in ductility of the steel due to corrosion. The effect of corrosion on the shear behavior is then studied. To make this, the short-shear span beams (deep beams) were tested under three point bending until failure. The results showed that corrosion can lead to changes in mechanical behavior but load bearing capacity of deep beams is generally unaffected by corrosion of longitudinal reinforcement and stirrups. These results can be explained by a coupled behavior between arch action and beam action leading to change in load transfer mechanism and failure mode. In addition, the capacity of straight end anchorage of corroded reinforcement appears to be very much higher than expected despite the presence of corrosion cracks. Concrete confinement effect due to the end support reaction and the “natural” corrosion condition which do not lead to a homogeneous damage all around perimeter of re-bars may explain these surprising results

Cette thèse s’intéresse à l’efficacité des renforcements par matériaux composites à base de fibres carbone (CFRP : Carbon Fiber Reinforced Polymer) par la technique NSM (Near Surface Mounted ; réalisation d’engravures sur la surface du béton) pour requalifier les structures corrodées. Elle est composée d’une partie expérimentale et d’une partie modélisation par la méthode des Eléments Finis (EF). La technique NSM consiste à réaliser des engravures sur la surface du béton où sont insérés les joncs de carbone rendus adhérents par remplissage d’une résine époxy. Les éléments étudiés dans cette thèse sont des poutres en béton armé naturellement corrodées pendant 28 années d’exposition à un environnement salin. Dans cette thèse, nous nous intéressons aux modes de rupture et à la capacité portante à la fois : en flexion et à l’effort tranchant. Le degré de corrosion a été mesuré par la méthode de perte de masses locales après la fin des essais mécaniques sur les barres longitudinales ainsi que sur les cadres d’effort tranchant. La première partie présente les résultats expérimentaux obtenus sur une poutre corrodée et une poutre témoin réparée ou renforcée en flexion par un jonc de carbone de 6 mm de diamètre inséré dans la surface tendue par la technique NSM. Les essais ont pour objectif d’étudier la capacité portante, la flèche à la ruine, la rigidité en flexion et le mode de ruine des deux poutres afin de vérifier l’efficacité du renforcement ou de la réparation... La seconde partie présente les résultats expérimentaux obtenus sur des poutres courtes permettant de mettre en avant la résistance vis à vis de l’effort tranchant. A partir des poutres longues testées dans la première partie, deux poutres courtes corrodées et deux poutres courtes témoins sont extraites. Une poutre courte corrodée et une poutre témoin sont réparées ou renforcées en flexion et une poutre corrodée et une poutre témoin sont en plus réparées ou renforcées vis-à-vis à l’effort tranchant par des joncs de carbone de 6 mm de diamètre par la technique NSM. L’éventuel glissement des armatures longitudinales sur les appuis a été mesuré durant les essais de flexion 3 points. Les résultats expérimentaux montrent que la corrosion des armatures longitudinales et la corrosion des cadres d’effort tranchant n’affectent pas le mode de ruine et modifient très peu les capacités portantes. La réparation vis-à-vis de l’effort tranchant avec la technique NSM change le mode de ruine de la formation d’une fissure diagonale due au glissement des barres d’acier tendues, à la formation d’une large fissure de flexion à mi-travée suivie de l’écrasement du béton comprimé... La troisième partie s’intéresse à la modélisation par la méthode de modélisation par EF du comportement global en flexion. Une première approche 2D est élaborée avec le code FEMIX développé à l’Université de Minho par le professeur Barros. Cinq poutres sont modélisées : 3 corrodées dont une réparée par la technique NSM et 2 témoins dont une renforcée par la technique NSM. La modélisation par EF donne de bons résultats sauf dans le cas de la poutre corrodée réparée dont le mode de ruine est non conventionnel (séparation du béton d’enrobage)... La quatrième et dernière partie est consacrée à l’étude numérique des poutres courtes. Quatre poutres sont modélisées : 2 corrodées réparées dont une réparée vis-à-vis de l’effort tranchant et 2 témoins renforcées dont une renforcée vis-à-vis de l’effort tranchant. La modélisation par EF est faite en 3D en utilisant le code FEMIX. Les résultats numériques reproduisent correctement les aspects importants du comportement force-flèche ainsi que les modes de fissuration à la ruine pour les poutres réparées vis-à-vis de l’effort tranchant ou non. / The thesis is composed of an experimental and Finite Element Modeling (FEM) study, investigating the effectiveness of the (Near Surface Mounted CFRP rods technique (NSM)) on the corroded RC beams. In the NSM technique, the CFRP rods are placed inside pre-cut grooves and are bonded to the concrete with epoxy adhesive. The thesis studies the failure modes and the mechanical performance of the corroded RC beams due to steel corrosion and finally, the prediction of the mechanical behaviour of the repaired corroded RC beams using nonlinear models based on FE numerical modelling. The corroded RC beams studied here in this study were exposed to natural corrosion for more than 28 years. The first part includes experimental results which were obtained on two beams: (one corroded and one control beams, both are 3 metres long) repaired or strengthened in bending with one 6-mm-diameter NSM CFRP rod. The beams were tested in a three-point bending test up to failure. Overall stiffness was studied. Ultimate capacity, ductility and failure modes were also reviewed. Finally some comparisons were made between repaired and non-repaired beams in order to assess the effectiveness of the NSM technique... The second part discusses the experimental results of two short corroded beams, which were tested under three-point bending until failure, along with two short control beams of the same characteristics (age, length and cross-section). One RC corroded deep beam was repaired in bending and the other one was repaired in both bending and shear with NSM CFRP rods. After the beams had been tested up to failure, the main steel bars and the stirrups were extracted from the beams and the loss of mass was measured and plotted for both the longitudinal and transverse reinforcement. The slip of tensile reinforcement at the end of the beams was also measured during the tests. The effect of corrosion and the effect of repairing with CFRP NSM rods in bending and shear on the behaviour of deep beams are discussed. Experimental results showed that both corroded and control deep beams repaired only in bending failed due to shear failure mode(diagonal tension failure), while corroded and control beams repaired in both bending and shear failed due to concrete crushing. The test results also showed that the corrosion of both longitudinal and transversal reinforcement hardly modified the mechanical response of deep beams... The third part shows experimental results and numerical modelling results of 2D finite element model using the FEMIX computer code were obtained on five, 3-metre-long beams: three corroded RC beams and two control beams. Two beams, one corroded and one control were repaired or strengthened in bending with NSM CFRP rod and were then tested in three-point bending up to failure. The FE numerical modelling results from FEMIX were compatible with the experimental ones except for the repaired corroded beam, for which a three-dimensional model using the commercial software ABAQUS was required... Finally, the last part presents 3D numerical modelling results in terms of load-deflection curves, and failure modes for 4 short corroded beams: two corroded beams and two control beams, half of the beams were let repaired or strengthened in bending only with NSM CFRP rods while the others were repaired or strengthened in both bending and shear with NSM technique. Results showed that the FE model was able to capture the main aspects of the experimental load-deflection curves of the RC beams, moreover it has presented the experimental failure modes and FE numerical modelling crack patterns and both gave similar results for both shear-repaired and non-shear repaired beams, three dimensional crack patterns were produced for shear-repaired beams in order to investigate the splitting cracks occurred at the middle of the beams and near the support.

Les travaux de cette thèse ont pour objectif d’améliorer la connaissance du comportement desbâtiments en béton armé. Ce comportement est notamment lié à celui de la liaison entre l’acier etle béton, qui permet de transférer les efforts entre les deux matériaux. La connaissance de cetteinterface conduit ainsi à l’amélioration de la conception des structures. Le cas spécifique desenceintes de confinement de réacteurs nucléaires induit une sollicitation particulière de la liaisonpar rapport aux sollicitations habituelles (comme la présence de traction en fibre inférieure d’unepoutre). Afin d’étudier cet état de contraintes, un essai push-in, peu étudié dans la littérature,est mis en place. Une instrumentation par fibres optiques innovante, précise et peu intrusive, estinsérée dans le béton et l’acier, permettant d’accéder aux déformations locales des deux milieux.De nombreuses données sont ainsi obtenues à différents stades du comportement de la liaisonacier-béton. Les essais réalisés font varier la longueur d’interface, menant à l’observation deplusieurs modes de rupture de l’éprouvette qui sont comparés entre eux. Celui correspondant auglissement de l’interface est plus particulièrement étudié. Le comportement précédent la rupture,souvent qualifié de linéaire, est également investigué. L’étude est complétée par la réalisation demesures post-mortem non destructives de perméabilité et par rayons X. Des phénomènes connuset nouveaux sont observés et permettent d’affiner les connaissances sur le comportement de laliaison acier-béton. Ces travaux pourront conduire à améliorer la précision de la modélisation ducomportement des structures en béton armé. De plus, les marges d’incertitude utilisées dans lescodes d’ingénierie sont susceptibles d’être diminuées. / This research aims at improving the knowledge about the behavior of reinforced concretebuildings. This behavior relies in particular on the steel-concrete link one, allowing to transferstresses between the two materials. Knowing the bond behavior leads to optimise the structuredesign. The specific case of confinement vessels of nuclear structures induces a special link sol-licitation compared to the usual sollicitations (such as presence of traction in the beam lowerfiber). In order to study this stress state, a push-in test, less studied according to the litterature,is set up. A new, precise and less-intrusive instrumentation by optic fiber is set up inside theconcrete and the steel, giving access to local strains of both mediums. Much data is obtainedat different steps of the steel-concrete interface behavior. Different interface lengths are used,leading to several rupture modes that are compared one to each other. The interface sliding oneis more particularly studied. The behavior before the rupture, sometimes qualified as linear, isinvestigated as well. Post-mortem non destructive measurements (permeability and X-ray to-mography) are finally performed. Known and new phenomena are observed and allow to refinethe knowledge regarding the steel-concrete link. This reasearch could lead to improve the mo-deling accuracy of reinforced concrete behaviors. Moreover, the uncertainty margins used in theengineering codes are likely to decrease.

Ces travaux portent sur la réparation et le renforcement de structures béton armé par matériaux composite. Dans ce domaine, la solution de type carbone-époxy appliqué sur les faces extérieures des structures occupe une place prépondérante, mais reste perfectible. L'objectif principal de cette thèse est de proposer des solutions alternatives à ces matériaux, tels que les composites de type textile-mortier (Textile Reinforced Concrete, « TRC ») et d'en juger la faisabilité, les performances et le comportement. Une approche expérimentale et analytique, aux échelles micro, méso et macroscopiques, est menée en s'appuyant notamment sur la technique de mesure de champs de déplacements par corrélation d'images. À l'égard de l'étude du matériau, une procédure d’essai de caractérisation en traction directe des TRC a été conçue et validée. La conduite de 98 essais par cette procédure, a permis de mieux appréhender le comportement de ces composites, notamment l’articulation entre les mécanismes locaux et leur traduction à l’échelle macroscopique. Les principaux leviers permettant l'optimisation des TRC ont ainsi été déterminés. À l'échelle structurelle, l'étude de 11 poutres réparées vis-à-vis de l'effort tranchant, par collage de plats préfabriqués ou moulage à même la poutre, a été conduite. Il en ressort que les solutions TRC se comparent favorablement à celles de type carbone-époxy. Aussi, le comportement local a été finement évalué, notamment, l'évolution des efforts repris par le renfort TRC ainsi que la validité du modèle analytique du treillis. Un comportement de type multifissurant ou pull-out du TRC sensible à son procédé de mise en oeuvre a également été mis en avant / This research focuses on repairing and strengthening concrete structures with composite materials. In this particular domain, carbon-epoxy composites are of considerable interest, but still room for improvement. The main objective of this thesis is to show alternatives to these composites, such as Textile Reinforced Concrete (TRC). Feasibility, performances and behavior of this alternative composite are examined. An experimental and analytical approach, at the micro-, meso- and macroscopic scale are conducted, notably thanks to the technique of digital image correlation for in-plane displacement measurement. Regarding the study of the material, a rather handy, reliable and efficient procedure of a direct tensile test was designed and validated. To enable a better understanding of the TRC behavior, 98 different TRC configurations were tested thanks to this procedure. The links between local mechanisms and macroscopic scale behavior were notably studied. Finally, key levers for optimizing the TRC were determined. On the structural level, a study was conducted on 11 beams shear strengthened by bonding of prefabricated plates or by contact molding. It shows that TRC solutions compare favorably with carbon-epoxy composites. Also, the local behavior was thoroughly assessed, notably the change of forces carried by the composite material and the truss model validity. A multi-cracking or pull-out behavior of the TRC was put forward depending on its application process

Dans le cadre de la mise à niveau sismique des bâtiments existants, la technique de renforcement par placage et enrobage de polymères renforcés de fibres (FRP) offre une réponse pertinente. L’objectif de cette thèse est de proposer une modélisation fiable pour la détermination de la réponse quasi-statique et dynamique d’une grande variété d’éléments de structure et d’identifier les apports possibles d’une telle modélisation à la conception. Les stratégies de modélisation s’appuient sur l’utilisation d’éléments finis massifs ou basés sur une cinématique simplifiée (coques multicouches et poutres multifibres), associés à des modèles locaux d’endommagement et de plasticité pour les matériaux en présence (béton, armatures et FRP). L’hypothèse d’adhérence parfaite, d’une part, entre les armatures et le béton, et d’autre part, entre les bandes de FRP et le béton, permet de calculer efficacement les cas des poteaux courants, des poteaux courts, des voiles longs et courts, dans les régimes quasi-statique (pushover) et dynamique. Le renforcement par placage et enrobage FRP pour des structures en béton armé, est reproduit au sein de la modélisation par un apport de matière (éléments de type barre avec les caractéristiques propres des FRP) et des modifications des paramètres de la loi de comportement du béton, justifiées par l’expérimentation et la littérature. La pertinence de l’approche est finalement démontrée en confrontant la réponse temporelle de structures à l’échelle 1, de type ossature ou de type contreventé par des voiles, aux résultats expérimentaux issus de benchmarks internationaux. / In the context of the building’s protection against seismic risk, the strengthening technique by FRP (Fiber Reinforced Polymers) plating and wrapping provides a relevant solution. The objective of this thesis is to propose a reliable modeling for determining the quasi-static and dynamic responses of a wide variety of structural elements and to draw advantage in design. The modeling strategies make use of 3D elements or finite elements based on simplified kinematics (multilayer shells or multifiber beams), associated with local damage and plasticity laws for the constitutive materials (concrete, rebar and FRP). The perfect bond assumption between steel-concrete and FRP-concrete allows efficiently calculating the quasi-static and dynamic behaviors of short and slender columns, as well as short and slender walls. The mechanical contribution of FRP plating and wrapping is reproduced in the modeling by adding material (bar type elements with FRP characteristics) and by changing the parameters of the concrete model on the basis of the experience and analytical formula issued from the literature. The relevance of the approach is finally highlighted by comparing the time-history response of real braced frame or wall structures with the experimental results.

En zone de montagne, les avalanches de neige menacent les personnes et également les structures de génie civil. Ce travail de thèse se focalise sur une structure de protection en BA (Béton Armé) de type mur en L. L'objectif est de caler et valider un modèle EF (Elément Fini) 2D afin d'étudier le comportement de tels ouvrages sous l'effet de champs de pression induits par des avalanches de neige dense et d'évaluer leur vulnérabilité face à cet aléa naturel. Quatre lois de comportement décrivant la rhéologie du béton ont été testées en vue de reproduire le plus précisément possible la ruine du mur en BA. Un modèle physique de la structure à échelle 1/6 a permis, via un test pushover, d'obtenir des données expérimentales utiles pour le calage des modèles EF proposés. Seulement deux des lois de comportement ont permis de converger vers un mode de ruine pertinent et en accord avec les observations expérimentales. Le modèle EF une fois calé a ensuite été utilisé afin d'investiguer la réponse mécanique de l'ouvrage sous sollicitation avalancheuse. En fonction de l'impulsion du signal de chargement, trois régimes peuvent être obtenus (quasi-statique, dynamique et impulsionnel). Dans le cas d'une avalanche de neige dense, les résultats montrent que la réponse mécanique de la structure en question peut être considérée comme quasi-statique. Toutefois, les signaux avalancheux dépendant de nombreux facteurs (type d'avalanche, densité, température, etc.), différents types de réponses peuvent potentiellement se développer. Pour finir, la vulnérabilité et la fiabilité du mur en BA ont été étudiées afin de préciser l'influence d'une part de la géométrie et d'autre part des caractéristiques des matériaux sur la capacité de protection qu'offre ce type d'ouvrage. In fine, ces résultats pourront être utilisés dans un cadre de gestion intégrée du risque. / Snow avalanches threaten people and also different types of civil engineering structures in mountainous areas. This PhD thesis focuses on a protective RC (Reinforced Concrete) structure consisting of an L-shaped wall. The objective of this study is to calibrate and validate a 2D FE (Finite Element) model in order to explore the mechanical behavior of such RC structures loaded by snow avalanche pressure fields and to assess their vulnerability when exposed to this kind of natural hazard. Four constitutive laws describing the concrete rheology were tested to describe the collapse of the RC wall. A physical 1/6-scale model permitted obtaining, via a pushover test, useful experimental data for the calibration of the proposed FE models. Two concrete models allowed converging to a relevant collapse of the structure in agreement with the experimental observations. Then, the calibrated FE model was used to investigate the mechanical response of the wall under avalanche loading. According to the impulse of the loading signal, three regimes can occur (quasi-static, dynamic or impulsive). In the case of dense-snow avalanches, the results show that the mechanical response of this structure can be described as quasi-static. However, avalanche signals depend on many factors (type of avalanche, density, temperature, etc.) and several types of responses can potentially develop. Finally, the vulnerability and the reliability of the RC wall were studied to show the influence of the geometry and the material properties on the capacity of the protective structure. In fine, these results will be used in an integrated risk framework in order to help decision makers.

Dans le domaine du génie civil, le dimensionnement des structures en béton armé est essentiellement basé sur des démarches déterministes. Cependant, les informations fournies par des analyses déterministes sont insuffisantes pour étudier la variabilité de la réponse de la dalle. Le manque de connaissance des charges appliquées ainsi que les incertitudes liées à la géométrie de la dalle et les caractéristiques des matériaux nécessitent donc l’utilisation d’une approche fiabiliste qui permet la propagation de ces incertitudes dans les analyses déterministes. L'approche fiabiliste est basée sur le principe de couplage mécano-fiabiliste qui consiste à coupler un modèle stochastique et un modèle déterministe. Cependant un couplage mécano-fiabiliste peut être très exigeant en temps de calcul. Dans le cadre de cette thèse, la méthodologie propre aux problématiques des ouvrages du génie civil est développée et validée tout d'abord sur un cas simple de structures en béton armé. Le cas d'une poutre encastrée en béton armée est proposé. Le système est modélisé sous CASTEM par une approche aux éléments finis de type multifibre. Puis la fiabilité d'une dalle en béton armé impactée par une masse rigide à faible vitesse est étudiée en couplant OpenTURNS à Abaqus. Enfin, une enceinte de confinement en béton précontrainte modélisée sous ASTER est étudiée d'un point de vue probabiliste. Seul le problème physique des dalles en béton armé soumises à une chute de colis dans les centrales nucléaires est examiné en détail. Deux modèles déterministes sont utilisés et évalués afin d’étudier les phénomènes dynamiques appliqués aux dalles en béton armé sous impact : un modèle par éléments finis en 3D modélisé sous Abaqus et un modèle simplifié de type masse-ressort amorti à deux degrés de liberté. Afin d’étudier la fiabilité des dalles en béton armé, nous avons couplé les méthodes Monte Carlo et simulation d’importance avec le modèle de type masse-ressort. FORM est utilisée avec le modèle par éléments finis. L’objectif de cette étude est de proposer des solutions pour diminuer le temps de calcul d'une analyse fiabiliste en utilisant deux stratégies dans le cas des dalles impactées. La première stratégie consiste à utiliser des modèles analytiques qui permettent de prédire avec précision la réponse mécanique de la dalle et qui sont moins coûteux en temps de calcul. La deuxième consiste à réduire le nombre d’appels au modèle déterministe, surtout dans le cas des modèles par éléments finis, en utilisant des méthodes probabilistes d'approximation. Ces deux stratégies sont comparées afin de vérifier l’efficacité de chacune pour calculer la probabilité de défaillance. Enfin, une étude paramétrique est réalisée afin d’étudier l’effet des paramètres d’entrées des modèles déterministes sur le calcul de la probabilité de défaillance. / Reinforced concrete structures (RC) are subjected to several sources of uncertainties that highly affect their response. These uncertainties are related to the structure geometry, material properties and the loads applied. The lack of knowledge on the potential load, as well as the uncertainties related to the features of the structure shows that the design of RC structures could be made in a reliability framework. This latter allows propagating uncertainties in the deterministic analysis. However, in order to compute failure probability according to one or several failure criteria, mechanical and stochastic models have to be coupled which can be very time consuming and in some cases impossible. The platform OpenTURNS is used to perform the reliability analysis of three different structures . OpenTURNS is coupled to CASTEM to study the reliability of a RC multifiber cantilever beam subjected to a concentrated load at the free end, to Abaqus to study the reliability of RC slabs which are subjected to accidental dropped object impact during handling operations within nuclear plant buildings, and to ASTER to study the reliability of a prestressed concrete containment building. Only the physical problem of reinforced concrete impacted by a free flying object is investigated in detail. Two deterministic models are used and evaluated: a 3D finite element model simulated with the commercial code “Abaqus/Explicit” and an analytical mass-spring model. The aim of this study is to address this issue of reliability computational effort. Two strategies are proposed for the application of impacted RC slabs. The first one consists in using deterministic analytical models which predict accurately the response of the slab. In the opposite case, when finite element models are needed, the second strategy consists in reducing the number of simulations needed to assess the failure probability. In order to examine the reliability of RC slabs, Monte Carlo and importance sampling methods are coupled with the mass-spring model, while FORM is used with the finite element model. These two stategies are compared in order to verify their efficiency to calculate the probability of failure. Finally, a parametric study is performed to identify the influence of deterministic model parameters on the calculation of failure probability (dimensions of slabs, impact velocity and mass, boundary conditions, impact point, reinforcement.