Le présent document constitue une partie d'un projet de recherche global sur la quantification de l'endommagement minimal détectable par des mesures de vibrations ambiantes mesurées sur un pont routier en service. L'objectif de l'étude effectuée dans cette maîtrise est de suivre l'évolution des propriétés dynamiques de poutres en béton armé en fonction de différents niveaux d'endommagement qui leur sont infligés en laboratoire, et de vérifier si ces propriétés sont des indicateurs fiables de l'endommagement. Elles serviront par la suite à effectuer une détection d'endommagement avec le logiciel commercial FEMtools et avec un algorithme développé en langage Matlab. Une étude expérimentale qui a porté sur trois spécimens de poutre en béton armé simple fabriqués et testés à l'Université de Sherbrooke est présentée. Toutes les poutres ont été dimensionnées adéquatement en flexion et présentent des défauts de renforcement en cisaillement. Deux spécimens ne renferment que l'armature minimale de cisaillement, et la dernière ne renferme aucune armature de cisaillement, comme c'est le cas pour des ponts-dalle. Les types d'endommagement testés sont ceux qui sont le plus souvent retrouvés sur les ponts routiers au Québec: l'endommagement dû au travail des poutres en flexion-cisaillement, l'endommagement dû à la corrosion des armatures de flexion et l'altération des conditions d'appui. Des essais de flexion quatre points ont été effectués pour simuler les dommages en flexion-cisaillement. Les modifications des conditions d'appuis sont simulées en bloquant les degrés de liberté d'un des appuis. La corrosion des armatures de flexion est simulée en sectionnant de manière séquentielle ces armatures en trois positions le long de la poutre. L'extraction des propriétés modales des poutres a été effectuée après tout nouvel endommagement imposé à l'aide d'excitations au marteau d'impact et d'une série d'accéléromètres. Deux méthodes d'analyse modales ont été utilisées: FRF (fonctions de réponse en fréquence) et FDD (Frequency Domain Decomposition). Les évolutions des propriétés modales à travers les endommagements des trois poutres montrent que les fréquences naturelles et les déformées modales sont des indicateurs très clairs de l'altération des conditions d'appui et de la fissuration en flexion-cisaillement. L'évolution de ces indicateurs est néanmoins plus subtile dans le cas d'une poutre sans renforcement en cisaillement, dont la rupture est très précoce. Les résultats montrent, en revanche, que la corrosion des armatures est un dommage beaucoup plus difficile à saisir à travers l'évolution des propriétés modales. L'ensemble des analyses expérimentales montre aussi que les taux d'amortissement modaux ne constituent pas des indicateurs fiables des endommagements testés sur les poutres.

In order to produce economical seismic designs, the modern building codes allow reducing seismic design forces if the seismic force resisting system (SFRS) of a building is designed to develop an identified mechanism of inelastic lateral response. The capacity design aims to ensure that the inelastic mechanism develops as intended and no undesirable failure modes occur. Since the 1984 edition, this design approach is implemented in the Canadian Standards Association (CSA) standard A23.3 for seismic design of ductile reinforced concrete (RC) shear walls with the objectives of providing sufficient flexural and shear strength to confine the mechanism to the identified plastic hinges and ensure a flexure-governed inelastic lateral response of the walls. For a single regular wall, the implemented capacity design requirements assume a lateral deformation of the wall in its fundamental lateral mode of vibration, and hence aim to constrain the inelastic mechanism at the expected base plastic hinge. This design is referred to as single plastic-hinge (SPH) design. Despite these requirements, CSA standard A23.3 did not prescribe, prior to the 2004 edition, any methods for determining capacity design envelopes for flexural and shear strength design of ductile RC shear walls over their height. Only its Commentary recommended such methods. However, various studies suggested, mainly for cantilever walls, that the application of these methods could result in multistorey wall designs experiencing the formation of unintended plastic hinges at the upper storeys and a high potential of undesirable shear failure, principally at the wall base, jeopardizing the intended ductile flexural response of the wall. These design issues result from an underestimation of dynamic amplification due to lateral modes of vibration higher than the fundamental lateral mode. The 2004 CSA standard A23.3 now prescribes capacity design methods intending in part to address these design issues. Although these methods have not been assessed yet, their formulation appears deficient in accounting for the higher mode amplification effects. In this regard, this research project proposes for CSA standard A23.3 new capacity design methods, considering these effects, for a SPH design of regular ductile RC cantilever walls used as SFRS for multistorey buildings. In order to achieve this objective, first a seismic performance assessment of a realistic ductile shear wall system designed according to the 2004 CSA standard A23.3 is carried out to assess the prescribed capacity design methods. Secondly, an extensive parametric study based on sophisticated inelastic dynamic simulations is conducted to investigate the influence of various parameters on the higher mode amplification effects, and hence on the seismic force demand, in regular ductile RC cantilever walls designed with the 2004 CSA standard A23.3. Thirdly, a review of various capacity design methods proposed in the current literature and recommended by design codes for a SPH design is performed. From the outcomes of this review and the parametric study, new capacity design methods are proposed and a discussion on the limitations of these methods and on their applicability to various wall systems is presented.

Les structures sont parfois soumises à des sollicitations extrêmes telles que des chocs et des séismes, dont les conséquences peuvent être désastreuses. La réduction de la vulnérabilité au séisme du bâti existant est un enjeu de société de première importance. Le renforcement d'éléments structuraux par matériaux composites collés offre une solution intéressante, mais les règles de dimensionnement concernant l'application de tels matériaux pour le renforcement parasismique n'ont pas encore toutes été clairement établies. Le présent travail de thèse se propose de contribuer à l'établissement de ces règles pour le renforcement de poteaux en béton armé, par matériaux composites. Une campagne expérimentale a donc été menée sur plusieurs poteaux en béton armé, d'échelle représentative ; diverses configurations de renforcement ont été appliquées sur ces corps d'épreuve, qui ont ensuite été testés en flexion composée alternée. Ces différents essais nous ont permis d'analyser le comportement des poteaux selon la présence ou non de confinement (tissu de fibres de carbone), de renforcement à la flexion (lamelles), et d'ancrage des lamelles de renfort en matériaux composites. Cette notion d'ancrage des composites a fait l'objet d'une campagne expérimentale complémentaire, visant à caractériser une technique d'ancrage innovante et à en vérifier les performances. Grâce à ces différents essais, les gains en termes d'énergie dissipée apportés par les différentes configurations de renforcement, les gains en termes de ductilité globale de la structure ainsi qu'en termes d'augmentation de la charge portante ont été vérifiés. Outre ces aspects quantitatifs, ce travail a permis de proposer des pistes pour l'établissement de règles de dimensionnement de ces renforts spécifiques à la réhabilitation parasismique, en lien avec les normes actuelles, et notamment l'Eurocode 8 / Structures can be submitted to severe loadings, especially impacts and earthquakes, and reducing the seismic vulnerability of existing structures is thus an important issue. Retrofitting by Fibre-Reinforced Polymer (FRP) is an interesting technical solution but design rules have to be developed concerning their application for seismic strengthening. This thesis aims to contribute to the development of design rules concerning the strengthening of reinforced concrete columns by FRP. For this purpose, an experimental campaign carried out on full-scale reinforced concrete columns has been undertaken. Different strengthening configurations have been applied to columns, which were then tested under combined axial and lateral load. Those tests helped to analyze the behaviour of columns depending on the FRP confinement (carbon FRP jacket), on flexural reinforcement (carbon plates) and on anchorage of FRP. An additional experimental campaign has been undertaken in order to characterize an innovative anchoring system and assess its performance. The purpose of the study was to evaluate the effectiveness of the different strengthening configurations in increasing the dissipated energy and the ductility. In addition to the quantitative aspects, it was made possible to propose design rules for the use of FRP in seismic rehabilitation, linked to current rules, especially Eurocode 8

Il est difficile de quantifier les dissipations d'énergie se produisant dans les ouvrages lors d'un séisme de manière réaliste, en particulier dans le cas de structures en béton armé. Ceci s'explique par la diversité des sources de dissipations. Classiquement, elles sont introduites dans la modélisation des structures sous la forme d'un amortissement global peu physique. Le problème qui se pose est de savoir comment prendre en compte l'amortissement de manière plus physique. Ces travaux visent à apporter des éléments de réponse à cette problématique. Pour cela, deux objectifs ont été poursuivis : le premier consiste à qualifier et quantifier expérimentalement les sources d'amortissement dues au béton, le second vise à développer une méthode de calcul, peu couteuse et permettant de modéliser le comportement global mais aussi l'amortissement de manière réaliste. Une campagne d'essais de flexion 3 points alternée a été réalisée afin de quantifier les mécanismes contribuant à l'amortissement. Cette campagne est effectuée sur des poutres saines mais également sur des poutres pré-endommagées. L'analyse des expériences a permis d’identifier différentes grandeurs physiques influençant l’amortissement. Cette campagne a été modélisée à l'aide de trois lois de comportements, une loi s'est révélée pertinente. La loi de comportement ainsi identifiée a permis de développer une modélisation simplifiée, en vue d'études probabilistes. Cette dernière est fondée sur une loi de comportement simple couplée à une actualisation de l'amortissement visqueux. Trois actualisations de l'amortissement ont été développées et confrontées à une campagne d'essais sismiques mono axiaux sur un poteau. / It is hard to determine the energy dissipation that occurs during an earthquake, especially where reinforced concrete structures are concerned. The reason for this is the many different causes of energy dissipation, these dissipations typically creep into the essential pattern of the structures as a uniform, slight damping, and which is heavily quantify. The challenge is therefore to ascertain how to carry out damping in a way that relies more on the laws of physics themselves. This study aims at bringing some clarifications to this problem. In order to achieve this, two objectives were targeted during the case study: the first consisted in experimentally qualifying and quantifying the sources of damping in concrete, the second aims at developing a method which model both the overall behaviour and the damping in a realistic way with low computational costs. Reverse 3-point bending tests were carried out to determine and quantify the mechanisms responsible for damping. The tests were carried out on sound beams, and also on pre-damaged beams. It was possible to relate the damping to the damage, the intensity of the load and the erosion of the crack surfaces. These tests were modeled using three physical constitutive laws, one proved to be relevant. The behaviour law thus identified allowed us to develop a simplified model to be used during probabilistic assessments. This model is based on a simple constitutive law, coupled with the updating of viscous damping. It is carried out according to the evolutions of the mechanical properties of the structure and the load. Three updates of the damping were developed and subjected to a serie of mono axial seismic tests on a column.

Cette thèse est dédiée au développement et à la validation d'un nouveau modèle d'endommagement anisotrope pour le béton dans le cadre d'applications dynamiques. Le modèle d'endommagement développé par Desmorat et al. (2007) reproduit l'anisotropie induite de l'endommagement du béton par l'intermédiaire d'une variable tensorielle d'ordre 2. Ce modèle est étendu à la dynamique par l'introduction d'un «effet retard» dans la loi d'évolution de l'endommagement afin de reproduire l'effet de la vitesse sur le comportement du matériau. Cette dépendance temporelle du comportement permet, dans une certaine gamme de vitesse de sollicitation, de régulariser la solution qui dépend pathologiquement du maillage pour les modèles (adoucissants) d'endommagement. L'influence de la vitesse de sollicitation sur la régularisation est étudiée, et les résultats sont comparés avec ceux obtenus par régularisation non-locale intégrale (avec et sans effet retard). L'état de sollicitation en dynamique est par nature fortement lié aux phénomènes de propagation et de reflexions d'ondes qui conduisent à des états de sollicitations alternées. La dissymétrie du comportement du béton impose que l'on y accorde une attention particulière. Le concept de désactivation des dommages (Souid 2008) est transposé à la dynamique et l'endommagement à effet retard. On établit l'expression de la dissipation intrinsèque due à l'endommagement ce qui permet d'estimer l'influence de l'effet retard sur l'énergie dissipée. Enfin, on prouve par la méthodes des perturbations, l'existence d'un nouveau type d'instabilité, inhérente à l'aspect induit de l'anisotropie. Une nouvelle écriture du modèle, qui ne modifie pas le comportement pour des sollicitations simples, est proposée, elle permet de stabiliser complètement le comportement. Des simulations numériques d'impacts et de souffle sur des structures 3D en béton armé montrent les capacités du modèles à mener ce type de calcul jusqu'à la ruine. La description continue de l'endommagement permet de représenter finement l'amorçage, la propagation, la coalescence, la bifurcation et l'embranchement de fissures. L'arrêt et le redémarrage d'une fissure est également représenté, et on peut estimer la vitesse de propagation des fissures, qui reste inférieure à la vitesse des ondes de Rayleigh dans le béton. Les résultats numériques des simulations d'impact sont comparés à ceux des essais sur tour de chute réalisés lors de cette thèse au Laboratoire d'Etudes de Dynamique du CEA Saclay. La nouveauté de ces essais est l'analyse par corrélation d'images des des films d'essais réalisés avec une caméra rapide (10000 images/secondes).

Les ouvrages de protection jouent un jeu de paramètres important lorsque la structure est soumise à un chargement du type dynamique rapide. Cette thèse s'intéresse au problème des impacts de missile rigides contre une dalle en béton armé. En se basant sur les résultats d'essais expérimentaux, nous avons proposé une loi de comportement élasto-plastique-endommageable où le durcissement du béton a été pris en compte. Cette dernière à été implantée dans un code élément discret, puis des essais en quasi statique ont été simulés permettant de calibrer le modèle numérique. Une fois le modèle calibré, des simulations d'essai d'impact de missile sur la structure en béton armé ont été effectuées. Les résultats sont comparables à ceux menés par CEA-EDF en termes de trajectoire du missile. Nous avons montré la nécessité de la loi de comportement complète lors de l'apparition de la compaction du béton sur une dalle épaisse. Enfin, l'étude paramétrique nous confirme que le modèle numérique porte une bonne prédictivité comparé à des lois de prédiction empiriques.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre de la recherche ECOLEADER des programmes européens d'accès aux grades installations ayant comme objectif l'amélioration de nos connaissances sur la vulnérabilité des structures à voiles porteurs sous chargement sismique. Une stratégie de modélisation simplifiée basée sur des éléments de poutre multifibre Euler - Bernoulli ou Timoshenko est présentée. Les lois utilisées pour le béton et l'acier sont basées sur la mécanique de l'endommagement et la plasticité respectivement. Malgré sa simplicité, le modèle permet de modéliser de façon satisfaisante le comportement global des structures en béton armé sous chargement dynamique. De plus, il est capable de reproduire qualitativement les tendances du schéma de fissuration et la position des zones d'endommagement. Les calculs non linéaires dynamiques sont les seuls capables d'évaluer les marges de variation de l'effort normal, d'étudier l'état des sections vis-à-vis de l'état ultime et de fournir ainsi les informations nécessaires dans la phase de conception. Outil disponible pour l'ingénierie, cette approche doit être considérée comme pouvant être utilisée en parallèle avec les méthodes classiques de dimensionnement et elle est en mesure de conforter les décisions des concepteurs.

Les travaux effectués dans le cadre de cette thèse portent sur une stratégie de modélisation simplifiée des structures en béton armé soumises à des chargements de type dynamique et s'inscrivent dans le programme Européen ICONS - TMR. La modélisation de la maquette CAMUS III du programme est premièrement effectuée en utilisant des éléments 2D poutres multicouches et des lois uniaxiales locales. Une nouvelle stratégie de modélisation simplifiée 2D pour des voiles soumis à des cisaillements dynamiques est ensuite présentée. Le concept du Béton Armé Equivalent (BAE) est fondé sur une équivalence milieu continu milieu discontinu en treillis. Des lois locales uniaxiales sont utilisées pour le béton et les armatures. Le BAE est validé avec les résultats expérimentaux des maquettes T5 et T12 du programme SAFE et la maquette du programme NUPEC. Les problèmes 3D sont finalement abordés avec le développement d'un élément fini poutre multifibre Timoshenko valable pour des sections quelconques (hétérogènes et sans symétrie). La solution adoptée est celle d'un élément fini à deux nœuds avec des fonctions de forme de degré supérieur pour les déplacements et les rotations. L'élément est présenté en détail ainsi que sa validation à partir des résultats expérimentaux (poteaux sous chargement cyclique, murs en U du programme ICONS).

Certains corps contenus dans les milieux naturels tels que l'atmosphère, peuvent pénétrer dans le béton qui est de nature poreuse. Parmi ces agents agressifs, le dioxyde de carbone de l'atmosphère et les chlorures présents dans les sels de deverglaçage sont les plus courants. Ces agents sont responsables de la corrosion des armatures qui est l'une des principales causes de détérioration des ouvrages en béton armé. Cette corrosion se développe au cours du temps et influe fortement sur la performance des ouvrages tout au long de leur vie. Le caractère aléatoire de la pénétration des agents agressifs et celui des propriétés des matériaux ou des structures introduit de plus un grand nombre d'incertitude. L'étude de l'évolution de la dégradation d'une structure demande donc une analyse qu'il faut développer sur des bases probabilistes. La Théorie de la fiabilité constitue un des outils les mieux adaptés, car elle permet de tenir compte des incertitudes inhérentes aux dimensions géométriques des éléments de structures, aux caractéristiques des matériaux, à celles de l'environnement et à celles des dégradations qui en résultent. L'objectif de cette thèse a ainsi consisté à développer une démarche probabiliste pour obtenir l'évolution de la perte de capacité portante des ponts-routes en béton armé exposés à des environnements agressifs divers. L'étude de cette évolution permet d'estimer les principales étapes ou phases qui caractérisent la performance de la structure (perte de durabilité au niveau du matériau, perte d'aptitude au service et perte de sécurité structurale). Cette étude vise aussi à donner aux gestionnaires d'ouvrages les moyens nécessaires pour estimer et prédire ces principales phases de performance à partir de résultats d'inspection visuelle et aux projeteurs des bureaux d'étude, les outils nécessaires pour obtenir une grille des coefficients partiels de sécurité plus adaptée au recalcul des ouvrages dégradés. L'étude a comporté cinq axes. Un premier axe a porté sur la modélisation de la performance de poutres en béton armé soumises à de la flexion simple, des phénomènes de pénétration des agents agressifs et des étapes de performance. Un deuxième axe a considéré l'incertitude sur les différentes variables: les études de sensibilité ont notamment montré l'influence des diverses variables sur l'évolution de l'indice de fiabilité. Un troisième axe a proposé des éléments quantitatifs capables de fournir aux gestionnaires d'ouvrages les outils nécessaires pour la prédiction des phases de performance d'un ouvrage sur la base de résultats d'inspection visuelle. Le quatrième axe a présenté une méthodologie de calibration des coefficients partiels de sécurité adaptée aux ouvrages en béton armé atteints par la corrosion. Enfin le cinquième axe est consacré à la requalification de la fiabilité par un calcul de probabilité conditionnelle en fonction de résultats d'inspections détaillées.

Les structures en béton armé exposées à des environnements agressifs subissent des dégradations qui affectent leur intégrité. La corrosion des armatures est l'un des mécanismes de dégradation les plus répandus et les coûteux en terme de maintenance et de réparation. Ce processus est dû à la pénétration des agents agressifs dans le béton, notamment les ions chlorures et le gaz carbonique. Les chlorures induisent une corrosion localisée ou par piqûre, alors que le gaz carbonique engendre une corrosion généralisée ou uniforme. Le déclenchement et la propagation de la corrosion dépendent de plusieurs facteurs liés aux matériaux, aux chargements, à la géométrie et à l'environnement. Ces facteurs présentent de grandes incertitudes qui doivent être prise en comptes à travers une approche probabiliste. Dans ce travail de recherche, nous nous intéressons au mécanisme de corrosion en général. Un intérêt particulier est porté à la prise en compte de l'impact des facteurs climatiques sur ce processus, notamment dans le contexte libanais. Ainsi, nous proposons une modélisation physique de la corrosion des aciers dans les poutres en béton armé qui se déroule en deux phases : - une phase d'initiation durant laquelle les agents agressifs (chlorures et gaz carbonique) pénètrent dans le béton et atteignent des concentrations critiques provoquant la dépassivation de l'acier ; - une phase de propagation durant laquelle il y a corrosion active des aciers et diminution de la résistance de la poutre jusqu'à la défaillance. Les facteurs présentant des incertitudes sont traités comme des variables aléatoires. Pour les modéliser, nous avons étudié, pour les différentes variables aléatoires, de nombreux modèles probabilistes proposés dans la littérature. Nous avons vérifié leur compatibilité vis-à-vis de notre problématique et la possibilité d'assurer les données nécessaires à leur bonne utilisation (notamment la cohérence entre les hypothèses). Ensuite, nous avons retenu les modèles probabilistes les plus adaptés à notre cas. Par ailleurs, l'application des principes fiabilistes nous permet d'évaluer la fiabilité des poutres sujettes à la corrosion vis-à-vis des deux états-limites (ELU et ELS). En effet, la perte de la section d'acier due à la corrosion induit d'une part, une diminution de la capacité portante de la poutre, et d'autre part une augmentation de la contrainte au niveau du béton tendu (provoquant un accroissement des ouvertures des fissures). Ainsi, pour l'état limite de service, la marge de sûreté s'annule lorsque l'ouverture des fissures dépasse la valeur limite préconisée par l'Eurocode 2. Quant à l'état limite ultime, la fonction d'état limite est la résistance en flexion : la défaillance a lieu lorsque le moment résistant équivaut au moment sollicitant. Le calcul fiabiliste est effectué au moyen de simulations de Monte-Carlo. Finalement, nous avons réalisé plusieurs applications aux modèles de corrosions proposées dans ce travail. La première application porte sur l'analyse des sensibilités des modèles de corrosion aux différents paramètres. L'effet des moyennes des paramètres aléatoires ainsi que leurs variabilités sur la réponse du modèle est examiné. Une attention particulière est accordée à l'impact des facteurs climatiques. Ainsi une application du modèle de corrosion induite par les chlorures avec des données réelles de température et d'humidité relatives à trois villes côtières ayant des caractéristiques climatiques différentes est présentée. Ensuite une étude comparative de l'effet du choix des diamètres des armatures et des épaisseurs des enrobages sur la fiabilité à l'état limite ultime et à l'état limite de service est effectuée. Les résultats obtenus ont permis de mettre en évidence l'aspect agressif des facteurs climatiques : un climat chaud et humide est très agressif vis-à-vis de la corrosion induite par les chlorures alors qu'un climat à humidité relative variable favorise la corrosion par carbonatation. Ainsi, la chaleur et l'humidité relative se révèlent être des facteurs qui agressent la structure dans un environnement corrosif avec un effet déterminant de l'humidité relative sur la phase d'initiation et un impact important de la température sur la phase de propagation. Cette constatation nous a poussé à recommander, entre autres, l'intégration des facteurs climatiques dans les codes de conception comme sources d'agression dans la définition des classes d'exposition des ouvrages. Les résultats obtenus ont montré aussi l'effet contradictoire du diamètre des armatures et de l'épaisseur de l'enrobage sur la fiabilité des poutres vis-à-vis de l'ELS et de l'ELU. Cette combinaison diamètre des armatures/épaisseur de l'enrobage doit être optimisée en sorte d'assurer les recommandations de l'Eurocode 2 à l'ELS et à l'ELU. L'évaluation de l'effet du climat libanais sur la corrosion des aciers dans le béton est réalisée. Les applications sont effectuées avec des données climatiques réelles de trois villes du Liban permettant de représenter les différents aspects du climat libanais. Les résultats ont montré : - l'agressivité du climat de la zone côtière libanaise vis-à-vis de la corrosion induite par les chlorures ; - l'agressivité du climat de la zone interne du Liban vis-à-vis de la corrosion par carbonatation.