Le comportement des structures en béton armé (BA) et en béton précontraint (BP) exposées au feu est une thématique de recherche importante en génie civil. Actuellement, le comportement de l'interface béton-acier à haute température et la simulation thermomécanique non linéaire des structures en béton sont des verrous à lever. Ces deux questions font l'objet de cette thèse. Après avoir fait un état de l'art sur le comportement à froid de l'interface béton-acier, un modèle à haute température est proposé ainsi que son intégration numérique dans le code de calcul ANSYS. Puis, les performances de plusieurs modèles non linéaires du béton ont été analysées. Finalement, des méthodologies de modélisation du transfert thermique et du comportement mécanique des structures exposées au feu ont été proposées et validées à travers des simulations d'essais

La prise en compte du développement des couches de corrosion d'armature dans les calculs de durée de vie d'ouvrage en béton armé nécessite une bonne connaissance des propriétés mécaniques de ces produits. Ce travail est consacré à la caractérisation des propriétés mécaniques de ces couches de produits de corrosion. L'approche adoptée consiste en une identification des propriétés de la microstructure complétée par des calculs d'homogénéisation en élasticité linéaire afin de calculer un comportement mésoscopique des couches de produits de corrosion. L'étude comprend une série de campagnes expérimentales à l'échelle de la microstructure. Des essais de microindentation Vickers analysés par une approche de modèle de mélanges gaussien ont permis l'acquisition de duretés et modules d'élasticité locaux. Une analyse des principaux composants est réalisée par microspectrométrie Raman. L'étude à l'échelle microscopique fournit les informations morphologiques et mécaniques nécessaires aux calculs d'homogénéisation en élasticité linéaire. La première approche a consisté en des calculs d'homogénéisation des milieux aléatoires par des schémas autocohérent et autocohérent généralisé. Dans une deuxième approche, et d'après les hétérogénéités importantes observées pour la microstructure qui ne présente pas de motif régulier, des calculs de modules effectifs ont été réalisés en employant la méthode des éléments finis sur des images 2D prises au microscope optique. Le corpus étant composé d'échantillons de provenances et d'âges divers, leurs microstructures ont été comparées

Lors de l'étude du béton armé, la liaison acier béton est un élément "clé" dans le comportement du composite car celle-ci permet le transfert des efforts entre les armatures et le béton. La compréhension du phénomène, ainsi que sa prise en compte dans l'analyse numérique des structures en " béton armé ", ont été le principal objet de ce travail de recherche. Ainsi, on a formulé un modèle de comportement non linéaire thermodynamique de la liaison, écrit en termes de contrainte-déformation, supporté par un élément spécial d'interface 2D d'épaisseur nulle. Ensuite, on a effectué une identification des paramètres ainsi que quelques exemples d'analyse. Finalement, on a montré les bases d'un Elément Fini Enrichi pour le béton armé englobant les trois composants : béton - liaison - acier.

The advantages of fiber-reinforced polymer (FRP) composite material have attracted structural and architectural engineers as alternative construction materials of the traditional wood, steel and concrete. Concrete-filled FRP tubes (CFFTs) system is one of the most promising applications of the FRP composit material. This innovative integrated system can protect RC structures from aggressive environmental conditions; sequentially expand the service life of structures. Nevertheless, limited knowledge is available on the CFFT system at extreme service environments. Data related to durability of the CFFT as integrated system comparing with conventional ones is one of the major challenges that need to be addressed. These data are moer required prior to the widespread acceptance and implementation of FRP materials in civil infrastructure. Farther, comprehensive databases in this specific are critical to provide designers and practicing engineers with the knowledge to select the best solution toward achieving a sustainable built environment. This thesis focuses on evaluating the short and long term effect of freze-thaw cycles on the mechanical behavior of the filament wound glass-FRP (GFRP) tubes. In addition, the thesis evaluating the axial performances of reinforced and unreinforced CFFT columns through experimental and theoretical study. To fulfill the objectives of this research, an experimental program has been designed to examine three main parts. (I) Mechanical properties of the GFRP tubes; (II) The axial behavior of CFFT cylinders; (III) The axial behavior of CFFT reinforced and unreinforced columns. The effect of five parameters and their interactions were investigated; namely, the effect of different freze-thaw cycles (in dry air, frsh and/or salt water), number of cycles (100 and/or 300 cycles), two different thicknesses (2.65 mm and 6.4 mm) of the GFRP tube. The influence of using different types of internal longitudinal reinforcement (steel, GFRP, and carbon FRP bars) and the type of transverse reinforcements (spiral steel or FRP tubes) are included in the test variables. Based on the finding of experimental investigation regarding mechanical properties of the GFRP tubes (part I), neither the type nor the number of freze--thaw cycles affect the strength of GFRP tube used in this study. However, increasing in the stiffness, reductions in the strains and transition in failure mechanisms are identified after 300 freze-thaw cycles. The experimental results of axial compression tests on CFFT cylinders (part II) indicated low influence of the freze-thaw cycles on the average ultimate strength of CFFT tube with the large thickness. While, significant and sever degradation was reflected on the behavior of CFFT cylinders with the small thickness after 300 freze-thaw cycles. Based on the experimental test results of (part II) environmental reduction factors were proposed to consider the effect freze/thaw cycles on the strength capacity of CFFT cylinders. Also, the regression analysis was used to predict the service life environmental reduction Factors to design CFFT member for up to 75 years. In addition, an assessment of selected FRP-confined models has been presented to predict the ultimate strength of CFFT cylinders based on the test results of (part I). Finally, comparisons between the experimental results and those predicted by the selected models were presented. The experimental investigation on the performance of reinforced CFFT columns (part III) indicated that the freze-thaw exposure brings about individual degradation, in different levels, in the component of the CFFT (GFRP tube, concrete and reinforcement) as integrated systems. This degradation resulted in reduction in the axial carrying capacities of the conditioned columns. Nevertheless, an increase in compressive strength of the CFFT columns was evident over the RC conventional columns. Based on the test results of this (part III), environmental reduction factors were proposed to account for the effect of freze/thaw cycles on the axial load capacity of reinforced and unreinforced CFFT columns. The data obtained from the test results of (part I), predicted confined compressive strength optained from (part II) and the proposed environmental reduction factors from (part III) were used in the ACI440-2R-08 and CAN/CSA S806-08 design equations to predict the nominal capacity of CFFT columns in sever environmental condition.

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

La corrosion de l’acier par carbonatation du béton est un phénomène de dégradation majeur des structures en béton armé, qui débute par la dépassivation de l'acier due à l'abaissement du pH de la solution interstitielle, se concrétise par une initiation effective avant de se propager. Nous nous sommes focalisé sur la dépassivation et l'initiation effective. Une large campagne expérimentale a permis de comprendre l'incidence des conditions d'exposition, de la nature des ciments utilisés dans les bétons et des conditions de carbonatation de l'enrobage, sur la dépassivation des armatures et le démarrage effectif de la corrosion. Au total 27 configurations ont été étudiées. Le potentiel libre de corrosion et la résistance de polarisation ont été mesurés au cours de l'expérimentation sur une durée voisine d'une année. Parallèlement, à échéances régulières, les coefficients de Tafel et la masse de produits de corrosion ont été également mesurés. L'ensemble des données a été analysé pour conduire, à partir du calcul des probabilités de bonne ou de mauvaise alarme, aux seuils de détection du démarrage effectif de la corrosion associés aux paramètres électrochimiques ainsi que la masse seuil de produits de corrosion correspondant à cette détection. Alimentée par les résultats des essais de caractérisation des bétons, une simulation numérique par éléments finis du démarrage de la corrosion a été développée permettant de corroborer de façon satisfaisant les résultats expérimentaux / The steel corrosion induced by carbonation is a major cause of degradation of the reinforced concrete structures. Two stages arise: the steel depassivation due to the decrease of pH of the pore solution and the effective initiation, and then the propagation. A wide experimental study was carried out focusing on the first stage, in order to emphasize the effect of the exposure conditions, the type of cement and the concrete mixes, and the carbonation conditions of the concrete cover. In all a set of 27 configurations was investigated. The free potential of corrosion and the resistance of polarization were measured in the course of the experiment during one year. Regularly the Tafel coefficients along with the mass of corrosion products were also measured. The set of data was analyzed in order to derive the detection thresholds of the effective onset of corrosion associated with the electrochemical parameters, from the calculation of the probabilities of good or bad alarm. The threshold of the mass of corrosion products corresponding to this detection was also derived. The tests on concrete probes (porosity, permeability, etc.) supplied data that were used to calibrate a finite element model of the onset of corrosion: this model was found in fairly good agreement with the experimental results

La corrosion de l'acier par carbonatation du béton est un phénomène de dégradation majeur des structures en béton armé, qui débute par la dépassivation de l'acier due à l'abaissement du pH de la solution interstitielle. Un modèle est été développé pour estimer la profondeur de carbonatation du béton. Le modèle proposé est un approfondissement de modélisations antérieures, notamment afin de prendre en considération dans les simulations l'effet de la température, tant par l’équation de transfert que par des termes de thermo-activation venant modifier les grandeurs de diffusion de dioxyde de carbone et des ions calcium en phase liquide, la solubilité des hydrates, la viscosité de l’eau, ainsi que l’isotherme hydrique. L’objectif étant d’inscrire la modélisation dans un cadre probabiliste, et donc coûteux en terme de calculs, il a fallu réduire la dimension stochastique du problème. Une méthodologie de choix des paramètres intervenant dans le modèle, basée sur une étude de sensibilité, a été proposée. Un modèle de substitution a été construit, à partir du modèle initial, pour déterminer les grandeurs intervenant dans les expressions des états-limites de dépassivation et d’initiation de la corrosion, s’appuyant sur des développements en chaos polynomiaux.Avec une définition de la probabilité d’amorçage de la corrosion et des modèles de substitution pour la profondeur carbonatée et pour l’amplitude de la variation annuelle du taux de saturation au voisinage des armatures, l’analyse fiabiliste proprement dite a été menée, notamment par rapport à l’incidence des conditions climatiques sur la fiabilité des ouvrages en béton vis-à-vis de la durabilité. / Corrosion of the steel by concrete carbonation phenomenon is a major degradation of reinforced concrete structures, which starts with the depassivation of the steel due to the lowering of the pH of the pore solution.A model was developed to estimate the depth of carbonation of concrete. The proposed model is a deepening of previous models, particularly to be considered in the simulations the effect of temperature, both by the transfer equation in terms of thermo-activation that modify dioxide diffusion of sizes carbon and calcium ions in the liquid phase, the solubility of hydrates, the viscosity of water and the water isotherm.The aim is to include in a probabilistic modeling framework, and therefore costly in terms of calculations, it was necessary to reduce the stochastic dimension of the problem. A methodology for the selection of parameters involved in the model, based on a sensitivity analysis, was proposed. An alternative model was built, from the original model, to determine the quantities involved in the expressions of borderline depassivation and corrosion initiation, based on developments in polynomial chaos.With a definition of the boot likelihood of corrosion and substitution patterns for carbonated depth and the amplitude of the annual variation in the degree of saturation in the vicinity of frames, reliability engineer the actual analysis was conducted, including compared to the impact of weather on the reliability of the fabricated vis-à-vis sustainability concrete.

Le béton armé est sans conteste le matériau le plus utilisé dans la construction, et permet de réaliser la plupart des infrastructures dans tous les pays du monde. Cependant, sa durabilité peut être compromise de façon prématurée par la corrosion des aciers, qui est la pathologie considérée comme la plus dangereuse vis-à-vis du maintien de l'intégrité des ouvrages de Génie Civil. Afin d'obtenir une meilleure résistance face au risque de corrosion, l'acier conventionnel (AC) peut être soumis à divers traitements, dont les plus connus sont le recouvrement superficiel par d'autres matériaux métalliques à base de zinc (AG), ou par des revêtements doubles métal-polymères (AD). Cependant, il existe aussi des barres d'acier thermiquement traitées (ATT) qui ne sont actuellement quasiment pas utilisées en tant qu'armatures. De ce fait, leur comportement face aux mécanismes de détérioration comme la corrosion en milieu cimentaire causée par les chlorures ou la carbonatation est encore très peu connu. Dans ce travail, le comportement des différentes barres d'acier mentionnées ci-dessus a été étudié. Des éprouvettes prismatiques de béton, incluant ces types d'armatures, ont été fabriquées avec deux rapports E/C : 0,45 et 0,65. Avant leur utilisation, les barres ont été caractérisées mécaniquement et métallographiquement. Ensuite, les éprouvettes ont été placées dans différentes conditions d'exposition : un environnement urbain/industriel ou côtier, et un environnement contrôlé en laboratoire. Des mesures du potentiel de corrosion, de résistance de polarisation linéaire, et de spectroscopie d'impédance électrochimique ont été mises en œuvre durant la période d'exposition. Pour chaque série, la teneur critique en chlorures a été déterminée, et la progression de la profondeur de carbonatation a été suivie. En outre, en induisant un couple galvanique par effet de la carbonatation, des mesures originales du comportement électrochimique de ces barres ont été effectuées puis une analyse, en s'appuyant sur une modélisation en éléments finis, en a été faite. Dans l'environnement contrôlé en laboratoire, l'ordre de dépassivation des différentes barres exposées a été observé de façon similaire pour les deux rapports E/C, à savoir : ATT, AC, AG et enfin AD. Une teneur critique en chlorures plus élevée a été obtenue pour les barres AG et AD. Cependant, lors de l'inspection visuelle, les dommages causés sur les armatures AG étaient plus élevés que sur les autres types de barres. Enfin, durant l'étape de propagation, la densité de courant de corrosion des barres ATT et des barres AG s'est révélée inférieure. / Corrosion of reinforcing bars in concrete is considered as the most important problem that affects the integrity of the civil structures. In order to obtain a better resistance to corrosion, various superficial processes as coatings with zinc (AG) or such as the dual covering metallic-polymeric (AD) are applicate to ordinary steel bars (AC). On the other hand, steel bars with thermal treatments (ATT), principally developed as an alternative to improve the mechanical properties without the use of ferroalloys, are not used in concrete. The behavior of these kinds of bars in front of mechanisms of deterioration as the corrosion induced by chlorides or carbonation has not yet been studied. In this work, all these various steel bars (AG, AD, AC and ATT) were embedded in prismatic specimens of concrete made with two ratio water/cement: 0.45 and 0.65. Previously, steels bars were characterized by mechanical tests and metallographic identifications. Then, specimens were placed in several sites of exposition: urban/industrial environment, or coastal environment, or controlled atmosphere in laboratory. During these expositions, measurements of corrosion potential, linear polarization resistance, and electrochemical impedance spectroscopy were regularly carried out. For each type of steel bar, chloride threshold level and progress of the carbonation depth were determined. Furthermore, by means of the induction of a galvanic couple during design of new samples, the electrochemical behavior of the steels bars AC, ATT and AG was followed up experimentally and then analyzed with finite element model. It was founded that the different steels bars exposed in controlled atmosphere of laboratory followed a same sequence in depassivation for both ratios water/cement: ATT, AC, AG and AD. The chloride thresholds were higher for steels bars AG and AD. However, visual inspection showed that the morphology of damages caused on AG bars was most important compared with the other steel bars. In the propagation phase, the corrosion current density of the ATT bars was lower, even to that obtained by the AG bars.

Les travaux effectués dans cette thèse portent sur l'étude du comportement des éléments en béton armé avec de l'acier inoxydable. Le comportement d'une barre d'acier seule n'est pas le même que celui d'une barre enrobée de béton. L'adhérence permet au béton situé entre les fissures de résister à des efforts de traction, réduisant ainsi le niveau moyen d'effort dans l'acier. La considération de cet effet a nécessité la mise en place d'une méthodologie expérimentale et numérique afin de déterminer les paramètres de transfert d'une partie des efforts de traction de l'acier vers le béton. Une nouvelle loi de comportement spécifique pour les barres en acier inoxydable a été développée. Cette loi est intégrée dans une approche de modélisation non linéaire du comportement d'éléments en béton armé selon une discrétisation par couches horizontales pour l'analyse en section et une discrétisation verticale pour l'analyse globale. Cette approche permet de déterminer les paramètres du modèle de raidissement en traction du béton. Ces paramètres sont identifiés grâce à la méthode inverse par comparaison entre les résultats expérimentaux et ceux issus du calcul numérique. La comparaison entre les résultats expérimentaux et la prédiction du modèle implémenté dans Abaqus démontre une très bonne concordance. Enfin, l'effet de l'acier inox sur les réponses structurales sous actions sismiques est présenté. Trois modèles sont conçus et analysés vis-à-vis de la capacité sismique en tenant compte de la ductilité structurale apportée par les armatures inox / This thesis focus on studying the behavior of composite concrete reinforced with inoxydable steel. The behavior of a bare steel bar is not the same as that of a bar embedded in concrete. The grip allows the concrete between cracks to resist tensile forces, thereby reducing the average level of stress in the reinforcement steel bars. The consideration of this effect required an experimental and numerical methodology to determine the parameters that describe the transfer of part of the tensile stress in steel bars to concrete. A new constitutive law has been specifically developed for the inoxydable steel bars. This law is integrated into a nonlinear modeling approach of reinforced concrete elements based on discretization in horizontal layers for the analysis section and a vertical discretization for the overall analysis. This approach is able to determine the tension stiffening parameters of the concrete. These parameters are identified using an inverse method by comparing experimental results and those from the numerical calculation. The comparison between experimental results and the prediction of the model implemented in Abaqus shows a very good correlation. Finally, the effect of inoxydable steel on structural responses under seismic actions is presented. Three models are designed and analyzed based on the seismic capacity taking into account the structural ductility of the inoxydable steel

La corrosion de l'acier dans le béton est un phénomène de dégradation majeur des structures en béton armé, qui débute par la dépassivation de l'acier due à l'abaissement du pH de la solution interstitielle et se concrétise par l'initiation de la corrosion par piqûres. Pour y remédier des inhibiteurs de corrosion peuvent être ajoutés dans la formulation du béton. Lors de ce travail, l'influence de la composition chimique de la solution interstitielle de bétons jeunes (quelques minutes après gâchage du ciment) sur la qualité du film d'oxydes formé sur la surface d'un acier doux C15 généralement employé comme armature métallique dans les bétons de constructions a été évaluée. Pour ce faire, des mesures électrochimiques (suivi du potentiel libre de corrosion Ecorr en fonction du temps d'immersion, courbes de polarisation et spectroscopie d'impédance électrochimique) ont été combinées à des analyses de surface (XPS) ainsi que des analyses de réflectométrie, à différents potentiels anodiques et cathodiques. Dans un premier temps, les résultats obtenus dans les différentes solutions interstitielles synthétiques (CEM I, II et III ; E/C = 0,45), ont été comparés à ceux obtenus dans une solution de référence NaOH 0,1 M, à pH = 13, simulant l'environnement basique des armatures métalliques. Dans un second temps, les mesures électrochimiques ainsi que les analyses de surface par XPS ont été réalisées en présence de 10% en volume de bioadjuvant. Lors de ce travail un nouveau mélange organique produit par la bactérie Pseudomonas a été testé. L'effet de l'ajout de ce dernier en solution comportant des chlorures a été évalué afin d'étudier son efficacité en conditions de corrosion localisée / Reinforcing steel in concrete is usually passivated due to the formation of a protective oxide layer that remains stable in the high alkaline surrounding pore solution. However, carbonation and contamination with chlorides induce passive film breakdown and pitting corrosion initiation. Thus, corrosion inhibitors can be added to fresh concrete as admixtures. In this work, we used a new eco-friendly bio-admixture (BA), produced by a Gram-negative bacteria (Pseudomonas). BA was added at concentration of 10 v/v % to various simulated electrolytes representative of concrete pore solutions (CPS) extracted from different concrete mixtures (CEM I, CEM II and CEM III; w/c = 0.45). The objectives of this work were to study the influence of (1) the chemical composition of CPS and (2) the bio-admixture on the electrochemical behaviour and the surface chemical composition of C15 carbon steel, used for reinforcement of building concrete. For that purpose, electrochemical measurements (corrosion potential Ecorr as a function of time, polarization curves, electrochemical impedance spectroscopy) were performed first in 0.1 M NaOH reference solution to understand the electrochemical behaviour of C15 mild steel by and then compared to those obtained in simulated CPS without or with BA. The pH of the synthetic CPS was adjusted to 13. The electrochemical results were combined to surface analysis by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and surface reflectivity. Experiments were also carried out in chlorides solution in order to study the effect of BA in localized corrosion conditions.