La réduction de la vulnérabilité sismique des structures existantes est un enjeu majeur. Le renforcement d'éléments par Tissus de Fibres de Carbone (TFC) offre une réponse intéressante à cette problématique. Ces travaux proposent une stratégie simplifiée de modélisation non linéaire permettant de prédire le comportement d'une structure en béton armé renforcée par TFC. Celle-ci est fondée sur l'utilisation d'éléments finis poutres multifibres ainsi que de modèles d'endommagement et de plasticité. Le confortement d'éléments en flexion et le confinement des poteaux sont étudiés. Plus spécifiquement une loi constitutive cyclique pour béton confiné est proposée. Cette loi est fondée sur deux modèles, le premier basé sur la théorie de l'endommagement et le second sur une série d'études expérimentales. Cette approche est validée à travers deux cas d'études : une pile de pont renforcée et une analyse de vulnérabilité d'un ouvrage sous sollicitations statiques (poussée progressive) et dynamiques.

Le besoin de prédire le comportement mécanique des structures industrielles en béton armé et d’évaluer leur niveau d’endommagement en conditions extrêmes sous l’action de chargements dynamiques violents nécessite de faire appel à la simulation numérique utilisant des modèles de matériaux fiables et robustes. Dans cette thèse, le modèle d’endommagement anisotrope induit utilisant une variable tensorielle d’ordre 2 est étendu aux cas de chargements peu confinés à l’aide d’un nouveau critère modulaire formulé en contraintes. Grâce au mécanisme de visco-endommagement, le modèle traite toute la gamme de vitesses de sollicitation envisagée pour des structures en béton armé. Le comportement cyclique avec refermeture des fissures est pris en compte et l’endommagement peut atteindre 1 exactement dans une ou plusieurs directions grâce à une nouvelle gestion de la rupture. Le calcul d’un tirant a montré que cette procédure est indispensable pour plastifier l’acier et éviter un endommagement généralisé du béton. Lors du volet expérimental de la thèse, des essais de caractérisation du béton et des essais d’arrachement ont été réalisés en coopération avec le Département Génie Civil de l’ENS Cachan, suivis des essais d’impact sur poutres sur la tour de chute Orion au laboratoire DYN du CEA à Saclay. Avec une prise en compte pragmatique de l'interface acier-béton, la comparaison des calculs et des essais a montré qu'il était nécessaire de disposer d’un modèle de liaison acier-béton pour éviter un endommagement trop important du béton au voisinage des armatures, de réduire les temps de calcul, d’améliorer la méthode de régularisation et de prendre en compte les déformations permanentes. / The need to predict the mechanical behavior of reinforced concrete industrial structures and assess their level of damage in extreme conditions under the action of dynamic loads requires the use of numerical simulations and develop reliable and robust material models. In this thesis, the model of induced anisotropic damage using a tensor variable of order 2 is extended to the case of low-level confined loads using a new modular criterion written with stresses. Through the mechanism of visco-damage, the model treats the entire solicitation rate range considered for reinforced concrete structures. The cyclic behavior with reclosing of cracks is taken into account and the damage can reach 1 exactly in one or more directions due to a new rupture management. The calculation of a tie-beam showed that this procedure is necessary to plasticize steel and prevent widespread damage concrete. During the experimental part of the thesis, characterization tests for concrete and pullout tests were conducted in cooperation with the Civil Engineering Department at ENS Cachan, followed by impact tests on beams on the Orion drop tower of DYN CEA Saclay laboratory. With a pragmatic consideration of steel-concrete interface, the comparison of calculations and tests showed that it was necessary to have a model of steel-concrete connection to avoid excessive concrete damage in the vicinity of reinforcements, as well as to reduce computing time, improve the regularization method, and take into account permanent deformations.

Le renforcement en flexion des poutres de béton armé par collage externe de matériaux composites s’est révélé être une technique efficace et pratique. Cette thèse présente une étude sur la performance à la flexion des poutres continues en béton armé avec trois travées réparées ou renforcées par collage de tissus en fibres de carbone (CFRP) ou en fibres de verre (GFRP). Le programme expérimental se compose de deux groupes. Le groupe-1 est composé de huit poutres et le groupe-2 est composé de huit poutres. Dans chaque groupe, il y a une poutre de référence, poutre non renforcée. Toutes les poutres ont la même longueur de 9m et la même section de 15x25 (cm). Les essais expérimentaux avec le chargement monotone ont été effectués à l’aide d’une presse de 1000 kN. Les paramètres étudiés sont : effet du renforcement par CFRP et GFRP, épaisseur optimale du renforcement, efficacité de la réparation des poutres endommagées par CFRP et GFRP, comportement mécanique, les modes de rupture des poutres continues en béton armé renforcées. Les essais experimentaux et des calculs par la simulation numérique ont été effectués. Cinq modes de rupture des poutres ont été observés. La résistance maximale d’une poutre peut être améliorée entre 14,8 et 33,0% dans le cas des poutres renforcées par collage de CFRP et entre 7,2 et 11,8% par collage de GFRP. Il existe d’une épaisseur optimale du renforcement dans les trois portées de la poutre. La poutre complètement endommagée peut être réparée à 100%. Le moment de flexion maximal de la poutre endommagée et réparée devient supérieur à celui de la poutre de référence. Une étude numérique, à l'aide de la méthode des éléments finis en utilisant le logiciel ABAQUS, sur les poutres continues en béton armé renforcées ont été également réalisée. / The flexural strengthening of RC beams by external bonding of composite materials has proved to be an efficient and practical technique. This thesis presents a study on the flexural performance of reinforced concrete continuous beams with three spans repaired or strengthened by bonding carbon fiber reinforced polymer (CFRP) or glass fiber reinforced polymer (GFRP). The experimental program consists of two groups. Group-1 consists of eight beams and group-2 consists of eight beams. In each group, there is a reference beam, unreinforced beam. All beams have the same length of 9m and the same section of 15x25 (cm). The experimental tests with the monotonic loading were carried out using a 1000 kN press. The parameters studied are effect of reinforcement by CFRP and GFRP, the optimum thickness of the strengthening, repair efficiency of the beams damaged by CFRP and GFRP, mechanical behavior, the rupture modes of strengthened reinforced concrete beams. Experimental tests and calculations by numerical simulation were carried out. Five modes of the breaking of the beams were observed. The maximum strength of a beam can be improved by 14.8 and 33.0% for beams reinforced by CFRP bonding and between 7.2 and 11.8% by bonding GFRP. There is an optimum thickness of the reinforcement in the three spans of the beam. The fully damaged beam can be repaired at 100%. The maximum bending moment of the damaged and repaired beam becomes greater than that of the reference beam. A numerical study, using the finite element method with the help of ABAQUS software, on strengthening the continuous concrete beams, was also carried out.

L'introduction de granulats de béton recyclé (i.e. granulats produits à partir des gravats issus de la démolition d'ouvrages en béton obsolètes) dans les formulations de béton impacte de manière significative le comportement structurel des éléments en béton armé. Ce travail est consacré à l'étude de l'influence des granulats de béton recyclé sur l'adhérence armature-béton. Dans un premier temps, un modèle analytique de l'adhérence armature-béton est développé. L'originalité du modèle proposé réside dans le nombre limité de paramètres physiques sur lesquels il est fondé. Ces paramètres physiques sont ensuite déterminés expérimentalement via la réalisation d'une campagne d'essais d'arrachement. Trois types de bétons, dont deux bétons de granulats de béton recyclé, sont étudiés. Le suivi de l'arrachement de l'armature est complété par des mesures acoustiques permettant d'obtenir des informations provenant du coeur de l'échantillon, où l'armature se trouve. / The use of recycled concrete aggregate (i.e. aggregate produced from concrete demolition rubble) has a significant impact on the mechanical behavior of reinforced concrete members. This work focuses on the influence of recycled concrete aggregate on rebar-concrete bond. First, an analytical madel of the rebar-concrete bond is developed. The original feature of this modellies in the limited number of non-free physically-based parameters on which it is based. These parameters are then experimentally determined through a pull out test campaign. Three types of concrete, including two recycled aggregate concretes, are studied. Pull-out test monitoring is completed by acoustic measurements in order to obtain data from inside the concrete bulk, where the reinforcing bar is located.

Les applications des mesures dynamiques sur les bâtiments existants sont nombreuses : vérification de la vulnérabilité sismique des structures qui ont été construites avant l’apparition des règles parasismiques ; auscultation de la capacité des structures en situation post-sismique ou après des modifications au voisinage (creusement d’un tunnel à côté ou démolition des immeubles voisins par exemple). A l’heure actuelle, ce type de mesure permet le diagnostic d’une structure à l’échelle globale (toute la structure) alors que l’identification et la localisation des endommagements à l’échelle locale (chaque élément de la structure) restent encore à approfondir. Dans le cadre de cette thèse, le diagnostic à l’échelle locale des structures sera étudié. Cette thèse s’insère dans un contexte national de réévaluation des structures existantes du fait du nombre important de bâtiments à réhabiliter. Au sein du LOCIE, nous pensons que le comportement global des bâtiments est certes influencé par l’interaction sol-structure mais au moins autant par la qualité des connexions des éléments de structures entre eux. Il existe un besoin de qualification de ces connexions dont la variabilité du comportement peut provenir aussi bien de défauts de mise en œuvre (positionnement des armatures,…) que du vieillissement des structures. L’objectif principal de cette thèse est de proposer une méthode pouvant caractériser les liaisons entre les éléments de structure afin de pouvoir caler un modèle numérique. Ces caractérisations devaient être possibles à partir de mesures de sollicitations dynamiques. Une première étape de ce travail consistera à caractériser sur une partie de structure une liaison. Cela sera fait sur un portique en béton armé. Par la suite, cette méthode sera adaptée à une caractérisation au sein d’une structure de bâtiment. Pour cela nous ferons appel à la notion de sous-modèle. Un modèle numérique sera associé à cette méthode aussi bien sur la connexion simple que sur l’ensemble du bâtiment. Le travail de thèse s’appuiera sur l’utilisation et le développement de techniques concernant le traitement des données dynamiques ; la réduction de modèles ; l’expérimentation en laboratoire (échelle locale et échelle d’un élément de structure) et la modélisation numérique par éléments finis à plusieurs échelles / There are many of the examples of dynamics measurements applications in the existing building: verification of structural seismic vulnerability, which was constructed before the earthquake building code; auscultation of structural capacity in post-earthquake situation or after modification in surround environment (Excavation of tunnel or demolition the neighbour buildings for example). Currently, this measurement type enables the diagnosis a structure in global scale (a whole structure) while identification and localization of damage in local scale (each elements of the structure) remains to be explored. In this dissertation, diagnosis in locale scale will be studied. This study is significant for its contribution to the national reassessment of existing structures where there is the large number of buildings to be rehabilitated

Cette thèse de doctorat est réalisée en partenariat avec EDF et s’inscrit dans le cadre de la gestion du parc de tours aéroréfrigérantes des centrales nucléaires. Certaines tours présentent des fissures qui peuvent favoriser la carbonatation du béton d’enrobage et ainsi accélérer l’initiation de la corrosion des armatures. L’objectif de ce travail est de caractériser l’impact de ces fissures sur l’initiation et la propagation de la corrosion des armatures. Un programme expérimental dédié est détaillé. Dans un premier temps, un protocole de fissuration permettant de reproduire les fissures observées sur les tours est défini. Une attention particulière a été portée à la limitation de l’endommagement de l’interface acier/béton. Les éprouvettes fissurées sont ensuite carbonatées (de manière accélérée) dans le double but de mesurer la longueur de la zone d’interface altérée et de dépassiver l’armature en fond de fissure pour permettre l’initiation de la corrosion. La corrosion est contrôlée en laboratoire par l’intermédiaire de cycles de pluie/séchage et l’état de corrosion est caractérisé par différentes techniques (desquamation, microscopie optique, spectroscopie Raman, suivi de potentiel de corrosion libre). Différentes configurations représentatives du service des tours aéroréfrigérantes sont testées (3 ouvertures de fissures, 2 orientations de fissures, température, HR, etc.). Les résultats obtenus permettent de montrer qu’après une période d’initiation, la vitesse moyenne de corrosion décroit rapidement et que l’acier tend à se repassiver. Cette repassivation est liée à la formation d’une couche d’oxydes en fond de fissure qui limite l’accès de l’oxygène et de l’eau à l’armature. / This thesis is performed in partnership with EDF in the framework of concrete ageing management of cooling towers of Electricity of France (EDF) nuclear power plants. Indeed some of them can be affected by cracks which may promote the carbonation of the concrete cover and accelerate the reinforcement corrosion initiation. The objective of this work is to characterize the impact of these cracks on the initiation and propagation of reinforcement corrosion. A dedicated experimental program is detailed. Firstly, a cracking protocol reproducing cracks found in the concrete of cooling towers is defined. Particular attention was paid to limit the damage along the steel/mortar interface. Cracked specimens are thereafter exposed to accelerated carbonation for the dual purpose of measuring the length of the damaged interface and accelerating the depassivation of the rebar deep in the crack in order to accelerate the corrosion initiation. The corrosion is controlled in the laboratory via raining/drying cycles and its state is characterized by several technics (desquamation, optical microscopy, Raman spectroscopy, monitoring of the free corrosion potential). Different configurations representative of the cooling towers are tested (three crack openings, 2 crack orientations, temperature, relative humidity, etc.). Obtained results show that after the corrosion initiation period, the corrosion kinetics decreases rapidly and the reinforcement tends to repassivation. This repassivation is related to the formation of oxide layer deep in the crack limiting therefore the access of water and oxygen to the rebar.

Le cadre général de ce travail concerne la prédiction des ouvrages en béton armé soumis à des charges dynamiques sévères de type impact. Le dimensionnement de ces structures sous de telles conditions doit être capable de modéliser de manière fiable et efficace le comportement discontinu local ainsi que la réponse globale de l'ouvrage. Localement, la méthode des éléments discrets est utilisée pour représenter correctement les phénomènes discontinus. Cette méthode a été validée sur des essais quasi-statiques et dynamiques réalisés sur des structures de béton et de béton armé. <br /><br />Ce travail s'attache en particulier à développer le processus d'identification des paramètres locaux du modèle discret afin de le rendre plus prédictif. L'application de la méthode des éléments discrets sur des structures de grandes dimensions est limitée par le nombre d'éléments discrets nécessaire qui les rendent très peu efficaces. Pour garder la qualité de prédiction local et rendre cette méthode adaptée à l'échelle d'une structure, elle est couplée à la méthode des éléments finis dans les parties qui ne sont pas soumises à d'importantes discontinuités. Cette approche couplée permet des gains de temps importants, tant pour la modélisation que la pour la simulation. <br /><br />La méthode multi-domaine couplée ED/EF proposée utilise une zone de recouvrement sur laquelle les relations de couplage cinématique sur les déplacements et les rotations sont assurées par multiplicateurs de Lagrange. L'énergie totale du modèle couplé est partagée par une combinaison linéaire des énergies de la partie discrète et de la partie continue. <br /><br />Les réflexions d'ondes parasites liées à la différence de taille de discrétisation entre les deux approches sont atténuées par une méthode de relaxation. La validation de la méthode couplée porte sur des simulations d'impact sur des dalles en béton et en béton armé.

Cette thèse a pour objet l'étude du comportement d'un nouveau système de galerie de protection contre les chutes de blocs appelé Pare-blocs Structurellement Dissipant (PSD). L'innovation majeure, par rapport aux solutions classiques, est de dissiper l'énergie d'impact directement dans la dalle en béton armé ou dans des appuis fusibles, et non plus dans une couche de matériau amortissant. Les phénomènes dynamiques ayant lieu lors de l'impact d'un bloc sur la dalle sont analysés au moyen d'expérimentations sur une structure PSD à l'échelle 1/3. Les efforts de percussion appliqués à la dalle, durant la phase de contact avec le bloc, sont estimés ainsi que les différents transferts et dissipations d'énergie. Les résultats ont permis de valider le principe de fonctionnement et de réparation des PSD et font apparaître que la dalle est endommagée par trois mécanismes majeurs : le poinçonnement, la mise en flexion et la déstructuration de surface de la zone impactée. Les principales grandeurs expérimentales sont retrouvées à l'aide de simulations numériques des essais avec un code éléments finis. Un modèle mécanique simplifié « masses-ressorts-amortisseur » est également développé dans le but de concevoir des méthodes de dimensionnement applicables en bureau d'études. Les perspectives de ce travail sont d'aboutir à l'établissement de recommandations sur la conception et la réalisation des pare-blocs structurellement dissipants.

Cette thèse vise à mettre en évidence expérimentalement le mécanisme d'interaction entre une ossature en béton armé et son remplissage en maçonnerie de briques creuses sous sollicitations quasi statiques alternées. L'étude expérimentale montre que la maçonnerie est capable d'absorber une bonne quantité d'énergie et que la rigidité et la résistance de la structure sont augmentées par rapport au cas du cadre vide. Le calcul montre que le cadre rempli peut être convenablement modélisé en remplaçant la maçonnerie par un système de bielles non-linéaires. Le modèle à 3 bielles diagonales parallèles rend mieux compte des efforts internes dans l'ossature.

Ce travail a pour objet l'analyse limite des structures par la méthode des éléments finis. Lorsqu'une structure atteint sa charge limite, certaines de ses composantes sont dans la phase inélastique de leur comportement, alors que dans les parties les plus critiques, du fait de la localisation des déformations inélastiques, se produit la rupture du matériau. Les effets de localisation sont, dans les matériaux fragiles liés à l'apparition et au développement de macro fissures alors qu'ils sont, dans les matériaux ductiles, gouvernés par les bandes de cisaillement localisées. L'étude de la charge limite est ainsi reliée à la modélisation du comportement inélastique standard du matériau mais également à la modélisation des effets localisés correspondant au comportement adoucissant des matériaux. Le comportement inélastique standard du matériau est, dans ce travail, décrit par des modèles élastoplastiques, élastoviscoplastiques ou élastiques non linéaires. Tous les modèles de comportement sont définis en termes d'efforts généralisés. Un certain nombre d'approches mathématiques et d'algorithmes numériques sont disponibles mais sont bien souvent inefficaces et manquent de précision. Ainsi, nous utilisons une approche développée plus récemment s'appuyant sur une méthode d'éléments finis enrichis de discontinuités. Nous avons développé de nouvelles formulations d'éléments standards prenant en compte des cinématiques et des descriptions des champs de déplacements discontinus complexes. Plusieurs formulations d'éléments finis ont été développées pour l'analyse de différents composants structurels. Nous présentons, dans un premier temps, un élément fini dédié à l'analyse limite des plaques en béton armé. La formulation d'un élément de plaque élastoplastique et élastoviscoplastique écrite en efforts généralisés associée à une procédure commune d'intégration sont présentées ensuite. Un élément de coque non linéaire, faisant intervenir une fonction seuil à deux surfaces incluant à la fois un écrouissage isotrope et un écrouissage cinématique est ensuite présenté. Les deux derniers éléments finis développés dans ce travail sont dédiés à la modélisation de la rupture localisée dans les poutres planes et les solides bidimensionnels. L'élément de poutre d'Euler-Bernouilli est enrichi par une discontinuité en rotation. Une stratégie s'appuyant sur l'analyse préalable, par un modèle raffiné, d'une partie de la structure est proposée afin d'obtenir les paramètres du modèle constitutif de la poutre. Enfin, nous présentons la formulation d'un élément quadrangulaire à discontinuité forte dont la cinématique permet de prendre en compte des sauts de déplacements linéaires dans les deux directions normale et tangentielle le long de la surface de discontinuité. Des résultats numériques montrent que les éléments développés ainsi que les algorithmes associés constituent un outil efficace et robuste d'analyse de la charge limite et de la rupture des structures. Parmi les exemples, nous présentons la simulation de la propagation d'une fissure dans un matériau fragile ainsi que le développement d'une bande de cisaillement dans un matériau ductile. Les codes numériques associés aux formulations présentées dans ce travail ont été générés par l'outil de programmation symbolique et d'optimisation de code AceGen. Les performances des éléments sont présentés à travers un grand nombre d'exemples numériques réalisés à partir du code AceFem.