La corrosion des armatures est reconnue comme la première cause de dégradation des structures en béton armé dans les domaines du génie civil et des monuments historiques. La corrosion peut survenir lorsque le béton d'enrobage est carbonaté ou lorsque les ions chlorure sont présents en quantité suffisante au niveau de l'armature.Les objectifs de cette thèse visent à appréhender les processus de corrosion des armatures lorsque le béton est doublement contaminé (carbonatation et ions chlorure) et d'évaluer une solution de réparation de type traitement électrochimique d’extraction des ions chlorure (ECE).Pour répondre à ces objectifs, trois phases ont été programmées : (1) des vieillissements artificiels, (2) un traitement ECE et (3) un suivi de la durabilité du traitement. Pour chacune de ces phases, les évolutions (1) de la corrosion des armatures dans le béton, (2) des produits de corrosion à l'interface armature/béton et (3) de la matrice cimentaire ont été investiguées. L'approche scientifique de l'étude, avec des analyses multiples d'observations à différentes échelles et l'utilisation de techniques non destructives, destructives ou in situ, a permis de rendre compte des processus de corrosion avant et après traitement et de discuter les résultats en fonction de critères d'efficacité proposés.L'étude a été réalisée en prenant en compte deux ciments (CEM I et CEM III/A) et en considérant deux modes de vieillissements artificiels. Trois cent vingt éprouvettes en micro-béton armé répondant à quatre formulations ont ainsi été étudiées. Les techniques principales utilisées sont des caractérisations électrochimiques non destructives, des caractérisations au MEB et EDS, des analyses destructives de déterminations quantitative pour la teneur en ions chlorure et qualitative pour l'évaluation du pH et enfin la microspectrométrie Raman qui permet de déterminer la nature des produits de corrosion in situ.L’exploitation de l’ensemble des résultats a mis en évidence l’évolution des caractéristiques étudiées au cours des phases de l’étude. Avant traitement, l'enrobage béton était entièrement carbonaté et la teneur en ions chlorure libres au voisinage de l'armature était comprise entre 0,9 et 2,1% par rapport à la masse de ciment en fonction des formulations. Les courants de corrosion étaient de l’ordre de 10 µA/cm² et une épaisseur de corrosion homogène de l’ordre de 5-10 µm était observée. Lors des analyses Raman in situ, de la rouille verte chlorurée a été identifiée, synonyme de corrosion active. Après traitement, plus de 90% des ions chlorure ont été extraits et le pH du béton au voisinage de l'armature a augmenté (pH>9) sur une épaisseur d’environ 1 cm. Les courants de corrosion sont devenus inférieurs à 0,1 µA/cm² (niveau de corrosion négligeable). La formation de magnétite a majoritairement été observée avec néanmoins la présence résiduelle très locale de rouille verte. Aucune évolution délétère significative de la matrice cimentaire n’a été identifiée. L’efficacité du traitement a donc été démontrée. L'évaluation de la durabilité du traitement sur une période de 4 à 12 mois a montré que les caractéristiques électrochimiques restaient stables. En revanche, la diminution de l'épaisseur de béton dont le pH avait augmenté pour les éprouvettes fabriquées avec le ciment CEM III/A peut laisser craindre une reprise de corrosion sur du plus long terme. Enfin, le suivi Raman in situ, montre des différences de la durabilité en fonction de la durée du traitement / Reinforcement corrosion is known as the first cause of reinforced concrete degradation in the fields of civil engineering structures and historical monuments. Corrosion occurs when concrete cover is carbonated or when chloride ions are present in sufficient quantity at the reinforcement vicinity.The main objectives of this thesis are to investigate the corrosion processes of the reinforcement when the concrete is contaminated by carbonation as well as chloride ions and to evaluate a cathodic electrochemical treatment as a repair solution.To meet these objectives, three phases were investigated: (1) artificial agings, (2) an electrochemical chloride extraction (ECE) treatment and (3) durability. For each of these phases, the evolutions (1) of the rebar corrosion in concrete, (2) of the corrosion products at the reinforcement/concrete interface and (3) of the cementitious matrix were studied.The scientific approach gathered multiple analyzes at different scales and the use of non-destructive, destructive or in situ technique. It allowed to study the corrosion processes before and after treatment and to discuss results according to efficiency criteria suggested.The study was carried out taking into account two cements (CEM I and CEM III/A) and considering two modes of artificial aging. More than three hundred specimens of reinforced micro-concrete, corresponding to four concrete designs, were therefore studied. The main techniques used were non-destructive electrochemical characterizations, SEM and EDS characterizations, destructive quantitative determinations (chloride ion content) and qualitative determinations (pH evaluation), and finally Raman microspectrometry to determine the nature of the corrosion products.The results highlighted some evolutions of different characteristics studied during the phases of the study. Before treatment, the concrete cover was entirely carbonated and the free chloride content at the reinforcement level was in the range of 0.9-2.1% by weight of cement depending on the concrete design. A 10 μA/cm² average corrosion currents was reported and a homogeneous corrosion layer thickness of about 5-10 μm was observed. During in situ Raman analysis, chloride green rust was identified indicating an active corrosion.After treatment, more than 90% of the chloride ions were extracted and the thickness of the concrete which had a pH value higher than 9 around the reinforcement, was about 1 cm. The corrosion currents became less than 0.1 μA/cm² (negligible corrosion level). The formation of magnetite was mostly observed with nevertheless a local presence of residual green rust. No significant deleterious evolution of the cementitious matrix was identified. The treatment efficiency was therefore demonstrated. The evaluation of the treatment durability over a period of 4 to 12 months showed that the electrochemical characteristics remained stable. On the other hand, a decrease in the concrete area which pH increased during the electrochemical treatment was observed for CEM III/A cement which could lead to a corrosion recovery over the longer term. Finally, the in situ Raman study revealed differences in durability as a function of the treatment duration

Il n'existe pas de nos jours une approche modélisatrice satisfaisante de la fissuration des structures en béton de grandes dimensions, capable d'apporter à la fois des informations sur son comportement global et local. Il s'agit pourtant d'un enjeu important pour la maîtrise de la durée de vie des structures, qui s'inscrit pleinement dans le cadre du développement durable. Nous introduisons ainsi une nouvelle approche pour modéliser le processus de fissuration dans les grandes structures en béton armé, comme les barrages ou les centrales nucléaires. Pour ces types de structures, il n'est pas raisonnable, en terme de temps de calcul, de modéliser explicitement les armatures et l'interface acier-béton. Néanmoins, l'accès aux données sur la fissuration est impératif pour les problèmes d'analyse structurelle et de diffusion. Nous avons donc développé un modèle de fissuration macroscopique probabiliste basé sur une stratégie de simulation multi-échelles afin d'obtenir de linformation sur la fissuration dans la structure, sans avoir besoin d'utiliser des approches locales. La stratégie est une sorte de processus multi-étapes qui reprend toute la modélisation de la structure dans le cadre de la méthode des éléments finis, du maillage, à la création de modèles et l'identification des paramètres. Le coeur de la stratégie est inspiré des algorithmes de régression (apprentissage supervisé): les données à l'échelle locale | base de données d'apprentissage associées à la connaissance pratique du problème mécanique | aident à formuler le modèle macroscopique. L'identification des paramètres du modèle macroscopique probabiliste dépend du problème traité car elle contient des informations sur le comportement local, obtenues en avance à l'aide de l'expérimentation numérique. Cette information est ensuite projetée à l'échelle des éléments finis macroscopiques par analyse inverse. L'expérimentation numérique est réalisé avec un modèle validé de fissuration du béton et d'un modèle d'interface acier-béton, ce qui permet une description détaillée des processus de fissuration. Bien que la phase d'identification puisse ^etre relativement longue, le calcul structurel est ainsi très efficace en terme de temps de calcul, conduisant à une réduction importante du temps de calcul global, sans perte d'information / précision sur résultats à l'èchelle macroscopique / No modeling approach exists nowadays that can provide reliable information about the cracking process in large/complex reinforced concrete structures. However, this is an important issue for controlling the lifespan of structures, which is at the heart of the principal of sustainable development. In this work we introduce a new approach to model the cracking processes in large reinforced concrete structures, like dams or nuclear power plants. For these types of structures it is unreasonable, due to calculation time, to explicitly model the rebars and the steel-concrete bond. Nevertheless, access to data about the cracking process is imperative for structural analysis and diffusion problems. So in order to draw the information about cracking in the structure, without resorting to the use of local approaches, we developed a probabilistic macroscopic cracking model based on a multi-scale simulation strategy. The strategy is a sort of a multi-steps process that takes over the whole modelization of the structure in the framework of the finite element method, from meshing, to model creation, and parameter identification. The heart of the strategy is inspired from regression (supervised learning) algorithms: data on the local scale | the training data coupled with working knowledge of the mechanical problem | would shape the macroscopic model. The probabilistic macroscopic model's identification is case-specific because it holds information about the local behavior, obtained in advance via numerical experimentation. This information is then projected to the macroscopic finite element scale via inverse analysis. Numerical experiments are performed using a validated cracking model for concrete and a bond model for the steel-concrete interface, allowing for a fine description of the cracking processes. Although the identification phase can be relatively time-consuming, the structural simulation is as a result, very time-efficient, leading to a sensitive reduction of the overall computational time, with no loss in information/accuracy of results on the macroscopic scale

Dans le domaine du Génie Civil, de nombreuses méthodes d’auscultation sont développées. Elles visent à aider à l’évaluation de l’état des ouvrages d’art en donnant des informations sur la structure interne ou sur l’état des matériaux. Les techniques basées sur la thermographie infrarouge sont prometteuses, elles présentent l’intérêt d’être à grand rendement et de se traduire par l’observation d’images (thermogrammes) qui semblent plus accessibles. La thèse consiste au développement d’une méthode de thermographie infrarouge active en basant sur un système d’excitation micro-ondes conçu et réalisé pour cette étude.La source micro-ondes a été réalisée sur la base d’un magnétron commercial de 800 W à 2.45 GHz associé à une antenne cornet pyramidal pour guider les ondes vers des éléments à chauffer. Par rapport aux sources utilisées classiquement en thermographie infrarouge active, les ondes électromagnétiques de type micro-ondes se propagent dans le volume d’un élément en béton. Les ondes subissent des réflexions et des effets de diffraction lorsque impactent des parties métalliques. Des phénomènes d’interférence peuvent apparaître en surface et par effet radiothermique générer des gradients de température observables par thermographie infrarouge. Ces effets se produisent de façon instantanée. En prenant en compte de toutes les consignes de sécurité, des essais avec ce nouveau système d’excitation ont été effectués dans une enceinte de protection haute fréquence. Cette nouvelle méthode a été appliquée à la détection de défauts (absence de colle) dans le cas d’un renforcement composite (CFRP), d’une pièce métallique derrière une plaque de bois d’un centimètre d’épaisseur, et plus particulièrement des armatures verticales / In the field of Civil Engineering, many inspection methods have been developed. They are intended to evaluate the condition of structures by providing information about the internal structure or status of the materials. Techniques based on infrared thermography are promising as they have the advantage of giving high performances and results by the thermograms observation that seems more accessible. The objective of the thesis is to develop a new active infrared thermography method based on a microwave excitation system designed and built for this study.The microwave source was set up based on a commercial magnetron 800 W at2.45 GHz associated to a pyramidal horn antenna for guiding microwave radiation to the heated elements. Compared to other sources traditionally used in active infrared thermography, the microwaves can propagate into the volume of a concrete element. The waves undergo the reflection and the diffraction effects while they impact any metal parts. The interference phenomena can appear on the surface and generate, by the radiothermal effect, the temperature gradients observed by infrared thermography. These effects occur instantaneously. Considering all the safety, the tests with the new excitation system were carried out in a high frequency protection cell. This new method has been applied to the defect detection (adhesive absence) in the case of a composite reinforcement (CFRP), a metal element behind a wooden plate of one centimeter of thickness, and more particularly the vertical reinforcement bars in a reinforced concrete wall.

Les ouvrages de génie civil, imposants et uniques, sont majoritairement construits en béton armé ou précontraint. La durabilité, l'étanchéité et la sûreté sont primordiales lorsqu'il s'agit d'évaluer la performance d'un ouvrage. La fissuration est un phénomène majeur qui influence le comportement des ouvrages sous diverses sollicitations en terme de durabilité et de tenue structurale. Le développement de lois de comportement capables de décrire de manière robuste et efficace la réponse des matériaux quasi-fragiles sous sollicitations complexes représente encore aujourd'hui un paradigme qui suscite de nombreux travaux au sein de la communauté scientifique. L'objectif principal de ces travaux est le développement d'un modèle numérique capable de représenter explicitement la fissuration des éléments de structure en béton armé. La dégradation des structures en béton armé, caractérisée par un réseau de fissures anisotrope, est décrite par un modèle d'endommagement anisotrope fondé sur des fissures orientées. La cinématique du modèle est enrichie par un saut de déplacement de manière à représenter explicitement le développement de fissures dans le matériau. Ce saut de déplacement est identifié comme l'ouverture de fissure. Le modèle développé est validé sur des structures en béton présentant des mécanismes de ruine en mode I et mode mixte. Les performances du modèle sont illustrées via la simulation de structures en béton armé comme un voile en cisaillement soumis a un chargement cyclique. / Civil engineering buildings, massive and unique, are mostly made of reinforced or prestressed concrete. Sustainability, tightness and safety are the major pillars of a building's performance. Cracking is a major phenomenon which impacts the buildings' behaviour under different loadings in terms of sustainability and structural capacity. Development of numerical models which describe accurately the response of quasi-brittle materials under complex loading remains an important research topic for the scientific community. The objective of this work is the development of a numerical model which represents explicitly cracking of reinforced concrete structures. Concrete and reinforced concrete degradation process, characterised by the appearance of several anisotropic crack families, is described by means of an anisotropic damage model accounting for oriented crack families. The kinematics of this model is enriched with a displacement jump in order to reproduce the development of cracks in the material during loading. This displacement jump is identified as the crack opening. The developed model is validated on simulations of plain concrete structures exhibiting mode I as well as mixed-mode failure. The performances of the enriched model are shown by the simulation of reinforced concrete structures such as a shear wall submitted to cyclic loading.

Récemment, il y a eu une montée en popularité de l'utilisation de produits en polymère renforcé de fibres (PRF) collés à l'externe (EB) pour renforcer les structures en béton armé (BA). Cependant, cette technique a rencontré des limites de durabilité et des complications pratiques. En réponse à ces défis, la technique d'ancrage en surface proche (NSM) a émergé comme une alternative prometteuse pour renforcer les structures en BA, visant à surmonter ces lacunes. Les systèmes NSM-PRF se composent de barres ou de bandes qui sont incorporées dans des rainures préfabriquées dans le béton, en utilisant des adhésifs. Bien que la technique NSM ait été appliquée avec des barres traditionnelles en PRF de carbone (PRFC) et de verre (PRFV), l'introduction récente de PRF de basalte (PRFB) a élargi les options. Cependant, l'inclusion de barres PRFB dans les normes approuvées a été entravée par un manque de recherche sur leur efficacité en tant que renfort, en particulier dans les applications NSM. Notamment, les études précédentes n'ont pas examiné en profondeur leur utilisation en tant que barres NSM. De plus, l'utilisation de la technique NSM-PRF s'est principalement concentrée sur les poutres en BA, avec une exploration limitée de sa faisabilité pour renforcer les dalles en BA. L'application de cette technique aux dalles avec des ouvertures ou des dalles endommagées par la corrosion reste largement inexplorée. Étant donné la rareté d'informations sur son efficacité dans ces scénarios, une évaluation des performances de liaison et de la durabilité à long terme des barres NSM-PRF est impérative. Pour combler ces lacunes dans la littérature existante, cette étude vise à évaluer les performances des barres NSM à la fois au niveau des composants et au niveau des structures. Au niveau des composants, une investigation expérimentale et analytique sur les performances de liaison des barres NSM a été menée en deux étapes. Dans la première étape, 66 spécimens de liaison NSM en forme de C ont été construits et testés sous traction directe, incorporant divers matériaux tels que PRFV, PRFB, PRFC et acier inoxydable (SS). Les paramètres étudiés comprenaient la configuration de surface de la barre, la longueur collée de la barre et les types d'adhésifs. Les résultats ont indiqué que l'époxy surclassait les autres adhésifs, et les barres NSM-PRFB et PRFV déformées et sablées présentaient des résistances à la liaison similaires. Dans la deuxième étape, 78 spécimens de liaison en forme de C, renforcés avec des barres NSM-PRFB et PRFV, ont été soumis à des tests après exposition à des environnements agressifs. Les barres NSM-PRFB et PRFV ont démontré une excellente durabilité de liaison après 120 jours d'immersion dans de l'eau salée. Cependant, les spécimens soumis à des cycles d'humidification et de séchage ont présenté de légères variations de résistance à la liaison, tandis que ceux exposés à de l'eau salée pendant 30 et 60 jours et à des cycles de gel-dégel ont subi des pertes significatives de leur résistance à la liaison. Au niveau structurel, l'étude a examiné le comportement en flexion de dalles unidirectionnelles renforcées à l'aide de différentes configurations NSM. Les dalles renforcées avec des bandes EB-PRFC ont également été testées pour comparaison. Le programme expérimental comprenait 34 dalles à grande échelle (150 x 600 x 3000 mm), catégorisées en dalles sans dommages, dalles avec ouvertures découpées et dalles corrodées. Les résultats ont souligné l'efficacité remarquable des barres NSM-BFRP dans l'amélioration des performances en flexion des dalles renforcées. Numériquement, des modèles d'éléments finis 3D ont été développés pour simuler le comportement non linéaire des dalles renforcées avec les méthodes NSM et EB, avec ou sans ouvertures découpées. Les résultats ont montré une forte concordance avec les résultats expérimentaux. Analytiquement, les directives de conception décrites dans l'ACI 440 (2017) ont été évaluées. La conclusion était que les formulations de l'ACI fournissaient une prédiction raisonnable mais conservatrice de la résistance ultime des dalles renforcées avec les barres NSM. Enfin, cette étude a comblé le vide dans nos connaissances sur l'efficacité des barres PRFB en tant que barres de renforcement NSM. Les résultats de cette étude ont été diffusés à travers **six articles de revues** et **trois communications lors de conférences**, comme détaillé tout au long de la thèse. / Strengthening of reinforced concrete (RC) structures is a process that is increasingly inevitable and necessary. Recently, there has been a surge in the popularity of utilizing externally bonded (EB) fiber-reinforced polymer (FRP) products for strengthening RC structures. However, this technique has encountered durability limitations, practical complications, and vulnerability to mechanical damage and vandalism. In response to these challenges, the near-surface mounted (NSM) technique has emerged as a promising alternative to the EB methods for reinforcing RC structures, aiming to overcome their shortcomings. The NSM-FRP systems consist of bars or strips that are embedded in pre-made grooves in the concrete substrate, using adhesives characterized by their good bond to the surrounding concrete. While the NSM technique has been applied with traditional carbon-FRP (CFRP) and glass-FRP (GFRP) bars, the recent introduction of basalt-FRP (BFRP) has broadened the options. Yet, the inclusion of BFRP bars in approved FRP standards and codes has been hindered by a lack of research on their effectiveness as reinforcement, particularly in NSM applications. Notably, previous studies have not thoroughly investigated their use as NSM bars. Furthermore, the utilization of the NSM-FRP technique has predominantly focused on RC beams, with limited exploration into its feasibility for strengthening RC slabs. The application of this technique to slabs with cut-out openings or corrosion-damaged slabs, common in various engineering contexts such as parking garages, buildings, and bridges, remains largely unexplored. Given the scarcity of information on its efficiency in these scenarios, a comprehensive evaluation of the bonding performance and long-term durability of NSM-FRP bars is imperative. To address these gaps in the existing literature, this study aims to assess the performance of NSM bars at both the component level and the structural levels. On the component level, a comprehensive experimental and analytical investigation into the bond performance of NSM bars was conducted in two stages. In the initial stage, 66 C-shaped pullout NSM bond specimens were constructed and tested under direct pullout loading configuration, incorporating various materials such as BFRP, GFRP, CFRP, and stainless-steel (SS) bars. The parameters investigated included bar surface configuration, bonded length of the NSM bar, and types of adhesives. Results indicated that epoxy outperformed other adhesives, and both deformed and sand-coated NSM-BFRP and GFRP bars exhibited similar bond strengths. In the second stage, 78 C-shaped pullout specimens, reinforced with NSM-BFRP and GFRP bars, underwent testing after exposure to aggressive environments. The NSM-BFRP and GFRP bars demonstrated excellent bond durability after 120 days of immersion in salted water. However, specimens subjected to wet-dry cycles exhibited slight variations in bond strength, while those exposed to salted water for 30 and 60 days and freeze-thaw cycles experienced significant losses in their bond strength. On the structural level, the study investigated the flexural behavior of one-way RC slabs strengthened using various NSM configurations. Slabs strengthened with EB-CFRP strips were also tested for comparison. The experimental program involved 34 large-scale slabs (150 x 600 x 3000 mm), categorized into slabs with no damage, slabs with cut-out openings, and corroded slabs. The results highlighted the remarkable effectiveness of NSM-BFRP bars in enhancing the flexural performance of the strengthened slabs, even in scenarios involving lower steel reinforcement ratios. Numerically, 3D finite element (FE) models were developed to simulate the nonlinear behavior of the NSM- and EB-strengthened slabs, both with and without cut-out openings. The results showed strong agreement with the experimental findings. Analytically, the design guidelines outlined in ACI 440 (2017) were evaluated. The conclusion reached was that ACI formulations provided a reasonable yet conservative prediction of the ultimate strength of the NSM-strengthened slabs. Finally, this study has filled the gap in our knowledge about the efficacy of BFRP bars as NSM strengthening bars. The outcomes of this study have been disseminated through **six journal articles** and **three conference papers**, as detailed throughout the thesis.

Cette étude visait à évaluer l’efficacité de différentes techniques de protection à prolonger la durée de vie des infrastructures en béton susceptibles d’être atteintes de corrosion des armatures. L’objectif principal du projet était de fournir des informations quantitatives sur l’influence de certaines des stratégies les plus couramment utilisées pour protéger les ouvrages contre la pénétration de l’humidité et des ions chlorure ainsi que pour contrôler l’initiation et la propagation de la réaction de corrosion. Ainsi, l’impact de l’utilisation de scellants non coupe-vapeur, de membranes et de produits inhibiteurs de corrosion (migrateur et adjuvant) a été étudié. Les différents traitements ont été testés sur des corps d’épreuve pré-conditionnés de manière à présenter quatre niveaux de contamination et de détérioration : état vierge non corrodé, état contaminé par les ions chlorure mais non corrodé, état de corrosion initiée et état de propagation de la corrosion. Un des objectifs spécifiques de cette étude était d’évaluer l’influence des différents traitements sur l’évolution de facteurs comme la distribution interne de l’humidité relative, la distribution des ions chlorure ainsi que l’activité de corrosion. Pour ce faire, 51 dalles de béton armé ont été fabriquées et exposées à des cycles de mouillage (brouillard salin) et de séchage dans une chambre environnementale. Afin de caractériser l’évolution de l’activité de corrosion propre à chaque condition, un suivi électrochimique des éléments comportant des mesures de potentiel électrochimique et de résistance à la polarisation linéaire a été assuré. À la suite de la période de cyclage dans la chambre de brouillard salin, une autopsie a été pratiqué sur une sélection de corps d’épreuve. Cette opération avait pour but de dégager les barres d’armature de manière à caractériser les zones anodiques. / This study aimed at evaluating the capacity of various protection techniques to extend the service-life of concrete infrastructure affected by reinforcement corrosion. The main objective of this project was to provide quantitative information on the influence of some of the most commonly used strategies in practice to protect reinforced concrete structures against the initiation and propagation of corrosion, respectively non-vapor barrier sealants, waterproofing membranes and corrosion inhibitors products (penetrating and admixture). The various treatments were tested on laboratory-size concrete test slabs pre-conditioned in such a way to exhibit four different stages of contamination and deterioration: virgin, contaminated by chlorides but not corroded, corrosion initiated and corrosion propagating. A specific objective of this study was to evaluate the influence of different treatments on the evolution of various factors such as the internal distribution of relative humidity, the distribution of chlorides and the corrosion activity. Through two successive experimental phases, 51 test slabs were produced and subjected to cycles of wetting (salt spray) and drying in an environmental chamber. In order to monitor the evolution of the corrosion activity for each condition, half-cell potential and linear polarization measurements were carried out on all specimens at regular time intervals. Following the period of cycling in the salt spray chamber, an autopsy was performed on a selection of tested slabs in order to expose the reinforcing steel rebars and allow a characterization of the anodic areas.

In the framework of the conservation of early reinforced concrete structures from the last third of the 19th century up to 1914, this research deals with superstructures (excluding foundations, roads, pipes, etc.) in reinforced concrete (in the modern sense of the term – i.e. concrete made with artificial cement and rebars supplying tensile strength; thus, the combination of a metal profile embedded in concrete is excluded). The development of reinforced concrete as a building material started around 1880 and became widespread around the time of the First World War. Some of the structures concerned are listed as heritage properties today. Therefore they deserve specific and careful study to ensure long-term preservation of their historic, architectural, technical and socio-economic value. They bear witness to a period in construction history when reinforced concrete was a new material. The outbreak of the First World War marked the end of the initial period of innovation, exploration and experimentation. By then, reinforced concrete had become widely accepted and adopted as a suitable and effective building material. However, present-day attempts at restoration often prove inadequate, due to incomplete understanding of this period of construction and the characteristics of the first generation of reinforced concrete. If the causes of degradation are incorrectly diagnosed, the repairs are likely to be inappropriate. Moreover, the number of reinforced concrete structures requiring repair work is currently increasing with the natural ageing of the material. This phenomenon will continue to grow in the coming years.<p><p>With this in mind, the present research aims at identifying the specific structural characteristics of reinforced concrete structures erected before the First World War. Several axes of investigation were pursued in this PhD research and have resulted in the main observations detailed below. <p>- Based on a case study of the region of Brussels (Belgium), a database of structures built in reinforced concrete prior to 1914 was drawn up in order to place the material in its historical and geographical context. The inventory currently contains 507 examples and provides a panorama of the uses of reinforced concrete, ranging from numerous foundations and slabs to a complete structure from the end of the 1890s. This list is supplemented by a survey of a total of 605 patents filed for reinforced concrete in Belgium before the First World War. The early development of reinforced concrete was strongly related to national patenting, with a considerable number of systems being patented by private inventors for commercial purposes. Reinforced concrete profoundly transformed the building industry. All the professions working with the composite material had to change their approach, from the planning stage through to execution on the site. From the viewpoint of construction history, all these modifications make the time of the advent of reinforced concrete a particularly fruitful period to study. <p>- From the survey of early reinforced concrete structures in Brussels and the database of Belgian patents, the supremacy of the Frenchman François Hennebique and his system on the Brussels market for reinforced concrete (and, by extension, on the Belgian market) before 1914 is incontestable. This commercial achievement resulted from a combination of factors: an efficient structural system, meticulous attention to the quality of on-site reinforced concrete execution, and the commercial acumen to develop the business through advertising and other media. The well-known Hennebique system represents a monolithic structure including slabs, beams and columns. In fact, this system changed over the decades of operation of Hennebique’s company, not so much in relation to the design methods (his original semi-empirical method continued to be used) but particularly in practical terms (the type and location of the rebars among others). The evolution of the system is analysed by means of technical drawings from about 30 Belgian projects designed by Hennebique between 1900 and 1930. <p>- After the building contractors, who had been the first to believe in the structural and economic potential of reinforced concrete, engineers invented the calculation models and architects started developing new shapes. The Belgian engineer Paul Christophe was among the first theorists of reinforced concrete. The publication of his book Le béton armé et ses applications in 1899 is internationally recognised as a milestone in the rational modelling of structural reinforced concrete elements. Prior to the present study, details of his life and work remained largely uninvestigated, but the discovery of large parts of his personal archives has allowed clarification of his role in the popularisation of reinforced concrete, especially at the theoretical level.<p>- Reinforced concrete structures around the beginning of the 20th century were initially governed by empirical models of calculation (and execution) developed by the individual constructors. Gradually, reinforced concrete standards, published between 1904 and 1923 and based on working stress analysis and elastic modular ratio theory, replaced the utility of the patented systems. The different theoretical approaches are briefly described in this research. Mastering the theoretical assumptions and calculation methods used at the time represents the first step towards an appreciation of the structural behaviour and the possible weaknesses that can be expected.<p>- A review, based on literature published at that time, of the properties of the components of reinforced concrete allows identification of the characteristic materials used in the concrete matrix and the metal reinforcements. The execution process and the available technological tools for erecting a reinforced concrete structure are also addressed, as these would have had a direct influence on the quality of construction. Non-destructive and destructive experimental laboratory tests were performed on original samples, mainly removed from the Colo-Hugues viaduct (1904, Braine-l’Alleud, Hennebique system) in order to assess the mechanical properties, chemical features and durability issues for concrete and ferrous reinforcements. Comparing the results obtained using different techniques also makes it possible to determine the extent to which these techniques are reliable for the appraisal of early reinforced concrete structures. <p>- The structural efficiency of the Hennebique system is assessed based on an understanding of the principles of Hennebique’s semi-empirical method of calculation, but also – and primarily – by means of observations from experimental tests carried out on full-sized beams removed from the Colo-Hugues viaduct. Analysing and understanding the behaviour of the new composite material was a critical issue for promoting the use of reinforced concrete at the beginning of the 20th century. Today, what is required is a re-assessment of its structural behaviour. Three bending tests up to failure in simply supported conditions were performed at the BATir Department of the Université libre de Bruxelles on T-beams from the Colo-Hugues viaduct. This case study is representative of the majority of Hennebique structures, because the typical continuous straight T-beam is the main structural element of any Hennebique structure (bridge, building, etc.). The first test is a four-point bending test on a complete span (6 m) of the viaduct to obtain the response of the central part under positive bending moment. The flexural failure was ductile and occurred through yielding of the reinforcements followed by crushing of the concrete at mid-span. The second and third tests are three-point bending tests on 4 m long specimens centred on the column, representing the behaviour of the beam around the supports. These showed a sudden slipping failure due to loss of the adhesive bond between rebars. The results of these three experiments combined reproduce the actual behaviour of the viaduct in service. The bearing capacity of the Hennebique system in service and at ultimate has been demonstrated, at least for one loading case. These experimental tests provide essential data for a better understanding of the mechanisms of failure and reveal the main weaknesses of the Hennebique T-beam. Two strengthening solutions are suggested as supplementary information. <p>- The pathologies observed in early reinforced concrete structures (honeycombs, corrosion of the rebars, and so on) are mainly attributable to the tools and techniques that the builders had at their disposal (handmade compaction, high water-to-cement ratio, etc.) and by the limited contemporary knowledge of the physical and chemical phenomena, especially with regard to long-term effects. In fact, the concrete quality of the viaduct is surprisingly satisfactory despite its great age, due to the fact that the whole structure was covered with plaster, like the majority of reinforced concrete structures designed at that time.<p><p>This research establishes that reinforced concrete structures from 1880 to 1914 differ from later reinforced concrete structures. Taking into consideration the features of early reinforced concrete structures will contribute to ensuring sustainable conservation with limited intervention, thus preserving as much as possible of the original structure when restoration work is undertaken. Working on existing buildings often requires a multidisciplinary and holistic approach. The present study could thus be extended in various areas. For example, other structural aspects could be studied more in depth, such as demonstration of the shear strength of the Hennebique system or detailed consideration of the reinforcements (low adherence, particular anchorage devices, etc.)/<p>C'est dans le cadre de la conservation, au sens large du terme, que s'inscrit cette recherche sur les constructions en béton armé de première génération, c'est-à-dire de la fin du 19ème siècle au début du 20ème siècle. Cette recherche traite uniquement des superstructures, à l'exclusion des fondations, routes, tuyaux, etc. et en béton armé au sens moderne du terme, c'est-à-dire un béton réalisé à base de ciment artificiel et dont les armatures interviennent surtout pour reprendre les efforts de traction, ce qui exclut par exemple les utilisations de poutrelles métalliques enrobées de béton. Certains de ces ouvrages, réalisés entre 1880 et 1914, font aujourd'hui partie intégrante du patrimoine bâti, pour leurs valeurs architecturale, historique, technique ou aussi socio-économique. Ils jalonnent désormais l'histoire de la construction comme témoins d'une époque où le béton armé était un matériau nouveau. La Première Guerre mondiale marque la fin de cette période de premières innovations, d'explorations et d'expérimentations. Elle entérine l'acceptation et la diffusion du béton armé comme matériau de construction à part entière. Cependant, ainsi que le montrent certains projets de restauration actuels aux interventions inadéquates, il y a encore une méconnaissance des spécificités du béton armé de cette époque. Les causes de leurs dégradations mal diagnostiquées sont traitées de façon inappropriée. Or, dans les prochaines années, nombre de structures en béton armé construites dans la première moitié du 20ème siècle seront amenées à subir une rénovation suite au vieillissement naturel du matériau. C'est pourquoi pour conserver au mieux ces structures, il est indispensable d'étudier en détails leurs caractéristiques techniques pour ensuite intervenir, si nécessaire, de façon précise et adaptée.<p><p>Ce doctorat s'attèle donc à identifier les particularités des constructions en béton armé construites avant l'avènement de la Première Guerre mondiale, et plus spécifiquement à étudier leurs aspects structuraux. Plusieurs axes de recherche ont été développés et ont abouti aux principaux résultats suivants. <p>- Basé sur le cas de la région de Bruxelles-Capitale (Belgique), un inventaire des interventions en béton armé, construites avant 1914, a été dressé pour replacer le matériau dans son contexte historique et géographique. Cette base de données, comprenant 507 biens jusqu'à présent, illustre les types d'utilisation du béton armé dans la construction au début du 20ème siècle, d'abord des fondations ou simples planchers, jusqu'à une structure monolithique complète dès la fin des années 1890. Cet inventaire est complété par le relevé détaillé des brevets, au nombre de 605, déposés à ce sujet en Belgique avant la Première Guerre mondiale. Les brevets ont joué un rôle fondamental dans le développement du béton armé. Celui-ci était, en effet, régi par un foisonnement de systèmes commerciaux, majoritairement brevetés. L'introduction du béton armé a transformé en profondeur le secteur de la construction et notamment les professions liées tant à la phase de conception qu'au chantier lui-même. Du point de vue de l'histoire de la construction, toutes ces mutations font de l'avènement du béton armé une période historique riche. <p>- A la lecture du panorama offert par les inventaires des constructions et des brevets, la prééminence de la compagnie du Français François Hennebique, et donc de son système, sur le marché bruxellois (et par extrapolation sur le marché belge) du béton armé avant 1914 est indéniable. La réussite commerciale de Hennebique résulte d'une combinaison de facteurs: un système efficace sur le plan structural, une qualité d'exécution de béton coulé en place fiable et méticuleuse ainsi qu'un sens développé des affaires, en maîtrisant l'art de la promotion et de la publicité notamment. Le système bien connu de Hennebique comprend un ensemble monolithique formé par des dalles (hourdis), poutres et colonnes. Ce système a, en réalité, évolué dans le temps, pas tant d'un point de vue théorique (les calculs de dimensionnement sont les mêmes) mais plutôt pratique (positionnement, type d'armatures, etc.). Cette évolution a été observée par l'étude d'une trentaine de cas pratiques exécutés par Hennebique entre 1900 et 1930 en Belgique.<p>- Après les entrepreneurs, qui ont été les premiers à croire aux nouvelles possibilités constructives qu'offre le béton armé ainsi qu'à son succès commercial, les ingénieurs en inventent les principes de calcul et les architectes en révolutionnent les formes. L'ingénieur belge Paul Christophe fut parmi les premiers théoriciens du béton armé. La publication de son ouvrage Le béton armé et ses applications en 1899 constitue une étape importante, et internationalement reconnue, pour le dimensionnement rationnel d'éléments structuraux en béton armé. Jusqu'à la présente recherche, sa vie et son œuvre étaient restées assez confidentielles mais la découverte d'une partie de ses archives personnelles a permis de clarifier son rôle dans la diffusion, surtout théorique, du béton armé. <p>- Les structures en béton armé d'avant la Première Guerre mondiale furent d'abord gouvernées par des méthodes empiriques de dimensionnement (et d'exécution) développées par chaque constructeur. L'apparition des premières règlementations entre 1904 et 1923, basées sur une analyse en contraintes admissibles et la théorie du coefficient d'équivalence, remplace ensuite peu-à-peu l'utilité des systèmes brevetés. Les différentes approches théoriques sont brièvement décrites dans cette recherche. Maitriser les hypothèses et les méthodes de calculs employées à l'époque est, en effet, une première étape pour comprendre le fonctionnement structural prévu et les potentielles défaillances de dimensionnement. <p>- A travers une lecture attentive de la littérature publiée à cette période, les matériaux intervenants dans la fabrication du béton armé (c'est-à-dire le béton et les armatures) et utilisés couramment au début du 20ème siècle ont été identifiés ainsi que les moyens disponibles à cette époque pour produire des structures en béton armé. Des méthodes d'essais non-destructives et destructives ont été appliquées principalement, sur le viaduc Colo-Hugues (1904, Braine-l'Alleud, système Hennebique) afin d'évaluer les caractéristiques mécaniques, les propriétés chimiques et la durabilité tant du béton que des renforcements métalliques. Comparer les résultats de ces différentes méthodes permet d'aborder les limites d'utilisation de ces techniques, lorsqu'il s'agit d'évaluer structuralement des bétons armés de première génération. <p>- Grâce à la compréhension des principes, semi-empiriques, de dimensionnement appliqués par le bureau Hennebique en son temps mais surtout grâce aux observations déduites des essais expérimentaux réalisés sur des poutres de grandeur réelle, prélevées sur le viaduc Colo-Hugues, le fonctionnement structural réel du système Hennebique est évalué. Comprendre et modéliser le comportement du nouveau matériau composite fut une problématique fondamentale pour accroître l'usage du béton armé au début du 20ème siècle. Actuellement, il s'agit de réévaluer le comportement de ces structures. Trois essais jusqu'à rupture ont été menés, au département BATir de l'Université libre de Bruxelles, sur des poutres à gousset en T provenant du viaduc Colo-Hugues en conditions isostatiques et soumises à flexion. Ce viaduc des chemins de fer vicinaux est un cas d'étude représentatif de la majorité des constructions Hennebique, car la poutre de section en T est la structure typique du système Hennebique, utilisée tant dans les ouvrages d'art que dans les bâtiments. Le premier essai est une flexion 4 points sur une travée complète du viaduc (6 m de portée) pour obtenir la réponse en zone de moment maximum positif. La rupture ductile a eu lieu par plastification des armatures suivie d'un écrasement du béton en zone centrale, c'est-à-dire dans la zone la plus sollicitée. Deux éléments identiques de longueur de 4 m ont été essayés en flexion 3 points pour représenter le comportement sur appuis. La rupture de ces deux dernières expériences s'est produite suite à un glissement des armatures sur appuis (goussets à côté de la colonne). Il s'agit donc d'une rupture à caractère fragile. Les trois essais combinés représentent correctement la structure hyperstatique du viaduc dans son fonctionnement en service. La capacité portante réelle du système Hennebique en service et à l'état limite ultime, du moins dans un cas de chargement, a pu être expliquée. Ces essais fournissent les données essentielles pour estimer l'efficacité structurale du système Hennebique et identifier ses faiblesses. Deux solutions de renforcement sont proposées en complément d'information.<p>- Les pathologies observées dans les bétons armés datant du début du 20ème siècle (nids de graviers, corrosion des armatures, etc.) sont, la plupart du temps, causées par les outils sommaires à la disposition des constructeurs (vibration à la main, rapport eau/ciment plus élevé qu'aujourd'hui, etc.) et par une connaissance limitée des phénomènes physiques et chimiques, surtout à long terme. En fait, la qualité du béton du viaduc Colo-Hugues est particulièrement satisfaisante malgré l'âge avancé du béton, grâce notamment à l'enduit recouvrant l'ensemble du viaduc, ce qui est le cas pour la majorité des structures de la période étudiée.<p><p>Cette recherche démontre que les constructions en béton armé datant de 1880 à 1914 diffèrent des ouvrages postérieurs en béton armé et qu'il serait utile pour leur restauration de tenir compte de ces spécificités. La connaissance approfondie des particularités des constructions en béton armé de première génération permettra, espérons-le, de contribuer à leur longévité en intervenant le moins possible sur les structures d'origine. Etant donné que l'étude des structures existantes nécessite le plus souvent une approche pluridisciplinaire, ce travail pourrait être poursuivi dans plusieurs domaines variés. Il resterait notamment à approfondir d'autres aspects de stabilité, comme par exemple la démonstration de l'efficacité à l'effort tranchant du système Hennebique ou encore la prise en considération plus détaillée des armatures (adhérence limitée, forme d'ancrage particulier, etc.). / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Aujourd’hui, la technologie du béton ayant fortement évolué, il est, sous certaines conditions, réaliste de construire des éléments structuraux en béton ayant à la compression une résistance de 90N/mm² voire nettement plus. En conséquence, l’ingénieur concepteur peut être amené dans le cadre du dimensionnement des colonnes à en diminuer les dimensions transversales pour des raisons esthétiques ou d’encombrement. Inévitablement, cette diminution de la section transversale induit une augmentation de l’élancement et augmente ainsi les risques des instabilités de flambement. A cette question de flambement, il faut adjoindre l’influence d’une préconception qui veut qu’une structure en béton à haute résistance soit moins ductile qu’une structure construite avec un béton normal ! De ceci résulte la question à la base de ce travail : « Peut-on arriver à diminuer la section transversale d’une colonne en utilisant des résistances de béton plus élevées tout en imposant la même valeur de capacité portante et en ne réduisant pas leur ductilité ? » Afin de répondre à cette question, le travail s’est articulé autour de deux axes essentiels qui sont d’une part une campagne d’essais (afin d’obtenir des résultats fiables) sur 12 colonnes en béton armé à haute résistance (90N/mm²) d’élancement 74 et 82 dont l’excentricité de la charge est une variable, et d’autre part l’implémen- tation de deux programmes informa- tiques utilisant le principe de l’analyse au second ordre en vue de réaliser une étude paramétrique dont l’excentricité, la hauteur des colonnes, la proportion d’acier, la résistance du béton sont les variables. Trop souvent encore, les ingénieurs de bureau d’études hésitent à effectuer un calcul au second ordre et placés devant la question des dimensions de section à donner à une colonne de hauteur et de capacité portante imposées, déterminent celles-ci pour se satisfaire d’un calcul au 1er ordre. Au terme de notre étude, nous avons montré que cette approche est loin d’être optimale, qu’il est possible, au prix d’un calcul au second ordre (mais il est fait à l’ordinateur), de tirer profit d’une augmentation de la résistance du béton pour réduire les dimensions des sections et aboutir en toute sécurité à un dimensionnement plus économique en consommation de matériaux (acier, béton, ciment).

L'optimisation vise à trouver le meilleur compromis entre les différentes exigences contradictoires, telles que les performances, le coût et la durabilité. Toutefois, la conception des structures doit être placée dans un contexte incertain. Traditionnellement, les incertitudes sont considérées par l'application des coefficients partiels de sécurité. Cependant, l'utilisation de ces coefficients ne garantit pas une conception optimale pour le niveau de fiabilité souhaité. L'optimisation fiabiliste est développée pour établir le meilleur compromis entre la réduction des coûts et l'assurance de la fiabilité, par la considération des incertitudes. Dans ce mémoire, une nouvelle approche de l'optimisation fiabiliste est proposée afin de tenir compte de l'interaction des différents modes de défaillance et de l'évolution de la fiabilité en fonction de l'âge de la structure. La meilleure solution est recherché par la minimisation de la fonction du coût total contenant les coûts de maintenance.

Dans le domaine du génie civil et de la construction, ainsi que de l'industrie, les structures hétérogènes multicouches sont très utilisées. L'une des demandes formulées par les ingénieurs pour concevoir de telles structures est aussi la connaissance des charges limites qu'elles peuvent supporter. Des méthodes d'homogénéisation des plaques et poutres multicouches en analyse limite ont ainsi été développées. Elles conduisent respectivement à des cinématiques de Love-Kirchhoff ou d'Euler-Bernoulli pour la structure homogène équivalente. Afin de prendre en compte les effets de cisaillement, de nouveaux modèles de plaques et de poutres multiparticulaires ont été proposés et justifiés. Après une validation par éléments finis de ces modèles, on les applique au cas des poutres en béton armé renforcées. Ils permettent d'avoir une estimation rapide des chargements maximaux supportables et de construire ainsi un outil de dimensionnement à l'Etat Limite Ultime pour de telles structures.