Malgré les avantages multiples du béton à hautes performances, il reste relativement peu étudiédans les structures en béton armé. Notamment, la servicibilité du matériau et son comportementvis-à-vis de la fissuration nécessitent une investigation profonde. En effet, dans les structures enbéton armé, c’est souvent la servicibilité du matériau qui se détériore et écourte la durée de vied’une construction. Dans le même contexte, le comportement à l’effort tranchant du béton àhautes performances (BHP) reste insuffisamment étudié comparativement à la littératureabondante sur le béton ordinaire (BO). Le principe de l’effort tranchant en béton armé n’estd’ailleurs toujours pas suffisamment explicité avec rationalité et l’on continue à utiliser desméthodes empiriques pour se prémunir contre les effets désastreux de cette sollicitation sur lesstructures en béton armé. Ce manque de compréhension est illustré par des approches de calculdifférentes et parfois contradictoires utilisées dans les principaux règlements de calcul en bétonarmé. L’applicabilité de ces approches de calcul réglementaires au béton à hautesperformances nécessite une evaluation profonde. Cet aspect fait partie des objectifs de laprésente étude. L’utilisation des fibres d’acier comme renforcement en béton en général et enbéton à hautes performances en particulier semble améliorer le comportement structural de cematériau en effort tranchant. Sur ces aspects de comportement structural, un total de 70 poutresen béton armé, ordinaire et de hautes performances, avec et sans fibres d’acier, ont été testéesen flexion quatre-points. Les fibres d’acier ont été utilisées en différentes quantités /f et différentsélancements lf/df. Les essais réalisés dans ce travail ont montré que les fibres d’aciers couturentefficacement les fissures et ainsi permettent aux éléments de structures d’être servicibles à desniveaux de chargement élevés. Cette efficacité se distingue particulièrement dans le matériauBHP qui développe une adhérence relativement meilleure avec l’acier par comparaison au BO.Ces effets de coutures efficaces ne sont, cependant, pas reflétés dans les modèles de calculsutilisés dans les règlements universels. / Despite de multiple advantages of high performances, it is still relatively unknown. It is thusimportant to study this material from all the aspects in the aim of understanding its structuralbehavior and using it as a building material in composition with steel and hence beneficiate fullyfrom its higher compressive strength and denser compactness. In this sense, the serviceability ofthe material, particularly its behaviour towards cracking which affects its integrity, necessitates adeeper investigation. In the same context, the shear behavior of high performances concrete(HPC) is still insufficiently investigated by comparison to the abundant literature for that of ordinaryconcrete (OC). On the aspect of shear behaviour, it is worth noting that such a solicitation inreinforced concrete is a topic which continues to arouse a lot of interest despite the abundanceof the existing literature. The applicability of the different design approaches to high performancesconcrete requires further investigations. This aspect is a part of the objectives of the presentexperimental study. The use of steel fibers as reinforcement for concrete in general and for highperformances concrete in particular seems to improve the structural behavior of this concretematerial, particularly for shearing. On these aspects of structural behaviour, a total of 70 reinforcedconcrete beams, from ordinary concrete and high performances concrete, with and withoutsteel fibers, have been tested in four-point flexural bending. The steel fibers were used in differentquantities /f and different aspect ratios lf/df. The test carried out in this investigation have shownthat fibers stitch up effectively the two faces of a crack and thus enable structural elements to beserviceable at higher loading levels. This efficiency is particularly distinguishable for highperformances concrete (HPC) which develops a relatively better bond with the reinforcement bycomparison to ordinary concrete (OC). These stitching effects are however not reflected in thedesign models presented in the different universal design codes.

La corrosion de l'acier dans le béton a été identifiée comme la principale cause des détériorations et déficiences structurelles. Les coûts de réparations et réhabilitations aux Etats-Unis, au Canada et dans la majorité des pays européens représentent un pourcentage important des dépenses liées aux infrastructures. En raison de leur résistance à la corrosion, de leur légèreté et d'une grande résistance à la traction, les armatures alternatives en PRF de verre, carbone ou basalte sont étudiées depuis une vingtaine d’années. Les propriétés mécaniques des armatures en polymères renforcés de fibres au comportement élastique diffèrent de celle de l'acier au comportement élasto-plastique. La substitution des armatures métalliques par des PRF va modifier les comportements structuraux généralement observés dans des structures béton armé traditionnelles. Cela va également induire un changement au niveau des calculs de dimensionnement de la structure. En particulier, dans le cas d'une poutre en béton armé standard, la rupture en flexion de la poutre sera habituellement par rupture des armatures en traction dans le cas de l'acier, alors que la rupture par compression du béton sera préférable pour les poutres renforcées par des PRF. L'objectif de cette thèse est une meilleure compréhension du système {béton + armatures en polymères renforcés de fibres} en vue de dimensionner des structures de bâtiment avec ces armatures alternatives. Ces armatures PRF ont déjà été utilisées pour des tabliers de ponts ou des voies de train à sustentation magnétique, mais aucune application pour des bâtiments à part quelques rares cas de construction d'hôpitaux où les pièces attenantes aux salles contenant des appareils magnétiques, tels que l'IRM afin d’éviter les phénomènes de résonance. Même si les renforcements PRF semblent une solution prometteuse vis-à-vis des problèmes de corrosion, les designers et ingénieurs sont confrontés à de nombreuses questions quant à l'utilisation de ces matériaux pour une application bâtiment, que ce soit pour la mécanique des structures ou des aspects économico-environnemental. Cette thèse s'inscrit donc dans la problématique de conception de structures en béton armé innovantes et plus durables / The corrosion of steel elements embedded in concrete was identified as the main cause of structural deteriorations and deficiencies in buildings. Repair and rehabilitation costs in the USA, Canada and most European countries represent a substantial percentage of expenses related to infrastructures. Alternative FRP reinforcements in glass, carbon or basalt have been studied for the past twenty years owing to their resistance to corrosion, their light weight and their considerable tensile strength. The mechanical properties of fiber-reinforced polymers with an elastic behavior differ to the mechanical properties of steel, with an elastic-plastic behavior. This induces a change of the dimension calculations of the structure. In particular, in the case of a standard reinforced concrete beam, the flexural ultimate strength would usually be located in the reinforcements in traction for steel reinforcements, while a crushing failure of the concrete would be preferable in FRP beams. The objective of this thesis is to better understand the system {concrete + fiber-reinforced polymer reinforcements} in view of dimensioning building structures with these alternative reinforcements. These FRP reinforcements have already been used for bridge decks and magnetic suspension train tracks but no applications have been found for buildings except a few rare cases of hospital buildings or rooms adjoined to others containing magnetic apparatus, for example Magnetic Resonance Imagery (MRI), which are reinforced with FRP reinforcements to avoid resonance problems. Even if FRP reinforcements would appear to be a promising solution in terms of corrosion problems, designers and engineers have been confronted with many questions relative to the use of these materials in a building application, both in terms of the mechanics involved for the structures and economic and environmental issues. This thesis is therefore focused on the design aspect of concrete structures comprising innovating and more durable reinforced concrete

Ces travaux portent sur la réparation et le renforcement de structures béton armé par matériaux composite. Dans ce domaine, la solution de type carbone-époxy appliqué sur les faces extérieures des structures occupe une place prépondérante, mais reste perfectible. L'objectif principal de cette thèse est de proposer des solutions alternatives à ces matériaux, tels que les composites de type textile-mortier (Textile Reinforced Concrete, " TRC ") et d'en juger la faisabilité, les performances et le comportement. Une approche expérimentale et analytique, aux échelles micro, méso et macroscopiques, est menée en s'appuyant notamment sur la technique de mesure de champs de déplacements par corrélation d'images. À l'égard de l'étude du matériau, une procédure d'essai de caractérisation en traction directe des TRC a été conçue et validée. La conduite de 98 essais par cette procédure, a permis de mieux appréhender le comportement de ces composites, notamment l'articulation entre les mécanismes locaux et leur traduction à l'échelle macroscopique. Les principaux leviers permettant l'optimisation des TRC ont ainsi été déterminés. À l'échelle structurelle, l'étude de 11 poutres réparées vis-à-vis de l'effort tranchant, par collage de plats préfabriqués ou moulage à même la poutre, a été conduite. Il en ressort que les solutions TRC se comparent favorablement à celles de type carbone-époxy. Aussi, le comportement local a été finement évalué, notamment, l'évolution des efforts repris par le renfort TRC ainsi que la validité du modèle analytique du treillis. Un comportement de type multifissurant ou pull-out du TRC sensible à son procédé de mise en oeuvre a également été mis en avant

Les Bétons Fibrés à Ultra hautes Performances (BFUP) se caractérisent par une résistance en compression bien supérieure à celle des BTHP couverts par la normalisation, une excellente durabilité et l'emploi d'un assez fort taux de fibres métalliques modifiant le recours habituel aux armatures. Ils sont notamment marqués par une résistance à la traction élevée. Cependant, selon le pourcentage volumique et le(s) type(s) de fibres initialement prévus dans la formulation et l'orientation réelle des fibres dans la structure vis-à-vis des directions principales de traction, leur comportement en traction peut être adoucissant ou écrouissant. Ces deux comportements nécessitent une approche différente pour assurer la sécurité du dimensionnement. Dans un premier temps, des méthodes de caractérisation du comportement en traction des BFUP ont été mises au point de manière à déterminer quel comportement va se mettre en place pour un BFUP et un élément structurel donné, en s'appuyant sur l'essai de flexion quatre points réalisé sur éprouvette non-entaillée. Cet essai nécessite l'utilisation d'une analyse inverse afin d'obtenir la loi de comportement " contrainte-déformation " (dans le cas d'un BFUP écrouissant en traction directe) ou " contrainte-ouverture de fissure " (dans le cas d'un BFUP adoucissant en traction directe). La configuration de l'essai de flexion quatre points pouvant entraîner des artefacts, elle nécessite un raccordement avec l'essai de traction directe. Pour valider ce raccordement, une méthode d'essai permettant de tester des corps d'épreuve de dimensions identiques en flexion et en traction directe a été mise au point. Les résultats de l'analyse inverse des essais de flexion ont été comparés à ceux des essais de traction directe. La comparaison a notamment permis de démontrer la robustesse des méthodes d'analyse proposées en particulier vis-à-vis de la cohérence de la discrimination écrouissant/adoucissant à partir du relevé de fissures sur chaque éprouvette. Dans un second temps, des méthodes de calcul adaptées à une approche type " contrainte - ouverture de fissure " ou " contrainte - déformation " ont été testées ou développées afin de prédire la résistance ou le comportement des poutres en BFUP soumises à des sollicitations concomitantes de flexion et d'effort tranchant. Cette configuration de sollicitation fait en effet intervenir de façon critique le comportement en traction du matériau. Pour valider ces méthodes de calculs, onze poutres en BFUP armé ou précontraint, avec ou sans armatures transversales et avec ou sans fibres (métalliques ou organiques) ont été testées sous une configuration de flexion conduisant à une rupture par effort tranchant. La caractérisation simultanée du comportement mécanique des BFUP à l'échelle du matériau en prenant en compte l'orientation réelle des fibres au sein des poutres, qui constitue une originalité de ce programme, s'est avérée particulièrement importante pour constater l'interaction entre le matériau, la géométrie de la structure et le procédé de mise en œuvre du BFUP sur l'orientation des fibres. Les méthodes d'analyse des essais de flexion quatre points mises au point ont permis d'évaluer quantitativement l'influence de la structure sur les paramètres caractérisant le comportement en traction du BFUP, notamment la déformation correspondant à la localisation de la fissure et marquant la fin du comportement global " pseudo-plastique ". Les conditions de synergie d'éventuelles armatures transversales et du BFUP vis-à-vis de la résistance à l'effort tranchant, ont pu être mises en évidence. Pour étendre l'analyse, la capacité de l'approche en " contrainte - ouverture de fissure " à prédire la résistance de poutres soumises à des sollicitations concomitantes de flexion et d'effort tranchant a été testée. L'approche en " contrainte - déformation " a également été appliquée, contribuant au développement et à la validation de méthodes élastoplastiques adaptées aux BFUP

Cette thèse s’intéresse à l’étude l’effet de la corrosion sur les propriétés mécaniques des armatures corrodées et les performances mécaniques résiduelles des poutres corrodées. L’étude est basée sur deux poutres corrodées notées B2CL2 et B2CL3, conservées respectivement 26 ans et 28 ans en ambiance saline. Deux poutres non corrodées B2T2 et B2T3 conservées en conditions ambiantes ont également été testés afin d’identifier l'effet de la corrosion indépendamment du vieillissement.Les propriétés mécaniques des armatures corrodées ont été étudiées par des essais de traction.La limite d'élasticité et résistance à la rupture ont été étudiées sur la base de la section transversale résiduelle évaluée par perte de masse. Les résultats ont montré que les effets de la corrosion sur la diminution ductilité étaient très importants. La forme de la section transversale résiduelle apparait comme étant un paramètre essentiel affectant la ductilité de l'armature.Les performances résiduelles en flexion des poutres corrodées ont été étudiées. Les résultats montrent que la corrosion réduit la capacité portante et de façon plus significative, la flèche maximale à rupture en raison d’un changement de mode de rupture. La diminution de la charge de plasticité apparait en relation avec la perte de section d’acier tendu due à la corrosion Des poutres de portées courtes ont été réalisées à partir des poutres corrodées après les essais de flexion. Les tests mécaniques ont été effectués en flexion pour vérifier la réponse des poutres courtes corrodées. Les poutres courtes corrodées ont péri en flexion avec une bonne ductilité tandis que les poutres courtes non corrodées ont péri comme prévu en cisaillement suivant un mode de rupture fragile, qui a montré que la corrosion de l'armature pouvait modifier les modes de défaillance.Les produits de corrosion ont été recueillis à partir de l'armature corrodée de B2Cl3. Des expériences XRD et TG ont été menées afin d'identifier la composition des produits de corrosion. Le coefficient d'expansion des produits de corrosion a été déduit, ce qui pourrait être utile pour les recherches futures concernant le mécanisme de fissuration du béton d'enrobage. / The thesis aims to study the influence of chloride corrosion on the mechanical properties ofthe reinforcement and RC beams. The experiments were based on two corroded beams named B2Cl2 and B2Cl3, with a corroded age of 26 years and 28 years respectively. Two noncorroded beams B2T2 and B2T3 which were cast in the same condition and same time were also tested in order to make clear the corrosion effect.The mechanical properties of the corroded reinforcement were investigated by the tensiontests. The yield strength and ultimate strength were studied based on the residual gravimetrical cross-section. The results found that the impact of corrosion on the ductility was more significant than that of the strength. The shape of residual cross-section was considered to be in deep relationships with the ductility of the reinforcement.The flexural performances of the beams were studied. The results showed that the corrosion deteriorated the capacity and the ductility of the corroded beams. The corrosion degree of reinforcement was found in linear with the residual yield capacity of the corroded beams.The short-span beams were formed from the corroded beams after bending tests. Mechanical tests were carried out directly to check the response of the corroded beams. The corroded short-span beams failed in bending mode with good ductility while the non-corroded beams performed a brittle shear failure mode, which showed that the corrosion of reinforcement could change the failure modes.The corrosion products were collected from the corroded reinforcement of B2Cl3. XRD andTG experiments were conducted so as to identify the composition of the corrosion products.The expansive coefficient of the corrosion products was deduced, which could be helpful forthe further research on the cracking mechanism of the concrete cover

Les Bétons Fibrés à Ultra hautes Performances (BFUP) se caractérisent par une résistance en compression bien supérieure à celle des BTHP couverts par la normalisation, une excellente durabilité et l'emploi d'un assez fort taux de fibres métalliques modifiant le recours habituel aux armatures. Ils sont notamment marqués par une résistance à la traction élevée. Cependant, selon le pourcentage volumique et le(s) type(s) de fibres initialement prévus dans la formulation et l’orientation réelle des fibres dans la structure vis-à-vis des directions principales de traction, leur comportement en traction peut être adoucissant ou écrouissant. Ces deux comportements nécessitent une approche différente pour assurer la sécurité du dimensionnement. Dans un premier temps, des méthodes de caractérisation du comportement en traction des BFUP ont été mises au point de manière à déterminer quel comportement va se mettre en place pour un BFUP et un élément structurel donné, en s’appuyant sur l’essai de flexion quatre points réalisé sur éprouvette non-entaillée. Cet essai nécessite l’utilisation d’une analyse inverse afin d’obtenir la loi de comportement « contrainte-déformation » (dans le cas d’un BFUP écrouissant en traction directe) ou « contrainte-ouverture de fissure » (dans le cas d’un BFUP adoucissant en traction directe). La configuration de l’essai de flexion quatre points pouvant entraîner des artefacts, elle nécessite un raccordement avec l’essai de traction directe. Pour valider ce raccordement, une méthode d’essai permettant de tester des corps d’épreuve de dimensions identiques en flexion et en traction directe a été mise au point. Les résultats de l’analyse inverse des essais de flexion ont été comparés à ceux des essais de traction directe. La comparaison a notamment permis de démontrer la robustesse des méthodes d’analyse proposées en particulier vis-à-vis de la cohérence de la discrimination écrouissant/adoucissant à partir du relevé de fissures sur chaque éprouvette. Dans un second temps, des méthodes de calcul adaptées à une approche type « contrainte – ouverture de fissure » ou « contrainte – déformation » ont été testées ou développées afin de prédire la résistance ou le comportement des poutres en BFUP soumises à des sollicitations concomitantes de flexion et d’effort tranchant. Cette configuration de sollicitation fait en effet intervenir de façon critique le comportement en traction du matériau. Pour valider ces méthodes de calculs, onze poutres en BFUP armé ou précontraint, avec ou sans armatures transversales et avec ou sans fibres (métalliques ou organiques) ont été testées sous une configuration de flexion conduisant à une rupture par effort tranchant. La caractérisation simultanée du comportement mécanique des BFUP à l’échelle du matériau en prenant en compte l’orientation réelle des fibres au sein des poutres, qui constitue une originalité de ce programme, s’est avérée particulièrement importante pour constater l’interaction entre le matériau, la géométrie de la structure et le procédé de mise en œuvre du BFUP sur l’orientation des fibres. Les méthodes d’analyse des essais de flexion quatre points mises au point ont permis d’évaluer quantitativement l’influence de la structure sur les paramètres caractérisant le comportement en traction du BFUP, notamment la déformation correspondant à la localisation de la fissure et marquant la fin du comportement global « pseudo-plastique ». Les conditions de synergie d’éventuelles armatures transversales et du BFUP vis-à-vis de la résistance à l’effort tranchant, ont pu être mises en évidence. Pour étendre l’analyse, la capacité de l’approche en « contrainte – ouverture de fissure » à prédire la résistance de poutres soumises à des sollicitations concomitantes de flexion et d’effort tranchant a été testée. L’approche en « contrainte – déformation » a également été appliquée, contribuant au développement et à la validation de méthodes élastoplastiques adaptées aux BFUP / Ultra High Performance Fiber Reinforced Concrete (UHPFRC) are characterized by a compressive strength much higher than Very High Performance Concrete (VHPC) currently considered by standardisation, an excellent durability and the use of relatively high content of fibers. In particular, their tensile strength is quite important. Nevertheless, depending on fibers ratio and fibers types forecasted in the initial mix design and the real orientation of fibers in the structure compared with the main tensile directions, UHPFRC can exhibit either strain-softening or strain-hardening tensile behaviour. Each considered behaviour needs specific approaches in order to ensure a safe design. In a first time, characterization methods of UHPFRC tensile behaviour have been developed in order to determine which type of behaviour will occur considering a given UHPFRC and structure. These methods are based on the four point bending test. An inverse analysis of the results of this experimental method permits to deduce the “stress – strain” relationship (in the case of hardening UHPFRC) or “stress – crack opening” relationship (in the case of softening UHPFRC). The results depend on assumptions assumed during the inverse analysis. Thus, we have developed analysis methods which minimize the number of hypothesis in order to predict the most realistic behaviour law. The four point bending test configuration can involve artefacts. A comparison with direct tensile test is then necessary. In order to conduct this comparison, a direct tensile test method has been developed. It permits to use specimens with the same cross-section for direct traction and for the four point bending configuration. The results obtained from four point bending tests associated with the inverse analysis have been compared to those obtained with direct tensile tests. This comparison has been achieved using results of an experimental campaign considering different specimens sizes and two UHPFRC. Such comparison allows to highlight the effectiveness of the proposed method and particularly, its capability to deduce a strain-hardening or strain-softening behaviour of the material from observed crack patterns. In a second time, calculation methods adapted for « stress – crack opening » or « stress – strain » approaches have been tested or developed in order to predict the ultimate capacity or behaviour of UHPFRC beams submitted to a coupled shear and bending loading. Indeed, for this loading configuration, the tensile behaviour of the material is a main parameter. In order to validate the proposed calculation methods, eleven beams made of reinforced or prestressed UHPFRC, with or without stirrups and with or without fibers (metalics organics) have been tested in bending conducting to shear failure. The concomitant characterization of the UHPFRC mechanical behaviour at the “material scale”, taking into account the real orientation of fibers within the beams, constitutes an originality of this program. It has been useful to analyze the interaction between material, structure configuration and casting method on the orientation of fibers. Moreover, developed analysis methods of four point bending tests have been used to evaluate the influence of the structure (real orientation of fibres, influence of an eventual prestress or the structure configuration) on the parameters characterizing the tensile behaviour of the UHPFRC, in particular the strain corresponding to the localization of a critical crack. The conditions of additional contribution of UHPFRC and eventual stirrups in the shear capacity of the beam have been described. In order to extend the analysis, the approach based on the “stress – crack opening” relationship has been tested in order to predict the shear capacity of beams. The approach based on “stress – strain” relationship has also been applied, participating to the development and the validation of elastoplastic methods adapted to UHPFRC

Ce travail est destiné à mettre au point une méthode de dimensionnement à l'état limite ultime des structures en béton armé fondée sur le calcul à la rupture. La méthode propose une analyse bidimensionnelle, en contrainte plane, dans laquelle les armatures sont représentées comme des milieux continus unidimensionnels plongés dans le béton considéré comme un milieu continu bidimensionnel (modélisation mixte). Appliquant la méthode à la prise en compte de l'effort tranchant dans le dimensionnement des poutres en flexion, on propose de modéliser le renforcement transversal des poutres par la procédure d'homogénéisation en calcul à la rupture, tout en conservant une modélisation discrète des armatures longitudinales. Ayant choisi des critères de résistance simplifiés pour le béton et les armatures, on montre ensuite les limites d'une approche unidimensionnelle du dimensionnement des poutres par le calcul à la rupture. On développe donc une approche numérique fondée sur la programmation linéaire dans le cadre de la méthode des éléments finis. Cette dernière approche permet ainsi d'évaluer l'influence de l'effort tranchant sur la résistance des poutres et de déterminer le domaine de validité de l'approche unidimensionnelle proposée précédemment. La modélisation et l'approche numérique sont finalement validées par comparaison avec des résultats expérimentaux.

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

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

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