Les nouvelles méthodes de réparation et de réhabilitation des structures ont toujours préoccupé les ingénieurs civils. Le climat rigoureux de notre pays, et le vieillissement rapide de nos structures qui en résulte, amènent des coûts énormes pour les propriétaires des structures. L'utilisation des matériaux composite s'avère une méthode de plus en plus courante lors de la réfection des structures en béton armé. En effet, ces matériaux ne sont utilisés que depuis environ dix ans, mais ils ont su démontrer jusqu'à maintenant de nombreux avantages. L'objectif de cette recherche est de décrire le comportement des poutres en béton armé renforcées avec des matériaux composites. Le collage de ce type de matériaux sur les poutres en béton armé permet d'augmenter leur résistance ultime en flexion et en cisaillement. À ce jour, il n'y a pas de norme concernant la conception d'un renforcement avec ces matériaux. Ce mémoire propose alors un modèle permettant de prédire le comportement des poutres en béton armé renforcées avec ces matériaux et suggère une méthode de conception pour le renforcement en flexion et en cisaillement. Les modèles expliqués se basent sur les normes existantes de béton armé, mais considèrent l'ajout du matériau composite sur le comportement de l'ensemble. Les modèles étudiés ont permis l'élaboration de logiciels d'analyse qui permettent d'aider les concepteurs à bien utiliser ces nouveaux matériaux. Ainsi, avec la description des méthodes de conception et de leur validation avec les résultats obtenus en laboratoires par Lamothe (1999), les ingénieurs ont maintenant une référence supplémentaire pour effectuer les calculs de conception et utiliser adéquatement ces matériaux d'avant-garde que sont les composites.

Ce mémoire, scindé tout au long de ses chapitres entre deux projets distincts de caractérisation de matériaux, présente les aspects expérimentaux d'une étude sur les joints d'aluminium collés d'une part et les matériaux composites à fibres courtes orientées aléatoirement d'autre part.Ce travail s'est effectué au sein d'une entreprise ; ceci explique l'importance accordée à une approche industrielle des sujets de recherche. La revue de littérature sur ces secteurs innovants a permis d'influencer les choix techniques et d'orienter les étapes pratiques. Les propriétés de base, notamment en termes de rigidité et de résistance, ont été caractérisées à l'aide de tests mécaniques normalisés. D'autres mesures ont aussi été faites par des méthodes plus variées comme la microscopie, les ultrasons, l'analyse thermomécanique. Finalement, les résultats ont permis de mieux connaître ces matériaux et les technologies associées (pour le collage notamment) et de procurer des données expérimentales fiables et concrètes en vue d'une optimisation des structures faisant appel à ces techniques. Dans le cas du collage, l'importance du traitement de surface a été prouvée, et plusieurs paramètres intervenant dans ce procédé d'assemblage ont pu être étudiés (température, épaisseur du joint, géométrie). La résistance importante du collage a aussi été démontrée, tant en statique (21 MPa) qu'en limite d'endurance. Pour l'étude des composites, les points faibles d'une coque de bateau ont pu être identifiés et une classification des propriétés dans la structure proposée (trois zones de résistances comprises entre 21 et 36 MPa). L'impact de la densité de la résine et de la quantité de fibres, de même que l'influence de l'orientation des fibres ont été abordés dans ce problème. Enfin, une étude en flexion a permis de chiffrer un écart de 35,4 % entre la déformation relevée à la fissure du revêtement gel-coat, en surface donc uniquement esthétique, et celle du composite lors de son bris structural.

Bien que les matériaux composites soient déjà très largement utilisés dans de nombreux domaines il n’en demeure pas moins qu’ils présentent toujours des pistes de développement et d’améliorations. Cela vise principalement à accroitre leurs performances et leur légèreté. La recherche sur l’utilisation de fibres naturelles et résines bio-sourcées dans la fabrication de composites s’est intensifiée avec le désir des entreprises de réduire les coûts de production, de recycler leurs produits et d’afficher une image « verte ».Ce projet s’inscrit dans ce cadre puisqu’il a pour but de caractériser l’effet d’un traitement de fibres naturelles sur les performances de matériaux composites. Le traitement réalisé sera le revêtement de fibres de lin par une couche mince de dioxyde de titane. Bien que de nombreux traitements sur les fibres visant à les rendre plus performantes existent déjà ce traitement permet de conserver le caractère biocompatible des fibres naturelles, d’améliorer leur résistance thermique et de diminuer leur capacité d’absorption d’humidité. De plus la nature de la matrice de ces composites sera amenée à varier pour étudier l’influence de ce traitement de surface sur l’adhésion interfaciale fibre/matrice. Le but de ce projet est d’étudier l’effet d’un traitement au dioxyde de titane réalisé par un procédé sol gel sur les performances mécaniques de composites. Cette caractérisation se fera à travers divers tests comme ceux de tension, cisaillement ou encore absorption d’humidité afin d’évaluer sur quels paramètres le traitement à une influence.

À l'heure actuelle, il existe de nombreuses machines de la vie quotidienne instrumentées avec des capteurs responsables de récolter des données. Plusieurs de ces capteurs sont installés dans le but d'exploiter les données à des fins de diagnostic. Dans la plupart des cas, les données abondantes et complexes ne peuvent être analysées facilement par un être humain. Ces données ne sont souvent que très partiellement exploitées. Ceci est également le cas dans le domaine de l'aéronautique. Le fonctionnement moderne des avions commerciaux génère de vastes quantités de données issues non seulement des capteurs à bord de l'avion, mais aussi des données obtenues à partir des procédures de maintenance. Comme pour des machines de la vie quotidienne, ces données ne sont pas exploitées de manière suffisamment efficace. Le pronostic par exploitation de données, basé sur des algorithmes d'apprentissage, est depuis peu envisagé dans le traitement des données. Ce projet présente son application dans le domaine de l'aéronautique pour la prédiction de la durée de vie résiduelle des structures en composite faisant partie d'un avion suite à un endommagement par impact. Ce mémoire par articles est divisé en cinq parties. Les principaux sujets traités concernent les matériaux composites, la propagation d'ondes, la surveillance embarquée des structures ainsi que la méthode de pronostic. La première partie expose l'état de l'art. La seconde partie présente une étude de la propagation des ondes guidées dans une structure transparente et isotrope contenant un ou plusieurs défauts. Cette étude est menée à l'aide d'un système de surveillance piézocéramique qui peut lui aussi être affecté d'un défaut. Les résultats obtenus démontrent que la couche adhésive sous les capteurs piézocéramiques se dégrade avec la présence d'impact. Des courbes de calibration expérimentales peuvent être construites pour compenser la dégradation de la couche adhésive suite à un impact. En détectant et en compensant une dégradation du système de surveillance piezocéramique ceci permet une amélioration de la robustesse du pronostic. Le troisième chapitre présente une étude des ondes guidées dans une structure isotrope et opaque. Plutôt que d'utiliser des courbes de calibration expérimentales, un modèle numérique est développé. Ce modèle rend possible la compensation de défauts dans les systèmes de surveillance piézocéramiques installés sur des métaux et sur des matériaux composites. Les quatrième et cinquième parties dérivent l'étape de pronostic. Dans un premier temps le traitement des données d'un système de surveillance piézocéramique monté sur des échantillons en composite est présenté. Suit la transformation des informations brutes mesurées par les transducteurs en paramètres permettant d'identifier des tendances lors d'un dommage important sur l'échantillon. Ces paramètres sont alors entrés dans les modèles basés sur des algorithmes d'apprentissage génériques. La cinquième partie détaille la méthode de compensation d'une dégradation du système de surveillance piézocéramique en exploitant les données récoltées identifiées dans les deux premières études (chapitre deux et trois).

Une des problématiques liées à l'utilisation des matériaux composites dans les structures tient à la difficulté de prévoir l'effet des variabilités inhérentes à ce type de matériau sur le comportement mécanique. Les propriétés d'une structure composite dépendent non seulement du procédé, mais aussi des matières premières et des choix de conception. Dans le but d'introduire des variabilités géométriques dans le calcul numérique des pièces composites, on part dans ce travail de l'hypothèse que les variations des grandeurs géométriques ne sont pas distribuées totalement aléatoirement, mais que celles-ci suivent des évolutions spatiales continues. Pour que les valeurs d'entrée qui nourrissent le modèle numérique soient basées sur la réalité du matériau, l'identification et la quantification des plages de variabilités et de leurs évolutions sont réalisées sur la période de la fabrication de plaques composites CFRP comptant ici 16 plis avec une stratification quasi isotrope et polymérisées en autoclave. Parmi les sources de variabilité identifiées et quantifiées, l'étude de la répartition des désalignements des fibres dans le plan et de l'évolution des variations des épaisseurs des plis a mené à la proposition de lois mathématiques d'évolution spatiale basées sur la réalité du matériau dans la pièce. Ces lois mathématiques sont ensuite utilisées pour récréer numériquement plusieurs structures composites différentes de la structure observée mais qui possèdent des valeurs de dispersions des propriétés similaires aux plaques réelles. Enfin, les structures numériques sont analysées dans un modèle éléments finis pour évaluer l'impact des dites variabilités géométriques et matériaux sur les propriétés mécaniques de la structure finale au travers de plusieurs études de cas. / One of the major challenges related to the use of composite materials in structural applications is the difficulty to predict the effect of their inherent variabilities on the mechanical behaviour for such materials. The structural properties do not only depend on the fabrication process, but also depend on the raw materials and design considerations. The major goal of this thesis is the introduction of geometrical variabilities into a finite element (FE) model starting from the hypothesis that geometrical variations are not completely randomly distributed, but they maintain a spatial continuous evolution. To guarantee that the input parameters of the FE model are based on the reality of the material, the identification and quantification of the variability distributions together with their spatial evolutions are performed during the fabrication of CFRP composite plates. These plates have a 16 ply quasi-isotropic stratification and are cured in autoclave. Among the identified and quantified variability sources, the study of the in plane fibre misalignments and the evolution of the ply thickness variations has conducted to the proposition of mathematical representations of the spatial evolution of these variables based on the material reality. These mathematical representations are used to recreate different sets of virtual composites structures maintaining dispersion values similar to the real plates. Finally, the virtual structures are analysed in the FE model to evaluate the impact of such geometrical and material variabilities on the mechanical properties of the final structure.

Les structures aéronautiques sont aujourd’hui largement réalisées à partir de matériaux composites, permettant ainsi d’en diminuer la masse. L’impact sur structure composite est une des sources de dommage la plus courante et la plus pénalisante. L’objectif de cette thèse est de développer un modèle prédictif d’impact sur stratifiés unidirectionnels de faible épaisseur afin, dans un premier temps, de mieux comprendre les mécanismes d’endommagement mis en jeu et, dans un deuxième temps, de pouvoir proposer des pistes d’amélioration de la tenue de ces structures. La première étape de ces travaux a consisté à développer un modèle éléments finis explicite de stratifiés composite unidirectionnel, en s’appuyant sur les travaux d’impact sur pale d’hélicoptère réalisés par F. Pascal. Ainsi, un nouvel élément capable de représenter le comportement à l’impact des plis unidirectionnels a été formulé. Le comportement des paquets de fibres est représenté par des éléments barres stabilisés grâce à des éléments 2D spécifiques. La dégradation de ces éléments est pilotée par des lois d’endommagement déduites d’observations expérimentales. La stratégie de modélisation proposée a été identifiée sur la base d’essais expérimentaux pour deux matériaux : T700/M21 et HTA7/913. Les résultats donnés par le modèle ont ensuite été validés par une comparaison avec des essais d’impact à basse vitesse. Enfin, dans le but d’optimiser la tenue des stratifiés, des impacts à basse et moyenne vitesse sur des stratifiés hybrides unidirectionnels/tissus composites ont été étudiés expérimentalement et numériquement grâce à la stratégie de modélisation proposée. / Today, composite materials are largely used in the manufacturing of aeronautical structures, in order to lighten their weight. Impact on composite structures is one of the most detrimental loading. The present study aims to develop a predictive modelling of impacts on thin unidirectional laminates in order to, firstly, better understand the damage mechanisms involved, and, secondly, be able to provide guidance for a strength improvement of these structures. First, an explicit finite element modelling of unidirectional laminates is developed based on the work of F Pascal dealing with impact modeling on helicopter blades. Thus, a new element that can represent the impact response of unidirectional plies is formulated. The behavior of the bundle of fibers is modeled with rod elements stabilized with specific 2D elements. The degradation is managed using damage based on experimental observations. The parameters of the proposed modelling strategy are identified on the basis of experimental tests carried out on T700/M21 and HTA7/913 composites. The results provided by the modeling are then validated by a comparison with experimental low velocity impact results. Finally, in order to improve the laminate strength, low velocity and medium velocity impacts on hybrid unidirectional/woven composite laminates are studied experimentally and with the developed modelling strategy.

La réhabilitation parasismique de piliers de ponts et de poteaux de bâtiments en béton armé peut être réalisée efficacement par le confinement à l'aide de polymères renforcés de fibres de carbone (PRFC), ce qui a été étudié dans le présent projet par des essais en compression-flexion sur huit poteaux, dont quatre ont été réhabilités avec des PRFC. Les ponts, viaducs et bâtiments canadiens construits selon les codes de conception datant d'avant les années 1970 sont propices à subir d'importants dommages lors d'un séisme et même à poser un risque pour la sécurité des utilisateurs/occupants. Depuis, les normes parasismiques ont été grandement améliorées. De plus, avec le vieillissement des infrastructures, des dilemmes importants forcent les décideurs à choisir entre la réhabilitation et la reconstruction. Il importe de quantifier l'amélioration de la performance sismique apportée par le confinement des poteaux avant d'adopter cette technique à grande échelle. Pour cela, il faut étudier la ductilité et la résistance des poteaux confinés et non confinés et évaluer l'amélioration de la capacité de dissipation de l'énergie sismique. Les résultats ont de plus été comparés aux prédictions du modèle de confinement de Eid et Paultre afin d'évaluer la précision de ce modèle. Pour répondre à ces objectifs, huit spécimens ont été construits, quatre ont été réhabilités et tous les poteaux ont été testés par chargements axial constant et latéral cyclique. L'espacement des étriers, le niveau de charge axiale ainsi que l'usage de confinement ont été étudiés. Des courbes d'hystérésis ont ensuite été tracées afin de calculer les gains en capacité de dissipation d'énergie sismique. L'hypothèse de départ était que les poteaux confinés reprendraient une charge latérale maximale légèrement plus élevée, mais surtout qu'ils se déformeraient davantage et qu'ils dissiperaient plus d'énergie avant la rupture. Cette recherche vient combler un manque criant de données expérimentales sur le comportement en flexion-compression des poteaux confinés à l'aide de PRF. Les prochaines recherches pourront se baser sur ces résultats pour explorer d'autres paramètres expérimentaux et éventuellement proposer des articles de normes.

Ce rapport présente les recherches qui ont été effectuées en vue de considérer l'utilisation des matériaux composites dans les lignes aériennes de transport d'énergie électrique. Le présent document débute par une introduction présentant quelques généralités sur les matériaux composites, telles que les constituants du matériau (fibres, résines, charges et additifs) et les procédés de fabrication. Dans cette introduction, on présente également les choix des fibres, des résines, des charges et des additifs qui sont spécialement utilisés dans le domaine du transport d'énergie électrique, sans oublier les caractéristiques et les avantages des matériaux composites pour une utilisation dans ce domaine. Cette section se termine en présentant les principaux fabricants nord-américains de profilés en matériaux composites servant des applications du génie civil. Les méthodes de calcul nécessaires à la conception de structures en matériaux composites sont par la suite présentées dans ce rapport. Les notions et les équations requises pour la conception de profilés en matériaux composites, selon la norme européenne Eurocomp, sont résumées : principes de conception en tension, en compression, en flexion, en cisaillement, ainsi que les principes de stabilité tels que le voilement de l'âme sous charges concentrées, le flambement et les effets combinés. On présente également d'autres méthodes de conception de membrures en matériaux composites qui ont été trouvées et analysées lors de la recherche bibliographique effectuée sur le sujet. On y expose, notamment, les principes de plusieurs manuels de dimensionnement de divers fabricants et les équations de chercheurs tels que Barbero, Lekhnitskii, Kollár, Qiao & Shan et Pecce & Cosenza. Au coeur de ce rapport, on retrouve le programme expérimental mis en place pour évaluer les principes de calcul précédemment énumérés dans le document. La méthode pour déterminer les propriétés mécaniques des profilés en matériaux composites testés en laboratoire ainsi que les résultats obtenus des essais sur les coupons sont résumés. On y présente également les essais en compression et en flexion qui ont été effectués dans les laboratoires de l'Université de Sherbrooke sur des membrures en matériaux composites telles que des cornières, des tubes carrés et rectangulaires, ainsi que des poutres section en I et en H. Une comparaison entre les résultats expérimentaux et les méthodes existantes de conception de profilés en matériaux composites est ensuite faite pour chacune des membrures testées en laboratoire. Le coeur du rapport se termine par la présentation des conceptions de structures en fibre de verre réalisées pour une ligne aérienne de transport d'énergie électrique de 69 kV. On retrouve donc dans cette section les hypothèses de calcul qui ont été utilisées pour la détermination des charges, les configurations des structures employées, la norme et les principes de conception qui ont été suivis, un résumé des membrures composant les structures ainsi qu'une analyse des coûts de cette ligne de 69 kV en matériaux composites. Le rapport se termine par une conclusion qui fait un retour sur les points importants exposés dans ce mémoire.

Corrosion of steel reinforcement causes continual degradation to the worldwide infrastructures and it has prompted the need for challenges to those involved with reinforced concrete structures. Recently, the use of fibre-reinforced polymers (FRP) tubes as structurally integrated stay-in-place forms for concrete members, such as beams, columns, bridge piers, piles and fender piles has emerged as an innovative solution to the corrosion problem. In such integrated systems, the FRP tubes may act as a permanent form, often as a protective jacket for concrete, and especially as external reinforcement in the primary and secondary directions such as for confinement. Furthermore, the use of concrete-filled FRP tubes (CFFT) technique is predicated on performance attributes linked to their high strength-to-weight ratios, expand the service life of structures, enhance corrosion resistance, and potentially high durability. This dissertation evaluates the axial and flexural performances of reinforced CFFT through experimental and analytical investigations. The details description and the findings of the investigations are presented through seven articles. To fulfill the objectives of this research, an experimental program has been designed including pure compression tests (33 specimens), axial-eccentric load tests (4 specimens) and pure flexure tests (10 specimens). Experimental investigations of the behaviour of CFFT have generally been carried out without using internal longitudinal reinforcement. The CFFT system of this study consists basically of filament-wound glass FRP tubes filled with concrete and reinforced internally with steel or FRP bars. Five types of new FRP tubes have been used with different thicknesses and two different diameters, 152 and 213 mm. Pure compression tests have been conducted on 40 specimens with a total height ranging from 305 mm to 1520 mm. One of the main objectives of testing these specimens is to evaluate the design equations of the North American codes and design guidelines to predict the ultimate load capacities of reinforced and unreinforced short CFFT columns. In addition, the effect of three parameters and their interactions on the buckling behaviour were investigated for these specimens; namely, the FRP tube thickness, concrete compressive strength, and slenderness ratio. The effect of eccentric load on the behaviour of four CFFT specimens of diameters 152mm and long 912mm, has been evaluated using four different eccentricity values (15, 30, 45 and 60 mm). Based on the finding of experimental and theoretical investigation for the CFFT columns, a new confinement model is proposed for the confined concrete compressive strength of the CFFT cylinders. Also, the design equations are modified to accurately predict the ultimate and yield loads capacities of internally reinforced and unreinforced short CFFT columns. In addition, the theoretical analysis was utilized to correlate the slenderness ratio of the CFFT columns to various material characteristics and geometric properties of the FRP tubes and concrete. It was found that a slenderness ratio of 12 gave a safe value for the design purposes. However a more precise formula for the slenderness ratio was proposed to control the buckling mode of failure. Pure flexural tests have been conducted on 10 RCFFT and RC beams of a total length 2000 mm with constant diameter 213 mm. The test variables were the type of internal reinforcements (steel or GFRP bars), the FRP tube thickness, concrete compressive strength and the type of transverse reinforcements (spiral steel or FRP tubes). The influence of the considered variables on the flexural behaviour of the tested RCFFT beams is presented. A simplified analytical method is developed to predict the yield and resisting moments corresponding to the failure modes of the tested RCFFT beams. The analysis was conducted according to the equations derived from linear elastic analysis. This analysis was found to be acceptable for predicting the ultimate and yield moments capacities of the FRP or steel-RCFFT beams. In addition, an analytical investigation to examine the validity of the available design provisions for predicting the load-deflection response of CFFT is conducted. The effective moments of inertia of the tested beams are analyzed using the different available code, manuals and design guidelines equations. The results of the analysis are compared with the experimental values. It has been found that the predicted tension stiffening for steel or FRP-RCFFT beams using the conventional equations (steel or FRP-RC member) is underestimated and hence the predicted deflections are overestimated. Based on the experimental data obtained in this study, new proposed equations and a modified expression for the effective moment of inertia of a simply supported CFFT beams reinforced with steel or GFRP bars are introduced.

Parmi les méthodes les plus utilisées en inspection embarquée des structures (Structural Health Monitoring ou SHM), les techniques d’imagerie basées sur un modèle de propagation sont de plus en plus répandues. Pour les techniques d'imagerie basées sur un modèle de propagation, bien que ces techniques montent en popularité, la complexité des matériaux composites réduit grandement leur performance en détection d'endommagements comparativement aux démonstrations précédentes de leur potentiel sur des matériaux isotropes. Cette limitation dépend entre autres des hypothèses simplificatrices souvent posées dans les modèles utilisés et peut entraîner une augmentation des faux positifs et une réduction de la capacité de ces techniques à détecter des endommagements. Afin de permettre aux techniques d'imagerie basées sur un modèle d'offrir une performance équivalente à celle obtenue précédemment sur les structures métalliques, il est nécessaire d'exploiter des modèles de propagation considérant la dynamique complexe des ondes dans ce type de structures. Cette thèse présente les travaux effectués sur la modélisation de la propagation des ondes guidées dans les matériaux composites. En première partie, une amélioration simple des modèles de génération et de propagation est proposée afin de permettre de mieux reconstruire les signaux générés et propagés sur une structure composite. Par la suite, le potentiel de la technique « Excitelet » à détecter et positionner adéquatement un ou plusieurs endommagements sur un matériau, peu importe son empilement (d’un composite unidirectionnel à un matériau isotrope), est démontré tant pour le mode A[indice inférieur 0] que le mode S[indice inférieur 0]. Les résultats obtenus numériquement et expérimentalement démontrent une corrélation directe entre l'amélioration des modèles mathématiques derrière les techniques d'imagerie et la robustesse des techniques pour ce qui est de la précision sur le positionnement du dommage et du niveau de corrélation obtenu. Parmi les améliorations à la technique d'imagerie « Excitelet » proposées, une amélioration significative des résultats en imagerie est démontrée en considérant la distribution de cisaillement plan sous l’émetteur, ce qui est une nouveauté par rapport aux travaux de recherche précédents en imagerie. La performance de la technique d'imagerie via la modélisation de la propagation d'ondes guidées dans les laminés multicouches transverses isotropes est par la suite démontrée. Les équations de l'élasticité en 3D sont utilisées pour bien modéliser le comportement dispersif des ondes dans les composites, et cette formulation est par la suite implantée dans la technique d'imagerie « Excitelet ». Les résultats démontrent que l'utilisation d'une formulation mathématique plus avancée permet d'augmenter la précision quant au positionnement des dommages et à l'amplitude de la corrélation obtenue lors de la détection d'un dommage. Une analyse exhaustive de la sensibilité de la technique d’imagerie et de la propagation d’ondes aux conditions environnementales et à la présence de revêtement sur la structure est présentée en dernière partie. Les résultats obtenus montrent que la considération de la propagation complexe dans la formulation d’imagerie ainsi que la caractérisation des propriétés mécaniques « a priori » de l’imagerie améliorent la robustesse de la technique et confèrent à la technique « Excitelet » la capacité de détecter et positionner précisément un endommagement, peu importe le type de structure.