Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2012-2013. / Le comportement des bétons fibrés à ultra-hautes performances (BFUP) dépend fortement de l’orientation des fibres vis-à-vis de la direction des sollicitations. L’orientation des fibres étant principalement due à la mise en oeuvre de la structure, la ductilité d’un ouvrage s’en retrouve fortement dépendant. Dans ce mémoire de maîtrise, un modèle numérique est développé pour capturer l’effet de l’orientation des fibres via leurs mécanismes d’extraction. Il s’agit d’un modèle d’endommagement micromécanique, utilisé dans le cadre de la mécanique de la rupture linéaire élastique permettant de modéliser la propagation des fissures, la dissipation d’énergie et donc la ductilité de la structure. Cette approche permet également de rendre le modèle indépendant de la finesse du maillage et de modéliser l’effet d’échelle. Dans ce travail, les BFUP sont composés de fibres courtes en acier dont le pourcentage volumique est inférieur à 3%. La résistance en compression du BFUP est si grande que le matériau est admis être purement linéaire élastique en compression. Le modèle est implanté dans le logiciel Code_Aster pour calibration, validation et application sur des essais de traction et sur des essais de flexion quatre points : le modèle développé reproduit très bien ces résultats expérimentaux. / The behavior of ultra-high performance fiber reinforced concrete (UHPFRC) strongly depends on fibers’ orientations relatively to the direction of stresses. Fibers’ orientations are mostly due to concrete casting of the structure and therefore the ductility of a structure is highly dependent of those orientations. In this MSc thesis, a numerical model is developed to capture the effect of fiber orientation considering the fiber pull-out mechanism. A micromechanical damage model based on linear elastic fracture mechanics to model crack propagation, energy dissipation and thus structure’s ductility. This approach also corrects spurious mesh sensitivity and captures size effect. In this work, UHPFRC are made of short steel fibers with fiber content inferior to 3%. The compressive strength of UHPFRC is so important that the material is assumed to be purely linear elastic in compression. The model is implemented in Code_Aster software for calibration, validation and application on tensile tests and four-point bending tests : the developed model can reproduce these experimental results.

L'installation de l'armature de cisaillement dans les poutres en béton armé est souvent onéreuse et complexe. De plus, la fragilité de la rupture en cisaillement en fait un danger pour la sécurité du public. L'utilisation d'un béton renforcé de fibres (BRF) s'avère être une alternative intéressante pour fournir une résistance en cisaillement suffisante et éviter ce mode de rupture. Suite aux diverses études réalisées dans le passé par les chercheurs, certains points restent à analyser concernant les poutres en BRF. En effet, la majorité des études ont porté sur des poutres de petites tailles faites de béton renforcé de fibres d'acier. Il faut donc approfondir l'effet d'échelle et l'utilisation de fibres synthétiques. Des essais à la rupture en quatre points sur trois séries de poutres de tailles différentes (150x250x2200mm, 300x500x4400mm, 300x800x7100mm) ont été réalisées à l'Université de Sherbrooke par Tran [2009], Nguyen [2006] et Lavictoire [2010]. Le présent projet de recherche s'inscrit à la suite de leurs projets et consiste à compléter les essais déjà réalisés afin d'étudier l'effet d'échelle en présence de fibres. L'objectif est également d'analyser et de comparer l'apport des fibres utilisées (synthétiques et crochetées en acier) sur la résistance à l'effort tranchant des poutres en BRF. Des essais à la rupture ont été réalisés sur huit poutres dans le but de posséder des résultats pour des poutres avec les renforts en cisaillement suivant : aucun renfort, minimum d'étriers selon la norme CSA A23.3-04, taux volumiques de 0.5% et 1.0% de fibres d'acier et synthétiques. Parallèlement, des essais de caractérisation du comportement post-fissuration des BRF ont été réalisés conformément à la norme ASTM C1609/C1609M-10. Les résultats montrent que malgré une augmentation significative de la résistance à l'effort tranchant, les fibres ne parviennent pas à enrayer l'effet d'échelle. De plus, les deux types de fibre utilisés ont permis d'obtenir des résistances semblables avec un taux volumique de 0.5%. Alors qu'un taux de 1.0% de fibres d'acier a permis d'atteindre des résistances comparables aux poutres avec le minimum d'étriers selon la norme, l'utilisation de 1.0% de fibres synthétiques n'a pas eu d'effet notable comparativement à 0.5%. Les fibres ont également permis de retarder l'apparition des fissures diagonales et d'en réduire l'ouverture en comparaison aux poutres sans renfort en cisaillement sous chargement équivalent. Elles ont par ailleurs provoqué une augmentation de la rigidité des spécimens. Des tentatives d'estimation de la résistance en cisaillement des sept poutres en BRF du programme expérimental ont été réalisées en utilisant différentes valeurs de résistance post-fissuration obtenues par l'essai ASTM C1609/C1609M-10. Les données récoltées avec ce projet étant insuffisantes, davantage de recherches sont nécessaires afin de déterminer une équation de design adaptée aux poutres de BRF et un paramètre de résistance post-fissuration adéquat.

Les massifs en terre renforcés par géosynthétiques, à parement souple, sont couramment utilisés en France pour leur fonction de soutènement. L'étude présentée dans ce mémoire se focalise sur leur capacité à remplir également la fonction de portance lorsque le massif est chargé localement en tête. L'ouvrage rassemble ainsi toutes les fonctions d'une culée de pont. Une expérimentation en vraie grandeur est présentée en détail (programme GAR.D.E.N.) : deux différents profils instrumentés sont menés à la rupture à l'aide d'un chargement localisé en tête. Une méthode de prédimensionnement de ce type d'ouvrage est proposée. Il s'agit de l'adaptation de la méthode double-blocs basée sur le principe du calcul à l'équilibre limite. Cette méthode est en effet assez largement utilisée pour l'étude de la stabilité d'ouvrages non surchargés ou uniformément surchargés. Deux axes de développement sont abordés. D'une part le caractère déformable des renforcements est pris en compte. D'autre part, l'action localisée du chargement en partie supérieure du massif est modélisée par une nouvelle répartition de ces efforts qui assurent l'équilibre du massif renforcé surchargé. Ces approches sont satisfaisantes en comparaison aux données expérimentales.

Deterioration of reinforced-concrete (RC) structures due to corrosion of steel limits the service-life and increases the rehabilitation costs. Concrete slabs in parking structures deteriorate faster than any other structural elements because of direct exposure to high concentrations of chlorides used for snow and ice removal-during winter seasons. The use of fiber-reinforced polymer (FRP) bars as an alternative to conventional steel has emerged as a realistic and cost-effective solution to overcome the corrosion problems, particularly for concrete structure exposed to harsh environmental conditions. Design of RC flat slabs is often compromised by their ability to resist shear stresses at the punching-shear surface area. The connections between slabs and supporting columns could be susceptible to high shear stresses and might cause brittle and sudden punching-shear failure. These connections may become the starting points leading to catastrophic punching-shear failure of a flat slab system when the steel reinforcement corrodes. Extensive research work has been conducted on the punching-shear behaviour of steel-reinforced flat slabs. The punching-shear strength of RC flat slabs reinforced with glass fiber-reinforced polymer (GFRP) bars, however, is yet to be fully investigated and understood. This is due to the limited research work on the subject and to the numerous parameters affecting punching-shear behaviour. In addition, the current FRP design codes and guidelines do not provide rational design models addressing the contribution of the FRP as shear reinforcement (stirrups) for FRP-RC flat slabs. Thus, this study aims at investigating the punching-shear behaviour of concrete two-way slabs reinforced in flexure with GFRP bars. The investigation included two-way test specimens without shear reinforcement and others with carbon or glass FRP stirrups to evaluate the performance of specimens without shear reinforcement and the effect of shear reinforcement on the punching-capacity and performance. To achieve this, experimental and analytical studies were conducted. The experimental program included twenty-six interior slab-column connections reinforced with GFRP bars and two specimens reinforced with steel bars for comparisons. The specimens were tested through two phases. Phase I, focused on the two-way slabs without shear reinforcement and the investigated parameters were: (i) flexural reinforcement ratio (ranged from 0.34% to 1.66%) and type (steel and GFRP); (ii) GFRP compression reinforcement; (iii) slab thickness (200 mm and 350 mm); (v) column dimensions (300 × 300 mm and 450 × 450 mm); (iv) concrete strength (normal and high-strength concretes). Phase II, focused on the use of FRP shear reinforcement (stirrups) and its effectiveness and contribution to the punching-shear capacity. The test variables considered in Phase II were: (i) the material of stirrups (carbon and glass FRP); (ii) shear reinforcement ratio; (iii) stirrup spacing; (iv) the effect of flexural reinforcement ratio on the effectiveness of the shear reinforcement. The effect of the different parameters considered in the two phases of the experimental work were presented and discussed in four journal papers. Moreover, the test results and the findings contributed to the first field implementation of GFRP bars in two flat slabs parking garages in Québec's city, which were Québec's city hall (Québec, Canada, 2010) and La Chancelière parking garage (the world's first flat-slab parking garage totally reinforced with GFRP bars) (Québec, Canada, 2011). On the other hand, the analytical study included assessing the accuracy of the current punching-shear design provisions through comparing the test results of the specimens tested herein and 35 specimens from literature. The provisions included CSA 8806-12 (2012), ACI 440 (2006), BS 8110 (1997), and JSCE (1997).

L'industrie automobile est confrontée à la problématique de dimensionnement en fatigue de pièces structurelles en polymères thermoplastiques. En effet, de nombreux facteurs liés à l'environnement ou aux conditions de service influencent la tenue en fatigue. Les campagnes d'essais en fatigue classiquement menées sont longues (1 mois pour une condition donnée). L'objectif de cette thèse est d'accélérer la caractérisation en fatigue de ce type de matériau en utilisant des essais d'auto-échauffement. Une première analyse empirique est démontrée possible et permet d'estimer l'endurance limitée à 106 cycles. L'analyse des indicateurs mécaniques et de l'évolution de la microstructure (MEB et Micro-tomographie rayon X) durant les paliers de chargements confirme l'existence d'un seuil correspondant à cette endurance limitée. Dans un second temps, une méthode est proposée en associant un critère énergétique à la courbe d'auto-échauffement complète afin de prédire en moins de 2 jours une courbe de Wöhler déterministe. Ce critère est confronté à l'étude de facteur influent telle la géométrie de l'échantillon ou la reprise en eau du matériau. Une courbe unifiée reliant l'énergie dissipée par cycle au nombre de cycles à la rupture est proposée. Enfin, la méthode est appliquée avec succès à l'étude de structures.

Cette étude porte sur le comportement au cisaillement des poutres en béton léger fibré et renforcées par des barres de polymère renforcé de fibres de basalte (PRFB). Dix poutres (150x250x2400 mm) coulées avec du béton fibré ou non-fibré ont été testées en flexion. Deux poutres ont été coulées sans fibres (poutres contrôles) tandis que les huit autres poutres ont été coulées avec du béton contenant des différents types et pourcentages de fibres. Les paramètres étudiés comprenaient le type de fibres ajoutés au béton (fibres de basalte, de polypropylène et d’acier), la fraction volumique des fibres (0, 0,5 et 1,0%) et les taux de renforcement des barres de PRFB (0,95 et 1,37%). Une comparaison entre les résultats expérimentaux et les modèles analytiques actuellement disponibles dans la littérature a été réalisée pour évaluer l'applicabilité de tels modèles pour prévoir la capacité des poutres testées en cisaillement. Les résultats de la présente étude indiquent que la géométrie des fibres joue un rôle important dans l'augmentation du nombre de fissures que celles observées dans les poutres contrôles. L'ajout de fibres a entraîné une défaillance plus ductile et le taux d'ouverture des fissures était retardé. La largeur de la fissure a diminué avec l'augmentation des ratios de renforcement longitudinal et des fractions volumiques des fibres. L'augmentation du taux de renforcement longitudinal a entraîné une rigidité plus élevée et a diminué les flèches à tous les stades du chargement. Les poutres coulées avec 1% de fibres de basalte, de polypropylène et d'acier ont montré une augmentation dans leurs capacités de cisaillement par rapport aux poutres contrôles d'environ 11, 16 et 63%, respectivement. Le type de fibres affectait de manière significative le gain dans les capacités de cisaillement des poutres, ce qui était attribué aux différentes propriétés physiques et mécaniques des fibres utilisées, telles que leurs dimensions, leurs géométries, et leurs mécanismes de liaison avec le béton. Les poutres coulées avec des fibres en acier à 0,5% présentaient des capacités de cisaillement plus élevées que celles coulées avec des fibres de basalte et de polypropylène de 23 et 16% respectivement, alors que les poutres coulées avec des fibres en acier à 1% de volume présentaient un gain de 47 et 41%, respectivement, dans leurs capacités. Les capacités de cisaillement prévues selon les équations de la norme CSA-S806-12 étaient conservatrices avec un rapport moyen Vprév/Vexp de 0,80 (écart type, ÉT = 0,12) pour les poutres sans fibres. Les modèles établis par Shin (1994) et Gopinath (2016) ont fourni de bonnes prévisions quant aux capacités de cisaillement des poutres en béton renforcé de fibres de basalte avec des ratios moyens Vprév/Vexp de 1,34 (ÉT = 0,09) et de 1,35 (ÉT = 0,07), respectivement. De même, le modèle de Shin (1994) a bien prédit les capacités de cisaillement des poutres en béton armé de fibres de polypropylène avec un rapport Vprév/Vexp de 1,34 (ÉT = 0,18). Les modèles de Gopinath (2016), Ashour A (1992) et Shin (1994) ont prédit les capacités de cisaillement des poutres en béton armé de fibres d'acier assez raisonnablement avec des ratio Vprév/Vexp de 1,01 (ÉT = 0,06), 1,07 (ÉT = 0,01) et 1,20 (ÉT = 0,08), respectivement. Un nouveau modèle a été proposé pour prédire les capacités de cisaillement des poutres en béton léger fibré renforcées par des barres longitudinales PRFB. Le modèle proposé prédit bien les capacités de cisaillement des poutres en béton léger (avec des fibres de basalte) avec un rapport Vprév/Vexp de 1,01 (ÉT = 0,05) et celles des poutres en béton léger (avec des fibres de polypropylène) avec un rapport Vprév/Vexp de 0,99 (ÉT = 0,06). Le facteur de liaison et la matrice de liaison d'interface utilisés étaient respectivement 0,75 et 4,18 MPa. En même temps, le modèle proposé prédit bien les capacités de cisaillement des poutres coulées avec des fibres d’acier avec un rapport Vprév/Vexp de 0,9 (ÉT = 0,00) quand le facteur de liaison et la matrice de liaison d'interface utilisés étaient respectivement 1,0 et 6,8 MPa. / This study reports on the shear behavior of fiber-reinforced lightweight concrete (FRLWC) beams reinforced with basalt fiber-reinforced polymer (BFRP) bars. Ten beams (150x250x2400 mm) cast with concrete with and without fibers were tested under fourpoint loading configuration until failure occurred. Two beams were cast without fibers and acted as control while the other eight beams were cast with different types and percentages of fiber. The investigated parameters included the fiber type (basalt, polypropylene, and steel fibers), the fibers volume fraction (0, 0.5, and 1.0%), and the beams’ reinforcement ratios (0.95 and 1.37%). Comparison between the experimental results and the analytical models currently available in the literature was performed to assess the applicability of such models for LWC reinforced with BFRP bars. Based on the outcome of the current study, the geometry of fibers played an important role in increasing the number of cracks than those observed in the control beams. The addition of fibers led to a more ductile failure and the rate of crack opening was delayed. Crack width decreased with the increase of the longitudinal reinforcement ratios and the fibers’ volume fractions. Increasing the reinforcement ratio resulted in higher stiffness and decreased its deflection at all stages of loading. Beams cast with 1% of basalt, polypropylene, and steel fibers showed an increase in their shear capacities in compared to control beams about 11, 16, and 63%, respectively. The type of fibers significantly affected the gain in the shear capacities of the beams, which can be attributed to the different physical and mechanical properties of the fibers used such as aspect ratios, lengths, geometries, densities, and their bonding mechanisms. Beams cast with 0.5% steel fibers exhibited higher shear capacities than those cast with basalt and polypropylene fibers by 23 and 16%, respectively, whereas the beams cast with 1% steel fibers showed a gain by 47 and 41%, respectively. The predicted shear capacities according to CSA-S806-12 code provisions were conservative with an average ratio Vpred /Vexp of 0.80 (standard deviation, SD = 0.12) for beams without fibers. Good predictions for the shear capacities of the basalt-fiber reinforced concrete beams (BLWC) were provided by the models derived by Shin (1994) and Gopinath (2016) in which the ratios Vpred /Vexp were 1.34 (SD = 0.09) and 1.35 (SD = 0.07), respectively. Also, the model of Shin (1994) predicted well the shear capacities of the polypropylene-fiber reinforced concrete beams (PLWC) with a Vpred /Vexp ratio of 1.34 and SD of 0.18. The models of Gopinath (2016), Ashour A (1992), and Shin (1994) predicted the shear capacities of steel-fiber reinforced concrete beams (SLWC) fairly reasonable with a Vpred /Vexp ratio of 1.01 (SD = 0.06), 1.07 (SD = 0.01) and 1.20 (SD = 0.08), respectively. A new model was proposed to predict the shear capacities of FRWLC beams reinforced with BFRP longitudinal bars. The proposed model predicted well the shear capacities of BLWC beams with a Vpred /Vexp ratio of 1.01 (SD = 0.05) and those of PLWC beams with a Vpred /Vexp ratio of 0.99 (SD = 0.06). The bond factor and the interface bond matrix used were 0.75 and 4.18 MPa, respectively. The proposed model also predicted well the shear capacities of beams cast with SLWC with a Vpred /Vexp ratio of 0.9 when the bond factor and the interface bond matrix were taken equal to 1.00 and 6.8 MPa, respectively.

Cette étude évalue à la fois expérimentalement et numériquement le comportement en flexion des dalles de béton renforcées avec des barres en PRF de basalte avec et sans fibres de basalte. Les paramètres étudiés comprenaient les dosages des fibres de basalte utilisés dans le mélange de béton et les ratios du renforcement longitudinale dans les poutres. Tout d'abord, l'effet de différents dosages des fibres sur les propriétés mécaniques du béton a été évalué. Cela a été suivi par des essais de flexion qui ont été menés sur huit dalles à grande échelle chargées en quatre points. Des modèles numériques en éléments finis (ÉF) ont été élaborés à l'aide du logiciel ATENA® pour prédire le comportement en flexion des spécimens testés. Pour les résultats expérimentaux, l'augmentation du dosage des fibres de basalte a amélioré la résistance à la compression et le module de rupture du béton. Les dalles avec des dosages plus élevés de fibres ont montré une augmentation du nombre de fissures et une augmentation de leurs capacités ultimes. L'augmentation du dosage des fibres conduisait à une diminution de la ductilité des dalles testées. Cependant, toutes les dalles présentaient des indices de ductilité supérieurs à la valeur minimale exigée par la norme CAN/CSA-S6-06. Le ratio de renforcement longitudinal a eu un léger effet sur la charge de fissuration. Cependant, il contrôlait les flèches des dalles testées. Ces résultats étaient en accord avec les résultats rapportés dans la littérature pour les dalles renforcées de barres d'acier et fabriquées en béton renforcé de fibres d'acier. Un très bon accord entre les valeurs numériques et les résultats expérimentaux était obtenu. Les modèles ÉF simulaient bien le comportement en flexion des dalles en termes de charges de fissuration, des capacités, des flèches, et des configurations de fissure. Le modèle d'engagement variable a réussi à simuler le comportement du béton renforcé avec des fibres de basalte. Compte tenu du fait que ce modèle a été initialement développé pour les mélanges de béton renforcé avec des fibres d’acier, on pourrait déduire que les bétons fibrés de basalte ont un comportement comparable à celui des bétons fibrés d’acier. / This study assesses both experimentally and numerically the flexural behaviour of concrete slabs reinforced with basalt-fiber reinforced polymer (BFRP) bars cast with and without basalt fiber-reinforced concrete (BFRC). The parameters investigated included the volume fractions of the basalt fibers used in the concrete mix and the ratios of the longitudinal tensile reinforcement in the beams. First, the effect of different fiber volume fractions on the mechanical properties of concrete was assessed. This was followed by flexural tests that were conducted on eight large-scale slabs under four-point load configuration. A finite element model (FEM) was developed using ATENA® to simulate the flexural behaviour of the tested specimens. Based on the experimental results, increasing the fiber volume fraction enhanced the compressive strength and modulus of rupture of concrete. Slabs with higher dosages of fibers showed increased number of cracks and an increase in their cracking and ultimate capacities. Increasing the fiber content led to decreased ductility in the tested slabs. However, all slabs showed a ductility index that exceeded the minimum value stated by CAN/CSA-S6-06. The longitudinal reinforcement ratio had a slight effect on the cracking load. However, it governed the deflection of the tested slabs. These results were in agreement with the test results reported in the literature for slabs reinforced with steel bars and cast with conventional steel fiber-reinforced concrete (SFRC). A very good agreement between the numerical and the experimental results was obtained. The FEM predicted well the flexural behaviour of the slabs in terms of cracking loads, load-carrying capacities, deflections, and crack pattern. The Variable Engagement Model (VEM) successfully captured the behavior of the BFRC. Considering the fact that the model was initially developed for SFRC mixes, it could be concluded that BFRC has a comparable behavior to SFRC.

Cette étude évalue expérimentalement et analytiquement le comportement au cisaillement des poutres en béton renforcé de fibres de basalte (BRFB) renforcées longitudinalement avec des barres en polymère renforcé de fibres de basalte (PRFB). Un nouveau type de macro-fibres de basalte a été ajouté au mélange de béton pour produire le mélange de BRFB. Quatorze poutres (152 x 254 x 2000 mm) sans armature transversale ajouté ont été testées sous une configuration de chargement à quatre points jusqu'à la défaillance. Les poutres ont été regroupés en deux groupes A et B en fonction de leurs rapports portée de cisaillement/profondeur, a/d. Les poutres du groupe A avaient un rapport a/d de 3,3 tandis que celles du groupe B avaient un rapport a/d de 2,5. Outre les rapports a/d, les paramètres étudiés comprenaient la fraction volumique des fibres ajoutées (0,75 et 1,5%) et le taux de renforcement longitudinal des barres en PRFB (0,31, 0,48, 0,69, 1,05 et 1,52). Les résultats des tests ont montré que l’ajout de macro-fibres de basalte au mélange de béton améliorait sa résistance à la compression. Une relation directe entre la fraction volumique de fibres, Vf, et la résistance à la compression a été observée. Les cylindres de béton coulés avec une Vf de 0,75 et 1,5% ont entraîné une augmentation de 11 et 30% de leur résistance à la compression par rapport à ceux moulés en béton standard (sans fibres), respectivement. L'ajout de fibres a également amélioré le mode de défaillance des poutres BRFB-PRFB que les poutres de contrôle coulées avec du béton standard. L’augmentation de la fraction volumique des fibres a réduit l’espacement entre les fissures et gêné sa propagation. Une amélioration significative des capacités de cisaillement des poutres testées a également été observée lorsque les macro-fibres de basalte ont été ajoutées à une fraction volumique Vf de 0,75. L'augmentation moyenne des capacités de cisaillement des poutres des groupes A et B, ayant les mêmes taux de renforcement, était respectivement de 45 et 44%, par rapport à celles des poutres de contrôle. Il a été noté que le gain en capacité de cisaillement des poutres testées était plus prononcé dans les poutres avec a/d= 3,3 que dans les poutres avec a/d = 2,5 lorsque le taux de renforcement augmentait. Au cours de la phase analytique, plusieurs modèles ont été utilisés pour prédire les capacités de cisaillement des poutres. Tous les modèles disponibles surestimaient les capacités de cisaillement des poutres testées avec un rapport moyen Vpre/Vexp compris entre 1,29 et 2,64. Cette observation a montré que ces modèles ne permettaient pas de prédire les capacités de cisaillement des poutres BRFB-PRFB. Un nouveau modèle modifié intégrant le type de renforcement longitudinal, le type de béton fibré et la densité du béton est proposé. Le modèle d’Ashour et al. -A (1992) a été modifié en utilisant un facteur égal au rapport entre le module des barres en PRF, Ef, et celui des barres en acier Es. Ce rapport prend en compte la différence de propriétés entre les barres en PRF et celles en acier, négligée par les modèles précédents. Le modèle proposé prédit bien les capacités de cisaillement des poutres BRFB-PRFB testées dans la présente étude avec des rapports moyens Vpre/Vexp = 0,82 ± 0,12 et 0,80 ± 0,01 pour les poutres des groupes A et B, respectivement. Les capacités de cisaillement des poutres en béton léger testées par Abbadi (2018) ont été prédites avec un rapport moyen Vpre/Vexp = 0,77 ± 0,05. De plus, le modèle prédit bien les capacités de cisaillement des poutres coulées avec du béton qui contient des fibres en acier testées par Awadallah et al. (2014) avec un rapport moyen Vpre/Vexp = 0,89 ± 0,07. Cela indique la large gamme d'applicabilité du modèle proposé. Cependant, il est recommandé d’évaluer le modèle proposé sur un ensemble de données plus large que celui présenté dans cette étude. / This study evaluates both experimentally and analytically the shear behavior of basalt fiber-reinforced concrete (BFRC) beams reinforced longitudinally with basalt fiber-reinforced polymer (BFRP) bars. A new type of basalt macro-fibers was added to the concrete mix to produce the BFRC mix. Fourteen beams (152 x 254 x 2000 mm) with no transverse reinforcement provided were tested under four-point loading configuration until failure occurred. The beams were grouped in two groups A and B depending on their span-to-depth ratios, a/d. Beams of group A had a ratio a/d of 3.3 while those of group B had a ratio a/d of 2.5. Besides the span-to-depth ratios, the parameters investigated included the volume fraction of the fibers added (0.75 and 1.5%) and the longitudinal reinforcement ratio of the BFRP reinforcing bars (0.31, 0.48, 0.69, 1.05, and 1.52). The test results showed that the addition of basalt macro-fibers to the concrete mix enhanced its compressive strength. A direct relationship between the fiber volume fraction, Vf, and the compressive strength was observed. Concrete cylinders cast with Vf of 0.75 and 1.5% yielded 11 and 30% increase in their compressive strengths over those cast with plain concrete, respectively. The addition of fibers greatly enhanced the shear capacity of BFRC-BFRP beams compared to their control beams cast with plain concrete. The increase of the fiber volume fraction decreased the spacing between cracks and hindered its propagation. A significant enhancement in the shear capacities of the tested beams was also observed when the basalt macro-fibers were added at a volume fraction Vf of 0.75%. The average increase in the shear capacities of beams of group A and B, having the same reinforcement ratios, were 45 and 44%, respectively, in comparison with those of the control beams. It was noticed that the gain in shear capacities of the tested beams was more pronounced in beams with a/d = 3.3 than in beams with a/d = 2.5 when the reinforcement ratio increased. In the analytical phase, several models were used to predict the shear capacities of the beams. All of the available models overestimated the shear capacities of the tested beams with average ratio Vpre/Vexp ranging between 1.29 to 2.64. This finding indicated that these models were not suitable to predict the shear capacities of the BFRC-BFRP beams. A new modified model incorporating the type of the longitudinal reinforcement, the type of FRC used, and the density of concrete is proposed. The model of Ashour et al. –A (1992) was calibrated using a calibration factor equal to the ratio of modulus of FRP bars used, Ef, and that of steel bars, Es. This ratio takes into consideration the difference in properties between the FRP and steel bars, which was overlooked by previous models. The proposed model predicted well the shear capacities of the BFRC-BFRP beams tested in the current study with average ratios Vpre/Vexp = 0.82 ± 0.12 and 0.80 ± 0.01 for beams of groups A and B, respectively. The shear capacities of the lightweight concrete beams tested by Abbadi (2018) were predicted with an average ratio Vpre/Vexp = 0.77 ± 0.05. Moreover, the model predicted well the shear capacities of the SFRC beams reinforced with BFRP bars tested by Awadallah et al. (2014) with an average ratio Vpre/Vexp = 0.89 ± 0.07. This indicates the wide range of applicability of the proposed model. However, it is recommended that the proposed model be assessed on larger set of data than that presented in this study

La corrosion des armatures en acier est l'un des mécanismes les plus destructifs pour les structures en béton armé. La corrosion nuit non seulement à l'intégrité structurale et à l’aptitude au service de la structure endommagée, mais peut aussi entraîner des défaillances inattendues ou des ruptures fragiles. Malgré les dispositions rigoureuses de la plupart des codes de pratique pour éviter la corrosion, des signes de dommages dus à la corrosion sont toujours signalés. Récemment, des systèmes à matrice cimentaire renforcée de fibre (MCRF) ont été proposés comme une technique innovante de renforcement/réparation pour les structures en béton afin de surmonter les inconvénients associés à l'utilisation des systèmes de polymères renforcés de fibres (PRF). Bien que l'utilisation de composites MCRF pour renforcer les éléments en béton non endommagés ait prouvé son efficacité, très peu est connu sur la viabilité de leur utilisation pour renforcer les éléments en béton endommagés à divers niveaux dus à la corrosion. De plus, les comportements de post-réparation et la durabilité à long-terme des éléments corrodés et renforcés par les systèmes MCRF et qui seront probablement exposés aux mêmes conditions environnementales qui prévalaient avant leur réparation, n'ont pas retenu l'attention des chercheurs dans la littérature. De plus, la plupart de nos infrastructures, telles que les ponts et garages de stationnement, sont susceptibles d'être endommagées par la corrosion tout en étant soumises à des charges oscillatoires qui provoquent de la fatigue. À ce jour, aucune information n'est disponible sur l'effet de la combinaison de la charge de fatigue et de la corrosion dans les structures renforcées par les systèmes MCRF. Dans ce travail, les comportements monotones et de fatigue en flexion des poutres en béton endommagées par la corrosion et renforcées par des systèmes MCRF ont été étudiés en plus de leur performance à long-terme, c'est-à-dire après une exposition à un environnement corrosif après leur renforcement. Le travail comprend des investigations expérimentales et numériques. Les prédictions analytiques et les formulations théoriques actuellement disponibles dans les codes de conception ont été aussi vérifiées par rapport aux résultats expérimentaux. Le programme expérimental consistait à tester trente (30) poutres en béton à grande échelle de 150 × 250 × 2800 mm. Les poutres ont été construites et testées en configuration de charge à quatre points. Un processus accéléré de corrosion a été utilisé pour corroder les armatures d'acier en traction dans le tiers central des poutres. Les paramètres d'essai comprenaient le niveau de corrosion (représenté par 10, 20 et 30% de perte de masse dans l'acier de traction), le type de système de renforcement utilisé (Polyparaphénylène benzobisoxazole (PBO-MCRF), MCRF de carbone et PRF), la quantité de composites MCRF (1, 2, 3 et 4 couches), le schéma de renforcement MCRF (couches ancrées aux extrémités par rapport aux couches continues sous forme U) et le régime de chargement (monotone et fatigue). Les résultats des tests ont montré que l'utilisation de composites MCRF améliorait significativement le comportement en flexion des poutres corrodées. Les composites MCRF ont contrôlé le mode de défaillance des poutres renforcées plutôt que le niveau de corrosion des barres d'acier. Les poutres renforcées par la MCRF ont montré une augmentation de leurs résistances ultimes variant entre 7 et 65% de celles des poutres vierges (poutres ni corrodées ni renforcées) en fonction du type, de la quantité et du schéma de la MCRF utilisée. L'exposition des poutres réparées par la MCRF à d’autres cycles de corrosion a entraîné une réduction de 23% de la perte de masse de l'acier. Le schéma en U était plus efficace que le schéma d'ancrage aux extrémités à retarder le délaminage des couches de MCRF dans les poutres renforcées et testées à court terme. Il a également atténué l'effet des fissures de corrosion longitudinales et, par conséquent, a augmenté l'efficacité du renforcement MCRF. Les essais de fatigue ont montré que la corrosion des barres d'acier diminuait considérablement la résistance à la fatigue des poutres non renforcées. Le renforcement avec des composites MCRF a augmenté la durée de vie en fatigue des poutres endommagées par la corrosion de 38 à 377% de celle des poutres corrodées non-renforcées. Cependant, le renforcement par MCRF n'a pas restauré la durée de vie en fatigue des poutres vierges. Dans l'étude numérique réalisée dans ce travail, des modèles d'éléments finis (ÉF) tridimensionnels (3D) ont été développés pour simuler le comportement non linéaire des poutres corrodées et renforcées par des composites MCRF et PRF à l'aide du progiciel ATENA-3D. Les résultats de l'analyse numérique étaient en bon accord avec ceux obtenus expérimentalement en termes de modes de défaillance, de déformations, de capacités de charge et de flèches. Les modèles ÉF développés ont été capables de capturer le comportement non-linéaire des poutres testées avec une bonne précision. Une étude paramétrique a ensuite été menée pour étudier l'effet de la résistance à la compression du béton et de l'épaisseur de recouvrement des armatures sur l'efficacité de renforcement des systèmes composites. Il a été observé que la rupture des poutres renforcées par des FRCM était indépendante de la résistance à la compression du béton ou de l'épaisseur de de recouvrement et était régie uniquement par le glissement du tissu dans la matrice. Sur le plan analytique, les équations de conception de l’ACI-549.4R-13 (ACI 2013) ont été évaluées à l'aide des données expérimentales obtenues à partir des tests. Il a été conclu que les formulations théoriques de l’ACI-549.4R-13 peuvent raisonnablement prédire les résistances ultimes des poutres renforcées ancrées à l'extrémité mais sous-estimer celles des poutres ancrées en continu sous forme U. Un facteur de schéma de 1,1 a ensuite été proposé pour calculer la résistance nominale des poutres renforcées par MCRF sous forme U. Le résultat de ce travail a été publié (ou soumis pour publication) dans cinq articles de revues et cinq conférences, comme détaillé tout au long de la thèse. / Corrosion of steel reinforcement is one of the most destructive mechanisms for reinforced concrete (RC) structures. Corrosion not only impairs the structural integrity and the serviceability of the damaged structure, but it may also lead to unexpected and brittle failures. Despite the rigorous provisions of most codes of practice to avoid corrosion, evidences of corrosion damage are still being reported. Recently, fabric-reinforced cementitious matrix (FRCM) systems were proposed as an innovative strengthening/repair technique for RC structures to overcome the drawbacks associated with the use of the well-documented fiber-reinforced polymer (FRP) systems. While the use of FRCM composites to strengthen un-damaged RC members has proven its efficiency, very little is known about the viability of their use to retrofit RC members with various levels of corrosion damage. In addition, the post-repair performance and the long-term durability of the FRCM-strengthened corroded members, which most likely will be exposed to the same environmental conditions that have prevailed prior their repair, have not received attention in the literature. Moreover, most of our infrastructures such as bridges and parking garages are susceptible to corrosion damage while continuously being subjected to oscillatory loads that cause fatigue. To date, no information is available about the effect of combining fatigue loading with corrosion in FRCM-strengthened structures. In this work, the monotonic and fatigue flexural behaviors of corrosion-damaged RC beams strengthened with FRCM systems were investigated in addition to their long-term performance, i.e. after further exposure to corrosive environment following their strengthening. The work includes experimental and numerical investigations. The analytical predictions and theoretical formulations that are currently available in the design codes have been verified against the experimental results. The experimental program consisted of testing thirty (30) large-scale RC beams of 150×250×2800 mm. The beams were constructed and tested under four-point load configuration. An accelerated corrosion process was utilized to corrode the bottom steel reinforcement in the middle third of the test specimens. The test parameters included the level of corrosion damage (represented by 10, 20, and 30% mass loss in the tensile steel), the type of the strengthening system used (Polyparaphenylene benzobisoxazole (PBO-FRCM), C-FRCM, and FRP), the amount of FRCM composites (1, 2, 3, and 4 layers), the FRCM strengthening Scheme (end-anchored versus continuously wrapped layers), and the loading regime (monotonic and fatigue). The test results showed that the use of FRCM composites significantly enhanced the flexural behavior of the corroded beams. FRCM governed the failure mode of the strengthened beams rather than the level of corrosion damage of the steel bars. FRCM-strengthened beams showed an increase in their ultimate strengths that ranged between 7 and 65% of that of the virgin (neither corroded nor strengthened) beam based on the type, amount, and Scheme of the FRCM used. Exposing the repaired beams to post-repair corrosion resulted in 23% reduction in the steel mass loss. The U-wrapped scheme was more efficient than the end-anchoring scheme in delaying the delamination of the FRCM plies in the short-term repaired beams. It also mitigated the effect of the longitudinal corrosion cracks and consequently increased the post-repair strengthening effectiveness of FRCM systems. Fatigue tests showed that corrosion of steel bars dramatically decreased the fatigue life of the unstrengthened-beams. Strengthening with FRCM composites increased the fatigue life of the corrosion-damaged beams by 38 to 377% of that of the corroded-unstrengthened beams. However, FRCM strengthening did not restore the fatigue life of the virgin beams. In the numerical study carried out in this work, three-dimensional finite element (FE) models were developed to simulate the nonlinear behavior of the corroded beams strengthened with FRCM and FRP composites using the software package ATENA-3D. The results of the numerical analysis were in good agreement with those obtained experimentally in terms of failure modes, strains, load-carrying capacities, and deflections. The developed FE models were able to capture the non-linear behavior of the tested beams with good accuracy. A parametric study was then conducted to investigate the effect of concrete compressive strength and thickness of concrete cover on the strengthening effectiveness of the composite systems. It was observed that failure of RCM-strengthened beams was independent of the compressive strength of concrete or the thickness of the concrete cover and was governed only by fabric slippage within the matrix. Analytically, the design equations of ACI-549.4R-13 (ACI 2013) were assessed using the experimental data obtained from the tests. It was concluded that the theoretical formulations of CI-549.4R-13 can reasonably predict the ultimate strengths of the end-anchored strengthened beams but underestimated those of continuously-anchored beams. A scheme factor of 1.1 was then proposed to calculate the nominal strength of beams strengthened with continuously-wrapped shape of FRCM. The outcome of this work has been published (or submitted for publication) in five journal articles and five conferences, as detailed throughout the thesis.

Le béton fibré à ultrahaute performance (BFUP) est reconnu pour sa grande résistance en compression et sa grande ductilité. De plus, il est maintenant bien connu que le comportement du BFUP dépend grandement de l’orientation des fibres par rapport à la direction de sa sollicitation. Cependant, peu d’informations sont disponibles dans la littérature à propos de l’impact de la discontinuité locale des fibres causée par un défaut de coulage dans un mélange de BFUP. Dans ce mémoire de maîtrise, un protocole de laboratoire est développé afin de mesurer l’impact de la présence de défauts dans le béton fibré à ultrahaute performance. Ce protocole de laboratoire se base sur un système de mesures photogrammétriques de corrélation d’images digitales. Cette technique permet d’acquérir des mesures de déformations et de déplacements avec l’aide d’une paire de caméras numériques à haute résolution. Un post-traitement informatique des images prises lors de l’essai permet de récréer un modèle 3D de la surface de l’échantillon observé. Avec l’aide de cette nouvelle méthode de mesure, il est possible de présenter différents aspects du comportement non linéaire de ce matériel. Lors de ce projet, six dalles avec ou sans défaut ont été soumises à un effort flexionnel avec une charge ponctuelle. En développant un protocole de laboratoire adapté aux besoins de ce projet, la corrélation d’images numériques a permis d’obtenir des résultats très précis. Une attention particulière est portée sur l’impact des différents défauts sur le comportement mécanique global de la dalle et sur l’endommagement local lors de la fissuration. / Ultra-high performance fiber reinforced concrete (UHPFRC) is well known for its great compressive resistance and its ductility. Furthermore, it is also well known that UHPFRC strongly depends on fibers’ orientations relatively to the direction of stresses. However, little is documented in the literature about the impact of local fiber discontinuity caused by casting defect. In this MSc thesis, a laboratory protocol is developed in order to measure the impact of the presence of defects in a UHPFRC slab on the mechanical response. This protocol is based on a system of photogrammetric measurement by digital image correlation (DIC). This technique allows the precise measure of the deformation as well as the displacement with help of a pair of high resolution digital camera. A computer-based post treatment analysis of these pictures is used to create a 3D model of the observed sample surface. With this new analysis method, it is possible to present different aspect of the non-linear behavior of this material. During this project, 6 different geometries of slab with and without casting defect were submitted to flexional stress by punctual loading. By developing a laboratory protocol adapted to this project, digital image correlation analysis gave a multitude of very precise results. A specific attention is made to the impact of the defect on the global mechanical behavior as well as the local damaging caused by the micro-cracks.