Ce travail comporte une analyse de différentes interactions du système sol-pieux-structure sous chargements sismiques. On s'intéresse notamment à l'analyse des mécanismes d'interaction entre les différents éléments (sol. pieu, chevêtre, structure) et une attention particulière est accordée à l'influence des non linéarités du sol, le développement : des rotules plastiques dans les pieux et le comportement de l'interface sol-pieux sur la réponse sismique du système sol- pieu-structure. L'étude est réalisée en utilisant une modélisation tridimensionnelle à l'aide du code de calcul FLAC 3D. Le travail de thèse est présente en trois chapitres: Le premier chapitre présente une synthèse bibliographique des travaux réalisés sur le comportement des pieux sous chargement sismique. Le second chapitre comporte une analyse tridimensionnelle du comportement sismique du système sol-pieu superstructure tout en intégrant l'effet de la plasticité du sol. L'étude est menée sur différents aspects de l'interaction sol-pieux-structure, à savoir l'influence des paramètres mécaniques du sol ou du pieu, de la configuration géométrique de groupe de pieux et l'influence du chargement sismique et son contenu fréquentiel. Le troisième chapitre traite des aspects particuliers du problème, notamment la formation des rotules plastiques en tête des pieux, la modélisation et l'influence de l'interface sol-pieu et le comportement des ouvrages renforcés. / This work includes an analysis of various interactions of soil-piles-structure under seismic loads.mainly concerns with the analysis of the interactions between different elements (soil, pile, foundation, structure). A special attention was devoted to the non-linearity of soil, the development of plastic hinges in the piles and the influence of the soil-pile interface on the seismic response of the soil-pile-structure. The study was conducted using a three-dimensional modeling using the program FLAC 3D. The thesis is presented in three chapters : The tirst chapter presents a literature review of research work related to seismic behaviour of pile foundations.The second chapter includes a three-dimensional analysis of seismic behavior of soil-pile-superstructure taking into account the effect of soil plasticity. The study was conducted on various aspects of the interaction soil-pile-structure. the influence of mechanical parameters of soil and pile. the geometric configuration of the piles groups and the influence of seismic loading and its frequency content.The third chapter deals with specific aspects of the problem. including the development of plastic hinges at the top of the pile. the modeling and the influence of pile-soil interface and behavior of reinforced structures

Une technique souvent employée dans la réhabilitation sismique est le confinement des poteaux en béton armé avec des polymères renforcés avec des fibres de carbone (PRFC). Plusieurs études ont démontré l'efficacité du PRFC dans le gain en ductilité des poteaux. Cependant, la longueur de la rotule plastique (lp) a démontré une variation significative lors d'essais réalisés à l'Université de Sherbrooke. L'analyse des résultats de ces essais a permis la vérification de l'influence de quelques facteurs sur lp. La longueur de la rotule plastique est un facteur important pour la prévision du déplacement ultime lors du dimensionnement parasismique à la performance base sur les déplacements. Cette longueur doit également être dimensionnée de façon particulière afin d'assurer son comportement ductile. La littérature présente plusieurs équations pour l'estimation de lp. Cependant, pour les poteaux confinés avec du PRFC, ces équations ne représentent pas totalement la réalité. Vu la nécessité de l'estimation de lp pour les poteaux confinés avec des PRFC, ce projet a pour but la détermination d'une nouvelle équation pour les poteaux confinés avec du PRFC. Cette équation tient compte du taux de charge axiale et du taux de confinement de l'acier transversal. Le programme expérimental consiste en la réalisation d'essais en flexion-compression sur 5 poteaux en béton armé. Les poteaux ont 2650 mm de hauteur et 300 mm de diamètre. Les essais ont permis la réalisation des courbes force vs déplacement, moment vs courbure et déplacement vs hauteur. Ces courbes ont été utilisées dans l'étude du comportement des poteaux. Pour la détermination de la longueur de la rotule plastique, plusieurs mesures ont été prises dans la région endommagée. Ces mesures ont été utilisées dans la détermination d'une nouvelle équation de lp. Les résultats de la nouvelle équation donnent des valeurs plus réelles lorsque comparés avec les valeurs trouvées par le programme expérimental et à celles provenant d'autres travaux de recherche. D'autres facteurs pourront être étudiés afin de rendre l'équation plus précise. [symboles non conformes]

Un tremblement de terre est un phénomène difficilement prévisible et inévitable, il est donc important que les ponts sollicités soient capables d'y résister sans s’effondrer de façon fragile. La meilleure façon est d'augmenter la ductilité des poteaux en béton. Au cours des dernières années, les matériaux en polymères renforcés de fibres (PRF) ont connu un essor important particulièrement au niveau du confinement des poteaux de béton afin d'augmenter leur ductilité. Par contre, le confinement empêche l’inspection visuelle de l’endommagement de ces derniers. Il faut alors faire appel à des méthodes d'auscultation non destructives. L’émission acoustique est une méthode très intéressante permettant de connaître en temps réel le comportement et le niveau d'endommagement à l’intérieur de la section confinée. De plus, la vitesse ultrasonore est un procédé fort efficace quand vient le temps d'évaluer les dommages. Dernièrement, différentes méthodes de confinement ont été proposées. Mais, ce renforcement ne règle pas complètement le problème. En effet, il peut déplacer le problème vers une autre section du poteau qui est plus faible. L'objectif du projet est d'évaluer l’influence du confinement de PRF sur la résistance et surtout la ductilité d'un pilier de pont soumis à une charge cyclique et d'en faire l’auscultation en temps réel. L’objectif principal consiste à identifier, en temps réel, avec le plus de précision possible, le comportement et l’endommagement d'un pilier de pont renforcé de PRF. Les vitesses ultrasonores ont été utilisées dans le but de quantifier les dommages et de cibler les zones les plus endommagées. L’émission acoustique a servi également à quantifier l’endommagement et à localiser celui-ci en trois dimensions. La méthode de localisation en trois dimensions utilisée est la technique de détection de temps d'arrivée selon le seuil. Puisque l’endommagement d'un poteau correspondant à différents états limites, il pouvait donc être possible d'associer les événements acoustiques à différents états limites. D'ailleurs, il était impératif de bien connaître le comportement des ondes dans les différents matériaux et d'anticiper les régions qui seraient les plus endommagées. Ensuite, on a procédé à l’installation de capteurs piézoélectriques aux endroits stratégiques pour la cueillette de données durant le test. Par la suite, on a procédé à l’analyse des résultats permettant d'obtenir la hauteur de la rotule plastique puis les différentes ductilités correspondant aux principaux états limites pour chacun des poteaux. Une comparaison avec les résultats expérimentaux et un modèle numérique a également été réalisée. Il a donc été possible de comparer l’influence de deux paramètres variant, soit l’espacement des étriers et la charge axiale sur la rotule plastique. Les paramètres d'émission acoustique utilisés afin de quantifier l’endommagement et les états limites sont le nombre d'événements, l’énergie, l’amplitude et le nombre de comptes pour un événement. La quantification de l’endommagement vient du résultat du cumul de ces paramètres en fonction de chaque nouvelle ductilité atteinte. La variation des vitesses ultrasonores correspondant à ces mêmes ductilités a également été utilisée afin de quantifier les états limites d'endommagement. Les deux méthodes ont servi à démontrer l’influence positive du confinement de PRFC sur un poteau de béton armé. De plus, elles ont été utilisées afin de déterminer l’influence des deux paramètres variant (espacement des étriers et charge axiale) sur la rotule plastique ainsi que sur les différents états limites. On remarque ainsi que l’augmentation de la charge axiale a une plus grande influence que l’espacement des étriers en ce qui a trait à la ductilité d'un poteau. L’augmentation de la charge axiale et de l’espacement des étriers contribuent à la diminution de la ductilité. Le confinement de PRFC est une méthode de renforcement permettant d'améliorer le comportement sismique des poteaux et par le fait même diminuer les dommages structuraux et les pertes humaines. D'autre part, l’émission acoustique et les vitesses ultrasonores se sont avérées être des méthodes efficaces permettant de déterminer l’endommagement et le comportement de ces derniers de façon continue et ponctuelle.

Résumé : Plusieurs tremblements de terre passés ont montré que face aux séismes, les ponts peuvent être les points faibles d’un réseau de transport. Néanmoins, les retours des expériences postsismiques ainsi que les études théoriques et expérimentales effectuées par les chercheurs et les ingénieurs de la pratique ont permis de faire évoluer les règles de l'art relatives au comportement sismique des ponts. Un des résultats de cette évolution est le dimensionnement basé sur la performance sismique (DBPS). En bref, le DBPS tente de concevoir des structures qui atteindront un état limite de performance déterminé lorsqu’ils sont soumis à un séisme d’une intensité donné. Toutefois, dans l'optique du DBPS, il est primordial de situer les états limites des composantes principales des ponts, principalement des piliers, de manière mesurable plutôt que phénoménologique. Lors du développement de courbes de fragilité des ponts au Québec, il est apparu que les états limites des piliers de ponts n'étaient pas clairement définis. Un programme de recherche expérimental a donc été conçu pour déterminer les états limites des piliers de pont en béton armé. Le projet comprend l’essai d’un poteau en béton armé à échelle réelle soumis à des cycles de chargement latéral en plus d’une charge axiale constante représentative du niveau de chargement réel. Le poteau reproduit les propriétés exactes des piliers du pont Chemin des Dalles (Trois-Rivières, Québec). Ce projet de recherche vise à améliorer l’évaluation de la fragilité sismique des ponts actuels du réseau routier québécois et à optimiser le dimensionnement sismique des futures structures selon l’approche basée sur la performance sismique. En particulier, le projet cherche à répondre aux incertitudes importantes qui subsistent sur la description quantitative des états limites des piliers de ponts en béton armé, particulièrement au niveau des déformations associées. / Abstract : Several past earthquakes have shown that bridges can be the weak points of a transport network. Nevertheless, returns of the post-seismic experiences as well as theoretical and experimental studies made by researchers and practice engineers allowed the art rules evolution related to the seismic behavior of bridges. One result of this evolution is the seismic performance based design (DBPS). In brief, the DBPS tries to design structures which will reach a certain limit state of performance when they are submitted to an earthquake of a given intensity. However, in the optics of the DBPS, it is essential to define the limit states of the main components of bridges, mainly for columns, in a measurable way rather than phenomenological. During the development of the fragility curves of bridges in Québec, it seemed that the limit states of the bridges columns were not clearly defined. An experimental research program was thus designed to determine the limit states of the reinforced concrete bridge columns. The project includes the testing of a large-scale reinforced concrete bridge column submitted to lateral cycles load in addition to a constant axial load which represented the real dead load level. The column reproduces the exact properties of the Chemin des Dalles bridge columns (Trois-Rivières, Québec). This research project aims to improve the evaluation of the seismic fragility of existing bridges of Québec road network and optimize the seismic design for future structures according to the performance based seismic approach. In particular, the project seeks to address the significant uncertainties which remain on the quantitative description of the limit states of the reinforced concrete bridge columns, particularly at the associated deformations level.

L’allègement des véhicules automobiles imposés par des nouvelles règlementations remettent en question le choix des matériaux et des designs dans le développement des nouvelles pièces mécaniques dans l’industrie automobile. Pour les rotules de suspension, cet allègement a pour conséquence l’augmentation de l’intensité du chargement subi par ces organes qui assurent la stabilité du véhicule et sa tenue sous différentes conditions de roulage : virage, freinage brusque, franchissement d’obstacles, etc.. Sous un chargement intense, des phénomènes d’endommagement d’origines mécanique, thermique et tribologique peuvent apparaitre dans le contact conforme de la rotule. La caractérisation et la modélisation de ces phénomènes en fonction du chargement incident ont particulièrement été abordées dans ce travail de thèse. Des essais d’endommagement ont été réalisés sur des rotules automobiles fournies par le partenaire industriel VT2i afin d’appréhender l’influence des sollicitations intenses et répétées sur la dégradation de la fonction rotule d’un véhicule. La reproduction de ces phénomènes sur des éprouvettes ont permis d’identifier les lois de comportement des matériaux constituant la rotule et de définir leur fonctionnement optimal selon les cahiers des charges établis par les clients de VT2i. Une modélisation de l’endommagement du contact pivot-coussinet de la rotule a été proposée et confrontée aux résultats d’essais expérimentaux. La bonne adéquation des résultats de la modélisation avec ceux des essais montre la pertinence de la démarche adoptée. Cette dernière consiste à (i)- analyser la cinématique de la rotule de suspension en fonction du chargement imposé, (ii)- identifier l’évolution du champ de contraintes pendant les phases de roulage, (iii)- calculer le champ de glissements dans le contact et enfin (iv)- évaluer la contribution des différents modes d’endommagement dans la dégradation totale de la rotule. La modélisation a permis de mettre en place un outil d’aide à l’optimisation du contact pivot-coussinet de la rotule et la conception de nouvelles géométries répondant aux contraintes techniques sévères du marché pour notre partenaire industriel / Car weighting from new guidelines challenges material and design engineering in new automotive applications. For suspension ball joints, products weighting consequences are the increase of thermomechanical loading supported by the parts which ensure car stability and road handling (curves, hard braking, obstacle crossing, etc.). Under such loadings, the damage of ball joints are due to mechanical, thermical and tribological aspects that can occur in the conformal contact interface. Characterization and modelling of such phenomenon under different thermomechanical loading has been particularly studied. Damage tests performed on automotive ball joint made by our industrial partner VT2i led to understand the influence of intense and repeated solicitation on the part degradation. The analysis of the same phenomenon tested on material probe test gives information about its behavior and define convenient application regime for each VT2i customer demand. A damage modelling in suspension ball joint contact interface has been proposed and compared to damage tests performed on real ball joints. This good adequation between experimental and modelling results confirmed the pertinence of the proposed modelling approach which consists in (i) analyzing kinematical behavior under different loadings of suspension ball joints, (ii) identifying the stress field evolution during the driving phases, (iii) evaluating the sliding distance field in the contact interface, and last (iv) evaluating the damage mode contributions to the total degradation of the ball joint. The modelling allowed to develop an assistance tool for optimization and design of new ball stud/ball socket contact and geometries of suspension ball joints, responding to the severe technical specifications of the automotive market for our industrial partner VT2i

Cette thèse a pour objectifs de développer une modélisation aussi fine que possible des structures aciers et mixtes acier-béton sous sollicitations cycliques avec prise en compte d'une part du comportement des assemblages et d'autre part des non-linéarités géométriques et du contact à l'interface acier-béton. Notre attention porte en particulier sur l'assemblage de type poutre acier/mixte sur poteau métallique par platine d'extrémité boulonnée. L'objectif étant de proposer un modèle «élément fini» d'assemblage qui reproduit aussi fidèlement que possible le comportement cyclique de ce dernier pour ensuite l'assembler à un élément fini de poutre non-linéaire acier ou mixte avec prise en compte, pour ce dernier, du soulèvement à l'interface. Le travail se compose de 3 parties distinctes. Un premier modèle qui se base sur la méthode des composantes a été développé ayant pour objectif de suivre la déformation de chaque composante au cours des cycles et de prendre en compte les non-linéarités induites par la séparation entre la platine d'extrémité et la semelle du poteau auquel elle est boulonnée. Ce modèle type composantes, a été développé pour une rangée de boulons. Dans le cas le plus fréquent, de deux rangées de boulons, une résistance de groupe (en plus des résistances individuelles de chacune des rangées) est susceptible de se développer. Pour rendre compte de ce phénomène, nous avons implanté le modèle proposé par Cerfontaine qui repose sur la définition d'une surface de charge et une règle d'écoulement associée pour déterminer les allongements des ressorts équivalents. Seul le cas de plasticité parfaite est considéré. Il est mis en évidence que l'influence de l'effet de groupe s'avère non négligeable sur le comportement post-élastique de l'assemblage et donc de la structure. Dans une seconde phase, nous proposons un modèle de poutre métallique classique en grands déplacements (approche co-rotationnelle) avec rotules généralisées aux extrémités. Nous faisons l'hypothèse que les déformations plastiques sont concentrées aux rotules dont le comportement plastique est contrôlé par une surface de charge asymétrique (anisotrope) qui peut prendre différentes formes selon la valeur donnée à un facteur q dit « facteur de forme». Chacune de ces rotules plastiques comprend un ressort longitudinal pour l'effort normal Net un ressort spiral pour le moment fléchissant M. L'interaction (M-N) entre ces deux efforts dans le domaine plastique est régie par le critère de plasticité. Le modèle de rotule plastique généralisé proposé permet de rendre compte de l'adoucissement cyclique, de la ductilité et du « pinching effect ».Nous montrons aux travers de plusieurs exemples la pertinence mais également les limites d'une telle approche. Dans une troisième partie, nous proposons un nouvel élément fini de poutre mixte (à 6 ddl par nœud) en petits déplacements avec prise en compte de la non-linéarité matérielle de la poutre ainsi que du contact entre l'acier et le béton. Une stratégie efficace de type nœud mobile (Flying Node) est proposée pour déterminer l'étendue de la surface de contact au sein d'un élément fini et d'adapter le maillage de l'élément poutre/poteau. Pour la résolution du problème de contact, la technique du Lagrangien Augmenté a été retenue. On montre que dans certaines situations, le soulèvement modifie la redistribution des efforts. / The goal of this thesis is to develop computational tools for the nonlinear analysis of steel and composite steel-concrete structures under cyclic loading taking into account the actual behaviour of joint, material and geometry non-linearities and contact conditions at the steel-to-concrete interface. In particular, our efforts focuses on typical bolted end-plate connection between steel or composite beam and steel column. The objective is to develop a new «joint finite element" able to reproduce accurately the cyclic behavior of the beam-to-column connection. Next this model is combined with a non-linear steel/composite beam element considering slip and possible uplift at the interface. The thesis consists of three major parts. The first part deals with the behavior of a steel beam-to-column bolted end-plate connection under arbitrarily cyclic loading. The proposed model is based on an improved component method that closely follows the deformation of each component taking into account non-linearities induced by possible gap between the column flange and the end-plate. This model has been developed for a single row connection. In the case of multiple row bolted connection group effects may develop. Possible group effect between two bolt-rows has been implemented considering the model proposed by Cerfontaine based on the definition of the multi-surface yield criterion and the associated flow rule that govern deformation of equivalent springs. Only the case of perfect plasticity is considered. It is shown that the influence of the group effect is not negligible on the nonlinear response of the joint. In the second part, we have developed a flexible co-rotational two-noded beam with generalized elasto-plastic hinges at the beam ends. It is assumed that plastic deformations concentrate at these hinges. These hinges have the ability to elongate/shorten along the beam axis and to rotate. A family of asymmetric and convex yield surfaces of super-elliptic shape is considered for the plastic behavior of the hinges. By varying the roundness factor, an infinite nun1ber of yield surface are obtained. It is shown that the nonlinear response of bolted connections subjected to both bending and tension are conveniently modeled with such a yield surface. It was observed that cyclic loading produces pinching effect, cyclic softening and ductile behavior. Advantages and limitations of the approach are discussed. Finally, the third part is dedicated to the problem of contact at the interface of steel-concrete composite beams. A "new" finite element for composite steelconcrete beam is proposed. The beam element has 6 degrees of freedom per node. The concrete beam is allowed to separate from the steel beam. An efficient contact algorithm is proposed. The Flying node concept is introduced and used to determine the extent of the contact area within a single element and modify the mesh of the beam structure. The contact problem is solve using the Augmented Lagrangian Method. The influence of contact on the loading capacity of the beam and its influence on some design variables are highlighted.