Modélisation du comportement des structures composites confinées avec une nouvelle concéption d'intégration partielle du renfort.

Abstract

L’amorçage et la propagation des fissures au cours de la durée de vie des ouvrages en béton entraînent des pertes de rigidité et de résistance. Les techniques de renforcement et de réhabilitation par collage extérieur et intégration de matériaux composites peuvent restaurer et restituer leurs performances mécaniques, permettant ainsi de prolonger la durée de service de ces éléments structuraux. En effet, la synthèse des travaux de recherche menés sur le comportement axial des colonnes confinées par des FRP a montré qu’il nécessite plus de compréhension, notamment, en termes de transmission des efforts subis par la structure aux composites. Dans ce contexte, une nouvelle technique de confinement des colonnes en béton par intégration partielle des composites FRP est proposée dans ce travail de thèse afin de faire face aux problèmes liés au décollement des renforts et la concentration des contraintes radiales sur la circonférence des bandes de forme circulaire sous charges de compression axiale. Ce nouveau procédé consiste à incorporer dans la matrice béton des bandes hexagonales en fibre de verre (GFRP) et des cerces circulaires en grille métallique. L’apport en résistance à la compression et en ductilité des structures composites proposées comparativement aux structures non confinées est quantifié et investi expérimentalement, théoriquement et numériquement. La première partie de l’étude est consacrée à la caractérisation expérimentale du comportement des cylindres chargés en compression, pour mettre en évidence l’effet du confinement interne et partiel par des bandes composites. En complément de l’étude expérimentale, une modélisation analytique et numérique est réalisée en vue de simuler et d’appréhender plus finement le comportement et les mécanismes de rupture des colonnes confinées. Par ailleurs, la réponse globale et locale des colonnes à grande échelle a été modélisé pour mettre l'accent sur l'applicabilité de la conception proposée sur des colonnes réelles en béton armé partiellement confinées soumises à un chargement latéral. Enfin, des analyses paramétriques en se basant sur les modèles analytiques et numériques sont réalisées pour étudier l’effet des différents paramètres de conception des bandes FRP sur le comportement des colonnes confinées. Ces analyses mettent en évidence l’influence des facteurs étudiés et indiquent que l'efficacité du confinement dépend effectivement des paramètres mécaniques et géométriques des composites. Cracks initiation and propagation during the service life of concrete structures may result a significant stiffness and strength decreasing. Repair and rehabilitation technology using external and encased composite materials lead to recovery and retrofit their mechanical performances, thus enhancing the service life of structural concrete members. Indeed, the analysis of the literature investigations carried out on the axial behavior of FRP confined columns have revealed more understanding requirements, in particular, in terms of the transmission of the loads supported by the structure to the composite reinforcement. In this context, a new confinement technology of confined-concrete columns with embedded partial FRP composites is proposed in the present thesis in order to avoid the debonding of the FRP/concrete interaction and the concentration of the hoop stresses within the circumference of the circular reinforcement stirrups under axial compression. The design proposal consists to embed hexagonal GFRP strips and circular steel grid within the concrete matrix. The contribution in terms of compressive strength and ductility of the designed composite structures compared to unconfined ones was experimentally, theoretically and numerically quantified and investigated. Firstly, an experimental characterization was carried out to testify and to highlight the effect of partial FRP-encased confinement under centered axial loads. In addition, an analytical and numerical modelling was emphasized to simulate and to more precisely understand the behavior and the failure mechanisms of the confined columns. Furthermore, the overall and local response of large-scale columns has been modeled to emphasize the applicability of the proposed design on real reinforced concrete columns with partially inner confinement under horizontal loading. Finally, parametric analyses based on the analytical and numerical models were performed to investigate the effect of the FRP strips design parameters on the behavior of confined columns. These analyses highlight the influence of the studied features and indicate that the confinement efficiency effectively depends on the mechanical and geometrical parameters of used composites