Renforcement en flexion des poutres continues en béton armé par des matériaux composites selon les techniques NSM et EB : étude expérimentale et analytique et modélisation par éléments finis

Flexural strengthening of RC continuous beams with FRP reinforcements according to the NSM and EB techniques : experimental, analytical and numerical (FE) study

• Auteur / Autrice : Mohammad Abdallah
• Direction : Firas Al Mahmoud, Abdelouahab Khelil
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 08/10/2021
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Lamour (Nancy ; Vandoeuvre-lès-Nancy ; Metz)
• Jury : Président / Présidente : Hugues Somja
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Abdelouahab Khelil, Danièle Waldmann, Jules Assih, Bruno Jurkiewiez, Marion Martiny-Weitig
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Danièle Waldmann, Jules Assih

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éléments finis, Méthode des

Flexion (mécanique)

Propriétés mécaniques

Poutres en béton

Solides -- Mécanismes de renforcement

Poutres en béton armé

Mots clés libres

Poutre en Béton Armé

Continue

Comportement en Flexion

Renforcement

Modèle analytique

Méthode des éléments finis

RC beam

Continuous

Flexural behavior

Strengthening

Analytical model

Finite element

Résumé

Cette thèse est composée de quatre parties, chacune présente plusieurs éléments de recherche en fonction du sujet abordé. Chaque partie a été structurée de sorte à aborder et analyser un problème de flexion spécifique concernant le renforcement des poutres en béton armé avec des matériaux composites (Fibre Reinforced Polymer (FRP)). L’objectif de cette thèse est l’étude expérimentale, analytique et numérique par Eléments Finis (EF) des techniques de renforcement et de réparation par l’insertion des joncs composites (Near Surface Mounted reinfocement (NSM)) ou par le collage des tissues ou des lamelles composites (Externally Bonded (EB)) des poutres continues à deux travées. Le programme expérimental dans cette thèse comprend vingt et une-poutres: six poutres de trois mètres de longueur chacune simplement appuyées, et quinze poutres continues de 6 mètres de longueur avec deux travées de 2,8 mètres. Les approches analytiques et de dimensionnement ainsi que la modélisation par EF ont été développées et utilisées dans certaines parties en fonction de leur importance et de leur nécessité. - La première partie concerne la possibilité de renforcer les poutres en Béton Armé (BA) par l’insertion de joncs de carbone (CFRP) dans les faces latérales des poutres (technique de SNSM) au lieu de leur faces inférieure ou supérieure tendues. Par conséquent, la technique de SNSM a été proposée et étudiée sur six poutres simplement appuyées: une poutre témoins sans renforcement et cinq autres renforcées avec deux joncs CFRP de 6mm de diamètre. - La deuxième partie présente des études expérimentale et analytique concernant l'évaluation de l'utilisation de la technique NSM pour le renforcement en flexion des poutres continues en BA. Le programme expérimental de cette partie comporte six poutres de 6 m de longueur à deux travées de 2,8m : une poutre témoin et cinq autres poutres renforcées avec des joncs composites dans la région du moment positif (sagging) ainsi que celle du moment négatif (hogging). - La troisième partie présente une étude comparative entre les techniques de renforcement NSM et SNSM des poutres continues en BA à deux travées. L'étude comprend deux sections principales; une section expérimentale et une section modélisation par EF. - La quatrième partie présente une étude expérimentale menée principalement afin d’essayer de combler les lacunes dans la littérature concernant le renforcement des poutres continues en BA avec la technique EB. Cette partie est composée de trois sections principales. Dans la première section, sept poutres continues de 6 m de longueur à deux travées de 2,8 m sont étudiées statiquement: une poutre témoin (de la deuxième partie) et six poutres renforcées avec des tissus ou des lamelles CFRP. La deuxième section de cette partie évalue l'efficacité des règlements de conception actuels pour déterminer la résistance à la flexion des poutres continues en BA renforcées à l'extérieur avec des tissus ou des lamelles. Enfin, la troisième section évalue et compare les efficiences des techniques EB et NSM. A cet effet, deux autres poutres (de la troisième partie) renforcées par les techniques NSM et SNSM sont testées et présentées.

This thesis is composed of four parts. Each part contains several research items according to the structural topic planned to be studied. Although the logical sequence was preserved in the thesis, each part was structured to discuss and address a specific flexural issue regarding strengthening reinforced concrete (RC) beams with fiber-reinforced polymers (FRPs). In general, the thesis experimentally, analytically, and numerically studies the possibility of using near surface mounted (NSM) and externally bonded (EB) techniques for strengthening and repairing continuous two-span beams. In summary, the experimental scheme of this thesis comprised 21 beams: six beams were simply supported with a 3-m length each, and 15 beams were continuous over two spans with a 6-m total beam length and 2.85-m span length each. The analytical analysis and design approaches as well as the finite element (FE) numerical models were developed or/and utilized in some parts according to their importance and necessity.- The first part studies the possibility of strengthening RC beams on their side surfaces instead of their soffits. Therefore, the side near surface mounted (SNSM or side-NSM) technique was proposed and investigated on six simply supported beams: one control beam and five others initially strengthened with 2∅6 carbon-FRP (CFRP) bars.-The second part presents an experimental and analytical study regarding the assessment of using the NSM technique for flexural strengthening of continuous RC beams. The experimental program of this part consists of six full-scale two-span beams: one control beam and five others strengthened with FRP bars in both hogging and sagging regions.-The third part presents a comparison between the NSM and side-NSM techniques for strengthening continuous two-span RC beams with CFRP rods. The study comprises two main sections: an experimental section and a FE section.-The fourth part presents an experimental study that was primarily conducted to fill in the gaps in the literature regarding strengthening continuous RC beams with EB-CFRP. Generally, this part consists of three main sections. In the first section, seven large-scale two-span beams are statically investigated: one control beam (from part two) and six beams initially strengthened in terms of bending with CFRP sheets or plates. The second section evaluates the effectiveness of the current design codes in determining the flexural strength of continuous beams strengthened externally with CFRP sheets or plates. Finally, the third section assesses and compares the efficiencies of the EB and NSM techniques.