Colonnes elliptiques en béton armé confinées à l’aide de composites en PRF : simulations par éléments finis et études paramétriques

El Ghayour, Hamza (2025). Colonnes elliptiques en béton armé confinées à l’aide de composites en PRF : simulations par éléments finis et études paramétriques. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Ce mémoire présente les travaux de recherche mettant en évidence les mécanismes de confinement des colonnes en béton renforcées par un chemisage en PRF et contribue à approfondir les connaissances relatives à cette technique performante de renforcement structurel. Cette méthode fait aujourd’hui partie intégrante des codes de conceptions nord-américains et européens. Néanmoins, la complexité de ce système se traduit dans ces codes par des limitations parfois exigeantes, et d’autres fois moins conservatrices, voire peu sécuritaires.

Le principe général du confinement est similaire à celui en armature transversale tel qu’exposé dans le modèle unifié de Mander et al. (1988). Des modèles expérimentaux ou semi-théoriques comme ceux Teng et Lam (2002) et Chaallal et al. (2003), on déduit que le comportement de ces colonnes dépend des principaux paramètres suivant : (1) la forme géométrique de la colonne ayant un impact sur l’uniformité du confinement tel qu’explicité par les études de Hassan et Chaallal (2007) et de Liu et al. (2023), (2) le nombre de couches de PRF, sa rigidité et sa résistance à la traction qui dictent le niveau de confinement de la colonne et sa ductilité comme précisé par les études de Benzeguir et al. (2024) et de Gahmousse et al. (2021), et (3) le comportement élasto-plastique du béton et sa résistance à la compression.

Teng et Lam (2002) et Zeng et al. (2021) ont démontré que l’ovalisation est une solution efficace pour le renforcement de colonnes confinées sujettes à divers types de chargements. Ce système de colonnes elliptiques confinées en PRF fut méticuleusement formulé à l’aide de la Méthode des Éléments Finis de Galerkin pour une représentation fidèle de leur comportement face à un chargement en compression axiale. La formulation choisie suppose de faibles déformations et rotations et une non-linéarité provenant uniquement du matériau béton. La plasticité du béton à été définie à l’aide du critère de Drucker-Prager.

Les résultats obtenus des simulations numériques valident les constats expérimentaux des divers travaux dans la littérature et conduisent à l’élaboration d’un modèle analytique précis représentant fidèlement l’impact de ces paramètres à travers un modèle de bielles et tirants radiaux. Il en ressort que la variation de la courbure de la surface de contact béton-PRF, la résistance en compression du béton, ainsi que la rigidité pourvue par le confinement à travers les caractéristiques intrinsèques du PRF et nombre de plis font parties intégrantes des équations qui prédisent les contraintes de confinement et la capacité portante de la structure avec un écart relatif de moins de 10% par rapport aux résultats expérimentaux. Des pistes d’améliorations notamment relativement aux modèles des codes de conceptions ont aussi été proposées.

Titre traduit

Elliptical reinforced concrete columns confined using FRP composites: finite element simulations and parametric study

Résumé traduit

This thesis presents research work that sheds light on the confinement mechanisms of concrete columns strengthened with FRP jackets and contributes to advancing the understanding of this efficient structural retrofitting technique. Today, this method has become an integral part of North American and European design codes. However, the complexity of such systems is reflected in these codes through limitations that are, at times, overly restrictive and, at other times, insufficiently conservative, potentially compromising structural safety.

The general principle of confinement is like that of transverse reinforcement, as described in the unified model of Mander et al. (1988). Based on experimental and semi-theoretical models such as those developed by Teng and Lam (2002) and Chaallal et al. (2003), it can be deduced that the behavior of such columns depends primarily on the following key parameters: (1) the geometric shape of the column, which influences the uniformity of confinement, as highlighted by the studies of Hassan and Chaallal (2007) and Liu et al. (2023); (2) the number of FRP layers, their stiffness, and their tensile strength, which govern the confinement level and ductility of the column, as noted in the works of Benzeguir et al. (2024) and Gahmousse et al. (2021); and (3) the elastoplastic behavior of concrete and its compressive strength.

Teng and Lam (2002) and Zeng et al. (2021) demonstrated that ovalization provides an effective solution for strengthening confined columns subjected to various types of loading. This system of FRP-confined elliptical columns was meticulously formulated using the Galerkin Finite Element Method for an accurate representation of their behavior under axial compression. The adopted formulation assumes small deformations and rotations, with nonlinearity arising solely from the concrete material. The plastic behavior of concrete was modeled using the Drucker–Prager yield criterion.

The results obtained from the numerical simulations validate the experimental findings reported in the literature and lead to the development of an accurate analytical model that faithfully represents the influence of these parameters through a radial strut-and-tie model. The study reveals that the variation in the curvature of the concrete–FRP interface, the compressive strength of concrete, and the stiffness provided by confinement – governed by the intrinsic properties of the FRP and the number of layers – are integral components of the equations predicting the confinement stress and the load-bearing capacity of the structure, with a relative deviation of less than 10% to experimental results. Furthermore, potential improvements, particularly concerning the existing design code models, have also been proposed.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire présenté à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle pour l'obtention de la maîtrise avec mémoire en génie de la construction". Comprend des références bibliographiques (pages 131-135).
Mots-clés libres:	colonne, béton, ellipse, PRF, simulation
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Chaallal, Omar
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie de la construction
Date de dépôt:	24 févr. 2026 17:55
Dernière modification:	24 févr. 2026 17:55
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3782

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