La construction accélérée d’infrastructures routières est une solution à préconiser pour favoriser le remplacement des ponts sur des axes routiers existants et ainsi maintenir de façon efficiente l’offre en service aux usagers. Cette méthode de construction peut également s’appliquer en zones propices aux séismes, notamment par l’utilisation de bétons performants. Ce travail doctoral se penche sur la faisabilité d’une telle approche pour la construction accélérée des éléments de fondation pour les ponts. L'étude porte sur l'utilisation d’éléments préfabriqués pour la fabrication des colonnes des piles de ponts. L’objectif est de concevoir des colonnes répondant favorablement aux efforts sismiques ainsi qu'aux exigences de durabilité pour des conditions environnementales sévères. Le système étudié consiste en une coque préfabriquée d’une colonne évidée faite en matériaux performants, tels les bétons fibrés à ultra hautes performances (BFUP) ou en béton hautes performances (BHP), que l’on dépose sur la semelle de fondation, centrée sur les armatures d’ancrage en attente. Par la suite, un béton normal est mis en place dans l'élément évidé afin de constituer le noyau de la colonne. La coque préfabriquée, en plus de servir de coffrage participatif, permet de profiter de la forte résistance en compression et traction de ces bétons performants afin de confiner le noyau de la colonne en plus de conférer à l'ensemble une la tenue améliorée aux agents agressifs en comparaison avec les solutions coulées en place avec des bétons normaux. Le confinement amené par la coque permet la formation de la rotule plastique à la base selon les mêmes principes que les solutions en béton conventionnel. Cette approche est en accord avec la majorité des codes internationaux quant aux exigences de chevauchement d’armature dans la zone de rotule plastique. Différents critères et hypothèses de calculs sont mis de l’avant afin d’apporter des recommandations à l’assemblage de structures d’éléments préfabriqués. Le concept proposé requiert des équipements de levage conventionnels que l’on retrouve sur la majorité des chantiers.

Trois aspects seront considérés :​ l’utilisation de la préfabrication pour la construction des piles de ponts, la résistance sismique des piles préfabriquées et la durabilité de l’infrastructure. Deux programmes expérimentaux distincts sont réalisés :​ le premier évalue la contribution au confinement de la coque sur les gains en résistance et en ductilité du noyau en béton normal de poteaux courts. Le second évalue le comportement cyclique et l’endommagement structural d’une pile de ponts à échelle réduite. Un total de 15 spécimens circulaires représentant des poteaux courts ont été soumis à un chargement axial monotonique jusqu’à la rupture. Dans ces essais, la charge axiale est appliquée directement sur le noyau en béton normal afin d'isoler la contribution de la coque externe préfabriquée qui est chargée indirectement par l'expansion radiale du noyau comprimé. Les trois spécimens de piles circulaires, à échelle réduite, sont soumis à un chargement cyclique alterné dans un équipement multiaxial. L'ensemble des spécimens des deux programmes expérimentaux ont été construits avec des matériaux conventionnels et accessibles commercialement.

On note, pour le programme expérimental sur les poteaux courts, un gain en moyenne de 140% sur la charge maximale pour des spécimens de béton armé ceinturé d’une coque armée de 70 mm en BFUP. La tenue en ductilité, même pour un BFUP avec un dosage en fibres élevé, s’est montrée insatisfaisante sans la présence d’armatures transversales conventionnelles dans la coque. La variation du taux d’armature transversale dans le noyau central s’est avérée avoir une influence sur la charge maximale soutenue tandis que l’abaissement du pourcentage d’armature transversal dans la coque a conduit à une diminution de la ductilité. La contribution d’une coque épaisse en BFUP combinée avec un taux d’armature transversale de 1 % a montré une performance similaire à une coque épaisse en BHP avec un taux d’armature transversale de 2 %. L’apport de la résistance en traction bonifiée et du comportement écrouissant de ce matériau ultra performant permet une réduction du taux d’armature de confinement. Pour la conception, la plastification de l’armature transversale à l’atteinte de la charge maximale peut être considérée. À partir des modèles de confinement de la littérature et de l’équilibre des forces, il a toutefois été démontré que la contrainte du BFUP à la charge maximale soutenue par le noyau est dans la phase postpic adoucissante de ce matériau, au-delà du pic maximal de résistance. Dans cette phase adoucissante, la rupture de la coque est caractérisée par l’ouverture de fissures principales longitudinales. Il n'est donc pas recommandé de considérer la contribution du BFUP et de l’armature transversale à leur maximum simultanément pour calculer la contrainte de confinement effective sur le noyau.

Le programme expérimental sur piles vise à mesurer la performance cyclique de trois spécimens de pile circulaire préfabriquée faite à partir d'une coque préfabriquée servant de coffrage participatif. Un autre spécimen de construction conventionnelle coulée en place et testée dans un projet de recherche précédent sert de colonne de référence.

Pour les colonnes avec une coque préfabriquée en BFUP, aucun endommagement de la coque préfabriquée n’a été observé à la fin de l’essai cyclique alterné, et ce, pour des ratios de déplacement à l’ultime au-delà de 6 %. En contrepartie, le spécimen avec une coque préfabriquée en BHP a exhibé un comportement structural adoucissant avec une perte graduelle de la force horizontale. Les trois spécimens avec une coque préfabriquée ont performé jusqu’à un niveau de ductilité en rotation à l’ultime de 1.5 fois celui du spécimen de contrôle. La participation de la coque préfabriquée a été observée dès les cycles élastiques du protocole de chargement grâce à l'utilisation du système de corrélation d’images numériques. Le mode de défaillance observé est associé à la rupture des barres d’armatures par fatigue à haut taux de contraintes.

Un volet numérique complète le programme expérimental sur les piles préfabriquées. Les analyses numériques ont permis de mettre en évidence le confinement important à la base de la colonne apporté par la coque. Une contrainte de confinement à plus de 30 MPa a été obtenue avec la loi de matériaux hypoélastique EPM3D implémentée dans Abaqus 6-14/CAE. Cette valeur est plus du double de celle obtenue avec un modèle numérique avec des étriers seuls, sans coque épaisse. Les modèles numériques ont également permis de faire ressortir l’influence de la condition d’appuis de la coque épaisse sur la semelle de la pile. En modélisant une coque légèrement surélevée au-dessus de semelle, la réponse de l’analyse numérique donne une force horizontale inférieure d’environ 30 kN par rapport à la valeur obtenue en considérant une coque parfaitement appuyée sur la semelle. Ces deux analyses ont montré un caractère ductile similaire sans perte significative de la force horizontale au-delà d’un ratio de déplacement de 3.5 %. Les résultats du programme expérimental ont permis de valider de façon satisfaisante le modèle numérique.

Accelerate Bridge Construction is one solution for maintaining an efficient service to users. This method of construction can also be applied in seismic-prone regions by using High-Performance Concrete. The present study looks at the feasibility of implementing accelerated construction of the substructure for bridges. The aim is to design a stay-in-place structural formwork that responds favorably to seismic forces and environmental conditions. The precast column consists of a hollowcore section made of high-performance materials, such as Ultra-High-Performance FiberReinforced Concrete (UHPC), which is placed in the center of a radius of anchoring reinforcement from the footing. In addition to serving as a permanent formwork, this construction technique not only benefits from the high compressive and tensile strength of the Ultra-High-Performance Concrete but it also improves durability. Afterward, normal concrete is filled inside the UHPC tubular section as the core of the column. It therefore allows the continuity of the longitudinal bars from the footing as in cast-in place construction. This approach is in line with most international codes regarding reinforcement overlap requirements in the plastic hinge region. Various scenarios and hypotheses have been proposed to provide appropriate guiding principle for the assembly of prefabricated structures. The concept requires conventional lifting equipment found on most construction sites.

Three aspects will be considered:​ the use of prefabrication for bridge pier construction, the seismic resistance of prefabricated piers and the durability of the substructure. Two separate experimental aspects will be analyzed, the first will assess the contribution of confinement to strength and ductility gains. The second assesses the seismic behavior and structural damage of a scaled-down bridge pier. A total of 15 circular specimens representing short columns were subjected to monotonic axial loading until failure. In these tests, the axial load is applied directly on the core of the column. The prefabricated outer shell is loaded indirectly by the radial expansion of the compressed core. Three scaled-down circular pier specimens were subjected to low-cyclic fatigue protocol in a multi-axial subassemblage test system. These specimens were built using conventional and commercially available materials. For the experimental program on short columns, we noted an average gain of 140% in maximum load for reinforced concrete specimens encased in a 70 mm UHPC reinforced shell. The ductility performance, even for strain hardening UHPC, was unsatisfactory without the presence of conventional transverse reinforcement in the shell. Varying the amount of transverse reinforcement in the central core proved to have an influence on the maximum sustained load. Whereas lowering the percentage of transverse reinforcement in the shell appears to reduce ductility. The contribution of a thick UHPC shell with 1% transverse reinforcement showed similar performance to a thick high-performance concrete (HPC) shell with 2% transverse reinforcement. The enhanced tensile strength and strain-hardening behavior of this high-performance material enabled a reduction in the amount of confinement reinforcement required. For design purposes, yielding of the transverse reinforcement at maximum load can be considered. Based on literature confinement models and force equilibrium, it has been demonstrated that the strength of UHPC exceeds postcracking stress. Its behavior is in the softening branch following the opening of the main cracks. It is therefore not advisable to take the contribution of the UHPC and transverse reinforcement at their maximum simultaneously when calculating the effective confinement stress on the core.

The experimental program on bridge substructures measures the low-cyclic performance of three prefabricated circular pier specimens. Another specimen of conventional construction serves as a reference point. No damage to the precast UHPC shell was noted at the end of the alternating cyclic tests. Unlike the specimen with a precast HPC shell which exhibited a softening structural behavior with a gradual loss of load. All three specimens with precast shells performed to a level of ultimate rotational ductility of 1.5 times that of the control specimen. The involvement of the precast shell was shown as early as the elastic cycles of the loading protocol by digital image correlation. The observed failure mode is associated with the failure of the reinforcing bars by high plastic strain fatigue.

A numerical study completes the experimental program on prefabricated piles. This confinement obtained is over 30 MPa with the EPM3D hypoelastic material law implemented in Abaqus 6- 14/CAE. This value is more than double that of a numerical model without a thick shell. The numerical models also highlighted the influence of the bearing condition of the thick shell on the pile footing. By modeling a shell raised above the footing, the response of the numerical analysis gives a lower limit of around 30 kN compared with the perfectly supported shell on the footing. These two boundary condition analyses showed a similar ductile behaviour with no significant loss of load beyond a displacement ratio of 3.5%. The results of the experimental program validated the numerical model successfully.