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Étude du comportement sous charges latérales des ossatures de béton armé avec murs de remplissage de maçonnerie, construites avant les années 1960

Lefebvre, Karine (2012). Étude du comportement sous charges latérales des ossatures de béton armé avec murs de remplissage de maçonnerie, construites avant les années 1960. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Les structures de béton armé avec remplissages de maçonnerie non armée (BMR) sont considérées comme des structures vulnérables aux séismes. Sous l’effet des secousses sismiques, elles subissent l’effondrement de leurs remplissages (causant blessures et décès) et l’endommagement des colonnes à cause des remplissages. Au Canada et au Québec, la plupart des structures BMR ont été conçues avant l’implantation des premières normes parasismiques et l’évaluation de leur résistance latérale soulève la question du rôle joué par le remplissage.

La présente thèse a pour objectif d’améliorer les techniques de modélisation des structures BMR construites au Québec entre 1915 et 1960 ; souvent des structures d’hôpitaux et d’écoles, dont le fonctionnement est essentiel à la suite d’un séisme, ou alors des immeubles de bureaux ou résidentiels. Actuellement, les praticiens optent pour une analyse de la capacité sismique ne considérant pas le rôle structural des remplissages. Or, ce rôle est non négligeable.

Dans un premier temps, les techniques de construction et les propriétés des matériaux constituant les structures BMR érigées dans la province pendant la période ciblée par la présente thèse ont été étudiées. Les résultats sont les caractéristiques des matériaux composant les structures BMR (béton, acier d’armature, brique, tuile de terre cuite, mortier), ainsi que leur assemblage (coupe de mur, détails d’armature).

Différentes analyses paramétriques ont été réalisées afin de déterminer quels paramètres géométriques et de modélisation sont les plus influents sur leur comportement sous charge latérale. Les analyses de type linéaire avaient aussi comme objectif d'étudier la réponse élastique des modèles, tandis que les analyses modales ont entre autres servi à valider la prépondérance du premier mode, puisque c'est un prérequis pour les analyses pushover. Les analyses paramétriques linéaires et modales ont permis d’établir que les paramètres influant la rigidité, la période fondamentale et les modes propres sont : le nombre d’étages, le nombre de baies, la largeur des baies, les étages flexibles, les ouvertures, la modélisation des étages supérieurs et le type de modélisation des panneaux de remplissage (coque ou bielle).

Des analyses statiques non linéaires ont permis de déterminer les paramètres les plus influents et devant être considérés pour l’évaluation de la résistance latérale, la capacité (charge / déplacement) et la séquence de plastification (poutres vs colonnes vs remplissage). Les paramètres considérés sont : la présence de remplissages, les types d’ouvertures et les caractéristiques géométriques des modèles (nombre d’étages et nombre de baies).

Le résultat principal de la thèse est un modèle de bielle pouvant facilement être intégré dans un logiciel d’analyses standard. Ce modèle de bielle, avec rotule centrale axiale exprimant le comportement non linéaire de la maçonnerie, est une hybridation de propositions existantes (FEMA et autres) avec des innovations propres à l’auteure. Le modèle, jugé acceptable pour les études paramétriques, a également été validé avec des résultats d’analyse expérimentale et numérique issus de la littérature.

Une conclusion importante de ce projet est qu’il faut tenir compte des remplissages dans l’évaluation de la capacité à résister aux charges latérales pour les structures de plus d’un étage. En effet, l’apport en capacité des remplissages peut aller jusqu’à 51 %. Concernant le critère d’évaluation des bâtiments existants du Code national du bâtiment stipulant que la résistance aux charges latérales doit être au moins 60 % de la force sismique statique équivalente (V2005), la conclusion est que les modèles d’un étage ont une résistance suffisante, mais pas ceux de trois étages pour lesquels des déformations plastiques ont été obtenues pour un niveau de charge inférieur à 0,6 * V2005.

Résumé traduit

Reinforced concrete structures with unreinforced masonry infills (BMR) are considered vulnerable to earthquakes. Under seismic actions, infills could fail (causing injuries or death) and cause damages to columns. In Quebec and Canada, most of BMR structures have been constructed prior to the introduction of modern seismic design codes raising question on the contribution of the infill to the structure lateral resistance.

The aim of this thesis is to improve modelling technique of BMR structures built in Quebec between 1915 and 1960. This type of structures is found in hospitals or schools buildings, which must comply with some post-earthquake functionality requirements. They could also be residential or office buildings. Actually, practicing engineers usually calculate seismic capacity of BMR structures without considering the infill’s structural contribution to the lateral resistance. Yet, this contribution should not be omitted.

The first part of the thesis investigates the construction techniques and material properties of the old BMR structures in the Province. The results are the material properties (concrete, reinforcing steel, brick, terra cotta tile, and mortar) and the characteristics of the assemblies (wall section, reinforcement details...).

The second part of the thesis presents the results of series of parametric analyses to identify among modelling and geometric parameters, which ones are the most influent on the lateral load response (rigidity, fundamental period, normal modes). Linear and modal analyses were performed. The most influent parameters identified are: number of storeys, number of bays, bay’s width, soft storey, openings, upper storeys modelized (instead of being replaced by punctual loads) and the modelization technique of infills panels (strut or shell).

Nonlinear static analyses have been performed to identify the most influent parameters to be considered for evaluating the lateral resistance, the capacity (load / displacement) and the yielding sequence (beam versus columns versus infills). The identified parameters are the presence of the infills, the openings and the geometric characteristics of the models (number of storeys and number of bays).

One important contribution of this work is the development of an equivalent strut model to represent the action of the infill. The model could be easily implemented in standard analysis software. A central axial hinge reproducing the nonlinear behaviour of the masonry is added to the strut element. This model is a hybridization of existing proposals (FEMA and others) with added innovations by the author. It has been validated with experimental and numerical analyses results from literature.

An important conclusion of this thesis is that the contribution of infills to lateral load resisting capacities of BMR structures should be considered for structure of more than one storey. Infills can add up to 51 % to bare frame capacity. The National building code requires that the lateral resistance of existing buildings must be at least 60 % of the equivalent static seismic force (V2005). It is concluded that one storey BMR buildings have a sufficient resistance, while three-storeys structures exhibit plastic deformations for loads Under 0,6* V2005.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thèse présentée à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention du doctorat en génie". Bibliogr. : f. [305]-319.
Mots-clés libres: Béton armé-Fissuration. Maçonnerie. Mécanique de la rupture. Poutres en béton armé. remplissage de maçonnerie non armée, ossature de béton armé, BMR, caractérisation structurale, analyses paramétriques statiques non linéaires (pushover), modélisation, bielle équivalente, rotules plastiques.
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Nollet, Marie-José
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 09 nov. 2012 21:55
Dernière modification: 04 mars 2017 01:55
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1090

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