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Probabilistic seismic vulnerability and risk assessment of stone masonry structures

Abo El Ezz, Ahmad (2013). Probabilistic seismic vulnerability and risk assessment of stone masonry structures. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Earthquakes represent major natural hazards that regularly impact the built environment in seismic prone areas worldwide and cause considerable social and economic losses. The highlosses incurred following the past destructive earthquakes promoted the need for assessment of the seismic vulnerability and risk of the existing buildings. Many historic buildings in the old urban centers in Eastern Canada such as Old Quebec City are built of stone masonry and represent un-measurable architectural and cultural heritage. These buildings were built to resist gravity loads only and generally offer poor resistance to lateral seismic loads. Seismic vulnerability assessment of stone masonry buildings is therefore the first necessary step in developing seismic retrofitting and pre-disaster mitigation plans. The objective of this study is to develop a set of probability-based analytical tools for efficient seismic vulnerability and uncertainty analysis of stone masonry buildings. A simplified probabilistic analytical methodology for vulnerability modelling of stone masonry building with systematic treatment of uncertainties throughout the modelling process is developed in the first part of this study. Building capacity curves are developed using a simplified mechanical model. A displacement based procedure is used to develop damage state fragility functions in terms of spectral displacement response based on drift thresholds of stone masonry walls. A simplified probabilistic seismic demand analysis is proposed to capture the combined uncertainty in capacity and demand on fragility functions. In the second part, a robust analytical procedure for the development of seismic hazard compatible fragility and vulnerability functions is proposed. The results are given by sets of seismic hazard compatible vulnerability functions in terms of structure-independent intensity measure (e.g. spectral acceleration) that can be used for seismic risk analysis. The procedure is very efficient for conducting rapid vulnerability assessment of stone masonry buildings. With modification of input structural parameters, it can be adapted and applied to any other building class. A sensitivity analysis of the seismic vulnerability modelling is conducted to quantify the uncertainties associated with each of the input parameters. The proposed methodology was validated for a scenario-based seismic risk assessment of existing buildings in Old Quebec City. The procedure for hazard compatible vulnerability modelling was used to develop seismic fragility functions in terms of spectral acceleration representative of the inventoried buildings. A total of 1220 buildings were considered. The assessment was performed for a scenario event of magnitude 6.2 at distance 15km with a probability of exceedance of 2% in 50 years. The study showed that most of the expected damage is concentrated in the old brick and stone masonry buildings.

Résumé traduit

Parmi les risques naturels, les tremblements de terre ont une incidence significative sur l'environnement bâti et engendrent des pertes économiques et sociales. Les pertes élevées causées par les derniers tremblements de terre destructeurs mettent en évidence la nécessité d'une évaluation de la vulnérabilité sismique des bâtiments existants. Parmi les bâtiments les plus vulnérables, les bâtiments anciens en maçonnerie de pierre sont nombreux dans les centres historiques urbains de l'Est du Canada, comme le Vieux-Québec, et représentent un patrimoine architectural et culturel dont la valeur est difficilement mesurable. Ces bâtiments ont été construits pour résister aux charges de gravité et offrent généralement une faible résistance aux charges sismiques. L’évaluation de leur vulnérabilité sismique est donc la première étape nécessaire au développement d’un programme de mitigation du risque et de mise à niveau sismique. L'objectif de cette étude est de développer un ensemble d’outils analytiques probabilistes pour l'évaluation de la vulnérabilité sismique des bâtiments en maçonnerie de pierre et l’analyse efficace des incertitudes inhérentes au processus d’évaluation. En premier lieu, une approche méthodologique simplifiée est proposée pour la modélisation de la vulnérabilité des bâtiments et le traitement systématique des incertitudes. Les courbes de capacité sont développées à l’aide d’un modèle mécanique équivalent à un degré de liberté. Les courbes de fragilité, donnant le degré de dommages en fonction du déplacement spectral, sont développées sur la base de déplacements critiques des murs de maçonnerie de pierre. Une analyse probabiliste simplifiée de la demande sismique est proposée pour déterminer l’influence de l'incertitude combinée de la capacité et de la demande sur les courbes de fragilité. En deuxième lieu, une procédure pour le développement de fonctions de fragilité et de vulnérabilité sismique en termes d’une mesure d’intensité indépendante de la structure (l'accélération spectrale) est proposée. La procédure est efficace pour réaliser rapidement l’évaluation de la vulnérabilité des bâtiments en maçonnerie de pierre et peut facilement être adaptée et appliquée à une autre classe de bâtiment. En troisième lieu, une analyse de sensibilité est réalisée pour quantifier l’influence des incertitudes associées aux paramètres utilisées dans la procédure de modélisation de la vulnérabilité sismique. Finalement, la méthodologie proposée est appliquée à l’estimation des dommages pour 1220 bâtiments existants du Vieux-Québec selon un scénario sismique de magnitude 6,2 à une distancé épicentrale de 15km pour une probabilité de dépassement de 2% en 50 ans. Les courbes de fragilité des autres types de bâtiments ont été développées avec la procédure proposée à partir des courbes de capacité proposées dans Hazus. Ce scénario montre que la plupart des dommages prévus sont concentrés aux vieux bâtiments de maçonnerie de brique non-armée et aux bâtiments en maçonnerie de pierre.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for the degree of doctor of philosophy" Bibliogr. : p. [145]-150.
Mots-clés libres: Risques sismiques. Constructions. Maçonnerie de pierre. Incertitude. Mesures de probabilités. analyse, vulnérabilité
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Nollet, Marie-José
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Nastev, Miroslav
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 29 mai 2013 15:03
Dernière modification: 08 mars 2017 02:05
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1168

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