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Méthodologie intégrée d'évaluation de la fonctionnalité post-sismique des hôpitaux

Youance, Suze (2015). Méthodologie intégrée d'évaluation de la fonctionnalité post-sismique des hôpitaux. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Lorsque survient une catastrophe naturelle, les infrastructures critiques ou de protection civile sont appelées à jouer un rôle crucial dans la réponse en situation d’urgence. Les hôpitaux, en particulier, doivent rester opérationnels pendant et après un séisme majeur. Cette capacité à assurer la qualité des opérations tout en garantissant la sécurité des occupants pendant et après un tremblement de terre réfère à la notion de fonctionnalité postsismique. L’observation des dommages de séismes récents montre que la fonctionnalité d’un hôpital est reliée à la bonne performance de la structure et des composants fonctionnels et opérationnels (CFO) dans leur environnement fonctionnel et non de manière isolée. Les CFO regroupent l’ensemble des composants architecturaux, techniques, les équipements spécialisés, le contenu ainsi que les services d’infrastructures essentielles. Il en résulte un assemblage de systèmes et de sous-systèmes reliés par leurs interfaces et habituellement qualifiés de complexes, ce qui rend difficile la détermination de la performance sismique globale.

Au Canada, les objectifs de performance de la structure et des CFO sont définis respectivement par le Code national du bâtiment dans sa version 2010 et par la norme « CSA S832-06-14, Réduction du risque sismique des CFO des bâtiments ». Pour les bâtiments de protection civile, les objectifs de performance visés sont : 1) l’occupation immédiate lorsqu’ils sont soumis aux secousses d’un séisme de conception avec une probabilité d’occurrence de 2% en 50 ans et 2) la fonctionnalité dans le cas d’un séisme occasionnel de 10% en 50 ans. Ces objectifs constituent la trame de développement de la méthodologie d’évaluation. Il s’agit alors d’évaluer les conséquences des dommages aux composants de base sur la fonctionnalité des systèmes en fonction de ces aléas sismiques.

La démarche retenue dans cette thèse se base sur la définition de l’hôpital comme un système complexe dans lequel les sous-systèmes critiques et leurs interdépendances sont identifiés puis modélisés dans une phase qualitative. La thèse introduit un indice de fonctionnalité postsismique (IFP) obtenu via une analyse quantitative subséquente.

Afin de dresser le cadre d’évaluation de la fonctionnalité post-sismique des hôpitaux, la phase qualitative comprend une revue de littérature détaillée de la performance sismique des hôpitaux, des méthodes existantes d’évaluation sismique et d’analyse de fiabilité, dont la méthode d’analyse par arbre de défaillance (AdD). L’évaluation de la vulnérabilité sismique des structures et des CFO de deux hôpitaux de Montréal, selon des méthodes en usage au Canada, complète cette phase qualitative. Les hôpitaux étudiés sont : l’Hôpital général de Montréal et l’Hôpital Rivière-des-Prairies pour lesquels six sous-systèmes critiques, identifiés par les gestionnaires, ont été retenus pour le développement d’une base de données globale. Les extrants principaux de cette phase est la modélisation de ces sous-systèmes sous forme d’arbre de défaillance et la caractérisation structurale des bâtiments.

La phase quantitative est menée sous la forme d’une étude paramétrique combinée à une approche probabiliste. Elle repose sur la base de données globale développée et la combinaison de plusieurs outils : les méthodes indicielles d’évaluation sismique, les courbes de fragilité et les arbres de défaillance. L’étude de la fonctionnalité post-sismique par le biais des indices de risque et de probabilité de dommage est une approche logique et pratique dans un contexte de rareté des données au Québec. Elle permet d’identifier les effets des facteurs de risque et de défaillance des systèmes et aide ainsi à développer une meilleure compréhension de ces problèmes. Les indices de risque et la probabilité de dommage sont regroupés sous forme d’une matrice de risque qui facilite l’interprétation du risque et aide à la prise de décision et des actions de mitigation. La méthodologie développée s’inscrit dans une démarche globale d’évaluation à grande échelle.

Enfin, un processus de validation de la méthodologie et des études de cas sont présentés dans la thèse. Bien que la comparaison avec des données externes soit limitée à cause de l’état de la recherche sur la performance des CFO, les résultats justifient le choix des paramètres d’entrée et confirment la variabilité de l’indice IFP. Les études de cas répondent à deux objectifs : l’évaluation de la fonctionnalité post-sismique des systèmes critiques des hôpitaux sous étude et l’optimisation de l’interprétation de l’indice IFP. Il apparait que la méthodologie globale donne une image fiable de la fonctionnalité post-sismique des hôpitaux de Montréal.

Titre traduit

Integrated methodology for post-earthquake functionnality assessment for hospital buildings

Résumé anglais

When an earthquake occurs, hospitals are expected to remain functional as they play a crucial role in emergency care operations. This ability to ensure the continuity of quality operations while ensuring the safety of occupants during and after an earthquake defines the concept of post-earthquake functionality. Hospital functionality relies on the good performance of the structure and a large number of operational and functional components (OFCs) including building content and equipment. The result is a set of systems and subsystems connected by their interfaces and usually described as complex. Therefore, the global seismic performance cannot be achieved by a simple sum of subsystem vulnerability or component indices.

In Canada, the objectives of structural and OFCs performance are respectively defined by the National Building Code in its 2010 version and the Canadian standard "CSA S832-06-14, Seismic risk reduction of OFCs of buildings". Immediate occupancy of post disaster buildings is mandatory for rare earthquakes with a hazard level of 2% in 50 years, and the full functionality for more frequent events (10% in 50 years) should be maintained. These performance levels constitute the framework of development for the assessment methodology. This has been the main impetus for assessing the effects of damage to components on the interrelated systems functionality under these hazard levels.

The approach used in this thesis is based on defining the hospital as a complex system, in which critical sub-systems and their interrelations are identified and modelled in a qualitative phase. The thesis introduces a post-earthquake functionality index (PFI) computed through subsequent quantitative analysis.

In order to establish the evaluation framework of the hospitals post-earthquake functionality, the qualitative phase includes a detailed literature review on the seismic performance of hospitals, seismic evaluation methods and reliability analysis, including the fault tree analysis method (FTA). This phase is completed by the assessment of seismic vulnerability of structures and OFCs of two hospitals in Montreal, using Canadian existing methods. Hospital case studies are the Montreal General Hospital and Hôpital Rivière-des-Prairies, in which six critical sub-systems, identified by managers, were selected for the development of a global database. Fault tree models of sub-systems and structural characterization of buildings are the result of this process.

The quantitative phase is conducted as a parametric study combined with a probabilistic approach. It is based on the developed global database and the combination of several tools: seismic index methods, fragility curves and fault trees. The study of post-earthquake functionality through risk index and probability of damage is a logical and practical approach in a context of data scarcity in Quebec. It identifies the effects of risk factors and failure of systems, and hence helps to develop a better understanding of these issues. The probability of damage alongside the risk levels are grouped into a risk matrix to develop PFI interpretation criteria, which facilitates risk interpretation to support decision making for mitigation action. The methodology can be used as comprehensive approach to conduct large-scale assessment.

Finally, a validation process and case studies are presented in the thesis. Although the comparison with external data is limited because of the state of research on CFO performance, the results justify the choice of input parameters and confirm the variability of the PFI index. The objectives of case study are twofold: assessment of post-earthquake functionality of critical systems, and optimisation of index interpretation. It appears that the overall methodology gives a reliable picture of the earthquake survivability of Montréal hospitals.

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". Bibliographie : pages 283-299.
Mots-clés libres: Hôpitaux Effets des tremblements de terre sur Québec (Province) Montréal. Services publics Effets des tremblements de terre sur Québec (Province) Montréal. Risques sismiques. Analyse des défaillances (Ingénierie) Ingénierie des systèmes. fonctionnalité, post-sismique, bâtiments existants, évaluation sismique, mesure de vibrations ambiantes, conception basée sur la performance, fiabilité des systèmes
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Nollet, Marie-José
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
McClure, Ghyslaine
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 27 nov. 2015 16:43
Dernière modification: 27 nov. 2015 16:43
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1558

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