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Assessment of the effect of non-structural walls on the dynamic properties and engineering demand parameters of a case study building

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Ramadan, Ayman (2022). Assessment of the effect of non-structural walls on the dynamic properties and engineering demand parameters of a case study building. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

When an earthquake occurs, most international design approaches ignore the contribution of non-structural components (NSCs) to the building dynamic properties. This thesis evaluates the effects of the architectural components, namely curtain walls, and masonry walls, on the mode shapes, fundamental periods, damping ratios, and lateral stiffness of a case study building as well as the engineering demand parameters in terms of inter-story drifts and peak floor accelerations under the effect of selected and scaled earthquake records matching Montreal’s uniform hazard spectrum with a return period of 2500 years.

First, ambient vibration measurements (AVMs) were conducted on the bare frame composed of the structural components. Then, another series of AVMs were conducted on the full frame when the NSWs were added to the structure. Modal parameters (natural frequencies, mode shapes and damping ratios) were extracted using the Stochastic Subspace Identification (SSI) implemented in the software ARTeMIS®. The modal parameters of the MDE were obtained for the first mode only at the bare frame stage due to lack of sufficient records, and for the first three modes of the full frame stage. Moreover, the floor acceleration amplifications (FAA) were computed for the roof at bare frame stage, and all floors at full frame stage.

Two linear-finite element models of the building at both construction stages were developed in the software ETABS® (CSI, 2017) and calibrated according to the AVMs results. Only the mass of the other NSCs and building content was considered in the analysis.

It was found that the building fundamental period decreased by -12.4% when the NSWs were added. The mode shapes remained the same at both stages of construction due to the presence of masonry walls only on the ground floor. Damping has been increased from +1.98% (bare frame) to +3.03% (full frame). Moreover, it was observed that NSWs contributed to the reduction of inter-story drifts at all floors in both directions (from -20.5% to -41.6% in the longitudinal direction, and from -25.8% to -67.6% in the transversal direction). In addition, the FAA of the full frame have been shown to be superior to those of the bare frame in all stages in the transversal direction. In the longitudinal direction, the FAA of the full frame are higher than those of the bare frame in the intermediate floors (2nd, and 3rd), and lower than those of the bare frame in the mezzanine, and the upper floors (4th, 5th, and roof). Indeed, it has been demonstrated that the FAA are not linear, and that they are underestimated by the NBC 2015 which may leads to an underestimation of the lateral seismic force of the NSCs by underestimating the amplification of the floor acceleration.

Finally, to evaluate the effect of the NSWs separately on the stiffness of the building, two finite element models were taken: the full frame model, and another model without the NSC (masonry walls or curtain walls), then the effect of this NSW was quantified. It was also observed that masonry walls and curtain walls provided an additional stiffness of +20% and +5% respectively in the transversal direction. While in the longitudinal direction, the masonry walls brought an additional stiffness of +16%, and the curtain walls decreased the stiffness of -4% due to their disconnections from the slabs in the upper floors.

Titre traduit

Évaluation de l'effet des murs non structuraux sur les proprietés dynamiques et les paramètres de demande d'ingénierie dans un bâtiment étudié

Résumé traduit

Lorsqu'un tremblement de terre se produit, la plupart des approches de conception internationales ignorent la contribution des composants non structuraux (CNSs) aux propriétés dynamiques du bâtiment. Ce mémoire évalue les effets des composants architecturaux, à savoir les murs rideaux et les murs de maçonnerie, sur les différents modes de déformation, les périodes fondamentales, l'amortissement et la rigidité latérale du bâtiment MDE situé sur le campus de l’école de technologie supérieure. De plus, les paramètres de demande d'ingénierie en termes de déplacement inter-étages et d'accélération absolue des planchers ont été évalués sous l'effet des séismes sélectionnés et calibrés, correspondant au spectre de risque sismique uniforme de Montréal avec une période de retour de 2500 ans.

Tout d'abord, des mesures de vibrations ambiantes (MVAs) ont été effectuées au niveau du cadre nu composé des éléments structuraux. Ensuite, une autre série de MVAs a été réalisée au cadre complet lorsque les murs non-structuraux (MNSs) ont été ajoutées à la structure. Les paramètres modaux (fréquences naturelles, modes de déformation et l'amortissement) ont été obtenus en utilisant la méthode « Stochastic Subspace Identification (SSI) » implémentée dans le logiciel ARTeMIS®. Les paramètres modaux de la MDE ont été obtenus pour le premier mode seulement du cadre nu à cause d’un nombre insuffisant d’enregistrements, et pour les trois premiers modes du cadre complet. De plus, les amplifications de l'accélération du plancher (AAP) ont été calculées au toit pour le cadre nu, et à tous les planchers pour le cadre complet.

Deux modèles d'éléments finis linéaires du bâtiment aux deux stades de construction ont été développés dans le logiciel ETABS© (CSI, 2017) et calibrés selon les résultats des MVAs. Dans cette analyse, seulement la masse des autres CNSs et le contenu du bâtiment ont été pris en considération.

Il a été constaté que la période fondamentale du bâtiment a subi une diminution de -12,4% lorsque les MNSs étaient ajoutés. Les modes de déformation sont demeurés les mêmes aux deux stades de la construction en raison de la présence de murs en maçonnerie uniquement au rez-de-chaussée. L’amortissement a subi une augmentation allant de +1.98% (cadre nu) à +3.03% (cadre complet). De plus, il a été observé que les MNSs ont contribué à la réduction des déplacements inter-étages à tous les étages dans les deux directions (de -20,5% à -41,6% dans la direction longitudinale, et de -25,8% à -67,6% dans la direction transversale). En addition, il a été démontré que les AAP du cadre complet sont supérieures à celles du cadre nu dans tous les étages dans la direction transversale. Dans la direction longitudinale, les AAP du cadre complet sont supérieures à celles du cadre nu dans les étages intermédiaires (2ème, et 3ème), et inférieures à celles du cadre nu dans la mezzanine, et les étages supérieurs (4ème, 5ème, et toiture). En effet, il a été démontré que les AAP ne sont pas linéaires, et qu'elles sont sousestimées par le CNB2015 ce qui pourrait entraîner une sous-estimation de la force sismique latérale des CNSs en sous-estimant l'amplification de l'accélération du plancher.

Enfin, pour évaluer l'effet de chacun des MNSs séparément sur la rigidité du bâtiment, deux modèles d’éléments finis ont été pris : un modèle du cadre complet et un autre modèle sans le MNS (murs de maçonnerie ou murs rideaux), puis l’effet de ce MNS a été quantifié. Il a été observé que les murs de maçonnerie et les murs rideaux apportaient respectivement une rigidité supplémentaire de +20% et +5% dans la direction transversale. Tandis que dans la direction longitudinale, les murs de maçonnerie apportaient une rigidité supplémentaire de +16%, et les murs rideaux diminuaient la rigidité de -4% à cause de leurs déconnections des dalles dans les étages supérieurs.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for a master’s degree with thesis in construction engineering". Comprend des références bibliographiques (pages 114-119).
Mots-clés libres: composants non structurels, mesures des vibrations ambiantes, modèles à éléments finis, analyse modale, calibration, amplifications de l'accélération du plancher, déplacements inter-étage
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Assi, Rola
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie de la construction
Date de dépôt: 09 juin 2022 15:41
Dernière modification: 09 juin 2022 15:41
URI: https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3007

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