Seismic performance and fragility assessment of ductile light non-structural components in nonlinear structures: from peak demand factors to loss estimation

Mehrjoo, Majid (2026). Seismic performance and fragility assessment of ductile light non-structural components in nonlinear structures: from peak demand factors to loss estimation. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Losses resulting from the failure of non-structural components (NSCs) during earthquakes account for nearly 70–85% of total construction investment, representing the dominant share of post-earthquake economic losses.

Despite this significance, conventional design approaches fail to adequately represent the varying levels of ductility of NSC attachments, relying instead on simplified empirical factors that do not explicitly consider the complex inelastic behavior of these components.
To address this gap, the present thesis develops a four-step investigation aimed at simultaneously reducing seismic demands and repair costs for light ductile NSCs through performance-based design methodologies that explicitly account for component inelasticity.

In the first step, ductility-based peak component modification factors (Ar/RP, IVR, and IDR) are derived and calibrated to quantify demand reductions attributable to NSC inelastic behavior. These factors are obtained from linear time-history analyses of four archetype moderately ductile reinforced concrete moment-resisting frames (3, 6, 9, 12 stories). These frames were subjected to 24 spectrally matched ground motions consistent with Montreal's Class C Uniform Hazard Spectrum. These results indicate 40–60% reductions in peak floor acceleration, velocity, and displacement demands when NSC ductility increases from μ = 1.0 to μ ≈ 2.0 under resonant conditions.

In the second step, Incremental Dynamic Analysis (IDA) is employed to quantify the combined effects of structural nonlinearity and modal resonance with the first three structural modes (T₁, T₂, T₃) on NSC fragility. Results indicate that inelastic structural behavior reduces median peak floor accelerations by up to 110% relative to elastic predictions and shifts damage-state exceedance probabilities, defined per Hazus guidelines, toward higher intensity levels, particularly for components tuned to the first structural mode.

In the third step, fragility functions are coupled with the FEMA-P-58 loss assessment methodology to estimate direct repair costs for two representative components: suspended ceilings installed at the roof and intermediate floors, and rooftop chillers. Enhanced attachment details, specifically multi-directional bracing for ceilings and seismic restraint devices for chillers, raise damage initiation thresholds by factors of 3-5 and 1.3, respectively. These improvements reduce expected repair costs by up to 95% for suspended ceilings and 17% for chillers at peak floor accelerations of 1.5 g peak floor acceleration. Losses concentrate near the building rooftops, where repair costs are 30-60% higher than at mid-height, and ceiling loss ratios reach 1.5-2% of total building replacement value. Chiller loss ratios remain below 0.55% of building replacement value, reflecting their smaller relative economic impact despite their critical functional role in building operations.

In the fourth step, the combined effects of structural and NSC nonlinearity are investigated through nonlinear time-history analyses incorporating pushover-derived story yield 10 displacements. Building upon the elastic results from the first step, these analyses demonstrate reductions in floor acceleration demands of 67-78% for elastic NSCs and 9-64% for ductile NSCs relative to elastic structural predictions. Proposed component force factors SP values identify moderate ductility (μcomp ≈ 1.5) as the optimal design target (SP = 3.4 at roof vs. 4.0 for elastic attachments). Comparison with NBC 2020 provisions reveals that both current and the recently approved NBC 2025 formulations underestimate roof-level demands by up to 35% for mid- to high-rise buildings.

Collectively, this four-step framework delivers practical performance-based design tools, including ductility-dependent modification factors, fragility functions, and component force factors that reduce NSC seismic demands by 40–60% and lower repair costs by up to 95% for ceilings and 17% for rooftop chillers, while addressing critical limitations in NBC 2020 provisions for mid- to high-rise buildings.

Titre traduit

Évaluation de la performance sismique et de la fragilité des composants non structuraux ductiles légers dans des structures non linéaires : des facteurs de demande maximale à l'estimation des pertes

Résumé traduit

Les pertes associées à la défaillance des composants non structuraux (CNS) lors des séismes représentent entre 70 à 85% de l'investissement total en construction, constituant ainsi la principale source de pertes économiques après un séisme. Malgré cette importance, les approches de conception conventionnelles ne tiennent pas adéquatement compte des différents niveaux de ductilité des ancrages et des dispositifs de fixation des CNS. Elles reposent généralement sur des facteurs empiriques simplifiés, sans considération explicite du comportement inélastique des composants. Afin de combler cette lacune, la présente thèse propose un cadre analytique en quatre volets visant à réduire simultanément les sollicitations sismiques et les coûts de réparation des CNS légers ductiles, au moyen de méthodologies de conception basées sur la performance et intégrant explicitement l’inélasticité des composants.

Dans un premier temps, des facteurs dépendants de la ductilité (Ar/RP, IVR et IDR) sont dérivés et calibrés à partir d'analyses temporelles linéaires réalisées sur quatre portiques‐types en béton armé à ductilité modérée (3, 6, 9 et 12 étages) soumis à 24 accélérogrammes ajustés au spectre de réponse d'aléa sismique uniforme de catégorie C de Montréal. Les résultats indiquent une diminution de 40 à 60% des accélérations, des vitesses et des déplacements de plancher lorsque la ductilité des CNS passe de μ = 1,0 à μ ≈ 2,0 en régime de résonance.

Dans la deuxième étape, une Analyse Dynamique Incrémentale (IDA) est appliquée pour évaluer l’effet combiné de la non-linéarité structurelle et de la résonance avec les trois premiers modes structuraux (T₁, T₂, T₃) sur la fragilité des CNS. Les réponses inélastiques réduisent les accélérations de plancher médianes jusqu'à 110% par rapport aux prédictions élastiques et décalent les probabilités de dépassement d'état de dommage, définies selon les directives Hazus, vers des intensités plus élevées, en particulier pour les composants accordés sur le premier mode.

Dans la troisième étape, les courbes de fragilité sont intégrées dans le cadre de la méthodologie de la FEMA P-58 afin d'estimer les coûts directs de réparation de deux composants représentatifs : les plafonds suspendus installés en toiture et aux étages intermédiaires et les refroidisseurs installés en toiture. L’utilisation d’ancrages améliorés, notamment des contreventements multidirectionnels pour les plafonds et des dispositifs de retenue sismique pour les refroidisseurs, multiplie les seuils d'amorçage de dommage par 3 à 5 pour les plafonds et par 1,3 pour les refroidisseurs, réduisant les coûts de réparation attendus jusqu'à 95% et 17%, respectivement, à 1,5 g d’accélération de plancher. Les pertes sont concentrées en toiture où les coûts sont 30 à 60% plus élevés qu'aux étages intermédiaires; les plafonds affichent des ratios de perte de 1,5 à 2% de la valeur de remplacement du bâtiment, tandis que les refroidisseurs restent inférieurs à 0,55% de cette valeur, reflétant leur impact économique plus faible malgré leur importance fonctionnelle critique pour les opérations du bâtiment.

Dans la quatrième étape, les effets conjoints de la non-linéarité structurelle et du comportement inélastique des CNS sont évalués au moyen d′analyses temporelles non linéaires intégrant les déplacements de plastification des étages dérivés d’analyses pushover. Les résultats montrent des réductions d’accélération de plancher de 67 à 78% pour les CNS élastiques et de 9 à 64% pour les CNS ductiles par rapport aux prédictions obtenues pour les structures élastiques. Les facteurs de force des composants (SP) proposés identifient une ductilité modérée (μcomp ≈ 1,5) comme cible de conception optimale (SP = 3,4 en toiture vs. 4,0 pour les ancrages élastiques), tandis que la comparaison avec les exigences du Code national du bâtiment du Canada 2020 (CNB 2020) révèle que les dispositions actuelles ainsi que leurs variantes (celles récemment approuvées du CNB 2025) sous-estiment les demandes en toiture jusqu'à 35% pour les bâtiments de hauteur moyenne à élevée.

Collectivement, ce cadre en quatre étapes fournit des outils de conception pratiques, des facteurs de modification basés sur la ductilité, et des fonctions de fragilité et facteurs de force des composants, permettant de réduire les sollicitations sismiques des CNS de 40 à 60% et les coûts de réparation jusqu'à 95% pour les plafonds suspendus et 17% pour les refroidisseurs, tout en comblant les lacunes critiques des dispositions actuelles du CNB pour les bâtiments de hauteur moyenne à élevée.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of Doctor of Philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 223-242).
Mots-clés libres:	composants non structuraux, inélasticité des ancrages, facteurs de modification de force basés sur la ductilité, analyse dynamique incrémentale, non-linéarité structurelle, fragilité sismique, évaluation des pertes selon la méthodologie de la FEMA P-58
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur(-trice) Assi, Rola
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	15 avr. 2026 13:59
Dernière modification:	15 avr. 2026 13:59
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3857

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