Étude du comportement sous charges latérales des ossatures de béton armé avec murs de ...

345 Pages·2012·12.01 MB·French

ÉCOLE DE TECHNOLOGIE SUPÉRIEURE
UNIVERSITÉ DU QUÉBEC

THÈSE PRÉSENTÉE À
L’ÉCOLE DE TECHNOLOGIE SUPÉRIEURE

COMME EXIGENCE PARTIELLE
À L’OBTENTION DU DOCTORAT EN GÉNIE
Ph. D.

PAR
Karine LEFEBVRE

ÉTUDE DU COMPORTEMENT SOUS CHARGES LATÉRALES DES OSSATURES DE
BÉTON ARMÉ AVEC MURS DE REMPLISSAGE DE MAÇONNERIE,
CONSTRUITES AVANT LES ANNÉES 1960

MONTRÉAL, LE 17 AOÛT 2012

, Karine Lefebvre, 2012
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PRÉSENTATION DU JURY

CETTE THÈSE A ÉTÉ ÉVALUÉE

PAR UN JURY COMPOSÉ DE :

Mme Marie-José Nollet, directeur de thèse
Département de génie de la construction à l’École de technologie supérieure

Mme Françoise Marchand, président du jury
Département de génie mécanique à l’École de technologie supérieure

M. Amar Khaled, membre du jury
Département de génie de la construction à l’École de technologie supérieure

Mme Sanda Koboevic, examinateur externe
Département des génies civil, géologique et des mines à l’École Polytechnique

ELLE A FAIT L’OBJET D’UNE SOUTENANCE DEVANT JURY ET PUBLIC

LE 21 JUIN 2012

À L’ÉCOLE DE TECHNOLOGIE SUPÉRIEURE

REMERCIEMENTS

Cette page regroupe l’expression de ma gratitude envers toutes les personnes qui m’ont
soutenue pendant la grande traversée doctorale. En s’y engageant, on connaît la date de
début… dans mon cas il aura fallu plus de sept ans pour terminer cette aventure.
D’abord, je dois remercier ma directrice de thèse, madame Marie-José Nollet. Elle a dirigé
mes travaux avec disponibilité, doigté et intérêt. Elle m’a toujours accordé du temps pour des
séances de travail rentables et n’a ménagé ni ses commentaires, constructifs et rigoureux, ni
son soutien lors des moments difficiles. Je la remercie d’avoir cru en ma capacité à rendre ce
projet à terme. Enfin, je ne peux passer sous silence l’aide financière qu’elle m’a accordée
tout au long de mes études de deuxième et troisième cycle, me permettant, entre autres, de
participer à des conférences un peu partout en Amérique du Nord.
Je voudrais ensuite adresser mes remerciements aux membres du jury, pour leur temps et leur
expertise. Je remercie aussi M. Caron de SNC-Lavalin et M. Arrien de BPR pour m’avoir
accordé du temps lors de mes rencontres de travail à Québec.
J’aimerais souligner le soutien amical et chaleureux, dans les bons comme les moins bons
moments, des collègues du local de recherche. Parmi eux : Suze avec qui j’ai partagé une
foule de bons moments personnels et professionnels, Guillaume, Hassan, Fernando,
Mabrouk, Luc, Ian et Steve.
Je voudrais aussi exprimer ma reconnaissance envers toutes les personnes de mon entourage
qui ont démontré de l’intérêt envers mes études : mon frère, mes beaux-parents, mes amies
de longue date Annie et Marie-Hélène, tous les musiciens de l’harmonie Vi.P.
(particulièrement Anne-Marie et Marie-France), et enfin mes collègues de travail au Cégep
André-Laurendeau et ceux des Services aux étudiants de l’ÉTS.
Je profite de l’occasion pour adresser mes remerciements à mes parents, Ronald et Francine,
qui m’ont transmis le goût du travail bien fait et la force nécessaire pour surmonter les
épreuves.
VI
En terminant, mes derniers mots sont pour mon conjoint, Jean-François : « j’ai vraiment
apprécié ton soutien moral et psychologique ainsi que ton écoute pendant ce long
cheminement ; merci d’avoir cru en moi ».

Un petit mot en finale : les généreuses bourses du CRSNG et de l’École de technologie
supérieure m’ont permis de me concentrer sur la recherche et la rédaction lors des premières
années de ma thèse.
ÉTUDE DU COMPORTEMENT SOUS CHARGES LATÉRALES DES OSSATURES
DE BÉTON ARMÉ AVEC MURS DE REMPLISSAGE DE MAÇONNERIE,
CONSTRUITES AVANT LES ANNÉES 1960

Karine LEFEBVRE

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).
VIII
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 (V ), la conclusion est que les modèles d’un étage ont une résistance
2005
suffisante, mais pas ceux de trois étages pour lesquels des déformations plastiques ont été
obtenues pour un niveau de charge inférieur à 0,6 * V .
2005

Mots-clés : remplissage de maçonnerie non armée, ossature de béton armé, BMR,
caractérisation structurale, analyses paramétriques statiques non linéaires (pushover),
modélisation, bielle équivalente, rotules plastiques
ÉTUDE DU COMPORTEMENT SOUS CHARGES LATÉRALES DES OSSATURES
DE BÉTON ARMÉ AVEC MURS DE REMPLISSAGE DE MAÇONNERIE,
CONSTRUITES AVANT LES ANNÉES 1960

Karine LEFEBVRE

ABSTRACT

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.
X

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 (V ). It is concluded that one storey BMR buildings have a sufficient
2005
resistance, while three-storeys structures exhibit plastic deformations for loads under
0,6* V .
2005

Keywords: unreinforced masonry infills, reinforced concrete structure, structural
characterization, parametric nonlinear static analyses (pushover), modelling, equivalent strut,
plastic hinges