Considération de la torsion pour l'analyse sismique non-linéaire de noyaux en béton armé

Reinforced concrete (RC) cores are used in many residential multi-story buildings as the primary seismic force resisting system (SFRS). Due to architectural limitations, these buildings are often torsionally lexible. To assess the effect of torsion on the nonlinear seismic response of RC cores, a wide-column model with modules (WCMM) using fiber elements is proposed. The nonlinear warping and the nonlinear biaxial (P-Mx-Mx) cyclic behaviors of the WCMM are validated against experimental results and exhibit excellent agreement. According to modal and linear time history analyses, the proposed model can adequately capture the dynamic characteristics and seismic response of core structures, including torsion. The proposed WCMM is then extended to the nonlinear range to perform three-dimensional (3D) time history analyses of a typical RC building structure located in Eastern North America (ENA) that is subjected to high-frequency ground motions (approximately 10 Hz). Three different building configurations with increasing torsional flexibility (B=1.7, B=2.1 and B=2.5, according to the current National Building Code of Canada) are studied to investigate the effect of torsion on the seismic behavior. The nonlinear envelopes of key response parameters are similar to the design envelopes obtained from the linear response spectrum analysis of a shell elements model (B=1.7) with proper inelastic force modification factors. Aside from the story torque, the shear and moment demands remain relatively constant, regardless of the B value. The effective shear stiffness must be carefully selected in the WCMM to avoid large questionable rotations. A correlated delay can be observed between the translational and rotational peak displacements in the nonlinear time histories of the buildings analyzed.

Résumé

Les noyaux en béton armé sont utilisés dans de nombreux bâtiments multi-étagés résidentiels comme principal système de résistance aux forces sismiques (SRFS). Dues à des limitations architecturales, ces bâtiments sont souvent flexibles en torsion. Afin d'évaluer l'effet de la torsion sur la réponse non-linéaire de noyaux en béton armé, un modèle basé sur la méthode des cadres équivalents (WCMM) utilisant des éléments fibres est proposés. Les comportements nonlinéaires en gauchissement et biaxial (P-Mx-My) cyclique sont validés à l'aide de résultats expérimentaux et montrent une excellente convergence avec ces derniers. Selon les analyses modale et linéaire temporelle, le modèle proposé peut capturer adéquatement les caractéristiques dynamiques et sismiques des noyaux et ce, incluant la torsion. Le WCMM est ensuite utilisé en régime non-linéaire afin de réaliser des analyses tridimensionnelles (3D) temporelles d'un bâtiment typique en béton armé localisé dans l'est de l'Amérique du Nord et qui est sujet à des tremblements de terre à contenu fréquentiel élevé (environ 10 Hz). Trois configurations de bâtiment avec une flexibilité en torsion croissante (B=1.7, B=2.1 et B=2.5, selon l'actuel Code National du Bâtiment du Canada) sont étudiées afin d'évaluer l'effet de la torsion sur le comportement sismique. Les enveloppes non-linéaires de paramètres importants pour la conception sont similaires aux enveloppes de dimensionnement obtenues à partir d'une analyse spectrale linéaire d'un modèle à éléments coques (B=1.7) incluant les facteurs appropriés de réduction des forces inélastiques. Hormis pour le torque à chaque étage, les demandes en cisaillement et en moment demeurent relativement constantes peu importe la valeur de B. La rigidité effective en cisaillement doit être sélectionnée avec soin pour le WCMM afin d'éviter de larges rotations questionnables. Un délai corrélé est observé entre les crêtes en translation et en rotation lors des analyses temporelles non-linéaires des bâtiments.