Effets du basculement des fondations superficielles sur le comportement sismique des murs de refend en béton armé

RÉSUMÉ L'objectif principal de ce mémoire était d'étudier, pour l'est du Canada, l'influence du basculement des fondations superficielles sur le comportement sismique des murs de refend en béton armé. Pour ce faire, nous avons considéré un bâtiment en béton armé de dix étages, situé sur un site de catégorie C, à Montréal, QC. Le système de résistance aux forces sismiques de ce bâtiment comprend six murs de refend simples et a été dimensionné pour un facteur combiné de modification des forces sismiques RdRo égal à 5,6 en utilisant une approche de conception par capacité, le tout conformément aux exigences du Code National du Bâtiment du Canada (CNBC) 2005 et de la norme canadienne de béton CSA A23.3-04. Les fondations superficielles supportant ces murs ont été conçues pour trois niveaux d'efforts dus aux charges latérales : efforts correspondant aux charges sismiques élastiques divisées par un facteur RdRo égal à 2,0, efforts correspondant à la résistance nominale en flexion des murs à leur base et efforts correspondant aux charges sismiques élastiques divisées par un facteur RdRo égal à 5,6.Un modèle numérique, basé sur le concept de « Beam on Nonlinear Winkler Foundation », a ensuite été développé afin de pouvoir étudier le phénomène d'interaction sol – structure (ISS). Ce modèle, capable de simuler le comportement plastique du sol ainsi que les non-linéarités géométriques engendrées par le décollement de la fondation, a ensuite été validé à l'aide d'une étude paramétrique. Une sélection d'accélérogrammes historiques et synthétiques pertinents a été faite. Les accélérogrammes historiques ont été calibrés selon différentes méthodes afin de les rendre compatibles avec le spectre de conception du CNBC 2005. Trois séries d'analyses sismiques ont été effectuées. Des analyses statiques incrémentales non-linéaires 2D de type « pushover » ont d'abord été menées sur un des murs de refend du bâtiment afin de déterminer ses caractéristiques intrinsèques. Des analyses dynamiques temporelles non-linéaires 2D ont ensuite été réalisées sur le même mur de refend. Ces analyses dynamiques ont montré que, d'une manière générale, plus les dimensions des fondations sont petites, plus elles sont sujettes au décollement, ce qui a pour effet de réduire les efforts qui se développent à la base des murs. Plus précisément, ces analyses ont permis de vérifier la pertinence des exigences du CNBC 2005 et celles de la norme CSA A23.3-04 quant à la conception des fondations superficielles. Tout d'abord, lorsque le mur repose sur une fondation dimensionnée pour des charges sismiques élastiques divisées par RdRo égal à 2,0, le mur va plastifier avant que la fondation ne décolle et il n'est donc pas nécessaire de tenir compte de l'ISS puisque la fondation demeure encore trop massive pour basculer. Lorsque le mur repose sur une fondation conçue selon une approche de dimensionnement par capacité, il arrive dans certains cas que la fondation soit sujette au décollement avant que le mur ne plastifie. Le basculement de la fondation a pour conséquence de faire plastifier le sol et ainsi entrainer des déformations permanentes. Dans le cas présent cependant, les tassements observés n'étaient pas excessifs. Outre ces conséquences négatives, le décollement de la fondation permet tout de même de réduire significativement les efforts à la base du mur. Finalement, lorsque le mur repose sur une fondation dimensionnée pour des charges sismiques élastiques divisées par un facteur RdRo égal à 5,6, la majorité de l'énergie du séisme est dissipée grâce au décollement de la fondation, ce qui a pour effet d'endommager fortement le sol sous la fondation et, donc, de menacer l'intégrité du mur et de sa fondation à cause des tassements permanents importants. La troisième série d'analyses comprenait quatre types d'analyses dynamiques temporelles non-linéaires : analyses 2D, analyses 2D avec amplification des accélérogrammes afin de tenir compte de la torsion du bâtiment ainsi que de la torsion accidentelle, analyses 3D en appliquant uniquement la composante principale majeure des séismes et analyses 3D en appliquant les deux composantes des séismes. Ces analyses ont été menées dans le but de valider le recours à une modélisation 2D d'un mur de refend faisant partie d'une structure 3D. De façon générale, l'analyse 2D avec amplification des séismes donne lieu à une surestimation importante des déplacements de la structure et des efforts s'y exerçant, comparés à ceux prédits par les analyses 2D, 3D unidirectionnelles et 3D bidirectionnelles. Ensuite, les analyses 3D unidirectionnelles et 3D bidirectionnelles ont montré que l'application de la composante principale majeure d'un séisme suffit pour étudier le comportement global d'un bâtiment. Finalement, on peut conclure de la comparaison des différentes analyses réalisées que le recours aux analyses 2D pour analyser le comportement sismique de murs de refend provenant d'un bâtiment 3D est tout à fait acceptable. ABSTRACT

Abstract

The main objective of this thesis was to study the effect of foundation rocking on the seismic behaviour of reinforced concrete shear walls for eastern Canada.A 10-story reinforced concrete building located on a site class C, in Montreal, QC, was considered. The seismic force resisting system of the building consisted of six simple shear walls and was designed using a combined seismic force modification factor RdRo equal to 5,6. The design complied with capacity design principles and was performed according to the requirements of the National Building Code of Canada (NBCC) 2005 and the Canadian concrete standard CSA A23.3-04. The shallow foundations supporting the shear walls were designed for three levels of lateral loads: elastic seismic lateral loads divided by RdRo = 2,0; forces corresponding to the nominal flexural strength of the walls at their bases; and elastic seismic lateral loads divided by RdRo = 5,6.A numerical model based on the concept of Beam on Nonlinear Winkler Foundation was developed to study the soil – structure interaction (SSI). This model can simulate the plastic behaviour of the soil as well as the geometric non-linearity caused by the lift off of the foundation. The model was then validated using a parametric study. Historical and artificial representative ground motion time histories were selected for the seismic analysis. The historical accelerograms were scaled using different methods to make them compatible with the NBCC 2005 design spectrum.Three series of seismic analyses were performed. Nonlinear incremental static (pushover) analyses were first conducted on one of the shear walls of the building in order to assess its characteristics. 2D nonlinear dynamic time history analyses were then performed on the same shear wall. The dynamic analyses showed that smaller foundations generally lead to more pronounced rocking response, which reduced force demand at the wall bases. More specifically, the suitability of the provisions of NBCC 2005 and CSA A23.3-04 for the design of shallow foundations was examined. First, the wall was found to yield at its base without lift off when supported on a foundation designed for elastic seismic lateral loads divided by RdRo = 2,0. In this case, it is not necessary to consider SSI because the foundation is too massive to rock. When the wall rests on a foundation sized using a capacity design approach, the foundation lifts off before the wall yields. Foundation rocking then results in soil yielding and permanent deformations. However, these settlements were not found to be excessive. In addition, foundation rocking can significantly reduce the force demand at the wall base. Finally, when the wall is built on a foundation designed for elastic seismic lateral loads divided by RdRo = 5,6, most of the earthquake energy is dissipated through foundation rocking, which has the effect of significantly damaging the soil under the foundation and therefore threaten the integrity of the wall and its foundation because of large permanent settlements.In the third series of analyses, four different nonlinear dynamic time history analyses were performed to validate the use of a 2D model of a shear wall forming part of a 3D building: 2D analyses; 2D analyses with amplification of the accelerograms to reflect in-plane torsional response of the building including accidental torsion; 3D analyses using only the major principal component of the ground motion; and 3D analyses using both principal components of the ground motions. The results showed that 2D analyses with amplification of accelerograms for torsional response generally greatly overestimated the displacements and forces acting in the structure compared to those predicted by the 2D analyses, the 3D unidirectional analyses and the 3D bidirectional analyses. The comparison between 3D unidirectional and bidirectional analyses showed that applying the major principal component of a ground motion is sufficient to study the overall behaviour of the building. Finally, it was concluded that the use of 2D analyses to analyze the seismic behaviour of shear walls forming part a 3D building is quite acceptable.