Caractérisation des secousses sismiques typiques de l'Est canadien

Bien que situé en plein centre d'une plaque tectonique, le Nord-est du continent américain ressent assez fréquemment des secousses sismiques de magnitude signicative. Le risque sismique de ce territoire est relativement important compte tenu de sa forte densité de population. Les données sismiques historiques de cette région sont peu nombreuses et le mécanisme sismo-tectonique de ces secousses intra-plaques sont de nos jours relativement mal connus. Malgré ce contexte, les ingénieurs en structure tentent de dimensionner au mieux des infrastructures sécuritaires et économiques. Ce projet de maîtrise s'intéresse à la caractérisation des secousses sismiques du Nord-est Américain et de leurs eets sur les structures. Les deux objectifs premiers de cette recherche sont de : (i) de déterminer et de caractériser des spectres de réponses linéaires et non-linéaires des séismes historiques et synthétiques typiques de l'Est et de l'Ouest Nord Américain, (ii) de proposer des applications possibles pour l'ingénieur. Ce mémoire présente d'abord une revue de littérature couvrant l'état de l'art actuel dans le domaine du génie parasismique. On s'intéresse ensuite au calcul et à la caractérisation des spectres linéaires et non-linéaires de réponse en fonction de leur situation géographique,i.e. Est vs. Ouest. Une étude approfondie sur la caractérisation du facteur de réduction de la force sismique est également présentée. Enn, on expose quelques applications potentielles des résultats de cette recherche dans les domaines de la sismologie de l'ingénieur et du dimensionnement performant des structures. Cette recherche a nécessité le développement d'outils de calcul de spectre ables et modulables. Un algorithme numérique ecace permettant le calcul des spectres inélastiques à ductilité constante est présenté et illustré dans ce mémoire. Une large base de données spectrales d'enregistrements historiques et synthétiques typiques de l'Amérique du Nord a été construite an de mener des analyses statistiques visant à caractériser ces secousses. On conrme tout d'abord que les spectres de l'Est ont un contenu réquentiel bien plus vii élevé que ceux de l'Ouest. On quantie, dans un deuxième temps, les eets de la décorrélation stochastique des signaux sismiques sur les spectres de réponse. On remarque que le passage au repère principal a tendance à décorréler les spectres horizontaux et à diminuer le spectre vertical. On étudie ensuite les rapports d'amplitude de spectre entre chaque direction (rapports horizontal et vertical). On constate une grande variation de ces paramètres en fonction de la période de vibration. On relève également de nettes différences entre l'Est et l'Ouest d'une part, et entre les données historiques et synthétiques d'autre part. Les rapports d'amplitude à l'Est sont notamment plus importants qu'à l'Ouest surtout pour la direction verticale. On étudie aussi le facteur de réduction de la force sismique (R) et l'on montre qu'il dépend de la situation géographique, de la magnitude, du sol et de la rigidité post-élastique. En se basant sur ces résultats, on développe des relations originales entre la résistance (R), la ductilité en déplacement (¹) et la période (T), couramment désignées par les relations R-¹-T. Ces relations ont été calibrées en utilisant une large base de données également décrite dans ce mémoire. On présente enn des applications potentielles pour l'ingénieur grâce aux résultats de ces travaux. De nouvelles directions pour des recherches futures sont également suggérées.

Abstract

Eastern North America (ENA) often experienced signifcant earthquakes although located in an intraplate tectonic environment. The seismic risk in this region remains fairly high because of its high population density. Only few historical seismic data from this region is available and the mechanisms that caused these seismo-tectonic events are still not well understood. In spite of this context, civil engineers devote their eorts to design safer and more economical structures. This report aims at characterizing ground motions typical of eastern North America and their eects on structures. The main two objectives of this study are : (i) to compile and characterize a large database of linear and non-linear response spectra of historical and synthetic accelerograms typical of Eastern and Western North America (WNA), and (ii) propose possible engineering applications of the characterization studies conducted. The report presents a comprehensive literature review addressing the state of the art in earthquake engineering. The computation of the linear and non-linear response spectra of a large database of earthquakes and their characterization depending on geographic location, i.e. East vs. West is conducted. A detailed study on seismic strength reduction factor is also carried out. Finally, possible engineering applications of this research for engineering seismology and performed-based design are discussed. This research required the development of several reliable and modular numerical tools. A efficient algorithm to compute constant ductility inelastic spectra is presented and illustrated in this report. A large database of response spectra of historical and synthetic accelerograms was built and analyzed statistically. We rst conrm the higher frequency content in ENA response spectra compared WNA spectra. Furthermore, we quantify the effect stochastic uncorrelation of the ground motions on their response spectra, and the related amplitude ratios between each earthquake component (horizontal and vertical ratios). This study highlights a large variation of these parameters depending of the period ix and distinct dierences between Eastern and Western Nord America as well as between historical and synthetic data.We also studied the seismic strength reduction factor (R) and we characterized its dependence on geographic location, magnitude, soil type and material post-hardening. Based on these results, an original R-¹-T relationships relating the strength (R), the ductility (¹) and the period (T) is developed. These relationships were calibrated using the database of ENA and WNA ground motions described previously. Finally, the thesis presents several possible engineering applications of this research and suggests new directions for future research.