Effets des mouvements sismiques sur les structures en acier de la catégorie des constructions conventionnelles

Ce mémoire porte sur l'étude du comportement sismique des structures en acier de la catégorie des constructions conventionnelles (type CC) conçues avec des connexions non-ductiles et ductiles. Une attention particulière a été portée à la sélection des mouvements sismiques servant à effectuer les analyses temporelles qui ont permis de caractériser le comportement des structures étudiées. Pour déterminer les accélérogrammes à utiliser pour les analyses temporelles effectuées dans le mémoire, nous avons réalisé trois études. Tout d'abord, une étude sur l'amplification des mouvements sismiques due aux effets des sols meubles de l'est du Canada a été réalisée avec le logiciel d'analyse de sol Proshake. Cette étude a montré que les sols mous ont pour effets d'amplifier les mouvements sismiques aux alentours de la période fondamentale du sol et de les dé-amplifier pour les autres périodes. Cette étude nous a permis d'observer que les séismes synthétiques fournis dans Atkinson (2009) pour des sites de catégories D et E montrent une amplification légèrement supérieure à celle obtenue des analyses de sol dans Proshake pour les périodes inférieures à 0,5 s et supérieures à 2,0 s. Les effets des séismes synthétiques sur une structure inélastique de 4 étages ont été étudiés et comparés à ceux produits par des séismes historiques. Différentes méthodes de sélection et d'étalonnage des enregistrements sismiques ont été proposées et leurs effets sur une structure inélastique de 4 étages ont été étudiés. Suite à cette étude, nous avons proposé quelques suggestions sur la sélection et l'étalonnage des mouvements sismiques. Pour étudier le comportement sismique des contreventements en acier de type CC, 24 bâtiments de 2 à 10 étages situés à Montréal et à Vancouver sur des sites de catégorie C et E ont été examinés. Les 24 structures étudiées ont été modélisées avec des connexions non-ductiles dimensionnées avec l'effort sismique amplifié par 1,5 et avec des connexions ductiles. Ces dernières étaient des assemblages boulonnés ayant comme mode de rupture l'ovalisation excessive des trous du gousset due à la pression diamétrale des boulons. La capacité en déformation de ce type d'assemblages a été déterminée expérimentalement à 31 mm.

Abstract

This thesis examines seismic behaviour of concentrically braced steel frames of the Conventional Construction (type CC) category designed with non ductile and ductile brace connections. Special attention was given to the ground motion selection for the time history analyses to be performed to characterize the behaviour of the structures studied. To determine the accelerograms that should be utilized for the time history analyses, we have studied three aspects: ground motion amplification due to site effects for Eastern Canada; structure responses under historical and artificial accelerograms; and ground motion selection and scaling methods. A preliminary study on ground motion amplification due to soft soil effects of Eastern Canada was carried out with the Proshake computer program. Soft soils were found to amplify the ground motion for building periods close to the soil fundamental period and to de-amplify the motions for other periods. The study also showed that the artificial records of site classes D and E by Atkinson (2009) generally exhibit a higher amplification than the one found with Proshake for periods shorter than 0,5 s and longer than 2,0 s. Inelastic response of a structure subjected to artificial ground motions was studied and compared to that obtained under historical records. Different motion selection and scaling methods were proposed and compared by examining the inelastic response of a 4-storey building. From this study, it was possible to propose ground motion selection and scaling methods. To study seismic behaviour of concentrically braced steel frames of the type CC category, a total of 24 buildings from 2- to 10-storeys located on site classes C and E in Montreal and Vancouver have been analysed. The 24 studied structures were modeled with non ductile connections designed with a seismic force amplified by 1,5 and ductile connections. Ductile connections, exhibiting a bolt bearing failure mode, were chosen and its deformation capacity available was experimentally estimated at 31 mm. Three series of analyses were performed. The first series included elastic time-history analyses to determine the force demand on non ductile brace connections. The brace forces obtained were compared to the brace connection capacity. In Montréal, on a site class C, the brace force demands were lower than the connection capacity for building of 4 storeys or less and higher than the capacity for buildings of 6 storeys and more.