Méthodologie pour la sélection et l'étalonnage d'accélérogrammes pour l'analyse sismique non linéaire de bâtiments localisés dans l'est de l'Amérique du Nord

Ce mémoire présente une comparaison de différentes méthodes d'étalonnage et de concordance spectrale (« spectral matching ») de secousses sismiques utilisées dans la pratique pour accomplir des analyses dynamiques nonlinéaires. Le tout est fait dans le but de déterminer (a) quelles variations de magnitudes est-ce que l'on peut obtenir d'une méthode à l'autre, (b) d'identifier les avantages et les inconvénients des diverses méthodes et (c) de recommander quelles de ces méthodes devraient être utilisées dans la pratique. Huit des méthodes sont appliquées à un groupe de 30 accélérogrammes représentant des tremblements de terre historiques tandis que deux groupes de références sont générés afin d'obtenir une base de comparaison. Ces accélérogrammes sont ensuite utilisés lors d'analyses dynamiques nonlinéaires à l'aide de structures à un degré de liberté, d'une charpente en acier de 4 étage et d'un mur de refend béton de 10 étages localisés à Montréal. Un objectif secondaire est de déterminer s'il était plus adéquat d'utiliser des groupes de 1, 3 ou 7 secousses sismiques pour caractériser la demande sismique et la dispersion des résultats des analyses dynamiques. Les deux méthodes d'étalonnages recommandées à la suite de ces analyses sont les méthodes SIa et MSE. SIa est la méthode consistant à calculer l'aire sous la courbe représentant le spectre cible ainsi que l'aire sous la courbe du spectre de réponse entre deux périodes bornes pré sélectionnées. Le facteur d'étalonnage à utiliser est celui permettant d'obtenir une aire égale sous les deux courbes. La méthode MSE est celle visant à minimiser la moyenne du carré de l'erreur entre les logarithmes naturels des ordonnées spectrales du spectre cible et du spectre de réponse. Ces méthodes présentent un écart type plus petit ainsi que des résultats réalistes et cohérents comparativement aux autres méthodes et aux groupes de référence. Un écart type faible permet de déterminer quelle méthode présente des résultats ayant une faible dispersion. Les méthodes de concordance spectrale dans le domaine des fréquences (FD) et dans le domaine du temps (TD) ne sont pas recommandées car leurs résultats présentent des écarts types significativement plus élevés que ceux générés par les méthodes MSE et SIa.

Abstract

This thesis presents comparisons of different scaling and spectral matching methods for ground motions to perform nonlinear dynamic analysis. This is done to determine (a) which variation of magnitudes could be obtained from one method to the other, (b) identify the advantages and disadvantages of the different methods and (c) recommend which methods should be used to scale or modify ground motions. Eight of these methods are applied to a group of 30 historical ground motions. They are then used for nonlinear dynamic analyses on single degree of freedom structures, a 10-storey reinforced concrete shear wall and a 4-storey steel braced frame structure located in Montreal. A secondary objective is to determine if groups of 1, 3 or 7 ground motions should be used for nonlinear dynamic analyses. The scaling methods recommended after these analyses are the SIa and MSE scaling methods. The SIa method consists in measuring the area under the response spectra which means between two preselected periods as well as the area under the UHS between these same two periods. The scaling factor is computed to have these areas equal to each other. The MSE method aims at minimising the mean square error between the UHS and the response spectra. These methods show more realistic structural responses with all the structures as well as a low standard deviation. The frequency domain (FD) and time domain (TD) spectral matching methods return standard deviations significantly higher than the ones obtained with the MSE and SIa methods thus they are not recommended for practical use in nonlinear analysis. To select the appropriate number of accelerograms required for adequate dynamic analysis, results from groups of 1, 3 and 7 ground motions have been compared. It is concluded that, in general, a group of 7 ground motions allows lower seismic forces because this group is allowed to use the average structural response. In some situations, a group of 3 ground motions can return not conservative structural response as well as, in other cases, too conservative structural response. Groups of 1 accelerogram are not recommended because, even with spectral matching methods (FD and TD), the standard deviation is too high to obtain representative results.