Titre de l'écran-titre (visionné le 18 janvier 2024) / Cette thèse examine les performances sismiques des amortisseurs hybrides à fente parallèle-rotative. Ces amortisseurs sont des composants structurels innovants utilisés pour atténuer les forces sismiques dans les bâtiments et les infrastructures. Le principal objectif de cette recherche est d'évaluer comment les caractéristiques des amortisseurs peuvent améliorer les performances des ossatures résistantes aux moments en acier lorsqu'elles sont exposées à des conditions de chargement sismique. Par le biais d'une investigation analytique, le comportement sismique, les capacités de dissipation d'énergie, et la réponse structurelle globale des amortisseurs hybrides à fente parallèle-rotative sont minutieusement examinés. Les résultats de cette investigation contribuent à la compréhension du comportement des amortisseurs et offrent des perspectives pour leur application pratique dans la conception sismorésistante. Pour y parvenir, une étude paramétrique a d'abord été menée pour évaluer l'efficacité des conceptions de fentes sur le comportement cyclique et pour évaluer l'influence du changement des propriétés de l'amortisseur. En effet, 12 conceptions d'amortisseurs ont été développées et simulées dans ABAQUS, en tenant compte de variables telles que l'épaisseur, la forme et le type de matériau de la plaque à fente. Par la suite, l'emplacement idéal pour l'installation des amortisseurs développés le long de la portée de la poutre a été identifié afin d'optimiser leur efficacité. Dans la dernière étape, des analyses non linéaires ont été utilisées pour comparer les performances sismiques des ossatures équipées des amortisseurs à une ossature résistante aux moments en acier conventionnelle, en se concentrant sur le déplacement latéral, la force de cisaillement à la base, et l'accélération. Les résultats de l'étude ont montré que l'amortisseur en matériau d'acier surpasse le matériau d'aluminium pour toutes les épaisseurs, indépendamment de la forme de l'amortisseur adoptée. Les modèles en acier ont montré une dissipation d'énergie, une rigidité initiale, et une capacité de force maximale supérieures par rapport aux modèles en aluminium. La dissipation d'énergie et la rigidité initiale ont montré une baisse lorsque le matériau de la plaque à fente a été changé de l'acier à l'aluminium. Évidemment, l'ossature en acier équipée d'un amortisseur à fente en acier montre une tendance à la hausse dans la force de cisaillement maximale à la base qui est environ 15 percent supérieure à celle des ossatures traditionnelles sans amortisseur. / This thesis examines the seismic performance of hybrid parallel slit-rotational dampers. These dampers are innovative structural components used to mitigate seismic forces in buildings and infrastructure. The main aim of this research is to assess how the characteristics of the dampers can improve the performance of steel moment resisting frames when exposed to seismic loading conditions. Through analytical investigation, the seismic behavior, energy dissipation capabilities, and overall structural response of hybrid parallel slit-rotational dampers are thoroughly examined. The outcomes of this investigation contribute to the comprehension of damper behavior and offer insights for their practical application in seismic-resistant design. To achieve this, first, a parametric study investigated the effectiveness of slit designs on cyclic behavior and evaluated the influence of changing damper properties. Effectively, 12-damper designs were developed and simulated in ABAQUS, considering variables such as thickness, shape, and material type in slit plate. Subsequently, the ideal placement for installing the developed dampers along the beam span was identified in order to optimize their effectiveness. In the last step, nonlinear analyses were utilized to compare the seismic performance of the frames equipped with the dampers with a conventional moment-resisting steel frame, focusing on the drift, base shear force, and acceleration. The results of the study demonstrated that damper with steel material outperforms aluminum material for all thicknesses irrespective of the shape of the damper adopted. Steel models demonstrated superior energy dissipation, initial stiffness, and maximum force capacity compared to aluminum models. The energy dissipation and initial stiffness showed a decline when the material of slit plate was changed from steel to aluminum. Obviously, the steel moment frame equipped with a steel slit damper shows an increase trend in max base shear that is approximately 15 percent more than with traditional moment frames without damper.

De nos jours, la conception parasismique des structures en acier repose sur la dissipation d'énergie sismique par l'action de grandes déformations plastiques. Les cadres à diagonales ductiles confinées sont un type de système à contreventements concentriques caractérisé par des membrures qui plastifient autant en traction qu'en compression. Grâce à un mécanisme de restreinte latérale qui renferme un noyau métallique, les diagonales ductiles confinées (DDC) tirent avantage de la ductilité cyclique du matériau. Cependant, les DDC affichent fréquemment une faible rigidité après plastification, causant ainsi d'importantes déformations latérales durant un séisme. De plus, la plastification du noyau est généralement associée à un seul objectif de performance; son comportement sous d'autres intensités sismiques est donc essentiellement inconnu. Les DDC hybrides sont étudiées en tant qu'alternative aux systèmes traditionnels pour pallier leurs limitations. Le concept d'hybridité vise à maîtriser différentes caractéristiques de métaux minutieusement sélectionnés pour obtenir une réponse souhaitable. Cette étude numérique comporte trois objectifs. Les matériaux de noyaux potentiels sont d'abord évalués afin de déterminer les meilleures combinaisons de deux métaux avec des propriétés mécaniques complémentaires. L'analyse de données expérimentales indique que le comportement plastique des DDC hybrides est amélioré par l'emploi d'un acier au carbone 350WT conjointement avec un autre métal qui possède une faible limite élastique et une grande capacité d'écrouissage (p. ex. l'acier inoxydable 304L, l'alliage d'aluminium 5083-O, l'acier au carbone A36, ou l'acier LYP-100). Par la suite, deux nouvelles configurations de DDC hybrides sont conçues afin d'accueillir trois noyaux ductiles connectés en parallèle. La première option proposée comprend un mécanisme de restreinte fait de tubes en acier remplis de béton, tandis que la deuxième option est fabriquée exclusivement à partir de composantes métalliques. Finalement, plusieurs simulations par la méthode des éléments finis sont réalisées sur des modèles numériques pour valider quantitativement l'accroissement de la performance. Comparées aux DDC conventionnelles, les DDC hybrides présentent une réponse d'écrouissage améliorée, une légère augmentation de la rigidité axiale, ainsi qu'une plus grande capacité à dissiper l'énergie. / Contemporary seismic-resistant design of steel structures relies on the dissipation of earthquake energy through significant inelastic deformations. Buckling-restrained braced frames (BRBFs) are a type of concentrically-braced system characterized by braces that yield both in tension and in compression. Thanks to a restraining mechanism that confines a ductile steel core, buckling-restrained braces (BRBs) can take advantage of the cyclic ductility of the steel material. However, BRBs commonly display a low post-yield stiffness, causing substantial interstory drifts and large residual drifts after seismic events. Moreover, yielding of the core is often tied to only a single performance objective, thus making its response at other levels of seismicity largely unpredictable. Hybrid BRB solutions are explored as an alternative to the traditional BRB system to overcome its limitations. The hybrid concept is hinged on harnessing different characteristics from different materials that are carefully combined into one ductile design to achieve a desirable response. This numerical study has three main objectives. Potential core metals are first evaluated to determine the best combinations of two materials with complementary engineering properties. Analysis of experimental data indicates that the post-yield behavior of hybrid BRBs is improved by employing 350WT carbon steel in conjunction with another metal, which possesses a low-yield and high-strain-hardening capacity (e.g., 304L stainless steel, 5083-O aluminum alloy, A36 carbon steel, or LYP-100 low-yield-point steel). Afterwards, two new hybrid BRB systems are designed to accommodate the complex deformation pattern of three core plates connected in parallel. The first proposed option has a restraining mechanism made from concrete-filled steel tubes, while the second hybrid BRB option is fabricated exclusively from metal plate components. Lastly, multiple finite element simulations are carried out on numerical models to quantitatively validate the performance enhancement. Compared to conventional BRBs, hybrid BRBs exhibit an improved strain hardening response, a slight increase in axial stiffness, and a greater energy dissipation capability for an equivalent brace strength.

Les contreventements concentriques sont couramment employés pour reprendre des charges latérales telles que des tremblements de terre. La conception parasismique présentée au chapitre 27 de la norme d'acier CSA S16-01 et CSA S16-09, basée sur le design par capacité, impose des exigences particulières pour les éléments qui dissipent l'énergie sismique ainsi que pour les éléments de transmission des charges sismiques. L'article 27.5.4.2 stipule que la résistance à la rupture en aire nette à la connexion de la membrure de dissipation d'énergie doit être supérieure à la résistance probable de la même membrure en traction. Cet article se veut comme une garantie que les membrures de dissipation d'énergie pourront effectuer pleinement leur travail et permettre d'éviter une rupture fragile prématurée dans la chaîne de transmission des efforts. Par contre, les exigences de cet article posent des problèmes pratiques aux concepteurs. Par exemple, si la membrure de contreventement est boulonnée, la résistance de la connexion n'est presque jamais adéquate sans renforcement car la section qui est entaillée par le boulonnage doit être plus résistante que la section sans boulonnage. Dans bien des cas, cela revient à conclure que l'aire nette effective doit être supérieure à l'aire brute ce qui est physiquement impossible pour une membrure à section constante. Dans les systèmes en traction/compression, c'est bien souvent la résistance anticipée en compression qui gouverne le dimensionnement du cadre contreventé. La résistance en traction, bien que supérieure à la résistance en compression, n'apporte rien de plus au dimensionnement du cadre contreventé. Cependant, les connexions doivent donc être aptes à résister à la résistance probable en traction de la membrure alors que c'est la résistance anticipée en compression qui gouverne la conception du cadre contreventé face au chargement sismique. La rencontre du critère de résistance probable en traction peut s'avérer un exercice coûteux et complexe pour la connexion et les autres éléments de transmission, alors que la résistance de conception est significativement plus faible. Ce mémoire présente les travaux effectués dans le but de concevoir un système de fusibles employé sur des contreventements concentriques en traction/compression (en X) formés de cornières boulonnées. L'implantation des fusibles vise à rendre accessible l'emploi de connexions boulonnées non renforcées dans une conception parasismique. Les fusibles, constitués d'entailles à même la cornière, sont dimensionnés en fonction du plus faible critère de rupture à la connexion qui doit être la rupture en aire nette effective. Les fusibles doivent céder pour la même charge que ce que la connexion aurait supportée, mais de manière ductile et après plusieurs cycles de chargement. Ce mémoire comprend la présentation et l'analyse des essais effectués sur plusieurs fusibles. Deux séries d'essais ont été effectuées. La première série d'essais était effectuée sur des sections équipées de fusibles sollicitées en traction seulement. La seconde série d'essais était effectuée sur des cadres contreventés chargés cycliquement dont les membrures étaient équipées de fusibles. Un exemple de l'emploi d'un système équipé de fusibles est présenté à la fin accompagné d'une discussion sur le système face à une conception classique. Ces travaux ont permis de démontrer que des fusibles à même la cornière, dimensionnés en fonction de charges précises, soit la capacité de la connexion boulonnée, peuvent offrir une bonne ductilité tout en supportant plusieurs cycles. Plusieurs géométries de fusibles ont été testées, mais les fusibles étant plus similaires à leur section d'origine se sont mieux comportés. Les fusibles longs ont affiché une bonne ductilité alors que les fusibles courts ont affiché une bonne rigidité en compression. Les essais de référence sans fusible ont aussi permis de valider une alternative à la norme CSA S16-01 pour l'estimation de l'aire nette effective d'une connexion boulonnée. L'exemple de l'emploi d'un système équipé de fusibles a permis de comparer une telle conception avec une conception conventionnelle tout en faisant ressortir les avantages. Un cadre contrevent équipé de fusibles s'avère donc plus simple et moins coûteux qu'un même cadre sans fusible.

Thèse doctorat : Génie Civil : Villeurbanne, INSA : 2000. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 245-253.

In order to produce economical seismic designs, the modern building codes allow reducing seismic design forces if the seismic force resisting system (SFRS) of a building is designed to develop an identified mechanism of inelastic lateral response. The capacity design aims to ensure that the inelastic mechanism develops as intended and no undesirable failure modes occur. Since the 1984 edition, this design approach is implemented in the Canadian Standards Association (CSA) standard A23.3 for seismic design of ductile reinforced concrete (RC) shear walls with the objectives of providing sufficient flexural and shear strength to confine the mechanism to the identified plastic hinges and ensure a flexure-governed inelastic lateral response of the walls. For a single regular wall, the implemented capacity design requirements assume a lateral deformation of the wall in its fundamental lateral mode of vibration, and hence aim to constrain the inelastic mechanism at the expected base plastic hinge. This design is referred to as single plastic-hinge (SPH) design. Despite these requirements, CSA standard A23.3 did not prescribe, prior to the 2004 edition, any methods for determining capacity design envelopes for flexural and shear strength design of ductile RC shear walls over their height. Only its Commentary recommended such methods. However, various studies suggested, mainly for cantilever walls, that the application of these methods could result in multistorey wall designs experiencing the formation of unintended plastic hinges at the upper storeys and a high potential of undesirable shear failure, principally at the wall base, jeopardizing the intended ductile flexural response of the wall. These design issues result from an underestimation of dynamic amplification due to lateral modes of vibration higher than the fundamental lateral mode. The 2004 CSA standard A23.3 now prescribes capacity design methods intending in part to address these design issues. Although these methods have not been assessed yet, their formulation appears deficient in accounting for the higher mode amplification effects. In this regard, this research project proposes for CSA standard A23.3 new capacity design methods, considering these effects, for a SPH design of regular ductile RC cantilever walls used as SFRS for multistorey buildings. In order to achieve this objective, first a seismic performance assessment of a realistic ductile shear wall system designed according to the 2004 CSA standard A23.3 is carried out to assess the prescribed capacity design methods. Secondly, an extensive parametric study based on sophisticated inelastic dynamic simulations is conducted to investigate the influence of various parameters on the higher mode amplification effects, and hence on the seismic force demand, in regular ductile RC cantilever walls designed with the 2004 CSA standard A23.3. Thirdly, a review of various capacity design methods proposed in the current literature and recommended by design codes for a SPH design is performed. From the outcomes of this review and the parametric study, new capacity design methods are proposed and a discussion on the limitations of these methods and on their applicability to various wall systems is presented.

L’objectif principal du projet de recherche est le développement d’une méthode de calcul parasismique pour les structures multiétagées à ossature légère en bois de moyenne hauteur. Actuellement, l’analyse dynamique linéaire (LDA) est très peu utilisée par l’industrie de la construction en bois dû à la complexité de modéliser le comportement non linéaire ce type de structure. La méthode de la charge statique équivalente (ESFP) est la plus utilisée en raison de sa simplicité. Cette étude est basée sur une récente méthodologie qui utilise un processus itératif pour simuler le comportement non linéaire d’une structure à ossature légère en bois dans une LDA. Dans la méthode proposée, la rigidité minimale des murs de refends est utilisée afin d’éliminer le processus itératif et le comportement non linéaire. L’utilisation de la LDA pour la conception de structures multiétagées à ossature légère en bois est ainsi simplifiée. Aux fins de validation de la méthode, une comparaison de la distribution du cisaillement, des moments de renversement, des flèches inter étages ainsi que de la flèche totale inélastique est effectuée pour des murs de refends de six-, quatre- et deux étages ayant des rapports géométriques variant de 0.6 à 6.0. Les murs utilisés pour la comparaison sont tirés d’un exemple de calcul sur un bâtiment de six étages à ossature légère en bois situé dans la ville de Québec. Ce projet démontre que l’ESFP sous-estime les forces de cisaillement dans les étages supérieurs et surestime les moments de renversement à la base des structures multiétagées à ossature légère en bois en comparaison avec la LDA. Les résultats démontrent que l’utilisation de la méthode simplifiée de LDA permet d’optimiser la conception de murs de refends à ossature légère en bois de moyenne hauteur. / The main objective of the research project is to develop a seismic design methodology for mid-rise multi-storey light-frame wood structure. Currently, linear dynamic analysis (LDA) is rarely used in design of light-frame wood structures because of the complexity of modelling the non linear behaviour. Equivalent static force procedure (ESFP) is mostly used because of its simplicity. The study is based on a recently developed methodology using an iterative process to simulate non linear behaviour of light-frame wood structure in LDA. In the proposed methodology, the iterations are eliminated by using the minimum shear stiffness of shear walls. To validate the proposed simplification, shear force distributions, overturning moments, interstorey drifts and total inelastic deflections of shear walls with different aspect ratios, from 0.6 to 6.0, in six-, four- and two-storey buildings located in Quebec City were calculated and compared against the results obtained with iterative LDA and with ESFP. The results show that ESFP underestimates the storey shear at the top floor and overestimates the overturning moment at the base of a multi-storey light-frame wood structure in comparison with LDA. The results show that the simplified LDA can be used to optimize the design of mid-rise light-frame wood shear walls.

Les bâtiments multi-étagés en bois sont de plus en plus populaires en remplacement aux structures de béton armé et d’acier particulièrement en raison de leur bonne performance structurelle et de leur impact environnemental positif. Davantage de recherches sur les systèmes de résistance aux forces sismiques en bois sont donc nécessaires pour que les bâtiments en bois soient considérés comme une alternative viable. Dans cette optique, une des solutions développées en Nouvelle-Zélande pour des structures en bois massif est connue sous le nom de "Pre-stressed Laminated Timber" (Pres-Lam). Le Pres-Lam est une adaptation du "PREcast Seismic Structural System" (PRESSS) utilisé pour les bâtiments en béton armé et en acier afin de résister aux forces sismiques. Jusqu’à présent des systèmes Pres-Lam à section basculante simple ont été développés et analysés en assumant des connexions rigides, s’il y a lieu, entre les sections des murs créant ainsi de l’amplification dynamique des forces sismiques dans les étages supérieurs de la structure. Des recherches effectuées sur les structures en béton armé ont démontré qu’il est possible de réduire cette amplification en introduisant des connexions simples permettant le basculement des sections aux joints de construction créant ainsi des systèmes à sections basculantes multiples. Les objectifs du projet sont de comparer les exigences de conception des systèmes Pres-Lam à section basculante simple et multiples en LVL et en CLT et de développer la procédure de conception d’un système Pres-Lam en CLT à sections basculantes multiples pour un bâtiment de 11 étages au Canada. Les résultats des études montrent que, dus à des résistances mécaniques plus faibles des panneaux de CLT, de plus larges murs sont nécessaires afin d’obtenir le même comportement moment-rotation que dans les systèmes en LVL. Les analyses effectuées montrent que l’amplification dynamique des forces sismiques dans les étages supérieures est significativement réduite dans les systèmes à sections basculantes multiples. De plus, la conception des connexions permettant le basculement des sections peut aussi être simplifiée par rapport aux connexions typiques des systèmes à section basculante simple réduisant ainsi le coût de la main-d’oeuvre. Finalement, l’analyse du bâtiment d’étude de 11 étages prouve que le CLT peut être une alternative viable dans les systèmes Pres-Lam. / Multistorey timber buildings are gaining popularity around the world as a replacement for concrete and steel structures because of their good structural performance and a more environmentally friendly choice. Further research on lateral force resisting systems for timber buildings needs to be done in order for them to be a viable alternative. One of the solutions is the Pre-stressed Laminated (Pres-Lam) system proposed for mass timber structures in New Zealand as an adaptation of the PREcast Seismic Structural System (PRESSS) used for concrete and steel structures to resist earthquakes. So far, single rocking section Pres-Lam systems were developed and analyzed assuming rigid connections, if present, between wall segments, resulting in a dynamic amplification of the forces in the upper storeys and costly solutions. The previous research on concrete structures has shown that it is possible to reduce this amplification by introducing simple connections allowing a gap opening at construction joints. The objectives of this project are to compare the design requirements for the Pres-Lam systems with single and multiple rocking segments made of LVL and of CLT and to develop the design procedure for the Pres-Lam technology with multiple rocking CLT segments for an 11-storey building in Canada. The results of the analysis show that due to a lower mechanical resistance of the CLT, wider cross-sections are needed to obtain the same moment-rotation behavior as LVL sections. Results of the modeling show that forces in the upper storeys are significantly reduced by allowing gap openings between the segments along the height of the structure. Furthermore, the connection design for construction joints can also be simplified in comparison with the typical connections used in single rocking segment systems thus minimizing material and labor costs. The results of the 11-storey case study building analysis proved that CLT can be a suitable material for Pres-Lam systems in Canada.

Les contreventements en acier sont des moyens couramment utilisés pour assurer une rigidité latérale et une résistance aux bâtiments en acier, mais aussi aux bâtiments mixtes acierbéton et aux bâtiments en béton armé. La performance sismique des ossatures contreventées a été étudiée par de nombreux auteurs, la plupart concluent que la réponse réelle de ces ossatures peut différer beaucoup de celle des modèles simplifiés préconisés dans les codes dont l’Eurocode 8. En conséquence, pour obtenir un comportement sismique satisfaisant, ces codes peuvent d’être amendés ou même fondamentalement modifiés. Notre travail de thèse se concentre sur l’éventualité d’un comportement dissipatif localisé sur un étage de l’ossature. Les objectifs de la recherche sont les suivants: - Donner une description plus réaliste de la réponse sismique des ossatures contreventées; - Identifier les facteurs contribuant au développement d’un comportement dissipatif localisé sur un étage; - Examiner la performance des ossatures contreventées dimensionnées conformément à l’Eurocode 8; - Identifier les points faibles des règles de l’Eurocode 8 à l’origine de ce comportement insuffisant; - Proposer une méthode de redimensionnement complémentaire à la procédure actuelle de l’Eurocode 8 faisant appel à d’autres critères et vérifier la validité de cette méthode de redimensionnement sur plusieurs exemples d’ossatures démontrant la disparition complète de mécanismes dissipatifs localisés à un ou quelques étages; Afin de pouvoir apprécier l’insuffisance de l’Eurocode 8 à ce sujet, plusieurs bâtiments ont été dimensionnés selon cet Eurocode et ont été testés par des simulations numériques de type analyse dynamique incrémentale. L’évolution du déplacement relatif maximal entre étages (IDR) en fonction de l’augmentation du facteur d’échelle de l’accélération maximale du sol a été calculée à partir des résultats du calcul numérique. Il est constaté que l’apparition d’étages faibles dans les ossatures contreventées a une nature, progressive et autoamplifiante. La description précise du comportement fournit la possibilité d’une analyse critique des parties correspondantes de l’Eurocode 8 et de proposer une méthode de redimensionnement que nous avons appelé Robust Seismic Brace Design (RSBD). L’idée centrale de la méthode repose sur la nécessité d’utiliser un modèle inélastique d’analyse de la structure à la place du modèle élastique initial. Deux critères essentiels sont introduits dont l’objectif premier est de mieux répartir la dissipation en empêchant la réalisation d’un mécanisme local. Les performances des bâtiments renforcés sont sans exception meilleures que celles des bâtiments originaux; donc la méthode Robust Seismic Brace Design est une bon complément à la procédure de l’Eurocode 8 pour la conception parasismique des ossatures contreventées. / The concentric steel bracing is a commonly used way of providing lateral stiffness and resistance in both steel, composite and even concrete multi-storey framed buildings. Also it is an alternative for seismic retrofitting. The seismic performance of concentrically braced frames has been investigated by numerous authors during the past decades as several issues have been identified either related to the actual response, or the seismic design procedure implemented by standards such as the Eurocode 8. The topics are various, e.g. the cyclic dissipative behaviour of axially loaded braces, innovative bracing arrangements and members, controversial requirements imposed on the same members, localization of inelastic deformations related to the so called weak storey behaviour. The conclusion of most of the prior research conducted on the seismic performance of braced steel frames is that the actual response of a braced building differs from that of a simplified model applied by corresponding codes. Consequently, to safeguard satisfactory seismic behaviour, the Eurocode 8 standard in particular needs to be modified or amended. In order to confine the addressed topic to a size that may be discussed sufficiently in the frame of a PhD research, in the present thesis primarily the weak storey behaviour is looked into. The objectives of the research are: - Provide a better description of the seismic response of concentrically braced frames; - Identify the factors contributing to the development of weak storeys; - Investigate the performance of braced buildings designed according to Eurocode 8; - Identify the reasons why the Eurocode 8 designs are found usually inadequate; - Propose a new design method or additional criteria to the existing Eurocode 8 procedure and verify their viability by providing designs that successfully counteract seismic actions without the development of weak storeys; In the dissertation it is demonstrated by the incremental dynamic analysis of several braced frames that the Eurocode 8 provisions do not provide satisfactory designs. The examination of the responses of the designs is used to characterize the behaviour. It is found that the occurrence of weak storeys in braced frames has a specific, gradual, self-amplifying nature. By further analysis of the seismic responses, proof is given to the existence of this specific behaviour. The better description of the behaviour provides the possibility of a critical analysis of the corresponding parts of Eurocode 8 and the basis of the Robust Seismic Brace Design method criteria. These criteria are related to the anticipated inelastic seismic response of braced frames, and with their application in design weak storeys can be easily recognized and reinforced. The performances of the reinforced buildings are without exception better than that of the original Eurocode 8 designs; therefore the Robust Seismic Brace Design method is found to be a good alternative of the Eurocode 8 procedure for the seismic design of concentrically braced frames.

Les dômes en treillis sont utilisés dans la construction de stades et d'aéroports pour accueillir un grand nombre de personnes. Ces structures entrent dans la catégorie d'importance sismique élevée car elles servent d'abris en cas d'événement sismique. Il existe des informations basées sur la recherche concernant la performance sismique des dômes ; cependant, l'application pratique de ces informations pour la conception reste un défi de taille. Essentiellement, il n'y a pas de directives établies pour la conception sismique des dômes. L'utilisation d'alliages d'aluminium peut présenter une solution efficace pour les dômes exposés à des environnements agressifs tels que les installations de stockage de produits chimiques, les dômes couvrant de grands espaces tels que les stades, et pour les dômes où des formes extrudées spécialisées peuvent faciliter les connexions efficaces entre les éléments structurels. La préférence pour ce matériau s'explique par sa durabilité, son faible rapport résistance/poids et son extrudabilité. Cependant, les alliages d'aluminium sont également connus pour être plus susceptibles à la rupture par fatigue oligocyclique. La fatigue oligocyclique peut conduire à la rupture d'un élément structurel sous l'effet de cycles de déformation induits par un tremblement de terre. La vulnérabilité des dômes en aluminium aux mouvements du sol dus aux tremblements de terre peut être affectée par la résistance à la fatigue oligocyclique du matériau. Cette étude de recherche évalue la performance sismique et la vulnérabilité sismique d'un dôme en treillis en alliage d'aluminium, en comparaison avec un dôme en treillis en acier. La vulnérabilité sismique des dômes en aluminium et en acier sous la même charge de gravité est comparée en développant des fonctions de fragilité basées sur des analyses dynamiques incrémentales. Pour les analyses dynamiques incrémentales, une suite de onze mouvements de sol non échelonnés avec une accélération maximale du sol allant de 0,2 g à 0,82 g, a été considérée. Il a été observé que les caractéristiques modales des deux dômes étaient similaires. Il n'y avait pas de déformation plastique dans les deux dômes soumis à la suite sélectionnée de mouvements de sol non échelonnés. Cependant, il y avait des déformations plastiques dans les deux dômes soumis à la suite de mouvements du sol mis à l'échelle à des intensités sismiques plus élevées. Les dômes en aluminium ont subi un déplacement deux fois plus important que le dôme en acier pour toutes les intensités sismiques considérées. Les résultats ont montré que la rupture par fatigue est attendue dans les dômes en aluminium qui sont soumis à des tremblements de terre sévères, avec une accélération spectrale supérieure à 1,5 g. Il a également été observé que le dôme en aluminium démontré une bonne résistance sismique pour les intensités de mouvement du sol représentatives du spectre de conception de l'Ouest du Canada, en particulier Vancouver, BC. / Lattice domes are used to construct stadiums and airports that accommodate many people. These structures fit into the high seismic importance category because they serve as shelters during seismic events. Information based on research regarding the seismic performance of domes exists; however, the practical application of this information for design remains a daunting challenge. Essentially, there are no established guidelines for the seismic design of domes. The use of aluminium alloys may present an effective solution for domes exposed to aggressive environments such as chemical storage facilities, domes covering large spaces such as stadiums, and for domes where specialized extruded shapes may facilitate efficient connections between structural elements. The preference for this material is due to its durability, low strength-to-weight ratio and extrudability. However, aluminium alloys are also known to be more susceptible to failure under low-cycle fatigue. Low cycle fatigue may lead to the rupture of a structural member under earthquake-induced strain cycles. The vulnerability of aluminium domes under earthquake ground motions may be affected by the low cycle fatigue resistance of the material. This research study assesses the seismic performance and seismic vulnerability of an aluminium lattice dome compared to a steel lattice dome. The seismic vulnerability of aluminium and steel domes under the same gravity load are compared by developing fragility functions based on incremental dynamic analyses. For the incremental dynamic analyses, a suite of eleven unscaled ground motions with peak ground acceleration ranging from 0.2 g and 0.82 g was considered. It was observed that the modal characteristics of both domes were similar. There was no plastic deformation in both domes subjected to the selected suite of unscaled ground motions. However, there were plastic deformations in both domes subjected to the suite of ground motions scaled to higher seismic intensities. The aluminium domes experienced twice as much displacement as the steel dome for all seismic intensities considered. The results also showed that fatigue failure is expected in aluminium domes subjected to severe earthquakes, with a spectral acceleration greater than 1.5 g. It was also observed that the aluminium dome showed a good seismic resistance for ground motion intensities representative of the design spectrum of western Canada, particularly Vancouver, BC.

Abstract: Highway bridges have great values in a country because in case of any natural disaster they may serve as lines to save people’s lives. Being vulnerable under significant seismic loads, different methods can be considered to design resistant highway bridges and rehabilitate the existing ones. In this study, base isolation has been considered as one efficient method in this regards which in some cases reduces significantly the seismic load effects on the structure. By reducing the ductility demand on the structure without a notable increase of strength, the structure is designed to remain elastic under seismic loads. The problem associated with the isolated bridges, especially with elastomeric bearings, can be their excessive displacements under service and seismic loads. This can defy the purpose of using elastomeric bearings for small to medium span typical bridges where expansion joints and clearances may result in significant increase of initial and maintenance cost. Thus, supplementing the structure with dampers with some stiffness can serve as a solution which in turn, however, may increase the structure base shear. The main objective of this thesis is to provide a simplified method for the evaluation of optimal parameters for dampers in isolated bridges. Firstly, performing a parametric study, some directions are given for the use of simple isolation devices such as elastomeric bearings to rehabilitate existing bridges with high importance. Parameters like geometry of the bridge, code provisions and the type of soil on which the structure is constructed have been introduced to a typical two span bridge. It is concluded that the stiffness of the substructure, soil type and special provisions in the code can determine the employment of base isolation for retrofitting of bridges. Secondly, based on the elastic response coefficient of isolated bridges, a simplified design method of dampers for seismically isolated regular highway bridges has been presented in this study. By setting objectives for reduction of displacement and base shear variation, the required stiffness and damping of a hysteretic damper can be determined. By modelling a typical two span bridge, numerical analyses have followed to verify the effectiveness of the method. The method has been used to identify equivalent linear parameters and subsequently, nonlinear parameters of hysteretic damper for various designated scenarios of displacement and base shear requirements. Comparison of the results of the nonlinear numerical model without damper and with damper has shown that the method is sufficiently accurate. Finally, an innovative and simple hysteretic steel damper was designed. Five specimens were fabricated from two steel grades and were tested accompanying a real scale elastomeric isolator in the structural laboratory of the Université de Sherbrooke. The test procedure was to characterize the specimens by cyclic displacement controlled tests and subsequently to test them by real-time dynamic substructuring (RTDS) method. The test results were then used to establish a numerical model of the system which went through nonlinear time history analyses under several earthquakes. The outcome of the experimental and numerical showed an acceptable conformity with the simplified method. / Résumé: Les ponts routiers ont une grande valeur dans un pays parce qu’en cas de catastrophe naturelle, ils peuvent servir comme des lignes pour sauver des vies. Étant vulnérable sous des charges sismiques importantes, on peut considérer différentes méthodes pour concevoir des ponts routiers résistants et également pour réhabiliter des ponts existants. Dans cette étude, l'isolation de la base a été considérée comme une méthode efficace qui peut réduire significativement les effets des charges sismiques sur la structure. En réduisant la demande en ductilité sur la structure sans une augmentation notable de force, la structure est conçue pour rester élastique sous des charges sismiques. Le problème associé aux ponts isolés, particulièrement avec des appuis en élastomère, peut être leurs déplacements excessifs sous les charges de service et de séisme. Ceci peut défier l’objectif d'utiliser des appuis en élastomère pour les ponts typiques de petite portée où les joints de dilatation et les dégagements peuvent aboutir à une augmentation significative des frais d'exploitation et de maintenance. Ainsi, supplémenter la structure avec des amortisseurs d’une certaine rigidité peut servir de solution, ce qui peut cependant augmenter l’effort tranchant transmis à la sous-structure. Cette étude a pour but de fournir une méthode simplifiée afin d’évaluer les paramètres optimaux des amortisseurs dans les ponts isolés. Dans cette thèse, premièrement, basé sur une étude paramétrique, quelques directions sont données pour l'utilisation de dispositifs d'isolation simples, dont les appuis en élastomère, afin de réhabiliter des ponts existant avec une haute importance. Les paramètres comme la géométrie du pont, les clauses des normes et le type de sol sur lequel la structure est construite ont été appliqués sur un pont typique de deux portées. Il est conclu que les paramètres mentionnés peuvent déterminer l'emploi d'isolement de la base des ponts routiers. À la deuxième phase, basé sur le coefficient de réponse élastique des ponts isolés, une méthode de conception simplifiée d’amortisseur pour des ponts routiers réguliers isolés à la base a été présentée dans cette étude. En sélectionnant des objectifs pour la réduction du déplacement et la variation de l’effort tranchant, la rigidité et l'amortissement exigés d'un amortisseur hystérétique peuvent être déterminés. L’étude s’est poursuivie par une modélisation numérique d’un pont à deux portées pour vérifier l'efficacité de la méthode. Pour un modèle numérique d'un pont isolé typique, la méthode a été utilisée pour identifier des paramètres linéaires équivalents pour un certain déplacement et effort tranchant désigné. Par la suite, assumant un amortisseur de type hystérétique, les paramètres non linéaires de l’amortisseur ont été calculés et utilisés. La comparaison des résultats du modèle numérique sans amortisseur et avec l'amortisseur a démontré que la méthode proposée est suffisamment précise. Par la suite, un nouvel amortisseur hystérétique simple en acier a été conçu. Cinq spécimens ont été fabriqués de deux différents grades d’acier et ont été testés en combinaison avec un isolateur à l’échelle réelle dans le laboratoire de structures de l'Université de Sherbrooke. La procédure comprenait la caractérisation des spécimens par des tests cycliques en contrôle de déplacement et par la suite la réalisation d’essais par la méthode de sous-structuration dynamique en temps réel. Les résultats des essais ont été utilisés pour établir un modèle numérique du système qui a subi des analyses temporelles non linéaires sous plusieurs séismes. Le résultat des essais expérimentaux et numériques montrent une conformité acceptable avec la méthode simplifiée.