Actuellement, le principe de dimensionnement à la capacité est fortement utilisé dans le domaine du génie parasismique. De manière simplifiée, cette méthode de dimensionnement consiste à dissiper l'énergie injectée à une structure lors d'une secousse sismique par la déformation inélastique d'un élément structural sacrificiel. Cette méthode de dimensionnement permet d'obtenir des structures économiques, car cette dissipation d'énergie permet de réduire substantiellement les efforts qui se retrouvent à l'intérieur de la structure. Or, la conséquence de ce dimensionnement est la présence de dégâts importants à la structure qui suivent à la secousse sismique. Ces dégâts peuvent engendrer des coûts supérieurs aux coûts d'érection de la structure. Bien entendu, sachant que les secousses sismiques d'importance sont des phénomènes rares, l'ingénieur est prêt à accepter ce risque afin de diminuer les coûts initiaux de construction. Malgré que cette méthode ait permis d'obtenir des constructions économiques et sécuritaires, il serait intéressant de développer un système qui permettrait d'obtenir des performances de contrôle des efforts sismiques comparables à un système dimensionné selon un principe de dimensionnement à la capacité sans les conséquences négatives de ces systèmes. En utilisant les principes d'isolation à la base, il a été possible de développer un système de reprise des forces sismiques (SRFS) qui permet d'obtenir un contrôle des efforts sismiques concurrentiels tout en gardant une structure complètement élastique. Ce système consiste à insérer un matériel élastomère entre l'assemblage de la poutre et des contreventements à l'intérieur d'un cadre contreventé conventionnel. Cette insertion permet de diminuer substantiellement la rigidité latérale du bâtiment, ce qui a pour conséquence d'augmenter la valeur de la période fondamentale du bâtiment dans lequel ces cadres sont insérés. Ce phénomène est appelé le saut de période. Ce saut de période permet de réduire grandement l'amplification dynamique essuyée lors d'un séisme dû au contenu fréquentiel particulier des secousses sismiques. Toutefois, la réduction de la rigidité globale a pour conséquence d'augmenter grandement les déplacements de fonctionnement de la structure, ce phénomène étant mitigé par les propriétés amortissantes de l'élastomère utilisé. Le SRFS proposé a été étudié dans le cadre de la présente maîtrise. Les objectifs de l'étude consistent à démontrer l'efficacité et la faisabilité du système proposé ainsi que de développer une méthode de dimensionnement efficace et sécuritaire pour ce genre de système. Afin de faciliter l'obtention des objectifs, l'approche qui a été utilisée est l'étude comparative d'un même bâtiment dimensionné selon deux principes. Le premier est le dimensionnement à la capacité. Le second est un dimensionnement employant le système proposé. La présente étude a été scindée en quatre parties distinctes. La première est l'étude du matériel élastomère afin de déterminer les propriétés utiles lors d'un dimensionnement. La seconde est le dimensionnement et l'étude en laboratoire du comportement d'un cadre contreventé selon un principe de dimensionnement à la capacité. La troisième partie est le dimensionnement et l'étude en laboratoire du comportement d'un cadre contreventé intégrant des amortisseurs élastomères. La quatrième et dernière partie est l'étude comparative des performances sismiques d'un bâtiment qui emploie des cadres amortis avec des amortisseurs élastomères avec les performances d'un bâtiment qui emploie un SRFS par contreventements classiques. À la suite des différentes analyses, il a été possible de conclure sur les performances du système proposé employant des amortisseurs élastomères. Le système possède un excellent comportement quant aux sollicitations sismiques. Le contrôle des efforts sismiques est du même ordre qu'un SRFS par contreventements de ductilité modérée (réduction des efforts élastiques par un facteur de 3). Bien que la demande en déplacement soit plus grande pour le système proposé que pour un système contreventé traditionnel, la demande en déplacement est adéquatement contrôlée. Finalement, il a été possible de confirmer que le système proposé répond élastiquement aux sollicitations sismiques et son comportement après une sollicitation violente est adéquat. Toutefois, les connaissances limitées du matériel élastomère employé causent l'obtention de dimensionnement moins performant qu'attendu. L'ensemble de l'étude a permis de mettre en relief les caractéristiques et les avantages indéniables du SRFS proposé. Toutefois, certains points nécessitant davantage d'études ont également été soulevés lors de cette recherche : le comportement de l'élastomère utilisé pour un plus vaste domaine de situations que celle considérée dans cette étude (par exemple, l'impact de la température sur le caoutchouc et le comportement en fatigue de ce dernier) ainsi que le comportement du système étudié pour un domaine plus vaste d'applicabilité (par exemple, l'applicabilité du système à des bâtiments multiétagés).

This study develops an innovative configuration of seismic natural rubber dampers for multistory low- and medium-rise steel braced frames. The dampers are directly integrated in an horizontal position in the seismic force resisting system of the structure. They are connected in a series with typical chevron brace systems.This control system provides not only additional structural damping to the structure but also a period shift, acting in the same way as a base isolation system. First, the fiber reinforced natural rubber used in the application was tested. It exhibited strong non linear dependance of its equivalent viscoelastic properties related to the shear strain. Then, a 1/3-scale 3-story chevron braced steel frame with and without dampers was considered. The structure was build and placed on the shaking table of the University of Sherbrooke Structures Laboratory. Numerical studies show that the efficiency of the control system reduces strongly the seismic induced forces of the undamped structure without any amplification of displacement or drift. Obtained seismic response reduction levels represent significant safety and economical benefits for the proposed application. Finally, the control system viability is experimentally demonstrated by shaking table tests at different reduced seismic intensities. Non linear behavior of the structure due to non linear behavior of the damping material is highlighted, and the dependance of seismic control performances is shown to be related to seismic intensities. Results allow an extrapolation of the experimental control peformances tending to the numerical results at higher intensities.

Résumé : Ce projet de maîtrise s’intéresse au comportement ultime d’une structure en acier, contrôlée sismiquement par des amortisseurs élastomères et des contreventements en chevron. Les séismes peuvent causer des dommages considérables quand les infrastructures et les bâtiments ne sont pas construits selon les normes et les techniques appropriées. Par conséquent, réduire l’impact des séismes revient particulièrement à construire des ouvrages sécuritaires en tenant compte bien entendu du paramètre économique. Ainsi Gauron, Girard, Paultre et Proulx ont étudié en 2009, un système de reprise de forces latérales, constitué uniquement de treventements en chevron montés en série avec des amortisseurs en caoutchouc naturel fibré ayant de nombreux avantages. Premièrement, le système reste élastique sous le séisme de design en réduisant les efforts sismiques linéaires par un facteur supérieur à R[indice inférieur d] = 3 par rapport à un cadre conventionnel. Deuxièmement, il est capable de contrôler les déplacements sous la limite du CNBC 2010 (Code National du Bâtiment du Canada 2010), et même de réduire ces derniers dans certains cas. Par conséquent, il permet de réduire les sections des poutres et des poteaux des cadres par rapport à une structure conventionnelle ainsi que les coûts de réparation après un séisme. Toutefois, le comportement à l’état limite ultime d’un tel système, ses limites et ses réserves de sécurité restaient à déterminer. Ainsi, l’objectif global de ce projet de recherche est de déterminer les différents mécanismes de ruine possibles de ce système, d’établir des limites et réserves de sécurité, et de préciser, après avoir formulé certaines recommandations, à quelles conditions il peut être utilisé dans le dimensionnement de nouvelles structures. Pour atteindre les objectifs fixés, deux essais quasi statiques ont été réalisés sur deux cadres en acier dimensionnés avec le système. Des essais dynamiques ont aussi été réalisés afin d’avoir les propriétés viscoélastiques des amortisseurs. Le premier essai a mis en évidence un mécanisme de ruine inattendu et prématuré qui a souligné un défaut majeur dans les connexions des diagonales avec l’amortisseur. Le second essai a révélé un des mécanismes de ruine envisagés initialement où le caoutchouc se déchire après l’initiation du flambement dans la diagonale comprimée. Les résultats expérimentaux ont montré que l’amortisseur constitue le maillon faible du système, et que des efforts parasites peuvent réduire significativement la capacité portante des structures dimensionnées avec un tel système. Dans les deux cas, les résultats ont montré que la méthode de dimensionnement du système tel qu’elle est définie actuellement mérite d’être améliorée. En ce sens, des recommandations relatives au dimensionnement des différents éléments des structures dimensionnées avec le système ont été élaborées, particulièrement en ce qui concerne le caoutchouc et les connexions. // Abstract : This thesis focuses on the ultimate behavior of steel structures, controlled seismically by elastomeric dampers and chevron bracings. Earthquakes can cause considerable damages when infrastructures and buildings are not built considering appropriate standards and technics. Therefore, mitigating the impact of earthquakes means essentially building safe structures by taking account of economic parameters too. Thus Gauron, Girard, Paultre and Proulx studied in 2009 a seismic force resisting system consisting only of chevron braces connected in series with fiber-reinforced natural rubber dampers that offers many benefits. First, the system remains elastic under the design earthquake by reducing linear seismic efforts by a factor of R[subscript d] = 3 compared to a conventional frame. Secondly, it allows to control the displacements under the limits of NBCC 2010 (National Building Code of Canada 2010), and even to reduce them in some cases. Therefore, it allows a reduction of sections of beams and columns of conventional frames and it prevents repairing costs of the structure after an earthquake. However, the ultimate limit state behavior of this system, its limitations and safety reserves have not been determined yet. Thus, the overall objective of this project is to determine the different possible failure mechanisms of the system, to set its limits and safety reserves, and to state after some recommendations, how it can be used in the design of new structures. To achieve these objectives, two quasi static tests were performed on two steel frames designed with the new system. Dynamic tests were also conducted to get the viscoelastic properties of the damping material. The first quasi static test revealed an unexpected and premature failure mechanism that pointed out a major flaw in the connections of the braces with the damper. The second test revealed one of the failure mechanisms originally expected where the rubber tears after buckling of the compression brace. The experimental results have shown that the damper is the weak element in the system, and that additional forces can significantly reduce the structural capacity of structures designed with the system. In both cases, the results have shown that the actual design method of the system should be improved. Thus, recommendations for the design of elements of structures designed with this system have been developed, particularly with regard to the rubber and brace connections.