Telecommunication structures are essential components of communication and post-disaster networks that must remain operational after a design-level of earthquake. Although many studies have been done to evaluate the response of these structures when subjected to wind and earthquakes, almost all of them are numerical simulations using finite element analysis models. In fact the most common way for predicting the dynamic characteristics of these towers is using nonlinear dynamic analysis models, and there is a lack of experiments in this field. In other words, despite of all the numerical studies which have been done with care and expert knowledge, little validation with physical tests or measurements has been reported to evaluate the level of accuracy of these computational studies. Hence the degree of uncertainty of these modeling predictions has not been determined up to now even in controlled laboratory conditions. The research presents full-scale investigations of the dynamic characteristics of a real 111.2 m tall guyed telecommunication tower owned by Hydro Québec and located in St. Hyacinthe, Québec. Ambient Vibration Measurements (AVM) were carried out on the tower mast and supporting guy cables to determine dominant natural frequencies, mode shapes and damping properties. A comparison of the results extracted from the AVM records and those predicted by detailed finite element models indicates the level of accuracy of the models and future dynamic analysis. Acceleration measurements on the guy wires provide the database for calculating the cable tensions. The importance of considering accurate cable tensions for the study of the dynamic characteristics of the tower was demonstrated by the comparison between the numerical eigenvalue analyses of detailed finite element tower models with various adjustments in cable tensions. This was further emphasized in a series of earthquake simulations under three classical earthquakes records. A final series of numerical simulations were done under two different gravity loading cases, namely with and without consideration of tower attachments such as antennas, transmission lines, and other appurtenances such as ladder, resting platforms, etc., which contribute additional weight and inertia. These simulations were done using a range of guy wire tensions varying between 8% and 15% of the cables rated breaking strength and under four earthquake records, adding an artificial Montreal record to the three previous classical ones. In conclusion, considering that the actual cable tension may vary in the studied range of values has provided a good agreement between the experimental dynamic characteristics of the tower and non-linear finite element models results. On that basis, the accuracy of the seismic analysis results is validated. / Les structures de télécommunication sont des éléments essentiels des réseaux de télécommunication d'urgence qui doivent rester fonctionnels en cas de séismes. Bien que l'étude du comportement de ces structures sous l'effet du vent ou des séismes ait fait l'objet de plusieurs études numériques utilisant la méthode des éléments finis, très peu de ces études ont été validées à l'échelle réelle par des mesures expérimentales dans la littérature scientifique. Cette recherche présente une étude expérimentale détaillée des caractéristiques dynamiques d'une tour de télécommunication haubanée de 111.2 m de hauteur, propriété d'Hydro Québec et située à Saint-Hyacinthe, Québec. Cette étude procède par mesures de vibrations ambiantes (ou bruit ambiant) le long du mât et des câbles de haubans. Ces enregistrements ont ensuite été analysés pour en extraire les caractéristiques dynamiques telles les fréquences naturelles dominantes et les modes de vibration associés ainsi que leur taux d'amortissement. Ces résultats expérimentaux ont ensuite été comparés aux prédictions numériques par éléments finis afin de déterminer la précision des modèles. Les mesures d'accélération prises sur les câbles de haubans ont été utilisées pour calculer les tensions mécaniques dans les différents groupes de haubans. L'importance d'utiliser des valeurs précises des tensions dans les haubans pour obtenir des prédictions numériques réalistes est démontrée dans les analyses aux valeurs propres (fréquences et modes naturels dominants) et confirmée par une série d'analyses sismiques non linéaires utilisant trois exemples classiques de tremblements de terre. Une dernière série d'analyses sismiques a considéré deux conditions de charges de gravité, soit le pylône sans masses additionnelles et le pylône chargé de tous ses composants fonctionnels - antennes, lignes de communication et accessoires tels les échelles, plates-formes de repos, etc., lesquels contribuent poids et inertie. Ces simulations numériques ont également considéré une variation des tractions initiales d'installation des câbles de haubans entre 8% et 15% de leur capacité ultime, et quatre cas de séismes, ajoutant un séisme artificiel pour Montréal aux trois cas classiques utilisés précédemment. En conclusion, les caractéristiques dynamiques du pylône obtenues par simulation se sont avérées en accord avec les mesures pour cet intervalle de tractions des haubans, ce qui laisse présager une précision réaliste des simulations sismiques quand la variabilité des tractions des haubans est prise en compte.

The occurrence of extreme storms is a critical consideration in the design and management of a large number of water-resource projects. In current engineering practice, the estimation of extreme rainfalls is accomplished based on statistical frequency analysis of maximum precipitation data. The objective of this frequency analysis is hence to estimate the maximum amount of precipitation falling at a given point for a specified duration and return period. Results of precipitation frequency analysis are often summarized by "intensity-duration-frequency" (IDF) relationships for a given site. However, traditional methods in the development of IDF relations have two major limitations. Firstly, these existing methods were not able to account for the extreme rainfall characteristics over different time scales. Secondly, these traditional methods cannot take into account the potential impacts of climate variability and climate change. Therefore, the main objective of the present study is to propose an improved method for extreme rainfall estimation that could overcome these limitations. The proposed method was based on the scale-invariance GEV distribution and the statistical downscaling procedure to construct the IDF relations in the context of climate change. The Non-Central Moment method was used for the estimation of the three parameters of the GEV. Results of a numerical application using Annual Maximum Precipitation (AMP) data from a network of 14 rain-gauge stations in South Korea has indicated the feasibility and accuracy of the suggested method. In particular, the observed AMP series displayed a simple scaling behaviour. In addition, the linkages between global climate variables given by two Global Climate Models (GCMs) (one from Environment Canada and one from the UK Hadley Centre) and the local extreme rainfall characteristics have been successfully established for predicting the resulting changes of the IDF relations under different climate change scenarios A2, A1B, and B2. It was found that the IDF relations for future periods (2020's, 2050's, and 2080's) showed increasing or decreasing trends depending on the GCM used and the climate scenario considered. / La fréquence des tempêtes extrêmes est un facteur critique dans la conception et gestion d'un grand nombre de projets de ressources en eau. Dans la pratique courante, l'estimation des pluies extrêmes est réalisée en se basant sur l'analyse de fréquence statistique des données de précipitations maximales. L'objectif de cette analyse de la fréquence est donc d'estimer le montant maximal de précipitations qui tombent à un moment donné pendant une durée déterminée, ainsi que la période de retour. Les résultats de l'analyse de la fréquence des précipitations sont souvent résumés par les relations Intensité-Durée-Fréquence (IDF) pour un site donné. Toutefois, les méthodes traditionnelles dans le développement des relations IDF ont deux limites majeures. Tout d'abord, ces méthodes n'ont pas été en mesure de tenir compte des caratéristiques des précipitations extrêmes sur des différentes échelles de temps. Deuxièmement, ces méthodes traditionnelles ne tiennent pas compte des impacts potentiels de la variabilité climatique et du changement climatique. Par conséquent, l'objectif principal de cette présente étude est de proposer une méthode d'estimation des précipitations extrêmes améliorée qui pourrait surmonter ces limitations. La méthode proposée a été basée sur l'échelle d'invariance de distribution GEV et la procédure de réduction d'échelle statistique pour construire des relations IDF dans le contexte du changement climatique. La méthode des moments non-centraux a été utilisée pour l'estimation des trois paramètres de la GEV. Les résultats obtenus par une application numérique des données de Précipitations Maximales Annuelles (PMA) à partir d'un réseau de 14 stations pluviométriques en Corée de Sud ont démontré la faisabilité et la précision de la méthode proposée. La série de PMA observée a particulièrement affiché une propriété d'échelle simple. En outre, les liens entre les variables climatiques globaux donnés par les deux Modèles Climatiques Globaux (MCGs) (un en provenance d'Environnement Canada et l'autre du Centre Hadley du Royaume-Uni) et les caractéristiques des précipitations locaux extrêmes ont été établis avec succès pour prédire les changements qui résultent des relations IDF selon des différents scénarios climatiques - A2, A1B, et B2. Il a été constaté que des relations IDF pour les périodes futures (les années 2020, 2050, et 2080) ont démontré des tendances qui augmentent ou diminuent dépendemment des MCG utilisés et du scénario climatique à l'étude.

Static and dynamic carbonation curing at early age was developed for ordinary Portland cement (OPC) and Portland limestone cement (PLC) concrete masonry units (CMU) production. It is intended to replace conventional steam curing, improve the CMU performance, reduce energy consumption, and permanently sequester carbon dioxide in concrete. Concrete slabs representing the face shell of a 20-cm CMU as well as full sized CMU were used throughout the carbonation process. In static carbonation, it was found that initial air curing was vital to maximize carbonation reaction. After a procedure of casting, air curing, carbonation curing, and water compensation in subsequent hydration, carbonated CMUs had shown equivalent strength to steamed CMU but much better resistance to freeze-thaw damage. Carbonate-reinforced cement matrix played a critical role in improving freeze thaw resistance. In dynamic carbonation, the initial air curing was combined with carbonation with controlled relative humidity. The production cycle was significantly reduced to avoid initial air curing. The process proved to be a valid replacement of the static system in terms of CO2 uptake and compressive strength. While both OPC and PLC concretes displayed the hydration and carbonation products, only OPC concrete demonstrated an intermix of these products in the form of calcium silicate hydrocarbonate and a phase transformation of poorly crystalline aragonite and vaterite into well crystalline calcite. Based on 24% CO2 uptake, the CMU production in US and Canada is capable of sequestering 2 million tons CO2 per year. It is equivalent to 2.5% carbon emission reduction for US and Canada cement industry. / La carbonatation par méthode statique et dynamique a été développée pour la cure rapide de blocs de bétons composés à partir de ciment Portland ordinaire ainsi que de ciment Portland à base de calcaire. Cette approche vise à remplacer le procédé traditionnel de cure de blocs de bétons par étuvage afin d'améliorer leur performance, réduire la consommation d'énergie, et séquestrer le dioxyde de carbone de manière indéfinie. La façade extérieure d'un bloc de béton de 20-cm, représenté par une dalle de béton, ainsi qu'un bloc de pleine taille, ont été utilisés durant le procédé de carbonatation. Les résultats indiquent qu'il est essentiel de curer les blocs par air contrôlé avant d'employer la carbonatation statique. Suivant la procédure de moulage, cure à l'air, carbonatation, et compensation de l'eau à travers hydratation suivie, les blocs de bétons carbonatés ont témoigné une résistance comparable à celle de blocs durcis à la vapeur, cependant une résistance supérieure aux dégâts de gel-dégel. La microstructure du ciment carbonaté-renforcé a joué un rôle crucial dans l'amélioration de la résistance du gel-dégel. Dans la carbonatation dynamique, le durcissement initial par étuvage a été combiné avec carbonatation sous une humidité relative contrôlée. Afin de réduire le cycle de production, le durcissement initial par étuvage a été éliminé. La carbonatation dynamique s'est avérée être un remplacement valable du système statique en termes d'absorption de CO2 et résistance à la compression. Bien que le ciment Portland ordinaire ainsi que le ciment Portland à base de calcaire ont confirmé des produits d'hydratation et de carbonatation, seul le ciment Portland a fait preuve de la capacité de ses produits d'hydratation et de carbonatation de se mélanger sous la forme de calcium hydrocarbonate silicate . De plus, de l'aragonite mal cristallisé et de la vatérite ont subi une transformation de phase dérivant en calcite cristalline. Basé sur une capacité d'absorption de CO2 de 24%, la production de blocs de bétons aux États-Unis et au Canada a le potentiel annuel de séquestrer 2 millions de tonnes de CO2. Ce fait signifie que la réduction d'émissions de dioxyde de carbone de ces deux pays dans l'industrie de ciment est égale à 2.5%.

Concentrically-braced frames (CBFs) are among the most common seismic force resisting systems (SFRSs) used in Canada and across the world. In single-storey applications, these braces are often paired with a flexible steel diaphragm as a means of effectively transferring the seismic forces through the SFRS. Seismic loads are determined using the 2010 NBCC, while the design and detailing requirements for CBFs are provided by the CSA S16-09 Standard. The capacity design philosophy is used, in which one element in the SFRS is designed to undergo large inelastic deformations in the event of a strong ground motion; for a CBF, this fuse element is chosen as the braces. The CSA S16-09 ensures that the fuse element exhibits the necessary amount of ductility and energy dissipation to withstand the large deformations imposed by the earthquake. Structural elements surrounding the fuse element are protected in such a way that the gravity load resisting system remains elastic after such an earthquake so that occupants have time to evacuate. The seismic provisions in the NBCC and S16 have greatly evolved over the past fifty years. In particular, the capacity design philosophy was not employed in design between 1960 and 1970. As such, it becomes difficult to predict the seismic performance of existing structures designed and constructed within that time period. The seismic performance of structures designed using the 1965 NBCC and CSA S16-65 is examined using the open-source structural analysis software OpenSees. Model accuracy is achieved through the calibration of the material parameters obtained through the physical testing of existing brace specimens with the OpenSees model. Incremental dynamic analyses are performed on 32 prototype structures. Seven failure criteria for net-section fracture, bolt shear, block shear, bearing failure and drift limitations are used to determine the performance level of the prototype structures using a methodology similar to that found in FEMA-P695. / Les cadres à contreventements concentriques en acier (CCC) sont parmis les systèmes de résistance de forces sismiques (SRFS) les plus utilisés au Canada et à travers le monde. Dans les édifices uniétagaires, ces contreventements sont souvent couplés avec une diaphragme flexible en acier comme méthode de transmission des forces sismiques à travers du SRFS. Les charges sismiques sont déterminés en utilisant le NBCC 2010, et la conception et les détails pour le CCC sont donnés par le CSA S16-09. La philosophie du conception des capacités est utilisé, où un élément fusible est choisi dans un SRFS – pour CCC, les contreventements – est conçu et détaillé pour écouler dans l'évènement d'un fort mouvement du sol. La norme CSA S16-09 assure que l'élément fusible démontre la quantité nécessaire de ductilité et de dissipation d'énergie pour résister aux grandes déformations imposées par le séisme. Les éléments structuraux qui sont autour de l'élément fusible sont protégés de telle manière que le système de résistance de gravité reste élastique après un tel séisme, afin que les occupants ont le temps d'évacuer. Les provisions sismiques du NBCC et S16 ont grandement évolué au cours des cinquante dernières années. En particulier, la conception des capacités n'a pas été employé pendant les années 1960 à 1970. En tant que tel, il devient difficile de prédire le comportement sismique des structures existantes conçues et construites dans cette période. Ce rapport examine la performance des structures conçues avec le NBCC 1965 et la norme CSA S16-65 en utilisant le logiciel d'analyse structurelle opensees. La précision du modèle est réalisée en synchronisant les paramètres materiels obtenus par des testes physiques de spécimens existantes avec la modèle de OpenSees. Des analyses incrémentale dynamique sont faits sur 32 structures prototype. Sept critères de faillite, incluant la fracture au section-nette, cisaillement des boulons, bloc de cisaillement, portance et une limite sur le déplacement sont utilisés pour déterminer le niveau de performance pour les structures prototypes en utilisant une methodologie similaire avec celle du FEMA-P695.

The transport produces 43.5% of Quebec's greenhouse gas (GHG) emissions; more than half of these emissions come from passenger transportation. In Quebec, transport emissions have grown by 30% from 1990 to 2009. Accordingly, this research evaluates the impact on GHG of alternative fuels and technologies in public transit and personal motor vehicles in the Quebec context using link-level GHG estimation methods. The transit technologies examined were analyzed using a lifecycle approach, mainly focusing on fuel production and vehicle operation phases, with the aid of GHGenius and MOVES. The demand for hybrid vehicles, its determinants as well as some potential market penetration scenarios were also investigated for Quebec City and the Island of Montreal. Different sources of data were combined to generate GHG inventories and estimate motor vehicle travel demand including: GPS, train and vehicle fleet fuel consumption rates, the Canadian Census, origin-destination surveys, and vehicle registration records.The results demonstrate that the use of alternative technologies can lead to significant GHG reductions. Among the bus technologies, it was found that hybrid buses are the best option with savings of 43.3%, followed by compressed natural gas (20.5%) and biodiesel (12.5%). For commuter rail, electric technology can reduce emissions by 98%; however, hydrogen fuel cell trains may be competitive in terms of cost-benefit ratio. Although hybrid personal vehicles have the potential for great GHG reductions, the limited spatial distribution of purchasers indicates that this technology will have a more modest impact than what might be expected. From an optimistic perspective where the vehicle fleet is composed of 25% hybrid vehicles, the impact would only lead to a 10% decrease in GHGs. / Le secteur des transports contribue 43,5 % des émissions de gaz à effet de serre (GES) au Québec; plus que la moitié de ses émissions vient du transport de passager. Les émissions du secteur des transports a accrue par 30% entre 1990 et 2009. En conséquence, cette recherche évalue l'impact des carburants et technologies alternatives en transport collectif et les véhicules personnels sur les GES dans le contexte québécois en utilisant les méthodes d'estimations de GES aux niveaux des liens. Les technologies des transports communs sont analysées en utilisant l'analyse de cycle de vie, particulièrement la production du carburant et l'opération du véhicule, avec l'aide de GHGenius et MOVES. Le marché pour les véhicules hybrides, ses déterminants et puis des scénarios potentiels de pénétration du marché sont examinés pour la ville de Québec et l'Ile de Montréal. Différents sources de données sont combinés pour générer l'inventaire de GES et estimer la demande de transport incluant le GPS, le taux de consommation des carburant, le Census, les enquêtes origine-destination et l'enregistrement de véhicules automobiles.Les résultats démontrent que les technologies alternatives réduient effectivement les émissions de GES. Parmi les technologies d'autobus, les autobus hybrides sont les meilleurs choix avec des réductions de 43,3 %, suivi par le gaz à naturel compressé (20,5 %) et le biodiesel (12,5 %). Pour les trains de banlieue, les trains électriques peuvent diminuer les émissions par 98%; pourtant, les trains à hydrogène sont compétitifs selon le rapport cout-bénéfice. Bien que les véhicules hybrides ont la potentiel d'éviter beaucoup de GES, la distribution spatiale du marché des véhicules hybrides indiquent que cette technologie aura un impact modeste. Dans le cas optimiste, le remplacement de 25% du parc d'automobiles vont mener à une baisse de 10% des GES.

Electricity is a crucial form of energy in our societies, and transmission lines are key elements to ensure the reliability of electric power grids. Continuity of service is the main preoccupation of electric utilities, and this continuity may be disrupted by a large variety of sources and accidents. Transmission lines, by their intrinsic topology, remain the grid components that are the most exposed to climatic sources of disruption.The most common and important source of dynamic loads on transmission lines results from wind effects on the towers and conductors. Conductors are particularly sensitive to wind effects as they are long and relatively flexible (compared to their supports) and are literally wind-catching structures in the power grid infrastructure. In cold climates, wind and ice have compounding effects on lines and give rise to the most severe design loading conditions. Therefore, accurate prediction of the wind pressure on overhead conductors is essential to conduct a reliable assessment of the line response, in terms of both electrical clearances and conductor loads transferred to supports. Spatial randomness of wind loads on overhead lines has already been addressed by stochastic analysis methods and is now taken into account in design with the use of so-called span factors. Further gains in wind load accuracy can be obtained by examining the physics of wind effects on conductors, in both non-iced and iced conditions, with improved predictions of lift and drag forces determined from fluid-structure interaction (FSI) analysis.The traditional design method to apply wind load on transmission lines is to convert the design wind speed to a static pressure through Bernoulli's equation where the pressure is proportional to the air density and the squared wind speed. In this approach the fluid-structure interaction of wind and line components is ignored: wind is considered as a quasi-static load on conductors and supports, while special instability effects due to particular wind conditions such as vortex shedding (Aeolian vibrations) and flutter (cable galloping) are accounted for separately with specific mitigation solutions if necessary.In gusty wind conditions with high turbulence intensity, conductors may experience large horizontal displacements that affect their surrounding wind flow. A physically accurate wind load evaluation on conductors is possible by computational wind-structure interaction analysis. To date, largely due to its high computational cost and the lack of experimental data to validate computational models, an advanced fluid-structure analysis framework for wind-cable interaction has not been developed. In this study a new approach based on FSI analysis to evaluate equivalent wind loads on conductors is developed. The first step in such an approach is accurate evaluation of wind pressure on conductor. For this purpose the FSI analysis is carried out in two dimensions where the detailed bare and iced conductor section geometry and surrounding air flow are modeled, considering a given incident wind speed. The conductor cross section is assumed to be supported on flexible supports to study the interaction between the conductor motion and the air flow. FSI analysis yields both the fluid and structure response. Of particular interest is the wind pressure field on the conductor section, which allows the computation of the resultant drag and lift forces. This process is repeated for several cross sections along the span and the resulting forces provide the effective span wise wind load distribution on the conductor. This wind loading is then used as input in a separate 3-D computational nonlinear dynamic analysis model to predict the line response. This dynamic analysis of the line section can be detailed to represent very realistic line sections including conductors, suspension links and supporting towers. / Nos sociétés sont fortement dépendantes de l'électricité, et il ne fait pas de doute que la fonctionnalité des lignes de transport est déterminante pour assurer la fiabilité des réseaux électriques modernes. En effet, la continuité de l'approvisionnement en électricité reste la préoccupation majeure de toutes les compagnies d'électricité, et cette continuité du service peut être compromise par une multitude d'incidents ou d'accidents sur l'ensemble du réseau. Parmi toutes les sources possibles de charges dynamiques sollicitant les lignes de transport, celles provenant des effets du vent sur les pylônes et les conducteurs restent les plus fréquentes. Les conducteurs de lignes sont particulièrement vulnérables aux effets du vent car les portées sont longues et flexibles (comparé aux pylônes) et leur présence physique dans le réseau en font des structures exposées à toutes les intempéries qui peuvent survenir sur le territoire couvert. Cette vulnérabilité est encore plus grande dans les climats nordiques où les effets combinés du givrage atmosphérique et du vent créent des scénarios de charges de conception parmi les plus critiques et donc susceptibles de contrôler la conception finale des lignes. Il nous apparaît donc essentiel de comprendre la dynamique des fluides des effets du vent pour prédire avec réalisme et un degré de précision raisonnable la pression du vent exercée sur les conducteurs. Une meilleure évaluation des charges dues au vent permettrait par le fait même des prédictions plus réalistes de la réponse des lignes aux charges de vent, non seulement en terme de déplacements et dégagements électriques mais aussi en terme des charges nettes transférées aux pylônes par les conducteurs. La nature aléatoire des effets du vent sur les conducteurs a déjà fait l'objet de nombreuses études scientifiques et les méthodes d'analyse stochastique modernes permettent de cerner la question : les méthodes de conception simplifiées qui sont suggérées dans les normes et guides tiennent compte de ces effets en utilisant un coefficient de portée global qui ajuste à la baisse les efforts calculés au pylône sous des charges supposées synchrones et uniformes le long des conducteurs. Cette recherche ne concerne pas cet aspect de la question. Nous croyons que des gains de précision appréciables dans la prédiction des charges de vent sur les lignes sont possibles par une meilleure modélisation de la physique des effets du vent sur les conducteurs, dans les conditions givrées ou non, en utilisant les techniques d'analyse qui tiennent compte des interactions dynamiques fluide-structure. Ces interactions sont ignorées dans les méthodes d'analyse conventionnelles qui consistent simplement à calculer une pression statique proportionnelle à la vitesse carrée du fluide selon l'équation classique de Bernoulli. Bien sûr, les concepteurs ne négligent pas la considération des vibrations éoliennes ou du galop des conducteurs, mais ces phénomènes sont traités séparément et n'influencent pas le calcul des charges sur les pylônes. Dans cette recherche, nous nous intéressons aux conditions de vent de rafale avec grande turbulence qui caractérisent les tempêtes de vent. Ces vents forts et turbulents créent de grands déplacements des conducteurs qui modifient les conditions d'écoulement d'air. Une évaluation plus précise de ces conditions est possible par analyse computationnelle des interactions vent-conducteur.Les bases théoriques de la physique des phénomènes en présence sont connues mais aucun cadre d'application numérique n'a été proposé jusqu'à maintenant, en partie à cause des coûts numériques élevés mais aussi dû au manque de données expérimentales pouvant valider ces modèles computationnels.Nous avons développé un tel cadre d'analyse computationnelle dans cette recherche et l'avons illustré dans un cycle complet, du calcul des charges au calcul de la réponse d'une section de ligne, avec plusieurs exemples pratiques à chacune des étapes de développement

Fibre-reinforced composite plates consist of bonded layers of either unidirectionally or multi-directionally reinforced sub-elements, which are arranged in a way to achieve optimum deformability and failure characteristics. This thesis examines the effective elasticity properties of a unidirectionally reinforced carbon fibre-polyester composite. A computational simulation of an experimentally determined fibre arrangement is used to derive the effective elasticity properties of the transversely isotropic composite. The computational estimates for the elastic constants are compared with several theoretical estimates for the effective elasticity properties that are based on regular arrangement of the reinforcing fibres, their volume fraction and the elasticity properties of the constituents. This study also examines the flexural behavior of a locally loaded rectangular Carbon Fibre-Reinforced Polymer (CFRP) composite plate under different edge support conditions. The assembly of the laminae is used to construct a computational model of the plate. The layered composite CFRP plate used in the experimental investigation consisted of 11 layers of a polyester matrix reinforced with carbon fibres. The bulk fibre volume fraction in the plate was approximately 66%. The experimental results for the deflected shape of the plate were used to establish the validity of a computational approach that accounts for large deflections of the plate within the small strain range. This thesis also examines the role of a crack on the overall flexural behaviour of a circular layered composite CFRP plate with fixed boundary and different through crack configurations, which is subjected to uniform air pressure loading. In particular, the effect of crack length and orientation on the overall pressure-deflection behaviour of the plate is investigated. The assembly of the cracked laminae is also used to construct a non-linear model of the cracked plate. / Les plaques composites à renforts fibreux constituent en des ensembles de couches assemblées selon leur épaisseur de manière uni- ou multidirectionnelle afin d'obtenir des propriétiés de déformabilité ou de résistance optimales. Cette thèse se propose d'étudier les propriétiés élastiques effectives d'un composite à matrice de polyester renforcé par des fibres de carbone unidirectionnelle. Une simulation numérique est utilisée pour determiner les propriétiés élastiques equivalents dans l'hypothèse d'un comportement isotrope transverse au moyen d'un arrangement des fibres obtenu expérimentalement. Les estimation de ces constates élastiques obtenue par voie numérique sont comparées avec plusieurs estimations théoriques basées sur l'hypothèse d'un arrangement régulier des fibres et sur les fractions volumiques des constituants et leurs propriétés. Le travail est également étendu à l'identification des modules de glissement en plan et hors-plan d'une bande rectangulaire composite en polymère renforcée par des fibres de carbone. Les modules de glissement sont obtenus à partir de la rigidité torsionnelle déterminée expérimentalement et de technique de réduction de données basées sur le modèle de torsion de plaques rectangulaires orthotropes de Lekhnitskii. Cette etude examine également le comportement flexionnel d'une telle plaque rectangulaire chargée ponctuellement pour différentes conditions aux limites appliquées. L'assemblage du laminé est utilisé pour construire un modèle numérique de la plaque. La plaque laminée de composite utilisée dans les investigations expérimentales consiste en un ensemble de 11 couches à matrice polyester renforcée par des fibres de carbone. La fraction volumique de fibre dans la plaque est approximativement de 66%. Les résultats expérimentaux obtenus pour la déformée de la plaque ont été utilisée en vue de valider l'approche numérique qui prend en compte les grandes déflections sous l'hypothèse de petites déformations. Le travail investigue aussi l'effet d'une fissure sur le comportement global d'une plaque composite circulaire pour des conditions aux limites fixées et pour différentes configurations de fissures à travers la plaque, et soumise à une pression d'air uniforme. En particulier, l'influence de la longueur de fissure et de son orientation sur la réponse globale pression-déplacement est étudiée. L'assemblage de couches fissurées est également utilisé afin de construire un modèle non linéaire matériel de la plaque fissurée.

Canadian seismic design provisions for cold-formed steel framed/steel sheathed shear walls have been developed from previous research at McGill University with the intent of being incorporated into the Canadian section of the North American Lateral Design Standard for Cold-Formed Steel Framing (AISI S213), and ultimately to provide guidelines for design of these systems in the National Building Code of Canada and CSA-S136 Specification.In this previous research, a limited number of shear walls displayed unfavourable damage due to twisting deformations of the chord-studs and by local buckling. Also, the shear walls tested in previous research were only laterally loaded. The objective of the current research program was to address this unfavourable failure mode by evaluating the performance of cold-formed steel framed/steel sheathed shear walls, constructed with blocked stud members, which were tested under combined gravity and lateral loading. In total, fourteen single-storey shear walls (8 configurations) were subjected to monotonic and CUREE reversed cyclic lateral loading protocols. The Equivalent Energy Elastic-Plastic (EEEP) approach was used to analyse the test data and determine nominal shear resistance values. Relevant design parameters were determined: a resistance factor, phi, of 0.7, an overstrength value of 1.4, and ductility and overstrength seismic force modification factors (Rd = 2.0 and Ro = 1.3). Dynamic analysis of a two storey representative building model was carried out to validate the 'test-based' R-values following a methodology adopted from FEMA P695 to evaluate the seismic performance of a building system.The research program indicated that the blocking reinforcement detail had adequately resolved chord-stud twisting deformations and that the chord-studs, once designed to carry the combined gravity and lateral forces following a capacity based approach, would not fail thereby preventing any detrimental collapse of the framing system. / Les dispositions de conception sismique pour les murs de refend (dotés de cadres ou de revêtements en acier laminé à froid) mises au point précédemment à l'Université McGill avaient pour but d'être ajoutées aux dispositions canadiennes présentées dans le North American Lateral Design Standard for Cold-Formed Steel Framing (AISI S213) et de proposer des lignes directrices qui pourraient être intégrées au Code national du bâtiment du Canada et à la norme CSA-S136. Au cours de ces recherches, un nombre limité de murs de refend ont été endommagés par le voilement local et les déformations des membrures-montants liées à la torsion. Les murs de refend avaient été uniquement testés sous l'effet d'une charge latérale. Ce programme de recherche tente de comprendre ce processus de défaut défavorable en évaluant la performance des murs de refend (dotés de cadres ou de revêtements en acier laminé à froid) construits à l'aide montants munis de cales et testés sous l'effet combiné de la gravité et de la charge latérale. Un total de quatorze murs de refend à un étage (8 configurations) ont été soumis aux protocoles de chargement monotone et de chargement cyclique-réversible de CUREE. La méthode équivalente de l'énergie élasto-plastique (EEEP) a été appliquée pour analyser les données des essais et déterminer les valeurs nominales de résistance au cisaillement. Les paramètres pertinents de conception ont été déterminés: un facteur de résistance (phi= 0.7), une valeur de sur-résistance de 1.4 et des facteurs de modification de force sismique reliés à la ductilité et à la sur-résistance (Rd = 2.0 et Ro = 1.3). Une analyse dynamique a été menée sur un modèle représentatif d'un bâtiment à deux étages pour valider les valeurs de R obtenues lors des essais. Une méthode adoptée par le FEMA P695 a servi à évaluer la résistance sismique d'un système de construction.Ce programme de recherche a montré que le dispositif de blocage de l'armature empêche adéquatement les déformations des membrures-montants liées à la torsion. Grâce à une approche de conception par capacité, des membrures-montants peuvent résister à l'action combinée de la gravité et des forces latérales, et ainsi prévenir l'effondrement de l'ossature du bâtiment.

Structural failure due to earthquakes poses a serious threat to the life safety of Canadians. This threat is greater in existing structures than in new structures due to advancements in the understanding of seismology and structural design that have recently been incorporated into the relevant design codes and standards. This thesis documents an evaluation of the seismic vulnerabilities of existing single storey concentrically braced frame steel structures. Focusing on the brace and brace connections, brittle failure of the connection was identified as a key concern. Use of a structural fuse element to input ductility into the seismic force resisting system and control force levels was proposed as a rehabilitation technique to address the brittle connection failures. Two ring fuses were designed to provide ductility and force control to the seismic force resisting system. The line ring fuse, designed to connect to a single brace, and the cross ring fuse, designed to connect to the centre of an X-brace, were evaluated by means of physical testing and numerical modeling to determine their suitability as a retrofit scheme. The physical testing contained five test sets, including full scale pin connected frame tests using quasi-static cyclic test protocols. The testing demonstrated that the ring fuses were able to provide increased ductility to a brittle brace system, greatly improving energy dissipation potential, and limiting the force demand on the seismic force resisting system. The results from testing also provided data for calibration and verification of the structural models. Two structural modeling approaches were used in this research. Finite element method models were used to model the ring fuse components and the braced bay of a typical structure. The component finite element models allowed for the investigation of potential ring fuse geometries and the verification of the seismic simulation models. Seismic simulation models were used to evaluate the structural performance of representative retrofitted and un-retrofitted single storey steel buildings with respect to ground motion excitation. Through the use of assessment guidelines the performance of the buildings retrofitted with the proposed ring fuses was quantified, including the development of fragility curves and the related probabilities of failure. The ring fuses provided clear improvements to the seismic performance of the single storey concentrically braced frame structures, demonstrated by the reduced probability of failure. The ring fuses also provide an affordable solution for the seismic retrofit of existing single storey steel structures. Guidelines on the assessment of the brace and brace connection, along with design of the fuse and appropriate uses are outlined herein. / La défaillance structurelle due aux tremblements de terre constitue une menace grave pour la sécurité de la vie des Canadiens. Cette menace est plus grande dans les structures existantes que dans les nouvelles structures grâce à la plus grande compréhension de la sismologie, de son effet sur la conception des structures et des récents changements intégrés aux codes de conception et normes pertinentes. Cette thèse documente une évaluation des vulnérabilités sismiques de structures en acier d'un étage à contreventement concentrique du châssis. La rupture friable des contreventements et de leurs connexions a été identifiée comme le point faible à améliorer. L'utilisation d'un élément structurelle fusible pour ajouter de la ductilité et mieux résister aux forces sismiques a été proposée pour remédier aux défaillances de connexions friables.Deux anneaux fusibles ont été conçus pour fournir de la ductilité et gérer les forces agissantes sur la structure. Le fusible anneau-ligne, conçu pour se connecter à un doublé unique, et le fusible anneau-croix, conçu pour se connecter au centre d'un contreventement croisé, ont été évalués au moyen d'essais physiques et de modélisation numérique afin de déterminer leur applicabilité dans la réhabilitation sismique de bâtiments. Le test physique contenait cinq jeux de test, y compris les essais pleine-échelle tige de châssis connectés en utilisant un protocole quasi-statique d'essais cycliques. Les tests ont démontré que les anneaux fusibles étaient en mesure de fournir une ductilité accrue à un système d'armature friable, améliorant considérablement le potentiel de dissipation d'énergie, et de limiter les forces appliquées au système de résistance aux forces sismiques. Les résultats des essais ont aussi fourni des données pour l'étalonnage et la vérification des modèles structurels. Deux approches de modélisation structurelle ont été utilisées dans cette recherche. Un modèle en éléments finis a été utilisé pour les anneaux fusibles et la baie contreventées d'une structure typique. Ces modèles ont permis d'évaluer différentes géométries d'anneau fusibles et la vérification des modèles de simulation sismique. Les modèles de simulation sismique ont été utilisés pour évaluer la performance structurelle des bâtiments en acier à un étage (avant et après réhabilitation sismique) par rapport à l'excitation mouvements du sol. Grâce à l'utilisation de directives pour l'évaluation de la performance des bâtiments rénovés avec les anneaux fusibles proposés a été quantifiée, y compris l'élaboration de courbes de fragilité et les probabilités connexes de l'échec.L'anneau fusible fournit de nettes améliorations de la performance sismique des structures à d'acier d'un étage à contreventement concentrique, tel que démontré par la réduction de la probabilité de défaillance. L'anneau fusible est d'autant plus une solution abordable pour la réhabilitation sismique de ces structures existantes. Des lignes directrices sur l'évaluation des contreventements et le renfort de connexion, ainsi que sur la conception des anneaux fusibles et leurs utilisations sont décrites.

Performance-Based Earthquake Engineering necessitates the development of simulation models that can predict the nonlinear behavior of structural components as part of a building subjected to seismic loading. For reliable seismic assessment of buildings, these models need to be calibrated with large sets of experimental data. This thesis advances the state-of-knowledge on the collapse assessment of concentrically braced frames (CBFs) designed in seismic regions. The thesis discusses the development of a database that includes extensive information from more than 300 tests of steel braces that have been conducted worldwide over the past 40 years. Statistical information of various properties of steel braces that can be used for quantification of modeling uncertainties is summarized and implications regarding the expected yield properties of various steel types as part of current design provisions are discussed. The steel brace database is utilized to develop drift-based and dual-parameter fragility curves for different damage states of steel braces. These curves can be used as tools for rapid estimation of earthquake damage towards the next generation of performance-based evaluation methods for new and existing buildings. Through extensive calibrations of an inelastic fiber-based steel brace cyclic model, modeling recommendations for the post-buckling behaviour and fracture of steel braces due to low-cycle fatigue are developed for three different brace shapes. The effectiveness of these recommendations is demonstrated through two case studies including concentrically braced frames (CBFs) subjected to earthquake loading. The emphasis is on the accurate assessment of the collapse capacity of concentrically braced frames with the explicit consideration of strength and stiffness deterioration of various structural components that are part of local story mechanisms that develop in CBFs after the steel braces fracture. The influence of modeling classical damping on the collapse capacity of CBFs is also discussed. / Le génie parasismique basé sur la performance des structures nécessite le développement des modèles de simulation qui peuvent estimer le comportement non-linéaire des composantes structurales faisant partie d'un bâtiment sujet ti aux efforts sismiques. Afin d'avoir une évaluation sismique fiable, les modèles doivent être étalonnés avec un grand inventaire de données obtenues expérimentalement. Cette thèse avance l'état des connaissances sur l'évaluation de l'effondrement des contreventements en treillis concentrique conçus dans les régions sismiques. Cette thèse adresse le développement d'une banque de données qui inclut plus de 300 essais effectués autour du monde sur des contreventements en acier depuis plus de 40 ans. Les données statistiques de plusieurs propriétés du contreventement en acier qui peuvent être utilisées pour la quantification des incertitudes de la modélisation sont résumées. Également les implications reliées aux propriétés limi d l'élasticité qui sont attendues selon le type d'acier sont présentées en fonction des règles d'actuelles de conception. La banque de données des contreventements en acier est utilisée afin de développer des drift-based et dual-parameter fragility curves courbes de fragilité à deux paramètres en fonction du déplacement horizontal relatif de l'étage pour différents degrés de dommage. Ces courbes servant à estimer efficacement et rapidement les dommages sismiques, amènt vers la prochaine génération des méthodes d'évaluation de la performance des structures. À travers une vérification approfondie de l'étalonnement du modèle non-linéaire cyclique à fibres du contreventement en acier des recommandations de modélisation du postflambement et de la rupture en fatigue oligocyclique sont développées pour trois différentes types de contreventement. L'efficacité de ces recommandations est démontrée à travers des études de cas incluantes des contreventements concentriques qui reprisent des efforts sismiques. L'accent est mis sur l'évaluation précise de la capacité de l'effondrement des contreventements en treillis concrentriques en prenant en compte explicitement le processus de dégradation de la capacité et de la rigidité des plusieurs composants structuraux qui font partie des mécanismes du dommage local qui s'évoluentdans différents étages d'une structure en contreventements concentriques en acier une fois que le contreventement s'est fracturé. L'effet de la modélisation de l'amortissement de la structure sur la capacité à l'effondrement des contreventements concentriques en acier est également considéré.