Les événements sismiques ont une période de récurrence assez faible, mais, lorsqu'ils surviennent, ils peuvent affecter grandement l'intégrité des structures de génie civil et la sécurité des gens qui les utilisent. Beaucoup de recherche se fait présentement à travers le monde dans le domaine du génie parasismique clans le but de limiter les dommages aux structures dans le cas de l'avènement d'un événement sismique. Les normes de dimensionnement des ponts comprennent de plus en plus de spécifications à cet effet. Pour faire évoluer les normes, il est essentiel d'améliorer la compréhension du comportement des ouvrages soumis à des charges dynamiques. Plusieurs méthodes d'analyse sont recommandées dans la norme canadienne de conception des ponts pour tenter de prédire le comportement des ponts. Il y a entre autres la méthode unimodale, la méthode statique non linéaire (du spectre de capacité) et l'analyse dynamique temporelle. Une propriété importante des structures qui doit. être intégrée dans chacune de ces méthodes est l'amortissement. Toutes les structures dissipent de l'énergie sous forme d'amortissement lorsqu'elles subissent un séisme. Cet amortissement est très souvent mal caractérisé dans les modèles d'éléments finis utilisés pour prédire la réponse des ponts à une excitation dynamique. Lorsqu'une structure évolue dans son domaine linéaire, on représente l'amortissement réel par un amortissement visqueux (qui est proportionnel à la vitesse), appelé amortissement élastique. Une valeur de 5 % de l'amortissement critique est intégrée dans les spectres d'aléa sismique qui sont fournis par la Commission géologique du Canada et utilisés lors du dimensionnement parasismique. Toutefois, selon des mesures effectuées par différents chercheurs, cette valeur d'amortissement serait trop élevée dans le cas des ponts. L'objectif principal de ce projet de recherche est d'évaluer l'influence du taux d'amortissement visqueux élastique des ponts sur les résultats de différents types d'analyses sismiques par le biais d'une étude de cas. Pour ce faire, la caractérisation dynamique d'un pont en béton armé situé à Lennoxville (Québec) a été effectuée à l'aide d'essais sous vibrations ambiantes et forcées. Des taux d'amortissement variant entre 0, 7 % et 2,4 % ont été mesurés, ce qui est inférieur à la valeur communément utilisée de 5 %. Un modèle numérique de la structure utilisant le logiciel Opensees a ensuite été calibré en fonction des résultats de ces essais. Trois méthodes d'analyse sismique ont été utilisées pour comparer la réponse du pont à l'étude à différents tremblements de terre, en variant le taux d'amortissement visqueux élastique entre 1 % et 5 %. Plusieurs autres paramètres ont également été variés dans les analyses. Les résultats permettent de conclure que le choix du taux d'amortissement élastique peut avoir une influence importante sur les déplacements subis par la structure. Par exemple, si on prend en compte un taux d'amortissement de 1 % au lieu de 5 %, on observe une augmentation moyenne des déplacements maximums pouvant varier entre 30 % et 65 %, selon la période de vibration fondamentale de la structure.

Ce projet de recherche dans le domaine du génie parasismique concerne la vulnérabilité des bâtiments contenant de la maçonnerie non armée (MNA). Ce matériau de construction a longtemps été utilisé dans la construction d'écoles, d'hôpitaux et d'autres bâtiments jugés comme prioritaires au niveau de la sécurité du public selon le code national du bâtiment canadien (CNBC). Suite, entre autres, au séisme du Saguenay en 1988 une inquiétude s’est présentée au niveau des dangers associés à la présence de MNA pour les occupants de ces bâtiments publics supposés sécuritaires. Cette recherche s’intégre donc à l’initiative du Réseau canadien pour la recherche parasismique (RCRP) visant à l’établissement de procédures pour l’inspection et la réhabilitation de bâtiments jugés prioritaires, construits avant l’implantation de la conception parasismique. Les objectifs de cette recherche comprennent la documentation de la présence de MNA dans un échantillon de bâtiments dans la région de Sherbrooke, l’évaluation des propriétés dynamiques de ces bâtiments et l’utilisation de ces propriétés pour la modélisation de bâtiments existants sur un logiciel commercial de calcul structural. Les efforts de recherche portent sur la détermination des propriétés dynamiques pour des écoles de la commission scolaire de la Région-de-Sherbrooke (CSRS). L’échantillon de bâtiments est principalement de type charpente de béton avec murs de remplissage (BMR) suite à l’analyse statistique des types de charpentes présentes dans le parc immobilier de la CSRS. L’instrumentation des bâtiments à l’aide de capteurs de vitesse a permis de mesurer les vibrations ambiantes des bâtiments sélectionnés. L'analyse des données obtenues à l’aide de techniques d'analyse numérique telles que la décomposition dans le domaine fréquentiel (FDD) a permis d'obtenir l’amortissement, la période fondamentale et les déformées modales pour onze bâtiments comportant des murs de remplissage en maçonnerie non armée. Enfin, les résultats obtenus ont été comparés à des études similaires dans les régions du Centre-du-Québec et de Montréal.

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).

Il est reconnu que la maçonnerie non renforcée présente un comportement défaillant lors de tremblements de terre. Sa rupture entraîne des risques importants pour le public et peut survenir à des degrés de sismicité faibles, même lorsque l'intégrité structurale du bâtiment n'est pas menacée. Plusieurs exemples d'éléments de maçonnerie non renforcée particulièrement vulnérables ont été rapportés suite aux séismes du Saguenay en 1988 et de Loma Prieta en 1989. Le Réseau canadien de recherche parasismique a débuté un projet de recherche qui devra conduire à un guide d'inspection et de réhabilitation des éléments de maçonnerie non renforcée. La première étape menant à la rédaction de ce guide est l'identification et le relevé des vulnérabilités connues et potentielles de même que l'évaluation de leur importance et le suivi de leur évolution dans le patrimoine de construction canadien. Les travaux de recherche présentés concernent cette phase d'inspection et d'identification. De plus, une campagne d'instrumentation et d'observation sous vibrations ambiantes a été amorcée afin de déterminer les propriétés dynamiques des bâtiments comportant des éléments de maçonnerie non renforcée. Ces propriétés pourront ensuite être généralisées et servir aux analyses dynamiques requises lors du processus d'évaluation sismique d'un bâtiment.

La réduction de la vulnérabilité sismique des structures existantes est un enjeu majeur. Le renforcement d'éléments par Tissus de Fibres de Carbone (TFC) offre une réponse intéressante à cette problématique. Ces travaux proposent une stratégie simplifiée de modélisation non linéaire permettant de prédire le comportement d'une structure en béton armé renforcée par TFC. Celle-ci est fondée sur l'utilisation d'éléments finis poutres multifibres ainsi que de modèles d'endommagement et de plasticité. Le confortement d'éléments en flexion et le confinement des poteaux sont étudiés. Plus spécifiquement une loi constitutive cyclique pour béton confiné est proposée. Cette loi est fondée sur deux modèles, le premier basé sur la théorie de l'endommagement et le second sur une série d'études expérimentales. Cette approche est validée à travers deux cas d'études : une pile de pont renforcée et une analyse de vulnérabilité d'un ouvrage sous sollicitations statiques (poussée progressive) et dynamiques.

L’ambition de ce travail est la prédiction du champ d’onde incident réalistique, induit par des mouvement forts de sol, aux sites d’importance stratégique, comme des centrales nucléaires. À cette fin, un plateforme multi-outil est développé et exploité pour simuler les aspects différents d’un phénomène complexe et multi-échelle comme un tremblement de terre. Ce cadre computationnel fait face à la nature diversifiée d’un tremblement de terre par approche holistique local-régionale.Un cas d’étude complexe est choisie: le tremblement de terre MW6.6 Niigata-Ken Ch¯uetsu-Oki, qui a endommagé la centrale nucléaire de Kashiwazaki-Kariwa. Les effets de site non-linéaires observés sont à premier examinés et caractérisés. Dans la suite, le modèle 3D «de la faille au site» est construit et employé pour prédire le mouvement sismique dans une bande de fréquence de 0-7 Hz. L’effet de la structure géologique pliée au-dessous du site est quantifié en simulant deux chocs d’intensité modérée et en évaluant la variabilité spatiale des spectres de réponse aux différents endroits dans le site nucléaire. Le résultat numérique souligne le besoin d’une description plus détaillée du champ d’onde incident utilisé comme paramètre d’entrée dans la conception structurel antisismique de réacteurs nucléaires et des installations. Finalement, la bande de fréquences des signaux synthétiques obtenues comme résultat des simulations numériques est agrandie en exploitant la prédiction stochastique des ordonnées spectrales à courte période fournies par des Réseaux Artificiels de Neurones. / The ambition of this work is the prediction of a synthetic yet realistic broad-band incident wave-field, induced by strong ground motion earthquakes at sites of strategic importance, such as nuclear power plants. To this end, an multi-tool platform is developed and exploited to simulate the different aspects of the complex and multi-scale phenomenon an earthquake embodies. This multi-scale computational framework copes with the manifold nature of an earthquake by a holistic local-to-regional approach. A complex case study is chosen to this end: is the MW6.6 Niigata-Ken Ch¯uetsu-Oki earthquake, which damaged the Kashiwazaki-Kariwa nuclear power plant. The observed non-linear site-effects are at first investigated and characterized. In the following, the 3D source-to-site model is constructed and employed to provide reliable input ground motion, for a frequency band of 0-7 Hz. The effect of the folded geological structure underneath the site is quantified by simulating two aftershocks of moderate intensity and by estimating the spatial variability of the response spectra at different locations within the nuclear site. The numerical outcome stresses the need for a more detailed description of the incident wave-field used as input parameter in the antiseismic structural design of nuclear reactors and facilities. Finally, the frequency band of the time-histories obtained as outcome of the numerical simulations is enlarged by exploiting the stochastic prediction of short-period response ordinates provided by Artificial Neural Networks.

Des méthodes de dimensionnement parasismique récentes reposent sur la prédiction de quantités locales dans les analyses sismiques non-linéaires. Dans ce contexte la modélisation de l'amortissement avec un modèle visqueux est un point faible. Cette thèse porte sur le développement d'une représentation physique des sources d'amortissement matérielles dans les éléments structuraux des portiques en béton armé (BA). Nous avons formulé et implanté dans un code de calculs par éléments finis (EF) un nouvel élément de poutre multifibre basé sur une cinématique de Euler-Bernoulli enrichie par des sauts de déplacement, et une nouvelle loi de béton robuste capable de représenter les principales sources de dissipation matérielles. Le modèle de matériau a été développé dans le cadre donné par la thermodynamique avec variables internes et une méthode des EF mixte a été retenue pour l'implantation numérique. Les simulations numériques faites avec cet élément multifibre montrent que des sources de dissipation autres que matérielles devraient être ajoutées dans les modèles et que ce nouvel élément est capable de simuler l'évolution non-linéaire d'un portique en BA en un temps de calcul satisfaisant.