La maçonnerie non armée est présente dans une grande majorité de constructions du Québec, en particulier comme matériau non structural dans les bâtiments de la catégorie de risque élevé ou de protection civile du Code national du bâtiment. Lors du tremblement de terre du Saguenay en 1988, la majorité des dommages rapportés ont été attribués à la défaillance des cloisons construites en maçonnerie non armée. Les dommages survenus ont eu pour effet d'attirer davantage l'attention sur le comportement sismique des murs de cloison en MNA dans la performance globale d'un bâtiment. Les risques pour la sécurité et les pertes de fonction d'un bâtiment peuvent être significativement aggravés par la défaillance des éléments non structuraux, même si le système structural du bâtiment s'est bien comporté lors d'un séisme. La cause principale des problèmes suscités par les cloisons construites en maçonnerie non armée réside par l'absence d'un système de retenue latérale approprié à la structure. Afin d'assurer une meilleure protection incendie, les cloisons de blocs de béton se prolongent jusqu'au toit, sans toutefois être fixées aux éléments structuraux. Non seulement ces cloisons sont instables, mais également d'autres éléments de construction peuvent s'y heurter, notamment dû au mouvement différentiel entre la structure et les cloisons en maçonnerie. Ce comportement probable en cas de séisme vise à envisager et à considérer des solutions de réhabilitation permettant de sécuriser les lieux face à d'éventuelles catastrophes. Dans le cadre du projet de recherche, des essais dynamiques hors-plan sur table sismique ont été effectués au laboratoire de l'Université de Sherbrooke sur des murs de cloison en maçonnerie non armée avec et sans système de réhabilitation. La méthode de réhabilitation explorée a été l'ajout d'un système de retenue latérale en-tête des murs. Des accélérogrammes artificiels mis à l'échelle pour la région de La Malbaie ont été utilisés et appliqués aux spécimens afin d'obtenir des résultats représentatifs d'une zone à sismicité moyenne à élevée au Québec. De plus, des essais de caractérisation ont été réalisés pour déterminer les propriétés mécaniques des matériaux utilisés. Les résultats obtenus lors des essais ont démontré que l'ajout d'un système de retenue latérale augmente considérablement la résistance sismique et la stabilité des murs de cloison.

The province of Quebec, in Canada, is located in a stable region of the North American tectonic plate. But some zones are seismically active. Moreover, Montreal City has the second highest urban seismic risk in Canada. Although it is now recognized that unreinforced masonry (URM) is vulnerable to earthquakes, many URM buildings are critical infrastructures built before provisions were made for seismic loading. A research project has been undertaken to improve understanding of unreinforced masonry seismic behaviour. It is part of the Canadian Seismic Research Network (CSRN) for the seismic evaluation and rehabilitation of critical infrastructures. This research project, consisting of three main parts, is a reference document to be used in future research work. The first part consists of a review of literature on the seismic behavior of unreinforced masonry, specifically on masonry, the effects of time, and various types of masonry works. Next, special attention is devoted to the description of failure modes. Finally, a review of factors influencing the seismic performance of masonry walls is carried out by using the following four specific properties: stiffness, strength, deformation capacity and energy dissipation capacity.The in-plane and out-of-plane loadings of masonry walls with and without frames are discussed separately. There are some behaviour similarities between a wall without a frame and an infill wall. The second part consists of the experimental evaluation of the in-plane cyclic behavior of a steel frame infilled with structural clay tile masonry wall that is representative of a first floor external back wall of a typical school built in Quebec in the 1950's. Its development is based on structural inventories for vulnerability assessment. Results are analyzed according to stiffness, strength, deformation capacity and energy dissipation capacity of the experimental specimen. Some characterization testing has been done to determine properties of masonry such as compressive strength, modulus of elasticity and Poisson's ratio. Unlike the characterization results, the experimental wall has shown a reserve capacity after masonry cracking. The third part aims to validate the capacity of the SeismoStruct's masonry model to predict the experimental response of infill walls specimens. This model, developed by Crisafulli, is based on the equivalent strut concept often used for infill wall modelisation. Experimental data obtained in this project and a similar project are used to verify whether this model could be used in practice with rational settings for the seismic evaluation of a building.The methodology used did not yield satisfactory predictions.

Au Québec, les écoles sont situées dans une région où l’aléa sismique est considéré modéré à élevé. La majorité de ces écoles ont été construites avant les années 70 et comportent de la maçonnerie non armée (MNA) qui est un matériau à ductilité faible. Au cours des séismes passés notamment celui du Saguenay en 1988, il semble que les structures comportant de la MNA constituent le type de structure le plus dangereux vis-à-vis du séisme. La performance sismique de ces écoles est alors mise en question d’autant plus que la plupart ont été construites avant l’introduction des normes parasismiques. Ce projet de recherche traite de la vulnérabilité sismique des écoles comportant de la MNA et s’inscrit à la suite d’un projet d’élaboration d’une procédure de classification des écoles dans l’Est du Canada. Il découle d’une initiative du Réseau Canadien pour la Recherche Parasismique (RCRP) qui vise des procédures d’analyse de ces bâtiments en vue d’un programme de réhabilitation d’écoles, lancé par le Ministère de l’Éducation, des Loisirs et du Sport (MELS). Une procédure à trois niveaux pour l’évaluation de la vulnérabilité sismique des bâtiments dans l’Est du Canada a été élaborée par différents chercheurs de l’Université de Sherbrooke, de l’École de Technologie Supérieure et de l’Université McGill [Nollet et al., 2012]. Partant des conclusions de cette étude et d’une revue de littérature, les efforts de la recherche développeront un niveau d’évaluation sismique complète des écoles types au Québec comportant de la MNA comme murs de remplissage. Les objectifs seront donc de proposer un modèle adéquat du comportement sismique de la MNA issue de la littérature, étudier l’influence de la non linéarité de la MNA sur la réponse dynamique de ces écoles ainsi que l’influence de l’irrégularité en plan sur la réponse dynamique de ces écoles. La démarche comprend le développement des modèles Opensees [Mazzoni et al., 2004] et la modélisation des écoles génériques sur le logiciel OpenSees (l’un des défi majeur du projet), la validation des modèles à partir de valeurs empirique et expérimentale et enfin les analyses modales et temporelles.

L'objectif principal de cette étude est de développer des outils de simulation numérique pour évaluer la vulnérabilité des constructions en maçonnerie sous chargements variés. Ainsi, le comportement de la maçonnerie non armée sous chargement monotone en macro- et micro-échelles est étudié. La simulation du comportement non linéaire du mur de maçonnerie avant et après le pic et la capture de son mécanisme de rupture sont les points centraux de ce travail. Tout d'abord, le mur de maçonnerie d'un panneau est remplacé par deux barres simples utilisant la stratégie des macros-éléments et un comportement tri-linéaire est proposé pour évaluer la résistance à la rupture de la paroi ainsi que son comportement avant et après le pic. L'absence de l'information sur le mécanisme de rupture du mur de maçonnerie et la relation entre le mécanisme de rupture et les propriétés mécaniques des éléments barres dans ce type de modélisation conduisent à opter pour une autre description de ces structures à savoir la stratégie de micro-modélisation. Dans cette stratégie, les unités et les mortiers sont modélisés séparément et l'ensemble du comportement inélastique du mur de maçonnerie est supposé se produire dans les mortiers. Par conséquent, une attention particulière sera accordée au développement d'une description fiable des propriétés matérielles de ces éléments à l'aide d'une loi constitutive précise. La représentation tridimensionnelle d'un mur de maçonnerie faite dans ce travail, améliore la capacité des méthodes actuelles pour prédire le comportement de la maçonnerie sous les deux chargements en plan et hors du plan. D'abord, des enveloppes de rupture comprenant la tension limite et la surface de charge de Mohr-Coulomb sont assignées à l'élément d'interface du code éléments finis GEFDyn. Ensuite, la loi de comportement est améliorée en ajoutant un seuil de compression aux surfaces de charge pour inclure l'endommagement en compression de la maçonnerie à travers l'élément d'interface. Dans le nouveau modèle élastoplastique, les écrouissages négatifs des seuils de traction et de compression ainsi que la cohésion du mortier sont pris en considération. La capacité des deux modèles pour reproduire le comportement avant et après le pic de la résistance au cisaillement du mur de maçonnerie est vérifiée en comparant les résultats numériques avec les données expérimentales. L'importance de l'interaction entre les seuils de compression et celui du cisaillement est montrée en comparant les résultats obtenus avec ceux d'un test réel. Les résultats ont révélé que le second modèle est capable de simuler le comportement du mur de maçonnerie avec une bonne précision. Ensuite, l'effet des propriétés géométriques de la paroi telles que l'existence d'une ouverture et l'élancement, les propriétés des mortiers comme la cohésion, la résistance en traction et la résistance en compression ainsi que la contrainte verticale initiale dans le mur, sur la résistance latérale et le mécanisme de rupture des murs de maçonnerie est démontré. En outre, afin de présenter l'état d'endommagement, des indices de dommage, portant sur la longueur totale des fissures dans différentes rangées et colonnes de mortiers sont introduits et comparés pour différentes configurations. Les longueurs de glissement et d'ouverture de fissures dans les mortiers horizontale et verticale respectivement, sont les paramètres les plus importants qui contrôlent le comportement du mur. Enfin, la relation entre les profils de fissuration différents et les propriétés des matériaux y contribuant sont résumées dans un tableau.

L’objectif principal de cette étude est de développer des outils de simulation numérique pour évaluer la vulnérabilité des constructions en maçonnerie sous chargements variés. Ainsi, le comportement de la maçonnerie non armée sous chargement monotone en macro- et micro-échelles est étudié. La simulation du comportement non linéaire du mur de maçonnerie avant et après le pic et la capture de son mécanisme de rupture sont les points centraux de ce travail. Tout d'abord, le mur de maçonnerie d’un panneau est remplacé par deux barres simples utilisant la stratégie des macros-éléments et un comportement tri-linéaire est proposé pour évaluer la résistance à la rupture de la paroi ainsi que son comportement avant et après le pic. L'absence de l'information sur le mécanisme de rupture du mur de maçonnerie et la relation entre le mécanisme de rupture et les propriétés mécaniques des éléments barres dans ce type de modélisation conduisent à opter pour une autre description de ces structures à savoir la stratégie de micro-modélisation. Dans cette stratégie, les unités et les mortiers sont modélisés séparément et l’ensemble du comportement inélastique du mur de maçonnerie est supposé se produire dans les mortiers. Par conséquent, une attention particulière sera accordée au développement d'une description fiable des propriétés matérielles de ces éléments à l'aide d'une loi constitutive précise. La représentation tridimensionnelle d'un mur de maçonnerie faite dans ce travail, améliore la capacité des méthodes actuelles pour prédire le comportement de la maçonnerie sous les deux chargements en plan et hors du plan. D’abord, des enveloppes de rupture comprenant la tension limite et la surface de charge de Mohr-Coulomb sont assignées à l'élément d'interface du code éléments finis GEFDyn. Ensuite, la loi de comportement est améliorée en ajoutant un seuil de compression aux surfaces de charge pour inclure l’endommagement en compression de la maçonnerie à travers l'élément d'interface. Dans le nouveau modèle élastoplastique, les écrouissages négatifs des seuils de traction et de compression ainsi que la cohésion du mortier sont pris en considération. La capacité des deux modèles pour reproduire le comportement avant et après le pic de la résistance au cisaillement du mur de maçonnerie est vérifiée en comparant les résultats numériques avec les données expérimentales. L'importance de l’interaction entre les seuils de compression et celui du cisaillement est montrée en comparant les résultats obtenus avec ceux d'un test réel. Les résultats ont révélé que le second modèle est capable de simuler le comportement du mur de maçonnerie avec une bonne précision. Ensuite, l'effet des propriétés géométriques de la paroi telles que l’existence d’une ouverture et l'élancement, les propriétés des mortiers comme la cohésion, la résistance en traction et la résistance en compression ainsi que la contrainte verticale initiale dans le mur, sur la résistance latérale et le mécanisme de rupture des murs de maçonnerie est démontré. En outre, afin de présenter l’état d’endommagement, des indices de dommage, portant sur la longueur totale des fissures dans différentes rangées et colonnes de mortiers sont introduits et comparés pour différentes configurations. Les longueurs de glissement et d’ouverture de fissures dans les mortiers horizontale et verticale respectivement, sont les paramètres les plus importants qui contrôlent le comportement du mur. Enfin, la relation entre les profils de fissuration différents et les propriétés des matériaux y contribuant sont résumées dans un tableau. / The aim of this thesis is to develop numerical models for evaluating the vulnerability of unreinforced masonry construction under different types of loading. Therefore, the behavior of unreinforced masonry panels under monotonic loading in both macro- and micro- scales is studied. Simulating the nonlinear behavior of the masonry wall in pre and post-peak regions and capturing its failure mechanism is the main focus of this study. First, the masonry wall in the panel is substituted by two simple bars using the so-called macro-element strategy and a tri-linear behavior is proposed to assess the ultimate strength of the wall as well as its response before and after peak. The lack of information about the failure mechanism of the masonry wall and relation between the failure mechanism and mechanical properties of the bar elements in this type of modeling lead to another description of this structure namely micro-modeling strategy. In this strategy, units and mortars are modeled separately and all inelastic behavior of the masonry wall is supposed to happen in mortars. Hence, special attention is paid to development of a reliable description of material properties for these elements using an accurate constitutive law. Three dimensional representation of a masonry wall in this work enhances the capability of existing methods to predict the masonry behavior under both in-plane and out-of-plane loadings. Firstly, failure envelopes including tension cut-off and the Mohr-Coulomb yield surface are assigned to interface elements in GEFDyn finite element software. Then, the elstoplastic constitutive law is improved by adding a compression cap to the yield surfaces in order to include compressive failure of masonry in the interface element. In the new model, softening behavior for tensile and compressive strength as well as cohesion of mortar is considered. The ability of both models to reproduce the pre- and post-peak behavior of the masonry wall is verified by comparing the numerical results with experimental data. The importance of defining the compression failure of masonry by limiting the shear strength of the wall with its compressive strength is shown by comparing the obtained results with those of a real test. The results showed that the second model is capable to simulate the behavior of masonry wall with a good accuracy. Then, the effect of initial stresses and geometrical properties of the wall such as opening and aspect ratio and material properties of the mortar like its cohesion, tensile strength and compressive strength, on lateral strength and failure mechanism of the masonry walls are demonstrated. Moreover, in order to comprehend failure characteristics damage indexes based on the total length of cracks in different rows and columns of mortars are introduced and compared for different configurations. The lengths of sliding in horizontal mortars and opening in vertical ones are the most important parameters that control the behavior of the wall. Finally, the relation between different cracking profiles and contributing material properties are summarized into a table.

Résumé : Cette juxtaposition de matériaux solides -blocs, pierres ou briques,...- liés ou non entre eux que nous appelons maçonnerie ne se comporte pas très bien vis-à-vis des forces latérales, surtout si elle n’a pas été réalisée suivant les normes parasismiques ou de façon adéquate. Cette vulnérabilité (glissement, cisaillement, déchirure en flexion, ou tout autre) vient souvent du fait même de ce processus d’empilement, des problèmes d’interaction avec le reste de la structure et aussi à cause des caractéristiques mécaniques peu fiables de certains éléments utilisés. Malgré cette défaillance structurale, la maçonnerie est encore utilisée aujourd’hui grâce à son côté traditionnel, sa facilité de mise en œuvre et son coût d’utilisation peu élevé. Depuis quelques années, la maçonnerie s’est enrichie de documents qui ont été publiés par divers chercheurs dans le but d’une meilleure compréhension des caractéristiques mécaniques des éléments et aussi, et surtout, des mécanismes de rupture des murs de maçonnerie pour une meilleure réponse face aux sollicitations sismiques. Beaucoup de programmes expérimentaux ont alors été effectués et tant d’autres sont encore nécessaires. Et c’est dans ce contexte que cette recherche a été conduite. Elle présentera, entre autres, le comportement sous charges latérales d’un mur en maçonnerie armée entièrement rempli de coulis. Ce projet de recherche fait partie d’un programme plus large visant à une meilleure connaissance du comportement sismique de la maçonnerie pour une amélioration des techniques de construction et de réparation des ouvrages en maçonnerie. / Abstract : This juxtaposition of solid materials -blocks, stones or bricks, ...- linked or not together called masonry does not behave very well towards lateral forces, especially if it has not been carried out according to seismic standards or enough adequate. This vulnerability - sliding, shearing, bending tear, or otherwise- comes often precisely because of this process of stacking, problems of interaction with the rest of the structure and also because of unreliable mechanical characteristics of used items. Despite this structural failure, masonry is still used today because of its traditional side, ease of implementation and low cost of use. In recent years, masonry was enriched with documents published by various researchers to a better understanding of the mechanical properties elements and also, above all, of the failure mechanisms masonry walls for a better response to seismic loading. Many experiences were then performed and many others are still necessary ; and therefore the Canada has for some time been involved in this adventure. And it is in this direction that goes this document. It presents, among others, the behavior under lateral loads of a reinforced masonry wall completely filled with grout. This research project is part of a broader program to a better understanding of the seismic behavior of masonry for an improvement of design and repair techniques of masonry.