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.

Les secousses sismiques sont des catastrophes naturelles, affectant la croûte terrestre, qui peuvent avoir des effets destructeurs majeurs dans les zones urbanisées. Même si des méthodes précises de calcul d'ouvrages en situation sismique existent, il est nécessaire de disposer de méthodes adaptées aux ingénieries mises en oeuvre. L'évolution de la réglementation parasismique (Eurocode 8 et annexes nationales) et du zonage sismique en France fait évoluer de manière significative la nécessité de prise en compte de l'action sismique dans la conception des bâtiments. Dans un calcul sismique, il est indispensable de prendre en compte des effets de la torsion qui peuvent conduire à des conséquences graves, en termes de dommages affectant les ouvrages de génie civil. Le présent travail expose une démarche incluant différents niveaux d'approches pour prendre en compte ce phénomène. Les structures particulièrement visées par ce travail sont les ossatures dites souples et plus spécifiquement les constructions en bois. Une étude paramétrique est menée avec une méthode de combinaison multidimensionnelle pour analyser l'influence de différentes configurations de contreventement sur la sensibilité de l'ouvrage aux phénomènes de torsion. Cette étape est basée sur l'adaptation pour des structures en bois, dans le contexte des Eurocodes (torsion structurale et torsion accidentelle), d'une méthode néozélandaise développée par Priestley et Paulay initialement proposée pour des bâtiments en béton armé. L'étude du comportement des bâtiments en bois en situation sismique s'inscrit dans une approche utilisant la méthode de linéarisation équivalente par coefficient de comportement. L'action sismique peut ainsi être modélisée par des forces statiques équivalentes qui sont ensuite transmises aux éléments structuraux verticaux par des diaphragmes horizontaux. Ce travail permet de définir des distributions d'efforts sismiques sur chaque contreventement avec la prise en compte de la torsion à partir d'une cartographie d'implantation des contreventements et des masses. Cette méthode originale de prise en compte de la torsion est mise en application et l'ensemble des résultats obtenus conduit à la réalisation d'une base de données conséquente sur les effets de la torsion, pour une situation sismique, dans le cas d'un dimensionnement en capacité, avec contreventements ductiles à comportement linéarisé par coefficient de comportement et diaphragmes horizontaux rigides. Après mise en application de cette méthode, une approche numérique du comportement de structures génériques est conduite afin d'illustrer les effets de différents niveaux de simplification inhérents à la méthode originale mise en place. Dans cette étape, les calculs utilisent la méthode des éléments finis en s'appuyant sur le logiciel Cast3m. Les calculs dynamiques sont réalisés sur la base de comportements linéaires ou linéarisés afin d'analyser les effets de différentes méthodes de calcul proposées par l'Eurocode 8, partie 1. Les calculs menés dans cette phase permettent notamment de valider des conditions d'application de méthodes simplifiées pour des structures en bois, et d'approcher les effets de la torsion sur ces structures avec différents degrés de précision.

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

Les secousses sismiques sont des catastrophes naturelles, affectant la croûte terrestre, qui peuvent avoir des effets destructeurs majeurs dans les zones urbanisées. Même si des méthodes précises de calcul d’ouvrages en situation sismique existent, il est nécessaire de disposer de méthodes adaptées aux ingénieries mises en oeuvre. L’évolution de la réglementation parasismique (Eurocode 8 et annexes nationales) et du zonage sismique en France fait évoluer de manière significative la nécessité de prise en compte de l’action sismique dans la conception des bâtiments. Dans un calcul sismique, il est indispensable de prendre en compte des effets de la torsion qui peuvent conduire à des conséquences graves, en termes de dommages affectant les ouvrages de génie civil. Le présent travail expose une démarche incluant différents niveaux d'approches pour prendre en compte ce phénomène. Les structures particulièrement visées par ce travail sont les ossatures dites souples et plus spécifiquement les constructions en bois. Une étude paramétrique est menée avec une méthode de combinaison multidimensionnelle pour analyser l'influence de différentes configurations de contreventement sur la sensibilité de l'ouvrage aux phénomènes de torsion. Cette étape est basée sur l’adaptation pour des structures en bois, dans le contexte des Eurocodes (torsion structurale et torsion accidentelle), d’une méthode néozélandaise développée par Priestley et Paulay initialement proposée pour des bâtiments en béton armé. L’étude du comportement des bâtiments en bois en situation sismique s’inscrit dans une approche utilisant la méthode de linéarisation équivalente par coefficient de comportement. L’action sismique peut ainsi être modélisée par des forces statiques équivalentes qui sont ensuite transmises aux éléments structuraux verticaux par des diaphragmes horizontaux. Ce travail permet de définir des distributions d’efforts sismiques sur chaque contreventement avec la prise en compte de la torsion à partir d’une cartographie d’implantation des contreventements et des masses. Cette méthode originale de prise en compte de la torsion est mise en application et l’ensemble des résultats obtenus conduit à la réalisation d’une base de données conséquente sur les effets de la torsion, pour une situation sismique, dans le cas d’un dimensionnement en capacité, avec contreventements ductiles à comportement linéarisé par coefficient de comportement et diaphragmes horizontaux rigides. Après mise en application de cette méthode, une approche numérique du comportement de structures génériques est conduite afin d’illustrer les effets de différents niveaux de simplification inhérents à la méthode originale mise en place. Dans cette étape, les calculs utilisent la méthode des éléments finis en s’appuyant sur le logiciel Cast3m. Les calculs dynamiques sont réalisés sur la base de comportements linéaires ou linéarisés afin d’analyser les effets de différentes méthodes de calcul proposées par l’Eurocode 8, partie 1. Les calculs menés dans cette phase permettent notamment de valider des conditions d’application de méthodes simplifiées pour des structures en bois, et d’approcher les effets de la torsion sur ces structures avec différents degrés de précision. / The earthquakes are natural disasters affecting the earth's crust, which can have major destructive effects in urban areas. We have a set of scientific, technical and conception knowledge which allow to « build earthquake-resistant », but these methods must be adapted to simple buildings. The development of earthquake-resistant regulations (Eurocode 8 and national annexes) and seismic zoning of France evolve significantly to the need for taking into account the seismic action in the building design. In seismic design, it is essential to take into account the torsion effects that can lead to serious consequences in terms of damage to civil engineering structures. This research work presents a process including different levels of approach to take into account the effect of the torsion. The structures particularly targeted by this work are the so-called soft frames and more specifically the timber buildings. After a course of bibliographic elements related to the timber structures and the structures of current buildings subjected to seismic situations, a parametric study is taken with a method for multi-dimensional combination in order to analyze the influence of different bracing configurations on the sensitivity of the structure to the torsion phenomena. This first stage is based on the adaptation for timber structures, in the context of Eurocodes (structural torsion and accidental torsion), of a New Zealand method developed by Paulay and Priestley originally proposed for reinforced concrete buildings. The study of the behavior of timber buildings in seismic situation is part of an approach using the equivalent linearization method by a behavior coefficient. So the seismic action can be modeled by equivalent static forces which are then transmitted to the vertical structural elements by horizontal diaphragms. The objective of this work is to define the distribution of seismic forces on each brace with the inclusion of torsion from cartography of bracing and masses implantation. This original method, taking into account the torsion effect, is implemented and all the results lead to the creation of a rich database, for a seismic situation, in the case of design capacity, with ductile bracing and linearized behavior through the behavior factors and rigid horizontal diaphragms. This database can be used to simplify the approach of the torsional effects of the current timber buildings. It can also be used as a reference for the analysis of the influence of the semi rigid diaphragms or the actual non-linearity of bracing. After implementation of this method, a numerical approach considering the behavior of generic structures is conducted to illustrate the effects of different levels of simplification inherent to the implemented original method. In this step, the calculations use the finite element method (software Cast3M). The dynamic analysis is made on the basis of linear or linearized behavior to evaluate the effects of different calculation methods proposed by Eurocode 8, Part 1. The calculations done in this phase allow mainly to validate the applicability of simplified methods for timber structures, and to predict the torsional effects on these structures with different degrees of precision.

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.