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.

In order to produce economical seismic designs, the modern building codes allow reducing seismic design forces if the seismic force resisting system (SFRS) of a building is designed to develop an identified mechanism of inelastic lateral response. The capacity design aims to ensure that the inelastic mechanism develops as intended and no undesirable failure modes occur. Since the 1984 edition, this design approach is implemented in the Canadian Standards Association (CSA) standard A23.3 for seismic design of ductile reinforced concrete (RC) shear walls with the objectives of providing sufficient flexural and shear strength to confine the mechanism to the identified plastic hinges and ensure a flexure-governed inelastic lateral response of the walls. For a single regular wall, the implemented capacity design requirements assume a lateral deformation of the wall in its fundamental lateral mode of vibration, and hence aim to constrain the inelastic mechanism at the expected base plastic hinge. This design is referred to as single plastic-hinge (SPH) design. Despite these requirements, CSA standard A23.3 did not prescribe, prior to the 2004 edition, any methods for determining capacity design envelopes for flexural and shear strength design of ductile RC shear walls over their height. Only its Commentary recommended such methods. However, various studies suggested, mainly for cantilever walls, that the application of these methods could result in multistorey wall designs experiencing the formation of unintended plastic hinges at the upper storeys and a high potential of undesirable shear failure, principally at the wall base, jeopardizing the intended ductile flexural response of the wall. These design issues result from an underestimation of dynamic amplification due to lateral modes of vibration higher than the fundamental lateral mode. The 2004 CSA standard A23.3 now prescribes capacity design methods intending in part to address these design issues. Although these methods have not been assessed yet, their formulation appears deficient in accounting for the higher mode amplification effects. In this regard, this research project proposes for CSA standard A23.3 new capacity design methods, considering these effects, for a SPH design of regular ductile RC cantilever walls used as SFRS for multistorey buildings. In order to achieve this objective, first a seismic performance assessment of a realistic ductile shear wall system designed according to the 2004 CSA standard A23.3 is carried out to assess the prescribed capacity design methods. Secondly, an extensive parametric study based on sophisticated inelastic dynamic simulations is conducted to investigate the influence of various parameters on the higher mode amplification effects, and hence on the seismic force demand, in regular ductile RC cantilever walls designed with the 2004 CSA standard A23.3. Thirdly, a review of various capacity design methods proposed in the current literature and recommended by design codes for a SPH design is performed. From the outcomes of this review and the parametric study, new capacity design methods are proposed and a discussion on the limitations of these methods and on their applicability to various wall systems is presented.

Les structures sont parfois soumises à des sollicitations extrêmes telles que des chocs et des séismes, dont les conséquences peuvent être désastreuses. La réduction de la vulnérabilité au séisme du bâti existant est un enjeu de société de première importance. Le renforcement d'éléments structuraux par matériaux composites collés offre une solution intéressante, mais les règles de dimensionnement concernant l'application de tels matériaux pour le renforcement parasismique n'ont pas encore toutes été clairement établies. Le présent travail de thèse se propose de contribuer à l'établissement de ces règles pour le renforcement de poteaux en béton armé, par matériaux composites. Une campagne expérimentale a donc été menée sur plusieurs poteaux en béton armé, d'échelle représentative ; diverses configurations de renforcement ont été appliquées sur ces corps d'épreuve, qui ont ensuite été testés en flexion composée alternée. Ces différents essais nous ont permis d'analyser le comportement des poteaux selon la présence ou non de confinement (tissu de fibres de carbone), de renforcement à la flexion (lamelles), et d'ancrage des lamelles de renfort en matériaux composites. Cette notion d'ancrage des composites a fait l'objet d'une campagne expérimentale complémentaire, visant à caractériser une technique d'ancrage innovante et à en vérifier les performances. Grâce à ces différents essais, les gains en termes d'énergie dissipée apportés par les différentes configurations de renforcement, les gains en termes de ductilité globale de la structure ainsi qu'en termes d'augmentation de la charge portante ont été vérifiés. Outre ces aspects quantitatifs, ce travail a permis de proposer des pistes pour l'établissement de règles de dimensionnement de ces renforts spécifiques à la réhabilitation parasismique, en lien avec les normes actuelles, et notamment l'Eurocode 8 / Structures can be submitted to severe loadings, especially impacts and earthquakes, and reducing the seismic vulnerability of existing structures is thus an important issue. Retrofitting by Fibre-Reinforced Polymer (FRP) is an interesting technical solution but design rules have to be developed concerning their application for seismic strengthening. This thesis aims to contribute to the development of design rules concerning the strengthening of reinforced concrete columns by FRP. For this purpose, an experimental campaign carried out on full-scale reinforced concrete columns has been undertaken. Different strengthening configurations have been applied to columns, which were then tested under combined axial and lateral load. Those tests helped to analyze the behaviour of columns depending on the FRP confinement (carbon FRP jacket), on flexural reinforcement (carbon plates) and on anchorage of FRP. An additional experimental campaign has been undertaken in order to characterize an innovative anchoring system and assess its performance. The purpose of the study was to evaluate the effectiveness of the different strengthening configurations in increasing the dissipated energy and the ductility. In addition to the quantitative aspects, it was made possible to propose design rules for the use of FRP in seismic rehabilitation, linked to current rules, especially Eurocode 8

L'objectif de cette thèse est de contribuer à l'étude du comportement sismique des fondations superficielles et d'offrir de nouveaux outils pour le traitement de problèmes pertinents, orientés vers la nouvelle philosophie de conception parasismique des structures : la conception basée sur la performance (« performance-based design »). On a travaillé suivant quatre axes d'approche sur la problématique de la thèse :<br />a. Reconnaissance des caractéristiques principales du problème par l'examen de ruptures sismiques de structures réelles. Cet effort a abouti à la création d'une base de données d'environ 200 structures qui ont subi une rupture par perte de capacité portante au niveau de la fondation.<br />b. Approche théorique pour la détermination de la capacité portante sismique d'un système de fondation. On a traité le problème de la capacité portante sismique d'une semelle circulaire sur un sol purement cohérent hétérogène par l'approche cinématique du Calcul à la Rupture. Les solutions établies nous ont permis de proposer une modification/extension des procédures de conception existantes qui sont incorporées dans les normes de conception parasismique européennes (Eurocode 8). <br />c. Approche expérimentale pour la validation de la solution théorique établie. Une collaboration avec le LCPC – Centre de Nantes a abouti à la planification des trois séances d'essais en centrifugeuse. Les deux premières séances sont incluses dans la thèse et portent sur la détermination de la capacité portante d'une semelle circulaire sur sol cohérent sous chargement quasi-statique. <br />d. Développement d'un outil intégré permettant la mise en œuvre d'analyses dynamiques efficaces pour la prise en compte de l'interaction sol-structure non-linéaire au niveau de la fondation. On a développé un nouveau modèle de macroélément pour le système sol-fondation. Le macroélément est utilisé comme élément de liaison à la base de la superstructure et reproduit les effets non-linéaires qui ont lieu au niveau de la fondation lors d'une sollicitation sismique. Le modèle proposé comporte deux mécanismes en couplage : la plastification du sol et le décollement qui peut se produire sur l'interface sol-structure. L'objectif de cet outil est de permettre d'effectuer de manière efficace un grand nombre d'analyses de structures dynamiques non-linéaires.<br />L'objectif ultérieur de nos développements est d'enrichir les normes de conception parasismique actuelles et de les orienter vers une philosophie de conception basée sur la performance des structures lors d'un séisme.

Les structures sont parfois soumises à des sollicitations extrêmes telles que des chocs et des séismes, dont les conséquences peuvent être désastreuses. La réduction de la vulnérabilité au séisme du bâti existant est un enjeu de société de première importance. Le renforcement d'éléments structuraux par matériaux composites collés offre une solution intéressante, mais les règles de dimensionnement concernant l'application de tels matériaux pour le renforcement parasismique n'ont pas encore toutes été clairement établies. Le présent travail de thèse se propose de contribuer à l'établissement de ces règles pour le renforcement de poteaux en béton armé, par matériaux composites. Une campagne expérimentale a donc été menée sur plusieurs poteaux en béton armé, d'échelle représentative ; diverses configurations de renforcement ont été appliquées sur ces corps d'épreuve, qui ont ensuite été testés en flexion composée alternée. Ces différents essais nous ont permis d'analyser le comportement des poteaux selon la présence ou non de confinement (tissu de fibres de carbone), de renforcement à la flexion (lamelles), et d'ancrage des lamelles de renfort en matériaux composites. Cette notion d'ancrage des composites a fait l'objet d'une campagne expérimentale complémentaire, visant à caractériser une technique d'ancrage innovante et à en vérifier les performances. Grâce à ces différents essais, les gains en termes d'énergie dissipée apportés par les différentes configurations de renforcement, les gains en termes de ductilité globale de la structure ainsi qu'en termes d'augmentation de la charge portante ont été vérifiés. Outre ces aspects quantitatifs, ce travail a permis de proposer des pistes pour l'établissement de règles de dimensionnement de ces renforts spécifiques à la réhabilitation parasismique, en lien avec les normes actuelles, et notamment l'Eurocode 8

La détermination des marges de sécurité des structures de Génie Civil potentiellement sujettes à un risque sismique important nécessite l'amélioration des capacités prédictives des codes de calcul actuellement utilisés. Les phénomènes d'amortissement restent à ce jour l'une des principales sources d'incertitudes, aussi bien au niveau de la structure que des matériaux constitutifs. Pourtant, la résistance de cette dernière à un séisme est fortement conditionnée par sa capacité à stocker et à dissiper l'énergie mécanique introduite par le mouvement du sol. De meilleures modélisations et estimations de ces effets sont donc indispensables à l’évaluation du risque sismique. Cette thèse s'inscrit dans le cadre du projet RSNR SINAPS@ dont l'objectif principal est le développement d'outils de modélisation permettant d'apprécier les effets des séismes, de la rupture de la faille jusqu'au comportement vibratoire des structures et équipements. / Assessment of safety margins related to a seismic risk in Civil Engineering requires the improvement of the predictive methods usually performed. The damping phenomena still remain a major source of uncertainty both at the structure and the constitutive material levels. However, the resistance of the said structure to an earthquake is strongly conditioned by its ability to store and to dissipate the energy introduced by the ground motion. Better modeling and evaluation of these effects are therefore essential for the seismic risk assessment. This thesis takes place in the framework of the RSNR SINAPS@ project whose main objective is the improvement of modeling tools allowing to appreciate the effects of an earthquake from the rupture of the fault to the vibratory behavior of the structures and amenities.

Les bâtiments multi-étagés en bois sont de plus en plus populaires en remplacement aux structures de béton armé et d’acier particulièrement en raison de leur bonne performance structurelle et de leur impact environnemental positif. Davantage de recherches sur les systèmes de résistance aux forces sismiques en bois sont donc nécessaires pour que les bâtiments en bois soient considérés comme une alternative viable. Dans cette optique, une des solutions développées en Nouvelle-Zélande pour des structures en bois massif est connue sous le nom de "Pre-stressed Laminated Timber" (Pres-Lam). Le Pres-Lam est une adaptation du "PREcast Seismic Structural System" (PRESSS) utilisé pour les bâtiments en béton armé et en acier afin de résister aux forces sismiques. Jusqu’à présent des systèmes Pres-Lam à section basculante simple ont été développés et analysés en assumant des connexions rigides, s’il y a lieu, entre les sections des murs créant ainsi de l’amplification dynamique des forces sismiques dans les étages supérieurs de la structure. Des recherches effectuées sur les structures en béton armé ont démontré qu’il est possible de réduire cette amplification en introduisant des connexions simples permettant le basculement des sections aux joints de construction créant ainsi des systèmes à sections basculantes multiples. Les objectifs du projet sont de comparer les exigences de conception des systèmes Pres-Lam à section basculante simple et multiples en LVL et en CLT et de développer la procédure de conception d’un système Pres-Lam en CLT à sections basculantes multiples pour un bâtiment de 11 étages au Canada. Les résultats des études montrent que, dus à des résistances mécaniques plus faibles des panneaux de CLT, de plus larges murs sont nécessaires afin d’obtenir le même comportement moment-rotation que dans les systèmes en LVL. Les analyses effectuées montrent que l’amplification dynamique des forces sismiques dans les étages supérieures est significativement réduite dans les systèmes à sections basculantes multiples. De plus, la conception des connexions permettant le basculement des sections peut aussi être simplifiée par rapport aux connexions typiques des systèmes à section basculante simple réduisant ainsi le coût de la main-d’oeuvre. Finalement, l’analyse du bâtiment d’étude de 11 étages prouve que le CLT peut être une alternative viable dans les systèmes Pres-Lam. / Multistorey timber buildings are gaining popularity around the world as a replacement for concrete and steel structures because of their good structural performance and a more environmentally friendly choice. Further research on lateral force resisting systems for timber buildings needs to be done in order for them to be a viable alternative. One of the solutions is the Pre-stressed Laminated (Pres-Lam) system proposed for mass timber structures in New Zealand as an adaptation of the PREcast Seismic Structural System (PRESSS) used for concrete and steel structures to resist earthquakes. So far, single rocking section Pres-Lam systems were developed and analyzed assuming rigid connections, if present, between wall segments, resulting in a dynamic amplification of the forces in the upper storeys and costly solutions. The previous research on concrete structures has shown that it is possible to reduce this amplification by introducing simple connections allowing a gap opening at construction joints. The objectives of this project are to compare the design requirements for the Pres-Lam systems with single and multiple rocking segments made of LVL and of CLT and to develop the design procedure for the Pres-Lam technology with multiple rocking CLT segments for an 11-storey building in Canada. The results of the analysis show that due to a lower mechanical resistance of the CLT, wider cross-sections are needed to obtain the same moment-rotation behavior as LVL sections. Results of the modeling show that forces in the upper storeys are significantly reduced by allowing gap openings between the segments along the height of the structure. Furthermore, the connection design for construction joints can also be simplified in comparison with the typical connections used in single rocking segment systems thus minimizing material and labor costs. The results of the 11-storey case study building analysis proved that CLT can be a suitable material for Pres-Lam systems in Canada.

L’objectif principal du projet de recherche est le développement d’une méthode de calcul parasismique pour les structures multiétagées à ossature légère en bois de moyenne hauteur. Actuellement, l’analyse dynamique linéaire (LDA) est très peu utilisée par l’industrie de la construction en bois dû à la complexité de modéliser le comportement non linéaire ce type de structure. La méthode de la charge statique équivalente (ESFP) est la plus utilisée en raison de sa simplicité. Cette étude est basée sur une récente méthodologie qui utilise un processus itératif pour simuler le comportement non linéaire d’une structure à ossature légère en bois dans une LDA. Dans la méthode proposée, la rigidité minimale des murs de refends est utilisée afin d’éliminer le processus itératif et le comportement non linéaire. L’utilisation de la LDA pour la conception de structures multiétagées à ossature légère en bois est ainsi simplifiée. Aux fins de validation de la méthode, une comparaison de la distribution du cisaillement, des moments de renversement, des flèches inter étages ainsi que de la flèche totale inélastique est effectuée pour des murs de refends de six-, quatre- et deux étages ayant des rapports géométriques variant de 0.6 à 6.0. Les murs utilisés pour la comparaison sont tirés d’un exemple de calcul sur un bâtiment de six étages à ossature légère en bois situé dans la ville de Québec. Ce projet démontre que l’ESFP sous-estime les forces de cisaillement dans les étages supérieurs et surestime les moments de renversement à la base des structures multiétagées à ossature légère en bois en comparaison avec la LDA. Les résultats démontrent que l’utilisation de la méthode simplifiée de LDA permet d’optimiser la conception de murs de refends à ossature légère en bois de moyenne hauteur. / The main objective of the research project is to develop a seismic design methodology for mid-rise multi-storey light-frame wood structure. Currently, linear dynamic analysis (LDA) is rarely used in design of light-frame wood structures because of the complexity of modelling the non linear behaviour. Equivalent static force procedure (ESFP) is mostly used because of its simplicity. The study is based on a recently developed methodology using an iterative process to simulate non linear behaviour of light-frame wood structure in LDA. In the proposed methodology, the iterations are eliminated by using the minimum shear stiffness of shear walls. To validate the proposed simplification, shear force distributions, overturning moments, interstorey drifts and total inelastic deflections of shear walls with different aspect ratios, from 0.6 to 6.0, in six-, four- and two-storey buildings located in Quebec City were calculated and compared against the results obtained with iterative LDA and with ESFP. The results show that ESFP underestimates the storey shear at the top floor and overestimates the overturning moment at the base of a multi-storey light-frame wood structure in comparison with LDA. The results show that the simplified LDA can be used to optimize the design of mid-rise light-frame wood shear walls.

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.