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.

Dans leurs conditions réelles de fonctionnement, les pièces mécaniques, exposées à un environnement vibratoire de longue durée, sont sujettes à un endommagement par fatigue dynamique pouvant conduire à une perte de performance, voire d'intégrité de la structure. Les tests de fatigue accélérée ont pour but de soumettre une pièce mécanique à un essai de vibration, de durée réduite, en laboratoire, tel que le dommage subi soit équivalent au dommage rencontré par la pièce en service. D'une manière générale, les secteurs d'application potentiellement concernés par les tests de fatigue accélérée relèvent de l'industrie mécanique au sens large (industries automobile,aéronautique, spatiale, ferroviaire, ...). La société R-Tech, bureau d'études du groupe Schréder, fabricant d'appareils d'éclairage public, est à l'origine du projet de recherche ayant conduit à la réalisation de ce travail. Celui-ci s'inscrit dans le cadre d'une convention de First-Doctorat Entreprise, cofinancée par la Région wallonne et le partenaire industriel. L'intérêt porté par R-Tech aux résultats de la recherche est lié au fait que tous les luminaires conçus sont dimensionnés par un calcul statique basé sur la méthode des éléments finis et testés en fatigue sur table vibrante avant d'être commercialisés. Malgré ces précautions, dans quelques cas, des problèmes de bris se produisent sur site. Dans d'autres cas, les calculs par éléments finis conduisent à un surdimensionnement des pièces constitutives du luminaire. Il est donc important pour R-Tech de pouvoir disposer d'outils de conception et de validation de conception permettant de développer et de produire de façon économique des luminaires résistant aux sollicitations auxquelles ils sont normalement exposés. En permettant à R-Tech/Schréder de certifier la conception structurale de leurs produits et d'en garantir la durée de vie dès la phase de développement, cette recherche devrait leur apporter un gain de compétitivité. Par conséquent, la méthodologie développée, bien que générale, a été appliquée en priorité aux cas tests fournis par le partenaire industriel. Lorsque la pièce mécanique devant subir l'essai de vibrations n'est pas connue ou complètement définie, la méthodologie proposée se réfère à une approche analytique basée sur un système de référence à un degré de liberté et conduisant à la définition des critères de sévérité que sont les Spectre de Réponse Extrême (SRE), Spectre de Dommage par Fatigue (SDF) ou Spectre d'Energie Dissipée (SED). Cette approche, indépendante du spécimen à tester et dès lors particulièrement indiquée dans le cas de l'élaboration d'une spécification, ne peut cependant fournir que des résultats qualitatifs. L'estimation précise de la contrainte maximale présente dans la pièce testée ainsi que celle de l'endommagement qu'elle génère au cours du temps n'est envisageable, au moyen d'une telle approche, que pour de rares applications relativement simples permettant d'établir la relation qui existe entre contrainte et déplacement relatif. Dans un cas contraire, le recours à un modèle éléments finis du spécimen est nécessaire. Dans le cas particulier des appareils d'éclairage public, l'environnement vibratoire auquel ils sont soumis est essentiellement dû aux sollicitations éoliennes. Des données météorologiques recueillies par l'IRM à Uccle ont permis d'alimenter un modèle de vent qui rend compte des sollicitations aléatoires liées à la turbulence du vent ainsi qu'à un éventuel largage de tourbillons de Von Karman. Ces excitations sont ensuite appliquées à un modèle éléments finis simplifié du système poteau/luminaire. D'autres environnements vibratoires auxquels les luminaires peuvent être soumis au cours de leur vie, tels les sollicitations sismiques induites à la base d'un poteau installé sur pont ou viaduc et l'impact qui lui est appliqué lors de la collision avec un véhicule manoeuvrant sur un parking, ont également été envisagés dans ce travail. Une fois l'environnement vibratoire réel de la pièce mécanique à tester déterminé, soit expérimentalement, soit analytiquement, la méthodologie proposée conduit à l'obtention d'une spécification équivalente au moyen d'un processus d'optimisation développé au sein du logiciel BOSS Quattro (Samtech). Ce dernier minimise la fonction objectif représentant l'écart entre le critère de sévérité retenu pour caractériser les environnements de référence et équivalent. Le test aléatoire équivalent au vent ainsi que le test d'impact sur poteau font désormais partie intégrante de la procédure de qualification des luminaires R-Tech/Schréder. Lorsque la géométrie de la pièce mécanique à tester et la spécification d'essai à reproduire en laboratoire sur table vibrante sont fixées, une modélisation éléments finis du spécimen permet, si pas d'annuler complètement le risque de bris qui pourrait survenir lors de la phase de qualification expérimentale, de le réduire très fortement. Dans l'exemple d'un luminaire, la structure étant rendue complexe par le nombre de pièces qui la constituent et les assemblages qui existent entre elles, une confrontation des résultats de simulation et expérimentaux est nécessaire : analyses modales au marteau d'impact et sur table vibrante en ajoutant un composant à la fois afin de recaler le modèle, comparaison des niveaux d'accélération simulés et mesurés lors de l'essai en vue du recalage des coefficients d'amortissements modaux, validation du modèle sur base des contraintes mesurées au moyen de jauges et/ou rosettes. Une fois les zones jugées critiques repérées, le modèle peut dès lors être utilisé pour prédire la durée de vie du spécimen soumis à son environnement vibratoire. Celle-ci est finalement obtenue en faisant appel aux concepts de contrainte équivalente de Von Mises, approximation bilinéaire de la courbe de Wöhler, contrainte plastique de Neuber et évolution linéaire ou non-linéaire de l'endommagement.

La procédure d'évaluation des performances des structures en génie civil soumis à des tremblements de terre implique le développement des modèles mathématiques et des procédures d'analyse dynamique non-linéaire pour estimer les réponses sismiques. Le comportement hystérétique des structures est connu pour être fortement dépendante du modèle de l'assemblage. Dans le cas de chargement cyclique, la plastification cyclique, le phénomène de fatigue oligocyclique et la détérioration du comportement dus à la dégradation de rigidité ont été jugées importantes. Cela éventuellement conduit à une grande incertitude dans les réponses d'une structure. Dans ce contexte, un modèle d'endommagement basé sur la fatigue hystérétique est développé pour évaluer la performance sismique des ossatures en acier avec des assemblages boulonnés à plaque d'extrémité. Le modèle développé est un modèle hystérétique dégradant basé sur l'indicateur de dommage par fatigue oligocyclique. Une étude expérimentale du comportement d'un assemblage boulonné à plaque d'extrémité est réalisée pour analyser les effets du comportement en fatigue oligocyclique et pour développer un modèle de prédiction de durée de vie. Les essais de fatigue ont été effectués en utilisant un pot vibrant. Les résultats des essais expérimentaux de fatigue seront utilisés pour déduire les paramètres de la fatigue qui sont nécessaires pour développer le modèle hystérétique de l'assemblage boulonné. L'analyse des dommages sismiques est l'un des problèmes les plus difficiles dans des structures grandes et complexes, particulièrement celles en ossature avec des assemblages boulonnés à plaque d'extrémité. L'existence de dommages structuraux dans une structure conduit à la modification des modes de vibration et les valeurs propres globaux sont généralement sensibles à l'ampleur des dégâts sismiques locaux dans des assemblages boulonnés. Dans ce travail, une analyse temporelle non-linéaire qui tient compte des modes et des fréquences non-linéaires a été proposée. Selon cette approche, les modes et les fréquences non-linéaires peuvent être déterminés par une procédure itérative qui repose sur la méthode de linéarisation équivalente. L'introduction de la notion des modes non-linéaires a permis d'étendre la méthode de synthèse modale linéaire aux cas non-linéaires afin d'obtenir la réponse dynamique des systèmes non-linéaires. Dans un autre contexte expérimental, cette thèse présente les résultats d'essais sur une table vibrante. L'objectif des essais expérimentaux est de comprendre le comportement inélastique des structures en acier soumis à des charges dynamiques. Par ailleurs, ces essais sont également destinés à étudier les changements dans les paramètres modaux dus au développement du comportement élasto-plastique et du dommage par fatigue oligocyclique des assemblages boulonnés. Une simulation numérique non-linéaire du système est effectuée sur la base du modèle développé et l'approche numérique proposée. Une comparaison des résultats obtenus à partir de l'analyse numérique et ceux des essais de table vibrante est présentée. Cependant, l'analyse des dommages pour les ossatures en acier sous excitations sismiques aléatoires exige l'application d'un algorithme adéquat. Un algorithme a été développé pour évaluer la performance sismique des ossatures en acier. En utilisant cet algorithme, l'influence de la fatigue oligocyclique sur le comportement des assemblages boulonnés à plaques d'extrémité peut être étudiée.

La procédure d’évaluation des performances des structures en génie civil soumis à des tremblements de terre implique le développement des modèles mathématiques et des procédures d’analyse dynamique non-linéaire pour estimer les réponses sismiques. Le comportement hystérétique des structures est connu pour être fortement dépendante du modèle de l’assemblage. Dans le cas de chargement cyclique, la plastification cyclique, le phénomène de fatigue oligocyclique et la détérioration du comportement dus à la dégradation de rigidité ont été jugées importantes. Cela éventuellement conduit à une grande incertitude dans les réponses d’une structure. Dans ce contexte, un modèle d’endommagement basé sur la fatigue hystérétique est développé pour évaluer la performance sismique des ossatures en acier avec des assemblages boulonnés à plaque d’extrémité. Le modèle développé est un modèle hystérétique dégradant basé sur l’indicateur de dommage par fatigue oligocyclique. Une étude expérimentale du comportement d’un assemblage boulonné à plaque d’extrémité est réalisée pour analyser les effets du comportement en fatigue oligocyclique et pour développer un modèle de prédiction de durée de vie. Les essais de fatigue ont été effectués en utilisant un pot vibrant. Les résultats des essais expérimentaux de fatigue seront utilisés pour déduire les paramètres de la fatigue qui sont nécessaires pour développer le modèle hystérétique de l’assemblage boulonné. L’analyse des dommages sismiques est l’un des problèmes les plus difficiles dans des structures grandes et complexes, particulièrement celles en ossature avec des assemblages boulonnés à plaque d’extrémité. L’existence de dommages structuraux dans une structure conduit à la modification des modes de vibration et les valeurs propres globaux sont généralement sensibles à l’ampleur des dégâts sismiques locaux dans des assemblages boulonnés. Dans ce travail, une analyse temporelle non-linéaire qui tient compte des modes et des fréquences non-linéaires a été proposée. Selon cette approche, les modes et les fréquences non-linéaires peuvent être déterminés par une procédure itérative qui repose sur la méthode de linéarisation équivalente. L’introduction de la notion des modes non-linéaires a permis d’étendre la méthode de synthèse modale linéaire aux cas non-linéaires afin d’obtenir la réponse dynamique des systèmes non-linéaires. Dans un autre contexte expérimental, cette thèse présente les résultats d’essais sur une table vibrante. L’objectif des essais expérimentaux est de comprendre le comportement inélastique des structures en acier soumis à des charges dynamiques. Par ailleurs, ces essais sont également destinés à étudier les changements dans les paramètres modaux dus au développement du comportement élasto-plastique et du dommage par fatigue oligocyclique des assemblages boulonnés. Une simulation numérique non-linéaire du système est effectuée sur la base du modèle développé et l’approche numérique proposée. Une comparaison des résultats obtenus à partir de l’analyse numérique et ceux des essais de table vibrante est présentée. Cependant, l’analyse des dommages pour les ossatures en acier sous excitations sismiques aléatoires exige l’application d’un algorithme adéquat. Un algorithme a été développé pour évaluer la performance sismique des ossatures en acier. En utilisant cet algorithme, l’influence de la fatigue oligocyclique sur le comportement des assemblages boulonnés à plaques d’extrémité peut être étudiée. / The performance assessment procedure of civil engineering structures subjected to earthquakes involves the development of mathematical models and nonlinear dynamic analysis procedures to estimate seismic responses. The hysteretic behavior of structures was known to be strongly dependent on the connection model. In the case of cyclic loading, cyclic hardening, low cycle fatigue phenomena and deterioration of the behavior due to stiffness degradation were found to be important. This eventually led to high uncertainty in the responses of system. In this context, a Fatigue Damage-Based Hysteretic model is developed to evaluate the seismic performance of steel moment-resisting frames with end-plate connections. The developed model is a degrading hysteretic model based on the low cycle fatigue damage index. An experimental study of the behavior of a end-plate bolted connection is performed for analyzing the effects of low cycle fatigue behavior and developing a model for predicting life of end-plate bolted connection. The fatigue tests were conducted using a shaker. The experimental fatigue results will be used to derive the fatigue parameters that will be used to develop the hysteretic model of the bolted connection. Analysis of seismic damage is one of the most challenging problems in large and complex structures, particularly those in steel moment-resisting frame with end-plate bolted connections. The existence of structural damage in an engineering structure leads to the modification of vibration modes and global eigenvalues are usually sensitive to the degree of local damage seismic in bolted connections. In this work, a nonlinear time history analysis which takes into account nonlinear modes and frequencies was adopted. According to this approach, the nonlinear modes and frequencies can be determined by an iterative procedure which based on the method of equivalent linearization. The introduction of the notation of nonlinear modes permits an extension of the method of linear modal synthesis to nonlinear cases in order to obtain the dynamic response of nonlinear systems. In another experimental context, this thesis presents the results from shaking table tests of a two-story steel frame with end-plate bolted connections. The aim of the experimental tests is to understand the inelastic behavior of steel frame structures subjected to dynamic loads. Moreover, the purpose of these tests is also to study the changes in modal parameters due to the development of elasto-plastic behavior and low cycle fatigue damage in steel frame connections. A nonlinear numerical simulation of the system is performed based on the developed model and the proposed numerical approach. A comparison of the results obtained from numerical analysis and those of shake table testing is presented. However, the damage analysis for steel frames under random seismic excitations requires the application of an adequate algorithm. An algorithm was developed to assess the seismic performance of steel frames with bolted connections. Using this algorithm, the influence of low cycle fatigue damage in the behavior of end plate bolted connections can be studied.

Ce mémoire présente les travaux de thèse visant à étudier le comportement parasismique des éléments de murs à ossature en bois aux travers d’approches expérimentales et du développement d’une méthodologie d’application de méthodes basées sur la performance sismique. Les approches expérimentales sont constituées de trois campagnes d’essais : (1) une série d’essais monotones et cycliques à l’échelle d’assemblages agrafés et pointés, (2) une série d’essais monotones et cycliques à l’échelle de l’élément de mur à ossature en bois et (3) une série d’essais dynamiques sur table vibrante. La base de données constituée par les résultats d’essais permet alors l’examen des propriétés de résistance et de raideur des éléments de murs suivant les conditions de sollicitation (vitesse d’essai, chargement vertical). Le développement d’une modélisation à l’échelle macro du comportement cyclique et dynamique de tels éléments est également proposé à l’aide de modèles de loi de comportement hystérétiques. Une méthodologie d’application aux structures à ossature bois de méthodes basées sur la performance sismique (méthode N2 et MPA) ainsi qu’une analyse de vulnérabilité - construction de courbes de fragilité - à l’aide de la méthode N2 sont proposées. / This thesis presents a study of the seismic behavior of light timber frame walls with stapled and nailed sheathings through experimental approaches and the development of a methodology for the application of seismic performance-based methods. The experimental approaches consist of three test campaigns: (1) a series of static tests on stapled and nailed connections, (2) a series of static tests performed on light timber frame walls and (3) a series of dynamic tests performed on light timber frame walls on a vibrating table. The database consists of these test results then allows the examination of strength and stiffness properties of the wall elements according to the stress conditions (strain rate, vertical load). The development of a macro-scale modeling of the cyclic and dynamic behavior of such elements is also proposed using constitutive law models. A framework of the application to light timber frame structures of seismic performance-based methods based (N2 method and MPA method) and a vulnerability analysis - fragility curves - using the N2 method are proposed.

Les séismes constituent une source d’aléas importante pour l’étude de la vulnérabilité d’unbâtiment. Le comportement parasismique des bâtiments à ossatures en bois est particulièrementintéressant. Deux familles de structure à ossature en bois peuvent être distinguées : les ossaturesutilisant les produits industriels que sont les panneaux en bois reconstitué servant à contreventerla structure et les connecteurs métalliques, et les ossatures traditionnelles avec remplissage reposantsur des techniques de construction anciennes et dépendantes du contexte local. L’efficacitédu comportement parasismique des bâtiments à ossature en bois traditionnels avec remplissagereste encore peu reconnue en raison du manque de résultats issus des travaux de recherche.Les travaux présentés dans cette thèse visent ainsi à améliorer les connaissances sur le comportementparasismique de cette typologie constructive. Partant de l’hypothèse selon laquellece comportement est gouverné par la réponse des assemblages par connecteurs métalliques, uneapproche multi-échelles, couplant études expérimentales et études numériques est développée.Elle détaille l’analyse à l’échelle 1 de la connexion, en passant par l’échelle 2 des cellules élémentaires,constitutives des murs, par l’échelle 3 des murs de contreventement pour se finaliserà l’échelle 4 du bâtiment dans son ensemble.Sur le plan expérimental, cette approche permet d’une part, de réaliser des études paramétriqueset ainsi d’appréhender l’influence de la réponse de chaque élément (bois, clous, feuillard,remplissage, contreventement, ouvertures) sur le comportement local (échelles 1 et 2) et global(échelles 3 et 4) de la structure. D’autre part, elle permet de fournir une base de données pourla validation des modélisations numériques aux différentes échelles.Sur le plan de la modélisation numérique, cette approche multi-échelles est fondée sur la priseen compte du comportement non-linéaire hystérétique des assemblages à l’échelle supérieure, parl’intermédiaire d’un macro-élément, développé dans la cadre de la méthode des éléments finis.Ainsi, grâce à une modélisation simplifiée (assemblage des macro-éléments), le calcul est rapide,aussi bien à l’échelle du mur qu’à celle du bâtiment, et intègre les phénomènes non-linéaire locaux.Le modèle peut ainsi prédire de manière relativement précise le comportement dynamique de lastructure complète à l’échelle 4, testée sur table vibrante.L’étude présentée dans ce manuscrit fait partie des travaux précurseurs relatifs à l’analysede la vulnérabilité sismique des ossatures bois avec remplissage. Cette étude débouche sur denombreuses perspectives pour l’analyse de cette typologie constructive. Elle confirme que les bâtimentsà ossatures en bois avec remplissage ont un comportement parasismique très performant. / The seismic vulnerabilty is an important issue in the design of a building. The seismicresistant behavior of timber-framed structures is particularly relevant. Two types of timberframedstructures can be distinguished : the timber-framed structures using industrial products,such as wood-products panels used to brace the structure or metal fasteners, and traditionaltimber-framed structures included infill made of natuarl materials (earth or stones masonry).The seismic resistant behavior efficiency of traditional structures remains poorly recognizedbecause of the lack of research results on this kind of construction.Therefore, the thesis aims at improving the seismic behavior knowledge of timber-framedmasonry. Based on the assumption that their behavior is driven by the response of the metalfasteners connections, a multi-scale approach is proposed. It couples experimental and numericalstudies. At the scale 1 of the connection, at the scale 2 of the elementary constitutive cell ofwalls, at the scale 3 of structural elements such as shear walls and finally at the scale 4 of theentire building.In regards to the experimental work, this method allows, on the one hand, to perform parametricstudies and to analyze the influence of each element (wood member, nails, steel strip,infill, bracing, openings) on the local behavior (scales 1 and 2) and on the global behavior(scales 3 and 4) of the structure. On the other hand, it allows to provide a database to validatethe numerical modeling at each scale.In regards to the numerical work, this multi-scale approach allows to take into account thehysteretic behavior of joints in the development of a macro-element at the scale 2. Thus, thanksto a simplified finite element modeling (macro-element assembly), the computational cost islimited and it allows to take into account the local phenomena. The model is able to predictrelatively accurately the dynamic behavior at the scale 4 of the building, tested on a shakingtable.The study, presented herein, is one of the pioneer work that deals with the analysis of theseismic vulnerability of timber-framed structures with infill panels. This study provides outlookfor the analysis of this type of buildings. It confirms that the timbered masonry structures havea relevant seismic resistant behavior.