1.1 Problématique
Le domaine de l’ingénierie structurale est toujours à la recherche de systèmes ductiles performants de reprise de charges sismique. Les contreventements excentriques conventionnels (EBFC) se sont avérés être d’excellents systèmes ductiles, rigides et économiques. Ces systèmes dissipent l’énergie sismique par la plastification d’un segment ductile des poutres, le lien, qui est compris entre les assemblages des deux diagonales aux poutres pour la configuration en chevron, ou entre l’assemblage de la diagonale et du poteau dans la configuration avec diagonales simples (Figure 2-2). La configuration en chevron est celle qui sera à l’étude dans cette recherche. Sous les charges sismiques, le lien agit comme un fusible protégeant ainsi les autres éléments du cadre. En ne plastifiant pas, les diagonales permettent de conserver la rigidité du cadre.
Le problème avec les EFBC, et avec tous les systèmes de reprise de charges sismiques, est qu’ils sont à usage unique. Les règles de conception du Code national du Bâtiment prévoient qu’un bâtiment soumis à un effort sismique intense soit en mesure de résister aux efforts afin que les occupants puissent sortir du bâtiment sans danger. Le problème est qu’il est très difficile de vérifier si ce bâtiment sera en mesure de subir un autre tremblement de terre important. La ville de Christchurch en Nouvelle-Zélande a récemment été prise avec ce problème et doit construire de nouveau son centre-ville. Ceci peut coûter des milliards de dollars en plus de causer un ralentissement majeur à l’économie locale. La solution envisagée afin de limiter l’impact que les séismes ont sur le temps de réparation des structures et de concevoir des cadres à contreventement modulaire. (Ramsay, Fussel, & Wilkinson, 2013)
Les contreventements excentriques modulaires (EBFM) sont similaires aux contreventements excentriques conventionnels (EBFC) à l’exception que le lien est fixé au cadre à l’aide d’un assemblage boulonné. Il est possible de voir les 2 configurations sur la Figure 1-1.
Les structures de type EBFMs ont le potentiel d’assurer la sécurité des occupants tout en limitant les dommages structuraux à des liens qui peuvent être facilement remplacés. En effet, dans ce type de conception, le lien de la poutre est fait d’une autre section fixée à la poutre par boulonnage. L’avantage de ce système est qu’après un séisme, le lien fusible peut être facilement remplacé afin que le bâtiment retrouve sa capacité sismique du jour de sa construction.
Figure 1-1 - EBFM vs EBFC
Ce système, quoique prometteur, est relativement nouveau. Au Canada, les règles de conception pour ce système ont été introduites pour la première fois dans la version 2014 de la norme CSA S16 (Canadian Standards Association, 2014). Le Code national du Bâtiment (Conseil nation de recherches du Canada, 2015) ne fait pas de distinction entre les structures de type EBFCs et les structures de type EBFMs dans sa version de 2015.
Le comportement sismique des structures de type EBFMs a été peu étudié au niveau mondial et aucune étude n’a été effectuée pour les EBFs conçus selon le CNBC 2015. En effet, le CNBC a reçu une modification importante de ses données sismiques et de la prise en compte des conditions de sols. Étant donné l’ampleur de ces modifications, il est important de valider que les comportements sismiques des EBFs sont valides pour les principales régions du Canada.
D’autres systèmes de reprise de charges sismique, tels que le cadre à contreventement concentrique, possèdent une limite sur la hauteur totale permise pour la construction. Cette limite existe parce qu’il a été observé que le comportement devient inadéquat au-delà de la hauteur prescrite. Il est important de vérifier si une telle limite devrait s’appliquer aux EBFMs.
De plus, le Code national du Bâtiment limite à deux secondes la période à utiliser pour le calcul des charges sismiques employées pour le calcul des déplacements inter-étages. Cette limite s’applique à tous les cadres contreventés, concentriques ou excentriques. Elle est peut-être nécessaire pour les cadres à contreventement concentrique, mais il n’y a pas d’étude justifiant l’application d’une telle limite. En effet, cette limite peut affecter la conception des contreventements de grande hauteur. La principale conséquence de cette limite est d’augmenter le tonnage d’acier et de rigidifier la structure.
Cette recherche tentera de répondre à ces questionnements, afin d’améliorer, lorsque requis, les règles de conception des contreventements excentriques modulaires.
1.2 Objectif
L’objectif est d’améliorer les connaissances sur les contreventements excentriques modulaires conçus selon les normes canadiennes. Pour se faire, les objectifs spécifiques suivants seront évalués :
Vérifier que le comportement sismique des contreventements excentriques modulaires est adéquat.
Démontrer l’efficacité du contreventement excentrique modulaire par rapport au contreventement excentrique conventionnel.
Vérifier si une limite de hauteur, ou toute autre limite doit être appliquée à la conception des contreventements excentriques modulaires.
Vérifier l’influence de la limite sur la période utilisée pour le calcul des déplacements inter-étages sur la conception et le comportement sismiques des contreventements excentriques.
Vérifier si l’utilisation de liens plus courts que l’espacement entre les diagonales influence la conception et le comportement sismiques des conceptions modulaires.
1.3 Méthodologie
Pour ce faire, l’analyse est divisée en plusieurs étapes :
1. Revue de littérature et des codes et normes sur la conception de contreventements excentriques modulaires et conventionnels.
2. Analyse paramétrique selon la méthode des forces statiques équivalentes du Code national du Bâtiment 2015 afin de déterminer la meilleure façon de concevoir un contreventement excentrique. Les paramètres évalués sont la localisation de la structure, le nombre d’étages, la largeur des cadres, la longueur du lien et le respect ou non de la limite de période pour le calcul des déplacements inter-étages. Pour cette analyse, tous les liens sont de la même longueur sur la hauteur d’un bâtiment.
3. Analyse paramétrique sur les contreventements excentriques modulaires seulement. La conception est effectuée avec l’analyse statique du CNBC 2015. Cette analyse a 2 objectifs. Le premier objectif est d’évaluer la conception d’une structure où les liens sont de longueur différente à chaque étage. Le deuxième objectif est d’évaluer la conception de cadres où le lien est plus court que l’espacement entre les diagonales. Ceci est un avantage exclusif aux cadres modulaires. Dans ce mémoire, ce type de conception sera appelé conception « e’ ».
4. Conception détaillée avec l’analyse dynamique spectrale du CNBC 2015 des cadres excentriques qui ont été jugés optimaux dans les étapes précédentes, incluant certaines conceptions « e’ ».
5. Analyse dynamique temporelle non linéaire à l’aide du logiciel OpenSees des cadres conçus selon l’analyse spectrale. Les bâtiments de Vancouver sont soumis à 17 séismes provenant d’enregistrements historiques et simulés alors que les bâtiments de Montréal sont soumis à 16 mouvements sismiques simulés.
Suivant les analyses, des conclusions et des recommandations sont fournies sur la conception de contreventement excentrique modulaire.
1.4 Organisation
Ce mémoire est divisé en 7 chapitres. Le premier présente le problème, les objectifs et la méthodologie de l’étude. Le deuxième est une revue de la littérature sur les EBFs et une revue des normes applicable à l’étude. Le troisième chapitre est une analyse paramétrique sur les EBFs et un exemple de conception y est présenté. Le quatrième chapitre porte sur les structures de type EBFMs seulement. Ce chapitre porte sur des analyses complémentaires qui ne cadraient pas exactement avec le chapitre 3. Le chapitre 5 est constitué des analyses spectrales des bâtiments jugés optimaux aux chapitres 3 et 4. Le chapitre 6 présente la méthodologie utilisée pour la calibration des séismes et de l’élément lien. Ce chapitre présente également les résultats des analyses temporelles non linéaires. Finalement, le chapitre 7 résume la recherche et propose de recommandations basées sur les résultats obtenus.