Réponse sismique et modification des provisions

Les structures des approches de l’Annexe M et de Type CC présentées à la section précédente ont été modélisées dans le programme OpenSees afin de valider les hypothèses de conception proposées. En plus de ces approches, le prototype a été dimensionné comme un contreventement de Type MD afin d’évaluer plus facilement l’impact des provisions additionnelles de l’Annexe M. Cette étape a permis d'examiner la capacité des méthodes de conception à prédire la réponse sismique pour des structures au-dessus de la limite de hauteur et en omettant certaines dispositions. En effet, comme présenté dans les hypothèses de conception de la sous-section 3.1.1, les hauteurs entre les étages sont trop élevées pour permettre aux colonnes d’être continues sur deux étages. De ce fait, les colonnes ont été choisies indépendamment des étages adjacents et donc l’article 27.5.5.2 de la norme CSA S16-14 a été omis pour les approches Type MD et de l’Annexe M. Également, pour ces deux stratégies, la conception a été effectuée en omettant l’amplification des forces sismiques en fonction de la hauteur de la structure. Cette première itération de conception a permis d’examiner les effets des relaxations sur la réponse sismiques des structures. Les résultats de cette première itération ont montré que les trois structures étaient capables de résister aux mouvements du sol sans présenter d’instabilité dynamique ou de concentration de la demande à un étage. En

plus, les déplacements inter-étages étaient tous inférieurs à 1% ce qui est bien plus faible que la limite de 2.5% prescrite par le CNBC. Cette capacité des structures à soutenir les tremblements de terre, alors que les approches Type MD et Type CC ne sont pas spécifiquement adressées aux structures industrielles, a confirmée qu’il était possible de relaxer certaines dispositions de l’Annexe M. En plus, comme les résultats pour la structure Type CC ont montré une réponse stable même si la limite de 40 m était largement dépassée on a examiné la possibilité d’une alternative de conception basée sur les provisions actuelles de la catégorie Type CC.

Les propositions ont été testées sur la géométrie initiale, mais également sur d’autres prototypes avec des hauteurs au-dessous et au-dessus de la limite prescrite de 60 m, de l’Annexe M. En plus, un second cas de chargement a été défini. Les prototypes sont présentés dans l’Annexe A de cette recherche. Ces modèles ont été validés avec l’aide d’ingénieurs de la pratique pour s’assurer que les caractéristiques des charpentes industrielles étaient prises en compte. Au total trois itérations ont été nécessaires pour formuler les changements suivants pour les deux méthodes de conception : Annexe M

 La limite de hauteur a été rehaussée à 80 mètres, puisque les structures présentaient une réponse sismique adéquate et qu’aucune défaillance n’a été observée pour toutes les hauteurs de structure considérées.

 L’amplification des forces sismiques en fonction de la hauteur a été omise. Les structures ont présenté de faibles déplacements sans concentration de la demande inélastiques à un étage. Ce faisant, aucune défaillance par instabilité dynamique n’a été observée.

 Le facteur de redondance a été éliminé. En effet, ce facteur ne devrait pas être appliqué pour déterminer les forces de conception des diagonales. En procédant ainsi, les sections des diagonales doivent être plus massives ce qui a pour effet d'augmenter la demande induite sur les colonnes. De plus, les limites d’élancement sur les sections des diagonales permettent déjà de protéger ces membrures contre une rupture non ductile.

 Un facteur d’élancement minimal des diagonales est requis. En effet, la bonne réponse sismique des structures est en partie attribuable au fait que les diagonales demeurent élastiques en tension. La limite minimale permet de créer une différence significative entre les forces de compression Cf et les résistances probables en tension Tu.

 La limite du cisaillement de l’étage pour la conception des colonnes doit être calculée avec RdRo = 1.0. De cette manière, on ne tient plus compte de l’exigence de concevoir les colonnes pour une résistance minimale à la flexion, ce qui simplifie les calculs de conception. De plus, cette augmentation s’assure que les colonnes possèdent suffisamment de résistance dans le cas de structures peu redondantes.

 Il n’est plus requis de continuer les colonnes sur un minimum de deux étages. Cette exigence ne pouvait pas être appliquée pour les structures à l’étude, puisque les hauteurs inter-étages étaient trop élevées. Or, aucune concentration de la demande inélastique à un étage n’a été observée ce qui a confirmé la possibilité d’omettre cette exigence pour les structures industrielles.

 Il n’est plus requis d’appliquer un moment de flexion concomitant pour les colonnes des contreventements. En effet, les demandes de flexion observées sont très faibles, spécialement pour les niveaux supérieurs. La valeur maximale survient à la base de la structure, parce que les appuis sont supposés fixes. Même si la plastification des appuis se produisait, le flambement des colonnes ne serait pas initié par cette plastification, ce qui ne compromettrait pas l’intégrité de la structure. D’autant plus qu’à ce niveau, à cause du calcul par capacité, les forces de conception dans les colonnes sont surestimées. Ainsi une importante réserve de capacité a été observée à ce niveau. En outre, sans l’application du moment de flexion, la conception des colonnes est plus facile à réaliser.

Type CC

 La limite de hauteur est rehaussée à 65 mètres, car la réponse des structures était stable et présentait de faibles déplacements. Puisque les exigences de cette approche sont plus simplistes, et que la réponse sismique est moins contrôlée en comparaison à celle de l'Annexe M, on a restreint la limite de hauteur.

 Le spectre de conception doit être augmenté par le coefficient d’amortissement β. De cette manière, les forces de conception reflètent davantage la demande sismique.

 La calibration du cisaillement à la base n’est plus requise. Compte tenu du peu d’éléments architecturaux, la rigidité de la structure peut être modélisée précisément. De plus, dans certains cas, les équations empiriques de la période fondamentale ne reflètent pas les conditions réelles des structures industrielles.

 L’amplification des forces sismiques en fonction de la hauteur a été omise pour les mêmes raisons que l’approche de l’Annexe M.

 Un facteur d’élancement minimal des diagonales doit être requis pour les mêmes raisons que l’approche de l’Annexe M.

 Les forces sismiques de conception des colonnes sont obtenues en multipliant les efforts des analyses par 1.1RdRo. D’une part, puisque l’amplification des forces sismiques en fonction de la hauteur a été omise, il fallait majorer les forces par RdRo pour conserver le même niveau de forces de conception des colonnes de structures de grande hauteur actuellement prescrit. D’autre part, le facteur 1.1 permet de tenir compte de la demande de flexion maximale observée dans les colonnes.

À noter que de plus amples détails, pour chacune des propositions, sont donnés dans l’article.

À partir de ces propositions, une analyse dynamique incrémentale a été menée pour évaluer la robustesse des systèmes proposés. L’analyse a été effectuée pour les approches modifiées de l’Annexe M et de Type CC pour la géométrie initiale de 65.4 m. Finalement, des analyses sur un modèle tridimensionnel ont été conduites pour valider les résultats et évaluer la demande axiale des colonnes de coin. Le modèle a également été conçu en suivant les exigences des deux approches proposées dans cette étude. Comme ces analyses ont été effectuées après avoir formulé les changements, il a été convenu qu’il serait plus facile pour le lecteur de lire les explications et les résultats de ces analyses après avoir pris connaissance des résultats de l’article. Pour ce faire, le Chapitre 5 traite de ces deux analyses.