Développement d’un système de résistance aux
forces sismiques en panneaux de bois massif pour
des bâtiments multi-étagés
Mémoire
Dominic Sanscartier-Pilon
Maîtrise en sciences du bois
Maître ès sciences (M.Sc.)
Québec, Canada
Développement d’un système de résistance aux
forces sismiques en panneaux de bois massif pour
des bâtiments multi-étagés
Mémoire
Dominic Sanscartier-Pilon
Sous la direction de:
Résumé
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 pan-neaux 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’ampli-fication dynamique des forces sismiques dans les étages supérieures est significativement ré-duite 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.
Abstract
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 en-vironmentally 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 solu-tions 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. Re-sults 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 con-nection 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.
Table des matières
Résumé iii
Abstract iv
Table des matières v
Liste des tableaux vi
Liste des figures vii
Remerciements viii Avant-propos ix Introduction 1 0.1 Mise en contexte . . . 1 0.2 Objectifs. . . 2 1 Revue de littérature 4 1.1 Conception à faible dommage . . . 4
1.2 PRESSS . . . 6
1.3 Pres-Lam . . . 11
1.4 Bois lamellé-croisé . . . 23
2 Benefits of Multiple Rocking Segments for CLT and LVL Pres-Lam Wall Systems 28 2.1 Résumé . . . 28
2.2 Abstract . . . 28
2.3 Introduction. . . 29
2.4 Methodology . . . 33
2.5 Single Rocking Segment System . . . 38
2.6 Multiple Rocking Segment System . . . 43
2.7 Conclusion . . . 48
2.8 Acknowledgments . . . 49
2.9 References . . . 49
3 Post-Tensioned CLT Wall Systems with Multiple Rocking Segments 52 3.1 Résumé . . . 52
3.3 Single and Multiple Rocking Segments Comparison . . . 53
3.4 CLT Multiple Rocking Segments Case Study Building in Canada . . . 59
3.5 Conclusion . . . 64
3.6 Acknowledgments . . . 65
3.7 References . . . 65
Conclusion 67 A Résultats d’analyses temporelles non-linéaires (ATNL) 69 A.1 Systèmes à section basculante simple . . . 69
A.2 Systèmes à sections basculantes multiples . . . 73
B Cheminement de calcul pour conception d’un mur Pres-Lam à section basculante simple et multiples 75 B.1 Displacement-based design procedure (DBD) . . . 75
B.2 Conception préliminaire . . . 77
B.3 Conception détaillée . . . 80
Liste des tableaux
2.1 Design seismic loads . . . 34
2.2 Material properties . . . 39
2.3 Single rocking segment design results . . . 40
2.4 Multiple rocking segments design results . . . 45
3.1 Design seismic loads . . . 55
3.2 Case study building 8 - Single and multiple rocking segments design . . . 56
3.3 Displacement-based design results . . . 60
Liste des figures
0.1 Carte des tremblements de terre au Canada de 1627-2012 (SeismesCanada.rncan.gc.ca,
2012) . . . 2
1.1 Matrice des niveaux de performance de conception parasismique (CERC, 2013) 5 1.2 Principe de basculement aux connexions d’un cadre résistant aux forces sis-miques en bois (Iqbal et al., 2016) . . . 6
1.3 Principe d’isolation de la base avec structure reposant (a) directement sur le sol (b) sur des rouleaux sans friction (c) sur des élastomères (Buchanan et al., 2011) 7 1.4 Phases du comportement du PRESSS - Statique (Kurama et al., 1999) . . . 8
1.5 Phases du comportement du PRESSS - Cyclique (Sarti, 2015) . . . 9
1.6 Comportement hystérésis (Sarti, 2015) . . . 10
1.7 Bâtiment test (a) Level 1 plan (b) Level 4 plan (Nakaki et al., 1999) . . . 11
1.8 Système à éléments basculants contrôlés (Palermo et al., 2005) . . . 12
1.9 Résultats des essais expérimentaux (a) Post-tension seulement (b) Hybride (Pa-lermo et al., 2005) . . . 13
1.10 Schématisation d’une connexion avec et sans protection en acier (Iqbal et al., 2016) . . . 13
1.11 Résultats d’essais sur des connexions avec et sans protection en acier (a) force-déplacement du système (b) force-force-déplacement des câbles de post-tension (Iqbal et al., 2016) . . . 14
1.12 Vue d’ensemble du modèle numérique (Newcombe et al., 2008) . . . 15
1.13 Bâtiment expérimental (Smith et Pampanin, 2014) . . . 16
1.14 Schématisation d’un mur Pres-Lam à section basculante (Pilon et al., 2017) . . 17
1.15 Options de configuration des dissipateurs (a) externes (b) internes (c) bloc ex-terne (Sarti, 2015) . . . 17
1.16 Résultats expérimentaux (a) Post-tension seulement (b) Post-tension avec dis-sipateurs externes (Palermo et al., 2006) . . . 18
1.17 Représentation et résultats d’un système de murs couplés avec panneau de contre-plaqué (Smith et al., 2007) . . . 18
1.18 (a) Murs à section basculante couplés avec connecteurs UFP (b) déformation plastique des connecteurs (c) résultats d’essais (adapté de (Iqbal et al., 2015)) . 19 1.19 Modes de déformation (Wiebe et Christopoulos, 2009)). . . 21
1.20 Représentation d’un mur à sections basculantes multiples . . . 22
1.21 Réduction des efforts dans un mur à plusieurs sections basculantes (adaptée de (Qureshi et Warnitchai, 2016)) . . . 22
1.22 Schématisation d’un panneau CLT (FPInnovations, 2011) . . . 23
1.25 Bâtiment de 7 étages du projet SOFIE (Ceccotti et al., 2013) . . . 25
1.26 Connecteurs des panneaux de CLT (Simpson-Strong-Tie, 2017) . . . 26
1.27 Courbe hystérésis d’une (a) retenu vertical en tension (b) équerre métallique en
cisaillement (Gavric et al., 2015) . . . 27
2.1 Pres-Lam system representation . . . 30
2.2 Buildings and systems examples. (a) Nelson and Marlborough Institute of Tech-nology. Coupled walls (adapted from Sarti, 2015) (b) Kaikoura District Council
Building. Single walls (adapted from Sarti, 2015) . . . 31
2.3 Case study buildings . . . 33
2.4 Mean scaled records spectra compared to design spectrum for case study
buil-ding 5 (CLT) (scaled at T = 1.18s) . . . 35
2.5 Single wall multi-spring model overview : (a) initial state (b) deformed state . 36
2.6 Numerical model calibration for case study building 1 (LVL) (a) Connection
moment (b) Post-tensioning force (c) Neutral axis position . . . 37
2.7 Analytical results for case study building 1 (a) Connection moment (b)
Post-tensioning force (c) Neutral axis position . . . 40
2.8 NLTHA and design results for case study building 8 (a) Shear envelope (b)
Bending moment envelope (c) Average peak drift . . . 41
2.9 Rigid connection design for single rocking segment system of case study building
5 . . . 42
2.10 Example of a nailed CLT connection (photo courtesy of Nordic Structures) . . 43
2.11 Multiple rocking segment design . . . 44
2.12 NLTHA and design results for case study building 8 (LVL) (a) Shear envelope
(b) Bending moment envelope (c) Average peak drift . . . 46
2.13 NLTHA and design results for case study building 8 (CLT) (a) Shear envelope
(b) Bending moment envelope (c) Average peak drift . . . 46
2.14 Connection design for multiple rocking segment system of case study building 5 47
3.1 Schematic systems representations : (a) Single rocking segment, and (b)
Mul-tiple rocking segments . . . 54
3.2 Case study buildings . . . 55
3.3 Single wall multi-spring model overview : (a) initial state, and (b) deformed state 57
3.4 Mean scaled records spectra compared to design spectrum of case study building
5 (scaled at T=1.18s) . . . 58
3.5 Case study building 8 - NLTHA and design results for single and multiple rocking segments : (a) Shear envelope, (b) Bending moment envelope, and (c)
Average peak drift (scaled at T=1.18s) . . . 58
3.6 Case study building : (a) Plan view, and (b) 3D view) . . . 59
3.7 (a) Design acceleration spectra, and (b) Design displacement spectra . . . 60
3.8 NLTHA results for wall M1X : (a) Shear envelope, (b) Bending moment
enve-lope, and (c) Average peak drift . . . 62
3.9 NLTHA results for wall M1Y : (a) Shear envelope, (b) Bending moment
enve-lope, and (c) Average peak drift . . . 63
3.10 Connection design for multiple rocking segment system of wall M1X . . . 64
A.1 Résultats des ATNL pour bâtiment no.1 (a) Enveloppe de cisaillement (b)
A.2 Résultats des ATNL pour bâtiment no.2 (a) Enveloppe de cisaillement (b)
en-veloppe de moment de flexion . . . 70
A.3 Résultats des ATNL pour bâtiment no.3 (a) Enveloppe de cisaillement (b) en-veloppe de moment de flexion . . . 70
A.4 Résultats des ATNL pour bâtiment no.4 (a) Enveloppe de cisaillement (b) en-veloppe de moment de flexion . . . 71
A.5 Résultats des ATNL pour bâtiment no.5 (a) Enveloppe de cisaillement (b) en-veloppe de moment de flexion . . . 71
A.6 Résultats des ATNL pour bâtiment no.6 (a) Enveloppe de cisaillement (b) en-veloppe de moment de flexion . . . 72
A.7 Résultats des ATNL pour bâtiment no.7 (a) Enveloppe de cisaillement (b) en-veloppe de moment de flexion . . . 72
A.8 Résultats des ATNL pour bâtiment no.8 (a) Enveloppe de cisaillement (b) en-veloppe de moment de flexion . . . 73
A.9 Résultats des ATNL pour bâtiment no.5 en LVL (a) Enveloppe de cisaillement (b) enveloppe de moment de flexion . . . 73
A.10 Résultats des ATNL pour bâtiment no.5 en CLT (a) Enveloppe de cisaillement (b) enveloppe de moment de flexion . . . 74
B.1 Procédure de conception préliminaire (Sarti, 2015) . . . 77
B.2 Nomenclature pour la conception préliminaire (Sarti, 2015) . . . 78
B.3 Procédure de conception détaillée (Sarti, 2015) . . . 81
Remerciements
La rédaction de ce mémoire n’aurait pas été possible sans la participation de plusieurs collabo-rateurs. Je tiens premièrement à remercier mon directeur de recherche Alexander Salenikovich pour ses investissements au projet. Je le remercie de sa disponibilité continuelle, de sa passion, des efforts fournis pour la recherche de financement en temps de besoin et de son implication pour avoir permis un stage à l’Université de Canterbury en Nouvelle-Zélande.
J’aimerais aussi remercier l’étudiant au doctorat Jean-Philippe Tremblay-Auclair pour les nombreuses discussions au sujet de la conception parasismique des bâtiments et pour ses programmes informatiques qui m’ont sauvé beaucoup de temps et d’énergie pour le traitement de données.
De plus, je tiens à remercier mes superviseurs lors de ma collaboration de recherche en Nouvelle-Zélande, Alessandro Palermo et Francesco Sarti, de m’avoir fourni les détails néces-saires pour produire mon projet de recherche sur une technologie développée à leur université. La réalisation de ce projet n’aurait pas été possible sans les sources de financement suivantes : Centre de recherche sur les matériaux renouvelables (CRMR), Jubilé de diamant de la reine Élisabeth, la chaire industrielle de recherche sur la construction écoresponsable en bois (CIR-CERB).
Finalement, j’aimerais remercier tous les étudiants et le personnel du pavillon Gene-H.-Kruger qui ont permis d’effectuer le travail dans une ambiance sociale très agréable.
Avant-propos
Ce rapport est rédigé sous forme de mémoire par article, ce qui implique que le contenu principal se trouve dans deux articles scientifiques dont le contenu intégral est présenté dans ce rapport.
L’introduction présente tout d’abord une mise en contexte, ainsi que les objectifs du projet de maîtrise.
Le chapitre 1 présente une revue de littérature détaillée des recherches effectuées dans le domaine de la conception parasismique à faible dommage des bâtiments multi-étagés et son évolution dans le temps. Une attention particulière est portée sur les systèmes de résistance aux forces sismiques en bois.
Le chapitre 2 présente le premier article dans son intégrale rédigé en collaboration avec l’Uni-versité de Canterbury et soumis au Journal of Earthquake Engineering :
— Titre : Benefits of Multiple Rocking Segments for CLT and LVL Pres-Lam Wall Systems — Date de soumission : 30 juin 2017
— Auteur principal : Dominic Sanscartier Pilon, Département des sciences du bois et de la forêt, Université Laval, Québec, Canada
— Coauteurs :
— Alessandro Palermo, Department of Civil and Natural Resources Engineering, Uni-versity of Canterbury, Christchurch, New Zealand
— Francesco Sarti, PTL Structural Timber Consultants, Christchurch, New Zealand — Alexander Salenikovich, Département des sciences du bois et de la forêt, Université
Laval, Québec, Canada
Le chapitre 3 présente le deuxième article dans son intégrale rédigé en collaboration avec l’Université de Canterbury et présenté lors du congrès International Network on Timber En-gineering Research (INTER) à Kyoto au Japon :
— Date de soumission : 20 juillet 2017
— Auteur principal : Dominic Sanscartier Pilon, Département des sciences du bois et de la forêt, Université Laval, Québec, Canada
— Coauteurs :
— Alexander Salenikovich, Département des sciences du bois et de la forêt, Université Laval, Québec, Canada
— Alessandro Palermo, Department of Civil and Natural Resources Engineering, Uni-versity of Canterbury, Christchurch, New Zealand
— Francesco Sarti, PTL Structural Timber Consultants, Christchurch, New Zealand La conclusion présente les principales remarques et recommandations concernant les analyses effectuées.
Finalement, les résultats non présentés dans l’article 1 sont illustrés dans l’Annexe A et un cheminement de calcul pour la conception d’un mur à section basculante simple et multiples Pres-Lam sont présentés à l’Annexe B.
Introduction
0.1
Mise en contexte
En 2011, une série de séismes a touché la région de Canterbury en Nouvelle-Zélande infligeant des dommages sévères aux villes et en particulier à Christchurch. Cette série de tremblements de terre de haute intensité s’est consolidée par la secousse la plus importante le 22 février affectant la capacité structurale de plus de 45% des bâtiments du centre-ville de Christchurch (Kam et al.,2011). La démolition et la reconstruction de toutes ces structures sont, à ce jour, toujours en cours et sur l’ensemble du territoire du Canterbury les pertes économiques sont évaluées à plus de 30 milliards de dollars (CERC,2013).
Au Canada, les occupants et les bâtiments ne sont pas à l’abri de tels événements. En effet selon la figure 0.1, qui présente les séismes survenus au Canada de 1627 jusqu’à 2012, on remarque que certaines zones du Canada sont à risque, soit : la côte ouest-canadienne, le nord du Canada ainsi que la vallée du Saint-Laurent là où la majorité de la population québécoise est établie.
Les bâtiments traditionnels en béton armé et en acier construits au Canada ont été conçus selon la philosophie de conception présentement en vigueur dans le Code national du bâtiment du Canada (CNRC,2015). Cette philosophie propose comme objectif principal de préserver la vie et la sécurité des occupants du bâtiment et du public, laissant les bâtiments non réutilisables et non réparables suite à de fortes secousses sismiques. Ces bâtiments sont conçus pour former des rotules plastiques dans la structure primaire produisant ainsi des déformations résiduelles mettant en péril l’intégrité de la structure.
C’est pourquoi des recherches approfondies sont effectuées depuis les années 1990 sur une philosophie de conception dite : à faible dommage. Cet esprit de conception parasismique a pour objectif d’infliger le moins de dommage possible aux structures tout en préservant la vie et la sécurité des occupants. En effet, des systèmes de résistance aux forces sismiques (SRFS) sont développés pour permettre aux bâtiments de s’auto-centrer post-séismes en utilisant des composantes élastiques et de dissiper l’énergie en utilisant des pièces fusibles ductiles
Figure 0.1 – Carte des tremblements de terre au Canada de 1627-2012 (
SeismesCa-nada.rncan.gc.ca,2012)
Des acteurs importants dans la recherche sur la conception parasismique à faible dommage ont développé des systèmes très intéressants pour les structures en béton armé et en acier (Priestley, 1991)(Skinner et al., 2000)(Buchanan et al., 2011). Comme la demande pour les bâtiments multi-étagés en bois augmente en raison d’un agréable look architectural, d’avan-tages environnementaux, de rapidité de montage et d’un grand potentiel de résistance aux forces sismiques, des SRFS à faible dommage doivent être développés pour ce type de struc-ture. En réponse à ce besoin, des recherches ont été menées sur l’adaptation des concepts développés pour les structures en béton armé aux structures en bois (Palermo et al., 2005). Un des systèmes qui a été développé fait l’utilisation de panneaux de bois massif en placage stratifié (LVL) avec câbles de post-tension comme murs de refends basculants sous l’effet des forces sismiques et est connu sous le nom de "Prestressed Laminated Timber" (Pres-Lam). Dans un contexte canadien, où l’utilisation de bois lamellé-croisé (CLT) est en hausse sur le marché, il est nécessaire de produire des recherches sur l’application du CLT en remplacement au LVL des SRFS Pres-Lam.
0.2
Objectifs
Ce projet de maîtrise vise donc à développer des SRFS en panneaux de bois massif de CLT pour les bâtiments multi-étagés en bois en se basant sur les recherches initiées à l’Université de Canterbury en Nouvelle-Zélande. Les objectifs principaux du projet sont les suivants :
— Objectif 1 : comparer les exigences de conception des murs de post-tension basculants Pres-Lam en CLT et en LVL à l’aide d’études analytiques.
— Objectif 2 : démontrer l’effet de l’amplification dynamique des efforts sismiques des murs de post-tension Pres-Lam en CLT et en LVL conçu avec section basculante simple1.
— Objectif 3 : démontrer la réduction de cet effet pour les murs de post-tension Pres-Lam en CLT et en LVL conçu avec sections basculantes multiples2.
— Objectif 4 : développer une méthode de connexion pour les murs de post-tension Pres-Lam à sections basculantes multiples dans l’objectif de réduire les coûts comparés aux connexions traditionnellement utilisées dans les murs à section basculante simple. — Objectif 5 : développer la procédure de conception des murs de post-tension Pres-Lam
en CLT à sections basculantes multiples utilisant le système de connexion proposé pour un bâtiment à Vancouver au Canada.
La méthodologie employée et les résultats obtenus pour répondre à ces objectifs sont présentés dans les deux articles scientifiques contenus dans ce mémoire et en annexes.
Chapitre 1
Revue de littérature
Ce chapitre présente les principales recherches antérieures effectuées sur les SRFS à faible dommage pour les structures en béton armé et en acier et leur évolution jusqu’aux structures en bois. Une description de la philosophie de conception à faible dommage est d’abord proposée.
1.1
Conception à faible dommage
La philosophie de conception parasismique à faible dommage a été mise en place pour mini-miser les coûts associés à la démolition et à la reconstruction des bâtiments suite aux trem-blements de terre. L’objectif principal de ce concept immergeant est de réduire les dommages causés à la structure primaire du bâtiment ainsi qu’à sa structure secondaire tout en assu-rant la préservation de la vie et la sécurité des occupants et du public. Suite aux événements majeurs, les bâtiments devront être réutilisables ou réparables à faibles coûts selon le niveau de performance choisi lors de la conception. La Figure 1.1 présente les différents niveaux de performance proposés par le rapport Buchanan (CERC,2013).
Ces objectifs sont atteints par différentes techniques de conception : isolation de la base du reste du bâtiment, ajout d’amortissement dans la structure et conception soignée des éléments composant le SRFS. Une bonne conception à faible dommage fournira les propriétés suivantes au bâtiment :
— efficacité de réduction des dommages causés aux structures primaire et secondaire ; — possibilité de réparation du bâtiment ;
— capacité d’auto-centrage de la structure ;
— réduction des dommages causés aux éléments non-structuraux ; — durabilité de la structure ;
Figure 1.1 – Matrice des niveaux de performance de conception parasismique (CERC,2013)
Selon le Professeur Nigel Priesltly, acteur primaire dans l’élaboration de la conception à faible dommage, l’utilisation d’une conception basée sur les déplacements (Displacement-based de-sign, DBD) est plus appropriée pour cette philosophie de conception parasismique qu’une conception basée sur les forces (Force-based design, FBD)(Priestley et al., 2007). La DBD consiste à représenter la structure étudiée par un système à un degré de liberté avec un amortissement visqueux équivalent. La structure est ensuite caractérisée par une période de vibration équivalente et une rigidité sécante ainsi qu’une hauteur équivalente. En utilisant le déplacement de conception et le spectre de déplacement prescrit par les codes, le cisaillement et le moment de conception à la base de la structure peuvent être déterminés. Pour sa part, la FBD, utilisée dans la majorité des codes, caractérise la structure par sa rigidité initiale et son amortissement élastique. Cette approche est basée sur l’application de forces latérales équivalentes des effets causés par les séismes et le vent en déterminant par la suite les efforts dans les éléments du SRFS ainsi que les déplacements causés par ces forces.
Les recherches dans le domaine de la conception à faible dommage ont mené à des concepts très efficaces et économiques. L’un des premiers systèmes mis en place pour répondre aux objectifs de cette philosophie de conception est le "PREcast Seismic Structural System" (PRESSS) dé-veloppé à l’Université de Californie pour les structures en béton (Priestley,1991). Ce concept, basé sur le principe de basculement de certains éléments du SRFS est présenté en détail dans la prochaine section.
Le concept de PRESSS a plus tard été repris pour les structures en bois avec des cadres résis-tant aux forces sismiques en poutre et poteau (Iqbal et al.,2016). Lors d’application d’efforts sismiques, les connexions des cadres agiront de façon cyclique en formant des ouvertures aux extrémités des poutres (Figure 1.2). Les éléments préfabriqués sont connectés entre eux par des câbles de post-tension agissant dans le domaine élastique et par des dissipateurs d’énergie
se plastifiant lors du basculement des éléments. Ce type de connexion fournit une combinai-son d’auto-centrage et de dissipation d’énergie à la structure réduisant ainsi les déplacements résiduels et les dommages.
Figure 1.2 – Principe de basculement aux connexions d’un cadre résistant aux forces sismiques en bois (Iqbal et al.,2016)
Une autre technique résultant des recherches sur cette philosophie de conception est le concept d’isolation de la base. Cette technique, développée en Nouvelle-Zélande (Skinner et al.,2000)( Bu-chanan et al.,2011), consiste à découpler la structure de la fondation pour en annuler les effets de déplacement horizontal. Pour fournir cette isolation de la structure, on assoit le bâtiment sur des isolateurs de base qui peuvent prendre la forme de blocs de caoutchouc flexible ou de rouleaux sans friction. Les isolateurs de base en élastomère (caoutchouc)(Figure 1.3(c)) atténuent les grands déplacements du sol pour transférer seulement de petits mouvements à la structure réduisant ainsi grandement les efforts par rapport à une structure reposant di-rectement sur le sol (Figure 1.3(a)). Lorsque des rouleaux sans friction sont utilisés, aucun déplacement n’est ressenti par la structure, car sous le mouvement du sol, les rouleaux sont libres de rouler ne transférant aucun effort dans la structure au-dessus (Figure 1.3(b)). Cer-tains isolateurs de base offrent de l’amortissement au bâtiment en entrant dans la zone de plastification de la relation contrainte-déformation. À noter que le concept d’isolation de la base est plus efficace pour des bâtiments de faible à moyenne hauteur reposant sur des sols durs et n’est pas suggéré pour des bâtiments de grandes hauteurs.
1.2
PRESSS
L’utilisation de câble d’acier précontraint dans les éléments en béton armé a été proposée en 1928 par Engene Freyssinet qui développa quelques années plus tard un système utilisé jusqu’à aujourd’hui internationalement pour les charges gravitaires. Dans les années 1990, avec le programme de collaboration de recherche PRESSS entre les États-Unis et le Japon (Priestley,1991), ce concept de précontraint sera considéré comme système de résistance aux forces sismiques. Ce programme, échelonné sur une période de 10 ans, se divise en 3 phases principales :
Figure 1.3 – Principe d’isolation de la base avec structure reposant (a) directement sur le sol (b) sur des rouleaux sans friction (c) sur des élastomères (Buchanan et al.,2011)
— Phase 1 - Développement du concept, classification et modélisation des connexions, dé-veloppement de la plateforme analytique PRESSS, recommandations de conception pré-liminaire
— Phase 2 - Recherche expérimentale et analytique exhaustive pour des recommandations de conception détaillée
— Phase 3 - Conception parasismique, tests expérimentaux et analyse d’un bâtiment de 5 étages utilisant le PRESSS
Les deux principaux objectifs à travers ces phases sont premièrement de développer des re-commandations de conception complètes et rationnelles basées sur des données de recherches fondamentales qui soulignent la viabilité des constructions préfabriquées et précontraintes en béton pour résister aux efforts sismiques. Deuxièmement, de développer de nouveaux maté-riaux, concepts et technologies pour les constructions préfabriquées et précontraints en béton étant situées dans une variété de zones sismiques.
d’éléments structuraux préfabriqués tels que les murs, les poutres et les colonnes qui sont conçus pour rester dans leur comportement élastique lors d’événements sismiques, forçant ainsi la structure à retourner à sa position initiale. Lors d’événements majeurs, les éléments basculeront les uns sur les autres créant ainsi des ouvertures aux extrémités de ces éléments. Aux ouvertures, des éléments ductiles sont installés et conçus pour plastifier lors de l’atteinte d’une certaine déformation, fournissant ainsi la dissipation d’énergie nécessaire à la structure. Cette approche fournit à ce système une combinaison d’auto-centrage et de dissipation de l’énergie des séismes à travers de la motion de basculement des éléments, ce qui permet de limiter les dégâts imposés à la structure et d’ainsi rejoindre la philosophie de conception à faible dommage.
Les phases de basculement des éléments peuvent être caractérisées par le moment où les différents éléments du système entrent en action. La Figure1.4démontre les quatre principales phases d’un système poussé statiquement jusqu’à la rupture (Kurama et al.,1999). La première phase située dans la portion élastique du comportement est nommée phase de décompression et est identifiée comme étant le moment où une ouverture est initiée aux joints des éléments. Cette ouverture produit des efforts dans les câbles de précontraints et possiblement le début d’un comportement non-linéaire, dépendamment de la position des éléments ductiles. La deuxième, celle d’adoucissement est le début d’une réduction significative de la rigidité du système en raison de l’ouverture créée et de la plastification des éléments ductiles. La troisième phase est le moment dans l’analyse jusqu’à rupture où les câbles précontraints atteignent la plastification. Généralement conçus pour demeurer élastiques, ces éléments ont plastifié lorsque de grandes déformations ont été atteintes et donc d’importants dommages ont été imposés à la structure. La dernière phase, celle de rupture, est généralement caractérisée par la rupture en compression des éléments basculants.
Lorsque sujet à des analyses cycliques sans rupture, les différentes phases de la motion d’un système à section basculante sont schématisées à la Figure 1.5. La phase de décompression (Figure 1.5(a)) n’est associée à aucune rotation de la connexion, donc seulement un compor-tement élastique des câbles précontraints est dénoté. Lorsqu’une ouverture se crée à l’une des extrémités (Figure 1.5(b)), les éléments ductiles se plastifient en tension et un comportement non-linéaire du système est observé. Si le système est poussé davantage (Figure 1.5(c)), on peut constater une augmentation de la rotation à la connexion associée avec un accroissement de la plastification des éléments ductiles et d’une élongation élastique des câbles précontraints. Lorsque la rotation continue d’augmenter, la portion du système en contact avec la fondation réduit graduellement, concentrant ainsi les contraintes aux extrémités des éléments. Lorsque le cycle inverse de l’analyse est amorcé, les éléments ductiles plastifieront en compression et le système se recentrera en raison du comportement élastique des câbles précontraints pour (Figure 1.5(d)) pour ensuite revenir à l’état initial (Figure 1.5(e)). L’analyse cyclique d’un système de structure à basculement avec éléments ductiles produit le comportement hystéré-sis en forme de drapeau recherché dans la philosophie de conception à faible dommage. Le concepteur peut choisir parmi différents niveaux de re-centrage de son système (β). Le niveau β est décrit comme le ratio entre la contribution de moment des câbles précontraints et le moment total du système. La Figure1.6 illustre ces différents concepts.
Figure 1.6 – Comportement hystérésis (Sarti,2015)
La phase III du programme de recherche PRESSS consiste en la conception et l’essai en laboratoire à grande échelle d’un bâtiment de 5 étages utilisant les technologies développées aux phases I et II. Les objectifs principaux de cette phase sont les suivants :
— Valider une procédure de conception rationnelle pour les SRFS préfabriqués ;
— Générer l’acceptation de la conception des SRFS préfabriqués de précontrainte et de post-tension ;
— Fournir une preuve expérimentale de la performance globale du bâtiment sous excitation sismique ; et
— Établir un ensemble cohérent de recommandations de conception pour les SRFS préfa-briqués
La conception du bâtiment test est fait en utilisant dans une direction 4 différents cadres résistants aux moments avec les joints ductiles développés dans le programme PRESSS, soit : "Tension-Compression Yielding (TCY) gap connection", "TCY connection", "Hybrid connec-tion" et "Pretensioned connecconnec-tion". Dans l’autre direction, le bâtiment résiste aux efforts sismiques par le biais de murs de refends à section simple basculante. Des connecteurs "U-shaped flexure plate" (UFP) sont utilisés dans les joints verticaux entre les panneaux pour fournir l’amortissement hystérésis nécessaire au système. La figure1.7présente l’emplacement des différents SRFS sur deux plans du bâtiment test.
Le bâtiment est conçu en utilisant une conception basée sur les déplacements (DBD), permet-tant une analyse plus efficace qu’une conception basée sur les forces (FBD) du comportement des SRFS de ce projet. En effet, la FBD utilise la période élastique du système et applique ensuite un facteur "R" pour prendre en compte la ductilité du système. Le problème de cette méthode réside dans la difficulté de déterminer la période élastique ainsi que dans des facteurs "R" mal établis pour ce genre de système. Par ailleurs, la DBD permet de mieux représenter des systèmes précontraints et de post-tension en raison de l’utilisation d’un déplacement cible de conception inélastique et des propriétés sécantes de la structure.
Figure 1.7 – Bâtiment test (a) Level 1 plan (b) Level 4 plan (Nakaki et al.,1999)
Suite à une multitude d’essais pseudo-dynamiques en laboratoire dans les deux directions orthogonales majeures du bâtiment, un rapport décrivant les résultats et conclusions prélimi-naires est publié (Priestley et al.,1999). Les résultats des essais ont démontré un comportement très satisfaisant de la structure. Dans la direction des murs de refends, seulement de faibles dommages sont notés, malgré des essais ayant une intensité de 50% au-dessus des valeurs de conception. Dans la direction des cadres résistant aux moments, les dommages occasionnés au bâtiment sont nettement inférieurs à ce qu’un bâtiment en béton armé normal aurait subi. Les joints ductiles des cadres possédant des "TCY gap connection" ont subi plus de dommages que les autres types de joints ductiles, démontrant tout de même un comportement acceptable. Comme des éléments de post-tensions auto-centreur sont utilisés, les déplacements résiduels suite aux essais à l’intensité du niveau de conception étaient de l’ordre de 0.06%, donc négli-geable. Les résultats des essais au niveau du déplacement de conception ont aussi confirmé la précision de la DBD. En effet, des déplacements de 1.8% à 2.2% sont atteints, alors que le déplacement de conception était de 2%. Finalement, des modèles numériques simples sont dé-veloppés pour prédire le comportement de ces types de structures, permettant aux ingénieurs de la pratique de concevoir de tels systèmes.
1.3
Pres-Lam
Dû au gain de popularité des bâtiments multi-étagés en bois, des recherches supplémentaires sont requises sur les SRFS en bois utilisant, par exemple, la philosophie de conception à faible dommage présentée à la section 1.1.
Dans cette optique, des recherches ont été entreprises à l’Université de Canterbury à Christ-church en Nouvelle-Zélande, sur l’adaptation du PRESSS pour des bâtiments utilisant des SRFS en bois massif : "Pre-stressed Laminated Timber" (Pres-Lam) (Palermo et al., 2005). Ce concept a tout d’abord été appliqué à des cadres résistants aux moments en y introduisant des connexions ductiles et auto-centreurs. Par la suite, des murs en panneaux de bois massif à section basculante ont été développés utilisant la post-tension et des amortisseurs à la base. Les prochaines sections détaillent ces technologies en donnant par la suite quelques exemples de bâtiment utilisant le Pres-Lam.
1.3.1 Cadres résistants aux moments Pres-Lam
Les premiers essais sur les connexions des cadres résistants aux moments utilisant la technologie Pres-Lam ont été effectués dans le cadre du programme de recherche mené par le Professeur Alessandro Palermo à l’Université de Canterbury (Palermo et al.,2005). Les connexions testées sont constituées d’éléments en LVL basculants les uns sur les autres créant des ouvertures où des dispositifs de dissipation d’énergie interne sont situés et conçus pour plastifier. Au centre des poutres, et traversant la colonne, un câble post-tendu libre de se déplacer est installé et, lors du basculement des sections, aura un comportement élastique annulant ainsi les déplacements résiduels (Figure 1.8).
Figure 1.8 – Système à éléments basculants contrôlés (Palermo et al.,2005)
Deux types de connexions ont d’abord été conçus et testés au sein du programme de recherche. La première utilise seulement les câbles de post-tension et la deuxième, de type hybride, incor-pore les dispositifs de dissipation d’énergie interne au câble de post-tension. Comme la Figure
1.9(a) le démontre, le type de connexion de post-tension seulement possède un comportement élastique non-linéaire avec une plastification due à des non-linéarités géométriques plutôt qu’à des non-linéarités matérielles lorsque soumis à des essais cycliques. La Figure 1.9(b) présente les résultats d’une connexion hybride où l’on remarque un comportement d’hystérésis avec plus de dissipation d’énergie dû la non-linéarité matérielle des dissipateurs en acier.
Figure 1.9 – Résultats des essais expérimentaux (a) Post-tension seulement (b) Hybride (Palermo et al.,2005)
perpendiculaire au grain du bois sur la colonne créée par le basculement des poutres sur cette dernière. Pour protéger les colonnes de ces forces non désirées, des plaques d’acier sont installées aux extrémités des poutres augmentant ainsi la rigidité des connexions et répartissant les forces de compression perpendiculaire au grain sur une plus grande surface (Iqbal et al.,
2016) (Figure1.10).
Figure 1.10 – Schématisation d’une connexion avec et sans protection en acier (Iqbal et al.,
2016)
Pour bien évaluer la performance des plaques protectrices en acier, des essais ont été ef-fectués sur des connexions avec et sans plaques d’acier. Les résultats présentés à la Figure
1.11 démontrent en effet que les connexions avec plaques de protection sont significativement plus rigides que les connexions sans protection. Lorsque la colonne n’est pas protégée, chaque cycle de basculement augmente davantage l’écrasement du bois, amplifiant ainsi les distances d’ouvertures des basculements. Ce phénomène résulte en la réduction de la longueur libre du câble de post-tension se traduisant par une perte des forces de pré-tension dans ceux-ci. C’est pourquoi la plaque de protection d’acier est essentielle au bon fonctionnement de ce type de connexion.
Figure 1.11 – Résultats d’essais sur des connexions avec et sans protection en acier (a) force-déplacement du système (b) force-force-déplacement des câbles de post-tension (Iqbal et al.,2016)
Pour concevoir ces cadres résistant aux moments Pres-Lam, des études analytiques ont été effectuées en se basant sur le "Monolithic Beam Analogy" (MBA) (Pampanin et al., 2001) développé pour les connexions ductiles dans les cadres en béton préfabriqué (PRESSS). Cette étude analytique est basée sur la compatibilité des déformations des éléments composant la connexion ductile. Donc, en imposant une rotation à la section basculante et en connaissant les comportements de contrainte-déformation des éléments composant le système, il est possible de déterminer les efforts et d’effectuer la conception appropriée. En apportant une calibration nécessaire à la rigidité axiale des poutres, la MBA est capable de prédire convenablement le comportement des cadres résistants aux moments Pres-Lam (Newcombe et al.,2008).
Suite à ces études analytiques, des modèles numériques d’éléments finis ont été développés pour prédire avec plus de précision et de facilité le comportement de ces assemblages. Une vue d’ensemble du type de modèle utilisé est présentée à la Figure 1.12. La zone de contact entre la poutre et la colonne est modélisée par un élément à plusieurs ressorts en parallèle, tandis que les dissipateurs et les câbles de post-tension sont représentés par des ressorts possédant des rigidités équivalentes aux comportements de ces éléments. Les paramètres d’hystérésis des composantes du système sont implémentés directement dans les types de matériel utilisés. Une fois les calibrations des rigidités effectuées en se basant sur les résultats expérimentaux et les modèles analytiques, les modèles numériques sont capables de représenter avec une grande précision le comportement des connexions ductiles des cadres Pres-Lam (Newcombe et al.,
Figure 1.12 – Vue d’ensemble du modèle numérique (Newcombe et al.,2008)
Dans l’objectif de valider les analyses précédentes et d’évaluer le montage d’une structure Pres-Lam, des essais sur table vibrante d’une structure multi-étagée sont effectués aux laboratoires des charpentes de l’Université de Basilicata en Italie en collaboration avec l’Université de Canterbury en Nouvelle-Zélande (Smith et Pampanin,2014).
Le bâtiment de 3 étages, conçu comme étant une aire de bureaux avec un jardin au toit, est construit avec un ratio de 2/3. La structure possède une largeur de 3-m, une longueur de 4-m et une hauteur inter-étage de 2-m (Figure 1.13). Les poutres et colonnes ainsi que les planchers de la structure sont fabriqués de bois lamellé-collé (GL32h), offrant une grande légèreté au bâtiment. Dû à cette légèreté, des masses supplémentaires ont dû être installées sur les planchers pour simuler les charges d’un bâtiment réel. Le montage de la structure s’est effectué en seulement 2 jours par 4 travailleurs, démontrant ainsi la faisabilité et la rapidité de montage de ce type de système. Pour augmenter la résistance et réduire les déplacements de la structure, des dissipateurs supplémentaires sous forme d’angle d’acier sont installés aux joints poutre-colonne et colonne-fondation.
Les résultats des essais dans chaque direction sur la table vibrante ont démontré un excellent comportement de la structure. En effet, l’addition des angles d’acier a réduit grandement les déplacements inter-étages sans créer d’accélération supplémentaire au troisième étage.
Figure 1.13 – Bâtiment expérimental (Smith et Pampanin,2014)
1.3.2 Mur à section basculante Pres-Lam
À l’intérieur du même programme de recherche, des essais sont effectués sur des murs en LVL en leur appliquant le principe de section basculante post-tendu Pres-Lam. Comme pour les cadres résistants aux moments, un câble post-tendu est positionné au centre du mur et est conçu pour demeurer dans sa zone élastique lors du basculement (Figure1.14). Des dissipateurs d’énergie sont positionnés aux coins inférieurs du mur et plastifieront sous les efforts engendrés par l’ouverture entre le mur et la fondation. Lorsque soumis à des efforts cycliques, cette combinaison de post-tension et de dissipateurs produira le comportement hystérésis en forme de drapeau présenté à la Figure 1.6.
Pour fournir l’amortissement et la dissipation d’énergie nécessaires au système, différents types d’éléments ont été développés et analysés à l’Université de Canterbury (Figure 1.15). Le pre-mier type d’amortisseur est une tige d’acier installée à l’extérieur du panneau. Ce dissipateur est fabriqué avec une portion où le diamètre est réduit pour servir de zone fusible. Cette section fusible de la tige est placée à l’intérieur d’un tube rempli d’Époxy pour qu’elle puisse plastifier en tension ainsi qu’en compression sans subir de rupture fragile de flambement. Parce qu’elle est située à l’extérieur du panneau, ce dissipateur est facilement remplaçable suite à un séisme majeur. Le deuxième type d’amortisseur est aussi une tige d’acier, mais positionnée et
Figure 1.14 – Schématisation d’un mur Pres-Lam à section basculante (Pilon et al.,2017)
collée à l’intérieur du panneau. Une certaine longueur de la tige possède un diamètre réduit et n’est pas liée au bois, ce qui sert de section fusible. Ce type de dissipateur est plus difficile à remplacer post-séisme en raison de son emplacement interne. Le dernier type fait l’utilisation des tiges collées, mais dans un bloc de panneau lié par des attaches au panneau principal, ce qui rend plus facile le remplacement des dissipateurs une fois usés. Il est possible de concevoir un système sans ajout d’éléments amortisseur, créant ainsi des systèmes de post-tension pure.
Figure 1.15 – Options de configuration des dissipateurs (a) externes (b) internes (c) bloc externe (Sarti,2015)
Les premiers essais effectués dans le cadre du programme de recherche (Palermo et al.,2006) ont été faits sur des murs de LVL avec différent niveau de recentrage et type de dissipateurs. Les résultats présentés à la figure1.16comparent le comportement d’un mur avec post-tension pure et d’un autre avec des dissipateurs externes sous l’effet de charges cycliques. On remarque un comportement bilinéaire élastique du premier mur tandis que le deuxième obtient une courbe hystérésis assez large démontrant la dissipation de l’énergie dans la plastification des amortisseurs.
Figure 1.16 – Résultats expérimentaux (a) Post-tension seulement (b) Post-tension avec dissipateurs externes (Palermo et al.,2006)
Suite à ces essais sur des murs à section simple, le couplage de ceux-ci est étudié pour produire des systèmes plus longs et plus rigides. Le premier système analysé est une solution dite hybride avec couplage des murs par un panneau de contre-plaqué cloué en surface du LVL (Smith et al.,
2007). Cette solution utilise la plastification des clous comme dissipation de l’énergie, ce qui la rend très économique par rapport à l’utilisation de dissipateurs externes et internes. La Figure 1.17 présente le comportement hystérésis ainsi qu’une représentation du système de murs couplés par un panneau de contre-plaqué.
L’utilisation de connecteurs "U-shaped Flexural Plates" (UFP) est un autre moyen des coupler les murs à section basculante. Des recherches approfondies ont été effectuées sur l’utilisation de ce type de connecteur dans les systèmes Pres-Lam à l’Université de Canterbury (Iqbal et al., 2015). On peut voir sur la Figure 1.17, qu’une ouverture se crée à la base lorsque le
système bascule sous l’application d’efforts latéraux. Cette déformation est aussi reportée dans le joint vertical entre les panneaux, appliquant des efforts de cisaillement sur les connecteurs UFP. Ces connecteurs se déforment de manière plastique en se "déroulant" le long de sa section en "U". Les résultats d’essais d’un système de murs couplés avec connecteurs UFP sont présentés à la Figure 1.18(c) et comparés aux résultats d’un système de post-tension pure. On observe encore une fois le comportement d’hystérésis et de dissipation d’énergie du système avec amortissement.
Figure 1.17 – Représentation et résultats d’un système de murs couplés avec panneau de contre-plaqué (Smith et al.,2007)
Figure 1.18 – (a) Murs à section basculante couplés avec connecteurs UFP (b) déformation plastique des connecteurs (c) résultats d’essais (adapté de (Iqbal et al.,2015))
Pour effectuer la conception d’un tel système, des méthodes analytiques et numériques ont été mises en place (Sarti,2015). Dans sa dissertation, Sarti (2015) présente les différentes étapes nécessaires à la conception de murs post-tendus Pres-Lam. Le modèle analytique est décrit et présenté sous forme d’étapes à suivre en proposant quelques améliorations au modèle de base. Suite aux calculs analytiques, et donc, au pré-dimensionnement des sections, une description et une validation des approches de modélisation numérique sont faites en se basant sur des
pour ce type de système et ils sont générés à l’aide du logiciel OpenSEES (MecKenna,2011). De plus, pour pouvoir effectuer le pré-dimensionnement, une revue des méthodes de conception par force et par déplacement y est présentée. On y trouve aussi les différentes étapes nécessaires pour effectuer des analyses temporelles non-linéaires sur les modèles numériques, afin de valider le dimensionnement et d’observer les effets d’amplification dynamique aux étages supérieurs. Finalement, différentes considérations à prendre concernant la conception des connexions et des attaches y sont aussi présentées pour permettre aux ingénieurs d’effectuer une conception complète d’un système de murs post-tendus Pres-Lam.
1.3.3 Murs à sections basculantes multiples
Les bâtiments multi-étagés en bois sont susceptibles de développer de l’amplification dyna-mique des forces sisdyna-miques dans les étages supérieurs en raison de leur grande flexibilité. En effet, une structure en bois sera beaucoup plus flexible qu’une structure en béton armé ce qui rend les modes de déformation supérieures plus importants pour ce type de structure (Figure
1.19). Antérieurement, pour répondre à ce problème, on concevait les structures pour qu’une rotule plastique se développe à la base du système, ce qui empêcherait l’augmentation des forces dans le reste de la structure une fois la rotule créée. Par contre, des recherches ap-profondies sur le sujet ont démontré qu’il était possible que les forces augmentent de façon notable même suite à la formation de la rotule à la base (Priestley et Amaris, 2002). Pour répondre à cette amplification des forces, les murs post-tendus Pres-Lam sont conçus avec de larges sections de panneau et des connexions rigides dans les étages supérieurs. Cette solu-tion, quoiqu’efficace, n’est pas économique, car les connexions rigides nécessitent l’utilisation de milliers d’attaches et sans l’amplification des efforts, des sections de panneau plus étroites pourraient être choisies.
Figure 1.19 – Modes de déformation (Wiebe et Christopoulos,2009))
En réaction à ce phénomène, des recherches sur les murs préfabriqués post-tendus en béton armé ont mené à l’élaboration d’un concept de murs à sections basculantes multiples (Wiebe et Christopoulos, 2009) (Qureshi et Warnitchai, 2016). Comme présenté à la figure 1.20, ce concept permet l’ouverture entre les panneaux à différents endroits dans la structure, en plus de l’ouverture créée à la base. Cette conception, qui n’est plus représentée par une poutre unique en porte-à-faux, est moins assujettie à l’amplification dynamique des modes supérieures en raison de la dissociation entre les panneaux, ce qui rend plus difficile de transférer les moments entre les segments. La Figure 1.21présente la réduction des efforts dans les étages supérieurs d’une structure en béton à sections basculantes multiples, par rapport à une structure avec seulement une ouverture à la base. On peut remarquer que les efforts peuvent être grandement réduits avec l’utilisation de ce concept.
Figure 1.20 – Représentation d’un mur à sections basculantes multiples
Figure 1.21 – Réduction des efforts dans un mur à plusieurs sections basculantes (adaptée de (Qureshi et Warnitchai,2016))
1.4
Bois lamellé-croisé
Le bois lamellé-croisé (CLT) est un produit bois d’ingénierie développé en Autriche dans les années 1990 dans le cadre d’un projet de recherche industriel. Ces panneaux ont rapidement gagné en popularité due à leur versatilité, à leur bonne empreinte environnementale, à leur légèreté par rapport au béton, à leur bonne résistance, à leur préfabrication et à leur rapidité de montage. Ces caractéristiques en font un excellent matériel de construction et de plus en plus de bâtiments sont construits en CLT à travers le monde, témoignant de son bon comportement. Les panneaux de CLT sont constitués de plusieurs couches orthogonales de bois de sciage collé les uns aux autres à l’aide d’adhésifs structuraux (Figure 1.22). Ils sont formés d’au moins 3 couches de bois de sciage, offrant une épaisseur de 78mm et peuvent aller jusqu’à 9 couches, atteignant des épaisseurs de 314mm. Selon le fabricant, on peut obtenir des largeurs de panneaux de 2.5m à 3m et des longueurs d’environ 20m.
Figure 1.22 – Schématisation d’un panneau CLT (FPInnovations,2011)
Les panneaux de CLT peuvent être utilisés pour différentes composantes structurales. Ils peuvent être utilisés comme murs pour résister aux charges gravitaires, comme murs de refend pour résister aux charges latérales et comme dalles de plancher. Lorsqu’utilisé comme mur (Figure 1.23), le panneau de CLT est généralement positionné dans la direction où la force verticale appliquée est parallèle aux couches externes du panneau, c.-à-d., dans le sens de l’axe fort du panneau. De plus, pour certaines configurations, il est possible de placer deux couches adjacentes dans la même direction pour augmenter davantage la résistance du panneau selon l’axe fort.
Le CLT est très efficace lorsqu’utilisé comme dalle de plancher en remplacement aux dalles en béton armé conventionnelles. Il est tout d’abord très léger comparativement au béton et, possédant des couches orthogonales, il offre naturellement une résistance bidirectionnelle
Figure 1.23 – Utilisation d’un panneau CLT comme mur (adaptée de (FPInnovations,2011))
1.4.1 Recherches sur le CLT
Les recherches effectuées jusqu’à maintenant sur les bâtiments en CLT ont été principalement dirigées sur les structures de type plateforme. Ce type de structure consiste en l’utilisation de panneau de CLT comme murs et planchers, formant ainsi une "boîte". Ces "boîtes" sont ensuite empilées les unes sur les autres pour créer les différents étages du bâtiment. Les murs reprennent les charges gravitaires ainsi que les charges latérales, tandis que les planchers servent de diaphragme.
Le "SOFIE project" dirigé par le professeur Ario Ceccotti de l’Institut des arbres et du bois en Italy (Ceccotti et al.,2013) approfondie les recherches sur la résistance aux tremblements de terre des structures plateformes. L’un des objectifs principaux du projet est la phase de tests sur table vibrante à échelle réelle du bâtiment de 7 étages. Les essais ont été effectués en collaboration avec l’Université Shizuoka au Japon. En préparation à ces essais sur table vibrante, plusieurs analyses préliminaires telles que : essais sur les connecteurs, essais sur les panneaux avec différentes configurations, essais sur un bâtiment de 3 étages, etc., ont été effectuées pour évaluer le comportement des éléments. Les résultats positifs de ces analyses préliminaires ont justifié le besoin d’investigations sur table vibrante à échelle réelle.
Comme présenté à la Figure 1.25, le bâtiment de 7 étages possède des dimensions en plan de 7.5m x 13.5m avec une hauteur totale de 23.5m. Les panneaux de CLT sont de 150mm à 200mm d’épaisseur reliés entre eux par différentes méthodes de connexion.
Les résultats des essais sur table vibrante, étant très positifs, démontrent une capacité de re-centrage efficace sans dommage important à la structure. Les modes de ruptures sont concen-trés dans les connecteurs métalliques et ont démontré un bon comportement ductile, dissipant ainsi l’énergie des séismes sans créer de dommage fragile dans les panneaux de CLT.
Les connecteurs métalliques utilisés pour lier les panneaux entre eux et fournir l’amortissement au système sont généralement des systèmes de retenu vertical pour reprendre les efforts de soulèvement (Figure1.26(a)), des équerres métalliques pour résister aux efforts de cisaillement (Figure 1.26(b)) ainsi que des vis (Figure1.26(c)) sous différentes dispositions pour connecter les panneaux entre eux.
Figure 1.26 – Connecteurs des panneaux de CLT (Simpson-Strong-Tie,2017)
Dans le cadre du projet de recherche SOFIE, des ancrages de retenu vertical et des équerres métalliques ont été testés cycliquement pour en déterminer leur résistance, leur rigidité, leur capacité à dissiper l’énergie et leur ductilité (Gavric et al.,2015). Des analyses paramétriques sont effectuées en modifiant la géométrie des connecteurs, le nombre d’attaches, le type de connexion (CLT-CLT ou CLT-fondation), la direction de la charge, etc. Comme présenté à la figure1.27, les résultats des essais ont démontré des comportements hystérésis très souhaitables pour fournir l’amortissement nécessaire à la structure. Les ancrages de retenu vertical ont démontré des résistances et rigidités relativement élevées dans leur direction primaire, soit en tension, n’offrant pratiquement aucune résistance en cisaillement. Donc, il est possible de négliger leur apport de résistance au système lors de la conception. Pour leur part, les équerres
métalliques ont démontré de bonnes résistances et rigidités dans les deux directions.
Figure 1.27 – Courbe hystérésis d’une (a) retenu vertical en tension (b) équerre métallique en cisaillement (Gavric et al.,2015)
Des recherches ont été conduites à l’Université de Washington sur les murs à section basculante en CLT faisant l’utilisation de dissipateurs UFP (Ganey, 2015). L’objectif de cette thèse de maîtrise est de comprendre et de développer une procédure de conception pour les SRFS avec murs à section basculante en CLT. Pour y parvenir, des essais expérimentaux ont été effectués sur des séries de 5 spécimens simples et 1 spécimen couplé. Suite à ces essais, des modèles numériques de type multi ressort ont été développés à l’aide d’OpenSEES et soumis à des analyses temporelles non linéaires pour prédire le comportement de ce type de structure. En voici les principales conclusions :
— Les murs de refend à section basculante en CLT ont une réponse ductile à l’analyse cyclique ;
— Lorsque les câbles de post-tension sont de plus grand diamètre, le mur à section bascu-lante possédera une meilleure résistance ;
— La perte de force dans les câbles de post-tension peut être significative lorsque le panneau de CLT est endommagé ;
— Le plancher de CLT soumis à des efforts perpendiculaires au grain est plus faible que le mur de refend, donc des plaques de renforcement seraient nécessaires ;
— Les dissipateurs UFP fournissent 50% de la dissipation d’énergie pour le mur couplé. Bien que les recherches sur les structures en CLT de type plateforme sont de plus en plus présentes, des recherches supplémentaires sont requises sur l’utilisation des panneaux de CLT comme système de résistance aux forces sismiques à sections basculantes dans les bâtiments multi-étagés, ce qui motive cette recherche.
Chapitre 2
Benefits of Multiple Rocking Segments
for CLT and LVL Pres-Lam Wall
Systems
2.1
Résumé
Cette section présente le premier article soumis au "Journal of Earthquake of engineering" rédigé en collaboration avec Alessandro Palermo et Francesco Sarti de l’Université de Canter-bury en Nouvelle-Zélande ainsi qu’Alexander Salenikovich de l’Université Laval. Cet article présente le développement des systèmes Pres-Lam à sections basculantes multiples dans le but de réduire l’amplification dynamique des efforts sismiques présente dans les systèmes à section basculante simple. De plus, une comparaison entre les considérations de conception pour des panneaux de LVL et de CLT est effectuée. Finalement, on y présente les détails de conception d’une connexion utilisée pour lier les sections des panneaux des systèmes à sections basculantes multiples.
2.2
Abstract
Press-Lam wall systems built with single rocking segments result in a dynamic amplification of forces in the structure. The objectives of this research were to compare design requirements for Pres-Lam systems made of LVL and CLT and to demonstrate that the dynamic amplification can be reduced by introducing gap openings at construction joints, thus creating multiple ro-cking segments. The CLT walls needed 20% wider panels and 10% to 30% less initial pre-stress in the post-tensioning bars to obtain the same moment-rotation behaviour as the LVL walls. Time-history analyses showed that the shear and bending moment envelopes were reduced
nearly 45%.
Keywords :Pres-Lam, massive timber panels, seismic design, single rocking segment, multiple rocking segments, Cross-laminated timber, Laminated veneer lumber
2.3
Introduction
In the past few years, the design philosophy in earthquake engineering took a trend to change from a concept where buildings were designed to ensure life safety only that rendered them unusable and unrepairable after a major event to a low-damage design approach [Priestley et al., 1999 ; Naeim & Kelly, 1999 ; Palermo et al., 2004]. While assuring the life safety during earthquakes, this new concept is focused on creating systems that would minimize the damage of the main structure of the building, allowing it to be usable or easily repairable after the major event. The motivation to design with this new approach started to grow after strong earthquakes that inflicted significant damage to cities around the world, like for Christchurch in New Zealand in 2011 [Buchanan et al., 2011 ; Canterbury Earthquakes Royal Commission, 2013]. The extent of the damage of the Canterbury earthquake sequence led to demolishing and rebuilding several commercial buildings, which is characterized by a loss of $30 billion including the costs of business disruption, inflation, insurance administration and rebuilding structures with higher seismic performance [Canterbury Earthquakes Royal Commission, 2013]. As the demand for tall timber buildings has been increasing due to their attractive architectural look, environmental benefits, quick assembly and high resistance to lateral loads, extensive research is necessary on design of timber buildings using the low-damage philosophy.
Within the PREcast Seismic Structural System (PRESSS) programme led by the University of California for concrete structures [Priestley, 1991 ; Priestley, 1996 ; Nakaki, 1999] a concept of a re-centering structure using a reparable plastic hinge has been advanced. To implement it, Priestley [1996], designed a hybrid connection using pre-stressed steel cables inside precast walls, beams and columns that are designed to remain elastic during seismic events, thus forcing the building to return to its original position after the earthquake. Ductile elements are positioned along the structure to provide energy dissipation for the building during major events when a gap begins to open at the ends of the rocking elements. This approach provides a combination of re-centering and energy dissipation through the rocking motion.
The PRESSS system has been adapted at the University of Canterbury [Palermo et al., 2005] to timber buildings and is known as the Pre-Stressed Laminated, or Pres-Lam, system [Bu-chanan et al., 2008]. In this system, pre-stressed steel bars designed to remain elastic are positioned inside of mass timber panels, such as Laminated Veneer Lumber (LVL) or Cross-Laminated Timber (CLT) or in a large glulam element, as shown on Figure 2.1. Replaceable
are installed at the bottom corners of the walls and are designed to yield during the major seismic event, thus providing energy dissipation for the system. When subject to reversed cycles, this system reveals the typical flag-shaped hysteresis, schematically shown on Figure
2.1, through the combination of the elastic behavior of the post-tensioning bars and elastic-plastic behavior of the dissipaters. Different levels of re-centering can be achieved by selecting a re-centering ratio (β), which governs the hysteresis shape and can be described as the ratio of the post-tensioning moment contribution (Mpt) to the total moment distribution (Mtot) in
the system (β = Mpt/Mtot). A minimum value of β = 0.55 is recommended by NZS 1170.5
[NZS, 2004] to provide sufficient energy dissipation and to limit the residual displacement in the structure.
Figure 2.1 – Pres-Lam system representation
Several buildings have been built in New Zealand using the Pres-Lam technology providing low-damage lateral-force-resisting system to the structures. Figure 2.2(a) shows the Nelson and Marlborough Institute of Technology in Nelson (41.2746° S, 173.2891° E), which is the
first building constructed with this technology using LVL panels [Devereux et al., 2011]. This three-storey building was designed using coupled walls with U-shaped flexural plates (UFPs) [Skinner et al., 1974], which provide the energy dissipative source for the system. Figure2.2(b) shows the Kaikoura District Council Building that was built in the city of Kaikoura (42.40538° S, 173.68389° E) in 2014 using the single rocking wall system. This three-storey building is the first to use this technology with the CLT as a core combined with the LVL at the edges. Other examples not herein reported for the sake of brevity are the Trimble Building and Carterton Event Centre (41.0259° S, 175.5287° E) [Curtain et al., 2012].
Figure 2.2 – Buildings and systems examples. (a) Nelson and Marlborough Institute of Tech-nology. Coupled walls (adapted from Sarti, 2015) (b) Kaikoura District Council Building. Single walls (adapted from Sarti, 2015)
The original concept developed at the University of Canterbury used single rocking wall seg-ments made of LVL panels, which possess considerable compressive strength (fc = 45M P a)
and rigidity (E = 11000MP a). Due to the popularity of CLT across the world and based on the research by Dunbar et al., 2014, further studies of the Pres-Lam technology using this type of panel is needed. The CLT panels consist of multiple orthogonal layers of sawn lumber bonded with structural adhesives. The standard CLT panels are not as strong and not as rigid as LVL because of the transverse layers loaded perpendicular to grain, which needs to be considered in the design. CLT was used in combination with LVL for the Pres-Lam walls of the
parallel to grain (fc= 19.3M P a), LVL was used at the edges of the walls to limit the crushing
of timber during rocking motion.
The first buildings with the Pres-Lam system have been limited to three storeys in height with the wall panels spanning the entire height of the building. Therefore, there was no need for construction joints between the wall panels of the lower and the upper storeys. However, one of the concerns in the design of taller timber buildings is their higher flexibility than concrete structures, which makes them more susceptible to a dynamic amplification of the forces in the upper storeys. Original wall designs were performed to allow the formation of a plastic hinge at the base of the structure assuming that the forces in the upper structure would not increase once the hinge was formed. However, further research has shown that the forces can notably increase after the formation of the plastic hinge, because of the effects of higher modes [Priestley & Amaris, 2002]. The traditional solution would be to design the shear wall as a single rocking segment with the analogy of a continuous vertical cantilever with a ductile joint at the base of the rocking wall element of a large cross section resisting the amplified forces along the height of the structure. In taller buildings, this approach would require perfectly rigid connections at construction joints between the wall panels stacked on top of each other. This concept leads to costly connections using numerous fasteners that also slow the overall building construction. An alternative solution, known as the multiple rocking segment system, has been proposed for concrete walls [Wiebe & Christopoulos 2009 ; Qureshi & Warnitchai 2016] aiming at reducing the dynamic amplification in the upper storeys by introducing connections at construction joints that allow a gap opening, thus simplifying the connection and reducing the costs.
The objectives of the present paper are as follows. First, to compare the design requirements for the systems with single rocking segments made of LVL and of CLT panels aiming to obtain the same moment-rotation behavior for both systems through analytical modeling of several multi-storey case study buildings. Second, to assess the seismic forces induced in the structures of both types and to quantify the effects of higher modes on single rocking segment systems. Third, to demonstrate that these effects can be reduced by allowing gap openings between the panels using simple connections at the construction joints, thus creating multiple rocking segment systems. Numerical models have been developed for the single and multiple rocking segment systems and non-linear time history analyses (NLTHA) have been performed using OpenSEES [MecKenna, 2011].
