Nonlinear behaviour of coupled shear walls strengthened with externally bonded carbon fibre reinforced polymer composite under seismic loadings

Résumé

L’efficacité des murs de refend couplés (MRC) en béton armé (BA), comme système pour résister aux forces latérales dues aux vents et aux séismes, est bien établie. Les MRC sont généralement utilisés pour les bâtiments multi-étages de moyenne à grande hauteur. Ils résistent aux forces latérales grâce à la conjonction de la résistance au cisaillement et à la flexion de leurs segments de mur d’une part, et d’autre part à l'action des forces de cisaillement de leurs poutres de couplage. En effet, les forces de cisaillement générées par les poutres de couplage sont transférées aux murs sous forme de forces axiales de compression-traction générant ainsi un moment de flexion résistant au moment de renversement. Un MRC adéquatement conçu et détaillé devrait garantir que: (i) les poutres de couplage atteignent leur limite élastique (plastification) avant les murs; (ii) les poutres de couplage ne presentment pas de dégradation de résistance ou de rigidité sévère sous charges cycliques; et (iii) les poutres de couplage sont les éléments principaux de dissipation d'énergie en fournissant des boucles d'hystérésis stables et sans pincements. Cependant, concevoir et détailler des poutres de couplage offrant toutes ces propriétés importantes n'étaient pas possibles avant les années 1970. Aussi, les MRC construits avant 1970 risquent d’être sévèrement endommagés dans le cas d’un séisme modéré à sévère. De nombreuses techniques conventionnelles ont été utilisées avec plus ou moins de succès pour mettre à niveau et renforcer les structures déficientes et améliorer ainsi leur performance sismique. Au cours des dernières années, l'utilisation de matériaux composites à base de polymères renforcés de fibres (PRF) collés en surface s'est révélée être une méthode novatrice, efficace et économiquement viable pour la mise en état des structures en BA existantes. Cette thèse présente les résultats d'une etude expérimentale et des simulations numériques sur le comportement sismique, l'évaluation et la mise à niveau de MRC en BA existants conçus selon les codes et les normes d’avant les années 1970. Dans la partie expérimentale de cette étude, une méthode novatrice de renforcement externe utilisant un tissu de PRF de carbone (PRFC) a été proposée pour améliorer les performances sismiques des poutres de couplage en BA déficientes. À cette fin, deux échantillons de MRC avec une poutre de couplage en béton armé conventionnelle, représentatifs des MRC conçus selon les codes canadiens d’avant les années 1970, ont été considérés comme suit: Le premier a été utilisé comme spécimen de référence alors que le second a été renforcé avec du composite en PRFC collé en surface. Les deux spécimens ont été testés sous charge cyclique inversée pour évaluer l'efficacité de la méthode de renforcement proposée. De plus, un autre spécimen a été conçu en conformité à la norme de conception canadienne moderne en vigueur, c’est à dire avec poutre de couplage avec armatures diagonales. Ce spécimen a été soumis à un chargement cyclique jusqu'à un certain endommagement simulant un séisme. Par la suite, le spécimen endommagé a été réparé à l'aide de tissus en PRFC collés en surface et de nouveau testé sous une charge cyclique inversée afin d’évaluer l'efficacité de la technique de réparation proposée. Les résultats expérimentaux ont révélé l’efficacité du système de renforcement en PRFC quant à l’amélioration de la résistance, la ductilité et la capacité de dissipation d'énergie de la poutre de couplage conçue selon la norme d’avant 1970 avec armature conventionnelle. Par ailleurs, ils ont également montré que la méthode de réparation proposée sur la poutre de couplage avec armature diagonale mais endommagée par un séisme, permet de recouvrer les propriétés initiales avant endommagement et notamment la résistance, la rigidité, la ductilité et la capacité de dissipation d'énergie. Les simulations numériques de cette étude ont porté sur l’analyse non linéaire temporelle d’un prototype de bâtiment de 20 étages situé au Canada, contreventé à l’aide de MRC. Quatre modèles de MRC dont deux modèles identiques sont conçus selon le Code national du bâtiment du Canada (CNBC) d’avant les années 1970 et les deux autres modèles sont conçus conformément au nouveau code de conception (CNBC 2015) et à la nouvelle norme (CSA A23.3-14) pour Montréal et Vancouver, représentatives de l'est et de l'ouest du Canada, respectivement. Des analyses dynamiques non linéaires utilisant le logiciel RUAUMOKO ont été réalisées sous accélérations sismiques étalonnées afin d'étudier le comportement structural des MRC, l'efficacité des normes modernes en vigueur et les déficiences des MRC conçus selon les normes d’avant 1970. Une méthode de renforcement à l’aide de composites en PRFC collés en surface a été proposée pour les structures de MRC déficientes, conformément au nouveau code de conception sismique. Les effets de cette méthode de renforcement sur l'amélioration du comportement sismique de ces MRC ont été étudiés par des analyses non linéaires temporelles. Les résultats de cette étude numérique ont révélé l’efficacité de la technique de renforcement à l’aide de PRFC puisqu’elle a permis d’améliorer la séquence de plastification, c’est-à-dire dans les poutres avant les murs, de réduire le déplacement latéral et inter-étage, et enfin de réduire la rotation des poutres de couplage et la demande en ductilité. L’étude a également révélé que, contrairement à l'ancien CNBC d’avant 1970, les exigences prescrites dans les normes CSA A23.3-14 et CNBC 2015 pour la conception en capacité des MRC ductiles sont satisfaisantes et se rapprochent des demandes sismiques.

Date	21 nov. 2018
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Omar Chaallal (Directeur(-trice))