Murs de refend en béton armé

351 Pages·2010·3.94 MB·French

by  Antoine Le Bec

Titre: Effets du basculement des fondations superficielles sur le
Title: comportement sismique des murs de refend en béton armé
Auteur:
Antoine Le Bec
Author:
Date: 2009
Type: Mémoire ou thèse / Dissertation or Thesis
Le Bec, A. (2009). Effets du basculement des fondations superficielles sur le
Référence:
comportement sismique des murs de refend en béton armé [Master's thesis,
Citation:
École Polytechnique de Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/193/
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https://publications.polymtl.ca/193/
PolyPublie URL:
Directeurs de
recherche: Sanda Koboevic, & Robert Tremblay
Advisors:
Programme:
Génie civil
Program:
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UNIVERSITÉ DE MONTRÉAL

EFFETS DU BASCULEMENT DES FONDATIONS SUPERFICIELLES
SUR LE COMPORTEMENT SISMIQUE DES MURS DE REFEND EN
BÉTON ARMÉ

ANTOINE LE BEC
DÉPARTEMENT DES GÉNIES CIVIL, GÉOLOGIQUE ET DES MINES
ÉCOLE POLYTECHNIQUE DE MONTRÉAL

MÉMOIRE PRÉSENTÉ EN VUE DE L’OBTENTION
DU DIPLÔME DE MAÎTRISE ÈS SCIENCES APPLIQUÉES
(GÉNIE CIVIL)
DÉCEMBRE 2009

© Antoine Le Bec, 2009.
UNIVERSITÉ DE MONTRÉAL

ÉCOLE POLYTECHNIQUE DE MONTRÉAL

Ce mémoire intitulé :

EFFETS DU BASCULEMENT DES FONDATIONS SUPERFICIELLES SUR LE
COMPORTEMENT SISMIQUE DES MURS DE REFEND EN BÉTON ARMÉ

Présenté par : LE BEC Antoine
en vue de l’obtention du diplôme de : Maîtrise ès sciences appliquées

a été dûment accepté par le jury d’examen constitué de :

M. LÉGER Pierre, Ph.D., président
Mme KOBOEVIC Sanda, Ph.D., membre et directeur de recherche
M. TREMBLAY Robert, Ph.D., membre et codirecteur de recherche
M. LEBOEUF Denis, Ph.D., membre
iii
DÉDICACE
À mon frère, Nicolas,
À mes parents, Pascale et Vincent,
À mes grands-parents, Marguerite et André.
iv
REMERCIEMENTS
Je souhaite remercier tout d’abord mes directeurs de recherche, Professeur Sanda Koboevic, ing.,
Ph.D., et Professeur Robert Tremblay, ing., Ph.D., pour avoir dirigé mes travaux de recherche.
Leurs conseils, leur temps et leur soutien m’ont permis de mener à bien ce projet de maîtrise. Je
voudrais aussi les remercier pour leur support financier.

Je désire ensuite remercier Professeur Pierre Léger, ing., Ph.D., et Professeur Denis LeBoeuf,
ing., Ph.D., d’avoir accepté respectivement d’être président et membre de mon jury de maîtrise,
et d’avoir consacré du temps à l’évaluation de ce mémoire.

Je voudrais aussi remercier Professeur Denis LeBoeuf, ing., Ph.D., pour son expertise
géotechnique.

De manière générale, j’aimerais remercier tous les professeurs du Groupe de Recherche en génie
des Structures (GRS) de l’École Polytechnique de Montréal pour la qualité de l’enseignement
reçu.

Je remercie l’École Polytechnique de Montréal et l’École Spéciale des Travaux Publics de Paris
pour m’avoir permis de faire cette maîtrise dans le cadre d’un accord de double diplôme.

Je souhaite finalement remercier les membres de ma famille, spécialement, mon frère, Nicolas,
mes parents, Pascale et Vincent, et mes grands-parents, Marguerite et André, pour leur soutien
moral et leur compréhension. Je remercie également Kim, pour sa présence, ses conseils et son
aide. L’amour de ces personnes m’a permis de mener à bien ce projet.

À vous tous, mes plus sincères remerciements.
v
RÉSUMÉ
L’objectif principal de ce mémoire était d’étudier, pour l’est du Canada, l’influence du
basculement des fondations superficielles sur le comportement sismique des murs de refend en
béton armé.
Pour ce faire, nous avons considéré un bâtiment en béton armé de dix étages, situé sur un site de
catégorie C, à Montréal, QC. Le système de résistance aux forces sismiques de ce bâtiment
comprend six murs de refend simples et a été dimensionné pour un facteur combiné de
modification des forces sismiques R R égal à 5,6 en utilisant une approche de conception par
d o
capacité, le tout conformément aux exigences du Code National du Bâtiment du Canada (CNBC)
2005 et de la norme canadienne de béton CSA A23.3-04. Les fondations superficielles supportant
ces murs ont été conçues pour trois niveaux d’efforts dus aux charges latérales : efforts
correspondant aux charges sismiques élastiques divisées par un facteur R R égal à 2,0, efforts
d o
correspondant à la résistance nominale en flexion des murs à leur base et efforts correspondant
aux charges sismiques élastiques divisées par un facteur R R égal à 5,6.
d o
Un modèle numérique, basé sur le concept de « Beam on Nonlinear Winkler Foundation », a
ensuite été développé afin de pouvoir étudier le phénomène d’interaction sol – structure (ISS). Ce
modèle, capable de simuler le comportement plastique du sol ainsi que les non-linéarités
géométriques engendrées par le décollement de la fondation, a ensuite été validé à l’aide d’une
étude paramétrique. Une sélection d’accélérogrammes historiques et synthétiques pertinents a été
faite. Les accélérogrammes historiques ont été calibrés selon différentes méthodes afin de les
rendre compatibles avec le spectre de conception du CNBC 2005.
Trois séries d’analyses sismiques ont été effectuées. Des analyses statiques incrémentales non-
linéaires 2D de type « pushover » ont d’abord été menées sur un des murs de refend du bâtiment
afin de déterminer ses caractéristiques intrinsèques. Des analyses dynamiques temporelles non-
linéaires 2D ont ensuite été réalisées sur le même mur de refend. Ces analyses dynamiques ont
montré que, d’une manière générale, plus les dimensions des fondations sont petites, plus elles
sont sujettes au décollement, ce qui a pour effet de réduire les efforts qui se développent à la base
des murs. Plus précisément, ces analyses ont permis de vérifier la pertinence des exigences du
CNBC 2005 et celles de la norme CSA A23.3-04 quant à la conception des fondations
superficielles. Tout d’abord, lorsque le mur repose sur une fondation dimensionnée pour des
vi
charges sismiques élastiques divisées par R R égal à 2,0, le mur va plastifier avant que la
d o
fondation ne décolle et il n’est donc pas nécessaire de tenir compte de l’ISS puisque la fondation
demeure encore trop massive pour basculer. Lorsque le mur repose sur une fondation conçue
selon une approche de dimensionnement par capacité, il arrive dans certains cas que la fondation
soit sujette au décollement avant que le mur ne plastifie. Le basculement de la fondation a pour
conséquence de faire plastifier le sol et ainsi entrainer des déformations permanentes. Dans le cas
présent cependant, les tassements observés n’étaient pas excessifs. Outre ces conséquences
négatives, le décollement de la fondation permet tout de même de réduire significativement les
efforts à la base du mur. Finalement, lorsque le mur repose sur une fondation dimensionnée pour
des charges sismiques élastiques divisées par un facteur R R égal à 5,6, la majorité de l’énergie
d o
du séisme est dissipée grâce au décollement de la fondation, ce qui a pour effet d’endommager
fortement le sol sous la fondation et, donc, de menacer l’intégrité du mur et de sa fondation à
cause des tassements permanents importants.
La troisième série d’analyses comprenait quatre types d’analyses dynamiques temporelles non-
linéaires : analyses 2D, analyses 2D avec amplification des accélérogrammes afin de tenir compte
de la torsion du bâtiment ainsi que de la torsion accidentelle, analyses 3D en appliquant
uniquement la composante principale majeure des séismes et analyses 3D en appliquant les deux
composantes des séismes. Ces analyses ont été menées dans le but de valider le recours à une
modélisation 2D d’un mur de refend faisant partie d’une structure 3D. De façon générale,
l’analyse 2D avec amplification des séismes donne lieu à une surestimation importante des
déplacements de la structure et des efforts s’y exerçant, comparés à ceux prédits par les analyses
2D, 3D unidirectionnelles et 3D bidirectionnelles. Ensuite, les analyses 3D unidirectionnelles et
3D bidirectionnelles ont montré que l’application de la composante principale majeure d’un
séisme suffit pour étudier le comportement global d’un bâtiment. Finalement, on peut conclure de
la comparaison des différentes analyses réalisées que le recours aux analyses 2D pour analyser le
comportement sismique de murs de refend provenant d’un bâtiment 3D est tout à fait acceptable.
vii
ABSTRACT
The main objective of this thesis was to study the effect of foundation rocking on the seismic
behaviour of reinforced concrete shear walls for eastern Canada.
A 10-story reinforced concrete building located on a site class C, in Montreal, QC, was
considered. The seismic force resisting system of the building consisted of six simple shear walls
and was designed using a combined seismic force modification factor R R equal to 5,6. The
d o
design complied with capacity design principles and was performed according to the
requirements of the National Building Code of Canada (NBCC) 2005 and the Canadian concrete
standard CSA A23.3-04. The shallow foundations supporting the shear walls were designed for
three levels of lateral loads: elastic seismic lateral loads divided by R R = 2,0; forces
d o
corresponding to the nominal flexural strength of the walls at their bases; and elastic seismic
lateral loads divided by R R = 5,6.
d o
A numerical model based on the concept of Beam on Nonlinear Winkler Foundation was
developed to study the soil – structure interaction (SSI). This model can simulate the plastic
behaviour of the soil as well as the geometric non-linearity caused by the lift off of the
foundation. The model was then validated using a parametric study. Historical and artificial
representative ground motion time histories were selected for the seismic analysis. The historical
accelerograms were scaled using different methods to make them compatible with the NBCC
2005 design spectrum.
Three series of seismic analyses were performed. Nonlinear incremental static (pushover)
analyses were first conducted on one of the shear walls of the building in order to assess its
characteristics. 2D nonlinear dynamic time history analyses were then performed on the same
shear wall. The dynamic analyses showed that smaller foundations generally lead to more
pronounced rocking response, which reduced force demand at the wall bases. More specifically,
the suitability of the provisions of NBCC 2005 and CSA A23.3-04 for the design of shallow
foundations was examined. First, the wall was found to yield at its base without lift off when
supported on a foundation designed for elastic seismic lateral loads divided by R R = 2,0. In this
d o
case, it is not necessary to consider SSI because the foundation is too massive to rock. When the
wall rests on a foundation sized using a capacity design approach, the foundation lifts off before
the wall yields. Foundation rocking then results in soil yielding and permanent deformations.
viii
However, these settlements were not found to be excessive. In addition, foundation rocking can
significantly reduce the force demand at the wall base. Finally, when the wall is built on a
foundation designed for elastic seismic lateral loads divided by R R = 5,6, most of the
d o
earthquake energy is dissipated through foundation rocking, which has the effect of significantly
damaging the soil under the foundation and therefore threaten the integrity of the wall and its
foundation because of large permanent settlements.
In the third series of analyses, four different nonlinear dynamic time history analyses were
performed to validate the use of a 2D model of a shear wall forming part of a 3D building: 2D
analyses; 2D analyses with amplification of the accelerograms to reflect in-plane torsional
response of the building including accidental torsion; 3D analyses using only the major principal
component of the ground motion; and 3D analyses using both principal components of the
ground motions. The results showed that 2D analyses with amplification of accelerograms for
torsional response generally greatly overestimated the displacements and forces acting in the
structure compared to those predicted by the 2D analyses, the 3D unidirectional analyses and the
3D bidirectional analyses. The comparison between 3D unidirectional and bidirectional analyses
showed that applying the major principal component of a ground motion is sufficient to study the
overall behaviour of the building. Finally, it was concluded that the use of 2D analyses to analyze
the seismic behaviour of shear walls forming part a 3D building is quite acceptable.
ix
TABLE DES MATIÈRES
DÉDICACE ................................................................................................................................... III
REMERCIEMENTS ..................................................................................................................... IV
RÉSUMÉ ........................................................................................................................................ V
ABSTRACT .................................................................................................................................VII
TABLE DES MATIÈRES ............................................................................................................ IX
LISTE DES TABLEAUX .......................................................................................................... XIII
LISTE DES FIGURES ............................................................................................................... XIX
LISTE DES SIGLES ET ABRÉVIATIONS ........................................................................... XXX
LISTE DES ANNEXES ............................................................................................................ XLII
INTRODUCTION ........................................................................................................................... 1
1.1 Problématique ................................................................................................................... 1
1.2 Objectifs et méthodologie ................................................................................................ 3
1.3 Organisation du mémoire ................................................................................................. 4
CHAPITRE 1 REVUE DE LITTÉRATURE ............................................................................. 6
1.1 Interaction sol-structure .................................................................................................... 6
1.1.1 Interaction sol-structure dans les codes de construction .............................................. 6
1.1.2 Études antérieures sur le soulèvement des fondations superficielles ......................... 10
1.1.3 Études expérimentales de l’interaction sol – structure ............................................... 14
1.2 Murs de refend en béton armé ........................................................................................ 16
1.2.1 Conception parasismique dans le CNBC 2005 .......................................................... 16
1.2.2 Conception parasismique des structures en béton armé – CSA A23.3-04 ................. 22
1.2.3 Amortissement dans la superstructure ........................................................................ 25
1.3 Logiciel OpenSees®........................................................................................................ 28