Modélisation par macro-éléments du comportement non-linéaire des ouvrages à voiles porteurs en béton armé sous action sismique : développement de méthodes simplifiées d'analyse dynamique et de vulnérabilité sismique

Miloud Hemsas

Description

Sous la direction de Denys Breysse, Sidi Mohammed Elachachi
Thèse soutenue le 15 avril 2010: Bordeaux 1
Cette thèse s'inscrit dans le cadre de l'élaboration de méthodes simplifiées d'analyse du comportement non-linéaire des ouvrages en béton armé à voiles porteurs sous action sismique. Une stratégie de modélisation simplifiée basée sur la notion de macro-éléments a été adoptée, afin de décrire le comportement non-linéaire du mur voile et d'estimer sa capacité résistante vis-à-vis des forces latérales. Les lois de comportement utilisées pour le béton et l'acier sont basées sur la théorie de l'endommagement et de la plasticité. La validation des capacités prédictives du modèle à partir des résultats expérimentaux a été aussi effectuée. De plus, une étude paramétrique a été réalisée pour étudier la sensibilité des résultats aux variations des paramètres liés au modèle, au matériau et/ou type de chargement.
-Mur voile
-Macro-élément (Pushover)
-Spectre non-linéaire
-Performance
-Risque sismique
-Vulnérabilité
-Simulations Monte-Carlo
-Courbes de fragilité
Abstract
-Shear wall
Source: http://www.theses.fr/2010BOR14020/document

Sujets

• Performance
• Risque sismique
• Vulnérabilité

Informations

• Publié par: Thesee
• Nombre de lectures: 367
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 3 Mo

Extrait

N° d’ordre : 4020






THÈSE

PRÉSENTÉE A

L’UNIVERSITÉ BORDEAUX 1

ÉCOLE DOCTORALE DES SCIENCES POUR L’INGENIEUR

Par Miloud HEMSAS

POUR OBTENIR LE GRADE DE

DOCTEUR
SPÉCIALITÉ : Mécanique et Ingénieries

Modélisation par macro-éléments du comportement non-
linéaire des ouvrages à voiles porteurs en béton armé sous
action sismique
Développement de méthodes simplifiées d’analyse dynamique et de vulnérabilité sismique



Soutenue le : 15 Avril 2010

Devant la commission d’examen formée de :

M. Denys BREYSSE Professeur, Université Bordeaux 1, Directeur de Thèse
M. Alain DENIS Professeur, Université Bordeaux 1, Examinateur
M. Jean-François DUBE Professeur, Université Montpellier 2, Rapporteur
M. Sidi Mohammed ELACHACHI MCF, Université Bordeaux 1, Co-directeur de Thèse
M. Christian LA BORDERIE Professeur, U.P.PA, Rapporteur
M. Djamel NEDJAR Professeur, U.S.T.Oran, Examinateur













2

R é s u m é
Cette thèse s’inscrit dans le cadre de l’élaboration de méthodes simplifiées d’analyse du
comportement non-linéaire des ouvrages en béton armé à voiles porteurs sous action
sismique. Une stratégie de modélisation simplifiée basée sur la notion de macro-élément a été
adoptée, afin de décrire le comportement non-linéaire du mur voile et d’estimer sa capacité
résistante vis-à-vis des forces latérales. Les lois de comportement utilisées pour le béton et
l’acier sont basées sur la théorie de l’endommagement et de la plasticité. La validation des
capacités prédictives du modèle à partir des résultats expérimentaux a été aussi effectuée. De
plus, une étude paramétrique a été réalisée pour étudier la sensibilité des résultats aux
variations des paramètres liés au modèle, au matériau et/ou au type de chargement.

Différentes méthodes d’analyse pseudo-dynamique non-linéaire sont également
analysées. Parmi elles, la méthode modale spectrale est une approche attrayante. En
l’associant aux méthodes statiques non-linéaires basées sur le concept de déplacement
(dimensionnement en capacité) et tout en intégrant les mécanismes possibles de ruine dus
aux effets des modes les plus élevés, l’on peut adopter une approche fondée sur la notion de
performance. Plusieurs propositions ont été proposées, à savoir : la Méthode Spectrale Non-
linéaire (MSNL), la Méthode d’Analyse Modale Pushover (AMP) et la Méthode des
Combinaisons Modales (MCM). Un des objectifs de cette thèse a consisté à appliquer ces
nouvelles approches aux structures à murs voiles en béton armé. Une étude comparative entre
les déplacements relatifs inter-étages obtenus à partir de ces trois modèles et la méthode
d’analyse temporelle non-linéaire simplifiée a été conduite.

L’évaluation de la vulnérabilité des ouvrages est un élément clé dans les stratégies de
prévention voire de réduction du risque sismique. En fonction de l’échelle d’étude (région,
ville, structure…), plusieurs modèles et méthodologies d’analyse de la vulnérabilité et de
réduction du risque sismique existent, permettant de procéder à une estimation des
dommages pour différentes typologies de structures. Dans la dernière partie de thèse nous
nous intéressons à l’échelle de la structure à une seule typologie, celle des ouvrages quasi-
symétriques à murs porteurs (voiles) en béton armé. L’estimation du niveau de performance
atteint lors d’une action sismique donnée est obtenue à partir de la courbe de capacité (basée
sur une analyse statique en poussée progressive ou "Pushover"). L’analyse de la performance
de la structure est probabiliste car aussi bien le spectre de réponse représentatif de l’action
sismique que les propriétés des matériaux sont aléatoires (variabilité du signal sismique,
hétérogénéité du béton…). Une étude paramétrique a été menée au travers de simulations de
type ''Monte-Carlo'' pour déterminer les fonctions de distribution des courbes de vulnérabilité
et identifier les paramètres qui les contrôlent.

Mots-clés : Mur voile, Macro-élément, (« Pushover »), Spectre non-linéaire, Performance,
Risque sismique, Vulnérabilité, Simulations "Monte-Carlo", Courbes de fragilité.

3

A b s t r a c t
This thesis is part of the development of simplified methods of analysis of the non-linear
behavior of reinforced concrete structures with shear walls under seismic action. A simplified
model based on the concept of macro-element was elaborated in order to describe the non-
linear behavior of shear wall and, thus, to obtain its strength capacity under lateral forces.
The constitutive laws used for concrete and steel are based on damage and plasticity theories.
The validation of model prediction capacities with experimental results was also carried out.
Finally, a parametric study was led to study the mesh sensitivity of the response of the model
and to identify the sensitivity of the results on changes of the parameters associated with the
model, material and the type of loading.

A study conducted on different methods of non-linear dynamic analysis is also presented.
Among these different types of dynamic analysis, modal spectral method is an attractive
approach. By associating it to the non-linear static methods based on the concept of
displacement (capacity design) and in order to integrate the possible mechanisms of collapse
due to the effects of the highest modes, one can adopt an approach based on the concept of
performance. Several proposals were made, that is: Non-linear Spectral Method (MSNL),
Method of Modal Pushover Analysis (AMP) and Modal Combinations Method (MCM). This
part of thesis consisted in particular, to apply these new approaches to the structures with
reinforced concrete structural walls, using the proposed model by macro-element. A
comparative study between the relative displacements obtained starting from these three
models and the method of simplified non-linear temporal analysis was led.

The vulnerability assessment of structures is a key element for earthquake prevention and
mitigation strategies. Depending on the scale of study (the region, the city, the structure ...),
several vulnerability models and methodologies to reduce seismic risk are available, enabling
to carry out damage assessment for different kinds of structures. In this study, we focus at
one structure’s type, namely a quasi symmetrical reinforced concrete structure with structural
walls. The structure is discretized into a set of macro-elements, each macro-element being
representative of a structure's floor. The estimated performance level achieved during a
seismic action is obtained from capacity curves (based on a static pushover analysis). The
performance analysis of the structure is a probabilistic analysis since both the response
spectrum (action) and the materials properties (resistance) are random. A parametric study
was conducted through Monte Carlo simulations to determine the vulnerability cumulative
distribution functions and to identify the parameters that control them.

Keywords: Shear wall, Macro-element, Pushover, Inelastic spectra, Performance, Seismic
risk, vulnerability, Monte-Carlo Simulations, fragility curves.



4

R e m e r c i e m e n t s
Les travaux de thèse présentés dans ce mémoire ont été réalisés au sein de deux
Laboratoires LSTE de l’Université de Mascara et LM2SC de l’Université USTO d’Oran
(Algérie), en collaboration avec le Laboratoire Géosciences Hydrosciences Matériaux
Constructions (GHyMaC) de l’Université Bordeaux1 (France).

Je tiens à remercier en premier lieu mes directeurs de thèse, Monsieur Denys BREYSSE
et Monsieur Sidi Mohammed ELACHACHI, pour leurs précieux conseils, leur confiance et
pour l’opportunité qu’ils m’ont offert de m’initier au monde de la recherche en Europe.

Ces travaux de recherche ont été rendus possibles grâce à l’accueil chaleureux et au
soutien de Monsieur le Professeur Denys BREYSSE, et à l’assistance permanente, efficace et
amicale de Monsieur Sidi Mohammed ELACHACHI, Maitre de Conférences à l’Université