Seismic Behaviour and Design of Two-Bay Steel Multi-Tiered Braced Frames and Other Special Steel Concentrically Braced Frames in Single-Storey Buildings

Je tiens tout d'abord à remercier mon directeur de recherche, Robert Tremblay, pour son soutien et son encadrement au cours des dernières années.Je suis extrêmement reconnaissant d'avoir eu l'opportunité de travailler sur ce projet de recherche, d'échanger avec vous et de commencer à bâtir un bagage d'ingénieur à vos côtés.Les apprentissages que j'aurai réalisés, autant sur le plan technique qu'humain, me seront perpétuellement utiles.Merci pour vos encouragements et pour votre regard critique, et surtout pour soutien moral que vous avez su m'apporter durant les hauts et les bas de ce projet de recherche.Merci également à Ali Imanpour, qui a su m'épauler avec brio en tant que co-directeur de recherche.Merci pour votre expertise et vos conseils.Je garde de bons souvenirs de nos échanges et discussions sur les meilleures hypothèses et méthodes à considérer.Paul, merci à toi pour tous ces merveilleux moments passés au bureau et ailleurs.Je n'aurais jamais pu souhaiter un meilleur collègue de travail.Au-delà de cela, évidemment, ton amitié m'est véritablement très chère.Ton écoute, ton soutien et tes conseils auront été primordiaux à mon cheminement et à ma réussite au plan personnel.J'espère simplement qu'un jour tu amèneras tes connaissances géographiques au même niveau que ton expertise des répliques des classiques du cinéma français.Merci à Pablo, dont j'ai fait la connaissance en même temps que je découvrais mon sujet de recherche.Nos longs échanges sur le comportement sismique des charpentes d'acier et sur les procédures optimales de conception m'auront permis de perfectionner ma compréhension de mon sujet de recherche.Je sais que tu vis la même excitation que moi quand les spécimens d'essais sont livrés au laboratoire, et j'ai hâte de partager avec toi la suite de ce projet expérimental Je souhaite remercier tout le personnel du GRS avec qui j'ai interagi au cours des dernières années.L'encadrement et les activités organisées par le département sont essentielles à la cohésion du groupe.Un merci particulier à Simon Bourget, Martin Leclerc, Julie Dallaire et Patrice Bélanger pour leurs conseils et soutien au cours de ce projet.À l'extérieur du cadre de recherche, merci évidemment à tous mes amis qui, de près ou de loin, m'auront entendu parler de ma maîtrise et m'auront écouté et encouragé.Autant à PolyPhoto qu'au Rosemont, merci du fond du cœur; vous savez qui vous êtes.v Un merci tout particulier à ma famille, qui m'aura apporté un soutien inébranlable durant ces trois années.Vos accolades, vos regards ébahis et vos airs intéressés m'auront insufflé énormément de motivation.Merci à Papa et Ilan, pour m'avoir écouté discuter de systèmes structuraux avec intérêt.Merci enfin au FRQNT, pour m'avoir octroyé cette bourse d'études durant mon parcours aux études supérieures.Celle-ci m'aura permis de me concentrer sur l'achèvement de ma maîtrise, en diminuant largement le poids financier présent sur les épaules de tout étudiant.vi RÉSUMÉ Pour les structures de bâtiments en acier de grande hauteur comme les centres sportifs, les hangars d'avions, les bâtiments industriels ou les entrepôts, il est courant d'utiliser des contreventements concentriques en treillis à segments multiples (CCSM).Ces CCSM sont constitués de plusieurs panneaux contreventés superposés sur la hauteur de l'étage.Chacun de ces panneaux est appelé un segment.Cette configuration de contreventements résulte en l'utilisation de diagonales plus courtes, ce qui permet généralement de minimiser l'aire des sections choisies et de respecter plus facilement les critères d'élancement et de rapport largeur sur épaisseur.Des bielles intermédiaires sont placées entre chaque segment contreventé, afin de résister aux efforts axiaux débalancés des diagonales qui surviennent lorsque les diagonales flambent en compression.La redistribution de ces efforts axiaux débalancés au moyen des bielles permet d'éviter un comportement de cadre contreventé en « K », pour lequel les colonnes doivent résister d'importantes sollicitations flexionnelles dans le plan du cadre.Dans des CCSM, les colonnes sont généralement constituées de profilés en I orientés de tel manière à ce que le flambement hors plan survienne autour de l'axe fort du profilé, sur toute la hauteur de l'étage.Les bielles permettent de contreventer latéralement les colonnes à la hauteur de chaque segment contre le flambement autour de l'axe faible.Les résultats d'études antérieures ont démontré que les déformations inélastiques dans les CCSM sont concentrées dans un segment, appelé le segment critique.Deux considérations majeures découlent de ce constat.Tout d'abord, d'importantes déformations inélastiques peuvent survenir dans la diagonale en tension du segment critique, ce qui peut donner lieu à une rupture prématurée par fatigue.Ensuite, la concentration des déplacements inélastiques dans le segment critique entraine des moments de flexion dans les colonnes dans le plan du cadre, ce qui peut mener à des phénomènes d'instabilité.Les codes canadien et américain requièrent que ce comportement soit explicitement considéré lors du dimensionnement de CCSM.Ce projet de recherche porte sur la réponse sismique de systèmes de contreventements pouvant à priori montrer un comportement similaire à ce qui est décrit ci-haut.Le premier type de contreventement étudié est le CCSM à deux baies, où deux CCSM sont placés côte à côte dans des baies adjacentes.Le deuxième système de cadre contreventé à l'étude est le contreventement concentrique en treillis sur deux baies.Celui-ci correspond à un cadre contreventé typique, où les diagonales sont étendues sur deux baies, faisant intersection avec une colonne intermédiaire.Le vii troisième système à l'étude est le cadre contreventé en X séparé.Celui-ci comporte une bielle à mi-hauteur du cadre permettant de contreventer latéralement les colonnes.L'objectif de ce projet de recherche est d'étudier le dimensionnement et le comportement sismique des systèmes de cadre contreventé susmentionnés, pour des bâtiments situés à Vancouver en Colombie-Britannique. Cet objectif fut mené à bien en développant un modèle numérique à l'aide du logiciel OpenSees, lequel permet de simuler adéquatement le comportement inélastique des diagonales de contreventement et des colonnes.La conception d'un CCSM à deux segments a été réalisée selon les codes canadien et américain.Finalement, des analyses temporelles non-linéaires ont été complétées pour les trois systèmes à l'étude.La conception d'un CCSM à deux segments a permis de mettre en évidence des différences clés entre les approches de conception canadienne et américaine.La variation de la demande anticipée en ductilité mène à un poids sismique et un cisaillement à la base différent pour une même section de diagonales.De plus, la conception des colonnes diffère entre les deux codes.La norme canadienne requiert qu'une analyse progressive de la plastification soit réalisée, alors que la norme américaine requiert que la colonne soit suffisamment résistance en flexion pour accommoder le cisaillement débalancé provenant de la résistance probable des panneaux contreventés adjacents.Cela mène à une colonne plus lourde pour la conception américaine.Des analyses temporelles non-linéaires des CCSM à deux baies adjacentes ont été réalisées.Les résultats montrent que la plastification progressive des panneaux contreventés survient de manière analogue à ce qui est observés pour des CCSM à une seule baie.Cette plastification progressive se produit dans différents panneaux, mais également dans différentes baies.La méthode de conception utilisée fut en mesure de prédire adéquatement la séquence de plastification des panneaux, ainsi que la demande flexionnelle en plan des colonnes.Des différences entre les valeurs de conception et les résultats d'analyses pour ce dernier paramètre furent observées en raison des valeurs supposées d'efforts axiaux dans les diagonales durant la conception.Ensuite, il a été déterminé que les déplacements inélastiques au toit sont systématiquement sous-estimés en conception.À contrario, la demande flexionnelle hors-plan des colonnes est surestimée par la méthode de conception, basée sur la norme CSA S16-19.Des analyses temporelles non-linéaires sur les cadres contreventés en X à deux baies ont montré que le comportement des cadres est adéquat, avec ou sans l'utilisation d'une bielle intermédiaire.viii Le comportement des diagonales de contreventement était similaire pour le haut et le bas du cadre, et reflétait les caractéristiques typiques d'un cadre contreventé classique.Lorsqu'une bielle intermédiaire était introduite, les colonnes extérieures développaient une demande en flexion dans le plan du cadre significative, lesquels étaient prédits par la méthode de conception.De plus, lorsque la variation inhérente de la contrainte de plastification de l'acier des diagonales était considérée, il a été déterminé que la colonne intérieure pouvait également être soumise à des efforts de flexion dans le plan du cadre.Finalement, des analyses temporelles non-linéaires ont été menées pour un modèle de contreventement en X séparé.La bielle intermédiaire permettait aux colonnes d'être contreventées latéralement contre le flambement autour de leur axe faible.Par contre, après la plastification des diagonales en tension, le point d'intersection des diagonales subissait des déplacements horizontaux dans le plan du cadre conséquents.Ceux-ci résultaient en un effort axial dans la bielle intermédiaire et dans en des moments de flexion dans les colonnes, supérieurs aux valeurs anticipées en conception.La réponse du cadre montrait des caractéristiques typiques aux CCSM, puisque des déformations inélastiques étaient concentrées dans la partie supérieure des colonnes.

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