L’effet des accélérations verticales sur les composants non structuraux
Achetée sur Istockphoto.com. Droits d’auteur.
Au cours des dernières décennies, de nombreux séismes, comme celui de Northridge en 1994 (magnitude 6,7), ont causé des défaillances et des dommages aux composants non structuraux (CNS) en raison des accélérations verticales du sol. Pourtant, les effets des mouvements verticaux sont généralement omis dans la conception sismique de structures, étant considérés comme mineurs par rapport aux effets des mouvements horizontaux, et l’absence de dispositions dans les codes, comme le CNB 2015, est notable. Dans cette recherche, nous proposons des spectres de conception d’accélération verticale (SCAV) en sols très denses, désignés comme catégorie d’emplacement C à Montréal, dans la zone sismique de l’est du Canada. Aussi, nous avons évalué l’amplification de l’accélération verticale maximale au plancher dans des bâtiments de béton armé (RC) typiques. Mots-clés : composants non structuraux (CNS), mouvement vertical du sol, rapport entre accélération verticale et accélération horizontale (V/H), spectres de conception d’accélération verticale (SCAV), accélération verticale maximale au plancher (AMPV).
Demande de la Composante verticale du mouvement du sol sur les éléments non structuraux
Les éléments du bâtiment qui ne font pas partie des systèmes de résistance latérale ou des éléments porteurs sont désignés composants et systèmes non structuraux (CNS). Ce sont des composants opérationnels et fonctionnels (COF) dans la norme CSA S832 (2014). Les CNS sont classés en composants architecturaux (externes et internes), en services (installations mécaniques et électriques) et en contenu incluant des composants communs et spécialisés comme les ascenseurs (CSA-S832, 2014). La figure 1 montre différents types de CNS, comme la plomberie, l’équipement électrique, la climatisation et les systèmes de de plafonds suspendus.
Figure 1. Composants non structuraux d’un bâtiment typique
La part la plus importante des coûts de construction est liée aux éléments non structuraux, en particulier dans les grands bâtiments comme les hôpitaux et les musées. Par conséquent, les défaillances des CNS peuvent entraîner des pertes financières importantes et des interruptions d’activité. La figure 2 illustre la contribution économique des composants structurels et non structurels dans trois types de bâtiments (Taghavi & Miranda, 2003).
Figure 2. Valeurs relatives des composants pour différents types de bâtiments
Spectres de conception sismiques verticaux dans l’est du Canada
La plupart des codes et des normes, comme l’ASCE/SEI 7-16 (2017) et l’Eurocode 8-1 (2004), proposent des critères de conception de spectres d’accélération verticale, mais le Code national du bâtiment du Canada (CNB, 2015) suggère d’obtenir ce spectre en multipliant les spectres horizontaux par un rapport empirique constant de 2/3. Toutefois, selon des études antérieures (Bozorgnia et al., 1996; Ambraseys & Douglas, 2003; Gülerce & Abrahamson, 2011), ce rapport est surestimé pour les zones éloignées et sous-estimé pour les zones proches. Par conséquent, la force sismique verticale des CNS dans le CNB 2015 sur base sur le rapport constant d’accélération V/H du code, ce qui mène à une évaluation inexacte des réponses des bâtiments situés proches de la faille (Assi et al., 2017).
Dans notre recherche, nous avons calculé les rapports d’accélération V/H pseudo-spectrale (APS) pour 248 enregistrements de 67 séismes historiques dans la région de l’est du Canada, ayant une magnitude ≥ 3,0 et une distance épicentrale (Repi) < 150 km. Les rapports APS V/H moyens ont dépassé la valeur communément utilisée de 2/3, en particulier pour des plages de périodes courtes allant jusqu’à 1,0 s. Des rapports APS V/H de 0,86 pour T ≤ 1,0 sec et de 0,67 pour les périodes plus longues sont suggérés pour la région sismique de l’est du Canada. Par conséquent, nous proposons un spectre de conception d’accélération verticale (SCAV) pour la catégorie d’emplacement C à Montréal correspondant à une périodicité de 2475 ans (probabilité de dépassement de 2 % sur 50 ans), désignée Sver(T) (figure 3). Les spectres horizontaux et verticaux proposés dans l’ASCE/SEI 7-16, l’ASCE 41-17 (SaM) et le CNB 2015 y sont également illustrés.
Figure 3. Spectres de conception d’accélération verticale proposés, Sver(T), et calculés (SCAV) selon l’ASCE/SEI 41-17, l’ASCE/SEI 7-16 (SaM) et le CNB 2015 pour la catégorie d’emplacement C à Montréal
Accélération verticale maximale au plancher (AMPV)
Nous avons évalué la demande en accélération maximale au plancher (AMP) sur les CNS rigides provoquée par le fort mouvement sismique vertical dans des bâtiments en béton armé de 3, 6, 9 et 12 étages. Ces bâtiments, équipés d’une ossature résistant aux moments de ductilité moyenne, conçus selon le CNB (2015), sont présentés à la figure 4
Figure 4. Plan et élévation d’archétypes de bâtiments en béton armé à structure rigide
À cet égard, 65 enregistrements historiques de 31 séismes violents dans le monde ont servi à évaluer l’amplification des accélérations verticales sur la hauteur et au milieu des poutres (cadres intérieurs et extérieurs) et aux nœuds des dalles (celles au centre, au coin et au côté) à différents niveaux des planchers des bâtiments. Nous avons observé une amplification constante normalisée de l’accélération verticale maximale au plancher (AMPV) dans les nœuds de dalle, comme le montre la figure 5, en particulier au centre de la dalle intérieure, atteignant une valeur de 6,0 dans le bâtiment de 3 étages. D’autre part, nous avons évalué l’AMPH normalisée au toit pour souligner à quel point elle différait de la demande d’AMPV normalisée selon la hauteur du bâtiment. Nous avons calculé une amplification médiane de AMPH égale à 1,40 aux toits des bâtiments de 3, 6, 9 et 12 étages, respectivement, ce qui indique que le profil CNB 2015 à croissance linéaire qui donne une amplification de 3,0 au toit est trop conservateur. Les profils calculés et proposés avec une amplification maximale égale à 2,0 au toit sont présentés à la figure 6.
Figure 5. Amplification de l’AMPV normalisée selon la hauteur du bâtiment obtenue à l’aide de l’équation proposée dans cette étude pour l’archétype de bâtiment au centre a) de l’angle, b) du côté, c) des dalles intérieures
Figure 6. Amplification de l’AMPH normalisée selon la hauteur du bâtiment de a) 3 étages, b) 6 étages, c) 9 étages, et d) 12 étages obtenue à l’aide de l’équation proposée dans cette étude en comparaison de celle des codes.
Conclusion
Les rapports V/H de spectres de conception d’accélération verticale ont dépassé le rapport empirique de 2/3 suggéré dans la plupart des codes, à toutes les périodes données, soulignant l’importance de considérer la composante verticale des mouvements de sol dans l’analyse sismique des éléments non structuraux des bâtiments situés dans la région de l’est du Canada.
Les rapports d’accélération maximale verticale-horizontale au plancher (AMPV/AMPH) calculés aux toits des bâtiments dépassent le rapport empirique de 2/3 proposé dans le CNB 2015 et diminuent à mesure au fur et à mesure que la hauteur des bâtiments augmente. Nos résultats soulignent l’importance des hypothèses de modélisation associées à la distribution des masses sismiques actives aux planchers puisque l’amplification des accélérations verticales est étroitement liée à l’emplacement au plancher. De plus, les résultats montrent que l’AMPV normalisée le long de la portée des poutres ou au niveau de la dalle diminue quand la hauteur de la structure augmente. À cet égard, l’AMPV médiane normalisée à la dalle intérieure du toit varie de 4,45 pour le bâtiment de 3 étages à 1,24 pour le bâtiment de 12 étages.
Complément d’information
Pour plus d’information sur cette recherche, veuillez lire les articles suivants :
Mazloom, S., & Assi, R. (2021). Assessment of Vertical Spectral Acceleration Demands in Eastern Canada Seismic Zone. Article présenté au congrès annuel CSCE, Saskatoon.
Mazloom, S., & Assi, R. (2022a). Estimate of V/H Spectral Acceleration Ratios for Firm Soil Sites in Eastern Canada. Soil dynamics and earthquake engineering, 159, 107350.
Mazloom, S., & Assi, R. (2022b). Estimation of the Vertical Peak Floor Acceleration Demands in Linear Elastic RC Moment-Resisting Frame Buildings. Journal of Earthquake Engineering, 1-33.
