Seismic vulnerability analysis of timber-framed masonry structures
Analyse de la vulnérabilité sismique des structures à ossature en bois avec remplissage : essais expérimentaux - modélisation numérique - calculs parasismiques
Résumé
The seismic vulnerabilty is an important issue in the design of a building. The seismicresistant behavior of timber-framed structures is particularly relevant. Two types of timberframedstructures can be distinguished : the timber-framed structures using industrial products,such as wood-products panels used to brace the structure or metal fasteners, and traditionaltimber-framed structures included infill made of natuarl materials (earth or stones masonry).The seismic resistant behavior efficiency of traditional structures remains poorly recognizedbecause of the lack of research results on this kind of construction.Therefore, the thesis aims at improving the seismic behavior knowledge of timber-framedmasonry. Based on the assumption that their behavior is driven by the response of the metalfasteners connections, a multi-scale approach is proposed. It couples experimental and numericalstudies. At the scale 1 of the connection, at the scale 2 of the elementary constitutive cell ofwalls, at the scale 3 of structural elements such as shear walls and finally at the scale 4 of theentire building.In regards to the experimental work, this method allows, on the one hand, to perform parametricstudies and to analyze the influence of each element (wood member, nails, steel strip,infill, bracing, openings) on the local behavior (scales 1 and 2) and on the global behavior(scales 3 and 4) of the structure. On the other hand, it allows to provide a database to validatethe numerical modeling at each scale.In regards to the numerical work, this multi-scale approach allows to take into account thehysteretic behavior of joints in the development of a macro-element at the scale 2. Thus, thanksto a simplified finite element modeling (macro-element assembly), the computational cost islimited and it allows to take into account the local phenomena. The model is able to predictrelatively accurately the dynamic behavior at the scale 4 of the building, tested on a shakingtable.The study, presented herein, is one of the pioneer work that deals with the analysis of theseismic vulnerability of timber-framed structures with infill panels. This study provides outlookfor the analysis of this type of buildings. It confirms that the timbered masonry structures havea relevant seismic resistant behavior.
Les séismes constituent une source d’aléas importante pour l’étude de la vulnérabilité d’unbâtiment. Le comportement parasismique des bâtiments à ossatures en bois est particulièrementintéressant. Deux familles de structure à ossature en bois peuvent être distinguées : les ossaturesutilisant les produits industriels que sont les panneaux en bois reconstitué servant à contreventerla structure et les connecteurs métalliques, et les ossatures traditionnelles avec remplissage reposantsur des techniques de construction anciennes et dépendantes du contexte local. L’efficacitédu comportement parasismique des bâtiments à ossature en bois traditionnels avec remplissagereste encore peu reconnue en raison du manque de résultats issus des travaux de recherche.Les travaux présentés dans cette thèse visent ainsi à améliorer les connaissances sur le comportementparasismique de cette typologie constructive. Partant de l’hypothèse selon laquellece comportement est gouverné par la réponse des assemblages par connecteurs métalliques, uneapproche multi-échelles, couplant études expérimentales et études numériques est développée.Elle détaille l’analyse à l’échelle 1 de la connexion, en passant par l’échelle 2 des cellules élémentaires,constitutives des murs, par l’échelle 3 des murs de contreventement pour se finaliserà l’échelle 4 du bâtiment dans son ensemble.Sur le plan expérimental, cette approche permet d’une part, de réaliser des études paramétriqueset ainsi d’appréhender l’influence de la réponse de chaque élément (bois, clous, feuillard,remplissage, contreventement, ouvertures) sur le comportement local (échelles 1 et 2) et global(échelles 3 et 4) de la structure. D’autre part, elle permet de fournir une base de données pourla validation des modélisations numériques aux différentes échelles.Sur le plan de la modélisation numérique, cette approche multi-échelles est fondée sur la priseen compte du comportement non-linéaire hystérétique des assemblages à l’échelle supérieure, parl’intermédiaire d’un macro-élément, développé dans la cadre de la méthode des éléments finis.Ainsi, grâce à une modélisation simplifiée (assemblage des macro-éléments), le calcul est rapide,aussi bien à l’échelle du mur qu’à celle du bâtiment, et intègre les phénomènes non-linéaire locaux.Le modèle peut ainsi prédire de manière relativement précise le comportement dynamique de lastructure complète à l’échelle 4, testée sur table vibrante.L’étude présentée dans ce manuscrit fait partie des travaux précurseurs relatifs à l’analysede la vulnérabilité sismique des ossatures bois avec remplissage. Cette étude débouche sur denombreuses perspectives pour l’analyse de cette typologie constructive. Elle confirme que les bâtimentsà ossatures en bois avec remplissage ont un comportement parasismique très performant.
Mots clés
Timber-framed with infill panel
Timbered masonry structure
Shear walls
Seismic resistant behavior
Multi-scale analysis
Hysteretic behavior law
Quasi-static and dynamic loadings
Shaking table test
Experimental and numerical studies
Bâtiment à ossature en bois avec remplissage
Connecteurs métalliques
Cellule élémentaire
Murs de contreventement
Comportement parasismique
Modélisation multiéchelles
Loi de comportement hystérétique
Chargements quasi-statique et dynamique
Essais sur table vibrante
Études expérimentales et numériques
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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