Modélisation, identification structurelle et estimation du facteur de comportement pour les bâtiments en maçonnerie géo-sourcée dans les zones sismiques

Modeling, structural identification and behavior factor estimation for geo-sourced masonry buildings in seismic areas

• Auteur / Autrice : Noura Zarzour
• Direction : Maria Paola Santisi d'Avila, Luca Lenti
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur
• Date : Soutenance le 31/10/2024
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Polytech'Lab
• Jury : Président / Présidente : Andrea Penna
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Maria Paola Santisi d'Avila, Luca Lenti, Andrea Penna, Pierfrancesco Cacciola, Cédric Giry, Paolo Morandi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierfrancesco Cacciola, Cédric Giry

Mots clés

Mots clés contrôlés

Résistance des matériaux

Contraintes (mécanique)

Murs porteurs

Construction parasismique

Mots clés libres

Maçonnerie porteuse

Matériaux géo-sourcés

Blocs de terre comprimée

Conception parasismique

Modélisation par portique équivalent

Coefficient de comportement

Load bearing masonry

Geo-sourced materials

Compressed earth blocs

Seismic behavior

Equivalent frame modeling

Behavior factor

Résumé

L'utilisation de nouveaux matériaux de construction à faible émission de carbone dans les zones sismiques nécessite l'évaluation de la ductilité de la structure afin de concevoir correctement le bâtiment. Le manque d'estimation précise de performance structurelle limite l'utilisation de matériaux de construction écologiques. Une méthodologie fiable est établie pour la conception sismique des bâtiments construits par matériaux géo-sourcés. En particulier, un projet pilote de bâtiment en blocs de terre comprimée (BTC) dans une zone sismique moyen-élevé dans le sud de la France est réalisé. Partant de la caractérisation expérimentale des paramètres mécaniques du matériau, l'approche de conception sismique se concentre sur les caractéristiques modales de la structure, la ductilité attendue du bâtiment et l'évaluation des performances sismiques en termes de déplacement et de force.Le modèle de portique équivalent adopté pour la conception structurelle de la maçonnerie porteuse est validé pour deux cas d'étude : un bâtiment en pierre naturelle et un bâtiment en BTC. Le processus de validation du modèle consiste en la comparaison des fréquences naturelles et des déformées modales obtenues par analyse modale numérique et opérationnelle. Dans ce contexte, une campagne de mesure fournit la réponse structurelle aux vibrations ambiantes. Les paramètres modaux et l'amortissement structurel sont ensuite obtenus par des outils d'identification structurelle. L'analyse modale met en évidence l'impact de la rigidité de la dalle en bois sur la réponse dynamique des bâtiments en maçonnerie. Il est montré qu'une dalle en bois plus rigide avec une couche de renforcement améliore le comportement structurel de la maçonnerie sous chargement sismique, conduisant à des déformées modales globales.La vérification de la stabilité de la structure du bâtiment à l'état limite de quasi-effondrement est réalisée en termes de rapport déplacement cible à capacité, mais il est suggéré de vérifier également en termes de force, car cela peut être plus restrictif dans certains cas et moins dépendant de la convergence des procédures numériques. Le coefficient de comportement dans les codes sismiques pour la conception des bâtiments est défini pour les matériaux de construction typiques sur la base de l'observation des dommages et des modèles numériques. Une évaluation spécifique est nécessaire lorsque de nouveaux matériaux de construction sont adoptés parce que les codes du bâtiment ne fournissent que des valeurs limites. Cette thèse propose une procédure d'estimation du coefficient de comportement appliquée aux bâtiments en maçonnerie géo-sourcés, mais elle pourrait être adoptée pour tout matériau de construction. La méthodologie proposée pour estimer le facteur de réduction de force, puis le coefficient de comportement, intègre à la fois la demande sismique et la capacité du bâtiment. Pour cette raison, cette méthodologie peut être considérée comme une approche basée sur la capacité et la demande. Une analyse quasi-statique non linéaire est couplée à des analyses dynamiques et le coefficient de comportement est obtenu sur une base statistique. Les résultats sont comparés avec les estimations obtenues en utilisant des approches basées sur la demande, la capacité et l'approche N2. L'impact de l'adoption d'un modèle de bâtiment tridimensionnel ou d'un système équivalent à un seul degré de liberté avec ces méthodologies est analysé.La méthode proposée basée sur la capacité et la demande fournit, avec un temps de calcul réduit, une estimation fiable du facteur de réduction de force, proche des valeurs obtenues en utilisant l'approche basée sur la capacité appliquée à un modèle de bâtiment tridimensionnel considéré comme référence. Par conséquent, compte tenu de leur fiabilité et de leur efficacité, la méthodologie proposée pour l'estimation du facteur de comportement est adaptée à la pratique professionnelle.

The use of new low-carbon construction materials in seismic areas requires the assessment of the structure ductility in order to properly design the building. The lack of accurate structural performance estimation limits the use of green construction materials.A reliable methodology is established for the seismic design of buildings constructed using geo-sourced materials. In particular, a pilot project of compressed earth block (CEB) masonry building in a medium-high seismic hazard zone in Southern France is developed. Starting from the experimental characterization of material mechanical parameters, the seismic design approach focuses on the modal characteristics of the structure, the expected building ductility, and seismic performance assessment in terms of both displacement and force.The equivalent frame model adopted for structural design of load-bearing masonry is validated for two case studies: a rubble stone masonry building and a CEB masonry building. The model validation process consists of the comparison of natural frequencies and mode shapes obtained by both numerical and operational modal analysis. In this context, a measurement campaign provides the structural response to ambient vibrations and then, the modal parameters and structural damping are obtained by structural identification tools. The modal analysis highlights the impact of timber slab stiffness on the dynamic response of masonry buildings. It is shown that a stiffer timber slab with a reinforced topping improves the structural behavior of the masonry structure under seismic loading, yielding to global mode shapes.The stability verification of the building structure at the near collapse limit state is performed in terms of target to capacity displacement ratio, but it is suggested to verify also in terms of force, since it can be more restrictive in some instances and less dependent on the convergence of numerical procedures.The behavior factor in seismic codes for building design is defined for typical construction materials based on damage observation and numerical models. A specific assessment is needed when new construction materials are adopted because building codes provide only boundary values. This thesis proposes a procedure for estimating the behavior factor that is applied to geo-sourced masonry buildings, but it could be adopted for any construction material. The methodology proposed to estimate the force reduction factor, and then the behavior factor, integrates both the seismic demand and building capacity. For this reason, this methodology can be considered as a capacity-demand-based approach. A nonlinear quasi-static analysis is coupled with dynamic analyses and the behavior factor is obtained on a statistical basis. The results are compared with the estimations obtained using demand-based, capacity-based and N2-based approaches. The impact of adopting a three-dimensional building model or an equivalent single-degree-of-freedom system with these methodologies is analyzed.The proposed capacity-demand-based-method provides, with a reduced computation time, a reliable estimation of the force reduction factor, close to the values obtained using the capacity-based-approach applied to a three-dimensional building model that is considered as a reference. Consequently, considering their reliability and efficiency, the proposed methodology for the behavior factor estimation is suitable for professional practice.