Weak storey behaviour of concentrically braced steel frames subjected to seismic actions

par Daniel Balazs Merczel

Thèse de doctorat en Génie civil

Sous la direction de Mohammed Hjiaj.

Soutenue le 23-01-2015

à Rennes, INSA en cotutelle avec l'Université de Technologie et d'Economie de Budapest , dans le cadre de École doctorale Sciences de la matière (Rennes) , en partenariat avec Laboratoire de génie civil et génie mécanique (LGCGM) (laboratoire) , Université européenne de Bretagne (COMUE) et de Laboratoire de Génie Civil et Génie Mécanique (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Comportement à étage faible des ossatures en acier à contreventement centre soumis à des actions sismiques


  • Résumé

    Les contreventements en acier sont des moyens couramment utilisés pour assurer une rigidité latérale et une résistance aux bâtiments en acier, mais aussi aux bâtiments mixtes acierbéton et aux bâtiments en béton armé. La performance sismique des ossatures contreventées a été étudiée par de nombreux auteurs, la plupart concluent que la réponse réelle de ces ossatures peut différer beaucoup de celle des modèles simplifiés préconisés dans les codes dont l’Eurocode 8. En conséquence, pour obtenir un comportement sismique satisfaisant, ces codes peuvent d’être amendés ou même fondamentalement modifiés. Notre travail de thèse se concentre sur l’éventualité d’un comportement dissipatif localisé sur un étage de l’ossature. Les objectifs de la recherche sont les suivants: - Donner une description plus réaliste de la réponse sismique des ossatures contreventées; - Identifier les facteurs contribuant au développement d’un comportement dissipatif localisé sur un étage; - Examiner la performance des ossatures contreventées dimensionnées conformément à l’Eurocode 8; - Identifier les points faibles des règles de l’Eurocode 8 à l’origine de ce comportement insuffisant; - Proposer une méthode de redimensionnement complémentaire à la procédure actuelle de l’Eurocode 8 faisant appel à d’autres critères et vérifier la validité de cette méthode de redimensionnement sur plusieurs exemples d’ossatures démontrant la disparition complète de mécanismes dissipatifs localisés à un ou quelques étages; Afin de pouvoir apprécier l’insuffisance de l’Eurocode 8 à ce sujet, plusieurs bâtiments ont été dimensionnés selon cet Eurocode et ont été testés par des simulations numériques de type analyse dynamique incrémentale. L’évolution du déplacement relatif maximal entre étages (IDR) en fonction de l’augmentation du facteur d’échelle de l’accélération maximale du sol a été calculée à partir des résultats du calcul numérique. Il est constaté que l’apparition d’étages faibles dans les ossatures contreventées a une nature, progressive et autoamplifiante. La description précise du comportement fournit la possibilité d’une analyse critique des parties correspondantes de l’Eurocode 8 et de proposer une méthode de redimensionnement que nous avons appelé Robust Seismic Brace Design (RSBD). L’idée centrale de la méthode repose sur la nécessité d’utiliser un modèle inélastique d’analyse de la structure à la place du modèle élastique initial. Deux critères essentiels sont introduits dont l’objectif premier est de mieux répartir la dissipation en empêchant la réalisation d’un mécanisme local. Les performances des bâtiments renforcés sont sans exception meilleures que celles des bâtiments originaux; donc la méthode Robust Seismic Brace Design est une bon complément à la procédure de l’Eurocode 8 pour la conception parasismique des ossatures contreventées.


  • Résumé

    The concentric steel bracing is a commonly used way of providing lateral stiffness and resistance in both steel, composite and even concrete multi-storey framed buildings. Also it is an alternative for seismic retrofitting. The seismic performance of concentrically braced frames has been investigated by numerous authors during the past decades as several issues have been identified either related to the actual response, or the seismic design procedure implemented by standards such as the Eurocode 8. The topics are various, e.g. the cyclic dissipative behaviour of axially loaded braces, innovative bracing arrangements and members, controversial requirements imposed on the same members, localization of inelastic deformations related to the so called weak storey behaviour. The conclusion of most of the prior research conducted on the seismic performance of braced steel frames is that the actual response of a braced building differs from that of a simplified model applied by corresponding codes. Consequently, to safeguard satisfactory seismic behaviour, the Eurocode 8 standard in particular needs to be modified or amended. In order to confine the addressed topic to a size that may be discussed sufficiently in the frame of a PhD research, in the present thesis primarily the weak storey behaviour is looked into. The objectives of the research are: - Provide a better description of the seismic response of concentrically braced frames; - Identify the factors contributing to the development of weak storeys; - Investigate the performance of braced buildings designed according to Eurocode 8; - Identify the reasons why the Eurocode 8 designs are found usually inadequate; - Propose a new design method or additional criteria to the existing Eurocode 8 procedure and verify their viability by providing designs that successfully counteract seismic actions without the development of weak storeys; In the dissertation it is demonstrated by the incremental dynamic analysis of several braced frames that the Eurocode 8 provisions do not provide satisfactory designs. The examination of the responses of the designs is used to characterize the behaviour. It is found that the occurrence of weak storeys in braced frames has a specific, gradual, self-amplifying nature. By further analysis of the seismic responses, proof is given to the existence of this specific behaviour. The better description of the behaviour provides the possibility of a critical analysis of the corresponding parts of Eurocode 8 and the basis of the Robust Seismic Brace Design method criteria. These criteria are related to the anticipated inelastic seismic response of braced frames, and with their application in design weak storeys can be easily recognized and reinforced. The performances of the reinforced buildings are without exception better than that of the original Eurocode 8 designs; therefore the Robust Seismic Brace Design method is found to be a good alternative of the Eurocode 8 procedure for the seismic design of concentrically braced frames.


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