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Génie parasismique. Conception et dimensionnement des bâtiments

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Abstract and Figures

Le génie parasismique traite de l'impact des séismes sur les structures et des moyens d'y remédier. Il s'appuie notamment sur une excellente connaissance des méthodes de dimensionnement parasismique, et en particulier du dimensionnement en capacité. Rédigé par deux spécialistes francophones du domaine, cet ouvrage offre une vue exhaustive de l'ensemble des moyens mis à disposition de l'ingénieur pour limiter l'impact des manifestations sismiques sur les constructions. Il montre toute l'importance de la prise en compte des sollicitations sismiques lors de la phase de conception de bâtiments neufs. Il présente et explique en détail les spécificités du comportement sismique et la méthode de dimensionnement en capacité, développée expressément pour le cas sismique. L'application de cette méthode est traitée dans le cadre des normes de construction les plus récentes.
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Presses polytechniques et universitaires romandes
avec la participation de Souad Sellami
Les Pres ses polytechniques et universitaires romandes sont une fondation
scientifique dont le but est principalement la diffusion des travaux
de l’Ecole poly technique fédérale de Lausanne ainsi que d’autres
univer sités et écoles d’ingénieurs.
Le catalogue de leurs publications peut être obtenu par courrier
aux Presses polytechniques et universitaires romandes,
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par téléphone au (0)21 693 41 40, ou par fax au (0)21 693 40 27.
www.ppur.org
Première édition
ISBN 978-2-88074-747-3
© Presses poly techniques et universitaires romandes, 2008
Tous droits réservés.
Reproduction, même partielle, sous quelque forme
ou sur quelque support que ce soit, interdite sans l’accord écrit de l’éditeur.
Imprimé en Espagne
Les auteurs et l’éditeur remercient l’Ecole polytechnique fédérale de Lausa nne
pour le soutien apporté à la publication de cet ouvrage.
La collection «Génie ci vil» est dirigée par le professeur Ma nfred A . Hirt.
Séisme s et construction
Eléments pour non-spécialistes
P. Lestuzzi
Introduction à l’analyse des structures
M.-A. Studer et F. Frey
L’art des s truct ures
Une introduction au fonctionnement des structures en architec ture
A. Muttoni
Conception des charpentes métallique s
M. A. Hirt et M. Crisinel
I
Table des matières
Table des matières ...................................................................................................................... I
1 Introduction ................................................................................................................................. 1
1.1 Contexte, enjeux et significations ................................................................................................. 3
1.2 Objectifs et contenu ...................................................................................................................... 3
1.2.1 Particularités de l’action sismique ...................................................................................... 4
1.2.2 Dimensionnement en capacité ............................................................................................ 6
1.3 Public et organisation .................................................................................................................... 8
1.4 Références ................................................................................................................................... 10
1.5 Remerciements ............................................................................................................................ 10
2 Eléments de sismologie ............................................................................................................. 11
2.1 Introduction ................................................................................................................................. 14
2.1.1 Développement historique de la sismologie ..................................................................... 14
2.1.2 Cause des séismes ............................................................................................................. 14
2.1.3 Distribution géographique des séismes ............................................................................. 16
2.1.4 Mécanismes de rupture des failles .................................................................................... 18
2.1.5 Les différents types d'ondes .............................................................................................. 20
2.1.6 Propagation des ondes sismiques ...................................................................................... 21
2.2 Mesure des mouvements du sol .................................................................................................. 23
2.2.1 Sismographe ..................................................................................................................... 23
2.2.2 Accélérométrie .................................................................................................................. 24
2.2.3 Détermination des paramètres d'un séisme ....................................................................... 24
2.3 Quantifications des séismes à la source et au lieu d'enregistrement .......................................... 28
2.3.1 Magnitudes et grandeurs associées ................................................................................... 28
2.3.2 Définition de l’intensité .................................................................................................... 31
2.3.3 Echelles d'intensité ............................................................................................................ 31
2.3.4 Sismicité et catalogues de séismes .................................................................................... 33
2.3.5 Caractérisation des événements sismiques ....................................................................... 34
2.3.6 Effets des tremblements de terre ....................................................................................... 35
2.4 Aléa sismique .............................................................................................................................. 35
2.4.1 Risque sismique ................................................................................................................ 35
2.4.2 Méthode d'analyse déterministe du danger sismique ........................................................ 36
2.4.3 Méthode d'analyse probabiliste du danger sismique ........................................................ 36
2.4.4 Cartes d’aléa probabiliste .................................................................................................. 41
2.4.5 Microzonage sismique ...................................................................................................... 42
II
Table des matières
2.5 Conclusion du chapitre: la prévention du risque sismique ......................................................... 45
2.6 Etude de cas: le séisme de Boumerdes ....................................................................................... 46
2.7 Résumé et synthèse ..................................................................................................................... 52
2.8 Lectures complémentaires .......................................................................................................... 53
2.9 Références .................................................................................................................................. 53
3 Réponse sismique des structures ............................................................................................. 55
3.1 Introduction ................................................................................................................................ 57
3.2 Les structures face aux séismes .................................................................................................. 57
3.2.1 Types de dégâts ................................................................................................................ 58
3.2.2 Dégât, endommagement ................................................................................................... 63
3.2.3 Gravité (EMS-98) ............................................................................................................. 64
3.2.4 Effet sur les éléments non structuraux (éléments non porteurs, équipements, etc.) ......... 65
3.3 Etude de cas: exemple du séisme de Kocaeli ............................................................................. 66
3.3.1 Le séisme de Kocaeli ........................................................................................................ 66
3.3.2 Dégâts aux immeubles résidentiels et commerciaux ........................................................ 66
3.3.3 Répartition des dégâts ....................................................................................................... 70
3.3.4 Divers ............................................................................................................................... 73
3.3.5 Enseignements .................................................................................................................. 74
3.4 Vulnérabilité sismique ................................................................................................................ 75
3.4.1 Facteurs de vulnérabilité ................................................................................................... 75
3.4.2 Classes de vulnérabilité EMS-98 ...................................................................................... 76
3.4.3 Courbes de vulnérabilité (ou de fragilité) ......................................................................... 77
3.5 Comportement sismique des structures: observation post-sismique .......................................... 79
3.5.1 Influence de l’année de construction sur l’endommagement ........................................... 79
3.6 Comportement sismique des structures: méthodes expérimentales ........................................... 80
3.6.1 Dynamique ....................................................................................................................... 81
3.6.2 Statique-cyclique .............................................................................................................. 87
3.6.3 Pseudo-dynamique ........................................................................................................... 90
3.7 Résumé et synthèse ..................................................................................................................... 92
3.8 Lectures complémentaires .......................................................................................................... 92
3.9 Références .................................................................................................................................. 93
4 Conception des bâtiments ........................................................................................................ 95
4.1 Introduction ................................................................................................................................ 97
4.2 Enjeux de la conception .............................................................................................................. 98
4.3 Forme du bâtiment ...................................................................................................................... 98
4.3.1 Forme en plan ................................................................................................................... 99
4.3.2 Forme en élévation ......................................................................................................... 101
4.4 Système de contreventement .................................................................................................... 105
4.4.1 Refends (voiles) .............................................................................................................. 106
III
4.4.2 Cadres (portiques) ........................................................................................................... 107
4.4.3 Contreventements triangulés .......................................................................................... 109
4.4.4 Systèmes mixtes .............................................................................................................. 110
4.5 Disposition des éléments de contreventement .......................................................................... 111
4.6 Diaphragmes ............................................................................................................................. 113
4.7 Fondations ................................................................................................................................. 114
4.7.1 Fondations superficielles ................................................................................................ 114
4.7.2 Fondations profondes ...................................................................................................... 114
4.7.3 Isolation parasismique .................................................................................................... 115
4.8 Eléments non porteurs .............................................................................................................. 115
4.8.1 Cloisons souples ............................................................................................................. 116
4.8.2 Cloisons rigides .............................................................................................................. 116
4.8.3 Façades ........................................................................................................................... 117
4.8.4 Faux-plafonds et corps d’éclairage ................................................................................. 117
4.8.5 Installations internes et équipements .............................................................................. 117
4.9 Implantation de l’ouvrage ......................................................................................................... 118
4.9.1 Sous-sol ........................................................................................................................... 118
4.9.2 Environnement construit ................................................................................................. 118
4.10 Exemple de conception parasismique ....................................................................................... 119
4.11 Résumé et synthèse ................................................................................................................... 120
4.12 Lectures complémentaires ........................................................................................................ 122
4.13 Références ................................................................................................................................. 122
5 Analyse sismique des bâtiments ............................................................................................. 123
5.1 Introduction ............................................................................................................................... 125
5.1.1 Equation du mouvement ................................................................................................. 126
5.1.2 Masse .............................................................................................................................. 127
5.1.3 Amortissement ................................................................................................................ 128
5.1.4 Force de réaction ............................................................................................................. 128
5.1.5 Accélération du sol ......................................................................................................... 128
5.2 Systèmes linéaires à un degré de liberté (oscillateurs simples linéaires) .................................. 128
5.2.1 Définitions ...................................................................................................................... 128
5.2.2 Méthodes de résolutions ................................................................................................. 129
5.3 Systèmes linéaires à plusieurs degrés de liberté (oscillateurs multiples linéaires) ................... 130
5.3.1 Définitions et équation de base ....................................................................................... 130
5.3.2 Analyse modale .............................................................................................................. 131
5.3.3 Amortissement ................................................................................................................ 134
5.4 Méthode du spectre de réponse ................................................................................................. 134
5.5 Méthode des forces de remplacement ....................................................................................... 136
5.5.1 Accélération spectrale ..................................................................................................... 137
5.5.2 Force globale de remplacement ...................................................................................... 139
5.5.3 Répartition de la force de remplacement sur la hauteur ................................................. 140
5.5.4 Répartition horizontale de la force de remplacement ..................................................... 141
IV
Table des matières
5.6 Systèmes non linéaires ............................................................................................................. 144
5.6.1 Modèles hystérétiques .................................................................................................... 144
5.6.2 Reproduction d’essais dynamiques par les modèles hystérétiques ................................ 146
5.6.3 Résolution ....................................................................................................................... 148
5.6.4 Simulation non linéaire par un supplément d’amortissement visqueux ......................... 149
5.6.5 Dimensionnement avec les coefficients de comportement ............................................ 150
5.6.6 Autres modèles ............................................................................................................... 152
5.7 Analyse de la réponse sismique des structures ......................................................................... 153
5.7.1 Déformations engendrées par les séismes ...................................................................... 153
5.7.2 Approche numérique: séismes naturels .......................................................................... 154
5.7.3 Approche numérique: séismes artificiels ........................................................................ 155
5.7.4 Approche expérimentale: essais dynamiques ................................................................. 158
5.7.5 Règle des déplacements égaux ....................................................................................... 162
5.8 Exemples numériques ............................................................................................................... 163
5.8.1 Bâtiment régulier ............................................................................................................ 163
5.8.2 Bâtiment irrégulier .......................................................................................................... 169
5.8.3 Répartition horizontale des forces d’étage ..................................................................... 171
5.9 Résumé et synthèse ................................................................................................................... 174
5.10 Lectures complémentaires ........................................................................................................ 175
5.11 Références ................................................................................................................................ 176
5.12 Annexe 1: Méthodes de résolution ........................................................................................... 178
5.13 Annexe 2: Oscillateur linéaire à cinq masses (matrices développées) ..................................... 182
5.14 Annexe 3: Exemple de répartition horizontale de la force de remplacement ........................... 186
5.15 Annexe 4: Modèle Takeda et modèle Q ................................................................................... 189
5.16 Annexe 5: Reproduction d’essais dynamiques par les modèles hystérétiques ......................... 192
5.17 Annexe 6: Séismes artificiels ................................................................................................... 195
6 Dimensionnement des bâtiments ........................................................................................... 201
6.1 Introduction .............................................................................................................................. 203
6.2 Détermination des efforts de dimensionnement ....................................................................... 204
6.2.1 Règle des déplacements égaux ....................................................................................... 204
6.2.2 Coefficient de comportement structural ......................................................................... 205
6.3 Dimensionnement conventionnel ............................................................................................. 206
6.4 Dimensionnement en capacité .................................................................................................. 206
6.4.1 Principes du dimensionnement en capacité .................................................................... 206
6.4.2 Premier pas du dimensionnement en capacité ................................................................ 207
6.4.3 Garantie du mécanisme et de la ductilité ........................................................................ 208
6.4.4 Ductilité .......................................................................................................................... 209
6.4.5 Surrésistance ................................................................................................................... 212
6.4.6 Caractéristiques des matériaux ....................................................................................... 213
6.5 Dimensionnement selon les normes suisses SIA ...................................................................... 215
6.5.1 Aléa sismique ................................................................................................................. 215
6.5.2 Spectres de réponse élastique ......................................................................................... 216
V
6.5.3 Classes de sols de fondation ........................................................................................... 217
6.5.4 Spectres de dimensionnement ......................................................................................... 218
6.5.5 Classes d’ouvrages .......................................................................................................... 219
6.5.6 Facteurs d’importance ..................................................................................................... 219
6.5.7 Coefficient de comportement .......................................................................................... 221
6.5.8 Mesures constructives ..................................................................................................... 222
6.5.9 Sécurité structurale et aptitude au service ....................................................................... 223
6.5.10 Force de remplacement ................................................................................................. 224
6.5.11 Eléments non porteurs .................................................................................................. 224
6.6 Dimensionnement selon l’Eurocode 8 ...................................................................................... 226
6.6.1 Classes de sol de fondation ............................................................................................. 226
6.6.2 Spectres de réponse ......................................................................................................... 226
6.6.3 Coefficients d’importance ............................................................................................... 228
6.6.4 Combinaison des composantes ....................................................................................... 228
6.6.5 Limitation des déplacements entre étages ...................................................................... 228
6.7 Dimensionnement selon les normes canadiennes CNBC ......................................................... 229
6.7.1 Le séisme dans le CNBC ................................................................................................ 229
6.7.2 Aléa sismique .................................................................................................................. 229
6.7.3 Sols de fondation ............................................................................................................ 231
6.7.4 Spectres de réponse élastique ......................................................................................... 231
6.7.5 Coefficient de priorité parasismique (I
E
) ........................................................................ 233
6.7.6 Force statique équivalente .............................................................................................. 233
6.7.7 Distribution de la force statique équivalente sur la hauteur ............................................ 234
6.7.8 Coefficient de mode supérieur M
v ........................................................................................... 234
6.7.9 Facteurs de modification de force ................................................................................... 235
6.7.10 Moment de renversement .............................................................................................. 235
6.7.11 Aptitude au service ....................................................................................................... 236
6.8 Résumé et synthèse ................................................................................................................... 237
6.9 Lectures complémentaires ........................................................................................................ 237
6.10 Références ................................................................................................................................. 238
7 Constructions en béton armé ................................................................................................. 239
7.1 Introduction ............................................................................................................................... 241
7.2 Dimensionnement conventionnel ............................................................................................. 241
7.3 Dimensionnement en capacité des refends en béton armé ........................................................ 242
7.3.1 Procédure de dimensionnement en 10 points ................................................................. 242
7.4 Exemple numérique .................................................................................................................. 257
7.4.1 Dimensionnement selon le concept du comportement non ductile (conventionnel) ...... 258
7.4.2 Dimensionnement selon le concept du comportement ductile (en capacité) .................. 261
7.4.3 Comparaison et discussion des résultats ......................................................................... 267
7.5 Résumé et synthèse ................................................................................................................... 269
7.6 Lecture complémentaire ........................................................................................................... 270
7.7 Références ................................................................................................................................. 270
VI
Table des matières
7.8 Annexe 1: Abaque de prédimensionnement ............................................................................. 271
8 Constructions en maçonnerie ................................................................................................ 273
8.1 Introduction .............................................................................................................................. 275
8.1.1 Dimensionnement ........................................................................................................... 275
8.2 Résistance latérale de la maçonnerie non armée ...................................................................... 276
8.2.1 Résistance mécanique de la maçonnerie ........................................................................ 276
8.2.2 Résistance latérale des refends selon la norme suisse SIA 266 ...................................... 276
8.2.3 Autres modèles (formules simplifiées) ........................................................................... 283
8.2.4 Refend comprenant plusieurs étages .............................................................................. 285
8.3 Résistance de la maçonnerie non armée hors de son plan ........................................................ 287
8.3.1 Elancement transversal limite ......................................................................................... 287
8.3.2 Modèles élaborés ............................................................................................................ 288
8.4 Capacité de déformation de la maçonnerie dans son plan ........................................................ 288
8.5 Maçonnerie portant seulement verticalement et maçonnerie non porteuse .............................. 288
8.6 Maçonnerie ductile ................................................................................................................... 289
8.6.1 Armature de la maçonnerie ductile ................................................................................. 289
8.7 Exemples: Résistance latérale des refends en maçonnerie ....................................................... 290
8.7.1 Refend peu élancé de quatre étages ................................................................................ 291
8.7.2 Refend élancé de deux étages ......................................................................................... 294
8.7.3 Refend élancé de trois étages ......................................................................................... 297
8.7.4 Comparaison SIA 266 - Formules simplifiées ............................................................... 300
8.7.5 Synthèse et recommandations d’utilisation .................................................................... 302
8.8 Exemple: bâtiment en maçonnerie non armée .......................................................................... 303
8.8.1 Système de stabilisation horizontale .............................................................................. 303
8.8.2 Caractéristiques principales ............................................................................................ 304
8.8.3 Hypothèses ..................................................................................................................... 304
8.8.4 Modélisation ................................................................................................................... 305
8.8.5 Caractéristiques mécaniques de la maçonnerie .............................................................. 305
8.8.6 Force de remplacement ................................................................................................... 305
8.8.7 Sollicitations des refends au rez-de-chaussée ................................................................. 307
8.8.8 Résistance latérale des refends au rez-de-chaussée selon les formules simplifiées ....... 307
8.8.9 Résistance latérale des refends au rez dans le sens longitudinal selon SIA 266 ............ 308
8.8.10 Sollicitations des refends à la base du dernier étage .................................................... 310
8.8.11 Résistance latérale à la base du dernier étage selon les formules simplifiées .............. 310
8.8.12 Vérification de la déformation des refends de 2.4m de long ....................................... 311
8.8.13 Répartition modifiée des refends dans le sens transversal ........................................... 312
8.8.14 Bâtiment de quatre étages ............................................................................................. 314
8.8.15 Résistance latérale des refends au rez dans le sens longitudinal selon SIA 266 .......... 316
8.8.16 Discussion des résultats ................................................................................................ 319
8.9 Résumé et synthèse ................................................................................................................... 320
8.10 Lecture complémentaire ........................................................................................................... 320
8.11 Références ................................................................................................................................ 321
VII
9 Constructions en acier et en bois ........................................................................................... 323
9.1 Introduction ............................................................................................................................... 325
9.2 Constructions en acier ............................................................................................................... 325
9.2.1 Dimensionnement ........................................................................................................... 325
9.2.2 Particularités des constructions en acier pour la stabilisation latérale ............................ 326
9.2.3 Dimensionnement conventionnel (non ductile) .............................................................. 327
9.2.4 Dimensionnement en capacité (ductile) .......................................................................... 327
9.3 Constructions en bois ................................................................................................................ 330
9.3.1 Dimensionnement ........................................................................................................... 330
9.3.2 Types de structures (A à D) ............................................................................................ 330
9.3.3 Dimensionnement non ductile ........................................................................................ 331
9.3.4 Dimensionnement ductile ............................................................................................... 331
9.4 Lectures complémentaires ........................................................................................................ 333
9.5 Références ................................................................................................................................. 333
1
1 Introduction
2
Introduction
Les événements sismiques provoquent catastrophes et désolations
Après chaque tremblement de terre majeur, le même constat se répète. Pourquoi les dévastations
semblent-elles se renouveler inlassablement? Est-ce une fatalité? N’y a-t-il aucun moyen de les évi-
ter ou de les atténuer? Evidemment, ce n’est pas le cas et le contenu de cet ouvrage apporte aux cons-
tructeurs les moyens de limiter les dégâts provoqués par les secousses sismiques.
Le cliché a été pris dans la ville d’Adapazari, après le séisme qui a frappé la région d’Izmit, à l’ouest
de la Turquie, le 17 août 1999. Adapazari a été une des agglomérations les plus fortement touchée.
Photo M. Badoux et P. Lestuzzi, mission de reconnaissance SGEB.
Contexte, enjeux et significations
3
1.1 Contexte, enjeux et significations
Le génie parasismique est la branche de l’art de l’ingénieur qui traite de l’impact des séismes sur les
structures et les moyens de les réduire. Chaque tremblement de terre majeur amène son lot de dévasta-
tions. Ces images de désolations interpellent directement les constructeurs. Quels sont les moyens
d’éviter, ou tout au moins de limiter, les dégâts et les catastrophes provoqués par les secousses sismi-
ques? Quelles sont les erreurs à ne pas commettre? Bien que le comportement sismique réel des structu-
res soit très complexe, des réponses simples à ces questions existent. Comme il n’est pas possible d’agir
sur la cause, la construction parasismique constitue le principal et meilleur moyen de réduire le risque.
Bien que le pouvoir destructeur des séismes soit connu depuis la nuit des temps, des moyens effica-
ces de prévention sismique pour les bâtiments n’ont été développés que récemment. Les premières ten-
tatives de mesures parasismiques remontent au moins à l’époque de la Grèce antique où des temples ont
été construits sur une couche de sable, vraisemblablement pour isoler les édifices du sous-sol. De nos
jours, l’ingénieur dispose de méthodes permettant de garantir un comportement favorable des structures
face aux séismes. Ces méthodes considèrent les spécificités de l’action des tremblements de terre et
tirent parti des particularités de la réponse sismique des structures. Cependant, les séismes étant des évé-
nements rares et imprévisibles, il n’est pas raisonnable de vouloir que les constructions ressortent abso-
lument indemnes de tous les tremblements de terre. Dans ce sens, l’objectif premier de la construction
parasismique consiste généralement à éviter l’effondrement des bâtiments pour sauver les vies humai-
nes. En ce qui concerne les bâtiments nouveaux, les moyens pour atteindre cet objectif sont connus et
aisément applicables. Ces moyens concernent principalement la conception de la structure et les détails
constructifs.
Quoi qu’il en soit, dans l’exercice de leur activité, tous les acteurs de la construction devraient toujours
garder à l’esprit l’expression qui rapelle que
ce ne sont pas les séismes, mais bien les bâtiments qui
tuent!
1.2 Objectifs et contenu
L’objectif principal de cet ouvrage est d’introduire les méthodes modernes de dimensionnement
parasismique, en particulier le dimensionnement en capacité. Afin de bien saisir les principes de base du
dimensionnement en capacité, il importe de comprendre tout d’abord les particularités du comporte-
ment sismique des structures. En effet, le dimensionnement en capacité intègre ces particularités avec,
pour conséquence, un renversement du raisonnement de l’ingénieur par rapport à un dimensionnement
conventionnel. L’attention de l’ingénieur doit être tournée vers la capacité (d’où le nom de la méthode)
de la structure plutôt que vers les charges, moins bien connues, qui la sollicitent.
Un autre objectif, plus général, est de mettre en évidence l’importance prépondérante que revêt la
conception par rapport à l’analyse et au dimensionnement, dans le cadre parasismique. L’étude des
dégâts sismiques typiques permet de prendre conscience de l’impact de déficiences, d’apparence anodi-
nes, sur la vulnérabilité des structures. Les sollicitations sismiques exacerbent les moindres défauts; les
fautes de conception ne peuvent pas être rattrapées par des calculs aussi élaborés soient-ils. Autrement
dit, en ce qui concerne le comportement d’un bâtiment pendant un séisme
mieux vaut une structure
bien conçue et mal calculée qu’une structure bien calculée, mais mal conçue
. A côté de la concep-
tion proprement dite, les détails constructifs ont également leur importance car leur défaillance peut
conduire à l’effondrement de la structure complète.
4
Introduction
Le contenu de cet ouvrage concerne principalement les constructions nouvelles. Bien que les princi-
pes généraux exposés s’appliquent sans autres à toutes les constructions, les structures existantes cons-
tituent un problème plus ardu. Sur le plan parasismique, l’élément essentiel qui distingue les ouvrages
neufs des ouvrages existants concerne le coût des mesures. Pour les constructions neuves, le coût de
l’application des prescriptions des nouvelles normes de construction est quasiment négligeable. Des
études ont montré que le surcoût se monte au plus à quelques pour cent du montant du gros œuvre. A
titre de comparaison, c’est moins cher que l’installation d’un paratonnerre! Par ailleurs, ce coût peut être
notablement réduit avec une conception adéquate de la structure porteuse. Pour les constructions exis-
tantes, c’est un tout autre problème. Contrairement aux constructions neuves, aucun choix bénéfique
quant à la conception de la structure ne peut évidemment être effectué. En outre, leur assainissement
parasismique est très coûteux, pouvant atteindre plusieurs dizaines de pour cent de la valeur de l’objet.
Par ailleurs, pour ces constructions, seules les méthodes de dimensionnement conventionnelles ont
généralement été utilisées et la révision à la hausse du danger sismique accompagnant la dernière édi-
tion des normes de construction les pénalise directement. Par conséquent, des approches différentes sont
nécessaires pour les constructions nouvelles et pour les constructions existantes. Une telle approche
basée sur les concepts de proportionnalité et d’exigibilité dans le contexte de la réduction du risque et
des coûts d’intervention a été récemment introduite en Suisse. Formalisée dans un document annexe des
normes suisses de construction, le cahier technique SIA 2018 [1.1], elle permet, entre autres, de fixer
des limites d’investissements raisonnables. Une brève description des principes de base de ce document
se trouve dans [1.2]. D’un point de vue technique, pour les constructions existantes, toute marge de
sécurité ou prescription excessives entraînent des coûts supplémentaires; ce qui n’est pas le cas des nou-
velles constructions. Par conséquent, les structures existantes requièrent des méthodes plus sophisti-
quées qui permettent d’approcher au mieux le comportement sismique réel des structures. Ces métho-
des, comme celle basée sur les déformations, ne sont pas abordées ici.
Une large place est réservée aux aspects expérimentaux. Il s’agit là encore d’une caractéristique du
comportement sismique des structures. En raison de la complexité des phénomènes mis en jeu, il ne se
laisse pas facilement appréhender par les outils analytiques habituels des ingénieurs. Dans ce domaine,
l’expérimentation reste incontournable. Pour mettre cette particularité en évidence, chaque fois qu’il est
possible, des résultats d’essais sont utilisés pour étayer et illustrer les thèmes abordés.
Le séisme n’a pas toujours été au centre des préoccupations. Particulièrement dans les régions modé-
rément exposées, comme la Suisse, le problème sismique a été longtemps sous-estimé, voire ignoré. En
Suisse, le séisme n’apparaît, timidement, que dans l’édition de 1970 de la norme SIA 160. Ensuite, sa
présence a été notablement renforcée dans l’édition de 1989, mais uniquement en relation avec le
dimensionnement conventionnel. En 2003, les normes de construction suisses ont subi une importante
évolution pour les rendre compatibles avec les Eurocodes. A cette occasion, les aspects sismiques y ont
été considérablement améliorés, en particulier grâce à l’introduction du dimensionnement en capacité.
Cet ouvrage a également pour objectif de faciliter l’application de ces nouvelles normes. Pour cette rai-
son, les exemples numériques sont effectués selon les prescriptions et les notations des normes SIA 260
et suivantes.
1.2.1 Particularités de l’action sismique
Un séisme est un événement violent et extraordinaire qui entraîne les structures loin au-delà de leur
domaine élastique. Cependant, si les secousses sismiques provoquent des catastrophes, c’est surtout
parce qu’elles agissent sur les structures d’une façon très particulière, bien différente de celle des autres
Objectifs et contenu
5
charges. Par rapport aux charges habituelles, les charges sismiques possèdent les trois spécificités sui-
vantes:
• horizontale (principalement)
• cyclique
dynamique et charge interne
La réunion de ces particularités fait des sollicitations sismiques un cas à part dans l’ensemble des char-
ges que doit supporter une structure, au point que l’intuition et le bon sens, même ceux des spécialistes
des structures, sont fréquemment mis en défaut.
Durant un séisme, la base d’une structure est soumise à de brusques accélérations, dans toutes les
directions. Cependant, les accélérations sismiques sont principalement horizontales, la composante ver-
ticale étant généralement moindre. C’est précisément le caractère horizontal des accélérations sismiques
qui est particulièrement redoutable pour les structures car ces dernières sont généralement prévues pour
résister à des charges essentiellement verticales (voir figure 1.1). En effet, les sollicitations auxquelles
les structures doivent habituellement faire face sont en grande majorité verticales (le vent agit sur les
structures également de manière horizontale, mais son intensité est généralement beaucoup plus faible
que celle des séismes).
Contrairement aux charges habituelles, les sollicitations sismiques agissent de manière alternée,
dans un mouvement brutal de va-et-vient qui se répète plusieurs fois. L’aspect cyclique du séisme laisse
des signatures caractéristiques, telles les fissures en croix dans les éléments fragiles comme les murs en
maçonnerie. Couplé au fait que les séismes sollicitent les structures loin dans leur domaine plastique,
l’aspect cyclique est particulièrement ravageur car il est lié à une dégradation rapide et progressive de la
résistance de la structure.
Par rapport aux charges qui sollicitent habituellement les structures, les charges sismiques ont la par-
ticularité de ne pas être des charges externes car elles sollicitent les structures à travers les mouvements
du sol en fonction de la réponse de l’ouvrage, en actionnant les forces d’inertie. En d’autres termes, elles
dépendent de la réponse de la structure. Tout d’abord, les charges sismiques ne peuvent pas être définies
sans tenir compte du comportement de la structure. Une charge traditionnelle, comme le poids d’un
équipement par exemple, ne dépend pas du comportement de la structure. La charge est rigoureusement
la même sur une structure robuste comme un bunker ou une structure flexible comme une tente. Quelle
Figure 1.1: Le caractère principalement horizontal des sollicitations sismiques est particulièrement ravageur pour
les structures.
6
Introduction
que soit la déformation qu’elle imprime à la structure, son intensité n’est pas modifiée, c’est évident. En
revanche, pour un séisme ce n’est pas le cas. A l’instar de la fable du chêne et du roseau, le séisme
frappe de plein fouet une structure rigide, comme le chêne, alors qu’une structure moins résistante,
comme le roseau, aura la possibilité de se soustraire à l’action sismique, si elle est suffisamment souple
et déformable. La solution extrême consiste à découpler la structure du sous-sol en la mettant sur des
appuis souples très déformables. C’est l’isolation sismique. Dans ce cas, le séisme n’agit plus du tout
sur la structure, seuls les appuis sont sollicités par des déformations importantes.
Cette caractéristique particulière des séismes a des conséquences qui vont à l’encontre de l’intuition
de l’ingénieur. Pour illustrer un cas traditionnel, prenons l’exemple d’un pont pas assez résistant pour
les charges prévues. Il ne viendrait à l’esprit de personne, dans ce cas, de proposer un affaiblissement de
la structure pour résoudre le problème. Bien entendu, une telle solution n’a pas de sens car la charge est
toujours la même. En revanche, le renforcement n’est en général pas la meilleure solution dans un pro-
blème sismique similaire. En effet, contrairement à l’intuition, une structure affaiblie a beaucoup de
chance de mieux se comporter lors d’un séisme que la même structure renforcée car elle a alors la pos-
sibilité de se soustraire aux sollicitations sismiques. Le secret d’une telle solution réside dans le fait que
les charges sismiques sont différentes des charges habituelles. Une structure souple comme un roseau
n’attirera qu’une faible sollicitation sismique et ne sera donc pas détruite par un événement violent.
Concrètement, il faut plutôt penser à réduire les éléments de stabilisation plutôt que de se ruer aveuglé-
ment sur un renforcement de la structure. A l’extrême, dans des cas désespérés comme certains monu-
ments historiques très vulnérables, la solution de l’isolation sismique peut être envisagée.
1.2.2 Dimensionnement en capacité
Le dimensionnement en capacité évite de manière élégante l’écueil du comportement sismique com-
plexe des structures. Au lieu de se focaliser sur les sollicitations, dont la détermination reste très impré-
cise, il se base sur la capacité de la structure en visant à lui conférer les aptitudes nécessaires à supporter
favorablement les sollicitations sismiques par la dissipation de l’énergie sous forme de déformations
plastiques. La méthode vise en premier lieu à garantir un comportement ductile adéquat de la structure.
Pour cette raison, elle est assortie de règles de construction qui permettent d’assurer effectivement la
ductilité des différents éléments qui composent la structure.
Schématiquement, le dimensionnement en capacité peut être illustré par l’exemple d’une chaîne en
traction. Son application conduit à une chaîne dont un des maillons est volontairement affaibli par rap-
port aux autres (figure 1.2, à droite). En revanche, un dimensionnement conventionnel conduit à une
chaîne avec des maillons identiques (figure 1.2, à gauche). L’avantage du concept du dimensionnement
en capacité apparaît clairement en considérant la capacité de déformation de la chaîne. En effet, la rup-
ture est assurément localisée dans le maillon affaibli qui peut être conçu spécialement pour être très
déformable. Ainsi, même avec les autres maillons plus résistants, mais fragiles, l’insertion d’un maillon
affaibli permet d’assurer une capacité de déformation importante à l’ensemble de la chaîne. Pour obtenir
la même capacité de déformation avec le dimensionnement conventionnel, il faut conférer une capacité
de déformation importante à tous les maillons de la chaîne car la rupture peut intervenir sur n’importe
lequel. L’analogie du fusible peut également convenir à l’illustration schématique du dimensionnement
en capacité. La mise en place d’un fusible (le maillon affaibli dans l’exemple de la chaîne) permet de
protéger les autres éléments du système qui acquiert alors la capacité de déformation du fusible.
Dans le cas des structures, l’ingénieur choisit les endroits où les déformations plastiques doivent se
concentrer (zones plastiques) en cas de séisme. Il conçoit ces zones de manière à ce qu’elles puissent
supporter ces déformations, sans menacer la capacité de la structure à porter les charges verticales. Le
Objectifs et contenu
7
reste de la structure, en particulier les zones adjacentes aux zones plastiques, est renforcé pour garantir
son maintien dans l’état élastique même lorsque les zones plastiques développent leur résistance effec-
tive (capacité). De cette manière, une hiérarchie claire des résistances est établie. Cette hiérarchie pré-
vient les plastifications intempestives et garantit un comportement sismique favorable de la structure. En
caricaturant à l’extrême, la différence entre les méthodes de dimensionnement, dans le cas du béton
armé, peut être schématisée par la figure 1.3. Alors qu’avec le dimensionnement conventionnel, les bar-
res de gros diamètres sont disposées à la base, en fonction des efforts, elles se retrouvent dans la partie
supérieure avec le dimensionnement en capacité. La zone plastique à la base est conçue comme un fusi-
ble. Il faut encore relever que le principe du dimensionnement en capacité repose sur l’exclusion des
ruptures non ductiles. Les ruptures non ductiles peuvent apparaître sous différentes formes en fonction
des matériaux de construction. Dans le cas du béton armé, il s’agit des ruptures par efforts tranchants et,
dans le cas de l’acier, des phénomènes d’instabilité.
Figure 1.2: Le principe du dimensionnement en capacité peut être schématiquement illustré par une chaîne. Un
dimensionnement conventionnel conduit à une chaîne avec des maillons identiques (à gauche). La rupture peut
intervenir sur n’importe quel maillon. Dans un dimensionnement en capacité, un maillon est délibérément choisit
plus faible que les autres (à droite). La rupture est assurément localisée sur ce maillon qui peut être construit spécia-
lement pour être très déformable, assurant ainsi une capacité de déformation importante à la chaîne entière.
Figure 1.3: Comparaison schématique du résultat de l’application du dimensionnement conventionnel et du dimen-
sionnement en capacité dans le cas du béton armé. Dans le dimensionnement conventionnel (à gauche), l’armature
est disposée en fonction des efforts; les gros diamètres se trouvent à la base. En revanche, dans le dimensionnement
en capacité (à droite), un fusible est prévu à l’endroit des efforts maximaux et le reste de la structure est renforcé
pour garantir son maintien dans le domaine élastique; les gros diamètres se trouvent dans la partie supérieure.
??
??
??
??
zone
plastique
8
Introduction
1.3 Public et organisation
Ce livre s’adresse en premier lieu aux ingénieurs civils. C’est l’ouvrage de référence pour le cours de
génie parasismique destiné aux étudiants de master de la section de Génie Civil de l’EPFL. Par consé-
quent, une certaine connaissance de base de mécanique des structures et de dimensionnement est
requise. Par ailleurs, les étudiants de master de l’EPFL ayant un cours de dynamique des structures obli-
gatoire au programme, le chapitre concernant l’analyse ne revient pas sur les bases de cette branche,
considérées comme acquises. Toutefois, quelques ouvrages cités à la fin de ce sous-chapitre permettent
de combler aisément cette lacune, le cas échéant. A l’opposé, pour les non spécialistes, un autre livre,
expressément rédigé de manière à être accessible à tous les acteurs de la construction (entrepreneurs,
architectes, etc.), est également cité à la fin de ce sous-chapitre.
Le livre est organisé en neuf chapitres:
1) Introduction
2) Eléments de sismologie
3) Réponse sismique des structures
4) Conception parasismique
5) Analyse parasismique des bâtiments
6) Dimensionnement parasismique
7) Constructions en béton armé
8) Constructions en maçonnerie
9) Constructions en acier et en bois
Le chapitre 2 est consacré aux bases de la sismologie. La sismologie étant une science à part entière,
l’objectif de ce chapitre est de passer en revue les bases de la sismologie utile à l’ingénieur de structures.
Sa rédaction a été confiée à une spécialiste du domaine, le Dr Souad Sellami. Il s’agit ici de comprendre
les phénomènes en jeu et d’être à même d’apprécier les informations fournies par les sismologues.
Le chapitre 3 concerne la réponse sismique des structures, d’un point de vue phénoménologique. Le
but de ce chapitre est de bien comprendre la spécificité de l’action sismique et ses conséquences sur les
structures. Le chapitre débute par une description des principaux dégâts sismiques et enchaîne sur le cas
du séisme d’Izmit en Turquie en 1999, pour les illustrer. Le chapitre se termine par la description des
méthodes expérimentales couramment utilisées pour tester et examiner le comportement sismique des
structures ou de leurs éléments.
Le chapitre 4 est le chapitre central de cet ouvrage; il concerne la conception. La conception des
structures est primordiale dans le domaine sismique car une erreur de conception ne peut pas être rattra-
pée par un calcul aussi élaboré soit-il. Par ailleurs, des détails d’apparence anodins comme les étriers
repliés à 90° au lieu de 135° ou un remplissage partiel avec de la maçonnerie, par exemple, peuvent
avoir des conséquences catastrophiques sur le comportement sismique de la structure. Dans ce contexte,
le maître-mot est régularité.
Le chapitre 5 est plus technique. Il concerne les méthodes d’analyse des structures. Bien que le com-
portement soit extrêmement complexe, parce que dynamique, cyclique et non linéaire, le dimensionne-
ment de structures nouvelles ne requiert pas de méthodes d’analyse sophistiquées. Dans le cas courant
de bâtiments réguliers, la méthode des forces de remplacement est suffisante. La méthode du spectre de
réponse est nécessaire pour les structures moins régulières. Les méthodes d’analyse non linéaire sont
Public et organisation
9
brièvement exposées. Elles permettent de comprendre l’essence de la réponse sismique des structures à
l’aide d’oscillateurs simples non linéaires. Sur cette base, la règle empirique des déplacements égaux est
expliquée et validée numériquement et expérimentalement. Pour rendre ce chapitre plus lisible, une par-
tie des développements ont été relégués en annexe. Ainsi, par exemple, le texte principal contient les
équations en écriture matricielle condensée alors que les matrices sont développées dans une annexe.
Le chapitre 6 est consacré au dimensionnement proprement dit. Il se concentre sur les principes de
base du dimensionnement en capacité. Les méthodes de dimensionnement conventionnel ne sont pas
traitées car elles ne sont pas particulières au domaine parasismique. Le chapitre se termine par un large
résumé des aspects sismiques de la norme de construction suisse SIA 261, de l’Eurocode 8 et de la
norme canadienne CNBC.
Le chapitre 7 est consacré aux constructions en béton armé en se focalisant sur la mise en pratique du
dimensionnement en capacité. Le cas des refends en béton armé est examiné en détail car il s’agit d’une
solution simple et robuste, qui de plus est aisément applicable et particulièrement bien adaptée aux sol-
licitations sismiques. Les refends sont considérés comme des consoles verticales avec une zone plasti-
que située à leur base. L’effort principal de l’ingénieur consiste alors à assurer la capacité de déforma-
tion de la zone plastique par des détails constructifs adéquats. Le dimensionnement conventionnel et le
dimensionnement en capacité sont enfin comparés sur la base d’exemples numériques de bâtiments con-
crets.
Le chapitre 8 concerne les constructions en maçonnerie. Il aborde surtout le dimensionnement de la
maçonnerie non armée car, dans beaucoup de régions comme en Suisse par exemple, l’utilisation de la
maçonnerie armée n’est malheureusement (en ce qui concerne la résistance au séisme) pas répandue. Le
début du chapitre décrit en détail la détermination de la résistance latérale des refends en maçonnerie.
Les méthodes de la norme de construction suisse SIA 266 ainsi que des méthodes simplifiées proposées
dans d’autres normes sont expliquées et comparées. De nombreux exemples numériques illustrent
l’application de ces méthodes. Un exemple de dimensionnement d’un bâtiment en maçonnerie termine
le chapitre.
Le chapitre 9 traite succinctement des constructions en acier et des constructions en bois. En ce qui
concerne le cas de l’acier, il aborde d’abord le dimensionnement conventionnel en discutant les types de
structures qui doivent obligatoirement être dimensionnées de cette manière. Les modalités d’application
du dimensionnement en capacité relatives au cas de l’acier sont ensuite exposées. Etant donné que
l’acier est un matériau particulièrement ductile, les zones plastiques doivent par conséquent se situer
dans les éléments de structure et non dans les assemblages qui, eux, doivent être absolument protégés
contre toutes plastifications. En revanche, dans le cas du bois, l’application du dimensionnement en
capacité conduit à disposer les zones plastiques dans les assemblages car le bois n’est pas un matériau
ductile.
A la fin des chapitres, les éléments essentiels sont systématiquement regroupés sous forme de synthèse
dans la dernière section afin d’en faciliter l’assimilation. Une série de lectures complémentaires est éga-
lement proposée. Ces dernières ne sont pas indispensables à la compréhension de la matière, mais elles
ont été sélectionnées pour guider le lecteur désireux d’élargir ou d’approfondir le sujet.
10
Introduction
En ce qui concerne les bases de la dynamique des structures spécifiquement appliquées au cas sismique
(prérequis pour ce livre), elles peuvent être acquises dans les ouvrages suivants:
-Paultre P.:
Dynamique des structures
. ISBN 2-7462-0893-8. Hermes Science, Lavoisier, Paris,
France, 2005.
-Chopra A. K.:
Dynamics of Structures
. ISBN 0-13-521063-1. Prentice-Hall, Inc., Englewood
Cliffs, New Jersey, 1995.
-Lestuzzi P.:
Analyse et dimensionnement sismiques des structures
. Collection TECHNOSUP,
Ellipses, à paraître.
Pour les non spécialistes, le livre suivant a été expressément rédigé de manière à être accessible à tous
les acteurs de la construction (entrepreneurs, architectes, etc.):
- Lestuzzi P.:
Séismes et constructions. Eléments pour non spécialistes
. PPUR, à paraître.
1.4 Références
[1.1] SIA 2018 (cahier technique):
Vérification de la sécurité parasismique des bâtiments existants
. Société
Suisse des Ingénieurs et des Architectes. Zurich, 2004.
[1.2] Lestuzzi P.:
Séismes et constructions. Eléments pour non spécialistes
. PPUR, à paraître.
1.5 Remerciements
Les membres du groupe de dynamique des structures du laboratoire d’Informatique et de Mécanique
Appliquées à la Construction (IMAC) de la Section de Génie Civil (SGC) de l’EPFL ont apporté leur
contribution à la rédaction de cet ouvrage. Il s’agit des Dr Mohamed ElGawady, Christian Greifenha-
gen, Youssef Belmouden ainsi que de Mylène Devaux et de Hugo Pelletier. Les auteurs tiennent éga-
lement à remercier les Dr Aloïs Sommer, Vincent Pellissier et Blaise Rebora ainsi que Michel Crisinel
pour leurs remarques, leurs critiques et leurs conseils avisés. Le chapitre 8 a grandement bénéficié des
discussions avec les membres de la commission de la norme SIA 266, en particulier avec son président,
le prof. Joseph Schwartz et avec les Dr Kerstin Pfyl-Lang et Nebojsa Mojsilovic. Les auteurs remercient
également Jean-Louis Guignard pour sa contribution aux illustrations.
Références 93
3.9 Références
[3.1] Studer J., Badoux M., Bertogg M., Göksu E., Isler P., Lestuzzi P., Smit P., Thiele K., Tiniç S., Zwicky P.:
Erdbeben in der Westtürkei vom 17. August 1999: Erkundungsmission der Schweizer Gesellschaft für Erd-
bebeningenieurwesen und Baudynamik (SGEB). Schweizer Ingenieur und Architekt SI+A, Heft 43/99,
Zürich 1999.
[3.2] Badoux M., Studer J., Göksu E., Lestuzzi P.: Le Séisme de Kocaeli en Turquie: Mission de Reconnaissance.
Ingénieur et Architecte Suisse IAS, no 01/02, Lausanne 2000.
[3.3] Bachmann H.: Conception Parasismique des Bâtiments – Principes de Base à l’Attention des Ingénieurs,
Architectes, Maîtres d’Ouvrage et Autorités. Directives de l’OFEG. Berne, 2002.
[3.4] Lateltin O., Duvernay B., Faeh D., Giardini D., Lacave C., Tissières P., Widmer F.: Principe pour l’établis-
sement et l’utilisation des études de microzonage en Suisse. Directives de l’OFEG. Berne, 2004.
[3.5] Grünthal G., Musson R. M. W., Schwarz J., Stucchi M.: L’Echelle Macrosismique Européenne (European
Macroseismic Scale 1998, EMS-98). Cahiers du Centre Européen de Géodynamique et de Séismologie,
Volume 19. ISBN 2-9599804-3-3. Conseil de l’Europe, Luxembourg 2001.
[3.6] Brennet G., Peter K., Badoux M.: Vulnérabilité et risque sismique de la ville d’Aigle. Inventaire sismique et
vulnérabilité du bâti traditionnel. Laboratoire de Construction en Béton, IS-BETON, EPFL, Lausanne
2001.
[3.7] Pellissier V., Badoux M.: Vulnérabilité et risque sismique de la ville d’Aigle. Estimation du risque sismi-
que. Laboratoire de Construction en Béton, IS-BETON, EPFL, Lausanne 2003.
[3.8] DRM: Microzonation for earthquake risk mitigation (MERM). World Institute for Disaster Risk Manage-
ment (DRM).
[3.9] Lestuzzi P., Wenk T., Bachmann H.: Dynamische Versuche an Stahlbetontragwänden auf dem ETH-Erdbe-
bensimulator. Institut für Baustatik und Konstruktion, ETH Zürich. Bericht no. 240, ISBN 3-7643-6162-X.
Birkhäuser Verlag, Basel 1999.
[3.10] Dazio A., Wenk T., Bachmann H.: Ver suche an Stahlbetontragwänden unter zyklisch-statischer Einwi-
rkung. Institut für Baustatik und Konstruktion, ETH Zürich. Bericht no. 239, ISBN 3-7643-6149-2.
Birkhäuser Verlag, Basel 1999.
[3.11] Greifenhagen C., Lestuzzi P.: Static-cyclic tests on low reinforced concrete shear walls. Engineering Struc-
tures, Vol 27/11, 2005, pp. 1703-1712.
[3.12] Thiele K., Wenk T., Bachmann H.: Pseudo-dynamische Versuche an Stahlbetontragwänden. Institut für
Baustatik und Konstruktion, ETH Zürich. Bericht no. 240, ISBN 3-7643-6162-X. Birkhäuser Verlag, Basel
1999.
[3.13] ElGawady M. A., Lestuzzi P., Badoux M.: Dynamic tests on unreinforced masonry walls before and after
upgrading with composites. Informatique et Mécanique Appliquées à la Construction, IS-IMAC, EPFL.
Rapport no. 1. Lausanne 2003.
[3.14] ElGawady M. A., Lestuzzi P., Badoux M.: Static cyclic response of masonry walls retrofitted with fiber-
reinforced polymers. ASCE journal of composites for construction, Vol 11/1, 2007, pp. 50-61.
[3.15] Bachmann H., Wenk T., Baumann M., Lestuzzi P.: Der neue ETH-Erdbebensimulator. Schweizer Ingenieur
und Architekt SI+A, Heft 4/99, Zürich 1999.
[3.16] Lestuzzi P.: Dynamisches plastisches Verhalten von Stahlbetontragwänden unter Erdbebeneinwirkung.
Dissertation ETH Nr. 13726, Zürich 2000.
[3.17] Lestuzzi P., Bachmann H.: Displacement ductility and energy assessment from shaking table tests on RC
structural walls. Engineering Structures, Vol 5/1, 2007, pp. 1708-1721.
[3.18] Paulay T., Priestley M. J. N.: Seismic Design of Reinforced Concrete and Masonry Buildings. ISBN 0-471-
54915-0. John Wiley & Sons, New York 1992.
[3.19] New Zealand Standard (norme): Concrete Structures. Part 1: The Design of Concrete Structures, Part 2:
Commentary. Standards New Zealand, Wellington 1995.
176 Analyse sismique des bâtiments
5.11 Références
[5.1] Chopra A. K.: Dynamics of Structures. ISBN 0-13-521063-1. Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs, New
Jersey, 1995.
[5.2] Clough R. W., Penzien J.: Dynamics of Structures. ISBN 0-07-011392-0. McGrawHill Kogakusha, Ltd,
Tok yo, 1975.
[5.3] European Strong-Motion Database (ESMD). http://www.isesd.cv.ic.ac.uk/ESD
[5.4] SIA 261 (norme): Actions sur les structures porteuses. Société Suisse des Ingénieurs et des Architectes.
Zurich 2003.
[5.5] Eurocode 8 (norme): Design of Structures for Earthquake Resistance, Part 1: General Rules, Seismic
Actions and Rules for Buildings, prEN 1998-1, Draft 1. Comité Européen de Normalisation (CEN).
Brussel, 2000.
[5.6] Allahabadi R., Powell G. H.: Drain-2DX User Guide. Report No. UCB/EERC-88/06. College of Enginee-
ring, University of California, Berkeley 1988.
[5.7] Saatcioglu M.: Modeling hysteretic force-deformation relationships for R/C elements. Earthquake-Resis-
tant Concrete Structures: Inelastic Response and Design. Special publication SP-127 of the American Con-
crete Institute (ACI). Detroit, Michigan. April 1991.
[5.8] Lestuzzi P., Badoux M.: The
γ
-Model: a Simple Hysteretic Model for Reinforced Concrete Walls. Procee-
dings of the fib-Symposium; Concrete Structures in Seismic Regions, Athens 2003.
[5.9] Takeda T., Sozen M. A., Nielsen N. N.: Reinforced concrete response to simulated earthquakes. Journal of
the Structural Division. Proceedings of the American Society of Civil Engineers (ASCE). Vol. 96, No.
ST12. December 1970.
[5.10] Saiidi M., Sozen M. A.: Simple nonlinear seismic analysis of R/C structures. Journal of the Structural Divi-
sion. Proceedings of the American Society of Civil Engineers (ASCE). Vol. 107, No. ST5. May 1981.
[5.11] Lestuzzi P., Wenk T., Bachmann H.: Dynamische Versuche an Stahlbetontragwänden auf dem ETH-Erdbe-
bensimulator. Institut für Baustatik und Konstruktion, ETH Zürich. Bericht no. 240, ISBN 3-7643-6162-X.
Birkhäuser Verlag, Basel 1999.
[5.12] Lestuzzi P.: Effective Stiffness of RC Structural Walls in Dynamic Tests. Proceedings of the 12th European
Conference on Earthquake Engineering, London, 2002. Paper Reference 861.
[5.13] Lestuzzi P.: Dynamisches plastisches Verhalten von Stahlbetontragwänden unter Erdbebeneinwirkung.
Dissertation ETH Nr. 13726, Zürich 2000.
[5.14] Miranda E., Bertero V.: Evaluation of Strength Reduction Factors for Earthquake-Resistant Design. Earth-
quake Spectra. Vol 10, No. 2, 1994.
[5.15] Schwab P., Lestuzzi P., Koller M, Lacave C.: Choice of Recorded Acceleration Time Histories for Non-
linear Seismic Analysis of Reinforced Concrete Structures. Research Project Report. EPFL-ENAC-IS-
IMAC, Applied Computing and Mechanics Laboratory. Publication Nr. 2. Lausanne, August, 2003.
[5.16] Lestuzzi P., Badoux M.: An Experimental Confirmation of the Equal Displacement Rule for RC Structural
Walls. Proceedings of the fib-Symposium; Concrete Structures in Seismic Regions, Athens 2003.
[5.17] Gasparini D. A., Vanmarcke E. H.: Simulated earthquake motions compatible with prescribed response
spectra (SIMQKE procedure). MIT Civil Engineering Research Report R76-4 . Massachusetts Institute of
Technology, Cambridge, Mass., 1976.
[5.18] Schwab P., Lestuzzi P.: Assessment of the seismic non-linear behavior of ductile wall structures due to syn-
thetic earthquakes. Bulletin of Earthquake Engineering, Vol 5/1, 2007, pp. 67-84.
[5.19] Sabetta F., Pugliese A.: Estimation of Response Spectra and Simulation of Nonstationary Earthquake
Ground Motions. Bulletin of the Seismological Society of America, Vol. 86, No. 2, pp. 337-352, April 1996.
[5.20] Sabetta F., Pugliese A.: Simulation of Nonstationary Time Histories Scaled for Magnitude, Distance and
Soil Conditions. 10th European Conference on Earthquake Engineering, Duma (ed.), Balkema, Rotterdam,
1995.
Références 321
8.11 Références
[8.1] Paulay T., Priestley M. J. N.: Seismic Design of Reinforced Concrete and Masonry Buildings. ISBN 0-471-
54915-0. John Wiley & Sons, New York, 1992.
[8.2] Jaccoud J.-P., Fleury B.: Murs en maçonnerie. Cours de structures. IBAP. Polycopié EPFL, 1997.
[8.3] Zimmerli B., Schwartz J., Schwegler G.: Mauerwerk, Bemessung und Konstruktion. Birkhäuser Verlag,
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[8.4] SIA 266 (norme): Construction en maçonnerie. Société Suisse des Ingénieurs et des Architectes. Zurich,
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[8.5] SIA D 0196 (documentation): Construction en maçonnerie. Exemples de dimensionnement selon la norme
SIA 266. Société Suisse des Ingénieurs et des Architectes. Zurich, 2004.
[8.6] Lang K.: Seismic Vulnerability of Existing Buildings. Institut für Baustatik und Konstruktion. ETH Zürich,
Bericht Nr. 273. Hochschulverlag AG, Zürich, März 2002.
[8.7] Eurocode 8 (norme): Calcul des structures pour leur résistance aux séismes Partie 3: Evaluation et moder-
nisation des bâtiments. prEN 1998-3. Projet définitif, Comité Européen de Normalisation (CEN), Bruxel-
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[8.8] FEMA 310: Handbook for the Seismic Evaluation of Buildings – A Prestandard. Federal Emergency
Management Agency. Washington D.C., Januar 1998.
[8.9] FEMA 356: Prestandard and Commentary for the Seismic Rehabilitation of Buildings. Federal Emergency
Management Agency. Washington D.C., November 2000.
[8.10] SIA D 0211 (documentation): Vérification de la sécurité parasismique des bâtiments existants. Introduc-
tion au cahier technique SIA 2018. Société Suisse des Ingénieurs et des Architectes. Zurich, 2005.
[8.11] SIA 2018 (cahier technique): Vérification de la sécurité parasismique des bâtiments existants. Société
Suisse des Ingénieurs et des Architectes. Zurich, 2004.
[8.12] Lestuzzi P., Mittaz X.: Maçonnerie sollicitée parallèlement à son plan: cisaillement combiné avec un effort
normal centré. Détermination de la résistance latérale. Exemples numériques. EPFL, CREALP, OFEV,
2006.
[8.13] SIA D 0186 (documentation): Construction en maçonnerie. Introduction à la norme SIA 266. Société
Suisse des Ingénieurs et des Architectes. Zurich, 2003.
[8.14] SIA 261 (norme): Actions sur les structures porteuses. Société Suisse des Ingénieurs et des Architectes.
Zurich, 2003.
[8.15] SIA D 0171 (documentation): Erdbebengerechter Entwurf und Kapazitätsbemessung eines Gebäudes mit
Stahlbetontragwänden. Société Suisse des Ingénieurs et des Architectes. Zurich, 2003.
... mantener proporciones reguladas en el volumen del edificio, ayudan a evitar los asentamientos diferenciales debido a los desplazamientos del suelo durante un sismo. Además, una dimensión demasiado larga en un sentido traerá problemas de torsión, provocando daños en los extremos del volumen, debido a la amplificación de las aceleraciones en estos sectores.1 Las referencias para este estudio en particular fueron: Building Configuration and Seismic Design(Arnold & Reitherman, 1982), Seismic Design for Architects: Outwitting the Quake(Charleson, 2008), Génie Parasismique: Conception et Dimensionnement des Bâtiments(Lestuzzi & Badoux, 2011) y Construire Parasismique(Zacek, 1996).ARQUITECTURA Y CULTURA, Santiago de Chile, Nº5, 2014, pp. 60-73. ...
Article
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In architecture, seismic resistance has always been seen as an obstacle that prevents architects from designing freely. Its requirements are seen as a restriction that most would like to avoid, resulting in its exclusion from the architectural discussion. This work tries to reveal the opportunities that rise when seismic resistance is incorporated as a design factor. This would not only favor and optimize the behavior of buildings confronted to earthquakes, but it would also offer a new source of innovation for architecture. Currently, we can find examples in contemporary architecture of projects where the authors have managed how to integrate earthquake resistance criteria as a tool for design. The resulting projects rethink the already known architectural concepts, by finding a common language between design and seismic conditions. The latter no longer appears as a limitation or a set of rules to follow, but as an agent that promotes and enhances the design of the project. This next article is based in the research for the thesis: “Characterization of spatial aspects of earthquake architecture: impacts of seismic methods on the flexibility and transparency of contemporary architecture”, presented by the author for obtaining the degree of Master in Architectural Civil Engineering in Université Libre de Bruxelles, Belgium.
... un changement brusque des dimensions des ?l?ments porteurs. Fig. 2? Insuffisance de stabilisation lat?rale et " soft-storey " lors du s?isme d'Izmit en 1999 [2]. ...
Conference Paper
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Generally, seismic requirements have steadily increased with the development of new building standards. Moreover, in regions with moderate seismicity such as Switzerland, most structures have been designed and built before the realisation that seismic considerations are necessary. Therefore, a vast majority of existing structures have been built without earthquake resistant features and as a result, many structural features are not compatible with current requirements. These characteristics are also related to XXth century monuments, leading to the same seismic lacks as for common existing buildings. Due to the enormous costs related to the application of the recent standards for existing structures, an approach different from the one for new constructions is required. Switzerland applies an approach based on risk. In this innovative approach, the concept is to guarantee an acceptably low individual risk coupled with an evaluation of the efficiency of the retrofitting measures based on the principle of commensurability. Even if monuments are explicitly not included within the scope of the related standard SIA 2018, a similar approach may be used for their structural evaluation in order to limit the necessary retrofitting measures. The introduced issues are illustrated with four real recent cases in Switzerland, the seismic evaluations of a residential building in Basel, a school building in Geneva, an administrative building near Nyon and an industrial construction of an hydropower development scheme at the Swiss-French border. Those examples show that, even for the lowest seismic zone, typical seismic lack such as “soft-storey” configuration leads to insufficient seismic safety and therefore to the necessity of retrofitting measures. However, the use of more elaborate analysis methodology may prove in certain cases that the seismic safety is still satisfactory, avoiding the need of retrofitting.
Article
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The purpose of this article is to analyse the results of a survey towards the architects and engineers of construction in order to estimate the perception of the anti-seismic protection amongst these professionals. It focuses more on the architects who design buildings and, in many cases, monitor their implementation. The main result is the observation of inadequacies and gaps in seismic culture amongst the professionals, especially architects. These difficulties require the reinforcement of earthquake-resistant training. This effort to upgrade skills is as important as other aspects of the preventive management of the seismic risk in Algeria.
Article
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In Europe, computation of displacement demand for seismic assessment of existing buildings is essentially based on a simplified formulation of the N2 method as prescribed by Eurocode 8 (EC8). However, a lack of accuracy of the N2 method in certain conditions has been pointed out by several studies. This paper addresses the assessment of effectiveness of the N2 method in seismic displacement demand determination in non-linear domain. The objective of this work is to investigate the accuracy of the N2 method through comparison with displacement demands computed using non-linear time-history analysis (NLTHA). Results show that the original N2 method may lead to overestimation or underestimation of displacement demand predictions. This may affect results of mechanical model-based assessment of seismic vulnerability at an urban scale. Hence, the second part of this paper addresses an improvement of the N2 method formula by empirical evaluation of NLTHA results based on EC8 ground-classes. This task is formulated as a mathematical programming problem in which coefficients are obtained by minimizing the overall discrepancy between NLTHA and modified formula results. Various settings of the mathematical programming problem have been solved using a global optimization metaheuristic. An extensive comparison between the original N2 method formulation and optimized formulae highlights benefits of the strategy.
Book
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La dynamique des structures est un champ d’expertise dont la maîtrise est désormais indispensable pour tout projet de construction. Le développement de structures toujours plus légères et élancées impose en effet à l’ingénieur civil d’en connaître les principes, tout comme ceux du génie parasismique. C’est à l’exposé des bases théoriques et fondamentales de cette branche commune à plusieurs domaines de l’ingénierie que s’attache ce manuel, illustré de nombreux exemples d’application au génie civil. Les principes de la dynamique des structures sont tout d’abord présentés avec un, puis plusieurs degrés de liberté, à l’image de l’amortisseur à masse accordée dont le fonctionnement, reposant sur un système à deux degrés de liberté soumis à une excitation harmonique, fait l’objet d’une attention particulière. Autre point décisif de l’ouvrage: le concept de spectre de réponse, qui constitue un outil essentiel pour l’ingénieur praticien. Le lecteur y trouvera également un développement consacré aux actions dynamiques provoquées par le vent et les séismes, une introduction à la dynamique non linéaire, et de nombreux exemples d’utilisation de mesures de vibration in-situ pour l’analyse dynamique. Enfin, l’ensemble des procédures de calcul importantes sont formulées avec les instructions du logiciel de calcul numérique MatLab. Une référence solide et durable pour tous les étudiants et ingénieurs praticiens en construction.
Technical Report
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In this report, a brief overview of the building portfolio and the development of the typologies is presented first. The development of the typology reflects the characteristics typically found in the building stock and the elements that were identified as vulnerable. For each of the types the procedure to calculate the capacity curves is presented in the following chapter. Special attention is paid to the variation of some key modelling parameters and the uncertainty related to the input data. The following chapter briefly introduces the macroseismic vulnerability data, which was an important source of validation in this project. In the subsequent chapter, an overview of the established capacity curves – compared to curves from the literature and the results of the detailed earthquake assessment of some of the buildings – is provided. In the last chapter, the distribution of schoolchildren and monetary values, which is necessary for the scenario calculation, is shown.
Book
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La compréhension du comportement mécanique des structures fait partie des connaissances de base de l’ingénieur en génie civil. Celui-ci se doit en effet de maîtriser l’analyse des structures hyperstatiques, afin de pouvoir déterminer les efforts intérieurs et l’état déformé des structures soumises aux diverses charges. Cet ouvrage traite de l’analyse des structures hyperstatiques par les deux méthodes de résolution incontournables que sont la méthode des forces et la méthode des déplacements. Malgré le développement des outils numériques, une excellente connaissance de ces techniques est indispensable pour acquérir une compréhension intuitive du comportement des structures, être en mesure de choisir la bonne modélisation et pouvoir apprécier de manière critique les résultats de calculs à l’ordinateur. Les deux méthodes sont ici présentées en parallèle afin de permettre au lecteur d’en apprécier les similitudes et les différences ; l’ouvrage propose par ailleurs une visualisation schématique de la procédure de résolution sous forme de tableau synoptique, et de nombreux exemples illustrent de manière détaillée l’application des méthodes de résolution. Les lignes d’influence et l’extension de la méthode des déplacements à la théorie du second ordre pour analyser l’instabilité des structures sont également traitées. Ce volume s’adresse principalement aux étudiants ingénieurs, ainsi qu’aux ingénieurs praticiens à la recherche d’un ouvrage de référence dans le domaine.
Book
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La construction parasismique est une préoccupation récente dans les pays modérément exposés aux tremblements de terre. Elle fait appel à des méthodes spécifiques elles-mêmes liées à l’introduction imminente de l’eurocode 8. Son application généralisée implique donc un complément de formation des ingénieurs et des élèves ingénieurs en génie civil. Pour leur apporter les connaissances nécessaires, l’ouvrage expose et explique d’abord dans une première partie les bases de la dynamique des structures et les particularités du comportement sismique. Il traite en détail l’analyse modale et la méthode du spectre de réponse et le tout est illustré par de nombreux exemples numériques. Dans la seconde partie, il développe les principes de base de la conception parasismique. Puis il explique le dimensionnement en capacité qu’il applique au cas favorable des voiles ductiles en béton armé. Comme exemple numérique, le dimensionnement d’un bâtiment est traité en parallèle selon les normes suisses SIA et selon l’eurocode 8.
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L’évaluation parasismique des constructions existantes est plus exigeante que le dimensionnement des constructions neuves. En effet, il est primordial de cerner au mieux le comportement sismique réel des structures existantes afin notamment d’éviter de coûteux renforcements superflus. Des méthodes d’analyse sophistiquées, comme la méthode basée sur les déformations, sont donc nécessaires. Cet ouvrage, destiné aux ingénieurs de structures et aux étudiants avancés en génie civil, expose les fondements de cette méthode, et explique en détail son application aux bâtiments en maçonnerie et aux bâtiments en béton armé. Il s’articule autour d’une approche novatrice basée sur la notion de risque, et tout particulièrement dédiée à l’évaluation parasismique des constructions existantes. De nombreux exemples numériques illustrent l’exposé.
Technical Report
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Dynamic Tests of Reinforced Concrete Structural Walls on the ETH Earthquake Simulator As part of the research project "Reinforced concrete structures under cyclic, dynamic and static action", six reinforced concrete walls were tested on the ETH earthquake simulator (shake table) at the Institute of Structural Engineering (IBK) of the Swiss Federal Institute of Technology (ETH) in Zurich. The wall specimens WDH1 through WDH6 were scaled at 1:3, thereby representing the structural walls of a three-story building. Based on the experience of initial tests with smaller storey masses directly attached to the specimens, a separate test set-up was devised with three horizontally moveable carts. Each cart was loaded with 12 t of steel bars and coupled to the wall specimen. In this way, a realistic relation between tributary areas of gravity loads and horizontal inertial forces could be obtained. The axial force due to gravity loads was applied by external post-tensioning. Artificial time histories compatible to the design spectra of medium- stiff to soft soils in the highest seismic zone of Switzerland were used as shake table excitation. Each wall specimen was tested by different series of excitations up to failure. The specimens were rectangular in cross section with dimensions 1.00 (or 0.90) x 0.10 x 4.65 m. The wall size still permitted the use of normal cement paste concrete with a maximum aggregate diameter of 16 mm. A special high ductility steel was used for the reinforcement bars with small diameters (ø6 mm and ø5.2 mm). The test parameters included the seismic excitation (for medium-stiff and for soft soils, intensity), the ductility of the reinforcing steel, the design method (capacity design for limited ductility and conventional design), and the reinforcement ratio (total vertical reinforcement between 0.47% and 0.60%). The axial force was equal to 3% of the resistance of the gross section (0.03 Acfc) for all specimens. The objective of the project was to analyze the dynamic non-linear plastic behaviour of reinforced concrete structural walls under seismic excitation. The test results will be used to calibrate input parameters of numerical models and to check existing design rules of structural walls. This report addresses only the raw test results. Further interpretations will be published in [Lestuzzi, 2000]. All test data may be dowloaded on researchgate portail.
Thesis
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Seismic risk has traditionally been underestimated. A strong earthquake can occur any time in the regions with moderate seismicity such as in Switzerland. In these cases, severe damage can be anticipated. The behaviour of structures under seismic excitation depends mostly on their ductility. Slender reinforced concrete structural walls provide good horizontal stability for buildings. These structural walls can be designed as simple, ductile elements. Simple models can be used to give an efficient design and evaluation of reinforced concrete structural walls. The models must describe the realistic plastic behaviour of reinforced concrete. They must therefore be checked and calibrated with physical tests. In addition, the choice of the earthquake excitation is an important parameter in the dynamic response by plastic behaviour. This thesis begins with a summary of the dynamic tests on six reinforced concrete structural walls performed on the ETH earthquake simulator (shake table). The test results are interpreted in Chapter 2. The measured data shows the yielding displacement. The energy during the tests is also determined. In Chapter 3 the test results are calculated with equivalent single-degree-of-freedom Systems (SDOF). Three different hysteretic models are investigated. These are the elastoplastic model (EP-model), the Q-model and the Takeda-model. In addition a new simplified model, the γ -model, is proposed. The EP-model gives only an approximate description of the dynamic behaviour of reinforced concrete. The Takeda-model and the Q-model describe the dynamic behaviour much better. The γ -model also gives good results, even if it does not consider the degradation of the unloading stiffness. Two tools are introduced to investigate the importance of the seismic excitation on plastic behaviour. Chapter 4 describes the response spectrum of the dissipated energy. The form of the response spectrum depends mostly on the fourier amplitude spectrum of the excitation. Chapter 5 investigates the generation of synthetic earthquakes. A new procedure with iterative phase angle correction is proposed to bring the acceleration response spectrum to the target spectrum. This procedure permits the generation of excitations with the same energy contents. Two different synthetic earthquakes, both compatible with the same design spectrum, can give totally different dynamic responses for a non-linear SDOF. Chapter 6 investigates the influence of the phase angle content of the excitation on the variation of the displacement ductility demand. Different types of excitations are generated to this end. The calculations clearly show that the phase angle content has the greatest influence on the displacement ductility demand. Excitations are also generated with the often used simulation procedure of the computer program SIMQKE. These excitations cannot cover the full range of displacement ductility demand. Finally, the utilisation of strength reduction factors is discussed.
Article
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The behavior of seven one-half scale masonry specimens before and after retrofitting using fiber-reinforced polymer FRP is investigated. Four walls were built using one-half scale hollow clay masonry units and weak mortar to simulate walls built in central Europe in the mid-20th century. Three walls were first tested as unreinforced masonry walls; then, the seismically damaged specimens were retrofitted using FRPs. The fourth wall was directly upgraded after construction using FRP. Each specimen was retrofitted on the entire surface of a single side. All the specimens were tested under constant gravity load and incrementally increasing in-plane loading cycles. The tested specimens had two effective moment/shear ratio, namely, 0.5 and 0.7. The key parameter was the amount of FRP axial rigidity, which is defined as the amount of FRP reinforcement ratio times its E modulus. The single-side retrofitting/upgrading signifi- cantly improved the lateral strength, stiffness, and energy dissipation of the test specimens. The increase in the lateral strength was proportional to the amount of FRP axial rigidity. However, using high amount of FRP axial rigidity led to very brittle failure. Finally, simple existing analytical models estimated the ultimate lateral strengths of the test specimens reasonably well.
Article
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A simple analytical model is developed for the calculation of the seismic displacement history response of reinforced concrete frame and frame-wall structures. The computer cost for the model is approximately three precent of that for a MDOF system. A structure is idealized as a ″single-degree″ system consisting of a mass mounted on a rigid bar connected to the ground by a hinge and a nonlinear rotational spring. The primary force-deformation relationship for the spring is obtained by a static analysis of the multistory structure. To account for stiffness changes during an earthquake, a simple hysteresis model comprising only four rules is developed. The model is examined for eight small-scale ten-story reinforced concrete test structures, and the analytical results are compared with the measured response histories. The model is shown to be successful in most instances.
Article
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Strength reduction factors which permit estimation of inelastic strength demands from elastic strength demands are evaluated. Results from various investigations of strength reduction factors carried out over the last 30 years are reviewed, and their results are presented in a common format which facilitates their comparison. The main parameters that affect the magnitude of strength reductions are discussed. The evaluation of the results indicates that strength reductions are primarily influenced by the maximum tolerable displacement ductility demand, the period of the system and the soil conditions at the site. Simplified expressions of strength reduction factors to estimate inelastic design spectra as functions of these primary‐influencing parameters are presented.
Article
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Italian strong-motion data were used to study the attenuation of response spectra and to simulate artificial accelerograms as a function of magnitude, distance, and site geology. The database has already been utilized for the study of the attenuation of peak ground acceleration (PGA) and velocity and consists of 95 accelerograms from 17 earthquakes of magnitudes ranging from 4.6 to 6.8. Using multiple regressions, we developed empirical predictive equations for the vertical and horizontal components of response spectra corresponding to 14 frequencies ranging from 0.25 to 25 Hz. Predictive equations, aimed at the ground-motion simulation, were also estimated for time-dependent frequency parameters, strong ground motion duration, and Arias intensity. The shape of the predicted spectra is strongly dependent on magnitude and nearly independent of distance. Alluvium sites show an amplification effect, with respect to stiff sites, in different frequency ranges according to the thickness of the soil deposit. The vertical/horizontal spectral ratio in far field varies, with magnitude and frequency, from 0.35 to 0.85. The resulting response spectra are compared with the predictions of some recent attenuation relationships and with those proposed by the Eurocode EC8. The simulation of nonstationary strong ground motions is achieved through an empirical method where time and frequency features of the motion are represented through the physical spectrum, extending the spectral moments theory to the nonstationary case. The simulated time histories fit the recorded accelerograms in terms of several ground-motion amplitude measures, such as peak acceleration, peak velocity, Fourier spectra, and response spectra. The principal advantage of the proposed method consists in correlating the simulation parameters with earthquake magnitude, source distance, and soil conditions.