Analyse de la vulnérabilité sismique des structures à ossature en bois : essais expérimentaux, modélisation numérique, calculs parasismiques

Probabilistic analysis of the seismic vulnerability of timber frame building

• Auteur / Autrice : Clément Boudaud
• Direction : Laurent Daudeville, Stéphane Hameury, Julien Baroth
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, mécanique, génie civil, électrochimie
• Date : Soutenance le 07/12/2012
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Sols, solides, structures - risques (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Ario Ceccotti
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Carole Faye
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Frédéric Dubois, Patrick Racher

Mots clés

Mots clés contrôlés

Construction parasismique

Contreventements (construction)

Constructions à ossature de bois

Mots clés libres

Ossature bois

Murs de contreventement

Comportement parasismique

Modélisation numérique multi-échelles

Loi de comportement hystérétique

Essais expérimentaux quasi-statiques et dynamiques

Timber-frame

Shear walls

Paraseismic behavior

Multi-scale numerical modeling

Hysteretic behavior law

Quasi-static and dynamic experimental tests

Résumé

Les travaux de thèse visent à améliorer les connaissances sur le comportement parasismique des bâtiments à ossature en bois. Le comportement de ces bâtiments sous sollicitations sismiques est lié à celui de ses assemblages par connecteurs métalliques (pointes, vis, équerres, etc.). La modélisation numérique d'une telle structure s'appuie sur une démarche multi-échelles, afin de représenter les comportements locaux à l'échelle de l'ouvrage. Trois échelles sont définies. Échelle 1 : assemblages, échelle 2 : éléments de structure (mur, plancher, toiture), échelle 3 : bâtiment. A chaque échelle, une loi de comportement dédiée (hystérétique avec endommagement) permet la modélisation. Les calages ou validations s'appuient sur des campagnes d'essais expérimentaux. Diverses configurations de spécimen et divers chargements sont testés afin de construire une vaste base de données de résultats. Les essais sur les assemblages par connecteurs métalliques ont permis le calage du modèle numérique à l'échelle 1. Un modèle éléments finis (EF) détaillé de mur est validé expérimentalement en quasi-statique et en dynamique. Un modèle EF simplifié de mur (macro) permet de passer à l'échelle du bâti. Cet élément macro, calibré sur le modèle détaillé, permet de reproduire avec une précision satisfaisante le comportement dynamique d'un mur. L'assemblage d'éléments de murs (pleins ou avec ouverture) permet de tendre vers la modélisation tridimensionnelle d'une structure. Ce modèle numérique de structure permettra d'étudier, localement et globalement, le comportement parasismique des constructions à ossature bois afin de proposer des dispositifs constructifs et un dimensionnement adaptés à ces ouvrages en zone sismique.

This research aims at a better understanding of the vulnerability of timber-frame buildings against earthquakes. The behavior of these structures under seismic loading relies on their joints with metal fasteners (nails, screws, 3 dimensionnal connections, etc.). The numerical modeling of such a structure is based on a multi-scale approach, which allows to take into account the local behaviors at the structural scale. Three scales are defined: Scale 1: joints, scale 2: structural elements (shear walls, floors, roofs), scale 3: buildings. At each scale, a behavior law (hysteretic with damage) is used. The calibrations or validations are based on experimental tests. Tests on joints with metal fasteners are used to calibrate the numerical model at scale 1. A detailed finite elements (FE) model of shear wall is developped and its predictions are confronted to quasi-static and dynamic experimental results for validation. A simplified FE model of shear wall (macro element) is used to generate a numerical model at the building scale. This macro element, calibrated on the detailed FE model, accurately reproduces the dynamic behavior of a shear wall despite its simplicity. The numerical model of timber-frame buildings will be used to study, locally and globally, their behavior against earthquake in order to propose construction details and design adapted to these structures in seismic areas.