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Algerian Journal of Engineering Architecture and Urbanism Vol. 4 Nr. 1 2020

Influence of brick fillings on the seismic behavior of a reinforced concrete building Abdelkader NOUR, Abdelkader BENANE, Varum HUMBERTO

Received: 02 December 2019• Revised: 08 February 2020 • Accepted: 26 February 2020

Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License (CC BY-NC-ND)

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INFLUENCE OF BRICK FILLINGS ON THE SEISMIC BEHAVIOR OF A REINFORCED CONCRETE BUILDING

Abdelkader NOUR

PhD student, Laboratory of Building Materials and Processes, Faculty of Science and Technology University of Mostaganem Algeria,

[email protected]

Abdelkader BENANANE Professor, Laboratory of Building Materials and Processes, Faculty of

Science and Technology University of Mostaganem Algeria, [email protected]

Varum HUMBERTO Professor, University of Porto Portugal, [email protected]

Abstract: The objective of this intervention is to estimate the influence of double-walled hollow brick filling in a reinforced concrete building under seismic loading by means of a comparative study of several models of a multi-storey reinforced concrete building. located in an area of high seismicity in Algeria. It essentially relates to the verification of these models while respecting the main criteria imposed by the Algerian seismic regulation RPA99-V2003. After the analysis of each model by the ETABS calculation software using the spectral modal dynamic method and the justification of the criteria of the RPA99-V2003, a comparison is made, between these models in terms of the fundamental period (including mass participation ), from the shear force at the base, maximum lateral displacements of each stage, inter-stage lateral displacements in the two main directions, in a synthesis and a critical analysis of the results in order to estimate this influence. Keywords: Building, Hollow brick filling, Spectral modal dynamic method, Seismic loading, ETABS Introduction: Le comportement du remplissage en maçonnerie est difficile à prévoir en raison des variations importantes des propriétés des matériaux et des modes de défaillance de nature fragile. S'ils ne sont pas judicieusement placés, les remplissages ont également des effets néfastes lors de l'excitation sismique. L'absence de remplissage dans certaines parties d'un plan de construction induira un moment de torsion. De plus, le mur partiellement rempli, s'il n'est pas correctement placé, peut induire un effet de poteau court, créant ainsi une concentration de contraintes localisée. Cela est principalement dû au manque de méthodologie de conception sismique généralement acceptée dans les codes nationaux du bâtiment, qui intègre les effets structurels du remplissage en maçonnerie. En fait, très peu de codes dans le monde fournissent actuellement des spécifications pour la même nature. Par conséquent, il est clairement nécessaire de développer une méthodologie de conception robuste pour la conception sismique des structures en béton armé remplies en maçonnerie. Le bâtiment en béton armé rempli partiellement en maçonnerie se comporte





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différemment par rapport à un bâtiment à portiques nus ou à un bâtiment à portiques entièrement rempli soumis à une charge latérale. Un portique nu est beaucoup moins rigide qu'un cadre entièrement rempli; il résiste à la charge latérale appliquée par l'action du portique et présente des rotules plastiques bien réparties en cas de défaillance. Lorsque ce portique est entièrement rempli, une action en treillis est introduite, modifiant ainsi le mécanisme de transfert de charge latérale. Un portique entièrement rempli montre un faible déplacement inter-étages (Drift), bien qu'il attire un effort tranchant à la base très élevé (en raison de la rigidité accrue). La prise en compte de la rigidité et de la résistance des murs de remplissage dans les bâtiments à étages multiples réduit la période de temps fondamentale par rapport à un bâti nu et augmente par conséquent la demande de l’effort tranchant à la base. Une méthode appropriée pour analyser les bâtiments à étages multiples consiste à modéliser la résistance et la rigidité des murs de remplissage. En général, une analyse d’une structure à portiques nus est généralement utilisée, qui ignore la résistance et la rigidité des murs de remplissage. Les murs de remplissage en maçonnerie sont largement utilisés comme cloisons dans le monde entier. Il est évident que des murs de remplissage en maçonnerie continus peuvent réduire la vulnérabilité de la structure en béton armé. Les murs de maçonnerie ne sont souvent pas pris en compte dans le processus de conception car ils sont supposés agir en tant qu'éléments non structurels. Séparément, les murs de remplissage sont rigides et cassants, mais le portique est relativement flexible et ductile. L'action composite de la poutre, de poteau et des murs de remplissage offre une résistance et une rigidité supplémentaires. Différents types de modèles analytiques basés sur la compréhension physique du comportement général d'un panneau de remplissage ont été développés au fil des années pour simuler le comportement de portiques remplis. Le portique rempli est constitué d'un poteau en acier ou en béton armé, d'une poutre et d’un chaînage avec remplissage en maçonnerie en brique creuse ou en parpaings. Ils sont généralement fournis en tant que murs extérieurs et sont donc traités comme des éléments non structurels. Problématique: L'étude de bâtiments en béton armé en maçonnerie à étages multiples, neufs et anciens, à travers le monde, d'une manière qui simule leur comportement réel lorsqu'ils sont exposés à des séismes importants, est un véritable défi pour les concepteurs de structures et les chercheurs dans ce domaine. Et tout cela afin de préserver la vie et les propriétés ainsi que la stabilité et le développement des pays. Si nous regardons les grandes familles des méthodes les plus utilisées dans la simulation de bâtiments de ce type, nous avons constaté qu'elles sont principalement basées sur des codes qui considèrent les murs de remplissage en maçonnerie comme des éléments non structuraux ou à la limite, prennent implicitement leur influence, ce explicite contredit les dommages et les pertes signalés dans plusieurs pays touchés par les séismes. Plusieurs concepteurs et chercheurs dans ce domaine ont souligné la nécessité de rechercher des méthodes et des approches pour prendre en compte cette influence à travers plusieurs





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expériences et études qui ont finalement permis de minimiser ces troubles et dommages. Des recherches sont toujours en cours pour évaluer correctement cet effet et améliorer les méthodes de calcul afin de se rapprocher de la connaissance du comportement réel de ce type de constructions. Les approches les plus importantes peuvent être résumées en trois grandes familles principales: macro-modèles, méso-modèles et micro-modèles. Les macro-modèles consistent principalement à remplacer le mur de remplissage en maçonnerie par une bielle diagonale ou plus, présentant les mêmes caractéristiques que le mur et facilitant ainsi sa modélisation selon plusieurs formules. Les méso-modèles, quant à eux, sont basés sur l'idée que le mur est un élément de plaque uniforme avec des propriétés équivalentes de mur, sans différenciation entre les blocs et le mortier. Les micro-modèles examinent la nécessité de prendre la modélisation de toutes les caractéristiques du mur, que ce soit le bloc, le mortier de pose et l'interface, cette dernière approche étant la plus exacte, mais elle nécessite de grandes puissances et elle est encore peu utilisée. En particulier en raison de la variété des caractéristiques mécaniques et géométriques des murs de maçonnerie, il est très difficile de prédire avec plus de précision leur comportement sismique, qu'il soit nocif ou bénéfique. À la lumière des études qui sont déjà faite, cet article, vise à fournir un modèle simple basé sur les méthodes et les logiciels disponibles entre les mains des concepteurs de structures, à travers l'analyse de plusieurs modèles numériques de bâtiments en béton armé à plusieurs étages situés dans une zone de forte séismicité en Algérie. Dans ce qui suit, une étude paramétrique est réalisée entre des structures de cadres nus 3D et des cadres remplis de maçonnerie 3D. Les interactions entre les murs de remplissage et les cadres de maçonnerie sont modélisées en utilisant la méthode des éléments finis basée sur l’approche de méso-modèle pour mieux représenter les murs de maçonnerie de remplissage. Les murs de remplissage en maçonnerie sont modélisés comme un élément de plaque pour tenir compte du comportement de façon assez logique des murs de remplissage en maçonnerie. Une analyse par la méthode du spectre de réponse présentée dans la dernière modification du reglement parasismique algérien (RPA99v2003) [1], est réalisée pour évaluer le comportement des structures remplies soit entièrement ou partiellement en maçonnerie. Les résultats sont tirés respectivement en considérant et en ignorant l'action des murs de remplissage de maçonnerie et ce dans le contexte d'une analyse comparative en terme de la période fondamentale de structure y compris le taux de participation massique, de l’effort tranchant à la base, déplacement maximum des étages, déplacement inter-étages dans les deux directions orthogonales à la fois. Matériels et Méthodes: Dans cette étude comparative, on utilise la méthode des éléments finis au moyen du logiciel commercial ETABS. Pour la méthode utilisée dans cette étude, on se réfère à la méthode dynamique spectrale modale exposée dans le règlement parasismique algérien RPA99 dans sa récente version 2003.





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Le bâtiment en question est à usage d’habitation en béton armé en Rez de chaussée plus quatre étages dans une zone de forte séismicité (zone III) en considérant trois modèles pour évaluer l’influence des murs de remplissage sur la réponse sismique des bâtiments en portique auto-stable en béton armé.

Reglements Utilisés

Les règlements utilisés dans cette étude sont. • Règlement Parasismique Algérien (RPA99v2003). • Charges permanentes et charges d’exploitation • Calcul des structures en Béton Armé (CBA 93).

Materiaux Utilisés • Le béton utilisé a une résistance caractéristique à 28 jours de 25Mpa. • Les aciers longitudinaux sont en nuance FeE400. • Les aciers transversaux sont en nuance FeE235.

Le bâtiment est situé dans une zone de forte séismicité (zone III) selon la classification du RPA99v2003. Il est implanté dans un site de sol meuble. Les planchers sont en corps creux (16+4) cm avec une charge permanente de 5.70 KN/m2 pour terrasse inaccessible, 5.50 KN/m2 pour les étages courants et une sur- charge d’exploitation de 1 KN/m2 pour terrasse inaccessible et 1.50 KN/m2 pour les étages courants. La masse de la structure comprend la totalité de la charge permanente plus 20% de la charge d’exploitation. Les caractéristiques de ce bâtiment sont données dans le tableau cité ci-après (Table 1).

Type Description Type de structure Batiment à usage d’habitation Epaisseur du mur de remplissage (cm)

Double paroi (30cm) 15+5+10 une pièce de 12 trous et autre de 8 trous

Hauteur du RdC (cm) 400 Hauteur d’etage courant (cm) 300 Entraxe du sens X (cm) 500 Entraxe du sens Y (cm) 400 Section des poutres (cm) 30x45 Section des chainages (cm) 30x35 Section des poteaux (cm) 40x40 Plancher en corps creux (cm) 16+4 Zone sismique III Groupe d’usage 1B Type de sol d’assise Site meuble (S3)

Table 1. Caractéristiques du bâtiment

La modélisation de cette structure a été faite à l’aide du logiciel ETABS. Les vues en plan et en élévation sont données dans les Fig.1 et Fig.2. Les modèles proposés sont : (a) Structure à portiques nus (Fig.3) (b) Structure remplie en façade (Fig.4) (c) Structure remplie en façade sauf le RdC (Fig.5).





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Le remplissage en maçonnerie utilisé est la brique creuse rouge en double paroi avec mortier en ciment.

Dans cette étude, on considère trois modèles d’un bâtiment en portique auto-stable avec un rez-de-chaussée plus quatre étages et des murs remplissage en maçonnerie en brique creuse rouge en double paroi (15+5+10) comme indiqué en haut, en supposant que les deux pièces de tuiles (12 trous + vide + 08 trous), agissent comme une seule pièce de 30 cm d’épaisseur. La structure est symétrique en plan dans les deux directions et ne présente aucun décrochement ni en plan ni en élévation comme il est indiqué dans les figures suivantes.

Fig. 1. Vue en plan de la structure

Fig. 2. Vue en élévation de la structure





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Fig. 3. Structure en portiques nus

Fig. 4. Structure remplie en façade





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Fig. 5. Structure remplie en façade sauf le RdC

Résultats et discussions: Apres modélisation et analyse des modèles de la structure à l’aide du logiciel ETABS, les résultats en termes de la période propre y compris la participation massique, de l’effort tranchant à la base, des déplacements latéraux max de chaque étage, des déplacements latéraux inter-étages, sont regroupés dans les tableaux qui suivent.

Periodes fondamentales :

Modes Modèle 1

Structure à portiques nus

Modèle 2 Structure remplie en

façades

Modèle 3 Structure remplie en façade sauf

RdC

1 0.848 0.123 0.543

2 0.735 0.106 0.53

3 0.683 0.07 0.49

Table 2. Periodes fondamentales (en secondes)





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Fig. 6. Periodes fondamentales (en secondes)

A partir du tableau (Table 2) et de la figure (Fig.6), on peut observer facilement que le deuxième modèle (structure remplie en façade) présente les valeurs les plus faibles des modes propres, il représente seulement 14% de la période de premier mode du premier modèle (structure à portiques nus) ce qui minimise toute les résultats de l’effet de séisme et par la suite et donne une bonne réponse de la structure. A l’autre côté on voit aussi que le troisième modèle (structure remplie en façade sauf RdC) représente 64% de la valeur de la période du premier mode du premier modèle (structure à portiques nus). A cet effet on peut dire que la négligence des remplissages en maçonnerie dans la modélisation des structures en béton armé conduit à des problèmes graves de stabilité, de rigidité et de résistance aux séismes.

Efforts tranchants à la base :

Vx (kN) Vy (kN) 0.80Vs (kN) Poids (kN)

Modele 1 Structure à

portiques nus 1074.41 963.91 1006.59 7759.76

Modèle 2 Structure remplie

en façades 3287.28 3130.06 2299.82 13256.56

Modele 3 Structure remplie

en façade sauf RdC

3066.55 3018.26 2061.42 11882.36

Table 3. Efforts tranchants à la base





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Fig. 7. Efforts tranchants à la base (en kN)

A partir du tableau (Table 3) et de la figure (Fig.7), on peut déduire clairement que le deuxième modèle (structure remplie en façade) présente les valeurs les plus fortes de l’effort tranchant à la base et il assure cette condition en pleine sécurité, par exemple dans le sens X, il donne une valeur trois fois plus que le premier modèle (structure à portiques nus), par contre le premier modèle (structure à portiques nus) n’a pas vérifié ladite condition. D’autre coté le troisième modèle () donne des valeurs proches du deuxième modèle () mais moins. Cette importante condition (Vdyn ≥ 80% Vmse) représente une bonne tenue de la structure vis-à-vis l’effort tranchant produit par le séisme.

Déplacement maximal par etage :

Modèle 1


Modèle 2 Structure remplie en

façades

Modèle 3 Structure remplie en façade

sauf RdC Story 1 38.668 1.802 23.502 Story 2 35.1 1.556 23.14 Story 3 29.069 1.239 22.706 Story 4 20.83 0.87 22.508 Story 5 11.058 0.476 21.574

Table 4. Déplacements maximaux par étages (en MM)





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Fig. 8. Déplacements maximaux par étages (en MM)

A partir du tableau (Table 4) et de la figure (Fig.8), on peut déduire clairement que le deuxième modèle (structure remplie en façade) présente les valeurs les plus faibles des déplacements maximaux par étages, par exemple en tête du dernier étage, il donne une valeur qui représente seulement 4% de la valeur enregistré dans le premier modèle (structure à portiques nus) chose qui valorise l’importance la modélisation des murs de remplissage en maçonnerie. Et d’autre coté le troisième modèle (structure remplie en façade sauf RdC) représente 60% de la valeur enregistré dans le premier modèle (structure à portiques nus). Par contre le premier modèle présente des grandes valeurs qui peut conduire à une grave situation.

Déplacement inter-etages (Drift) :

Modele 1



en façades


en façade sauf RdC

Story 1 0.01557 0.001065 0.0015 Story 2 0.025785 0.001365 0.001815 Story 3 0.034695 0.001575 0.00195 Story 4 0.040815 0.00168 0.00417 Story 5 0.03456 0.001485 0.06741 Non verifié Verifié Non verifié

Table 5. Déplacements inter-étages (en MM)





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Fig. 9. Déplacements inter-étages (en MM)

A partir du tableau (Table 5) et de la figure (Fig. 9), on peut déduire clairement que le deuxième modèle (structure remplie en façade) présente les valeurs les plus faibles des déplacements inter-étages, par exemple en tête du dernier étage, il donne une valeur qui représente seulement 6% de la valeur enregistré dans le premier modèle (structure à portiques nus). Et d’autre coté le troisième modèle (structure remplie en façade sauf RdC) représente 9% de la valeur enregistré dans le premier modèle (structure à portiques nus), mais en tête du premier étage, il donne une valeur grande presque deux fois que le premier modèle et ces deux derniers modèles ne respectent pas la condition imposée par le règlement RPA2003 (1% de la hauteur d’étage). Conclusion:

Dans cette étude, l’évaluation de l’influence des murs de remplissage en maçonnerie en brique creuse dans un bâtiment en portique auto-stable en béton armé, a été effectué par trois modélisations à l’aide du logiciel ETABS. Par conséquent, on peut déduire que le premier modèle (structure à portiques nus) est le modèle le plus critique et le plus dangereux selon les conditions exigées par le RPA99v2003 à savoir la période fondamentale y compris les trois premiers modes, l’effort tranchant à la base, les déplacements maximaux des étages et les déplacements inter-étages. En revanche, on voit que le deuxième modèle (structure remplie en façade) présente le modèle le plus résistant selon les critères sus cités et éclaircisse l’importance de modélisation des murs de remplissage en maçonnerie et leurs présences dans les structures en béton armé et surtout leurs importantes contributions dans la réponse sismique de ce genre de structures.

Alors que le troisième modèle (structure remplie en façade sauf RdC) indique la présence d’un étage souple (Soft story) mais il donne des résultats acceptables par rapport au premier modèle (structure à portiques nus) mais il peut compliquer la situation et peut conduire à un effondrement brutal à cause du changement brusque de la rigidité latérale qui influe considérablement sur la réponse globale de la structure.





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Finalement on peut conclure que : L’hypothèse qui dit que les murs sont considérés comme des éléments non-structuraux est totalement fausse en vue des séismes passés. Les résultats suscités nous ont affirmé que l’introduction des murs de remplissages en maçonnerie dans la modélisation des structures est très importante et aussi il simule le comportement réel de la structure. Références: A. Chiozzi and E. Miranda (2017) “Fragility functions for masonry infill walls with in-plane loading,” Earthq. Eng. Struct. Dyn., 4(15): 2831–2850 S. Constantinescu (2017) “Importance of Masonry Infill Walls for Framed Buildings,” pp. 465–469 K. Sajjala (2018) “comparative study on seismic behaviuor of rc building with shear l , infill wall and bracing system seismic lding with shear comparative study on seismic behaviuor of rc building wall , infil l wall and bracing,” no. October M. M. Abdelaziz, M. S. Gomaa, and H. El-ghazaly (2017) “Effect of Unreinforced Masonry Infill Walls on Seismic Performance,” I. Journal, O. Engineering, P. Paudel, and C. Group (2018) “Effect of Infill Walls in Performance of Reinforced Concrete Building Structures Effect of Infill Walls in Performance of Reinforced Concrete Building Structures,” no. February, M. L. Moretti, T. Papatheocharis, and P. C. Perdikaris (2014) “Design of Reinforced Concrete Infilled Frames,” no. September Z. Cuiqiang, Z. Ying, Z. Deyuan, and L. Xilin (2011) “Study on the effect of the in fi ll walls on the seismic performance of a reinforced concrete frame,” vol. 10(4): 507–517 T. Kubalski, M. Marinkovi ć, and C. Butenweg (2016) “Numerical investigation of masonry infilled R: C,” Brick Block Mason., 2016 : 1219–1226

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