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

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

      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,
                                  abdelkader.nour@univ-mosta.dz
                                      Abdelkader BENANANE
                 Professor, Laboratory of Building Materials and Processes, Faculty of
                     Science and Technology University of Mostaganem Algeria,
                                abdelkader.benanane@univ-mosta.dz
                                         Varum HUMBERTO
                        Professor, University of Porto Portugal, hvarum@fe.up.pt

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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                         Abdelkader NOUR, Abdelkader BENANE, Varum HUMBERTO
                Received: 02 December 2019• Revised: 08 February 2020 • Accepted: 26 February 2020

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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                         Abdelkader NOUR, Abdelkader BENANE, Varum HUMBERTO
                Received: 02 December 2019• Revised: 08 February 2020 • Accepted: 26 February 2020

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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                         Abdelkader NOUR, Abdelkader BENANE, Varum HUMBERTO
                Received: 02 December 2019• Revised: 08 February 2020 • Accepted: 26 February 2020

    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 Double paroi (30cm) 15+5+10 une pièce
          (cm)                                  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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                         Abdelkader NOUR, Abdelkader BENANE, Varum HUMBERTO
                Received: 02 December 2019• Revised: 08 February 2020 • Accepted: 26 February 2020

  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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                         Abdelkader NOUR, Abdelkader BENANE, Varum HUMBERTO
                Received: 02 December 2019• Revised: 08 February 2020 • Accepted: 26 February 2020

                                       Fig. 3. Structure en portiques nus

                                      Fig. 4. Structure remplie en façade

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                         Abdelkader NOUR, Abdelkader BENANE, Varum HUMBERTO
                Received: 02 December 2019• Revised: 08 February 2020 • Accepted: 26 February 2020

                              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 :

                             Modèle 1                    Modèle 2                    Modèle 3 Structure
            Modes           Structure à             Structure remplie en            remplie en façade sauf
                           portiques nus                  façades                            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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                         Abdelkader NOUR, Abdelkader BENANE, Varum HUMBERTO
                Received: 02 December 2019• Revised: 08 February 2020 • Accepted: 26 February 2020

                                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          1074.41            963.91             1006.59            7759.76
            portiques nus
              Modèle 2
          Structure remplie       3287.28            3130.06            2299.82            13256.56
             en façades
              Modele 3
          Structure remplie
                                  3066.55            3018.26            2061.42            11882.36
           en façade sauf
                 RdC
                                     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           Modèle 3 Structure
                              Structure à    Structure remplie en     remplie en façade
                            portiques nus          façades               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)

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 - aneau
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

                           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 2        Modele 3
                                  Modele 1
                                                     Structure remplie
                                                                     Structure remplie
                                 Structure à
                                                        en façades    en façade sauf
                                portiques nus
                                                                           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)

Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License (CC BY-NC-ND)
                                                          40
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

                                 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.

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, Abdelkader BENANE, Varum HUMBERTO
                 Received: 02 December 2019• Revised: 08 February 2020 • Accepted: 26 February 2020

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. Marinković, and C. Butenweg (2016) “Numerical investigation of masonry infilled R: C,”
Brick Block Mason., 2016 : 1219–1226

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