The present study is related to the incidence of vertical seisrnk excitation on the structurai response of civil engineering structures. Three major research axes were considered:​ the characteristics of vertical ground motions, the effect of vertical accelerations on steel moment-resisting fiames, and finaiIy the effect of the vertical excitation on the sliding response of a gravity dam.

First, a review of previously published work on vertical seisrnic accelerations is presented. The foliowing aspects are considered:​ a) the seismo1ogÎcd aspect, b) historical evidences, c) experimental evidences, d) numencal evidences, and e) codes of practice.

The study on the characteristics of the vertical accelerations was perforrned on a senes of historical accelerograrns that were subdivided according to the NBCC (1995) definition of the dv ratio. The ratio of the peak ground acceleration, a_g, expressed in g, over the peak ground velocity, v_g, expressed in ds, is a measure of the ffequency content of the excitation. A high ah value is representative of eastem North Arnerican ground motions, whereas the low and intermediate values of this ratio represent western North Arnencan events. For these series of historical accelerograms, indices such as different measures of duration, predominant penod, as weli as spectral ordinates were cornputed and compared. Based on these results, a method consisting of shifting and reducing the horizontal spectrum to obtain the vertical one was proposed.

The non-iinear analyses on a 6-story steel moment-resisting fiame structure were performed for earthquakes srpical of near-fauit CaWornian ground motions. Special attention was given on detennining the effect of the vertical excitation on the rotational ductility demand, but other response parameters such as the increase in the axial load and the strain rate effects were also exarnined. The vertical accelerations did not influence the demand in rotational ductility nor the maximum horizontal floor defiections of the structure. Important increases in maximum axial loads in colurnns were noted but they did not affect the structural response. The strain rate in colurnns and bearns, was found to increase when vertical accelerations wer- included. The vertical accelerations were found to play a more important role in the elastic response of the structure. As yielding progresses in the structure during an earthquake, the effects of high fkequency vertical accelerations were filtered out,

The effects of the vertical accelerations on the sliding response of gravity dams was investigated in a case study of the Paugan dam (50 m), subjected to historical and synthetic records typical of eastern and western earthquakes. The synthetic horizontal accelerograms were generated based on the mean acceleration response spectra of the histoncal earthquakes, whereas the vertical synthetic accelerograms were generated with three distinct methods. The first method consisted in simply calibrating the horizontal accelerogram by a value of 213. The second method consisted in calibrating the horizontal spectmm to obtain the vertical one, then generating the vertical accelerograrn. The third consisted in shifting and reducing the horizontal spectrum to obtain a vertical spectrum used to generate vertical accelerograms. The analyses were performed with a computer program developed in the scope of this study to compute the sliding displacements as well as other performance indicators (Le. sliding safety factors). This program uses rigid body dynamics to compute the sliding response of the dam, under both horizontal and vertical input accelerations.

Western type earthquakes were found to induce larger sliding displacements than eastem type earthquakes when only the horizontal component was applied. The vertical acceleration was found to play a more important role on the sliding displacement in the eastem earthquake group than the western one. For eastem type earthquakes, the synthetic accelerograrns yielded results comparable to the results obtained from histoncal records, for seismic andyses with and without vertical excitation. The vertical component generation methods based on calibration of the horizontal spectrum yielded muctural response results comparable to the historical ones. For western type earthquakes, the sliding displacements computed with the synthetic records yielded values much larger than the values obtained with the corresponding historical records. A discussion on the correlation factor between accelerograrns and the control of peak correlation is presented

Le présent travail de recherche traitant des caractéristiques des accélérations verticales et leurs effets sur les structures de génie civil est divisé en trois grandes parties. La première consiste en une étude sur les caractéristiques sisrnologiques des accélérations sismiques verticales. La deuxième est une investigation sur l'effet des accélérations verticales sur la réponse sismique d'un cadre d'acier résistant aux moments. Finalement, la demière partie explore l'effet des accélérations verticales sur le glissement d'un barrage-poids.

Une revue de la littérature est effectuée en mettant l'accent sur :​ a) les aspects sisrnologiques, b) les observations historiques, c) les résultats expérimentaux, d) les résultats d'analyses numériques et e) les différents codes.

L'étude statistique sur les caractéristiques des accélérations verticales a été effectuée sur une banque de séismes historiques divisée en trois groupes. Le critère de sélection pour chaque groupe était le ratio a/v tel que défini par le CNBC (1995). Ce ratio, entre I'accélération de pointe au sol, %y exprimée en g, et la vitesse maximale au sol, v,, exprimée en m/s, est une mesure du contenu fiéquentiel du séisme, et caractérise la sismicité d'une région. Des valeurs de a/v élevées sont caractéristiques de séismes de l'est canadien, tandis que les valeurs de dv moyennes et faibles représentent des événements de l'ouest du pays. Les paramètres étudiés incluent différentes mesures de la durée, la période prédominante de l'excitation, ainsi que des mesures d'énergie. Les spectres de réponse horizontaux et verticaux pour tous les séismes ont aussi été calculés et comparés. Utilisant les résultats de I'étude statistique, une méthode pour générer des accélérogrammes verticaux à partir de spectres horizontaux est présentée.

Des analyses non-linéaires sur un cadre résistant aux moments en acier de six étages ont été effectuées afin d'étudier l'effet des accélérations verticales sur la réponse sismique de ce genre de structures. Le cadre est soumis à des accélérations typiques d'événements californiens à proximité de l'épicentre. L'accélération verticale n'a pas influencé la demande en ductilité en rotation des poteaux et des poutres. Toutefois, les valeurs de efforts axiaux maximum, dans les poteaux ainsi que le taux de déformation ont augmenté considérablement par la prise en compte des excitations sismiques verticales. Ces dernières étaient plus ressenties par la structure lorsque celle-ci demeurait élastique. Au fur et à mesure que la structure se plastinait, l'effet des accélérations verticales à haute fiéquence était filtré, jusqu'à devenir négligeable pour la structure.

L'effet des accélérations verticales sur le glissement d'un barrage-poids a été étudié. Le barrage de Paugan, un ouvrage d'environ 50 m de haut, a été choisi pour cette étude. La structure est soumise à des accélérogramrnes historiques et synthétiques typiques de l'est et de i'ouea de i'~merique du nord. Les accélérogrammes horizontaux synthétiques ont été générés pour être compatibles avec le spectre moyen des accélérogrammes historiques, tandis que les accélérogrammes synthétiques verticaux ont été générés selon trois méthodes :​ (1) calibration des accélérogrammes horizontaux, (2) réduction du spectre horizontal puis génération des accélérogrammes et (3) réduction du spectre horizontal ainsi que calibration des périodes puis génération des accélérograrnmes. Les analyses ont été effectuées à l'aide d'un Iogiciel qui a été développé dans le cadre de ce travail afin de prédire le glissement et évaluer les facteurs de sécurité contre le glissement en incluant les accélérations horizontales et verticales. Dans ce logiciel. on modélise le barrage comme un corps rigide soumis à des accélérations bi-directionelles et pouvant glisser sur une surface rugueuse.

Lorsque seules les accélérations horizontales sont incluses dans le calcul, les séismes de l'ouest donnent des valeurs de glissement nettement supérieures aux valeurs obtenues avec les séismes de I'est. Pour le groupe de séismes de l'est, les résultats obtenus pour les séismes synthétiques sont comparabIes à ceux obtenus pour les séismes historiques que ce soit en incluant ou non les accélérations verticales.

Les méthodes de génération basées sur la calibration de spectres ont donné des résultats satisfaisants. Pour les séismes de l'ouest, le glissement calculé pour les séismes synthétiques est supérieur à celui calculé pour les accélérogramrnes historiques. Une discussion sur le facteur de corrélation entre les composantes horizontales et verticales est présentée, et la question de corrélation des pics est abordée.