Numerical and Experimental Seismic Assessment and Retrofit of Steel Tension-Only Double Angle Braced Frames Designed Before the Implementation of Detailing Provisions for Ductile Seismic Response

Au Canada, une proportion importante des bâtiments en acier de faible hauteur ont été conçus et construits avant l'introduction, en 1989, des normes de conception parasismique dans la norme pour la conception des structures en acier. Il est donc probable que l'évaluation de ces structures sur la base des codes en vigueur, révèle des déficiences quant à leur capacité de résister adéquatement aux effets des tremblements de terre. Il est donc nécessaire de développer des méthodes efficaces et facilement applicables pour l'évaluation et la réhabilitation sismiques de ces structures de bâtiments. Dans cette étude, on se concentre sur l'évaluation et la réhabilitation sismique des contrenventements en acier de type tension-seulement, construits avec des diagonales faites de deux cornières assemblées entre elles, qui ont été largement utilisés au Canada pour la résistance aux charge latérales dans les bâtiments de faible hauteur. Ces structures sont encore populaires aujourd'hui. Un bâtiment prototype de 4 étages de hauteur avec contenvetements en tension-seulement a été conçu conformément aux codes et critères en vigueur au début des années 1980. La structure est localisée sur un sol ferme à Vancouver, Colombie-Britannique. Les diagonales des contreventements sont formées de cornières assemblées dos-à-dos avec des assemblages boulonnés aux extrémités. L'évaluation de l'un des contreventements a été effectué conformément au Code national du bâtiment du Canada 2010 et à la norme CSA S16-09 pour les structures en acier. Les résultats montrent que certaines des diagonales de contreventement, que tous les assemblages des diagonales de contreventement et que certains des poteaux avaient une résistance insuffisante. Cette déficience était plus marquée pour les assemblages des diagonales compte tenu qu'un calcul par capacité visant à établir un ordonnancement de la plastification et un comportement ductile des diagonales n'avait pas été considéré pour leur conception. Compte tenu de ce constat et de la ductilité limitée associée aux modes de rupture dans les assemblages, on s'est concentré dans ce projet sur l'évaluation du comportement sismique des assemblages des diagonales et au développement et à la validation de méthodes de réhabilitation permettant d'éviter la rupture fragile des assemblages et l'effondrement des structures pouvant en découler.

Abstract

In Canada, a large portion of low-rise steel buildings were designed and built before the implementation of the first provision of seismic design and detailing introduced in steel structure design standard in 1989. It is therefore likely that an assessment of these structures based on current seismic design requirements reveals the deficiencies that may affect the ability of these structures to properly withstand earthquake effects. Hence, an efficient and convenient method to seismically assess and retrofit these buildings is necessary. This study focuses on the seismic assessment and retrofit of steel tension-only braced frames built with double angle braces, a seismic force resisting system (SFRS) that has been extensively used for low-rise building structures. The system is still popular today. In this study, a 4-storey prototype steel building structure with tension-only braced frame was designed according to the design regulations applicable in the early 1980's. The structure was assumed to be located on a firm ground site in Vancouver, British Columbia. The bracing members were back-to-back double angle sections with bolted end connections. Seismic assessment of one braced frame was performed using the current design requirements and design equations of the National Building Code of Canada 2010 and the CSA S16-09 steel design standard. It was found that some of the bracing members, all bracing member connections and some of the columns had insufficient seismic resistance. The lack of resistance was more significant for the brace connections as no capacity design provisions was applied in the design to ensure hierarchy of yielding and ductile brace response. In view of this situation and the limited ductility typically associated to connection failure, the study then focused on the evaluation of the seismic response of the deficient connections and the development and validation of retrofit strategies to avoid brittle connection failure and building structural collapse.