Seismic Performance of Concentrically Braced Steel Frames of the Conventional Construction Category

Le principal objectif de ce projet de recherche était d'examiner la performance sismique de bâtiments de type de construction conventionnelle (CC Type). Ce principal objectif a été atteint avec les objectifs plus précis suivants : -Évaluer la capacité en déformation des connexions couramment utilisées dans ces structures; et -Réévaluer la pertinence de la limite de 15 m de hauteur imposée sur ces structures dans le code national du bâtiment (CNB). Cette limite a aussi été étudiée pour voir si elle pouvait être nuancée en fonction de certains paramètres, comme le type d'assemblages utilisé, la localisation au Canada (est versus ouest), le type de sol (C versus E) et le nombre d'étages, entre autres. Des tests au laboratoire ont été effectués en deux phases expérimentales sur des assemblages typiques de diagonales de contreventement. Pour les deux phases, les spécimens consistaient de deux cornières dos-à-dos boulonnées à une plaque de gousset. Cette configuration est représentative d'une connexion couramment utilisée en pratique pour des contreventements. La première phase expérimentale avait pour but d'évaluer la ductilité de cinq différents modes de rupture dans une connexion : rupture de soudures parallèles à l'effort, rupture sous pression diamétrale de boulons, rupture sur l'aire nette des cornières, rupture en cisaillement des boulons et le déchirement des cornières en traction et en cisaillement. Tous les spécimens ont été testés sous une charge monotonique en traction. Il a été déterminé que les ruptures sous pressions diamétrales de boulons offraient le meilleur potentiel comme connexions ductiles dans un bâtiment de type de construction conventionnelle. La deuxième phase expérimentale avait pour but de maximiser la capacité en ductilité, ou déformation, d'un assemblage subissant une rupture sous pression diamétrale des boulons contre le gousset d'assemblage.

Abstract

The main objective of this research project was to study the seismic behaviour of regular conventional construction (CC Type) concentrically braced steel frames (CBFs). More specifically, this objective was achieved through the following objectives: -Evaluate the deformation capacity of typical brace connections used in these structures; and -Evaluate the suitability of the 15 m height limit imposed by the 2005 NBCC. This limit should also be studied to determine whether it can be made a function of several building parameters, such as the type of connections used (ductile versus non-ductile), the building location (eastern versus western Canada), the site class (C versus E), and the number of storeys, among others. Two experimental phases were carried out in order to assess the ductility capacity of typical vertical bracing connections. For both phases, the specimens consisted of back-to-back angles bolted to a gusset plate. This configuration is representative of typical connections used in practice. The first phase consisted of testing five different connection failure modes: failure of welds parallel to loads, bolt bearing failure on the gusset plate, net area rupture of the angles, bolt shear rupture, and shear and tension block failure of the angles. All specimens were tested under monotonic tensile loadings. It was found that bolt bearing failures offered the best potential for being used as a ductile connection failure mode in CC Type buildings. The second phase consisted of performing further tests on bolt bearing failures in order to optimize their deformation capacities. Different connection parameters were studied: bolt end distance and bolt spacing, and types of holes (drilled and punched holes, standard and short-slotted holes). All specimens used 8 mm thick gusset plates, except for one sub-group of specimens where 13 mm plates were used to ensure bearing failures can take place in thicker plates.