Innovative Steel Bracing Systems for Tall Building Application in High Seismic Regions

Les cadres renforcés en acier sont couramment utilisés comme systèmes résistant aux forces sismiques dans les bâtiments de faible hauteur en Amérique du Nord en raison de leur simplicité et de leur rentabilité. Cependant, ces systèmes présentent de mauvaises performances dans les bâtiments de moyenne et grande hauteur, où les déformations causées par les forces de cisaillement du second ordre P-delta ont tendance à se concentrer dans un ou plusieurs étages, formant ainsi le mécanisme d'étage mou. Ce mécanisme résulte de la capacité limitée du système résistant aux forces sismiques (SFRS) à répartir les déformations latérales entre les étages adjacents en raison de l'absence ou de la faible rigidité de cisaillement latérale post-fluage du SFRS. Dans les bâtiments en acier classiques, les effets du second ordre P-delta influencent la réponse sismique à travers deux mécanismes principaux. Le premier se produit pendant le cycle de chargement, où la force de cisaillement négative de l'étage due au P-delta réduit la capacité du SFRS à dissiper l'énergie sismique, entraînant des déformations d'étage plus importantes et des demandes de second ordre plus élevées. Le deuxième se produit pendant le déchargement, où la force de cisaillement négative de l'étage due au P-delta compromet le mécanisme de retour à la masse, favorisant les déformations unilatérales des étages. Les codes de conception internationaux en Amérique du Nord traitent des effets du P-delta en exigeant l'amplification de la résistance à la flexion des étages pour compenser la réduction de résistance induite par le P-delta à l'aide d'un coefficient de stabilité. Compte tenu de son insuffisance, les codes de conception imposent d'autres restrictions liées à la stabilité, telles que la limitation de la hauteur des cadres en acier à retenue à déformation limitée (BRBF) à 40 m et l'évitement des cadres à frottement (FBF) en tant que systèmes principaux résistant aux forces sismiques, mais autorisant uniquement les FBF en tant que amortisseurs supplémentaires lorsqu'ils sont couplés à un SFRS principal.»

Abstract

Steel-braced frames are commonly-used seismic force-resisting systems in low-rise buildings in North America due to their simplicity and cost-effectiveness. However, these systems exhibit poor performance in mid- and tall-rise buildings, where drifts driven by second-order P-delta shear forces tend to concentrate in a particular storey(s), forming the soft storey mechanism. This mechanism occurs due to the low ability of the Seismic Force Resisting System (SFRS) to distribute lateral drifts among adjacent storeys as a result of the SFRS's null or limited post-yielding lateral storey shear stiffness. In conventional steel buildings, the second-order P-delta effects influence the seismic response through two principal mechanisms. The first occurs during the loading cycle, where the negative storey shear force of the P-delta reduces the SFRS's ability to dissipate seismic energy, imposing more significant storey drifts that induce higher second-order demands. The second is during unloading, where the presence of the negative P-delta storey shear requires an amplified seismic inertial force for the mass return mechanism, stimulating the single-sided storey drifting. International design codes in North America address P-delta effects by requiring amplifying the storey yielding strength to fulfill the P-delta-induced strength reduction using a stability coefficient. Given its insufficiency, design codes impose further stability-related restrictions, such as limiting the height of the Buckling-restrained braced frames (BRBFs) to 40 m and averting the Friction braced frames (FBFs) as primary seismic force-resistant systems, instead, only permitting FBFs as supplemental dampers when coupled with a primary SFRS.»