Seismic mitigation technique for existing single storey steel CBF structures

Structural failure due to earthquakes poses a serious threat to the life safety of Canadians. This threat is greater in existing structures than in new structures due to advancements in the understanding of seismology and structural design that have recently been incorporated into the relevant design codes and standards. This thesis documents an evaluation of the seismic vulnerabilities of existing single storey concentrically braced frame steel structures. Focusing on the brace and brace connections, brittle failure of the connection was identified as a key concern. Use of a structural fuse element to input ductility into the seismic force resisting system and control force levels was proposed as a rehabilitation technique to address the brittle connection failures. Two ring fuses were designed to provide ductility and force control to the seismic force resisting system. The line ring fuse, designed to connect to a single brace, and the cross ring fuse, designed to connect to the centre of an X-brace, were evaluated by means of physical testing and numerical modeling to determine their suitability as a retrofit scheme. The physical testing contained five test sets, including full scale pin connected frame tests using quasi-static cyclic test protocols. The testing demonstrated that the ring fuses were able to provide increased ductility to a brittle brace system, greatly improving energy dissipation potential, and limiting the force demand on the seismic force resisting system. The results from testing also provided data for calibration and verification of the structural models. Two structural modeling approaches were used in this research. Finite element method models were used to model the ring fuse components and the braced bay of a typical structure. The component finite element models allowed for the investigation of potential ring fuse geometries and the verification of the seismic simulation models. Seismic simulation models were used to evaluate the structural performance of representative retrofitted and un-retrofitted single storey steel buildings with respect to ground motion excitation. Through the use of assessment guidelines the performance of the buildings retrofitted with the proposed ring fuses was quantified, including the development of fragility curves and the related probabilities of failure. The ring fuses provided clear improvements to the seismic performance of the single storey concentrically braced frame structures, demonstrated by the reduced probability of failure. The ring fuses also provide an affordable solution for the seismic retrofit of existing single storey steel structures. Guidelines on the assessment of the brace and brace connection, along with design of the fuse and appropriate uses are outlined herein.La défaillance structurelle due aux tremblements de terre constitue une menace grave pour la sécurité de la vie des Canadiens. Cette menace est plus grande dans les structures existantes que dans les nouvelles structures grâce à la plus grande compréhension de la sismologie, de son effet sur la conception des structures et des récents changements intégrés aux codes de conception et normes pertinentes. Cette thèse documente une évaluation des vulnérabilités sismiques de structures en acier d'un étage à contreventement concentrique du châssis. La rupture friable des contreventements et de leurs connexions a été identifiée comme le point faible à améliorer. L'utilisation d'un élément structurelle fusible pour ajouter de la ductilité et mieux résister aux forces sismiques a été proposée pour remédier aux défaillances de connexions friables.Deux anneaux fusibles ont été conçus pour fournir de la ductilité et gérer les forces agissantes sur la structure. Le fusible anneau-ligne, conçu pour se connecter à un doublé unique, et le fusible anneau-croix, conçu pour se connecter au centre d'un contreventement croisé, ont été évalués au moyen d'essais physiques et de modélisation numérique afin de déterminer leur applicabilité dans la réhabilitation sismique de bâtiments. Le test physique contenait cinq jeux de test, y compris les essais pleine-échelle tige de châssis connectés en utilisant un protocole quasi-statique d'essais cycliques. Les tests ont démontré que les anneaux fusibles étaient en mesure de fournir une ductilité accrue à un système d'armature friable, améliorant considérablement le potentiel de dissipation d'énergie, et de limiter les forces appliquées au système de résistance aux forces sismiques. Les résultats des essais ont aussi fourni des données pour l'étalonnage et la vérification des modèles structurels. Deux approches de modélisation structurelle ont été utilisées dans cette recherche. Un modèle en éléments finis a été utilisé pour les anneaux fusibles et la baie contreventées d'une structure typique. Ces modèles ont permis d'évaluer différentes géométries d'anneau fusibles et la vérification des modèles de simulation sismique. Les modèles de simulation sismique ont été utilisés pour évaluer la performance structurelle des bâtiments en acier à un étage (avant et après réhabilitation sismique) par rapport à l'excitation mouvements du sol. Grâce à l'utilisation de directives pour l'évaluation de la performance des bâtiments rénovés avec les anneaux fusibles proposés a été quantifiée, y compris l'élaboration de courbes de fragilité et les probabilités connexes de l'échec.L'anneau fusible fournit de nettes améliorations de la performance sismique des structures à d'acier d'un étage à contreventement concentrique, tel que démontré par la réduction de la probabilité de défaillance. L'anneau fusible est d'autant plus une solution abordable pour la réhabilitation sismique de ces structures existantes. Des lignes directrices sur l'évaluation des contreventements et le renfort de connexion, ainsi que sur la conception des anneaux fusibles et leurs utilisations sont décrites