Characterization of wood sheathed cold-formed steel diaphragms: Under in plane loading (phase 2 of diaphragm research program)

There exists a desire to better understand the in-plane response of cold-formed steel (CFS) framed diaphragms subjected to seismic loading. At present, the diaphragm design information available in the North American design standards (AISI S240, AISI S400) is not applicable in Canada and is of limited scope in the United States and Mexico. These design provisions are based largely on basic principles of engineering and the extrapolation of design methods used for wood diaphragms. Few full-scale tests have been performed to validate the accuracy of these design values and equations for real world application. Furthermore, the effect of non-structural components on the in-plane strength and stiffness of the diaphragm component has yet to be explored. In an effort to provide insight into the complex nature of the diaphragm structure and the influence of non-structural components, a research program was initiated in the Jamieson Structures Laboratory at McGill University focusing on the characterization of the behaviour of CFS framed - wood sheathed diaphragms under in-plane loading. A total of six 3.7m x 6.1m CFS diaphragm specimens with oriented strand board sheathing were tested following the cantilever test method. Three of these diaphragms focused on the effects of structural changes, while the remaining three were used to investigate the effects of incorporating non-structural elements in the construction. This thesis contains a detailed account of these six tests, including their design, construction and the overall results and observations. The tests focusing on structural changes, demonstrated that the orientation of the joists with respect to loading had little effect on the overall diaphragm response, strap blocking for panel edges was shown to be just as effective as full blocking and an upper threshold for shear strength and stiffness was reached by reducing the spacing of the perimeter fasteners. The tests of diaphragms built having non-structural elements demonstrated that both the addition of a single layer of gypsum panels to the underside of the diaphragm and a 19mm gypcrete topping poured on top of the wood sheathing had a significant strengthening and stiffening impact on the overall diaphragms response. Design predictions were calculated using the AISI S400 Standard for both deflection and shear strength. Meaningful comparisons were only realized for design deflection when the equation for shear walls was used with the values adjusted to remove inelastic behaviour, while no meaningful comparisons were realized for shear strength due to the limited information available within the S240 and S400 standards.Il y a actuellement un manque de compréhension concernant la réaction des diaphragmes en acier formé à froid (AFF) soumis à un chargement sismique. Les informations contenues dans les normes de conception nord-américaines (AISI S240, AISI S400) concernant la conception des diaphragmes ne sont pas applicables au Canada et sont limités à une utilisation aux États-Unis et au Mexique. Ces dispositions de conception sont basées en grande partie sur des principes fondamentaux d'ingénierie et l'extrapolation des méthodes de conception utilisées pour les diaphragmes en bois. Peu de tests à grande échelle ont été réalisés pour valider l'exactitude de ces équations pour une application en situation réelle. En outre, l'effet des éléments non structuraux sur la résistance latérale et la rigidité du diaphragme n'a pas encore été exploré. Dans le but de mieux comprendre la complexité de la structure des diaphragmes et l'influence des éléments non-structuraux, un programme expérimental a été initié dans le laboratoire de Structures Jamieson de L'Université McGill. Le programme est centré sur la caractérisation des diaphragmes avec cadre en AFF et platelage en bois soumis à des charges latérales. Un total de six spécimens de diaphragmes 3.7m par 6.1m en AFF avec des panneaux de lamelles orientées (OSB) ont été testés avec la méthode du porte-à-faux. Trois de ces diaphragmes ont été utilisés pour examiner les effets des changements structurels et les trois autres pour étudier les effets de l'intégration des éléments non structurels dans la construction. Cette thèse contient un compte détaillé de ces six essais incluant leur conception, leur construction ainsi que les résultats et observations globales. Les tests centrés sur les changements structurels ont démontré que l'orientation des solives par rapport au chargement a un effet mineur sur la réponse globale du diaphragme. Le blocage réalisé avec des sangles a été aussi efficace que le blocage complet. En diminuant les espaces entre les vis sur le périmètre des panneaux, la résistance et la rigidité ont été augmentées. Les tests des diaphragmes construits avec des éléments non-structurels ont démontré que l'addition d'une seule couche de panneaux de gypse sur la face inférieure du diaphragme et une garniture de gypcrete de 19mm versée sur le dessus du platelage de bois a eu un impact significatif sur la résistance et la rigidité des diaphragmes. Un dimensionnement préliminaire a été effectué avec la Norme AISI S400 afin de comparer la résistance et les déformations obtenues lors des tests. Des résultats satisfaisant ont été atteint pour les déformations lorsque l'équation pour les murs de cisaillement a été utilisée, ajusté d'un comportement élastique. Par contre, les résultats des tests ne corroboraient pas aux valeurs théoriques fournies par la norme pour la résistance au cisaillement, notamment à cause du manque d'information disponible dans les normes S240 et S400