Steel multi-tiered braced frames (MT-BFs) are commonly used in North America to provide lateral resistance for tall single storey buildings such as industrial buildings, sport facilities, convention centers, or airplane hangars. In these structures, MT-BF configuration is preferable, as the use of single bracing members extending from the foundation to the roof level is no longer practical. MT-BFs consist of tall steel braced frames built with multiple bracing panels stacked over the height of the frame. In MT-BFs, brace lengths and sizes are reduced significantly, which is favourable to satisfy the slenderness limits specified in the seismic provisions. Additionally, the columns can be considered as laterally braced in the plane of the frame at every tier point, which also contributes to reducing the steel tonnage. Adjacent gravity columns located along MT-BF lines can similarly be laterally braced by adding horizontal struts at tier levels. In MTBFs, columns are typically I-shaped members oriented such that strong axis bending develops outofplane, so the column can resist out-of-plane buckling over the full building height.

Special seismic design requirements have been introduced for MT-BFs in the Canadian steel standard (CSA S16). These requirements include column in-plane and out-of-plane demands and the need to place struts between tiers. However, as of now, there is no seismic design provision available in the AISC Seismic Provisions for this framing configuration.

The first objective pursued in this study was to examine the seismic response of the MT-BFs designed in accordance with the CSA S16 design standard for steel structures and 2010 AISC Seismic Provisions for Structural Steel Buildings. For Canadian applications, a seismic response evaluation was performed to assess the adequacy of the 2009 design requirements specified for MT-BFs and to verify whether improved design provisions were required. The 2014 CSA S16 provisions were adjusted on the basis of these studies, allowing a wider range of frames where MTBFs can be used and reducing out-of-plane design moments in columns. For the frames designed based on U.S. design standards, the seismic evaluation aimed at verifying the necessity of introducing new seismic design requirements for MT-BFs. The second objective of this study was to develop and present an enhanced seismic design strategy that is consistent with the current North American design provisions. A hybrid test program was also developed for MT-BF columns using the Multi-Directional Hybrid Testing System (MDHTS) at Polytechnique Montréal.

A series of X-braced frames was designed according to the 2010 AISC Seismic Provisions. The seismic response of the prototype frames, simulated using fiber elements in the OpenSees program, was validated against the 3D finite element model. Special attention was paid to the buckling response of the columns. Then, nonlinear dynamic analyses were performed to study a wide range of MT-BFs designed with the special concentrically bracing system. The results of the analyses showed that inelastic brace deformations tend to concentrate in the tier(s) exhibiting relatively lower storey shear resistance, which induce excessive drift in these weaker tier(s) and increase the potential for low-cycle fatigue fracture of the bracing members. Also, high in-plane bending demands are induced in the columns due to non-uniform tier drift demand, which cause flexural yielding and column instability under seismic loading. For two-tiered steel concentrically braced frames, a seismic analysis and design procedure was proposed in which the in-plane flexural demands of the columns resulting from uneven distribution of brace inelastic deformations over the frame height are determined and the columns are designed to resist the combined axial loads and the in-plane flexural moments. Alternative design strategies such as using buckling restrained bracing members and mobilizing gravity columns in the resistance of seismic in-plane bending moments imposed on the MT-BF columns were introduced, and their adequacy was verified using a nonlinear response history analysis of prototype structures. For the latter, three design approaches were proposed in the framework of the AISC Seismic Provisions to design the braced frame and gravity columns. Two analysis procedures, a sub-structuring technique and a stiffness analysis method, consistent with the AISC Seismic Provisions, were proposed for the design of MT-BFs with three or more tiers for in-plane seismic demand. The methods are used to determine the seismic induced in-plane bending demands of columns as well as tier drifts. The columns are then sized with sufficient strength and stiffness to avoid column buckling and excessive drift in tiers. The methods have been validated for prototype frames by comparing the seismic demand considered in design to that obtained from nonlinear dynamic analysis. It was shown that the seismic in-plane bending demand of the columns could be very well predicted using the proposed methods.

A seismic response evaluation of the frames designed based on the Canadian standard was performed by studying the nonlinear seismic response of a series of 3- and 5-tiered X-braced frames respectively of the moderate and limited ductility categories. An analysis method was proposed to apply the revised seismic design requirements specified in CSA S16-14. The results of nonlinear time history analyses showed that the in-plane flexural seismic bending demand on MT-BF columns can be properly predicted by the CSA S16-14 requirements. A design method was also proposed, in the framework of CSA S16, for frames exceeding CSA S16 limits on the number of tiers. This method accounts for the distribution of the seismic inelastic demand between tiers. The application of the proposed method was demonstrated for a 5-tiered Type MD concentrically braced frame and validated using nonlinear dynamic analysis.

A hybrid test program was developed for MT-BF columns using the new Multi-Directional Hybrid Testing System (MDHTS) at the Structural Engineering Laboratory at Polytechnique Montréal. Additionally a preliminary study was performed to verify the MDHTS and to compensate for the frictional force in the hybrid simulation. The hybrid simulation aims at studying the stability of steel W-shape columns, as part of steel MT-BFs, subjected to combined axial compression forces and weak axis or biaxial bending moments.

Les contreventements concentriques en treillis à multiples segments (CCMS) sont des contreventements constitués de diagonales formant deux ou plusieurs panneaux qui sont superposés sur la hauteur du contreventement. Les CCMS sont couramment utilisés en Amérique du Nord afin d'offrir une résistance latérale pour les bâtiments d'un seul étage de grande hauteur,comme les bâtiments industriels, les installations sportives, les centres de congrès ou les hangars d'avion. Dans ces structures, la configuration CCMS est préférable puisque l'utilisation de diagonales de contreventement simples partant des fondations jusqu'au niveau du toit n'est plus pratique. Dans les CCMS, la longueur et la taille des diagonales sont réduites de manière significative, ce qui est favorable pour rencontrer les limites d'élancement prescrites dans les normes parasismiques. De plus, les colonnes peuvent être considérées comme contreventées latéralement dans le plan du cadre à niveau intermédiaire entre deux panneaux, ce qui contribue également à réduire la taille des poteaux et la quantité requise d'acier. Les colonnes de gravité adjacentes qui sont situées dans le même plan qu'un CCMS peuvent aussi être considérées comme contreventées latéralement en ajoutant des membrures horizontales aux niveaux intermédiaires entre les panneaux. Dans les CCMS, les colonnes sont en général des sections en W orientées de telle sorte que la flexion hors-plan se produise selon l'axe fort de la colonne, permettant ainsi à la colonne de résister au flambement hors plan sur toute la hauteur du cadre.

Des exigences et des règles de calcul spéciales en matière de conception parasismique ont été introduites pour les CCMS dans l’édition 2009 de la norme CSA S16 pour la conception des structures ne acier au Canada. Ces exigences comprennent la vérification de la résistance des poteaux sous des moments de flexion dans le plan et hors du plan du contreventement en supposant que les déformations élastiques sont concentrées dans un seul panneau. On exige également de placer des barres horizontales entre chaque panneau. Toutefois, aucune disposition n’est spécifiée pour la conception parasismique des cadres CCMS dans les normes parasismiques de l'AISC aux États-Unis.

Le premier objectif poursuivi dans cette étude était d'examiner la réponse sismique des contreventements CCMS conçus en conformité avec les normes CSA S16 et les dispositions parasismiques de l’AISC. Pour les applications canadiennes, l'évaluation de la réponse sismique a été réalisée afin d’évaluer l'adéquation des exigences spéciales de conception spécifiées pour les CCMS dans la norme CSA S16-09 et de vérifier si une amélioration des dispositions de conception était nécessaire. Sur la base de ces travaux, les règles ont été ajustées dans la norme CSA S16-14, permettant d’élargir l’utilisation des contreventements de type CCMS et de réduire les moments de flexion hors-plan dans les poteaux. Pour les contreventements conçus à l’aide des normes de conception des États-Unis, l’évaluation parasismique visait à vérifier la nécessité d'introduire de nouvelles dispositions de conception parasismique pour les CCMS. Le second objectif de cette étude consistait à développer et présenter une stratégie de conception parasismique améliorée compatible avec les normes nord-américaines existantes.

Pour les États-Unis, une série de contreventements en acier avec diagonales disposées en X a été conçue selon les dispositions et les normes parasismiques courantes de l’AISC. La réponse sismique de quelques cadres prototypes, simulés aen utilisant des éléments de fibres dans le logiciel OpenSees, a été validée à l’aide de modèle d’éléments finis 3D. Une attention particulière a été accordée au flambement des colonnes. Des analyses dynamiques non-linéaires ont ensuite été réalisées pour étudier un large éventail de CCMS conçus selon les dispositions pour les contreventements concentriques spéciaux (SCBFs). Les résultats des analyses ont montré que les déformations inélastiques dans les diagonales ont tendance à se concentrer à l’étage présentant une résistance au cisaillement relativement plus faible, et qu’une forte demande de flexion en plan est induite dans les colonnes. En outre, il a été montré que la plastification en flexion et l’instabilité de la colonne causée par une distribution non-uniforme des déformations latérales des panneaux peuvent affecter la réponse des contreventements sous un chargement sismique. Des stratégies de conception alternatives telles que l'utilisation de diagonales confinées ductiles dans les CCMS au lieu des diagonales classiques, et la contribution des colonnes gravitaires dans la résistance aux moments de flexion sismiques imposés sur les colonnes du CCMS ont été introduites et leur adéquation a été examiné en utilisant des analyses temporelles non-linéaires de structures prototypes. Pour la contribution des poteaux de gravité, différentes approches de conception parasismique ont été proposées dans le cadre des normes parasismiques AISC pour concevoir le cadre et les colonnes gravitaires. Pour les contreventements concentriques en acier, une analyse sismique et une procédure de dimensionnement a été proposée qui permet de déterminer les moments de flexion dans les colonnes résultant d’une distribution inégale des déformations inélastiques dans les diagonales sur la hauteur du bâtiment et de vérifier les poteaux en considérant l’action combinée des efforts axiaux et de flexion. Différentes analyses et méthodes de conception, qui sont destinés à être mis en œuvre dans le cadre des normes parasismiques AISC, ont été introduites pour répondre aux exigences proposées. Les méthodes ont été validées pour les cadres prototypes en comparant la sollicitation sismique considérée dans la conception à celle obtenue à partir des analyses dynamiques non-linéaires. Il a été montré que la demande sismique dans le plan de flexion des colonnes peut être très bien prédite dans la phase de conception.

L’évaluation de la réponse sismique des cadres conçus à l’aide de la norme canadienne révisée CSA S16-14 a été réalisée en étudiant la réponse sismique non-linéaire de contreventements CCMS de 3 et 5 panneaux des catégories MD et LD, respectivement. L'analyse a montré que les moments de flexion dans le plan des colonnes du CCMS est abordée de façon réaliste par les exigences courantes de la norme CSA S16. La recherche a permis de proposer une méthode permettant de prédire les moments de flexion et les déplacements pour des contreventements ayant un nombre de panneaux plus grand que les limites de la norme CSA S16-14. La méthode permet de tenir compte de la propagation des déformations inélastiques sur la hauteur de la structure, une hypothèse plus réaliste pour ces contreventements. La méthode proposée a été illustrée et validée au moyen d’analyses dynamiques non linéaires pour un contreventement de Type MD ayant 5 panneaux.

Une étude préliminaire a été réalisée pour répondre à certains des défis attendus dans la réalisation d’une simulation hybride prévu pour être réalisée à l'aide du système à 6 degrés de liberté situé au laboratoire de structures de Polytechnique Montréal. La simulation hybride vise à étudier la stabilité de colonnes de profilé W en acier, dans des cadres CBFs ou CCMS, soumis à des efforts combinés de compression axiale et de moment de flexion dans l'axe faible ou des moments de flexion bi-axiale.