experimental evaluation of steel wide-flange columns in moment-resisting frames under high axial

315 Pages·2017·41.3 MB·English

by  Julien Cravero

EXPERIMENTAL EVALUATION OF STEEL WIDE-FLANGE COLUMNS
IN MOMENT-RESISTING FRAMES UNDER HIGH AXIAL LOAD
AND LATERAL DRIFT DEMANDS

JULIEN CRAVERO

Department of Civil Engineering and Applied Mechanics
Faculty of Engineering
McGill University, Montreal
December 2016

A thesis submitted to McGill University in partial fulfillment of the requirement of
the degree of Master of Engineering

© Julien Cravero – 2016

ABSTRACT
Steel moment-resisting frames (MRFs) in seismic regions are designed to concentrate yielding
in beams to dissipate the energy released by earthquakes. However, capacity design procedures
in North American code provisions (CSA 2009; AISC 2010a) do not systematically prevent
plastic deformations from occurring in columns. Under ground motions with a low probability
of occurrence, steel columns as part of MRFs may develop plastic hinges which can lead to
undesirable frame mechanisms. Due to a limited set of test data, the current modelling
guidelines (PEER/ATC 2010; ASCE 2014) provide little guidance and often employ highly
conservative component models for nonlinear modelling of steel columns. Thus, ASCE 41-13
(ASCE 2014) considers that a column possesses no plastic rotation capacity when the
compressive axial load demands become larger than 50% of the critical load associated with
the member. Hence, the seismic behaviour of steel columns needs to be characterized
experimentally, in particular for high axial load and lateral drift demands. High axial load
demands on columns are common in existing steel frame buildings due to gravity and can be
increased by vertical accelerations and/or dynamic overturning effects in the case of end
columns.
This thesis intends to advance the state of knowledge on the hysteretic behaviour of steel
columns with a large-scale testing program. Twelve column specimens utilizing W14 and W16
cross-sections that are typically used in steel MRFs are subjected to diverse axial and lateral
loading sequences. Monotonic, symmetric and collapse-consistent loading histories are
employed to push the columns far into the inelastic range and to assess their performance until
collapse (i.e., point of loss of axial load carrying capacity). The transient effect on end columns
within MRFs is also studied. Test results provide unique experimental data characterizing the

i
cyclic behaviour of steel columns through the loss of their axial load carrying capacity. The
effect of the local slenderness, the cross-section depth, the applied axial load ratio, the loading
history and the steel material on the column performance is discussed. Moreover, test data are
compared with pre-test simulation predictions carried out with a continuum finite element and
a concentrated plasticity model.
The thesis provides valuable insights on column performance under a wide range of seismic
inputs, the interaction of axial load and lateral drift demands, strength and stiffness deterioration
phenomena occurring at the component level and a failure mode associated with column axial
shortening. In particular, experimental results show that all the tested column specimens exhibit
an appreciable plastic rotation capacity even when subjected to high axial load demands. These
results can serve to refine seismic design code provisions, revisit guidelines for the nonlinear
analysis of steel columns and calibrate numerical models, on the basis of the proposed
recommendations.

ii
RÉSUMÉ
La conception parasismique des cadres rigides ductiles en acier (ou MRF pour « moment-
resisting frames ») cherche à dissiper l’énergie sismique transférée à la structure en concentrant
les déformations plastiques dans les poutres du MRF. Cependant, les règles de calcul par
capacité définies dans les normes de dimensionnement des ouvrages en Amérique du Nord
(CSA 2009 ; AISC 2010a) n’assurent pas nécessairement un comportement élastique des
poteaux. Ainsi, sous l’action de séismes avec une faible probabilité d’occurrence, des rotules
plastiques peuvent se former dans les poteaux de MRF en acier et conduire à des mécanismes
de ruine du portique non souhaités. Du fait d’un nombre restreint de tests de poutres-colonnes,
les règles de modélisation non-linéaire actuelles (PEER/ATC 2010 ; ASCE 2014) donnent peu
d’indications et recommandent des modèles très prudents quand il s’agit d’analyser des poteaux
en acier. Par exemple, ASCE 41-13 (ASCE 2014) considère qu’un poteau ne possède aucune
capacité de rotation plastique lorsque le chargement axial est supérieur à la moitié de sa
résistance axiale critique. Par conséquent, le comportement sismique des poteaux en acier doit
être caractérisé de manière expérimentale, en particulier pour d’importantes sollicitations de
flexion et de charge axiale combinées. Les poteaux de bâtiments en acier anciens sont souvent
soumis à d’importantes charges gravitaires ; la composante verticale des accélérations
sismiques et/ou les effets de renversement dynamique dans le cas des poteaux de rive sont à
l’origine de charges axiales supplémentaires.
Ce mémoire a pour but d’avancer l’état actuel des connaissances sur le comportement
hystérétique des poteaux en acier grâce à un programme expérimental à grande échelle. Douze
spécimens de poteaux (profilés W14 et W16 typiques de MRF en acier) sont soumis à divers
protocoles de chargement axial et latéral. Des chargements monotones et cycliques

iii
(symétriques ou asymétriques avec encliquetage) sont utilisés pour obtenir la réponse des
poteaux dans le domaine inélastique et pour évaluer leur performance jusqu’à la ruine (c’est-à-
dire jusqu’à la perte de leur résistance axiale). L’effet du chargement transitoire sur les poteaux
de rive des MRF est également analysé. Les résultats expérimentaux fournissent des données
uniques sur le comportement cyclique des poteaux en acier jusqu’à l’effondrement. Les
principaux paramètres étudiés sont l’élancement de la section, la hauteur de l’âme, le niveau de
charge axiale, le protocole de chargement et le type d’acier. De plus, les résultats expérimentaux
sont comparés à des prédictions effectuées avec un modèle éléments finis et un modèle de
plasticité concentrée (rotule plastique).
Ce travail ouvre des perspectives intéressantes sur la réponse des poteaux à une large gamme
d’excitations sismiques, sur l’interaction des sollicitations de flexion et de charge axiale, sur les
phénomènes de détérioration en résistance et en raideur ainsi que sur un mode de rupture associé
avec le raccourcissement axial des poteaux. En particulier, les résultats montrent que tous les
poteaux testés présentent une capacité de rotation plastique significative – même lorsqu’ils sont
soumis à des charges de compression importantes. Ces données peuvent servir, sur la base des
recommandations proposées, à ajuster les normes de conception parasismique, réexaminer les
procédures d’analyse non-linéaire des poteaux en acier et calibrer des modèles numériques.

iv
ACKNOWLEDGMENTS
Ce mémoire a été réalisé à l’université McGill sous la direction de Dimitrios Lignos que
je souhaite remercier pour sa disponibilité, ses conseils, ses relectures attentives, sa rigueur
et son énergie. Merci de m’avoir accepté dans votre groupe de travail et d’avoir su partager
votre vision de la recherche et vos connaissances des structures en acier, aussi bien
théoriques que pratiques ; vous m’avez beaucoup appris.

Je souhaite remercier Colin Rogers pour le temps qu’il a passé dans le laboratoire de
McGill à m’aider pour les tests, avec méthode et efficacité. Merci également à Bill Cook
et John Bartczak pour toute l’aide qu’ils m’ont apportée, pour leur imagination et leur
humour quand des problèmes surviennent. Toujours dans le labo, merci à Abdul Kader
Jaber, David Pizzuto, Robert Rizk, Vincent Brière (#camaradedetouteslespauses
#cimerpoteau) et Mohammad Motallebi qui m’ont donné un sacré coup de main avec la
préparation, l’installation et le démontage des spécimens. Et merci à Alice Ardichvili pour
les longues soirées qu’elle a bien voulu passer à instrumenter les colonnes afin que je sois
à l’heure pour l’expérience du lendemain…

Merci à ADF pour le don des spécimens et leur fabrication.

Je tiens à remercier Xavier Willem, Martin Leclerc et Romain Siguier qui m’ont formé
pendant plusieurs mois dans le laboratoire de structures de Polytechnique Montréal, au
début de l’aventure, lors du programme expérimental d’Ahmed.

Ahmed Elkady, mes remerciements à ton égard ne tiennent pas sur cette page. En te laissant
partir, Montréal a perdu quelqu’un de grand. I’ll tell you.

Merci à mes amis du groupe de recherche et de mon bureau : Sarven Akçelyan, Seong-
Hoon Hwang et Alex Hartloper pour vos tutos, vos logiciels et vos bouts de code qui font
des miracles, Aikaterini Mousteraki pour tes kallitsounia, Tianrui Zhu pour tes ragots,
Akhilesh Prabhu pour tes anecdotes d’entretiens d’embauche, Rohit Rathi pour tes tours
en spaghetti et Fabrice Dongmo Donfack pour être toujours absent quand il faut.

Merci à celles et ceux qui m’ont trop entendu dire que je devais aller au labo ou terminer
un chapitre : Sophie Lu, Erwan Lerigoleur, Cécile Defforge, Joachim Delannoy, Adrien
Urso, Renaud Passieux, Louise Roy, Laure Deville Cavellin, Jhelum Chakravorty, Jack
Zhang, Sophie Minas, Pierre Barnouin, Justin LeBlanc, Mariepier Martineau, Alyssa
Langlet, Thomas de Travieso, Sarah Sebaoun, Quentin Le Sceller, Florian Routier, Luc
Poitevin, Tim Hortons, ces années à Montréal ont été géniales grâce à vous. Mille mercis
à Manuel Vila, ami, colocataire, collègue, relecteur, qui a édité beaucoup de pages. J’espère
qu’il nous en reste beaucoup à écrire ensemble 

Enfin, merci à mes parents, Jean-Philippe et Marie-Paule, et à ma sœur, Cora.

v
TABLE OF CONTENTS

ABSTRACT ................................................................................................................................ I
RÉSUMÉ ................................................................................................................................... III
ACKNOWLEDGMENTS .......................................................................................................... V
TABLE OF CONTENTS .......................................................................................................... VI
LIST OF TABLES ..................................................................................................................... IX
LIST OF FIGURES ................................................................................................................... XI
CHAPTER 1 INTRODUCTION ...................................................................................................... 1
1.1 General Overview ...................................................................................................... 1
1.2 Research Objectives .................................................................................................. 2
1.3 Thesis Outline ............................................................................................................ 4
CHAPTER 2 LITERATURE REVIEW ............................................................................................ 7
2.1 Introduction ............................................................................................................... 7
2.2 Experimental Research ............................................................................................. 7
2.2.1 Experimental Studies on Steel Columns .................................................................... 7
2.2.2 Loading Protocols for Cyclic Testing of Structural Components ............................ 15
2.3 Analytical Research ................................................................................................. 19
2.3.1 Axial Shortening Model ........................................................................................... 20
2.3.2 Analytical Models of Columns in Frame Buildings ................................................ 21
2.4 Nonlinear Modelling Guidelines for Steel Columns ............................................. 25
2.4.1 PEER/ATC 72-1 (PEER/ATC 2010) ....................................................................... 25
2.4.2 ASCE/SEI 41-13 (ASCE 2014) ............................................................................... 31
2.5 Summary and Conclusions ..................................................................................... 34
CHAPTER 3 DESCRIPTION OF THE EXPERIMENTAL PROGRAM ................................................. 49
3.1 Introduction ............................................................................................................. 49
3.2 Description of the Test Setup .................................................................................. 50
3.2.1 Loading Devices ...................................................................................................... 50
3.2.2 Lateral Support System ............................................................................................ 51
3.2.3 Specimen Top End Adapter Plate ............................................................................ 52
3.2.4 Column Base Plate Connection ............................................................................... 52
3.2.5 Column Specimen Boundary Conditions ................................................................. 53

vi
3.2.6 Column Specimen Installation ................................................................................. 53
3.3 Selection and Description of Column Specimens .................................................. 54
3.3.1 Selection of Steel Cross-Sections ............................................................................ 54
3.3.2 Test Matrix ............................................................................................................... 55
3.3.3 Fabrication of the Specimens ................................................................................... 56
3.4 Description of the Instrumentation ........................................................................ 57
3.4.1 Uniaxial Strain Measurements ................................................................................. 57
3.4.2 Specimen Deformation Measurements .................................................................... 58
3.4.3 Test Setup Deformation Measurements ................................................................... 60
3.5 Employed Loading Protocols .................................................................................. 61
3.5.1 Lateral Loading Histories......................................................................................... 62
3.5.2 Employed Axial Loading Histories.......................................................................... 63
3.6 Summary and Conclusions ..................................................................................... 64
CHAPTER 4 EXPERIMENTAL EVALUATION OF STEEL WIDE-FLANGE COLUMNS UNDER CYCLIC
LOADING ................................................................................................................................... 99
4.1 Introduction ............................................................................................................. 99
4.2 Geometric Properties of the Column Specimens .................................................. 99
4.3 Steel Material Properties of the Coupon Specimens .......................................... 100
4.4 Deduced Quantities and Notation ........................................................................ 102
4.4.1 Data Filtering and Friction Removal ..................................................................... 102
4.4.2 Notation .................................................................................................................. 103
4.5 Test Results and Observations ............................................................................. 105
4.5.1 Performance of Steel Columns Utilizing W14x61 Cross-Sections ....................... 108
4.5.2 Performance of Steel Columns Utilizing W14x82 Cross-Sections ....................... 113
4.5.3 Performance of Steel Columns Utilizing W16x89 Cross-Sections ....................... 117
4.6 Test Data Analysis and Discussion ....................................................................... 122
4.6.1 Plastic Hinge Length .............................................................................................. 122
4.6.2 Effect of Local Slenderness on Column Performance ........................................... 124
4.6.3 Effect of Cross-Section Depth on Column Performance ....................................... 126
4.6.4 Effect of Axial Load on Column Performance ...................................................... 127
4.6.5 Effect of Loading Protocol on Column Performance ............................................ 128
4.6.6 Cyclic Envelopes: Comparison with ASCE 41-13 Modelling Guidelines ............ 132
4.6.7 Column Axial Shortening ...................................................................................... 134
4.7 Summary and Conclusions ................................................................................... 139

vii
CHAPTER 5 VALIDATION OF NUMERICAL MODELS FOR SIMULATING THE HYSTERETIC
BEHAVIOUR OF STEEL WIDE-FLANGE COLUMNS .................................................................... 241
5.1 Introduction ........................................................................................................... 241
5.2 Finite Element Model and Concentrated Plastic Hinge Model ......................... 241
5.2.1 Summary of Employed Finite Element Modelling Approach ............................... 241
5.2.2 Modified Ibarra-Medina-Krawinkler Model .......................................................... 243
5.3 Comparisons With Experimental Data and Discussion ..................................... 246
5.3.1 Fitting Procedure for the Monotonic Backbone Curves ........................................ 246
5.3.2 Observations from the Monotonic Tests ................................................................ 247
5.3.3 Observations for the Reversed Cyclic Tests .......................................................... 249
5.3.4 Discussion .............................................................................................................. 251
5.4 Assessment of Results and Recommendations .................................................... 255
5.4.1 Prediction of the Lateral Elastic Stiffness of Steel Columns ................................. 255
5.4.2 Prediction of the Effective Yield Strength ............................................................. 258
5.4.3 Prediction of the Capping Strength ........................................................................ 259
5.4.4 Prediction of the Pre-Capping Plastic Rotation ..................................................... 260
5.4.5 Prediction of the Post-Capping Plastic Rotation .................................................... 261
5.5 Summary and Conclusions ................................................................................... 261
CHAPTER 6 SUMMARY AND CONCLUSIONS .......................................................................... 285
6.1 Summary ................................................................................................................ 285
6.2 Conclusions ............................................................................................................. 285
6.2.1 Experimental Program ........................................................................................... 285
6.2.2 Experimental Results ............................................................................................. 286
6.2.3 Assessment of Numerical Models for Steel Column Behaviour ........................... 289
6.3 Suggestions for Future Work ............................................................................... 292
REFERENCES ....................................................................................................................... 295

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