Christchurch Earthquake Series: The  Case for Structural Steel Systems

Presentation by G Charles Clifton

AP of  Civil EngineeringSpecialist in Structural Steel and Composite Construction

to the:Canterbury Earthquakes Royal Commission 

ENG.UOA.0006.1

The Earthquake Sequence: Impact  on Christchurch CBD

Magnitude and Intensity of events to date:

4 Sept 2010: M 7.1, MM 7, ≈

0.7 x design*

26 Dec 2010: M 5.5?, MM 7 to 8

22 Feb 2011: M 6.3, MM 9 to 10, ≈

1.8 x design* 

6 June 2011: M 5.3?, MM 7 to 8

13 June, 2011: M 5.4?, MM 7 to 8

13 June 2011: M 6.3, MM 8 to 9, ≈

0.9 x design*

design* = design for ultimate limit state to current seismic loading  standard

Cumulative  effect ≡

close to maximum considered event

ENG.UOA.0006.2

22 February Earthquake – Intensity of  Shaking and Duration

•

Above the MCE level (data courtesy of GNS)CENTRAL CITY AND NZS1170 SPECTRA

CLASS D DEEP OR SOFT SOILLarger Horizontal Components

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

Period T(s)

SA(T

) (g)

NZS1170 2500-yr Class D

NZS1170 500-yr Class D Deep orSoft Soil

CHHC_MaxH_FEB

CCCC_MaxH_FEB

CBGS_MaxH_FEB

REHS_MaxH_FEB

GM_Larger_FEB

ENG.UOA.0006.3

Performance requirements of modern  buildings in this level of event (> DLE)

For normal importance buildings  to conventional ductile design, 

they are:•Shall remain standing under DLE, 

should under MCE•Structural and non structural 

damage will occur•Building will probably require 

replacement•Actual performance needs to be 

viewed in this light

ENG.UOA.0006.4

EBF Systems•

V braced (K braced) and D 

braced both present; V  braced shown opposite

•

Capacity design  procedure to force 

inelastic demand into the  active link

•

This was first earthquake  worldwide severe enough  to push the frames into 

the inelastic range•

Minor yielding only; no 

link replacement required  except in one instance

•

Repair cracking stairwells  and light‐weight walls

•

Minimum floor slab  damage

•

Buildings typically self‐ centred

ENG.UOA.0006.5

Case Study: Pacific Tower 23 storey mixed EBF and MRF, composite floors, transfer diaphragm level 6

•

Building has effectively self centred:–

60 mm out of plumb midheight

–

30 mm out of plumb at top–

under 0.1% residual deflection

•

Minimum damage compared with  other buildings

–

Minimal structural or non structural  repair or replacement needed

–

Requires only realignment of lift guide  rails

–

Could re‐occupy but is in red zone so no  public access

–

All other buildings of same height  severely damaged; replacement likely

ENG.UOA.0006.6

Case Study: Club Tower 12 storey mixed EBF and MRF, composite floors, torsionally irregular

•

Building has effectively self centred:–

45;35 mm out of plumb top; within 

construction tolerances–

0.14% maximum residual deflection

•

Minimum damage–

Lift guide rail realignment required: 

this will cost approx $250k–

No other structural or non structural 

repair or replacement needed–

Building now fully occupied including 

CERA and CCC–

The only normal importance high‐

rise building in Christchurch now  reoccupied (other is Police Station)

ENG.UOA.0006.7

ENG.UOA.0006.8

ENG.UOA.0006.9

ENG.UOA.0006.10

ENG.UOA.0006.11

ENG.UOA.0006.12

ENG.UOA.0006.13

ENG.UOA.0006.14

ENG.UOA.0006.15

Examples of Low/Medium Rise EBF  and CBFs

2 to 5  storey

•

No structural or non  structural damage to  frame or suspended 

floors•

Some instances ground 

has slumped from under  building

•

Two cases brace system  failure due to bad 

detailing

ENG.UOA.0006.16

ENG.UOA.0006.17

ENG.UOA.0006.18

ENG.UOA.0006.19

Connections

•

Performed as intended

•

No damage to splices and secondary element  connections

•

Gusset plate connections out of plane  movement in endplates to column as 

intended

•

Sliding connections in stairs etc worked as  intended

ENG.UOA.0006.20

ENG.UOA.0006.21

Steel Moment Frames

•

No visible  damage to  frames 

themselves•

No visible 

structural or  non‐

structural  damage

ENG.UOA.0006.22

Summary of Steel Frame, Composite  Floor System Building Behaviour

•

Steel frame EBF or MRF

•

Composite floor system, concrete on steel deck on steel beams

•

All existing buildings have delivered low damage performance

in  MCE earthquake

•

Minimal floor slab cracking, no frame elongation or unexpected  behaviour

•

Capacity design procedure has been robust

Why? –

still finding out, but key points appear to be:•

Capacity design procedure ensures only primary member 

undergoes inelastic demand

•

Elastic columns assist in building self centering

•

Composite floor slab assists in building self centering, including  pushing the EBF collector beams back to level

ENG.UOA.0006.23

Recommended Low Damage Solutions for New  Construction (or Retrofitted Construction): 1 of 2

•

EBF system with bolted in active  links; or

•

Rotational bolted active links; or•

CBFs with buckling restrained 

braces•

Dual frames with MRF semi‐rigid 

connections•

Designed for limited ductile or 

lower levels of ductility demand•

Proven performance in 

Christchurch earthquakes (only  well performing multi‐storey 

system in that earthquake)

or, a REBF

ENG.UOA.0006.24

sacrificialposition bolts

bottom flange bolts

beamcolumn

Sliding Hinge Joint general viewSliding Hinge Joint general view

ENG.UOA.0006.25

Structure sways to rightStructure sways to right

beamcolumn

Action of the Sliding Hinge Joint in Severe Earthquakes

ENG.UOA.0006.26

Structure sways to leftStructure sways to left

Action of the Sliding Hinge Joint in Severe Earthquakes

beamcolumn

ENG.UOA.0006.27

Recommended Low Damage Solutions for New  Construction (or Retrofitted Construction): 2 of 2

•

Columns with self  centering, no residual 

rotation bases, eg as  in Te Puni building, in  conjunction with SHJs

•

Sliding hinge joints  for rotation with no  replacement

•

Composite floor  system with slab,  enhancing resistance 

and self centering  capability

ENG.UOA.0006.28

Long Span Composite Floor Solutions

•

Use composite slab on  steel deck on welded, 

cellular secondary beams•

Easy to pass services 

through•

Clear spans of 20 m readily 

achieved•

Slab Panel Design for fire 

means only approx 30% of  beams need passive fire 

protection

Britomart East Building –

12m 

x 12m column grid; every 7th

secondary beam passive fire 

protected

ENG.UOA.0006.29

Steel in Strengthening of Existing Buildings

•

When added  with care is 

very effective

•

Tying together  masonry 

•

Stiff frames in  concrete 

buildings

ENG.UOA.0006.30

Innovative Uses For Steel Containers

•

Road  barriers

•

Rock fall  stoppers

•

Shop  windows

•

Temporary  pubs

ENG.UOA.0006.31

Light Steel Framed Housing

•

Not that many  houses in 

affected region•

Excellent 

performance; no  internal cracking  and minor 

loosening of  bricks only issues

ENG.UOA.0006.32

Has a Building’s Earthquake Life Been  Used Up? : 1 of 2

•

Depends on design and  construction of building  and nature of 

earthquake(s)

•

Older buildings: often  decision is clear but this 

depends on importance  of building

Decision = demolish

Decision ?  rebuild or demolish

ENG.UOA.0006.33

Has a Building’s Earthquake Life Been  Used Up? : 2 of 2

•

Modern buildings:–

Designed for controlled damage

in earthquake for life safety(Like crumple zone in car)

–

What reserve of strength and ductility is left depends on:

•

Strains in steel (structural or rebar)•

Number of cycles

•

Extent of concrete crushing•

Integrity of overall structural system

•

Difficult decision to make: need  understanding of failure mechanisms and 

representative test data•

Easier with steel framed buildings as can 

see main structural components

RC beams: damage in lab 

(top) and in actual buildings 

(right)

EBF active links: leave 

in place (top  left and 

right ) and replace 

(bottom right)

ENG.UOA.0006.34