Determining the dynamic resistance of existing steel industrial hall structures for areas with different seismic activity

• Autorzy: Rusek J. , Słowik L. , Firek K. , Pitas M.

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2020.135235

Warianty tytułu

PL

Wyznaczanie odporności dynamicznej istniejących hal przemysłowych o konstrukcji stalowej dla obszarów o różnej aktywności sejsmicznej

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper presents the results of research concerning the assessment of dynamic resistance of existing industrial hall structures located in areas with different seismic activity. The basis for analyses was a three-nave industrial hall with a steel structure. Numerical calculations were performed using the finite element method (FEM), using the response spectrum method in dynamic analysis. The calculations were carried out in variants, using standard accelerated response spectra according to Eurocode 8 and those determined for the Upper Silesian Coal Basin (USCB) and Legnica-Glogow Copper District (LGCD) area. Using the author's procedure for the assessment of the dynamic resistance, for each of the extortion analysed, the structure's response to the dynamic excitation was compared with the effects of load combinations adopted at the design stage, thus establishing the limit values of the design horizontal ground acceleration αmaxg,H understood as the structure's resistance to tremors. This allowed to assess the impact of seismic activity from a specific area on the dynamic resistance of the subjected object. The article also discusses the way of interpretation and the scope of application of the obtained results and proposed procedure.

PL

W pracy przedstawiono wyniki badań dotyczących oceny odporności dynamicznej istniejących konstrukcji hal przemysłowych zlokalizowanych na terenach o różnej aktywności sejsmicznej. Podstawą do analiz była trójnawowa hala przemysłowa o konstrukcji stalowej. Przeprowadzono obliczenia numeryczne metodą elementów skończonych (MES), wykorzystując w analizie dynamicznej metodę spektrum odpowiedzi. Obliczenia przeprowadzono wariantowo, stosując wzorcowe przyspieszeniowe spektra odpowiedzi według Eurokodu 8 oraz te, wyznaczone dla obszaru Górnośląskiego Zagłębia Węglowego (GZW) i Legnicko-Głogowskiego Okręgu Miedziowego (LGOM). Stosując autorską procedurę oceny odporności dynamicznej, dla każdego analizowanego wymuszenia porównano reakcję konstrukcji na wzbudzenie dynamiczne z efektami od kombinacji obciążeń przyjętych na etapie projektowania, ustalając tym samym wartości graniczne projektowego przyspieszenia poziomego gruntu αmaxg,H rozumianego jako odporność konstrukcji na wstrząsy. Pozwoliło to na ocenę wpływu warunków sejsmicznych z określonego obszaru na odporność dynamiczną badanego obiektu. W artykule przedstawiono sposób interpretacji zaproponowanej procedury i wskazano potencjalne możliwości jej zastosowania.

Słowa kluczowe

EN

dynamic resistance; spectrum response analysis; mining tremor; steel structure; industrial hall; seismic activity area

PL

odporność dynamiczna; analiza spectrum odpowiedzi; wstrząs górniczy; konstrukcja stalowa; hala przemysłowa; teren sejsmiczny

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2020
• Tom: Vol. 66, nr 4
• Strony: 525--542
• Opis fizyczny: Bibliogr. 55 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Rusek J.

• Department of Engineering Surveying and Civil Engineering, Faculty of Mining Surveying and Environmental Engineering, AGH University of Science and Technology, Krakow, Poland

autor

Słowik L.

• Department of Building Structures, Geotechnics and Concrete, Building Research Institute ITB, Katowice, Poland

autor

Firek K.

• Department of Engineering Surveying and Civil Engineering, Faculty of Mining Surveying and Environmental Engineering, AGH University of Science and Technology, Krakow, Poland

autor

Pitas M.

• Department of Mechanics and Bridges, Faculty of Civil Engineering, Silesian University of Technology, Gliwice, Poland

Bibliografia

• 1. Tajduś, K. (2014) The nature of mining-induced horizontal displacement of surface on the example of several coal mines. Archives of Mining Sciences 59(4), pp. 971-986
• 2. Kawulok, M. (2010) Szkody górnicze w budownictwie [Mining damage in building structures]. Wydawnictwa Instytutu Techniki Budowlanej, Warsaw [in Polish]
• 3. Sroka, A., Knothe, S., Tajduś, K., Misa, R. (2015) Point Movement Trace Vs. The Range Of Mining Exploitation Effects In The Rock Mass. Archives of Mining Sciences
• 4. Olszewska, D. (2017) The acceleration response spectra for Legnica-Glogow copper district. Tech. Trans., vol. Vol. 9, pp. 99-115
• 5. Czerwionka, L. and Tatara, T. (2007) Wzorcowe spektra odpowiedzi z wybranych obszarów GZW [Standard response spectra from chosen mining regions at Upper Silesian Coalfield]” Czasopismo Techniczne. Budownictwo, vol. R. 104, pp. 11-18, [in Polish with English Abstact]
• 6. Kuźniar, K., Maciąg, E. and Tatara, T. (2014) Unormowane spektra odpowiedzi od drgań powierzchniowych wzbudzanych wstrząsami górniczymi [Normalized response spectra from surface vibrations induced by mining tremors]” J. Civ. Eng. Environ. Archit. Rzesz., vol. 61, no. 2, p. 69 [in Polish with English Abstract]
• 7. Zembaty, Z. and Kokot, S. (2014) Adaptacja sejsmicznych norm projektowania konstrukcji do ujęcia wpływu wstrząsów górniczych na budowle [Adaptation of seismic civil engineering standards to the design of structures under the excitations from mine tremors]. Przegląd Górniczy, vol. T. 70, nr, pp. 72-77 [in Polish with English Abstract]
• 8. Zembaty, Z., Kokot, S., Bobra, P. and Kuś, J. (2015) Projektowanie budowli wg Eurokodu 8 na terenach górniczych LGOM [Structural design according to Eurocode 8 in LGOM mining region]. Mater. Bud., vol. nr 6, pp. 48-49 [in Polish with English Abstract]
• 9. Olszewska, D. and Lasocki, S. (2006) Relacja tłumienia wartości szczytowej przyspieszenia drgań gruntu z uwzględnieniem amplifikacji dla wybranych rejonów obszaru LGOM [The amplification factors from the attenuation relation and the HVSR method]. WUG bezpieczeństwo Pr. i Ochr. środowiska w górnictwie, vol. nr 6, pp. 19–20 [in Polish with English Abstract]
• 10. Kwiatek, J. (2007) Bezpieczeństwo obiektów budowlanych na terenach górniczych [Building safety in mining areas]. Zeszyty Naukowe. Górnictwo. Politechnika Śląska. z. 278: 221-30 [in Polish]
• 11. Cholewicki, A., Kawulok, M., Lipski, Z. and Szulc, J. (2012): Zasady ustalania obciążeń i sprawdzania stanów granicznych budynków zlokalizowanych na terenach górniczych w nawiązaniu do Eurokodów [Rules for determining the load and checking limit states of buildings located on mining areas in reference to the Eurocodes]. Building Research Institute, Warsaw, 66 p. [in Polish]
• 12. Popiołek, E. 2009 Ochrona terenów górniczych [Protection of mining areas] Wydawnictwa AGH, Crakow, p. 298 [in Polish]
• 13. Cholewicki, A., Szulc, J. and Nagórski, T. (2008) Procedury obliczeniowe w projektowaniu budynków poddanych oddziaływaniom wstrząsów górniczych [Calculation procedures in designing of structures due to paraseismic actions in mining regions]. GIG Sci. Pap. Min. Environ. Min. Inst., pp. 67-82 [in Polish with English Abstact]
• 14. Tatara, T., Pachla, F. (2012) Uszkodzenia w obiektach budowlanych w warunkach wstrząsów górniczych [Damage to buildings in mining tremors]. Przegląd Górniczy. T. 68, nr: 1-10 [in Polish]
• 15. Pachla, F. and Tatara, T. (2017) Odporność zabudowy mieszkalnej i gospodarczej na wpływy eksploatacji górniczej w obszarze górniczym KWK Janina [Resistance of residential and rural buildings due to mining exploitation in the coal mining area] Zesz. Nauk. Inst. Gospod. Surowcami Miner. i Energią, PAN, vol. nr 101, pp. 45-60 [in Polish with English Abstract]
• 16. Pachla, F. and Tatara, T. (2020) Dynamic Resistance of Residential Masonry Building with Structural Irregularities. In: Kober D., De Stefano M., Zembaty, Z. (Eds.): Seismic Behaviour and Design of Irregular and Complex Civil Structures III, Springer, 2020, pp. 335-347
• 17. Pachla, F. and Tatara, T. (2015) Odporność dynamiczna obiektów infrastruktury drogowej i sportowej na wybranym obszarze GZW [Dynamic resistanc of road and sports infrastructure in the selected area of USCB],” Przegląd Górniczy, vol. T. 71, nr, pp. 42-50 [in Polish with English Abstract]
• 18. Tatara, T. and Pachla, F. (2010) Wybrane kryteria oceny odporności dynamicznej budynków murowanych poddanych działaniom wstrząsów górniczych [Chosen criteria for estimation of dynamic resistance of masoury buildings subjected to mining tremors]. Czas. Tech. Bud., vol. R. 107, pp. 161-172, [in Polish with English Abstract]
• 19. Tatara, T. (2012) Odporność dynamiczna obiektów budowlanych w warunkach wstrząsów górniczych [Dynamic resistance of buildings in conditions of mining tremors]. Politechnika Krakowska im. Tadeusza Kościuszki, p. 258 [in Polish]
• 20. FEMA (Fed. Emerg. Manag. Agency), (2000a) FEMA-350 Recommended Seismic Design Critria for New Steel Moment-Frame Buildings., Washington, DC.
• 21. FEMA (Fed. Emerg. Manag. Agency), (2000b) FEMA 355 State of the Art Report on Systems Performance of Steel Moment Frames Subject to Earthquake Ground Shaking. Washington, DC
• 22. CEN (European Committee for Standardization) (2004) Eurocode 8: Design of structures for earthquake resistance. Part 1: General rules, seismic actions and rules for buildings
• 23. Salari, N. and Asgarian, B. (2015) Seismic response of steel braced frames equipped with shape memory alloy-based hybrid devices. Struct. Eng. Mech., 53(5), 1031-1049
• 24. Gholipour, M. and Mazloom, M. (2018) Seismic response analysis of mega-scale buckling-restrained bracing systems in tall buildings. Adv. Comput. Des. Vol. 3, No. 1 17-34
• 25. Mohsenian, V., Nikkhoo, A. and Hajirasouliha, I. (2019) Estimation of seismic response parameters and capacity of irregular tunnel-form buildings. Bull. Earthq. Eng.
• 26. Taiyari, F., Mazzolani, F. M. and Bagheri, S. (2019) Seismic performance assessment of steel building frames equipped with a novel type of bending dissipative braces. Steel Compos. Struct., 525-535
• 27. Katsimpini, P. S., Papagiannopoulos, G. A., Askouni, P. K. and. Karabalis, D. L. (2020) Seismic response of low-rise 3-D steel structures equipped with the seesaw system. Soil Dyn. Earthq. Eng, vol. 128
• 28. ASCE (American Society of Civil Engineers), (2014) Seismic Evaluation and Retrofit of Existing Buildings
• 29. Wang, S. and Mahin, S. A. (2017) Seismic retrofit of a high-rise steel moment-resisting frame using fluid viscous dampers. Struct. Des. Tall Spec. Build. vol. 26, Issue 10
• 30. Lignos, D. G., Moreno, D. M. and Billington, S. L. (2014) Seismic retrofit of steel moment-resisting frames with high-performance fiber-reinforced concrete infill panels: Large-scale hybrid simulation experiments. J. Struct. Eng. (United States), vol. 140
• 31. Almeida, A., Ferreira, R., Proença, J. M. and Gago, A. S. (2017) Seismic retrofit of RC building structures with Buckling Restrained Braces. Engineering Structures, 130, 14-22
• 32. Tatara, T. (2013) Proponowane kierunki dalszej modyfikacji skali GSI-GZW/KW [Proposed directions for further modification of the GSI-GZW/KW scale] Przegląd Górniczy, vol. T. 69, pp. 17-24 [in Polish with English Abstract]
• 33. Kuźniar, K. and Tatara, T. (2017) Application of mine-induced free-field and building foundation vibrations for evaluation of their harmfulness using mining scales. Procedia Eng., vol. 199, pp. 2378-2383
• 34. Graziani L., Del Mese, S., Tertulliani, A., Arcoraci, L., Maramai, A. and Rossi A. (2019) Investigation on damage progression during the 2016-2017 seismic sequence in Central Italy using the European Macroseismic Scale (EMS-98). Bull. Earthq. Eng., vol. 17, no. 10, pp. 5535-5558
• 35. Rossi, A., Tertulliani, A., Azzaro, R., Graziani, L., Rovida, A., Maramai, A., Pessina, V., Hailemikael, S., Buffarini, G., Bernardini, F., Romano, C., Mese, S., Ercolani, E., Fodarella, A., Locati, M., Martini, G., Paciello, A., Paolini, S., Arcoraci, L., Stucchi, M. (2019) The 2016-2017 earthquake sequence in Central Italy: macroseismic survey and damage scenario through the EMS-98 intensity assessment. Bull. Earthq. Eng., vol. 17, no. 5, pp. 2407-2431.
• 36. Rusek, J. (2017) A proposal for an assessment method of the dynamic resistance of concrete slab viaducts subjected to impact loads caused by mining tremors. J. Civ. Eng. Environ. Archit., pp. 469-485.
• 37. Rusek, J. (2018) Methods for assessing resistance and threats to building structures in mining areas. Pr. Inst. Mech. Górotworu PAN, vol. T. 20, nr, pp. 103-110
• 38. Rusek, J. and Kocot, W. (2017) Proposed Assessment of Dynamic Resistance of the Existing Industrial Portal Frame Building Structures to the Impact of Mining Tremors. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, vol. 245, no. 3.
• 39. Chopra, A. K. (2012): Dynamics of structures - Theory and Applications to Earthquake Engineering. Pearson Education.
• 40. Chang, K.-C., Wang, P.-H. and Ou, Y.-C. (2019) Capacity-Based Inelastic Displacement Spectra for Seismic Evaluation and Design of Reinforced Concrete Bridges. Concrete Structures in Earthquake, 329-350
• 41. Liang, L. (2019) Comparative Study on Existing Seismic Performance Evaluation Methods of Buildings Based on Life Cycle. Acad. J. Archit. Geotech. Eng., vol. 1, no. 1
• 42. Pan, H. and Kusunoki, K. (2020) Aftershock damage prediction of reinforced-concrete buildings using capacity spectrum assessments. Soil Dyn. Earthq. Eng., vol. 129.
• 43. Chmielewski, T. and Zembaty, Z. (2006) Podstawy dynamiki budowli [The rudiments of the dynamics of structures]. Arkady, Warsaw, 296 p. [in Polish]
• 44. CEN (European Committee for Standardization) (2002) Eurocode - Basis of structural design
• 45. Zembaty, Z. (2010) Zastosowanie normy sejsmicznej ‘Eurokod 8’ w projektowaniu budowli narażonych na działanie wstrząsów górniczych [The application of Eurocode 8 in the design of structures under the mine tremors]. Czas. Tech. Bud., vol. R. 107, z., pp. 173-180 [in Polish with English Abstract]
• 46. PKN (Polish Committee for Standardization) (1977) PN-B-02011:1977. Obciążenia w obliczeniach statycznych. Obciążenie wiatrem [Static calculation loads - Wind loads]. [in Polish]
• 47. PKN (Polish Committee for Standardization) (1980) PN-B-02010:1980. Obciążenia w obliczeniach statycznych - Obciążenie śniegiem. [Static calculation loads - Snow loads]. [in Polish]
• 48. PKN (Polish Committee for Standardization) (1982) PN-B-02000:1982. Obciążenia budowli - Zasady ustalania wartości [Loads on structures - Rules for determining value]. [in Polish]
• 49. Wodyński, A. (2007) Zużycie techniczne budynków na terenach górniczych [The process of technical wear of buildings in mining areas]. AGH Uczelniane Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne, Cracow, p. 142 [in Polish]
• 50. CEN (European Committee for Standardization) (2002b) Eurocode 1: Actions on Structures, Part 1-1. General Actions-Densities, Self-weight, Imposed Loads for Buildings
• 51. Autodesk (2020): Robot Structural Analysis.
• 52. Alavi, A., Castiglioni, C. A. and Brambilla G. (2017) Behaviour factor evaluation of moment resisting frames having dissipative elements. ce/papers, vol. 1, no. 2-3, 3424-3433
• 53. Fiorino, L., Shakeel, S., Macillo, V. and Landolfo, R. (2019) Behaviour factor (q) evaluation the CFS braced structures according to FEMA P695. J. Constr. Steel Res., vol. 138, pp. 324-339
• 54. Rusek, J. and Firek, K. (2016) Machine learning for determining dynamic characteristics of portal frame buildings. 16th International Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM 2016. Conference Proceedings, vol. 2, pp. 539-544
• 55. Rusek, J. (2020) The Point Nuisance Method as a Decision-Support System Based on Bayesian Inference Approach. Archives of Mining Sciences 2020; 65: 117-27