Analysis of steel frame under selected accidental situation

• Autorzy: Kukla Damian , Kozłowski Aleksander

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2022.143039

Warianty tytułu

PL

Analiza stalowej konstrukcji ramowej w wybranej sytuacji wyjątkowej

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The current design codes recommend designing the building structures based on the assumption avoiding the disproportionate to the initial cause damage during accidental situation. As a main strategy to mitigate a progressive collapse an alternative load path method is recommended. Flush and extended bolted end-plate joint to connect beam-to-column were experimentally tested. Hierarchical validation of joint FEM models based on experimental test results were performed. The numerical dynamic analysis by finite element method of selected steel frame under column loss scenario is presented. The planar 2D model of frame were used. Shell elements for beams and columns and solid elements for joints were employed respectively. Nonlinear material and geometry were applied in the analysis. Johnson-Cook model was used to describe the change of steel parameters by dynamic Increase Factor (DIF). The Rayleigh model to include the damping effects in the analysis was used. The dynamic analysis was performed with the use of Abaqus/Explicit module. Main conclusion of presented research it that to achieve the required level of robustness, bolted beam-to-column joints with extended end-plate of thickness more than 15 mm should be used.

PL

Obecne przepisy projektowe zalecają projektowanie i wykonywanie konstrukcji budowlanych w oparciu o unikanie nieproporcjonalnego do pierwotnej przyczyny uszkodzenia w sytuacji wyjątkowej. W obecnych normach projektowych przedstawiono kilka sposobów ochrony konstrukcji przed katastrofą postępującą. Jako główną strategię łagodzenia katastrofy postępującej zaleca się metodę alternatywnej ścieżki obciążenia. Odporność konstrukcji jest definiowana jako zdolność konstrukcji do zatrzymania katastrofy. Wykonano badania doświadczalnie śrubowych węzłów doczołowych belka-słup z blachą wpuszczoną i wystającą. Przeprowadzono walidację hierarchiczną modeli MES węzłów na podstawie wyników badań eksperymentalnych. Przedstawiono dynamiczną analizę numeryczną, opartą na metodzie elementów skończonych, wybranej ramy stalowej w sytuacji wyjątkowej. Zastosowano płaski model konstrukcji. Do budowy modelu ramy wykorzystano odpowiednio elementy powłokowe dla belek i słupów oraz elementy bryłowe dla węzłów. Wykorzystano nieliniowy model materiału i geometrii do wykonania modelu. Charakterystyki materiałowe stali zostały zmodyfikowane przez zastosowanie dynamicznego współczynnika wzrostu (DIF), przy użyciu modelu Johnson-Cook. W obliczeniach wykorzystano moduł Abaqus/Explicit z uwzględnieniem tłumienia. Wyniki analizy wskazują, że zastosowanie w konstrukcji ramowej doczołowych węzłów śrubowych z blachą wystającą o grubości większej niż 15 mm prowadzi do wytworzenia w konstrukcji mechanizmu cięgnowego i zatrzymania katastrofy postępującej.

Słowa kluczowe

EN

finite element method; FEM; dynamic analysis; end-plate joint; bolted joint; accidental situation; column loss; robustness; steel frame

PL

metoda elementów skończonych; MES; analiza dynamiczna; połączenie śrubowe; węzeł doczołowy; sytuacja wyjątkowa; usunięcie słupa; odporność; rama stalowa

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2022
• Tom: Vol. 68, nr 4
• Strony: 293--309
• Opis fizyczny: Bibliogr. 24 poz., il.

Twórcy

autor

Kukla Damian

• Rzeszów University of Technology, Faculty of Civil and Environmental Engineering and Architecture, Rzeszów, Poland

• https://orcid.org/0000-0003-1612-8394

autor

Kozłowski Aleksander

• Rzeszów University of Technology, Faculty of Civil and Environmental Engineering and Architecture, Rzeszów, Poland

• https://orcid.org/0000-0003-0920-6681

Bibliografia

• [1] Dassault, Abaqus - User Analysis User’s Manual, Dassault Systems Simulia Corp.
• [2] M. D’Antimo, M. Latour, G. Rizzano, J-F. Demonceau, J-P. Jaspart, “Preliminary study on beam-to-column joints under impact loading”, The Open Construction and Building Technology Journal, 2018, vol. 12, pp. 112-123; DOI: 10.2174/1874836801812010112.
• [3] F. Dinu, D. Dubina, I. Marginean, “Improving the structural robustness of multi-story steel-frame buildings”, Structure and Infrastructure Engineering, 2015, vol. 11, no. 8, pp. 1028-1041; DOI: 10.1080/15732479.2014.927509.
• [4] H.M. Elsanadedy, T.H. Almusallam, Y.R. Alharbi, Y.A. Al.-Salloum, H. Abbas, “Progressive collapse potential of a typical steel building due to blast attacks”, Journal of Constructional Steel Research, 2014, vol. 101, pp. 143-157; DOI: 10.1016/j.jcsr.2014.05.005.
• [5] EN 1990 Eurocode - Basis of structural design. European Committee for Standardization CEN Brussels, 2002.
• [6] A.B. Francavilla, M. Latour, G. Rizzano, J-F. Jaspart, J-F. Demonceau, “On the Robustness of Earthquake-Resistant Moment-Resistant Frames: Influence of Innovative Beam-to-Column Joints”, The Open Construction and Building Technology Journal, 2018, vol. 12, pp. 101-111; DOI: 10.2174/1874836801812010101.
• [7] M. Gizejowski, L. Kwasniewski, B. Saleh, M. Balcerzak, “Numerical study of joint behaviour for robustness assessment”, Applied Mechanics and Materials, 2012, vol. 166-169, pp. 3114-3117; DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMM.166-169.3114.
• [8] M.A. Gizejowski, B.A.A.K. Saleh, W. Barcewicz, J. Uziak, “Effect of postlimiting behaviour of isolated beam-to-column joints observed in force controlled experiments”, Journal of Civil Engineering, Environment and Architecture, 2013, vol. 30, no. 60(2), pp. 27-50.
• [9] General Services Administration. Alternate Path Analysis & Design Guidelines for Progressive Collapse Resistance. October 24, 2013.
• [10] H. Kang, J. Kim, “Progressive collapse of steel moment frames subjected to vehicle impact”, Journal of Performance of Constructed Facilities, 2014 vol. 29, no. 6; DOI: 10.1061/(ASCE)CF.1943-5509.0000665.
• [11] F. Klakojour, M.R. Sheidaii, “Effects of finite modelling and analysis techniques on response of steel moment-resisting frame in dynamic column removal scenarios”, Asian Journal of civil Engineering, 2018, vol. 19, pp. 295-307; DOI: 10.1007/s42107-018-0027-2.
• [12] A. Kozlowski, M. Gizejowski, L. Ślęczka, et al., “Experimental investigation of the joints behaviour-Robustness assessment of steel and steel concrete composite frames”, in Proceeding of the 6th European Conference on Steel and Composite Structures. Budapest, 2011, pp. 339-344.
• [13] A. Kozlowski, D. Kukla, “Experimental tests of steel unstiffened double side joints with flush and extended end plate”, Archives of Civil Engineering, 2019, vol. 65, no. 4, pp. 127-154; DOI: 10.2478/ace-2019-0051.
• [14] D. Kukla, A. Kozlowski, “Analysis of steel bolted end-plate joints under accidental situation”, in Modern Trends in Research on Steel, Aluminium and Composite Structures, M. Gizejowski, et al., Eds. Routledge, 2021; DOI: 10.1201/9781003132134-40.
• [15] D. Kukla, A. Kozlowski, “Parametric study of steel flush and extended end-plate joints under column loss scenario”, Engineering Structures, 2021, vol. 237, art. ID 112204; DOI: 10.1016/j.engstruct.2021.112204.
• [16] D. Kukla, A. Kozlowski, T. Siwowski, “Numerical analysis of steel double side joints with flush and extended end plate under accidental situation”, Ce/papers, 2021, vol. 4, no. 2-4, pp. 77-84; DOI: 10.1002/cepa.1265.
• [17] L. Kwasniewski, M. Gizejowski, “Numerical modelling of joint ductility in steel and steel-concrete composite frames”, in SDSS’Rio 2010 STABILITY AND DUCTILITY OF STEEL STRUCTURES, Rio de Janeiro, Brazil, 8-10 Sept. 2010, E. Batista, P. Vellasco, L. de Lima, Eds. Rio de Janeiro, 2010, pp. 239-246.
• [18] L-L. Li, G-Q. Li, B. Jiang, Y. Lu, “Analysis of robustness of steel frames against progressive collapse”, Journal of Constructional Steel Research, 2018, vol. 143, pp. 264-278; DOI: 10.1016/j.jcsr.2018.01.010.
• [19] B.A.A.K. Saleh, “Modelling of beam-to-column joints of Steel-Concrete Composite Frames Subjected to Standard and Extreme Load Combinations”, PhD thesis, Faculty of Civil Engineering, Warsaw University of Technology, 2013.
• [20] S. Shan, S. Li, S. Wang, “Effect of infill walls on mechanism of steel frames against progressive collapse”, Journal of Constructional Steel Research, 2019, vol. 162, art. ID 105720; DOI: 10.1016/j.jcsr.2019.105720.
• [21] H.R. Tavakoli, F. Kiakojouri, “Numerical Study of Progressive Collapse in Framed Structures: A New Approach for Dynamic Column Removal”, International Journal of Engineering, 2013, vol. 26, no. 7, pp. 685-692.
• [22] G. Vasdravellis, M. Baiguera, D. Al.-Sammaraie, “Robustness assessment of a steel self-centering momentresisting frame under column loss”, Journal of Constructional Steel Research, 2018, vol. 141, pp. 36-49; DOI: 10.1016/j.jcsr.2017.11.004.
• [23] A.G. Vlassis, B.A. Izzuddin, A.Y. Elghazouli, D.A. Nethercot, “Progressive collapse of multi-storey buildings due to sudden column loss - Part II: Application”, Engineering Structures, 2008, vol. 30, no. 5, pp. 1424-1438; DOI: 10.1016/j.engstruct.2007.08.011.
• [24] J. Znang, J. Jiang, S. Xu, Z. Wang, “An investigation of the effect of semi-rigid connections on sudden column removal in steel frames”, Structures, 2018, vol. 13, pp. 166-177; DOI: 10.1016/j.istruc.2017.12.001.