Numerical investigation of steel frame robustness under external sudden column removal

• Autorzy: Kozłowski Aleksander , Kukla Damian

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2023.145262

Warianty tytułu

PL

Numeryczna analiza odporności ram stalowych pod nagłym usuwaniem słupa zewnętrznego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Numerical analysis of robustness assessment of steel planar framed structures under sudden external column removal is presented. The analysis is based on the previous experimental and numerical analyzes conducted in the Ph.D. project. Advanced and validated finite element models of steel structures with bolted end plate joints were used using Abaqus software. Six different cases of analysis using flush and extended bolted end-plate joints were performed. The actual results of the axial forces and rotations of the joints, failure models, and other important factors about structure behaviour are presented. The clear division of the results obtained depended on the type of joint used in the structure. In the cases of application of extended end-plate joints in frame analysis, the required level of robustness was reached in all cases and stopping of collapse development was obtained. In all cases of frame analysis with flush end-plate joints, an insufficient level of robustness on progressive collapse was obtained and partial failures of the structures were reached. Due to the location of the external column, the catenary actions to mitigate progressive collapse were very limited.

PL

Przedstawiono analizę numeryczną oceny odporności stalowych płaskich konstrukcji ramowych pod wpływem nagłego usunięcia słupa zewnętrznego. Przeprowadzono analizy w oparciu o wcześniejsze badania eksperymentalne i analizy numeryczne przeprowadzone w ramach pracy doktorskiej pierwszego autora. Wykorzystano zaawansowane i zwalidowane modele elementów skończonych konstrukcji stalowej z połączeniami śrubowymi z blachą czołową przy użyciu oprogramowania Abaqus. Przeprowadzono sześć różnych przypadków analizy, w których zastosowano połączenia śrubowe doczołowe z blachą wpuszczoną i wystającą. Przedstawiono dokładne wyniki sił osiowych i obrotów połączeń, modele zniszczenia i inne ważne czynniki dotyczące zachowania konstrukcji. Wyraźny podział otrzymanych wyników zależny jest od rodzaju zastosowanego węzła w konstrukcji. W przypadku zastosowania w analizie ram połączeń doczołowych z blachą wystającą, we wszystkich przypadkach osiągnięto wymagany poziom odporności i zatrzymano rozwój katastrofy. We wszystkich przypadkach analizy ram z połączeniami doczołowymi z blachą wpuszczoną uzyskano niewystarczający poziom odporności na postępującą katastrofę i obserwowano częściowe uszkodzenia konstrukcji. Ze względu na usytuowanie słupa zewnętrznego działanie akcji cięgnowej mające na celu złagodzenie postępującego zawalenia było znacznie ograniczone. Na koniec przedstawiono zalecenia dotyczące kształtowania doczołowych połączeń śrubowych w celu zwiększenia odporności konstrukcji.

Słowa kluczowe

EN

dynamic analysis; external column; column loss; framed structure; robustness assessment; steel bolted joint

PL

analiza dynamiczna; konstrukcja ramowa; usunięcie słupa; ocena odporności; połączenie śrubowe stalowe; słup zewnętrzny

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2023
• Tom: Vol. 69, nr 2
• Strony: 177--193
• Opis fizyczny: Bibliogr. 33 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Kozłowski Aleksander

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

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

autor

Kukla Damian

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

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

Bibliografia

• [1] General Services Administration, Alternate path analysis & design guidelines for progressive collapse resistance. Revision 1, January 28, 2016.
• [2] Unified Facilities Criteria: Design of structures to resist progressive collapse. Department of Defence. Washington, 2009. Change 3, 1 November, 2016.
• [3] EN 1990 Eurocode - Basis of structural design. European Committee for Standardization, CEN, Brussels, 2002.
• [4] EN 1993-1-1: Eurocode 3 Design of steel structures, Part 1-1: General rules and rules for buildings. European Committee for Standardization, CEN, Brussels, 2005.
• [5] EN 1991-1-7: Eurocode 1 Actions on structures, Part 1-7: General actions - Accidental actions. European Committee of Standardization, CEN, Brussels, 2006.
• [6] B. A Izzuddin and J. Sio, “Rational horizontal tying force method for practical robustness design of building structures”, Engineering Structures, vol. 252, art. no. 113676, 2022, doi: 10.1016/j.engstruct.2021.113676.
• [7] B. A. Izzuddin, “Rational robustness design of multi-storey building structures”, Journal of Structural Engineering, vol. 148, no. 3, 2022, doi: 10.1061/(ASCE)ST.1943-541X.0003254.
• [8] D. Kukla, “Steel frame structures under selected accidental situations”, PhD dissertation, Rzeszow University of Technology, 2021 (in Polish).
• [9] A. Kozlowski and D. Kukla, “Experimental tests of steel unstiffened double side joints with flush and extended end plate”, Archives of Civil Engineering, vol. 65, no. 4, pp. 127-154, 2019, doi: 10.2478/ace-2019-0051.
• [10] D. Kukla and A. Kozlowski, “Parametric study of steel flush and extended end-plate joints under column loss scenario”, Engineering Structures, vol. 237, art. no. 112204, 2021, doi: 10.1016/j.engstruct.2021.112204.
• [11] D. Kukla and A. Kozlowski, “Analysis of steel frame under selected accidental situation”, Archives of Civil Engineering, vol. 68, no. 4, pp. 293-309, 2022, doi: 10.24425/ace.2022.143039.
• [12] J. M. Adam, F. Pasisi, J. Sagaseta, and X. Lu, “Research and practise on progressive collapse and robustness of building structures in the 21st century”, Engineering Structures, vol. 173, pp. 122-149, 2018, doi: 10.1016/j.engstruct.2018.06.082.
• [13] F. Kiakojouri, V. De Biagi, B. Chiaia, and M.R. Sheidaii, “Progressive collapse of framed building structures: Current knowledge and future prospects”, Engineering Structures, vol. 206, art. no. 110061, 2020, doi: 10.1016/j.engstruct.2019.110061.
• [14] “Mitigation of the risk of progressive collapse in steel and composite building frames under exceptional events”, Research Fund for Coal and Steel, FAILNOMORE, Background document, January 2021.
• [15] J. Szer, “Safety of buildings and construction disasters”, Archives of Civil Engineering, vol. 66, no. 1, pp. 281-295, 2020, doi: 10.24425/ace.2020.131788.
• [16] Sz. Woliński, “Multi-faced assessment of structural safety”, Archives of Civil Engineering, vol. 67, no. 2, pp. 133-154, 2021, doi: 10.24425/ace.2021.137159.
• [17] Sz. Woliński and T. Pytlowany, “Proposal for application of risk analysis to assess robustness of floor slabs pre-stressed with unbonded tendoms”, Archives of Civil Engineering, vol. 68, vol. 1, pp. 241-253, 2022, doi: 10.24425/ace.2022.140166.
• [18] X. Zhou, Y. He, S. Xiang, Y. Zhang, K. Ke, and W. Wang, “Experimental and numerical studies on structural response of steel garage subjected to vehicular collision”, Structures, vol. 37, pp. 933-946, 2022, doi: 10.1016/j.istruc.2022.01.068.
• [19] S. Xiang, Y. He, X. Zhou, and W. Wang, “Continuous twice-impact analysis of steel parking structure columns”, Journal of Constructional Steel Research, vol. 187, art. no. 106989, 2021, doi: 10.1016/j.jcsr.2021.106989.
• [20] A. F. Santos, A. Saniago, M. Latour, and G. Rizzano, “Robustness analysis of steel frames subjected to vehicle collisions”, Structures, vol. 25, pp. 930-942, 2020, doi: 10.1016/j.istruc.2020.03.043.
• [21] F. Kiakojouri, R. M. Sheidaii, V. De Biagi, and B. Chiaia, “Blast-induced progressive collapse of steel moment-resisting frames: Numerical studies and a framework for updating the alternate load path method”, Engineering Structures, vol. 242, art. no. 112541, 2021, doi: 10.1016/j.engstruct.2021.112541.
• [22] J. Zhang, J. Jiang, S. Xu, and Z. Wang, “An investigation of the effect of semi-rigid connections on sudden column removal in steel frames”, Structures, vol. 13, pp. 166-177, 2018, doi: 10.1016/j.istruc.2017.12.001.
• [23] L-L. Li, G-Q. Li, B. Jiang, and Y. Lu, “Analysis of robustness of steel frames against progressive collapse”, Journal of Constructional Steel Research, vol. 143, pp. 264-278, 2018, doi: 10.1016/j.jcsr.2018.01.010.
• [24] H. Li, X. Cai, L. Zhang, B. Zhang, and W. Wang, “Progressive collapse of steel moment-resisting frame subjected to loss of interior column: Experimental tests”, Engineering Structures, vol. 150, pp. 203-220, 2017, doi: 10.1016/j.engstruct.2017.07.051.
• [25] G. Vasdravellis, M. Baiguera, and D. Al.-Sammaraie, “Robustness assessment of a steel self-centering moment-resisting frame under column loss”, Journal of Constructional steel Research, vol. 141, pp. 36-49, 2018, doi: 10.1016/j.jcsr.2017.11.004.
• [26] L. Kwasniewski, “Nonlinear dynamic simulations of progressive collapse for a multistory building”, Engineering Structures, vol. 32, no. 5, pp. 1223-1235, 2010, doi: 10.1016/j.engstruct.2009.12.048.
• [27] J-Z. Zhang, B-H. Jiang, R. Feng, and R. Chen, “Robustness of steel moment frames in multi-columnremoval scenarios”, Journal of Constructional Steel Research, vol. 175, art. no. 106325, 2020, doi: 10.1016/j.jcsr.2020.106325.
• [28] F. Dinu, I. Marginean, and D. Dubina, “Experimental testing and numerical modelling of steel moment-frame connections under column loss”, Engineering Structures, vol. 151, pp. 861-878, 2017, doi: 10.1016/j.engstruct.2017.08.068.
• [29] F. Dinu, I. Marginean, D. Dubina, and I. Petran, “Experimental testing and numerical analysis of 3D steel frame system under column loss”, Engineering Structures, vol. 113, pp. 59-70, 2016, doi: 10.1016/j.engstruct.2016.01.022.
• [30] G-Q. Li, L-L. Li, B. Jiang, and Y. Lu, “Experimental study on progressive collapse resistance of steel frames under a sudden column removal scenario”, Journal of Constructional Steel Research, vol. 147, pp. 1-15, 2018, doi: 10.1016/j.jcsr.2018.03.023.
• [31] F. Xie, B. Gu, and H. Qian, “Experimental study on the dynamic behavior of steel frames during progressive collapse”, Journal of Constructional Steel Research, vol. 177, art. no. 106459, 2021, doi: 10.1016/j.jcsr.2020.106459.
• [32] Dassault, Abaqus - User Analysis User’s Manual. Dassault Systems Simulia Corp.
• [33] J. Ribeiro, A. Santiago, C. Riqueiro, P. Barata, and M. Vejkovic, “Numerical assessment of T-stub component subjected to impact loading”, Engineering Structures, vol. 106, pp. 450-460, 2016, doi: 10.1016/j.engstruct.2015.10.047.