Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Numerical investigation of steel frame robustness under external sudden column removal

Kozłowski Aleksander, Kukla Damian

Archives of Civil Engineering

|

2023

|

Vol. 69, nr 2

177--193

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.

2

Analysis of steel frame under selected accidental situation

Kukla Damian, Kozłowski Aleksander

Archives of Civil Engineering

|

2022

|

Vol. 68, nr 4

293--309

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.

3

Experimental tests of steel unstiffened double side joints with flush and extended end plate

Kozłowski Aleksander, Kukla Damian

Archives of Civil Engineering

|

2019

|

Vol. 65, nr 4

127--154

EN

Experimental tests of steel unstiffened double side bolted end-plate joints have been presented. The main aim of the conducted tests was to check the behavior of joints in an accidental situation and possibility of creating secondary mechanism, i.e. catenary action in the scenario of column loss. Two types of end plate joints were tested: flush end-plate (FP) and extended end-plate (EP) with different thickness and different number of bolt rows in each. The tests were carried out on an isolated cross beam-column-beam type system until joint failure. During tests the available moment resistance and rotation capacity of bending joints and also values of tension forces in the beam were determined. The joints with extended end-plate have demonstrated higher bending and rotational capacity than flush end-plate. Significant deformation of column flanges, web and end plate were observed. The fracture of bolts was the failure mode of joints. Obtained results of axial force values in beam exceeded standard requirement what confirmed that the joints with unstiffened web column, flush or extended end-plate possess the ability of development the catenary action.

PL

W artykule przedstawiono badania doświadczalne śrubowych doczołowych nieużebrowanych węzłów obustronnych. Głównym celem badań było sprawdzenie możliwości utworzenia mechanizmu wtórnego, tzw. akcji cięgnowej w scenariuszu utraty słupa. Badaniu poddano dwa typy wezłów doczołowych: z blachą wpuszczoną (FP) i z blachą wystającą (EP) o różnej grubości oraz różnej liczbie rzędów śrub. Badania wykonano na wyizolowanym układzie krzyżowym belka-słup-belka do momentu zniszczenia połączenia. Wynikiem badań było określenie nośności połączeń przy zginaniu, ustalenie zdolności do obrotu tego typu połączeń oraz ustalenie wartości sił rozciągających w belkach. Połączenia z blachą wystającą wykazały większą nośność na zginanie oraz zdolność do obrotu niż węzły z blachą wpuszczoną. Miejscami znacznych odkształceń węzła były pasy i środnik słupa oraz blacha czołowa. Modelem zniszczenia węzłów było zerwanie śrub. Uzyskane w badaniach wartości siły osiowej w belkach przekroczyły wartości normowe, co potwierdza, że połączenia z nieużebrowanym środnikiem słupa, z blachą wpuszczoną lub blachą wystającą posiadają zdolność rozwoju akcji cięgnowej.

4

Influence of sudden column loss on the dynamic response of a multistorey steel frame

Górski M., Szczerba R.

Czasopismo Inżynierii Lądowej, Środowiska i Architektury / Journal of Civil Engineering, Environment and Architecture

|

2018

|

z. 65, nr 4

5--20

EN

Multistorey steel buildings are proved to be very susceptible to situations when one of their columns loses its capacity as a result of an accidental action. The above mentioned case concerning a steel framed building is the subject of investigation presented in the paper. Structural system of analyzed building was designed in accordance with ultimate and serviceability limit states in the persistent and transient design situations. Then its integrity in accidental design situation was assessed. According to EN 1991-1-7 [1], the strategy based on limiting the extent of localized failure was assumed. Firstly, the static analysis of the structure in Autodesk Robot Structural Analysis Professional software was performed. Then, the static and dynamic GMNA analyzes (materially and geometrically nonlinear) of the structure in Autodesk Simulation Mechanical were carried out. Calculations were made in reference to plane frame, which is the repeatable load bearing system of considered building. FEM models were made with the use of beam and shell elements. The results of performed analyzes were compared and discussed. Concluding remarks were drawn and directions of future research were outlined.

5

Joint moment-rotation characteristic in light of experimental simulations of frame column loss

Giżejowski M. A., Szwed A., Saleh A. A. K., Barcewicz W.

Czasopismo Inżynierii Lądowej, Środowiska i Architektury / Journal of Civil Engineering, Environment and Architecture

|

2013

|

z. 60, nr 2

51--76

EN

Aspects related to robustness of steel frameworks with semi-rigid steel and steel-concrete composite joints are dealt with. Experimental investigations were carried out for sub-frames fabricated in technical scale. Pushdown tests for steel subframes simulated the joint ability to transfer the bending moment and axial force under a column loss scenario. Tests on composite sub-frames were arranged in two stages. The first one was related to a service stage when the slab was under a gravity load and the column to be removed supported. The gravity load was sustained in the second stage when a column loss scenario was simulated. Experiments have shown that composite flush end-plate joints may not be robust enough since their low strength under sagging bending, despite of good ductility, does not allow for the redistribution of internal forces in order to achieve the equilibrium in the residual state after static column removal. Contrary, symmetrical steel and composite joints with extended end-plates on both sides of beam flanges seem to be more robust, despite of their lesser ductility. Robust bending behaviour is possible because extended end-plate joints exhibit a better balance between the strength and rotation capacity that allows to achieve the equilibrium state in case of a static column loss event.

PL

W pracy rozważano zagadnienia odporności na zagrożenie katastrofą postępującą stalowych konstrukcji ramowych z podatnymi węzłami stalowymi i zespolonymi stalowo-betonowymi. Przeprowadzono badania doświadczalne podukładów ramowych w skali naturalnej. Badania dotyczyły zachowania się węzłów ram stalowych pod wpływem oddziaływania wymuszonego przemieszczeniem, symulującego zdolność węzłów do przeniesienia obciążeń przez zginanie z udziałem sił rozciągających pojawiających się w wyniku utraty nośności słupa ramy. Badania doświadczalne ram z węzłami zespolonymi stalowo-betonowymi przeprowadzono w dwóch etapach. Etap pierwszy dotyczył zachowania się podukładu w stanie użytkowania poprzedzającym zdarzenie wyjątkowe, gdy słup pełnił rolę elementu nośnego, stropy zaś były obciążone kombinacją oddziaływań grawitacyjnych stałego i trwałej części użytkowego. W drugim etapie, podukład z obciążeniem grawitacyjnym jak w etapie pierwszym poddano oddziaływaniom wymuszonym przemieszczeniem słupa symulującym statyczną utratę jego nośności. Na podstawie badań stwierdzono, że zespolone węzły ze zlicowanymi blachami czołowymi nie są wystarczająco odporne na postępującą katastrofę ze względu na niską wytrzymałość przy zginaniu momentem dodatnim i mimo dobrej ciągliwości, nie pozwalają na redystrybucję sił wewnętrznych po statycznej utracie słupa. Natomiast węzły stalowe i zespolone z symetrycznie wystającą blachą czołową wykazują zadowalający poziom odporności na katastrofę postępującą, mimo niższej ciągliwości. Węzły te wykazują lepszy balans pomiędzy nośnością a zdolnością do obrotu, który pozwala uzyskać stan równowagi w przypadku utraty słupa.