The progressive collapse phenomenon in structures has been interested by civil engineers and the building standards organizations. This is particularly true for the tall and special buildings ever since local collapse of the Ronan Point tower in UK in 1968. When initial or secondary defects of main load carrying elements, overloads or unpredicted loads occur in the structure, a local collapse may be arise that could be distributed through entire structure and cause global collapse. One is not able to prevent the reason of failure as well as the prevention of propagation of the collapse. Also, one is not able to predict the start point of collapse. Therefore we should generalize design guides to whole or the part of structure based on the risk analysis and use of load carrying elements removal scenario. There are some new guides and criteria for elements and connections to be designed to resist progressive collapse. In this paper, codes and recommendations by various researchers are presented, classified and compared for steel structures. Two current design methods are described in this paper and some retrofitting methods are summarized. Finally a steel building with special moment resistant frame is analyzed as a case study based on two standards guidelines. This includes consideration of codes recommendations. It is shown that progressive collapse potential of the building depends on the removal scenario selection and type of analysis. Different results are obtained based on two guidelines.
In this paper the progressive collapse resisting capacity of steel moment frames with MR dampers is evaluated, and a preliminary design procedure for the dampers to prevent progressive collapse is suggested. Parametric studies are carried out using a beam-column subassemblage with varying natural period, yield strength, and damper force. Then the progressive collapse potentials of 15-story steel moment frames installed with MR dampers are evaluated by nonlinear dynamic analysis. The analysis results of the model structures showed that the MR dampers are effective in preventing progressive collapse of framed structures subjected to sudden loss of a first story column. The effectiveness is more noticeable in the structure with larger vertical deflection subjected to larger inelastic deformation. The maximum responses of the structure installed with the MR dampers designed to meet a given target dynamic response factor generally coincided well with the target value on the conservative side.
For the collapse of structures due to the variable repeated load, two types of collapse mechanisms, i.e., incremental collapse and alternating plasticity, exist. Under the similar variable repeated loading conditions there exists shakedown state in the structures. In shakedown state, the number of plastic hinges are not increased and all further loading will be resulted in the elastic moment changes. Namely, under the shakedown state, structures do not collapse. In this investigation, shakedown analysis are performed by composing new computer programs. Basic theories employed to compose the programs are as follows. 1. Newton-Raphson methods are added to the existing matrix method for the plastic analysis. 2. An effort to construct the stiffness of axial and bending springs attached at both ends of the member has been made. By using the programs developed, it is possible to anticipate the collapse mechanisms (Incremental collapse, alternating plasticity). Lastly for the verification of performance of the program, demonstration examples have been solved and the results are compared with other sources.
Simplifier assumptions which are used in numerical studies of progressive collapse phenomenon in structures indicate inconsistency between the numerical and experimental full-scale results. Neglecting the effects of infill panels and two-dimensional simulation are some of these assumptions. In this study, an existing seismically code-designed steel building is analyzed with alternate path method (AP) to assess its resistance against progressive collapse. In the AP method, the critical columns be removed immediately and stability of the remaining structure is investigated. Analytical macro-model based on the equivalent strut approach is used to simulate the effective infill panels. The 3-dimentional nonlinear dynamic analysis results show that modeling the slabs and infill panels can increase catenary actions and stability of the structure to resist progressive collapse even if more than one column removed. Finally, a formula is proposed to determine potential of collapse of the structure based on the quantity and quality of the produced plastic hinges in the connections.
The main objective of seismic codes is to prevent structural collapse and ensure life safety. Collapse probability of a structure is usually assessed by making a series of analytical model assumptions. This paper investigates the effect of finite element modeling (FEM) assumptions on the estimated collapse capacity of a reinforced concrete (RC) frame building and points out the modeling limitations. Widely used element formulations and hysteresis models are considered in the analysis. A full-scale, three-story RC frame building was utilized as the experimental model. Alternative finite element models are established by adopting a range of different modeling strategies. Using each model, the collapse capacity of the structure is evaluated via Incremental Dynamic Analysis (IDA). Results indicate that the analytically estimated collapse capacities are significantly sensitive to the utilized modeling approaches. Furthermore, results also show that models that represent stiffness degradation lead to a better correlation between the actual and analytical responses. Results of this study are expected to be useful for in developing proper models for assessing the collapse probability of RC frame structures.
Plastic mechanism analysis of structures subjected to large deformation has long been used in order to determine collapse mechanisms of steel structures, and the energy absorbed in plastic deformation during such collapses. In this paper the technique is applied to vehicle roof structures that undergo large plastic deformation as a result of rollover crashes. The components of such roof structures are typically steel spot-welded hat-type sections. Ten different deformation mechanisms are defined from investigations of real-world rollover crashes, and an analytical technique to determine the plastic collapse load and energy absorption of such mechanisms is determined. The procedure is presented in a generic manner, such that it may be applied to any vehicle structure undergoing a rollover induced collapse. The procedure is applied to an exemplar vehicle, in order to demonstrate its application in determining the energy absorbed in the deformation of the identified collapse mechanisms. The procedure will be useful to forensic crash reconstructionists, in order to accurately determine the initial travel velocity of a vehicle that has undergone a rollover and for which the post-crash vehicle deformation is known. It may also be used to perform analytical studies of the collapse resistance of vehicle roof structures for optimisation purposes, which is also demonstrated with an analysis of the effect of varying the geometric and material properties of the roof structure components of the exemplar vehicle.
The front-end side members of vehicles(spot welded hat and double hat shaped section members) absorb most of the impact energy in a case of front-end collision. In this paper, specimens with various spot weld pitches have been tested with a high impact velocity of 7.19m/sec(impact energy of 1034J). The axial impact collapse simulation on the sections has been carried out to review the collapse characteristics of these sections, using an explicit finite element code, LS-DYNA3D. Comparing the results with experiments, the simulation has been verified; the energy absorbing capacity is analyzed and an analysis method is suggested to obtain exact collapse loads and deformation collapse modes.
This paper presents an experimental investigation into the progressive collapse behavior of composite steel-concrete frames under various column removal scenarios. This study involves testing two two-bay, two-story composite frames featuring CFST columns and profiled steel decking composite slabs. Two removal scenarios, involving the corner column and middle column, are examined. The paper reports on the overall and local failure modes, vertical force-deformation responses, and strain development observed during testing. Findings indicate that structural failure initiates due to fracture and local buckling of the steel beam. Moreover, the collapse resistance and ductility of the middle column removal scenario surpass those of the corner column removal scenario. Subsequent numerical analysis reveals the significant contribution of the composite slab to collapse resistance and capacity. Additionally, it is found that horizontal boundary conditions notably influence the collapse resistance in the middle column removal scenario only. Finally, the paper proposes a simplified calculation method for collapse resistance, which yields satisfactory predictions.
An attempt has been made to incorporate the concept of collapse safety margin into the procedures proposed in the performance-based earthquake engineering (PBEE) framework for direct earthquake loss estimation, in which the collapse probability curve obtained from incremental dynamic analysis (IDA) is mathematically characterized with the S-type fitting model. The regressive collapse probability curve is then used to identify non-collapse cases and collapse cases. With the assumed lognormal probability distribution for non-collapse damage indexes, the expected direct earthquake loss ratio is calculated from the weighted average over several damage states for non-collapse cases. Collapse safety margin is shown to be strongly related with sustained damage endurance of structures. Such endurance exhibits a strong link with expected direct earthquake loss. The results from the case study on three concrete frames indicate that increase in cross section cannot always achieve a more desirable output of collapse safety margin and less direct earthquake loss. It is a more effective way to acquire wider collapse safety margin and less direct earthquake loss through proper enhancement of reinforcement in structural components. Interestingly, total expected direct earthquake loss ratio seems to be insensitive a change in cross section. It has demonstrated a consistent correlation with collapse safety margin. The results also indicates that, if direct economic loss is seriously concerned, it is of much significance to reduce the probability of occurrence of moderate and even severe damage, as well as the probability of structural collapse.
International Journal of Concrete Structures and Materials
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v.6
no.4
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pp.209-220
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2012
Post-earthquake fire (PEF) can lead to a rapid collapse of buildings that have been partially damaged as a result of a prior earthquake. Almost all standards and codes for the design of structures against earthquake ignore the risk of PEF, and thus buildings designed using those codes could be too weak when subjected to a fire after an earthquake. An investigation based on sequential analysis inspired by FEMA356 is performed here on the immediate occupancy (IO), life safety (LS) and collapse prevention (CP) performance levels of two portal frames, after they are pushed to arrive at a certain level of displacement corresponding to the mentioned performance level. This investigation is followed by a fire analysis of the damaged frames, examining the time taken for the damaged frames to collapse. As a point of reference, a fire analysis is also performed for undamaged frames and before the occurrence of earthquake. The results indicate that while there is minor difference between the fire resistances of the fire-alone situation and the frames pushed to the IO level of performance, a notable difference is observed between the fire-alone analysis and the frames pushed to arrive at LS and CP levels of performance and exposed to PEF. The results also show that exposing only the beams to fire results in a higher decline of the fire resistance, compared to exposing only the columns to fire. Furthermore, the results show that the frames pushed to arrive at LS and CP levels of performance collapse in a global collapse mode laterally, whereas at the IO level of performance and fire-alone situation, the collapse mechanism is mostly local through the collapse of beams. Whilst the investigation is conducted for a certain class of portal frames, the results confirm the need for the incorporation of PEF into the process of analysis and design, and provide some quantitative measures on the level of associated effects.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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