In the past, the progressive collapse resulting from local failures during accidents has caused many tragedies and loss of life. Although long-span spatial grid structures are characterised by a high degree of static indeterminacy, the sudden failure of key members may lead to a catastrophic progressive collapse. For this reason, it is especially necessary to research the progressive collapse resistance capacity of long-span spatial grid structures. This paper presents an evaluation method of important members and a novel dynamic analysis method for simulating the progressive collapse of long-span spatial grid structures. Engineering cases were analysed to validate these proposed method. These proposed methods were eventually implemented in the progressive collapse analysis of the main stadium for the Universiade Sports Center. The roof of the structure was concluded to have good resistance against progressive collapse. The novel methods provide results close to practice and are especially suitable for the progressive collapse analysis of long-span spatial grid structures.
Progressive collapse is generally defined as a local failure of structural members occurring due to abnormal load which results in the partial collapse or total collapse of a structure. Unlike progressive collapse, explosive demolition is a method of inducing the total collapse of structure by removing all or portion of structural members. In explosive demolition the partial collapse of the structural members can be controlled at appropriate time intervals by blasting, to induce the progressive collapse of the structure and control the collapse behavior. In this study, a nonlinear dynamic analysis was carried out in order to apply the progressive collapse process to explosive demolition design of the RC structure. The occurrence of progressive collapse of analytical models was examined according to the number of floors, the removed column height and span length. For models that resisted progressive collapse, progressive collapse resisting capacity was evaluated.
In this study the progressive collapse potential of three- and nine-story special steel moment frames designed in accordance with current design code was evaluated by nonlinear static and dynamic analyses. It was observed that the model structures had high potential for progressive collapse when a first story column was suddenly removed. Then the size of beams required to satisfy the failure criteria for progressive collapse was obtained by the virtual work method; i.e., using the equilibrium of the external work done by gravity load due to loss of a column and the internal work done by plastic rotation of beams. According to the nonlinear dynamic analysis results, the model structures designed only for normal load turned out to have strong potential for progressive collapse whereas the structures designed by plastic design concept for progressive collapse satisfied the failure criterion recommended by the GSA guideline.
Design of safe structures with resistance to progressive collapse is of paramount importance in structural engineering. In this paper, an efficient optimization technique is used for optimal design of steel moment frames subjected to progressive collapse. Seismic design specifications of AISC-LRFD code together with progressive collapse provisions of UFC are considered as the optimization constraints. Linear static, nonlinear static and nonlinear dynamic analysis procedures of alternate path method of UFC are considered in design process. Three design examples are solved and the results are discussed. Results show that frames, which are designed solely considering the AISC-LRFD limitations, cannot resist progressive collapse, in terms of UFC requirements. Moreover, although the linear static analysis procedure needs the least computational cost with compared to the other two procedures, is the most conservative one and results in heaviest frame designs against progressive collapse. By comparing the results of this work with those reported in literature, it is also shown that the optimization technique used in this paper significantly reduces the required computational effort for design. In addition, the effect of the use of connections with high plastic rotational capacity is investigated, whose results show that lighter designs with resistance to progressive collapse can be obtained by using Side Plate connections in steel frames.
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.
Kim, Jin-Koo;Park, Jun-Hee;An, Da-Woon;Kim, Hyun-Su
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2007.04a
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pp.771-776
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2007
Widespread propagation of failure can be triggered by localized damage to a structure because of fires, impact and explosion etc. In this paper, the progressive collapse analysis program is developed to automatically check the failed members and construct the modified structural model at each step. OpenSees, that is widely used in many research groups, was used for the developed progressive collapse analysis control program. The control program developed in this study automatically computes the damage indices of all the structural members and performance a progressive collapse analysis after the first failed member is selected. Using the developed program, we compared the progressive collapse behaviors of the example structures considering dynamic effects or not, and the difference of progressive collapse mechanism according to the modeling method of the failed members.
Progressive building collapse occurs when failure of a structural component leads to the failure and collapse of surrounding members, possibly promoting additional failure. Global system collapse will occur if the damaged system is unable to reach a new static equilibrium configuration. The most common type of primary failure which led to the progressive collapse phenomenon, is the sudden removal of a column by various factors. In this study, a method is proposed to prevent progressive collapse phenomena in structures subjected to removal of a single column. A vierendeel peripheral frame at roof level is used to redistribute the removed column's load on other columns of the structure. For analysis, quasi-static approach is used which considers various load combinations. This method, while economically affordable is easily applicable (also for new structures as well as for existing structures and without causing damage to their architectural requirements). Special emphasis is focused on the evolution of vertical displacements of column removal point. Even though additional stresses and displacements are experienced by removal of a structural load bearing column, the proposed method considerably reduces the displacement at the mentioned point and prevents the collapse of the structural frame.
Since progressive collapse of tall buildings can cause enormous damage, it should be considered during the design phase of tall buildings. The progressive collapse analysis of tall buildings using finite element methods is almost impossible due to the vast amount of computing time. In this paper, applied element method was evaluated as an alternative to the finite element method. Reduced DOFs modeling technique was proposed to enable the progressive collapse analysis of tall buildings. The reduced DOFs model include only the part which is subjected to direct damage from blast load and the structural properties such as mass, transferred load and stiffness of excluded parts are accumulated into the top story of the reduced DOFs model. The proposed modeling technique was applied to the progressive collapse analysis of 20-story RC building using three collapse scenarios. The reduced DOFs model showed similar collapse behavior to the whole model while the computing time was reduced by 30%. The proposed modeling technique can be utilized in the progressive collapse analysis of tall buildings due to abnormal loads.
Post-punching resistance of a flat slab can help redistribute the gravity loads and resist progressive collapse of a structure following initial damage. One important difficulty with accounting for the post-punching strength of a slab is the discontinuity that develops following punching shear. A numerical simulation technique is proposed here to model and evaluate post-punching resistance of flat slabs. It is demonstrated that the simulation results of punching shear and post-punching response of the model of a slab on a single column are in good agreement with corresponding experimental data. It is also shown that progressive collapse due to a column removal (explosion) can lead to punching failure over an adjacent column. Such failure can propagate throughout the structure leading to the progressive collapse of the structure. Through post-punching modeling of the slab and accounting for the associated discontinuity, it is also demonstrated that the presence of an adequate amount of integrity reinforcement can provide an alternative load path and help resist progressive collapse.
In this paper the progressive collapse potential of building structures designed for real construction projects were evaluated based on arbitrary column removal scenario using various alternate path methods specified in the GSA guidelines. The analysis model structures are a 22-story reinforced concrete moment frames with core wall building and a 44-story interior concrete core and exterior steel diagrid structure. The progressive collapse resisting capacities of the model structures were evaluated using the linear static, nonlinear static, and nonlinear dynamic analyses. The linear static analysis results showed that progressive collapse occurred in the 22-story model structure when an interior column was removed. However the structure turned out to be safe according to the nonlinear static and dynamic analyses. Similar results were observed in the 44-story diagrid structure. Based on the analysis results, it was concluded that, compared with nonlinear analysis procedures, the linear static method is conservative in the prediction of progressive collapse resisting capacity of building structure based on arbitrary column removal scenario.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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