Progressive collapse analysis of four existing reinforced concrete buildings using linear procedure

Abstract

ABSTRACT:

Progressive collapse occurs when local failure in a structural element spreads to the adjoining members, this might promote additional failure. The damage will propagate till the structure reaches to new static equilibrium configuration. Otherwise, entire collapse will happen. On the other hand, local damage in the structural system will be arrested if the facility has an adequate design to bridge over the damage and redistribute the loads. In general, buildings are designed to resist the normal anticipated loads like gravity, occupancy, wind and seismic. However, some structures occasionally are being exposed to unforeseen loads due to natural, man-made, intentional or unintentional reasons. These unexpected loads induce progressive collapse event. In the last few decades several catastrophic events were occurred. Those accidents have instigated vital debate amongst the structural engineering society in respect to the structural behavior under abnormal loading situations, such as collision, intense fire and explosion. Consequently, numerous studies have been conducted to improve the structural performance against extreme load hazards and progressive collapse phenomenon. These investigations proposed many suggestions to design and assess the new and the existing buildings in order to survive such unpredicted incidents and assure life safety of the occupants of those buildings. More concern was given to structures that are prone to progressive collapse event, such as military and federal offices besides skyscrapers. The recommendations have been specified by several researches and codes related to the progressive collapse issue, such as British Standard, Eurocode, ACI and AISC were not sufficient to prevent the disproportionate collapse since it is not easy to predict the spread of progressive collapse and the structural behavior under various triggered events in their sort and magnitude. Nevertheless, two governmental agencies in the United States have released detailed guidelines to mitigate the likelihood of progressive collapse. First document was published by the United States General Service Administration (GSA) in November 2000 and revised in June 2003. It was entitled “Progressive collapse analysis and design guidelines for new federal office buildings and major modernization projects”. The second guideline was the UFC 4-023-03 (DoD, 2010). In this research DoD 2010 labeled as “Design of Buildings to Resist Progressive Collapse” that was issued by the United States Department of Defense has been followed as a guideline to analyze and re-design the case study buildings. This document addresses the numbers and locations of the removed column according to the alternate load path method (sudden column loss). It stipulates that a column should notionally be removed from the middle of the short side, middle of the long side and from the corner of the building. Yet, it did not declare which one from the three cases is the most significant besides the influence of the building height. As a result, the prime objective of this study is to find out the impact of the building height and the most critical location of the removed vertical-support element. In order to accomplish this, four existing apartments have been selected. They are located in Famagusta, Northen Cyprus. Two of them have four-stories and the other two have eight-stories. Additionally, Linear static analysis of the three-dimensional (3-D) computer models of each selected building was carried out by using SAP2000 program. The failed members were identified and re-designed. Ultimately, observations from this research demonstrate that the increase in the height of the structure and the removal of column from the middle or near the middle of the short side of the building is more significant to progressive collapse event.

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

ÖZ:

Bir yapısal elemanda oluşan yerel bir göçmenin bu elemana bağlı diğer lemanlara yayılması ve daha çok elemanın göçmesine yol açması sonucu aşamalı çöküş oluşur. Bu hasar yapı yeni bir statik dengeye ulaşıncaya kadar yayılacaktır.Bunun olmaması durumunda tüm yapının göçmesi gerçekleşecektir. Diğer yandan, yapı tasarımının hasarlara karşı yeterli olması durumunda hasar sonucu oluşabilecek yükler o bölgede bulunan diğer elemanlar tarafından taşınabilecektir. Genelde, yapılar normal olarak beklenen yükler düşey, kullanım, rüzgar ve deprem yükleridir. Bazen yapılar doğal, kasti veya kasti olmayan nedenlerle de beklenmedik yüklere maruz kalabiliyor. Bu beklenmedik yükler aşamalı göçme durumunu teşvik edebiliyor. Son 20 yılda birkaç felaket olmuştur. Bu kazalar İnşaat Mühendisleri odalarında yapıların normal dışı yüklemeler durumunda, örneğin, çarpışma, yoğun yangın ve patlama, esnasındaki davranışları konusunda çok önemli tartışmaları körüklemiştir. Bu nedenle, yapıların olağanüstü yüklenme tehlikelerine ve aşamalı göçme olgusuna karşı yapısal davranışlarının gelştşrilmesi için çok sayıda çalışma yapılmıştır. Bu çalışmalar yeni ve mevcut binaların bu tür olağanüstü yüklemeler karşısında dayanıklılığını artırma ve bina sakinlerinin hayati riskini azaltma adına birçok tasarım ve değerlendirme yöntemleri geliştirmişlerdir. Aşamalı göçmeye yatkın olabilecek tür yapılara, örneğin, gökdelenler, askeri ve devlet, bu araştırmalarda öncelik verilmiştir. Aşamalı göçme ile ilgili bazı araştırma ve standardlarda, örneğin, İngiliz, Avrupa, Amerikan Beton Enstitüsü ve Amerikan Çelik Yapı Enstitüsü standardlarında yer alan öneriler orantısız çökmeyi önleyebilecek yeterlilikte değidi. Bunun nedeni ise aşamalı göçmenin yayılma şeklini ve yapının bazı durumlarda oluşacak olayın türü ve büyüklüğü karşısında olası davranışının tahmininin zor olmasıdır. Aşamalı çökme olasılığını azaltmak için, Amerika Birleşik Devletleri’nde iki devlet acentası detaylı standard yayınladılar. İlk dokuman Amerika Birleşik Devletleri Genel Hızmet İdaresi (GSA) tarafından Kasım 2000 yılında yayınlanıp Haziran 2003 yılında güncellenmiş olan “Yeni devlet dairesi binaları ve büyük çapta restorasyon projeleri için aşamalı göçme analiz ve tasarımı” başlıklı yayındır. İkinci rehber doküman ise Savunma Bakanlığı tarafından yayınlanan Birleştirilmiş Tesisler Kriteri UFC 4-023-03 (DoD, 2010) dokümanıdır. Bu araştırmada örnek yapıların analiz ve tasarımı “Aşamalı göçmeye dayanıklı yapı tasarımı” başlıklı UFC 4-023-03 (DoD, 2010) doküman kullanılarak yapılmıştır. Bu dokuman alternative yol metoduna göre (ani kolon kaybı) çıkarılacak kolon yerleri ve sayılarını vermektedir. Bu dokuman bir kolonun yapının kısa ve uzun kenarının ortasından ve koşesinden çıkarılmış olduğunu varsaymayı şart koşmaktadır. Fakat bu üç ayrı yaklaşımdan hangisinin daha önemli olduğunu ve binanın yüksekliğinin önemine dikkat çekmemektedir. Sonuç olarak bu çalışmanın ana hedefi yapının yüksekliğinin ve de üç yerden çıkarılacak kolonun hangisinin aşamalı göçmeye en kritik etki yapacağının belirlenmesidir. Bu heflere ulaşmak için dört mevcut apartman yapısı seçilmiştir. Bu apartmanlar Gazimagusa, Kuzey Kıbrıs’tadırlar. İki tanesi dört kat ve digger ikisi ise 8 kattırlar. İlaveten seçilmiş yapılar için SAP2000 bilgisayar programı kullanılarak doğrusal static üç-boyutlu analiz ve tasarım yapılmıştır. Son olarak, bu araştırma sonucunda aşamalı göçme durumunun yüksek yapılarda ve de yapının kısa yönünün orta bölgesinden kolon çıkarılması durumunda daha kritik olduğu gözlemlenmiştir.