Progressive Collapse Analysis of Two Existing Steel Buildings Using Linear Static Procedure

Abstract

ABSTRACT: There are numerous threats which could cause progressive collapse in a structure that may lead to fatality. After the incident in Oklahoma Murrah building and the recent terrorist attacks, such as WTC (World Trade Center) in 2001, it became more important to do assessment towards preventing the progressive collapse. Although, there have been many researches carried out on progressive collapse, the increase in terrorist attacks, especially loss of lives (nearly 3000 died in the attacks of September 2001) in the World Trade Center case, lead to the development of new guidelines, such as General Services Administration (GSA), Department of Defense (DoD), and Unified Facilities Criteria (UFC) for assessing and preventing progressive collapse. In addition, a limited number of investigations were done on steel structure, especially on dual frame systems (moment frame with bracing system) so far, numerous investigations were carried out on reinforced concrete structure until now. The researches on the progressive collapse resistance of steel framed buildings are gradually increasing with the improvements on steel materials, technology and methods particularly in the developed countries. Progressive collapse occurs when a primary structural component (s) of a building fail (s) to tolerate an accidental overloading. This failure leads to spreading of the forces to other neighboring weight bearing components (typically columns), if this distribution of loads go beyond the component (s) capacity then they may collapse. Hence, the intensity and coverage of the overall damage is disproportionate to the initial cause. In order to decrease this destructive incidents in buildings, NIST (National Institute of Standards and Technology) has published a list of potential load hazards generating progressive collapse as follows: accidental events, such as; airplane crashes, car crashes, errors in design or construction process, fire accidents, violent harsh change in air pressure (explosion), accidental over load, explosion caused by bombs, vehicular collision, and hazardous materials. In this study the susceptibility of two different asymmetric existing steel building frames (nine-story building and six-story building before and after rehabilitation), with different frame systems, steel sections and number of stories, to progressive collapse has been assessed. For this, alternate path method with the linear static analysis is carried out according to GSA 2003 guidelines using software ETABS-3D. Demand Capacity Ratio (DCR) of each primary element (beams and columns) is given with its specific details in all frames. Comparison between nine-story and six-story building shows that the ninestory building with dual frame system (moment frame with bracing system) has lower susceptibility and more resistance to progressive collapse with respect to the six-story building with simple building frame system (gravity system with bracing system) when, in particular, the frame utilizes continual beams in connections (beam-column connection) or moment frame system in structural frame system. Also, implementing the built-up box sections for columns is a better choice than using built-up I-sections for columns since there is no weak axis for the box section.

Keywords: Progressive Collapse (PC), Demand Capacity Ratio (DCR), Alternate Load Path Method (APM), GSA guidelines, Yield Stress, Deflection. …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… Yapılarda ölümle sonuçlanan aşamalı çökmeye neden olabilecek tehlikeler vardır. Oklahoma Murrah Binasında meydana gelen olay ve son günlerde, örneğin 2001'de dünya ticaret merkezinde, meydana gelen terör saldırıları sonrası aşamayı çökmeyi önleyici değerlendirmelerin yapılması daha da önem kazanmıştır. Bu güne kadar aşamalı göçme üzerine çok sayıda araştırma yapılmış olmasına rağmen, terör saldırılarındaki artış, özellikle Dünya Ticaret Merkezindeki terör saldırısı sonucu can kayıpları (Eylül 2001'deki saldırılarda yaklaşık olarak 3000 kiıi ölmüştür) aşamalı göçmeyi önlemeyi değerlendirmek için Genel Hizmet İdaresi (GSA), Savunma Bakanlığı (DoD) ve Birleştirilmiş Tesisat Kriterleri (UFC) gibi yeni klavuzların geliştirilmesine neden olmuştur. İlaveten, betonarme binalar üzerinde çok sayıda inceleme ve araştırma yapılmış olmasına karşın çelik yapılarda, özellikle de ikili çerçeve sisteminde sadece kısıtlı sayıda inceleme yapılmıştır. Özellikle gelişmekte olan ülkelerde çelik karkas binaların aşamalı göçmeye dayanımı konulu araştırmalar her geçen gün çelik malzemesi, teknoloji ve methodlarının gelişimiyle yavaş yavaş artmaktadır. Aşamalı göçme, en önemli bir yapı elemanının kaza sonucu aşırı yüklemeyi tolere edemeyip başarısız olması sonucu oluşur. Bu başarısızlık oluşan yüklerin komşu taşıyıcı elemanlar (tipik olarak kolonlar) tarafından taşınabilmesini gerektirir, fakat bu yük dağğlğmğnğn taşıyıcı yapı elemanlarının kapasitesini aşması durumunda bu elemanlar çökebilir. Bundan dolayı, genel hasarın yoğunluğu ve etki alanı bunu başlatan nedene göre orantısızdır. NIST (Ulusal Standard ve Teknoloji Enstitüsü) yapılarda bu tür yıkıcı olayları azaltma adına bir çalışma başlattı. NIST binalarda yıkıcı zararı azaltma adına zarar oluşturabilecek aşamalı göçmeye neden olabilecek bir dizi aktivite listelemiştir; örneğin, kazalar, araba kazaları, yangın, patlama sonucu oluşacak şiddetli hava basıncı değişimi, tasarım ve inşaat esnasinda oluşabilecek hatalar, vs. Bu çalışmada iki farklı çerçeve sistemi, çelik kesitleri, kat sayısı olan iki asimetrik mevcut bina çerçevesinin (altı ve dokuz kat rehabilitasyon öncesi ve sonrası) aşamalı göçmeye karşı hassasiyeti incelenmiştir. Bu araştırmada GSA 2003 kılavuzu ve ETABS- 3D alternatif yol metodu doğrusal static analiz kullanılarak yapılmıştır. Her ana eleman için (kiriş ve kolonlar) DCR yanında tüm çerçeveler için spesifik detaylar verilmiştir. Altı ve dokuz katlı binalar karşılaştırıldığında dokuz katlı ve çift çerçeve sistemi olan binanın aşamalı göçmeye karşı daha dirençli olduğu gözlemlenmiştir. Bu çalışmada kolon elemanları için kaynaklı kutu kesitlerin kullanılması kaynaklı I-kesitlerinin kolon olarak kullanılmasında zayıf aksi olmadığı için avantaj sağlayacaktır. Anahtar Kelimeler: Aşamalı göçme (PC), İstek kapasite oranı, Ratio (DCR), Alternatif Yük Yolu Metodu (APM), GSA kılavuzu, Akma basıncı, deformasyon. viii DEDICATION This thesis is dedicated to my family who offered me constant support and unconditional love throughout the course of this dissertation. ix ACKNOWLEDGMENT