Linear Static and Nonlinear Dynamic Analyses on Collapse Behaviors of Staggered-Truss Systems

Abstract

The thesis investigates the linear and nonlinear collapse mechanism in Staggered Truss Systems using two computational programs (SAP2000 and ABAQUS finite element software). The thesis particularly focuses on the understanding and modelling of the collapse mechanisms of Staggered Truss Systems when a critical column was removed from the structure. AISC-LRFD steel structures design code and AISC 14 guidelines for staggered truss systems were used to design a full 3-D 10-story model by SAP 2000. The structure was built with Staggered Truss System (STS) in transvers direction and Moment Resistance Frame (MRF) in longitudinal direction. Linear Static and Nonlinear Dynamic Time-History analyses were then performed in accordance with UFC 2013 and GSA 2013 codes to determine the collapse potential in the existing model following removal of a load bearing element from different locations. When the results of Linear Static and Nonlinear Dynamic time-history analyses were studied in detail, it was observed that the nonlinear dynamic analysis not only yields more accurate results in revealing the collapse potential at different portions of the structure, but also is more economical in allocating this method for designing structures against progressive collapse. Based on the software results, some indices of linear and nonlinear behavior of the systems such as yield load, vertical deformations, ductility, concrete deck effect, damping percentages, plastic rotations were analyzed. However due to limitations of SAP2000 software, the results were not comprehensive enough to provide insight understanding to the failure mechanisms. Therefore, a more advanced finite element model using ABAQUS software was then developed. The finite element model was a full 3-D truss located between 5th and 6th floors of the existing model designed by SAP2000 with the same dimensions and the same sections using the Solid Part option in ABAQUS. The material properties, geometric and material nonlinearity and the loads were identical to the model developed using Sap 2000. The results indicates that the failure zones of the Staggered Truss Systems using both finite element software were comparable, however, the finite element model using ABAQUS also provided insights to the failure mechanisms such as plastic hinges on gusset plates and the exact location of plastic higes on truss chord were also obtained. Keywords: Progressive Collapse, Linear Static, Nonlinear Dynamic, Time History, Plastic Hinges, Plastic Rotation, Vertical Deflection

ÖZ: Bu tez, Çakışmayacak Şekilde Düzenlenmis Makas Sistemlerinde, doğrusal ve doğrusal olmayan çökme mekanizmasını, SAP2000 ve ABAQUS sonlu elemanlar yazılımlarını kullanarak incelemiştir. Tez, yapıdan bir kolon kaldırılması durumunda, Çakışmayacak Şekilde Düzenlenmis Makas Sistemlerinin çökme mekanizmasının modellenmesini anlamaya odaklıdır. AISC-LRFD çelik yapıların tasarımı standardı ve Çakışmayacak Şekilde Düzenlenmis Makas Sistemleri için hazırlanmış AISC 14 ilkeleri kullanılarak 3 Boyutlu 10 kat bir model SAP 2000 yazılımında modellenerak tasarlanmıştır. Bu yapının enine Çakışmayacak Şekilde Düzenlenmis Makas Sistemleri (ÇDMS) boyuna ise Moment Dayanımlı Çerçeve (MDÇ) kullanılarak inşa edilmiştir. Mevcut modelde, farklı konumlarda bulunan yük taşıyıcı elemanların kaldırılması sonucu oluşacak çokme mekanizmasını bulmak için UFC2013 ve GSA 2013 standardlarına göre Doğrusal Statik ve Doğrusal Olmayan Dinamik zaman-tanım alanında analizleri yapıldı. Doğrusal Statik ve Doğrusal Olmayan Dinamik zaman-tanım alanında analizler detaylı bir şekilde incelendiği zaman Doğrusal Olmayan Dinamik analizin yapının farklı kısımlarındaki çökme potansiyelini daha doğru verdiği gibi yapıların kademeli çökmeye karşı tasarımını da daha ekonomik olarak çözdüğü gözlemlenmiştir. Program çıktılarına bakarak, doğrusal ve doğrusal olmayan sistem davranışlarının bazı endeksleri, örneğin akma yükü, düsey deformasyon, süneklik, betonarme ve çelik saç katının etkisi, sönümleme yüzdeleri, plastik rotasyon gibi, analiz edilmiştir. Halbuki SAP2000 yazılımının kısıtlamalarından dolayı, elde edilen sonuçlar çökme mekanizmasının içten anlaşılabilmesi için yeterli kapsamda değildi. Bundan dolayı ABAQUS yazılımı kullanılarak daha gelişmiş bir sonlu elemanlar modeli hazırlanmıştır. Sonlu eleman modeli 3-boyutlu bir makas olup SAP2000 tarafından tasarlanmış 5. ve 6. katlar arasına ayni ebadlar ve ayni çelik kesitlerle ABAQUS yazılımının Solid Part seçeneği kullanılarak yerleştirilmiştir. Malzeme özellikleri, geometrik ve malzeme doğrusal olmayan özellikleri SAP2000 tarafından tasarlanmış ve geliştirilmiştir. Elde edilen sonuçlar Çakışmayacak Şekilde Düzenlenmis Makas Sistemlerinde çökme bölgeleri için her iki sonlu elemanlar yazılımı karşılaştırılabilir. Diğer yandan ABAQUS kullanılarak yapılan sonlu elemanlar modeli de kırılma mekanızmasının anlaşılmasına yardımcı oldu, örneğin bağlantı levhasında oluşan plastik mafsal ve bu plastik mafsalların makas elemanlarındaki tam yeri elde edildi. Anahtar sözcükler: Kademeli çökme, Doğrusal Statik, Doğru olmayan dinamik, Zaman-Tanım, Plastic mafsallar, Plastik rotasyon, Düşey sapma