Post seismic structural robustness in moment resisting frame steel buildings

Abstract

The robustness of steel frames is generally evaluated considering that the initiation of progressive collapse occurs in buildings in the undamaged condition. However, in case of an existing initial damage, as that potentially caused by seismic action, structures may be more prone to progressive collapse. This consideration motivated this doctoral thesis, which is aimed at studying the post seismic structural robustness of moment resisting frame steel structures. To achieve this purpose, a numerical parametric study is carried out, for which the examined frame configurations have been selected in order to be representative of a large set of realistic frames. The influence of the following parameters is analysed: number of storeys, interstorey height, span length and building plan layout. The robustness is evaluated considering the contributions of the secondary frame and of the façade claddings, which are typically disregarded, but which recent studies indicate to potentially provide a significant contribution to progressive collapse arrest. In particular, the response of the façade claddings is numerically modelled and calibrated to experimental results from literature. The contribution of the secondary frame joints is modelled according to results from a numerical parametric study on the column loss response of flush end-plate beam-to-column joints. In this study, bolt assembly models calibrated to experimental test results conducted and described in this thesis, were adopted. The results from the beam-to-column joint parametric study enabled to identify two resistance mechanisms to column loss action, namely compressive arching and catenary action. It is concluded that the end-plate thickness plays a key role in joint response and an end-plate thickness design criterion to maximise joint strength and rotational capacity is proposed. Additional recommendations are made regarding the type of welding, number of internal bolt rows and bolt diameter in order to enhance joint capacity. For what concerns the robustness study of the moment frames, it is concluded that, for the analysed structures, structural configuration significantly influences robustness, with low-rise long-span structures displaying high propensity to progressive collapse. It is also verified that structures with a higher number of storeys are less prone to collapse following column loss, given that the higher internal redistribution capacity compensates for the load increase in the column. The characterisation in terms of acceleration, velocity and displacement of the directly affected zone has enabled to verify that the ductility factors post column loss are very low for long span structures in comparison to medium span structures, highlighting the significant differences in structural robustness. From the analysis of the capacity of the different structural elements it is concluded that the moment resisting frame beam-to-column joints are the most strained elements and determine the collapse. It is further concluded that the adoption of detailing rules for progressive collapse in these elements can potentially significantly improve structural robustness. Furthermore it is also verified that the use of non-structural claddings can prevent progressive collapse in some cases for structures with low robustness, namely for low-rise long-span structures. For what concerns the evaluation of the post seismic robustness, it is verified that moderate seismic action in moment resisting frames in DCH class designed in accordance with EN 1998-1, unlike for strong seismic action, does not introduce a sufficient damage to the point of reducing structural robustness significantly. In this case the design for progressive collapse in the post-seismic scenario may therefore be conducted analogously to the design of an initially undamaged structure. In this sense, a design methodology, as well as detailing rules based on the propensity to progressive collapse are proposed, which may constitute a contribution to the future revision of the EN 1991-1-7. Additionally and on the basis of the degree of plasticity results of the directly affected zone, a Civil Protection Services intervention procedure is proposed for the case of structures damaged by column loss.

A robustez de estruturas porticadas em aço é geralmente avaliada considerando que o colapso progressivo se inicia com o edifício em condição não danificada. No entanto, no caso da existência prévia de um dano inicial, tal como o causado pela ação sísmica, as estruturas podem revelar-se mais sensíveis ao colapso progressivo. Esta consideração motivou a presente tese de doutoramento, a qual é dedicada ao estudo da robustez estrutural pós-sísmica de estruturas de aço porticadas. De forma a atingir este objetivo, é realizado um estudo numérico paramétrico, para o qual as configurações de pórticos estudadas foram selecionadas de forma a serem representativas de um largo espetro de estruturas existentes. Foi analisada a influência dos seguintes parâmetros: número de pisos, altura entre pisos, comprimento do vão e configuração do edifício em planta. A robustez é avaliada considerando as contribuições da estrutura secundária e dos painéis não-estruturais de revestimento de fachada, que são tipicamente desprezadas, mas que estudos recentes indicam que possam apresentar uma contribuição significativa para parar o colapso progressivo. Em particular, a resposta dos painéis de fachada é modelada numericamente e calibrada com base em resultados de literatura. O comportamento dos nós da estrutura secundária é modelado de acordo com resultados de um estudo numérico paramétrico relativo ao comportamento à perda de coluna de nós viga-coluna com placa de extremidade. Neste estudo foram usados modelos de parafusos calibrados com base em resultados de ensaios experimentais conduzidos e descritos na presente tese. Os resultados do estudo paramétrico dos nós viga-coluna permitiram identificar dois mecanismos de resistência à ação de perda de coluna, nomeadamente por arco em compressão e por ação de catenária. Conclui-se que a espessura da placa de extremidade tem um papel fundamental na resposta dos nós, sendo proposto um critério de dimensionamento para a espessura da placa que permite maximizar a resistência e capacidade de rotação dos nós. São ainda propostas recomendações adicionais referentes ao tipo de soldadura, número de linhas de parafusos internos e diâmetro dos parafusos para aumentar a resistência dos nós. No que diz respeito aos resultados do estudo da robustez das estruturas porticadas, conclui-se que, para as estruturas analisadas, a configuração estrutural influencia significativamente a robustez, tendo-se verificado que estruturas com poucos pisos e grandes vãos são altamente propensas ao colapso progressivo. Verifica-se igualmente que estruturas com maior número de pisos são menos propensas ao colapso pós perda de coluna, dado que a maior capacidade de redistribuição interna compensa o aumento de carga na coluna. A caracterização em termos de acelerações, velocidades e deslocamentos da zona diretamente afetada permite verificar que os fatores de reserva de ductilidade pós perda de coluna são muito baixos em estruturas de grande vão em comparação com estruturas de médio vão, evidenciando assim diferenças significativas na robustez estrutural. Através da análise da capacidade dos diversos elementos estruturais, conclui-se que os nós viga-coluna dos pórticos resistentes são os elementos mais solicitados e que determinam o colapso. Conclui-se ainda que a adoção de regras de pormenorização para o colapso progressivo nestes elementos pode potencialmente melhorar significativamente a robustez estrutural. Verifica-se também que a presença de painéis de fachada não-estruturais pode prevenir o colapso progressivo em alguns casos de estruturas com baixa robustez, nomeadamente em estruturas baixas com grandes vãos. No que se refere à avaliação da robustez pós-sísmica, constata-se que a ação sísmica moderada em estruturas porticadas de classe DCH dimensionadas segundo a EN 1998-1, ao contrário de ações sísmicas elevadas, não introduz dano suficientemente significativo a ponto de reduzir de forma relevante a robustez estrutural. Neste caso o dimensionamento ao colapso progressivo em cenário pós-sísmico pode assim ser realizado analogamente ao dimensionamento para a estrutura sem dano inicial. Neste sentido, é proposta uma metodologia para o dimensionamento, bem como regras de pormenorização baseadas na propensão ao colapso progressivo, que poderão constituir uma contribuição para uma futura revisão da EN 1991-1-7. Adicionalmente e com base nos resultados referentes ao grau de plasticidade da zona diretamente afetada, é proposto um procedimento de intervenção para os Serviços de Proteção Civil em estruturas danificadas que sofreram perda de coluna.