In this paper, the effect of damping ratio on nonlinear dynamic analysis response and dynamic increase factor (DIF) in nonlinear static analysis of structures against column removal are investigated and a modified empirical DIF is presented. To this end, series of low and mid-rise moment frame structures with different span lengths and number of storeys are designed and the effect of damping ratio in DIF is investigated, performing several nonlinear static and dynamic analyses. For each damping ratio, a nonlinear dynamic analysis and a step by step nonlinear static analysis are carried out and the modified empirical DIF formulas are derived. The results of the analysis reveal that DIF is decreased with increasing damping ratio. Finally, an empirical formula is recommended that relates to damping ratio. Therefore, the new modified DIF can be used with nonlinear static analysis instead of nonlinear dynamic analysis to assess the progressive collapse potential of moment frame buildings with different damping ratios.
Huang, Ying;Wu, Yan;Chen, Changhong;Huang, Zhaohui;Yao, Yao
Steel and Composite Structures
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제31권6호
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pp.617-628
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2019
As an extremely destructive accident, progressive collapse is defined as the spread of an initial local failure from element to element, resulting eventually in the collapse of an entire structure or disproportionately large of it. To prevent the occurrence of it and evaluate the ability of structure resisting progressive collapse, the nonlinear static procedure is usually adopted in the whole structure design process, which considered dynamic effect by utilizing Dynamic Increase Factor (DIF). In current researches, the determining of DIF is performed in full-rigid frame, however, the performance of beam-column connection in the majority of existing frame structures is not full-rigid. In this study, based on the component method proposed by EC3 guideline, the expression of extended endplate connection performance is further derived, and the connection performance is taken into consideration when evaluated the performance of structure resisting progressive collapse by applying the revised plastic P-M hinge. The DIF for structures with extended endplate beam-column connection have been determined and compared with the DIF permitted in current GSA guideline, the necessity of considering connection stiffness in determining the DIF have been proved.
In this study, a new empirical method is presented to obtain Dynamic Increase Factor (DIF) in nonlinear static analysis of structures against sudden removal of a gravity load-bearing element. In this method, DIF is defined as a function of minimum ratio of difference between maximum moment capacity ($M_u$) and moment demand ($M_d$) to plastic moment capacity ($M_p$) under unamplified gravity loads of elements. This function determines the residual strength of a damaged building before amplified gravity loads. For each column removal location, a nonlinear dynamic analysis and a step-by-step nonlinear static analysis are carried out and the modified empirical DIF formulas are derived, which correspond to the ratio min $[(M_u-M_d)/M_p]$ of beams in the bays immediately adjacent to the removed column, and at all floors above it. Therefore, the new DIF can be used with nonlinear static analysis instead of nonlinear dynamic analysis to assess the progressive collapse potential of a moment frame structure. The proposed DIF formulas can estimate the real residual strength of a structure based on critical member.
This paper carries out the progressive collapse analysis of stainless steel composite beam-to-column joint sub-models and moment-resisting frames under column removal scenarios. The static flexural response of composite joint sub-models with damaged columns was initially explored via finite element methods, which was validated by independent experimental results and discussed in terms of moment-rotation relationships, plastic hinge behaviour and catenary actions. Simplified finite element methods were then proposed and applied to the frame analysis which aimed to elaborate the progressive collapse response at the frame level. Nonlinear static and dynamic analysis were employed to evaluate the dynamic increase factor (DIF) for stainless steel composite frames. The results suggest that the catenary action effect plays an important role in preventing the damaged structure from dramatic collapse. The beam-to-column joints could be critical components that influence the capacity of composite frames and dominate the determination of dynamic increase factor. The current design guidance is non-conservative to provide proper DIF for stainless steel composite frames, and thus new DIF curves are expected to be proposed.
This paper investigates the effects of the tensile catenary action on dynamic increase factor (DIF) in the nonlinear static analysis for progressive collapse of steel-frame buildings. Numerical analyses were performed to verify the accuracy of the empirical and analytical expressions proposed in the literature in cases where the catenary action is activated. For this purpose, nonlinear static and dynamic analyses of a series of steel moment frame buildings with a different number of spans and stories were carried out following the alternate path method. Different column removal scenarios were considered as separate load cases. The dynamic increase factor that approximately compensates for the dynamic effects in the nonlinear static analysis was selected so to match results from the nonlinear dynamic analysis. The study results showed that the many expressions in literature may not work in cases where the catenary stage is fully developed.
Rezvani, Farshad Hashemi;Jeffers, Ann E.;Asgarian, Behrouz;Ronagh, Hamid Reza
Steel and Composite Structures
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제25권2호
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pp.217-229
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2017
The effect of column loss location on the structural response of steel moment resisting frames (MRF) is investigated in this study. A series of nonlinear static and dynamic analyses were performed to determine the resistance of a generic frame to an arbitrary column loss and detect the structural members that are susceptible to failure progression beyond that point. Both force-controlled and deformation-controlled actions based on UFC 4-023-03 and ASCE/SEI 41-06 were implemented to define the acceptance criteria for nine APM cases defined in this study. Results revealed that the structural resistance against an arbitrary column loss in the top story is at least 80% smaller than that of the bottom story. In addition, it was found that the dynamic increase factor (DIF) at the failure point is at most 1.13.
In this paper an improved one-dimensional frame element for modelling of reinforced concrete beams and columns subjected to impact is presented. The model is developed in the framework of a flexibility fibre element formulation that ignores the shear effect at material level. However, a simple shear cap is introduced at section level to take account of possible shear failure. The effect of strain rate at the fibre level is taken into account by using the dynamic increase factor (DIF) concept for steel and concrete. The capability of the formulation for estimating the element response history is demonstrated by some numerical examples and it is shown that the developed 1D element has the potential to be used for dynamic analysis of large framed structures subjected to impact of air blast and rigid objects.
이 논문은 압축강도 수준(100, 140, 180 MPa급)에 따른 HPFRCC의 동적충격 인장강도를 평가하였다. 먼저 100, 140, 180 MPa급 HPFRCC의 압축응력-변형률 관계를 분석한 결과 압축강도는 각각 112, 150, 202 MPa로 나타났으며, 압축강도가 높아짐에 따라 탄성계수도 증가하는 경향을 나타내었다. 100, 140, 180 MPa급 HPFRCC의 정적 인장강도는 각각 10.7, 11.5, 16.5 MPa로 나타났으며, 압축강도가 높아질수록 인장강도도 증가하는 경향을 나타내었다. 반면 100 및 140 MPa급 HPFRCC에서의 인장강도 및 에너지 흡수능력은 압축강도 수준에 따라 큰 차이를 보이지 않았다. 이는 시험체의 규격 및 강섬유의 배열에 영향을 받은 것으로 판단된다. HPFRCC의 동적충격 인장강도를 평가한 결과, 변형률 속도가 10-1/s에서 150/s로 증가할수록 모든 HPFRCC의 인장강도와 동적증가계수는 증가하는 경향을 보였다. 한편 동일한 범위의 변형률 속도에서 HPFRCC의 압축강도가 낮을수록 인장강도에 대한 DIF가 높게 측정되어 효율적인 측면에서는 100 MPa급 HPFRCC가 가장 우수한 것으로 나타났다. 따라서 높은 수준의 인장성능이 요구되는 경우 높은 압축강도를 가지는 HPFRCC를 사용하는 것이 유리하며, 폭발과 같은 고속변형률 속도에서 보다 효율적인 접근을 위해서는 목표 압축강도에 근접한 HPFRCC를 사용하는 것이 바람직한 것으로 판단된다.
Anchor channels are commonly used for façade, tunnel, and structural connections. These connections encounter various types of loadings during their service life, including high rate or impact loading. For anchor channels that are placed close and parallel to an edge and loaded in shear perpendicular to and towards the edge, the failure is often governed by concrete edge breakout. This study investigates the transverse shear behavior of the anchor channels under quasi-static and high rate loadings using a numerical approach (3D finite element analysis) utilizing a rate-sensitive microplane model for concrete as constitutive law. Following the validation of the numerical model against a test performed under quasi-static loading, the rate-sensitive static, and rate-sensitive dynamic analyses are performed for various displacement loading rates varying from moderately high to impact. The increment in resistance due to the high loading rate is evaluated using the dynamic increase factor (DIF). Furthermore, it is shown that the failure mode of the anchor channel changes from global concrete edge failure to local concrete crushing due to the activation of structural inertia at high displacement loading rates. The research outcomes could be valuable for application in various types of connection systems where a high rate of loading is expected.
Al-Salloum, Yousef;Alsayed, Saleh;Almusallam, Tarek;Ibrahim, S.M.;Abbas, H.
Computers and Concrete
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제14권6호
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pp.675-694
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2014
Annular and solid concrete specimens with different aspect ratios and static unconfined compressive strengths were studied for impact loading using SHPB test setup. Numerical simulations in LSDYNA were also carried out and results were validated. The stress-strain curves obtained under dynamic loading were also compared with static compressive tests. The mode of failure of concrete specimen was a typical ductile failure at high strain rates. In general, the dynamic increase factor (DIF) of thin solid specimens was higher than thick samples. In the numerical study, the variation of axial, hydrostatic and radial stresses for solid and annular samples was studied. The core phenomenon due to confinement was observed for solid samples wherein the applied loads were primarily borne by the innermost concrete zone rather than the outer peripheral zone. In the annular samples, especially with large diameter inside hole, the distribution of stresses was relatively uniform along the radial distance. Qualitatively, only a small change in the distribution of stresses for annular samples with different internal diameters studied was observed.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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