Progressive collapse has become a topic of interest in recent years leading to a greater focus on the re-silience of structures. The propagation of a local failure can become catastrophic and lead to multiple deaths, injuries, and destruction of property. The dire consequences associated with these types of buildings have fueled the need of research into preventive measures for progressive collapse.
National Institute of Standards and Technology (NIST) conducted an experimental testing of two beam-column subassemblages (each containing two beam and three columns) subjected to middle column removal scenario as part of research program aimed at mitigating disproportionate structural collapse, at Bowen Labora-tory, Purdue University. The beam-column subassemblages were part of buildings which were designed for Seismic Design Category C (SDC C) and Seismic Design Category D (SDC D). Moreover, they were taken from the exterior moment-resisting frames of the buildings. The assembly from the SDC C building was part of an intermediate moment frame (IMF) and the assembly from the SDC D building was part of a special moment frame (SMF). Monotonically increasing vertical displacement was applied at the center column to simulate a column loss scenario. The test was continued until a collapse mechanism of each beam-column subassemblage was developed. The primary test specimen response characteristics were measured. According to experimental tests conducted by NIST, failure of both the IMF and SMF specimens was characterized by following three phe-nomena; (1) crushing of concrete at the top of the beam near the center column, (2) development of major flex-ural cracks (deepening and widening), and (3) fracture of the bottom longitudinal beam reinforcing bars at a ma-jor crack opening near the center column.
In this study, numerical analysis of the beam-column subassemblages were carried out using simplified modeling technique with a limited number of beam elements. Beam-column joint model for each test model were created which consisted of rigid links connected by nonlinear rotational springs. The analyses conducted using these simplified models provided insight into the overall behavior of the test assemblies. Numerical results showed good agreement with the experimental results. The simplified model was capable of capturing the prima-ry response characteristics. As the simplified modeling technique for numerical analysis is computationally effi-cient as compared to detailed numerical modeling, they are valuable in the analysis of complete structural sys-tems for assessing the reserve capacity and robustness of building structures. The analyses confirm that the ulti-mate loads under the column removal scenario are primarily resisted through catenary action, wherein axial ten-sion develops in the beams. The tensile force increase is controlled by the fracture strength of the tensile rein-forcement of the beams.
본 논문은 각각 3 개의 기둥과 2 개의 빔으로 구성된 철근콘크리트 구조물의 수치적이고 실험적인 연구를 다루고 있다. 본 논문에서 다룬 실험 구조물들은 미국표준기술연구원(NIST)에서 설계되고 실험되었으며, 콘크리트 프레임으로 구성된 2 개의 10 층 건물의 일부를 나타낸다. 각각의 건물은 지진설계범주 C(SDC C)와 지진설계범주 D(SDCD)를 고려하여 설계되었다. 이 구조물은 2 개의 건물의 외부 모멘트 저항 프레임의 일부이다. 지진설계범주 C(SDC C)를 고려한 구조물은 수직 하중에 저항하기 위해 중간 모멘트 프레임(IMFs)을, 지진설계범주 d(SDC D)를 고려한 구조물은 특수 모멘트 프레임(SMFs)을 사용하였다. 계획된 기둥 제거 시나리오에서 보의 Arch 및 Catenary Action 의 발전 양상을 포함한 구조물의 전체 거동을 관찰하기 위해서 주앙 기둥의 수진변위를 감소 없이 증가하도록 하였다. 각 구조물의 수직 하중 지지력의 최대치까지 중심 기둥의 수직 변위가 증가하였다. 구조물의 전반적인 거동은 단순화된 기둥과 보를 이용한 유한요소 모델로 해석되었고, 비선형 회전 스프링에 연결된 강 접합부는 유한요소 해석 프로그램을 통해 보와 기둥의 결합부와 절점의 비선형 거동을 나타내었다. 보에서의 Arch 및 Catenary Action 의 발전양상을 포함하여, 시험 구조물의 거동에 대한 단순화된 통찰을 이용해 해석을 수행했다.
이 문서에 보고된 연구에 기초하여 다음과 같이 결론을 내릴 수 있다.
1. 중간 모멘트 프레임(IMFs)과 특수 모멘트 프레임(SMFs)을 활용한 구조물의 거동은 초기단계 응답의 휨에 의해 지배된다. 중간기둥의 수직변위의 증가와 함께 보의 축방향 신장으로 비롯되는 “Arching Action” 또는 압축력의 발전을 통해 저항력이 발생한다. 수직응력의 추가적인 증가와 함께 보의 인장력과 거동은 Catenary Action 에 지배된다.
2. 연구의 결과는 프로그램을 통한 수치해석과 실제 실험 결과가 잘 일치함을 보여준다.
3. 단순화된 유한요소 모델은 특성화된 구조물의 주요 응답을 명확히 파악할 수 있게 해주었다.
4. 계획 된 기둥 제거 시나리오의 단순화된 유한요소 모델은 콘크리트와 철근을 각각 표현한 상세 모델에 비해 상대적으로 해석 소요시간을 상당히 감축시켜주었다.
본 연구를 통하여 보와 스프링 요소로 이루어진 단순화된 유한요소 모델이 중간 모멘트 프레임(IMFs)과 특수 모멘트 프레임(SMFs)으로 구성된 실제 모델의 거동 특성을 정확하게 예측함을 알 수 있었다. 더 나아가 이 연구를 통해 발전된 단순화된 유한요소 모델은 빌딩 구조물의 저항력을 측정하기 위한 구조물 시스템 해석에 유용하게 쓰일 것이다.
