Date of Award

10-2022

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Civil Engineering (MSCE)

Department

Civil and Environmental Engineering

First Advisor

Dr. Bilal El-Ariss

Second Advisor

Prof. Said Elkholy

Abstract

The objective of this thesis is to numerically investigate the performance and efficiency of a novel proposed mitigating method to improve the resistance of reinforced concrete (RC) floor systems to progressive collapse as a result of a potential column failure. The proposed mitigating method applies to RC floor systems in framed structures, and it is based on a concept of developing self-generated “post-tensioning” axial compressive forces within segments of the floor beams that bridge over the potential failed column. To achieve this goal, the proposed method is comprised of adding diagonal top and bottom steel bars within the floor slab panels to act as links connecting the orthogonal floor beams within the vicinity around the potential failed column. Various configurations of the added diagonal bar links are considered in the study.
To numerically examine the efficiency of the proposed mitigating method, a three-dimensional (3D) nonlinear numerical model capable of accurately simulating and tracing the progressive collapse behavior of control and mitigated floor systems due to column failure is essential. To develop the 3D nonlinear numerical model, a two-dimensional (2D) nonlinear numerical model was first developed for the progressive collapse analysis of 2D RC sub-assemblage frames using the fiber element-based software SeismoStruct. The optimal key parameters were obtained by extensively validating the 2D model with a comprehensive database of experimental results from the literature related to the progressive collapse of RC frame sub-assemblages due to column removal. In addition, a parametric study based on the validated 2D numerical model was carried out to investigate the effect of floor systems with varying design options on the resistance of RC sub-assemblages frame structures to progressive collapse and the amount of energy dissipated by the sub-assemblage. The validated 2D fiber element-based nonlinear model was next expanded to develop a 3D fiber element-based nonlinear model using SeismoStruct to perform 3D nonlinear progressive collapse analysis of floor systems in framed structures due to column failure. The developed 3D numerical model using the optimal key parameters that were arrived at in the 2D model was also validated by simulating and comparing the findings with various benchmark 3D experimental test data from the literature.
To examine the efficiency of the proposed novel mitigating method, the validated 3D nonlinear numerical model was used for the analysis of control and mitigated RC floor systems subjected to progressive collapse as a result of a column removal. The numerical findings show that the considered mitigated floor systems experienced improved progressive collapse performance. Depending on the added diagonal bar various configurations, the percentage increases in the longitudinal beam axial compressive forces of the mitigated floors ranged between 104.5% and 161.3%. As for the dissipated energy by the considered mitigated floors, the percentages of increase in energy dissipated by flexure action, compression arch action/softening, tension catenary action, and total dissipated energy varied 98.1% to 131.2%, 102.4% to 140.7%, 131.2% to 414.3%, and 115.2% to 241.8%, respectively. Feasible and practical application of diagonal link configuration and its total relevant dissipated energy were considered in this study as indices to select the best resistance to progressive collapse by the mitigated floors. Therefore, the optimal diagonal link configuration was the link that produced a percentage increase in the total dissipated energy by the mitigated floor equal to 214.8%. It had a square section with depth and width equal to the floor slab thickness, a practical reinforcement ratio of 2.3%, and a length equals to one-sixth the span of the longitudinal floor beam measured form the centerline of the failed column. The study results demonstrate that by implementing the proposed mitigating method, efficient floor systems can be attained that better resist progressive collapse resulting from a potential failed column. One key feature of the proposed mitigating method is that it requires minimum amount of material, does not require skilled labors, and does not contradict with exiting architectural requirements. A second key feature is its responsive accommodation of dissipating energy.

Arabic Abstract


تعزيز مقاومة الانهيار اتلدريجي للهياكل الخرسانية المسلحة باستخدام طريقة حديد تسليح مبتكرة

الهدف من هذه الرسالة هو التحقيق بإستخدام الحاسب الآلي من أداء وكفاءة طريقة تخفيف مقترحة مبتكرة لتحسين مقاومة أنظمة الأرضيات الخرسانية المسلحة للانهيار التدريجي نتيجة لفشل عمود محتمل. تطبق طريقة التخفيف المقترحة على الأنظمة الأرضية في الهياكل الخرسانية وتستند إلى مفهوم تطوير قوى ضغط محورية ذاتية التوليد "سابقة الإجهاد" داخل أجزاء من كمرات الأرضية المتعامدة فوق العمود المحتمل انهياره لتحقيق هذا الهدف، تتكون الطريقة المقترحة من إضافة قضبان حديدية قطرية علوية وسفلية داخل بلاطة الأرضية لتعمل كروابط بين كمرات الأرضية المتعامدة داخل المنطقة المجاورة حول العمود المحتمل انهياره. وهذه الدراسة أخذت في الاعتبار ترتيبات مختلفة للروابط الحديدية المضافة قطريا.

لفحص كفاءة طريقة التخفيف المقترحة عدديًا /برمجيا، من الضروري وجود نموذج عددي /برمجي غير خطي ثلاثي الأبعاد (3D) قادر على محاكاة وتتبع سلوك الانهيار التدريجي لأنظمة الأرضية المرجعية وأنظمة الأرضية المعدلة بسبب فشل العمود. لتطوير النموذج العددي/برمجي غير الخطي ثلاثي الأبعاد، تم، بداية، تطوير نموذج عددي غير خطي ثنائي الأبعاد (2D) لدراسة وتحليل الانهيار التدريجي للإطارات الخرسانية الفرعية ثنائية الأبعاد وذلك باستعمال برنامج SeismoStruct الذي يستخد م طريقة النمذجة بالألياف القادرة على محاكا ة تشوهات الهياكل الخرسانية الكبيرة بشكل دقيق. تم الحصول على العناصر الرئيسية المثلى من خلال التحقق من صحة النموذج ثنائي الأبعاد على نطاق واسع بقاعدة بيانات شاملة للنتائج التجريبية من أبحاث اختبارية متعلقة بالانهيار التدريجي للإطارات الخرسانية الفرعية بسبب إزالة العمود. بالإضافة إلى ذلك، تم إجراء دراسة تأثير عناصر مختلفة باستعمال النموذج العددي ثنائي الأبعاد الذي تم التحقق منه للتأكد من تأثير خيارات عناصر تصميم متغيرة على مقاومة أنظمة الأرضيات في اطارات خرسانية فرعية تمثيلية للانهيار التدريجي وكمية الطاقة التي تبددها هذه الاطارات. تم بعد ذلك توسيع النموذج ثنائي الأبعاد الذي تم التحقق من صحته لتطوير نموذج غير خطي ثلاثي الأبعاد باستخدام طريقة النمذجة بالألياف لإجراء تحليل الانهيار التدريجي غير الخطي ثلاثي الأبعاد لأنظمة الأرضية في الهياكل بسبب فشل العمود. تم أيضًا التحقق من صحة البيانات الرقمية ثلاثية الأبعاد المطورة باستخدام العناصر الرئيسية المثلى التي تم التوصل إليها في النموذج ثنائي الأبعاد من خلال محاكاة ومقارنة النتائج العددية مع بيانات اختبار تجريبية ثلاثية الأبعاد مختلفة من الأبحاث السابقة.

لفحص كفاءة طريقة التخفيف الجديدة المقترحة ، تم استخدام النموذج العددي غير الخطي ثلاثي الأبعاد الذي تم التحقق من صحته لتحليل أنظمة الأرضية المرجعية وأنظمة الأرضية المخففة / المعدلة التي تتعرض للانهيار التدريجي نتيجة إزالة العمود. تظهر النتائج العددية أن أنظمة الأرضيات المخففة المدروسة شهدت تحسنًا في أداء الانهيار التدريجي . اعتمادًا على الترتيبات المختلفة الروابط الحديدية المضافة قطريا، تراوحت النسبة المئوية للزيادات في قوى الضغط المحورية للكمرات الطولية للأرضيات المخففة / المعدلة بين 104.5% و161.3% أما بالنسبة للطاقة المشتتة من خلال الأرضيات المخففة/المعدلة، فقد تراوحت النسب المئوية للزيادة في الطاقة عن طريق حركة الانحناء، وعمل قوس الانضغاط / التليين، وعمل سلسلة التوتر، وإجمالي الطاقة المشتتة من 98.1٪ إلى 131.2٪ ومن 102.4٪ إلى 140.7٪ ومن 131.2٪ إلى 414.3٪ ومن 115.2٪ إلى 241.8٪ على التوالي. في هذه الدراسة تم النظر في امكانية التطبيق العملي لأشرطة الروابط الحديدية المقترحة وإجمالي قو ة الأرضيات المخففة/المعدلة لتشتيت الطاقة إالإجمالية كمؤشرات لاختيار أفضل شريط رابط حديدي المنتج لافضل مقاومة للانهيار التدريجي . لذلك، كان تكوين الرابط القطري الأمثل هو الرابط الذي أنتج زيادة بنسبة مئوية في إجمالي الطاقة المشتتة بواسطة الأرضية المخففة تساوي 214.8٪ وكان له مقطع مربع بعمق وعرض يساوي سماكة الأرضية، ونسبة تسليح عملية تبلغ 2.3٪، وطول يساوي سدس طول الكمرة الطولية مقاسا من الخط المركزي للعمود المنهار . توضح نتائج الدراسة أنه من خلال تنفيذ طريقة التخفيف المقترحة، يمكن تحقيق أنظمة الأرضيات الفعالة التي تقاوم الانهيار التدريجي الناتج عن فشل العمود المحتمل بشكل أفضل . تتمثل إحدى السمات الرئيسية لطريقة التخفيف المقترحة في أنها تتطلب الحد الأدنى من المواد، ولا تتطلب عمالة ماهرة، ولا تتعارض مع المتطلبات المعمارية القائمة. الميز ة الرئيسية الثانية هي استيعابها المتجاوب لتبديد الطاقة.

Download
COinS