Investigation of impact loads caused by the dynamic effect of falling debris initiating from a design failure scenario in an RC structure
Authors
Pedersen, Michael Winther ; Dyhr, Kasper Steinbjørn
Term
4. term
Education
Publication year
2020
Submitted on
2020-06-10
Pages
167
Abstract
This thesis examines impact and reaction loads generated when structural debris falls in a design failure scenario in a reinforced concrete structure assembled from precast elements. Using an example high-rise (the DPCA-building), it evaluates whether the vertical replacement load specified in the Danish National Annex represents the actual effects. The scenario is modelled in the commercial finite element software Abaqus: shear and bending failures and reinforcement pullout are first verified before a large numerical model is used to determine impact loads and reaction forces. These are converted to equivalent static loads and compared with the replacement load; findings are explored further through a parametric study and a simplified beam-element model. Results show that the equivalent static load can exceed the prescribed replacement load in some cases, especially when impact occurs near supports, which can trigger failure; shear reinforcement is therefore recommended in such situations. At the moment of contact, short-duration internal forces far above the replacement load arise, but their brevity mainly causes widespread cracking rather than complete collapse. Energy considerations indicate that the falling slab can absorb much of the energy through elastic and plastic deformation; increasing the mass and stiffness of the supporting slab may, in the studied scenario, cause the falling slab to fail upon impact and thereby reduce the transmitted load. Overall, the study suggests the replacement load may be non-conservative for certain impacts and that both detailed modelling and design measures are important for robustness.
Denne afhandling undersøger stød- og reaktionslaster, som opstår, når bygningsdele falder ned i et designbrudsscenarie i en armeret betonkonstruktion med præfabrikerede elementer. Med udgangspunkt i en eksempelbygning (DPCA-bygningen) vurderes, om den vertikale erstatningslast i det Danske Nationale Anneks repræsenterer de faktiske påvirkninger. Designbrudsscenariet modelleres i det kommercielle finite element-program Abaqus, hvor forskydnings- og bøjningsbrud samt udtræk af armering først afprøves, hvorefter et stort numerisk modelstudie udføres for at bestemme stødlast og reaktionskræfter. Disse omregnes til ækvivalente statiske laster og sammenlignes med erstatningslasten; resultaterne undersøges yderligere i en parameteranalyse og med en forsimplet bjælkemodel. Beregningerne viser, at den ækvivalente statiske last i visse tilfælde overstiger den foreskrevne erstatningslast, særligt når stød virker nær understøtninger, hvilket kan medføre brud; her anbefales forskydningsarmering. Ved selve anslaget optræder kortvarige snitkræfter, der er væsentligt større end erstatningslasten, men den korte varighed medfører primært omfattende revnedannelse frem for totalt kollaps. Energibetragtninger indikerer desuden, at det nedfaldne dæk kan optage en stor del af energien gennem elastisk og plastisk deformation; at øge masse og stivhed af det underliggende dæk kan i det undersøgte scenarie få det faldende dæk til at svigte under sammenstødet og derved reducere stødlasten. Samlet peger studiet på, at erstatningslasten kan være utilstrækkelig for visse påvirkninger, og at både detaljeret modellering og konstruktive tiltag er vigtige for robusthed.
[This apstract has been generated with the help of AI directly from the project full text]
Keywords