Abstract :
[en] Since the Ronan Point tower partially collapsed in London in 1968, design codes of several countries of Western Europe and North America include notions of progressive collapse and robustness. Rules in this domain are intended to ensure the global integrity of structures suffering exceptional actions, and thus to avoid that a local damage associated with an extreme loading event leads to the collapse of the whole building or of a great part of it. Particularly, Eurocode 1 demands that structures be designed and built so that they wouldn’t suffer disproportionate damage compared with the initial cause : explosion, impact or consequences of human mistakes. Unfortunately, few researches have been undertaken in the domain of robustness so far, aiming to provide engineers with design strategies relatively simple in use. However, investigations have been recently conducted at ULg regarding the behaviour of building frames with several bays and storeys suffering the loss of a column further to an unspecified accidental event. The loss of a column implies redistributions of forces into the structure and the development of alternative load paths which were initially unforeseen but could lead to a final stable state provided some favourable conditions are fulfilled. These studies resulted in the development of simplified analytical methods permitting the prediction of the structural response assuming static behaviour. This hypothesis can be justified in some circumstances, for instance when the destruction of the column is associated with the very progressive diminution of the material mechanical characteristics under the effects of a localised fire. It isn’t yet valid in case of dynamic actions such as impacts or explosions. In parallel with the researches conducted at ULg, investigations were carried out at London Imperial College considering the instantaneous loss of a column and taking the associated dynamics effects into account. Amongst other things, a procedure was developed providing the maximum displacement resulting from the sudden loss of a column on the basis of the only knowledge of the static response. The present work aims to go further into the knowledge of the dynamic behaviour of building frames suffering the loss of a column. To achieve this goal, the ruin scenario considered will still be the loss of a column but it will be neither static nor instantaneous any more. Instead, the ruin will be considered taking some variable time. In particular, the influence of the latter on the structural response will be highlighted. First, the dynamic behaviour of an elementary substructure will be studied in detail. The time evolution of the displacement, the internal forces and the plastification will be described. Then, the response of a global frame further to the loss of a column will be investigated. Eventually, on the basis of the substructure, the dynamic amplification will be attempted to quantify as a function of non-dimensional parameters characterising the system geometrical and mechanical properties.
[fr] Depuis l’effondrement partiel d’un immeuble situé à Ronan Point, à Londres, en 1968, les codes de dimensionnement de plusieurs pays d’Europe de l’Ouest et d’Amérique du Nord intègrent les notions de ruine en chaîne et de robustesse. Les prescriptions dans ce domaine visent à garantir l’intégrité globale des structures en cas d’actions exceptionnelles, et donc à éviter qu’un dommage local associé à une situation de chargement extrême se solde par un effondrement général du bâtiment ou d’une grande partie de celui-ci. En particulier, l’Eurocode 1 impose que les structures soient conçues et exécutées de telle sorte qu’elles ne soient pas endommagées de façon disproportionnée par rapport à la cause initiale : explosion, choc ou encore conséquences d’erreurs humaines. Malheureusement, peu de recherches ont été entreprises jusqu’à présent dans le domaine de la robustesse, ayant pour objectif de fournir aux ingénieurs des stratégies de dimensionnement relativement simples d’application. Récemment, toutefois, des études ont été menées à l’ULg concernant le comportement de portiques à plusieurs travées et plusieurs niveaux dont la capacité portante d’une colonne est supposée s’annuler suite à un événement accidentel non précisé. Il en résulte des redistributions d’efforts dans la structure et le développement de modes de fonctionnement alternatifs, non initialement prévus, pouvant, dans certaines circonstances favorables, mener à l’atteinte d’un état final stable. Ces études, jusqu’ici basées sur l’hypothèse d’un comportement statique, ont abouti au développement de méthodes analytiques permettant d’appréhender la réponse structurelle. Néanmoins, si cette hypothèse peut être justifiée dans certaines situations, comme par exemple lorsque la ruine correspond à la dégradation très progressive des caractéristiques mécaniques du matériau sous l’effet d’un incendie localisé, elle n’est par contre plus valable en cas de sollicitations dynamiques telles qu’un impact ou une explosion. Parallèlement aux recherches menées à l’ULg, des études ont été réalisées à l’Imperial College de Londres sur base d’un scénario de perte instantanée d’une colonne, intégrant donc les aspects dynamiques associés. Il y a été notamment développé une procédure permettant d’obtenir la flèche maximale résultant de la ruine soudaine d’une colonne sur base de la seule connaissance de la réponse statique. Le présent travail vise à approfondir la connaissance du comportement dynamique de structures en portiques suite à la perte d’une colonne. A cette fin, le scénario de ruine envisagé sera toujours celui de la perte d’une colonne, mais celle-ci ne sera plus considérée ni statique, ni instantanée, mais se produisant sur une certaine durée. L’influence de cette dernière sur la réponse du système sera notamment mise en évidence. Dans un premier temps, le comportement dynamique sera étudié en détails sur base d’une sous-structure élémentaire. L’évolution temporelle de la flèche, des efforts internes et de la plastification sera ainsi décrite. La réponse d’une structure en portiques suite à la perte d’une colonne sera ensuite envisagée. On tentera finalement, grâce à l’étude de la sous-structure, de quantifier les effets d’amplification dynamique en fonction de paramètres adimensionnels caractéristiques des propriétés géométriques et mécaniques du système.
