Predicting the failure load of steel columns weakened to facilitate demolition of structures
Date
2017-03
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: Minimal research has been conducted to date on how to analyse weakened columns, thus safety
risks are still involved when structures are weakened prior to demolition. There are various
methods to demolish steel structures. One of the most effective methods that has been developed
involves pre-cutting the steel columns at a certain height, so that the least effort can be used to
demolish the structure by means of pulling out some of the columns. The aim of this research
project is to design an experimental setup for axial loaded weakened columns which can be used
to develop a finite element (FE) model and propose a design method for two pre-cuts that are
being used in practice. The two pre-cuts that will be presented in this research are the double
window cut and the triangular window cut.
For the experimental investigation all the columns tested have pinned-ended fixities. The sections
tested are a IPE160, IPE200, UB 152x152x23 and UB 152x152x30 with lengths varying between
0.6 m and 1.9 m. A column weakened with a double window cut and triangular window cut can
reduce the axial load capacity by up to 50 % and 40 %, respectively.
A finite element (FE) model is developed in this investigation to determine the axial load capacity
of a weakened column and the behaviour thereof. A thorough sensitivity study is carried out
on factors such as the mesh size, load increments and the initial geometric imperfection during
the development of the numerical model. The assumptions made during the development of the
FE model are validate by the tests conducted and the steel design codes, which includes the
SANS 10162-1:2011 and the EN 3-1-1:2005 design codes. The FE models can predict the axial
failure load of weakened columns for a double window cut and triangular window cut within
an accuracy of less than 7 % and 10 %, respectively. The FE models also indicate that global
failure will govern the failure at a slenderness higher that 85.
The objective for the design method proposed is to develop a method that can be easily applied
in practice, but is still conservative. The method is based on sub-columns that develops within
the column. From the FE model it is shown that both moments and axial forces develop in the
sub-columns. The moment observed in the sub-column is between 50 and 60 % of the moment
capacity. However, the moments that develop in sub-columns are unknown in practice, thus
is it essential to obtain a method that can exclude the moment. It was found that the axial
load capacity of the weakened column can safely be determined if the axial load is reduced to
a certain proportion to the capacity of the sub-column. Thus, reduced axial capacity factors
(RACF) are proposed for two design codes, SANS 10162-1 and EN 3-1-1.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Minimale navorsing is gedoen tot op hede oor hoe om verswakte kolomme te analiseer, dus is daar veiligheidsrisiko’s betrokke by strukture gedurende die verswakking proses voor die struktuur gesloop word. Daar is verskeie metodes om staalstrukture te sloop. Een van die effektiefste metodes wat ontwikkel is behels staalkolomme wat vooraf gesny word op ’n seker hoogte, sodat minimale werk gedoen moet word, deur middel van ’n paar kolomme uit te trek, om die struktuur te sloop. Die doel van hierdie projek is om ’n eksperimentele opstelling te ontwerp vir asiele gelaaide verswakte kolomme wat gebruik word om ’n eindige element (FE) model te ontwikkel en ’n ontwerp metode voor te stel vir twee snitte wat meestal gebruik word in die praktyk. Die twee snitte wat in die navorsing projek behandel gaan word, is die dubbel venster snit en die driehoekige venster snit. Vir die eksperimentele ondersoek is al die kolomme getoets met ’n eenvoudige kolom konneksie. Die staal profiele wat getoets is, is ’n IPE160, IPE200, UB 152x152x23 en ’n UB 152x152x30 met lengtes wat wissel tussen 0.6 m en 1.9 m. ’n Kolom wat verswak is met ’n dubbel venster snit en driehoekige venster snit kan die aksiale kapasiteit verlaag met 50 % en 40 %, onderskeidelik. ’n Eindige element model is ontwikkel in hierdie navorsings projek om die aksiale kapasiteit van ’n verswakte kolom en die gedrag daarvan te bepaal. ’n Deeglike sensitiwiteit studie is uitgevoer tydens die ontwikkeling van die numeriese model op faktore soos die element grootte, die inkrementele aksiale krag grootte en die aanvanglike geometriese imperfeksies. Die aannames wat gemaak is tydens die ontwikkeling van die FE model is gevalideer deur die eksperimentele toetse en die staal ontwerp kodes, wat die SANS 10162-1:2011 en die EN 3-1-1: 2005 insluit. Die FE modelle kan die aksiale kapasiteit van die verswakte kolomme vir die dubbel venster snit en die driehoekige venster snit met ’n akkuraatheid van minder as 7 % en 10 %, onderskeidelik bepaal. Die FE modelle dui ook aan dat die globale faling sal domineer vir ’n kolom met ’n slankheid hoër as 85. Die doel vir die voorgestelde ontwerp metode is om ’n metode te ontwikkel wat maklik in praktyk toegepas kan word, maar is nog steeds konserwatief. Die metode is gebaseer op sub-kolomme wat ontwikkel binne-in ’n kolom. Die FE modelle dui aan dat daar momente en aksiale kragte ontwikkel in die sub-kolomme. Die moment wat waargeneem is in die sub-kolom is tussen 50 en 60 % van die moment kapasiteit. Die moment wat ontwikkel in die sub-kolom is onbekend in die praktyk, dus is ’n metode nodig wat die moment kan ignoreer. Daar is bevind dat die aksiale kapasiteit van die verswakte kolom veilig bereken kan word indien die aksiale kapasiteit verminder word met ’n seker proporsie in vergelyking met die kapasiteit van die sub-kolom. Daar word aksiale kapasiteit vermindering faktore (RACF) voorgestel vir beide die ontwerp kodes, SANS 10162-1 en EN 3-1-1.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Minimale navorsing is gedoen tot op hede oor hoe om verswakte kolomme te analiseer, dus is daar veiligheidsrisiko’s betrokke by strukture gedurende die verswakking proses voor die struktuur gesloop word. Daar is verskeie metodes om staalstrukture te sloop. Een van die effektiefste metodes wat ontwikkel is behels staalkolomme wat vooraf gesny word op ’n seker hoogte, sodat minimale werk gedoen moet word, deur middel van ’n paar kolomme uit te trek, om die struktuur te sloop. Die doel van hierdie projek is om ’n eksperimentele opstelling te ontwerp vir asiele gelaaide verswakte kolomme wat gebruik word om ’n eindige element (FE) model te ontwikkel en ’n ontwerp metode voor te stel vir twee snitte wat meestal gebruik word in die praktyk. Die twee snitte wat in die navorsing projek behandel gaan word, is die dubbel venster snit en die driehoekige venster snit. Vir die eksperimentele ondersoek is al die kolomme getoets met ’n eenvoudige kolom konneksie. Die staal profiele wat getoets is, is ’n IPE160, IPE200, UB 152x152x23 en ’n UB 152x152x30 met lengtes wat wissel tussen 0.6 m en 1.9 m. ’n Kolom wat verswak is met ’n dubbel venster snit en driehoekige venster snit kan die aksiale kapasiteit verlaag met 50 % en 40 %, onderskeidelik. ’n Eindige element model is ontwikkel in hierdie navorsings projek om die aksiale kapasiteit van ’n verswakte kolom en die gedrag daarvan te bepaal. ’n Deeglike sensitiwiteit studie is uitgevoer tydens die ontwikkeling van die numeriese model op faktore soos die element grootte, die inkrementele aksiale krag grootte en die aanvanglike geometriese imperfeksies. Die aannames wat gemaak is tydens die ontwikkeling van die FE model is gevalideer deur die eksperimentele toetse en die staal ontwerp kodes, wat die SANS 10162-1:2011 en die EN 3-1-1: 2005 insluit. Die FE modelle kan die aksiale kapasiteit van die verswakte kolomme vir die dubbel venster snit en die driehoekige venster snit met ’n akkuraatheid van minder as 7 % en 10 %, onderskeidelik bepaal. Die FE modelle dui ook aan dat die globale faling sal domineer vir ’n kolom met ’n slankheid hoër as 85. Die doel vir die voorgestelde ontwerp metode is om ’n metode te ontwikkel wat maklik in praktyk toegepas kan word, maar is nog steeds konserwatief. Die metode is gebaseer op sub-kolomme wat ontwikkel binne-in ’n kolom. Die FE modelle dui aan dat daar momente en aksiale kragte ontwikkel in die sub-kolomme. Die moment wat waargeneem is in die sub-kolom is tussen 50 en 60 % van die moment kapasiteit. Die moment wat ontwikkel in die sub-kolom is onbekend in die praktyk, dus is ’n metode nodig wat die moment kan ignoreer. Daar is bevind dat die aksiale kapasiteit van die verswakte kolom veilig bereken kan word indien die aksiale kapasiteit verminder word met ’n seker proporsie in vergelyking met die kapasiteit van die sub-kolom. Daar word aksiale kapasiteit vermindering faktore (RACF) voorgestel vir beide die ontwerp kodes, SANS 10162-1 en EN 3-1-1.
Description
Thesis (MEng)--Stellenbosch University, 2017.
Keywords
UCTD, Steel, Structural -- Fatigue, Steel, Structural -- Demolition, Columns, Iron and steel