Robustness by design – Simplified progressive collapse assessment of building structures

This paper provides an overview of recent developments in robustness design, focussing on the mitigation of progressive collapse in multi-storey buildings. It is argued that rational robustness design should be based on realistic local damage scenarios, structural properties that are within the control of the designer, and an assessment method that establishes the effects of local damage on the specified structure, balancing accuracy, simplicity and efficiency. In this context, sudden column loss is proposed as a realistic local damage scenario for building structures, offering a realistic upper bound for design purposes compared to column damage by extreme dynamic loading such as blast. Furthermore, it is advocated that economic structural design for robustness must rely on strength and ductility, thus stretching the design envelope from the conventional strength limit state to the ductility limit state. Of course, the success of this shift in design methodology for robustness requires the designer to have additional control over the specification of ductility for individual structural components. Finally, design-oriented approaches for progressive collapse assessment are reviewed, focussing on approaches which deal with sudden column loss and ductility issues. In particular, the simplified framework recently developed at Imperial College London is shown to offer a rational multi-level approach for progressive collapse assessment, combining simplicity with accuracy, and accounting for ductility, redundancy, energy absorption and dynamic effects all within a single measure of structural robustness. Robustes Entwerfen – Vereinfachte Bewertung von Hochbauten hinsichtlich progressivem Kollaps. Dieser Beitrag gibt einen Uberblick uber aktuelle Entwicklungen im Bereich robusten Entwerfens von Tragwerken mit Schwerpunkt auf der Vermeidung eines progressiven Kollapses in mehrgeschossigen Gebauden bzw. Hochhausern. Ein zweckmasiges robustes Tragwerkskonzept sollte folgende Grundlagen enthalten i) realistische Szenarien, fur die Beschreibung der lokalen Schadigung, ii) vom Tragwerksplaner kontrollierbare Tragwerkseigenschaften, und iii) eine Bewertungsmethode, die einerseits die Auswirkungen lokaler Schadigung in Abhangigkeit der gegebenen Tragstruktur berucksichtigt, andererseits ausreichend genau, einfach und effizient ist. In diesem Zusammenhang wird vorgeschlagen, den plotzlichen Stutzenausfall als ein realistisches Szenario lokaler Schadigung von Hochbauten zu berucksichtigen, da er verglichen mit Stutzenschadigung durch hoch dynamische Belastungen wie Explosionsbeanspruchung einen oberen Grenzwert (maximale Schadigung) darstellt. Des Weiteren wird aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten empfohlen, einen robusten Tragwerksentwurf nicht nur auf Tragfahigkeit zu stutzen, sondern auch auf duktiles Verhalten auszurichten, dadurch muss nicht nur der Grenzzustand der Tragfahigkeit sondern auch der Grenzzustand der maximal erforderlichen Duktilitat berucksichtigt werden. Dieser veranderte Entwurfsansatz zur Erhohung der Robustheit erfordert, dass der Tragwerksplaner zusatzliche Informationen zur Duktilitat der einzelnen statisch wirksamen Komponenten hat. Abschliesend werden entwurfsorientierte Ansatze zur Bewertung von progressivem Kollaps behandelt. Das Hauptaugenmerk liegt hierbei auf Methoden, die einen plotzlichen Stutzenausfall sowie Fragen zur Duktilitat behandeln. Im Besonderen wird ein vereinfachtes Verfahren vorgestellt, das kurzlich am Imperial College London entwickelt wurde. Dieses Verfahren ermoglicht eine sinnvolle mehrstufige Vorgehensweise zur Bewertung progressiven Kollapses und vereinigt Einfachheit mit Genauigkeit: Auserdem berucksichtigt es Duktilitat, Redundanz, Energieabsorption und dynamische Effekte in einem einzigen Schritt.