Progressive collapse research aims to characterize and quantify the behavior of different structural systems in events of extreme local damage caused by bombings to improve the performance of targeted structures and to protect occupants. The focus of the research program described herein is the performance of steel gravity frame structures with composite floor systems in column loss scenarios. The goal of the project is to contribute to the development of rational design guidelines for progressive collapse resistance and to assess any potential weaknesses in current design standards. This thesis presents the results of a series of tests performed on a steel frame structure with simple framing connections and a composite floor slab under interior column loss. The specimen was designed and constructed in accordance with typical design practices and was subjected to increasing uniform floor loads after static removal of the central column. No significant structural damage was observed up to a load equivalent to the ultimate gravity design load. Further testing was performed after the deliberate reduction of the capacity of the steel framing connections, ultimately resulting in total collapse of the specimen. / text

Precast concrete multistory buildings are used in an attempt to optimize the available construction space and reduce costs. However, little is known about predicting their capacity in a brittle response mode due to the sudden loss of a critical element that could induce a Progressive Collapse Scenario. Therefore, the National Institute for Standards and Technology (NIST) developed an explicit approach in the design of precast concrete systems that is intended to mitigate a progressive collapse by enhancing the rotational capacity of joints and the robustness of the structural system. A full-scale experiment was conducted to investigate the structural performance of a prototype design under a column-removal scenario. The test assembly frame, consisting of three columns and two beams, was subjected to a displacement controlled vertical force acting at the center to characterize the failure modes and collapse mechanisms. Brittleailures of critical structural elements were observed and significantly impacted the performance.

Timber has become more popular as a construction material during recent years. Engineered wood products, such as glued laminated timber and cross-laminated timber, have enabled the construction of multi-storey buildings. Tall buildings with many occupants need to resist a disproportional collapse in case of unexpected exposures, e.g. accidents or terrorism. Structural robustness can improve the collapse resistance of a building. The literature about robustness is comprehensive concerning concrete and steel buildings, but it is rather limited regarding timber. A robust building can mobilise alternative load paths in the structure after the removal of bearing building components. Alternative load paths rely primarily on the connections between components. For timber buildings, few investigations exist to evaluate the alternative load paths after a removal. Analyses usually do not take into account non-linear effects which could influence the capacity of alternative load paths, such as damage of single fasteners, friction,  timber crushing and brittle failure. In particular, the alternative load paths in platform-framed cross-laminated timber buildings are not well understood.  The goals of this thesis are to i) review the concept of robustness in general and determine the state of the art concerning timber buildings in particular, ii) develop a method to analyse the alternative load paths in a platform-framed CLT building taking into account relevant non-linearities, iii) use the method to elicit the alternative load paths in a building after a wall removal, and iv) study the effects of probabilistic variations of model parameters.  The thesis first introduces tall timber buildings and then presents a summary of structural robustness in a collapse resistance framework. The summary includes established analysis methods and specific considerations for timber, whereof a detailed review is provided in Paper I. Paper III additionally provides results of a survey on contemporary practices of professionals around the world concerning robustness.  In the subsequent chapter, the studied 8-storey case building made of platform-framed cross-laminated timber is described including the modelling abstractions. Additionally, the setup of a validation experiment for the modelling approach is described. The following chapter introduces the modelling approach for an alternative load path analysis after a wall removal. The approach is based on the finite element method using the commercial software Abaqus. The deterministic part of the approach includes a non-linear static pushdown analysis of single storeys in a bay and elicits the alternative load paths and their capacity. Finite connector elements in the model substitute single fasteners including their elastic, plastic, damage and rupture behaviour. The 3D models of the walls and floors account for timber crushing, brittle failure and contact friction. A simplified non-linear dynamic model of the entire bay uses the pushdown results as inputs and evaluates the collapse progression among storeys after a sudden element removal. The probabilistic part of the approach models the uncertainty of the input parameters of the dynamic model by varying the parameter values in a Monte Carlo simulation, to evaluate the probability of a collapse.  Paper II applies the approach for a simple pushdown of a single storey and Paper IV applies the pushdown and the dynamic analysis to elicit the alternative load paths after a single wall removal. The thesis shows furthermore the results of a double wall removal in the example building and the results of the Monte Carlo analysis for the single and double wall removal.  For the assumed removals, the developed approach could identify the alternative load paths, determine their capacities and estimate the probability of a collapse under probabilistic variations. The approach might be used to classify various removal scenarios in platform-framed multi-storey cross-laminated timber buildings specifically and predetermine design solutions which could provide a desired level of robustness. The approach might be generalised for multi-storey timber buildings of various construction types.

Det här examensarbetet går ut på att jämföra EKS 11 och SS-EN 1991-1-7 olika beräkningsmodeller för olyckslaster. Ifall en byggnad endast har ett trapphus som enda nödutgång krävs det att den dimensioneras för olyckslaster. Dessa olyckslaster delas upp i två olika grupper, kända- och okända olyckslaster. Kända olyckslaster är exempelvis påkörning när byggnaden ligger nära en väg och explosion ifall det finns exempelvis gasledningar i byggnaden. Okända olyckslaster är de laster där man inte kan dimensionera för ett exakt värde. Istället dimensionerar man för att minska konsekvenserna av lasten där främsta alternativet är att använda de krav som ställs på väsentliga bärverksdelar och applicera dem på de bärande konstruktionsdelarna. Alternativt när byggnaden inte har gasledningar så kan man beräkna för okända laster genom att dimensionera via värdet som uppkommer från en gasexplosion, 34 kN/m2. Dimensioneringen anpassas efter ett verkligt projekt konstruerat av Structor. Tidigare problem har uppstått vid tolkning av eurokodens beräkningsgång och därför har eks 11 kommit med förtydliganden och med mer triviala lösningar kring olyckslaster. Beräkningsgången för de olika olyckslasterna ser olika ut beroende på om man följer eks 11:s metod eller eurokodens metod. Målet med arbetet är att förtydliga skillnaderna mellan de olika beräkningsgångarna och se vad som ligger till grund för dom. För att kunna skapa en bredare förståelse kring olyckslaster har eurokoden, EKS 11, litteratur och Structor varit till stor hjälp. Examensarbetet är avgränsat till olyckslaster när det bara finns ett trapphus som enda utrymningsväg där det sker en jämförelse mellan EKS 11 och SS-EN 19911-7. Resultatet visar att de två olika beräkningsgångarna ger två olika svar vid beräkning av både kända- och okända laster. Ekvationerna för att räkna fram olyckslaster i de olika standarderna tar hänsyn till olika saker vilket leder till olika resultat. Slutsatsen som går att dra är att det alltid finns olika förutsättningar för varje projekt. Därför bör det göras en riskanalys i projekteringsskedet för att avgöra vilken standard som ska användas för det aktuella projektet. / This dissertation is based on a comparison between the two different procedures on accidental actions in the Swedish norm EKS 11 and SS-EN 1991-1-7. If a construction only has a stairwell as the only emergency exit it requires that accidental actions determines. These accidental actions are categorized mainly to known and unknown accidental actions. Known accidental actions are for example collision by a vehicle or a gas leak from a gas pipe in the building. Unknown accidental actions are those loads that cannot be completely determined. Instead an analyze how to decrease the damage by accidental actions are used. The main approach is to value members as key elements, in effect making them strong enough to withstand a prescribed hazard loading. An alternative if the construction does not have any gas pipes is to use the pressure of 34 kN/m2 to represent the static equivalent from a notional gas explosion. The values in the work are based from a project constructed by the Swedish company Structor. Previously difficulties have occurred while comprehending the Eurocode’s calculation procedures therefore the new Swedish norm EKS have clarified a lot about accidental actions. The calculation procedures results in two different answers between the Eurocode and the Swedish norm EKS. The aim with this dissertation is too clarify the differences between them and perceive the reasons behind it. To be able to have a wider understanding of the subject accidental actions a screening has occurred of the Eurocode, the Swedish norm EKS and literature. The Swedish company Structor has also shared a lot of knowledge on the subject. The dissertation has been limited to accidental actions on stairwells as the only emergency exit and a comparison between the Swedish norm EKS 11 and SS-EN1-7. The outcome of the two different calculations shows two different results of the known and unknown accidental actions. The equations for calculating accidental action in the different standards considerate different things which leads to different results. The conclusion is that there always are different conditions in every project. Therefor a risk assessment should be done before the construction begins to determine which standard is the most suitable for the project.

Elementbyggnad medför ofta problem, dels på grund av avsaknaden av naturliga kopplingar mellan dess element, dels kring hur konstruktionen i dess utformning ska motstå fortskridande ras. Med fortskridande ras avses det förlopp som uppstår då kollaps av en enskild bärverksdelsprids till intilliggande konstruktion. En konstruktion som har tillräcklig förmåga att motstå detta förlopp benämns robust.Bo G. Hellers, professor emeritus i konstruktionslära vid Kungliga tekniska högskolan, beskriver i en debattartikel att många byggnader uppförda med prefabricerade betongelement från miljonprogrammet inte uppnår tillräcklig robusthet.Syftet med denna studie baseras på Bo G. Hellers uttalande och har varit att undersöka om en befintlig byggnad uppförd under miljonprogrammet är utformad på ett sådant sätt att tillräcklig robusthet uppnås. Om otillräcklig robusthet påvisas tas även åtgärdsförlag fram för att öka byggnadens robusthet enligt dagens norm.De frågor som studien besvarar är: Hur är undersökt byggnad konstruerad i avseende på robusthet? Kan det med någon av dagens dimensioneringsmetoder påvisas att byggnaden är robust? Hur kan eventuella åtgärder utformas för att uppnå tillräcklig robusthet?För att besvara den aktuella frågeställningen har en litteraturstudie av de metoder som finns för dimensionering i avseende på robusthet genomförts, liksom av material som rör miljonprogrammet och dess områden. Dessutom har ritningar av en aktuell byggnad samlats inoch analyserats. Vidare har även diskussioner med professionella aktörer med kompetens inom området genomförts.För att uppfylla de normkrav som ställs krävs att det finns horisontella och vertikala dragband, alternativt att konstruktionen utformas med horisontella dragband och att alternativa lastvägar kan påvisas vid fiktivt avlägsnande av en bärverksdel. Kan inte alternativa lastvägar påvisasska avlägsnad bärverksdel dimensioneras som en väsentlig bärverksdel. Konstruktionen ska även innehålla tillräcklig sammanhållningsarmering mellan fasad och bjälklag.Vid analys av ritningar över den befintliga byggnaden konstateras att de kopplingar som finns mellan bjälklagselementen, tillsammans med bjälklagens böjarmering, samt mellan bjälklag och gavelelement kan utgöra horisontella dragband respektive sammanhållningsarmering. Eftervidare undersökning påvisas dock att de horisontella kopplingarnas kapacitet inte är tillräcklig för att överföra de krafter som erfordras och kräver därav åtgärd.De vertikala kopplingar som finns mellan gavelelementen bedöms inte kunna vara verksamma som vertikala dragband då dessa kopplingars förankringslängd är bristande. För innerväggar saknas helt kopplingar i vertikalled vilket omöjliggör ett uppfyllande av kraven.Ett alternativ för att uppfylla normen är att möjliggöra alternativa lastvägar. Vid fiktiv borttagning av ett gavelelement betraktas fallet som en flaggkonstruktion. Här krävs att en skjuvkraft ska vara överförbar mellan kvarstående gavelelement och ovanpåliggande bjälklag. Vid undersökning av kapacitet hos de befintliga kopplingarna mellan elementen visar sig denna vara bristande och kraftöverföringen är inte möjlig. Samma fall kan tillämpas vid fiktiv borttagning av en innervägg men då denna helt saknar kopplingar är inte någon kraftöverföring möjlig. Innerväggen kan även betraktas som en fritt upplagd balk där dragkapaciteten i underkant ska vara tillräcklig, vilket den efter undersökning inte kan påvisas vara. Inga bärverksdelar uppfyller heller kraven för väsentliga bärverksdelar.För att uppnå tillräcklig kapacitet och möjliggöra erforderliga kraftöverföringar används i samtliga fall plattstål samt L-stål som förankras i betongen med expander. För att möjliggöra inre dragband monteras plattstål mellan bjälklagen och då böjarmeringens kapacitet är tillräcklig i samtliga riktningar kan bjälklagen, efter denna åtgärd, utnyttjas som både inre och yttre dragband.Vid gavelelementen monteras plattstål på dess utsida och L-stål på dess insida. Dessa förankras med expander och möjliggör tvärkraftsöverföring och ger tillräcklig förankring på varje bjälklagsnivå. Plattstål kopplar även samman enskilda gavelelement och vertikala krafter kan därmed också överföras. För innerväggen monteras L-stål vilket möjliggör tillräcklig kraftöverföring mellan innerväggen och ovanförliggande bjälklag.Efter genomförd undersökning kan följande slutsatser dras: Byggnaden är till viss del utformad i avseende på robusthet då gavelelement är kopplade till varandra samt till bjälklagselement. Även bjälklagselementen är kopplade till varandra. Byggnaden i dess aktuella utförande kan inte påvisas vara tillräcklig robust för att uppfylla kraven som ställs i dagens gällande normer. För att uppfylla kraven på tillräcklig robusthet kan fogarna förstärkas genom att montera L-stål och plattstål förankrade med expandrar. Med föreslagen åtgärd kan tillräcklig robusthet endast uppnås vid dimensionering enligt betongnormen. / The avoidance of joints in critical locations and how to design a structure to prevent progressive collapse is often two major problems associated with the use of precast concrete structures. This is due to the lack of natural connections between the elements which is generated automatically when using structures cast in situ. A building which has a good ability to withstand a progressive collapse can be referred to as “robust”.The purpose of this study is to investigate the robustness of a building from the million program era in regards to its initial structural design. If the ability to withstand a progressive collapse is proven to be insufficient, actions based on current standards will be proposed.Questions intended to be answered by this study are: How is the examined building designed in regards to robustness? Can the building by current standards be referred to as robust? Which actions can be taken to achieve sufficient robustness?To answer these questions a survey of literature, relevant for the subject, has been conducted as well as discussions with professionals with expertise in the subject. Blueprints of a building from the million program era has also been collected and analyzed.Analysis of the blueprints show that the building was built with some regards to robustness. Horizontal ties were placed in joints to connect the floor elements and the floor elements with the wall elements. Between exterior wall elements vertical ties were also placed to handle vertical loads. However, vertical ties, that connect the inner walls to the floor elements, are none existent.Further analysis of these joints show that their capacity does not meet the requirement for them to be able to transfer the desired forces. Therefore actions have to be taken to meet current standards.The actions proposed in this study is based on placing flat steel connections and L-steel connections in the joints to increase the capacity and enable the required force transfers. The steel connections are anchored to the concrete with expansion anchors.The study leads to the following conclusions: The building is in some ways designed to withstand a progressive collapse. The wall elements are connected with horizontal and vertical ties to nearby elements. The floor elements are also connected with horizontal ties. The initial building design does not meet the requirements of the current standards in regards to robustness. To meet the current standards the joints have to be reinforced. These reinforcements are done by placing flat steel connections and L-steel connections in the joints. These actions only fulfill the requirements of the concrete structures standard.