For most of recent tall buildings, one characteristic is that their building shapes vary with height such as taper and setback, and this implies that the distribution of their structural components may also vary with height. Because of these structural variations, although the sectional shapes of these buildings are symmetric, it is difficult to say whether or not they are structurally symmetric. The acceleration responses of structurally asymmetric tall buildings are larger than those of non-eccentric buildings, thus raising the possibility of problems during strong winds and typhoons. This paper describes wind tunnel tests carried out using building models with height variations and acceleration response analyses, and discusses the resulting response characteristics. For tapered and setback buildings, although the across-wind accelerations are larger than those of a square building, the total root-mean-square accelerations remain small because of smaller along-wind and torsional rms accelerations. And it was found that the effects of statistical couplings between along-wind force and other two forces are negligible.
Recent tall buildings tend to have unconventional shapes as a prevailing, which is effective for suppressing across-wind responses. Suppression of across-wind responses is a major factor in tall building projects, and the so called aerodynamic modification method is comprehensively used. The purpose of the present study is to investigate the pressure fluctuations on tapered and setback tall buildings, including peak pressures, power spectra and coherences through the synchronous multi-pressure sensing system techniques. And flow measurements around the models were conducted to investigate the condition of vortex shedding. The results show that by tapering and setback, different distributions of mean pressure coefficients at leeward surface were found, which is caused by the geometric characteristics of the models. And the power spectra of wind pressures at sideward surface become wideband and the peak frequencies are different depending on heights, which makes the correlation near the Strouhal component low or even negative. The differences in shedding frequencies were also confirmed by the flow fields around the models.
Kim, Yong Chul;Xu, Xiaoda;Yang, Qingshan;Tamura, Yukio
국제초고층학회논문집
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제8권4호
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pp.235-253
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2019
This paper reviews shape optimization studies for tall and super-tall building design. Firstly, shape effects on aerodynamic and response characteristics are introduced and discussed. Effects of various configurations such as corner modifications, taper, setback, openings, and twists are examined. Comprehensive comparative studies on various configurations including polygon building models, and composite type building models such as corner-cut and taper, corner-cut and taper and helical, and so on, are also discussed under the conditions of the same height and volume. Aerodynamic characteristics are improved by increasing the twist angle of helical buildings and increasing the number of sides of polygon buildings, but a twist angle of $180^{\circ}$ and a number of sides of 5 (pentagon) seem to be enough. The majority of examined configurations show better aerodynamic characteristics than straight-square. In particular, composite type buildings and helical polygon buildings show significant improvement. Next, shape effects on pedestrian-level wind characteristics around tall and super-tall buildings are introduced and discussed. Corner modification buildings show significant reductions in speed-up areas. On the other hand, setback and tapered models with wider projected widths near the ground show adverse effects on pedestrian-level wind characteristics.
This paper highlights the minimization of drag and lift coefficient of different types both side setback tall buildings by the multi-objective optimization technique. The present study employed 48 number both-side setback models for simulation purposes. This study adopted three variables to find the two objective functions. Setback height and setback distances from the top of building models are considered variables. The setback distances are considered between 10-40% and setback heights are within 6-72% from the top of the models. Another variable is wind angles, which are considered from 0° to 90° at 15° intervals according to the symmetry of the building models. Drag and lift coefficients according to the different wind angles are employed as the objective functions. Therefore 336 number population data are used for each objective function. Optimum models are compared with computational simulation and found good agreements of drag and lift coefficient. The design wind angle variation of the optimum models is considered for drag and lift study on the main square model. The drag and lift data of the square model are compared with the optimum models and found the optimized models are minimizing the 45-65% drag and 25-60% lift compared to the initial square model.
The present study focuses on aerodynamic parameters behaviors and control on the single and double side setback building models at the buildings mid-height. The study is conducted by computational fluid dynamics (CFD) simulation. This study estimates the face wise pressure coefficient on single side setback buildings with a setback range of 20%-50% and double side setback buildings with setbacks ranging from 10%-25%. The polynomial fitted graphs from CFD data predict the Cp on different setback model faces within permissible limit ±13% error. The efficient model obtained according to the minimum drag, lift, and moment consideration for along and across wind conditions. The study guides the building tributary area doesn't control the drag, lift, and moment on setback type buildings. The setback distance takes a crucial role in that. The 20% double side setback model is highly efficient to regulate the moment for both along and across wind conditions. It reduces 17.5% compared to the 20% single side setback and 14% moment compared to the 10% double side setback models. The double side setback building is more efficient to control 4.2% moment than the single side setback building
The effectiveness of aerodynamic modification to reduce wind loadings has been widely reported. However, most of previous studies have been investigated dynamic forces and pressure distributions on tall buildings with various unconventional configurations. This study was investigated dynamic characteristics and aerodynamic instability of super-tall buildings with unconventional configurations through extensive aeroelastic model experiments. Seventeen types of supertall building models were considered such as basic and corner modification with corner cut, chamfered, oblique opening, tapered, inversely tapered, bulged, helical with twist angles of $90^{\circ}$, $180^{\circ}$, $270^{\circ}$, $360^{\circ}$ and composite with $360^{\circ}$ helical & corner cut, 4-tapered & $360^{\circ}$ helical & corner cut, setback & corner cut, setback & $45^{\circ}$ rotate. As a result, aerodynamic characteristics of helical models with single modification are superior to those of other models with single modification. However, effect of twist angle for helical model is negligible. Further, the 4-tapered & $360^{\circ}$helical & corner cut model is most effective in reducing the along- and across-wind fluctuating displacement responses in all of experimental models.
High-rise buildings with vertical setback are widely used in practice. From the field investigation of the past earthquakes, it was found that such kind of vertically irregular high-rise building structures easily suffer severe damage during strong earthquakes. This paper presents an extensive study on the earthquake responses of moment-resisting frame structures (MFS) popularly applied in high-rise buildings with vertical setback. Four groups of MFS are designed, including three groups of structures with vertical setback and one group of structures with the lateral stiffness varying along the building height but without vertical setback. The numerical models of the structures are established, and the time history analysis of the structures under different levels of earthquakes is conducted. The earthquake responses of the structures are compared. The influence of the ratio between the horizontal setback dimension and the previous plan dimension, the eccentricity of setback, and the position where the setback occurs on the seismic performance of structures is studied. The rationality of the provisions for the structures with vertical setback specified in the current design codes is checked by the findings from this study.
Tall buildings have been traditionally designed to be symmetric rectangular, triangular or circular in plan, in order to avoid excessive seismic-induced torsional vibrations due to eccentricity, especially in seismic-prone regions like Japan. However, recent tall building design has been released from the spell of compulsory symmetric shape design, and free-style design is increasing. This is mainly due to architects' and structural designers' challenging demands for novel and unconventional expressions. Another important aspect is that rather complicated sectional shapes are basically good with regard to aerodynamic properties for crosswind excitations, which are a key issue in tall-building wind-resistant design. A series of wind tunnel experiments and numerical simulation have been carried out to determine aerodynamic forces and wind pressures acting on tall building models with various configurations: corner cut, setbacks, helical and so on. Dynamic wind-induced response analyses of these models have also been conducted. The results of these experiments have led to comprehensive understanding of the aerodynamic characteristics of tall buildings with various configurations.
Abeno Harukas is the tallest building in Japan and is located in Abeno, which is one of the three main railway transport nodes in Osaka. This building has a height of 300 meters, and its lowest levels are 30 meters below ground. It contains a department store, museum, offices, a hotel, and an observatory. In this urban renewal project, a section of the department store that encloses the station was dismantled and replaced by a supertall building complex, while infrastructure was simultaneously constructed, including: upgrades to the station and the existing department store, improved connections to the subway and pedestrian bridges, and a new pedestrian walkway over the road. In this paper, the ingenious erection processes, newly developed technologies, and precise construction management techniques are introduced for Japan's tallest building.
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