Lucas Willian Aguiar Mattias;Joao Elias Abdalla Filho
Wind and Structures
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제37권3호
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pp.229-243
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2023
This study analyzes the response of a tall building with an H-shaped cross-section when subjected to wind loading generated by the same H-shape. As normative standards usually adopt regular geometries for determining the wind loading, this paper shows unpublished results which compares results of the dynamic response of H-shaped buildings with the response of simplified section buildings. Computational Fluid Dynamics (CFD) is employed to determine the steady wind load on the H-shaped building. The CFD models are validated by comparison with wind tunnel test data for the k-ε and k-ω models of turbulence. Transient wind loading is determined using the Synthetic Wind Method. A new methodology is presented that combines Stochastic and CFD methods. In addition, time-history dynamic structural analysis is performed using the HHT method for a period of 60 seconds on finite element models. First, the along-wind response is studied for wind speed variations. The wind speeds of 28, 36, 42, and 50 m/s at 0° case are considered. Subsequently, the dynamic response of the building is studied for wind loads at 0°, 45°, and 90° with a wind speed of 42 m/s, which approximates the point of resonance between gusts of wind and the structure. The response values associated with the first two directions for the H-shaped building are smaller than those for the R-shaped (Equivalent Rectangular Shape) one. However, the displacements of the H-shaped building associated with the latter wind load are larger.
The purpose of structural health monitoring is to evaluate structural behavior due to various external loads through installation of appropriate measurement. Accordingly, a guideline for monitoring standards is necessary to evaluate the safety and performance of a structure. This paper introduces preliminary design of SHM for high-rise buildings, which is the stage creating a guideline. As for preliminary design of SHM, first step is to calculate the displacement and member force through structural analysis. After that, limitations or qualifications are proposed for management. Secondly, based on the results from first step, issues related monitoring such as monitoring method, measurement type, or installation location are determined. This method leads building managers to reasonably define the structural safety over the whole life cycle. Furthermore, this experience contributes to development of SHM forward and it is expected to be useful for other types of structures as well such as spatial structures or irregular buildings.
One of the most common solutions adopted to reduce vibrations of skyscrapers due to wind or earthquake action is to add external damping devices to these structures, such as a TMD (Tuned Mass Damper) or TLCD (Tuned Liquid Column Damper). It is well known that a TLCD device introduces on the structure a nonlinear damping force whose effect decreases when the amplitude of its motion increases. The main objective of this paper is to describe a Hardware-in-the-Loop test able to validate the effectiveness of the TLCD by simulating the real behavior of a tower subjected to the combined action of wind and a TLCD, considering also the nonlinear effects associated with the damping device behavior. Within this test procedure a scaled TLCD physical model represents the hardware component while the building dynamics are reproduced using a numerical model based on a modal approach. Thanks to the Politecnico di Milano wind tunnel, wind forces acting on the building were calculated from the pressure distributions measured on a scale model. In addition, in the first part of the paper, a new method for evaluating the dissipating characteristics of a TLCD based on an energy approach is presented. This new methodology allows direct linking of the TLCD to be directly linked to the increased damping acting on the structure, facilitating the preliminary design of these devices.
Due to shortage of land and architectural aesthetics, sometimes the buildings are constructed as unconventional in plan. The wind force acts differently according to the plan shape of the building. So, it is of utter importance to study wind force or, more specifically wind pressure on an unconventional plan shaped tall building. To address this issue, this paper demonstrates a comprehensive study on mean pressure coefficient of 'E' plan shaped tall building. This study has been carried out experimentally and numerically by wind tunnel test and computational fluid dynamics (CFD) simulation respectively. Mean wind pressures on all the faces of the building are predicted using wind tunnel test and CFD simulation varying wind incidence angles from $0^{\circ}$ to $180^{\circ}$ at an interval of $30^{\circ}$. The accuracy of the numerically predicted results are measured by comparing results predicted by CFD with experimental results and it seems to have a good agreement with wind tunnel results. Besides wind pressures, wind flow patterns are also obtained by CFD for all the wind incidence angles. These flow patterns predict the behavior of pressure variation on the different faces of the building. For better comparison of the results, pressure contours on all the faces are also predicted by both the methods. Finally, polynomial expressions as the sine and cosine function of wind angle are proposed for obtaining mean wind pressure coefficient on all the faces using Fourier series expansion. The accuracy of the fitted expansions are measured by sum square error, $R^2$ value and root mean square error.
It is common for tall buildings in Korea to have a ground response that is highly sensitive to the behavior of the structure. Therefore, the geology of the ground needs to be carefully assessed and considered in the design process to accurately predict the performance of the foundation system. This paper sets out a systematic design approach and ground investigation methodology for the soil conditions frequently encountered in Korea. Various foundation design methods are introduced along with several case studies conducted in Korea.
The design of high-rise building is often influenced by wind-induced motions such as accelerations and lateral deflections. Consequently, the building's structural stiffness and dynamic (vibration periods and damping) properties become important parameters in the determination of such motions. The approximate methods and empirical expressions used to quantify these parameters at the design phase tend to yield values significantly different from each other. In view of this, there is a need to examine how actual buildings in the field respond to dynamic wind loading in order to ascertain a more realistic model for the dynamic behavior of buildings. This paper describes the findings from full-scale measurements of the wind-induced response of typical high-rise buildings in Singapore, and recommends an empirical forecast model for periods of vibration of typical buildings in Singapore, an appropriate computer model for determining the periods of vibration, and appropriate expressions which relate the wind speed to accelerations in buildings based on wind tunnel force balance model test and field results.
Steel Plate Shear Walls (SPSWs) have been accepted widely as an effective lateral load resisting system. For seismic performance evaluation of a multi-story building with SPSWs, detailed finite element models or a strip model can be used to represent the SPSW components. However, such models often require significant effort for tall or medium height buildings. In order to simplify the analysis process, discrete elements for the framing members can be used. This paper presents development of a simplified equivalent braced model to study the behavior of the SPSWs. The proposed model is expected to facilitate a simplification to the structural modeling of large buildings with SPSWs in order to evaluate the seismic performance using regular structural analysis tools. It is observed that the proposed model can capture the global behavior of the structures quite accurately and potentially aid in the performance-based seismic design of SPSW buildings.
최근 초고층 건물에 구조적인 측면을 고려한 Freeform Structure라는 개념이 등장하고 있다. 이 형태는 Diagrid, Cantilevered, Tilted로 대변될 수 있는데 특히 다이아 그리드 시스템은 횡저항에 하중의 흐름을 가새 프레임을 따라 분산시킴으로써 효율적인 거동을 보이기 때문에 그만큼 부재를 경량화시킬 수가 있다. 그러나 Diagrid 구조시스템의 내진성능 평가를 위한 반응수정계수에 대한 신뢰성 있는 자료가 없기 때문에 우수한 내진성능이 예상됨에도 불구하고 기타구조 등으로 설계되고 있다. 본 연구에서는 실대형 실험을 통해 Diagrid 구조의 반응수정계수를 실험적으로 규명하고자 한다.
Shaking table test is an important and useful method to help structural engineers get better knowledge about the seismic performance of the buildings with complex structure, just like Shanghai tower. According to Chinese seismic design guidelines, buildings with a very complex and special structural system, or whose height is far beyond the limitation of interrelated codes, should be firstly studied through the experiment on seismic behavior. To investigate the structural response, the weak storey and crack pattern under earthquakes of different levels, and to help the designers improve the design scheme, the shaking table model tests of a scaled model of Shanghai tower were carried out at the State Key Laboratory of Disaster Reduction in Civil Engineering, Tongji University, Shanghai, China. This paper describes briefly the structural system, the design method and manufacture process of the scaled model, and the test results as well.
Modular buildings are constructed by assembling modular units which are prefabricated in a factory and delivered to the site. However, due to a problem of noise between floors, concrete slab is usually poured at the top or bottom level of a modular unit in Korea. This greatly increases the weight of buildings, but designing vertical members of modular units to resist overall gravity loads is very inefficient. In this study, considering domestic building construction practices, feasible structural systems for tall modular buildings are proposed in which separate steel frames and reinforced concrete core walls are designed to resist gravity and lateral loads. To verify performance, a three-dimensional structural analysis has been performed with two types of prototype buildings, i.e., a residential building and a hotel. From the results, wind-induced lateral displacements and seismic story drifts are examined and compared with their limit values. Between the two kinds of buildings, the efficiency of the proposed system is also evaluated through a comparison of the weight of structural components. Finally, the effect of a floor diaphragm on the overall behavior is analyzed and discussed.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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