Today's architectural design trend based on the recognition of pluralism has led to multiple design directions for all building types including tall buildings. This contemporary design trend has produced many complex-shaped tall buildings, such as twisted, tilted, tapered and freeform towers. Among many different structural systems developed for tall buildings, the diagrid system, with its powerful structural rationale and distinguished aesthetic potential, is one of the most widely used systems for today's tall buildings. This paper studies structural performance of diagrid systems employed for complex-shaped tall buildings. Twisted, tilted, tapered and freeform tall buildings are designed with diagrid structures, and their structural performances are investigated. For the twisted diagrid study, the buildings are twisted up to 3 degrees per floor. In the tilted diagrid study, the angles of tilting range from 0 to 13 degrees. The impact of eccentricity is investigated for gravity as well as lateral loads in tilted towers. In the study of tapered diagrid structures, the angles of tapering range from 0 to 3 degrees. In the study of freeform diagrid structures, lateral stiffness of freeform diagrids is evaluated depending on the degree of fluctuation of free form. The freeform floor plans fluctuate from plus/minus 1.5 meter to plus/minus 4.5 meter boundaries of the original square floor plan. Parametric structural models are generated using appropriate computer programs and the models are exported to structural engineering software for design, analyses and comparative studies.
Today's architecture can be best understood only through the recognition of pluralism, and, as is true of other building types, multiple design directions are prevalent for tall buildings. This contemporary design trend has produced many complex-shaped tall buildings, such as twisted, tilted and tapered form towers. Among many different structural systems developed for tall buildings, the outrigger system, with its inherent structural efficiency and flexibility in façade design, is widely used for contemporary tall buildings. This paper studies structural performance of outrigger systems employed for complex-shaped tall buildings. Twisted, tilted and tapered tall buildings are designed with outrigger structures, and their structural performance is investigated. For the twisted outrigger study, the buildings are twisted up to 3 degrees per floor. In the tilted outrigger study, the angles of tilting range from 0 to 13 degrees. The impact of eccentricity is investigated for gravity as well as lateral loads in tilted towers. In the study of tapered outrigger structures, the angles of tapering range from 0 to 3 degrees. Parametric structural models are generated using appropriate computer programs for these studies, and the models are exported to structural engineering software for design and analyses.
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.5
no.4
s.18
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pp.101-108
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2005
The investigations for mitigating wind-induced excitations of tall buildings have been carried out. The aerodynamic modification of a building shape changing the cross-section with height through tapering, which alters the flow pattern around the building, could reduce wind induced excitations of tall buildings. The fart that a tapered tall building might spread the vortex-shedding over a broad range of frequencies makes more effective for reducing acrosswind responses has been established. In this paper, to investigate the tapering effect for reducing wind-induced responses of a tapered tall building, high-frequency force-balance test was conducted. The six types of building models which have different taper ratio of 2.5%, 5%, 7.5%, 10%, 15% and one basic building model of a square cross-section were tested under the two typical boundary layers representing suburban and urban flow environment. The effect of wind direction was also considered.
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.
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.13
no.1
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pp.79-86
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2013
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.
Kim, Yong-Chul;Kanda, Jun;Tamura, Yukio;Yoon, Sung-Won
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.13
no.1
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pp.97-104
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2013
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
International Journal of High-Rise Buildings
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v.8
no.4
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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.
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.
In this paper, the optimal diagrid angle of atypical tall buildings has been found using diagrid optimization technique which is based on parametric algorithm. A diagrid is a diagonal grid which can be seen among atypical tall buildings and structures which effectively resist horizontal and vertical direction loads. Therefore, it is also the objective of this studyto find the maximum stiffness of atypical tall buildings by optimizing diagrid angle. Moreover, this study touches on both cylindrical and tapered off cylindrical structures, as shown in the examples to check the compatibility of optimum diagrid angle, which effectively resists horizontal deformation on top by optimization algorithm.
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.11
no.4
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pp.79-88
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2011
Recently, complex-shaped tall buildings represented by 3T(Twisted, Tapered, Tilted) are planed largely. A diagrid structural system is one of the most widely used structural system for complex-shaped tall buildings because of its structural efficiency and formativeness. Plans for tilted tall buildings are largely presented because of beauty of a sculpture and many of buildings use diagrid structural systems. Lateral displacements of tilted tall buildings are induced by not only lateral loads but also self weight. Therefore, reduction of lateral responses of tilted tall buildings is as important as typical tall buildings. In this study, a smart TMD is introduced to reduce seismic responses of tilted diagrid tall buildings and its control performance is evaluated. MR damper is employed for the smart TMD and ground-hook controller is used as a control algorithm for the smart TMD. 100-story tall building is used as an example structure. Control performances of uncontrolled case, controlled case with TMD and controlled case with smart TMD are compared and investigated. Numerical simulation has shown that smart TMD presented good control performance for displacement response but acceleration response was not controlled well.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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