In this paper, influence of geometric configurations of multi-story bracing on shear lag behaviour of braced tube structures is investigated. The shear lag of 24-, 36- and 72-story braced tube structures are assessed considering all possible configurations of overall X and Chevron bracing types. Based on the analytical results, empirical equations, useful for the preliminary design phase, are proposed to provide the optimum number of stories that braced, in order to exert minimum shear lag on structures. Studying the interaction behaviour of a tube and different bracing types along with paying attention to the shear lag behaviour, a better explanation about the reasons behind the efficiency of a specific bracing module in decreasing the shear lag is developed. The analytical results show that there are distinct differences between the anatomy of braced tube structures with X and Chevron bracing regarding the shear lag behaviour.
Mazinani, Iman;Jumaat, Mohd Zamin;Ismail, Z.;Chao, Ong Zhi
Structural Engineering and Mechanics
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v.49
no.3
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pp.297-309
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2014
Under lateral loads Framed Tube (FT) system exhibits reduction of cantilever efficiency due to the effect of shear lag. Braced Tube (BT) represents a valuable solution to overcome shear lag problems by stiffening the exterior frame with diagonal braced members. This study investigates the effect of shear lag on BT and FT under wind load. Shear lag and top-level displacement results are compared with previous findings by researchers on FT and BT systems. The investigation of the effect of various configurations in BT on the reduction the shear lag is another objective of this study. The efficiency of each structure is evaluated using the linear response spectrum analysis to obtain shear lag. STADD Pro software is used to run the dynamic analysis of the models. Results show there is relatively less shear lag in all the BT configurations compared to the FT structural system. Moreover, the comparison of the obtained result with those derived by previous studies shows that shear lag is not proportional to lateral displacement. With respect to results, optimum BT configuration in term of lower shear lag caused by lateral loads is presented.
Tall buildings are built with an abundant amount of materials, including structural materials, coming from our limited natural resources. Tall buildings that began from about 10-story tall office towers have evolved to over 150-story tall mixed-use megastructures. As a building becomes taller, structural material requirement to resist lateral wind loads becomes exponentially larger. Therefore, it is crucial to employ efficient structural systems and optimize their design, which will contribute to sustainable vertical built environments through preservation of resources. Tube type structures with large perimeter diagonals are among the most efficient structural systems for tall buildings. Developments of braced tube, braced megatube, diagrid structures, and their optimal design strategies are reviewed. Superframed conjoined towers, produced by interconnecting multiple clustered braced tubes, are presented as a new design direction to achieve not only structural but also architectural and social sustainable design goals.
Shariati, Mahdi;Ghorbani, Mostafa;Naghipour, Morteza;Alinejad, Nasrollah;Toghroli, Ali
Steel and Composite Structures
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v.34
no.3
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pp.393-407
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2020
The braced tube frame system, a combination of perimeter frame and bracing frame, is one of the systems used in tall buildings. Due to the implementation of this system in tall buildings and the high rigidity resulting from the use of general bracing, providing proper ductility while maintaining the strength of the structure when exposing to lateral forces is essential. Also, the high stress at the connection of the beam to the column may cause a sudden failure in the region before reaching the required ductility. The use of Reduced Beam Section connection (RBS connection) by focusing stress in a region away from beam to column connection is a suitable solution to the problem. Because of the fact that RBS connections are usually used in moment frames and not tested in tall buildings with braced tube frames, they should be investigated. Therefore, in this research, three tall buildings in height ranges of 20, 25 and 30 floors were modeled and designed by SAP2000 software, and then a frame in each building was modeled in PERFORM-3D software under two RBS-free system and RBS-based system. Nonlinear time history dynamic analysis is used for each frame under Manjil, Tabas and Northridge excitations. The results of the Comparison between RBS-free and RBS-based systems show that the RBS connections increased the absorbed energy level by reducing the stiffness and increasing the ductility in the beams and structural system. Also, by increasing the involvement of the beams in absorbing energy, the columns and braces absorb less energy.
In this research, the behavior of tube-in-tube BRBs (TiTBRBs) has been investigated. In a typical TiTBRB, the yielding core tube is located inside the outer restraining one to dissipate energy through extensive plastic deformation, while the outer restraining tube remains essentially elastic. With the aid of FE analyses, the monotonic and cyclic behavior of the proposed TiTBRBs have been studied as individual brace elements. Subsequently, a detailed finite element model of a representative single span-single story frame equipped with such a TiTBRB has been constructed and both monotonic and cyclic behavior of the proposed TiTBRBs have been explored under the application of the AISC loading protocol at the braced frame level. With the aid of backbone curves derived from the FE analyses, a simplified frame model has been developed and verified through comparison with the results of the detailed FE model. It has been shown that, the simplified model is capable of predicting closely the cyclic behavior of the TiTBRB frame and hence can be used for design purposes. Considering type of connection detail used in a frame, the TiTBRB member which behave satisfactorily at the brace element level under cyclic loading conditions, may suffer global buckling due to the flexural demand exerted from the frame to the brace member at its ends. The proposed TiTBRB suit tubular members of offshore structures and the application of such TiTBRB in a typical offshore platform has been introduced and studied in a single frame level using detailed FE model.
Tall buildings which began from about 40 m tall office towers in the late $19^{th}$ century have evolved into mixed-use megatall towers over 800 m. It is expected that even mile-high towers will soon no longer be a dream. Structural systems have always been one of the most fundamental technologies for the dramatic developments of tall buildings. This paper presents structural systems employed for the world's tallest buildings of different periods since the emergence of supertall buildings in the early 1930s. Further, structural systems used for today's extremely tall buildings over 500 m, such as core-outrigger, braced mega-tube, mixed, and buttressed core systems, are reviewed and their performances are studied. Finally, this paper investigates the potential of superframed conjoined towers as a viable structural and architectural solution for mile-high and even taller towers in the future.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.22
no.1
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pp.167-175
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2018
This research deals, The characteristics of mechanics and behavior of the tube structural systems, It has been investigated and considered conventional theory and case models, It has shown the suitability, The best location, And optimal shape of the unit module system, Considered variables materials of stiffness increase and decrease in hybrid tube structural systems this study carried out adapting analysis of statistical concepts. In a concrete way, This study exams the effect of reducing horizontal displacement and the shear lag phenomenon, Also, The purpose of this study is to utilize the basic data on the design and study of future high-rise hybrid structural system using this research. As a result, The framed- tube structural system does not effectively cope with horizontal behavior of high-rise buildings, The results of using varying material tested resistance factors and lateral loads in hybrid tube structural system, When each material is compared Bracing material is identified as a key factor in lateral behavior. In a ratio of material quantity framed-tube structural system, The level of sensitivity affecting the horizontal displacement is greater then the beam's column, In case of braced tube structural system, Braced appeared to be most sensitive in comparison of material quantity ratio in columns and beams.
In order to improve the seismic behaviors of traditional steel-concrete mixed structure, a novel steel concrete mixed structure consisting of steel frames braced with buckling restrained braces (BRBs) and a concrete tube is proposed. Based on several assumptions, the simplified mechanical model of the novel mixed structure is established, and the shear and bending stiffness formulas of the steel frames, BRBs and concrete tube are respectively introduced. The equilibrium differential equation of the novel mixed structure under horizontal load is developed based on the structural elastic theory. The simplified algorithms to determine the lateral displacement and internal forces of the novel mixed structure under the inverted-triangle distributed load, uniformly load and top-concentrated load are then obtained considering several boundary conditions and compatible deformation conditions. The effectiveness of the simplified algorithms is verified by FEM comparison.
This paper was developed to computer program, which is about to analyize nonlinear behavior of structural member and frame including to geometric and material nonlineality, and formulated to the relationship of stress-strain of steel. In order to examplity the efficiency of this program, the numerical analysis was done for H section steel beam and square steel tube column subjected to monotonic load, and braced steel frame subjected to repeated horizontal forces. The obtained results by this program were in accordance with existing experimental and analytical results respectively.
Failure modes result in fracture or tearing, which may cause deterioration of resistance and reduction of inelastic deformation capacity. The potential failure modes for Special Concentrically Braced Frames (SCBFs) include fracture or tearing of the brace, net section fracture of the brace or gusset plate, fracture of the gusset plate welds, shear fracture of the bolts, block shear, excessive bolt bearing deformation, and buckling of the gusset plate. HSS tubular braces are commonly used in SCBFs, and net section fracture of the tubular brace may also occur through the brace net section at the end of the slot cut into the tube to slip over the gusset plate. This failure mode is categorized as a tension failure mode, and may cause dramatic loss of resistance and brittle behavior. Net section reinforcement is required according to AISC design specifications (AISC 2001). In this paper, the need to reinforce the net section area was discussed. Initially, the results of the net section fracture tests done by the University of California in Berkeley were presented with the modeling of these tests using FE models. To investigate the possibility of net section fracture in an actual frame, the slot end hole model was adapted to the frame FE model, and alternate near-fault histories were applied with tension-dominated cycles, since previous analyses showed that loading history was the most critical factor in net section fracture. The need for this reinforcement (cover plate) and the tension-dominated near-fault history were investigated.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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