건축물의 풍진동은 건축물의 사용성평가에 중요한 구조설계 요인 중 하나이다. 신뢰성있는 풍하중 및 풍진동을 구하기 위해서는 정확한 고유주기의 예측이 필요하며 이러한 고유주기에 오차가 있을 경우 하중을 과대 또는 과소평가하게 되는 문제를 유발한다. 본 논문에서는 최근 본격적으로 증가하고 있는 초고층 무량판 구조시스템의 건축물에 대하여 계측을 통한 횡강성 산정식의 유효성을 검정하였다. 이를 위하여 최근 건설된 초고층 무량판 구조시스템이 적용된 3개의 건물에 대하여 계측 결과와 해석 모델의 고유주기를 비교 분석하였다. 이때, 무량판 구조물의 횡강성에 영향을 미치는 요인들에 대하여 각 케이스별로 해석을 수행하였으며, 특히 일반적으로 사용되고 있는 콘크리트의 할선탄성계수와 동탄성계수가 적용 되었을 때의 구조물의 고유주기 변화를 비교하였다. 그 결과 풍진동에 의한 건물의 변형률은 매우 적기 때문에 할선탄성계수의 적용보다는 동탄성계수의 적용이 보다 정확한 해석의 결과를 가져올 것으로 판단된다.
Since its development in the early 1980's the force balance technique has become a standard method in the efficient determination of structural loads and responses. Its usefulness lies in the simplicity of the physical model, the relatively short records required from the wind tunnel testing and its versatility in the use of the data for different sets of dynamic properties. Its major advantage has been the ability to provide results in a timely manner, assisting the structural engineer to fine-tune their building at an early stage of the structural development. The analysis of the wind tunnel data has evolved from the simple un-coupled system to sophisticated methods that include the correction for non-linear mode shapes, the handling of complex geometry and the handling of simultaneous measurements on multiple force balances for a building group. This paper will review some of the components in the force balance data analysis both in historical perspective and in its current advancement. The basic formulation of the force balance methodology in both frequency and time domains will be presented. This includes all coupling effects and allows the determination of the resultant quantities such as resultant accelerations, as well as various load effects that generally were not considered in earlier force balance analyses. Using a building model test carried out in the wind tunnel as an example case study, the effects of various simplifications and omissions are discussed.
Yao, Jia-Wei;Lin, Yu-Qiong;Zheng, Jing-Yun;Yuan, Philip F.
국제초고층학회논문집
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제7권2호
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pp.145-151
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2018
Newly-designed high-rise buildings, both in China and abroad, have demonstrated new innovations from the creative concept to the creative method. from the creative concept to the creative method. At the same time, digital technology has enabled more design freedom in the vertical dimension. "Twisting" has gradually become the morphological choice of many city landmark buildings in recent years. The form seems more likely to be driven by the interaction of aesthetics and structural engineering. Environmental performance is often a secondary consideration; it is typically not simulated until the evaluation phase. Based on the research results of "DigitalFUTURE Shanghai 2017 Workshop - Wind Tunnel Visualization", an approach that can be employed by architects to design environmental-performance buildings during the early stages has been explored. The integration of a dynamic form-finding approach (DFFA) and programming transforms the complex relationship between architecture and environment into a dialogue of computer language and dynamic models. It allows the design to focus on the relationship between morphology and the surrounding environment, and is not limited to the envelope form itself. This new concept of DFFA in this research consists of three elements: 1) architectural form; 2) integration of wind tunnel and dynamic models; and 3) environmental response. The concept of wind tunnel testing integrated with a dynamic model fundamentally abandons the functional definition of the traditional static environment simulation analysis. Instead it is driven by integral environmental performance as the basic starting point of morphological generation.
대부분의 초고층 건물은 지상 구조물과 주차와 상가 용도 등으로 사용되는 복수층의 지하 구조물로 구성된다. 지하층은 초고층 건물의 지진응답에 큰 영향을 줄 수 있지만 내진설계에서 이의 영향이 명확하게 규명되지 않았다. 국외에서 가장 널리 사용되는 고층 구조물 내진설계 지침서에서는 지하층은 모델링하되 주변 지반은 모사하지 않으며 지하층-지반 운동학적 상호작용을 고려하여 계산된 기초 저면의 운동을 적용할 것을 권장하고 있다. 본 연구에서는 지하 1층과 5층 구조물에 대한 동적 해석을 수행하여 지하층 저면에서의 운동을 계산하였으며 자유장 운동과 비교하였다. 수치해석 결과를 내진설계 지침서에 제시된 상호작용을 고려하는 두가지 방법과 비교한 결과, 지하 1층의 경우 이 중 한가지 방법이 해석결과와 잘 맞지만 지하 5층의 경우 지침서에 제시된 방법은 큰 차이가 발생하는 것으로 나타났다.
Even in moderate to low seismic regions like Korean peninsular where wind loading usually governs the structural design of a tall building, the probable structural impact of the design basis earthquake or the maximum credible earthquake on the selected structural system should be considered at least in finalizing the design. In this study, by using response spectrum analysis and linear time history analysis method, seismic performance evaluation was conducted for wind-designed concentrically braced steel highrise buildings. Both spectrum-compatible artificial accelerograms and recorded accelerograms were used as input ground motions for the time history analysis. The analysis results showed that wind-designed concentrically braced steel highrise buildings possess significantly increased elastic seismic capacity due to the system overstrength resulting from the wind-serviceability criterion and the width-to-thickness ratio limits on steel members. Time history analysis results generally tended to underestimate the seismic response as compared to those of response spectrum analysis.
Reinforced concrete core-wall structures with buckling-restrained brace outriggers are interesting systems which have the ability to absorb and dissipate energy during strong earthquakes. Outriggers can change the energy demand in a tall building. In this paper, the energy demand was studied by using the nonlinear time history analysis for the mentioned systems. First, the structures were designed according to the prescriptive codes. In the dynamic analysis, three approaches for the core-wall were investigated: single plastic hinge (SPH), three plastic hinge (TPH) and extended plastic hinge (EPH). For SPH approach, only one plastic hinge is allowed at the core-wall base. For TPH approach, three plastic hinges are allowed, one at the base and two others at the upper levels. For EPH approach, the plasticity can extend anywhere in the wall. The kinetic, elastic strain, inelastic and damping energy demand subjected to forward directivity near-fault and ordinary far-fault earthquakes were studied. In SPH approach for all near-fault and far-fault events, on average, more than 65 percent of inelastic energy is absorbed by buckling-restrained braces in outrigger. While in TPH and EPH approaches, outrigger contribution to inelastic energy demand is reduced. The contribution of outrigger to inelastic energy absorption for the TPH and EPH approaches does not differ significantly. The values are approximately 25 and 30 percent, respectively.
Even in moderate to low seismic regions like Korean peninsular where wind loading usually governs the structural design of a tall building, the probable structural impact of the design basis earthquake or the maximum credible earthquake on the selected structural system should be considered at least in finalizing the design. In this study, by using response spectrum analysis and time history analysis method, seismic performance evaluation was conducted for wind-designed concentrically braced steel highrise buildings. Input ensemble was normalized to be compatible with expected peak ground acceleration. The analysis results showed that wind-designed concentrically braced steel highrise buildings possess significantly increased elastic seismic capacity due to the system overstrength resulting from the wind-serviceability criterion and the width-to-thickness ratio limits on steel members. The time history analysis tended to significantly underestimated the seismic response as compared to response spectrum analysis. Further detailed studies regarding selection and scaling scheme of input ground motions is needed.
The characteristics of the coherence functions of X axial, Y axial, and RZ axial (i.e., body axis) wind forces on the Shanghai World Trade Centre - a 492 m super-tall building with section varying along height are studied via a synchronous multi-pressure measurement of the rigid model in wind tunnel simulating of the turbulent, and the corresponding mathematical expressions are proposed there from. The investigations show that the mathematical expressions of coherence functions in across-wind and torsional-wind directions can be constructed by superimposition of a modified exponential decay function and a peak function caused by turbulent flow and vortex shedding respectively, while that in along-wind direction need only be constructed by the former, similar to that of wind speed. Moreover, an inductive analysis method is proposed to summarize the fitted parameters of the wind force coherence functions of every two measurement levels of altitudes. The comparisons of the first three order generalized force spectra show that the proposed mathematical expressions accord with the experimental results well. Later, the influences of coherence functions on wind-induced dynamic responses are analyzed in detail based on the proposed mathematical expressions and the frequency-domain method of random vibration theory.
Most of high-rise buildings in Japan*1 are structure with damping systems recently. The design procedure is performance-based design (PBD), which is based on the nonlinear response history procedure (NRHP) using 2 or 3-dimentional frame model. In addition, hysteretic property of steel plates or velocity-dependent property of viscous dampers are common practice for the damping system. However, for the selection of damping system, the easy dynamic analysis of recent date may lead the most of engineers to focus attention on the maximum response only without thinking how it shakes. By nature, the seismic design shall be to figure out the action of inertia forces by complex & dynamic loads including periodic and pulse-like characteristics, what we call seismic ground motion. And it shall be done under the dynamic condition. On the contrary, we engineers engineers have constructed the easy-to-use static loads and devoted ourselves to handle them. The structures with damping system shall be designed considering how the stiffness & damping to be applied to the structures against the inertia forces with the viewpoint of dynamic aspect. In this paper we reconsider the role of damping in vibration and give much thought to the basic of shake with damping from a standpoint of structural design. Then, we present some design examples based on them.
Field measurements of various structures have been conducted for many purposes. Measurement data obtained by field measurement is very useful to determine vibration characteristics including dynamic characteristics such as the damping ratio, natural frequency, and mode shape of a structure. In addition, results of field measurements and modal identification can be used for modal updating of FEM analysis, for checking the efficiency of damping devices and so on. This paper shows some examples of field measurements and modal identification for structural health monitoring. As the first example, changes of dynamic characteristics of a 15-story office building in four construction stages from the foundation stage to completion are described. The dynamic characteristics of each construction stage were modeled as accurately as possible by FEM, and the stiffness of the main structural frame was evaluated and the FEM results were compared with measurements performed on non-load-bearing elements. Simple FEM modal updating was also applied. As the next example, full-scale measurements were also carried out on a high-rise chimney, and the efficiency of the tuned mass damper was investigated by using two kinds of modal identification techniques. Good correspondence was shown with vibration characteristics obtained by the 2DOF-RD technique and the Frequency Domain Decomposition method. As the last example, the wind-induced response using RTK-GPS and the feasibility of hybrid use of FEM analysis and RTK-GPS for confirming the integrity of structures during strong typhoons were shown. The member stresses obtained by hybrid use of FEM analysis and RTK-GPS were close to the member stresses measured by strain gauges.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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