Gerasimidis, Simos;Pantidis, Panos;Knickle, Brendan;Moon, Kyoung Sun
International Journal of High-Rise Buildings
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v.5
no.4
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pp.319-326
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2016
The ingenuity of structural engineers in the field of tall and super-tall buildings has led to some of the most remarkable inventions. During this evolution of structural engineering concepts in the last 100 years, the technical challenges that engineers encountered were extraordinary and the advances were unprecedented. However, as the accomplishments of structural engineers are progressing, the desire for taller and safer structures is also increasing. The diagrid structural system is part of this evolving process as it develops a new paradigm for tall building design combining engineering efficiency and new architectural expression. The first appearances of this type of tall buildings have already been constructed and the interest of both engineering and architectural communities is growing mainly due to the many advantages compared to other structural systems. This paper presents a simple approach on optimizing member sizes for the diagonals of steel diagrid tall buildings. The optimizing method is based on minimizing the volume of the diagonal elements of a diagrid structure. The constraints are coming from the stiffness-based design, limiting the tip deflection of the building to widely accepted regulative limits. In addition, the current paper attempts to open the discussion on the important topic of optimization and robustness for tall buildings and also studies the future of the diagrid structural system.
Chunyu, Tian;Congzhen, Xiao;Hong, Zhang;Jinzhe, Cao
International Journal of High-Rise Buildings
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v.1
no.3
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pp.221-228
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2012
Shanghai Tower is a super high-rise building of 632 m height with 'mega frame-core- outrigger truss' structure system. Due to the complexity and irregularity of structure, shaking table test was carried out to investigate its seismic performance. A 1/40 scaled test model was designed, built and tested on shaking table under earthquake of small, moderate and large levels. The experimental results showed that the structure can meet the requirements of Chinese codes and reach scheduled performance objectives. Elastic and plastic time-history analysis on the structure were carried out and the results were compared to experimental results. Based on the research results some suggestions were proposed to contribute favorable effect on the seismic capacity of the structure.
By integrating an active tuned mass damper (ATMD) and an inerter, the ATMDI has been proposed to attenuate undesirable oscillations of structures under the ground acceleration. Employing the mode generalized system, the dynamic magnification factors (DMF) of the structure-ATMDI system are formulated. The criterion can then be defined as the minimization of maximum values of the DMF of the controlled structure for optimum searching. By resorting to the defined criterion and the particle swarm optimization (PSO), the effects of varying the crucial parameters on the performance of ATMDI have been scrutinized in order to probe into its superiority. Furthermore, the results of both ATMD and tuned mass dampers inerter (TMDI) are included into consideration for comparing. Results corroborate that the ATMDI outperforms both ATMD and TMDI in terms of the effectiveness and robustness. Especially, the ATMDI may greatly reduce the demand on both the mass ratio and inerter mass ratio, thus being capable of further miniaturizing both the ATMD and TMDI. Likewise the miniaturized ATMDI still keeps nearly the same stroke as the TMDI with a larger mass ratio. Hence, the ATMDI is deemed to be a high performance control device with the miniaturization and suitable for super-tall buildings.
Excessive vibrations induced by earthquake excitation and wind load are an obstacle in design and construction of tall and super tall buildings. An innovative vibration control structure system (Mega-Sub Controlled Structure System-MSCSS) was recently proposed to further improve humans comfort and their safeties during natural disasters. Preliminary investigations were performed using a two dimensional equivalent simplified model, composed by 3 mega-stories. In this paper, a more reasonable and realistic scaled model is design to investigate the dynamical characteristics and controlling performances of this structure when subjected to strong earthquake motion. The control parameters of the structure system, such as the modulated sub-structures disposition; the damping coefficient ratio (RC); the stiffness ratio (RD); the mass ratio of the mega-structure and sub-structure (RM) are investigated and their optimal values (matched values) are obtained. The MSCSS is also compared with the so-called Mega-Sub Structure (MSS) regarding their displacement and acceleration responses when subjected to the same load conditions. Through the nonlinear time history analysis, the effectiveness and the feasibility of the proposed mega-sub controlled structure system (MSCSS) is demonstrated in reducing the displacement and acceleration responses and also improving human comfort under earthquake loads.
This paper presents experimental and numerical study on seismic performance of a super tall steel tower structure. The steel tower, with a height of 388 meters, employs a steel space truss with spiral steel columns to serve as its main lateral load resisting system. Moreover, this space truss was surrounded by the spiral steel columns to form a steel mega system in order to support a 12-story platform building which is located from the height of 230 meters to 263 meters. A 1/40 scaled model for this tower structure was made and tested on shake table under a series of one- and two-dimensional earthquake excitations with gradually increasing acceleration amplitudes. The test model performed elastically up to the seismic excitations representing the earthquakes with a return period of 475 years, and the test model also survived with limited damages under the seismic excitations representing the earthquakes with a return period 2475 years. A finite element model for the prototype structure was further developed and verified. It was noted that the model predictions on dynamic properties and displacement responses agreed reasonably well with test results. The maximum inter-story drift of the tower structure was obtained, and the stress in the steel members was investigated. Results indicated that larger displacement responses were observed for the section from the height of 50 meters to 100 meters in the tower structure. For structural design, applicable measures should be adopted to increase the stiffness and ductility for this section in order to avoid excessive deformations, and to improve the serviceability of the prototype structure.
This study is as skyscrapers are becoming increasingly taller, more constructors have decided the height alone cannot be a sufficient differentiator. As a result, atypical architecture is emerging as a new competitive factor. Also, it can be used for symbolizing the economic competitiveness of a country, city, or business through its form. Before the introduction of digital media, there was a discrepancy between the structure and form of a building and correcting this discrepancy required a separate structural medium. Since the late 1980s, however, digitally-based atypical form development began to be used experimentally, and, until the 2000s, it was used mostly for super-tall skyscrapers for offices or for industrial chimneys and communication towers. Since the 2000s, many global brand hotels and commercial and residential buildings have been built as super-tall skyscrapers, which shows the recent trend in architecture that is moving beyond the traditional limits. Complex atypical structure is formed and the formative characteristics of diagonal lines and curved surfaces, which are characteristics of atypical architecture, are created digitally. Therefore, it's goal is necessary to identify a new relationship between the structure and forms. According to the data of Council on Tall Buildings and Urban Habitat (CTBUH), 100-story and taller buildings were classified into typical, diagonal, curved, and segment types in order to define formative shapes of super-tall skyscrapers and provide a ground of the design process related to the initial formation of the concept. The purpose of this study was to identify the correlation between different forms for building atypical architectural shapes that are complex and diverse. The study results are presented as follows: Firstly, complex function follows convergence form characteristics. Secondly, fold has inside of architecture with repeat. Thirdly, as curve style which has pure twist, helix twist, and spiral twist. The findings in this study can be used as basic data for classifying and predicting trends of the future super-tall skyscrapers.
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.11
no.3
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pp.95-103
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2011
Among structural systems for complex-shaped tall buildings, diagrid system is widely used because of its structural efficiency and beauty of form. Recently, mega frame is favorably employed as a suitable structural system for skyscrapers because this structural system has sufficient stiffness against the lateral forces by combination of mega members which consist of many columns and girders. Diagrid mega frame system is expected to be promising structural system for future super tall buildings. However, it takes tremendous analysis times and engineer's efforts to predict the structural behavior of tall buildings applied with diagrid mega frame system because the diagrid mega frame structure has significant numbers of elements and nodes. Therefore, efficient analytical method for all buildings applied with diagrid mega frame system has been proposed in this study to reduce the efforts and time required for the analysis and design of diagrid mega frame structure. To this end, an efficient modelling technique using the characteristics of diagrid mega frame structures and an efficient analytical model using minimal DOFs by the matrix condensation method were proposed in this study. Based on the analysis of an example structure, the effectiveness and accuracy of the proposed method have been verified by the comparison between the results of the proposed method and the conventional method.
Cho, So Hoon;Kim, Do Hwan;Kim, Jin Won;Lee, Seung Eun;Kim, Jin Ho
Journal of Korean Society of Steel Construction
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v.26
no.4
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pp.299-309
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2014
HSA800 is a new high strength steel (HSS) plate for building structures developed by POSCO and RIST in 2011. It has upper and lower bounds for yield ($F_y$) and tensile ($F_u$) strength as of 650-770MPa and 800-950MPa, respectively, with yield ratio ($F_y/F_u$) limit as of 0.85 which make steel quality more reliable and enhance the seismic resistance of structures. As made by TMCP, it has a good weldability without increasing carbon percentage. The objective of this study is to provide alternative design of mega-structural members of the Lotte World Tower (555m, 123 story), a first super-tall building in Korea, using HSS considering structural safety, constructability, and cost-effectiveness. Steel outrigger trusses, belt-trusses and steel exterior columns were selected and analyzed to evaluate the structural performance between original and alternative designs using HSS. The results show that HSS can be applied to the members which do not affect lateral stiffness of a building and, in this study, approximately 1100tons of steel were saved. It implies that HSS can save overall construction costs - manufacturing, delivery, and erection costs - by reducing mega structural member size. HSA800 was very first applied to the Lotte World Tower based on the results of this study.
With more and more high-rise building being constructed in recent decades, bluff body flow with high Reynolds number and large scale dimensions has become an important topic in theoretical researches and engineering applications. In view of mechanics, the key problems in such flow are high Reynolds number turbulence and fluid-solid interaction. Aiming at such problems, a parallel fluid-structure interaction method based on socket parallel architecture was established and combined with the methods and models of large eddy simulation developed by authors recently. The new method is validated by the full two-way FSI simulations of 1:375 CAARC building model with Re = 70000 and a full scale Taipei101 high-rise building with Re = 1e8, The results obtained show that the proposed method and models is potential to perform high-Reynolds number LES and high-efficiency two-way coupling between detailed fluid dynamics computing and solid structure dynamics computing so that the detailed wind induced responses for high-rise buildings can be resolved practically.
In this paper, the stability requirements for diagrid and mega braced structures are examined. The role of the secondary bracing system for the stability of a diagrid structure is discussed. A simple procedure is proposed for the design of the secondary bracing system when it is required. As a case study, the design of the Hearst Tower diagrid and its secondary bracing system are presented.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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