Corner cut, corner chamfered or a building shape change are adopted in the design of tall buildings to achieve aerodynamic superiority as well as response reduction. Kikuchi et.al pointed out that large negative peak external pressures can appear near the inside corner of set-back low rise buildings. It is therefore necessary to pay attention to facade design around steps in building surfaces. Peak wind pressures for corner cut or corner chamfered configurations are given in the AIJ code. However, they cannot be applied where there are many variations of vertical and horizontal steps. There has been no previous systematic research on peak wind pressures around steps in building surfaces. In this study, detailed phenomenon of peak wind pressures around steps in buildings are investigated focusing on vertical and horizontal distances from the building's corner.
In this paper, cantilevered tall structures are treated as cantilever bars with varying cross-section for the analysis of their free longitudinal (or axial) vibrations. Using appropriate transformations, exact analytical solutions to determine the longitudinal natural frequencies and mode shapes for a one step non-uniform bar are derived by selecting suitable expressions, such as exponential functions, for the distributions of mass and axial stiffness. The frequency equation of a multi-step bar is established using the approach that combines the transfer matrix procedure or the recurrence formula and the closed-form solutions of one step bars, leading to a single frequency equation for any number of steps. The Ritz method is also applied to determine the natural frequencies and mode shapes in the vertical direction for cantilevered tall structures with variably distributed stiffness and mass. The formulae proposed in this paper are simple and convenient for engineering applications. Numerical example shows that the fundamental longitudinal natural frequency and mode shape of a 27-storey building determined by the proposed methods are in good agreement with the corresponding measured data. It is also shown that the selected expressions are suitable for describing the distributions of axial stiffness and mass of typical tall buildings.
Using appropriate transformations, the differential equation for flexural free vibration of a cantilever bar with variably distributed mass and stiffness is reduced to a Bessel's equation or an ordinary differential equation with constant coefficients by selecting suitable expressions, such as power functions and exponential functions, for the distributions of stiffness and mass. The general solutions for flexural free vibration of one-step bar with variable cross-section are derived and used to obtain the frequency equation of multi-step cantilever bars. The new exact approach is presented which combines the transfer matrix method and closed form solutions of one step bars. Two numerical examples demonstrate that the calculated natural frequencies and mode shapes of a 27-storey building and a television transmission tower are in good agreement with the corresponding experimental data. It is also shown through the numerical examples that the selected expressions are suitable for describing the distributions of stiffness and mass of typical tall buildings and high-rise structures.
In structural analysis of tall buildings the traditional primary loading analysis approach that assumes all the loads are simultaneously applied to the fully built structure has been shown to be unsuitable by many researches. The construction sequential analysis that reflects the fact of the level-by-level construction of tall buildings can provide more reliable results and has been used more and more. However, too much computational cost has prevented the construction sequential analysis from its application in CAD/CAE software for building structures, since such an approach needs to deal with systematic changing of resultant stiffness matrices following level-by-level construction. This paper firstly analyzes the characteristics of assembling and triangular factorization of the stiffness matrix in the finite element model of the construction sequential analysis, then presents a fast construction sequential analysis strategy and a corresponding step-by-step active column solver by means of improving the existing skyline solver. The new strategy avoids considerably repeated calculation by only working on the latest appended and modified part of resultant stiffness matrices in each construction level. Without any simplification, the strategy guarantees accuracy while efficiency is greatly enhanced. The numerical tests show that the proposed strategy can be implemented with high efficiency in practical engineering design.
For each construction material used, there is certain theoretical limit in sizes. For tall building construction, the reduction in slab weight is the first step to take in order to break such size limits. In this paper, the feasibility of such objective is proven and given by numerical analysis result. For a typical building slab, both concrete and advanced composite sandwich panels are considered. The concrete slab is treated as a special orthotropic plate to obtain more accurate result. For each panel, the deflection under the dead and live loads is compared, since both tensile and compressive strengths of the composites are far more higher than those of concrete. All types of sandwich panels considered, except one case, have weights less than one tenth of that of reinforced concrete slab, with deflections less than that of the concrete slab. The cost analysis result and manufacturing methods will be reported later.
In this paper, multi-story buildings with shear-wall structures and with narrow rectangular plane configuration are modeled as a multi-step flexural-shear plate with varying cross-section for buckling analysis. The governing differential equation of such a plate is established. Using appropriate transformations, the equation is reduced to analytically solvable equations by selecting suitable expressions of the distribution of stiffness. The exact solutions for buckling of such a one-step flexural-shear plate with variable stiffness are derived for several cases. A new exact approach that combines the transfer matrix method and closed from solution of one-step flexural-shear plate with continuously varying stiffness is presented for stability analysis of multi-step non-uniform flexural-shear plate. A numerical example shows that the present methods are easy to implement and efficient.
Alinejad, Hamidreza;Jeong, Seung Yong;Kang, Thomas H.K.
Wind and Structures
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제31권6호
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pp.575-591
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2020
Wind load is typically considered as one of the governing design loads acting on a structure. Understanding its nature is essential in evaluation of its action on the structure. Many codes and standards are founded on state of the art knowledge and include step by step procedures to calculate wind loads for various types of structures. One of the most accepted means for calculating wind load is using Gust Load Factor or base bending Moment Gust Load Factor (MGLF), where codes are adjusted based on local data available. Although local data may differ, the general procedure is the same. In this paper, ASCE 7-16 (2017), which is used as the main reference in the U.S., and Korean Building Code (KBC 2016) are compared in evaluation of wind loads. The primary purpose of this paper is to provide insight on each code from a structural engineering perspective. Herein, discussion focuses on where the two codes are compatible and differ. In evaluating the action of wind loads on a building, knowledge of the dynamic properties of the structure is critical. For this study, the design of four figurative high-rise buildings with dual systems was analyzed.
The Age-adjusted effective Modulus Method(AEMM) is one of the methods adopted for the construction stage analysis of concrete structures. The AEMM uses the aging factor to consider the effects of the varying concrete stress. In the aspects of computation time and the accuracy of the results, the AEMM is considered as one of most appropriate methods for construction stage analysis of tall building structures. Previous researches proposed appropriate values of the aging factor in the forms of graphs or using very simple equations. In this paper, an equation for estimating the aging factor as a function of rebar ratio in the section, compressive strength of concrete, notional member dimension, and age of concrete at the load application. The validity of aging factor proposed in this paper were examined by the comparison with the results of step-by step method.
대형구조물 설계 건설시 가장 큰 제약은 모든 건설재료에는 치수의 한계가 있다. 본 논문에서는 고전적인 보이론에 의하여 단순 지지된 비등방성 슬래브의 처짐값을 구한 후 그 값을 비교하였고, 특별 직교이방성 판이론에 의하여 콘크리트와 샌드위치 교량의 물성을 비교하여 그 결과에 따른 처짐비와 강성값을 비교하였다. 경계조건은 임의의 경계조건을 갖는 판에 대한 해석해가 없기 때문에 부득이하게 네변이 모두 단순지지 되었을 경우로 해석을 하였고 복합재료의 인장강도는 콘크리트나 강재보다 훨씬 높으므로 비교대상은 처짐으로 하였다. 즉, 철근콘크리트 슬래브보다 자중이 1/10이면서 처짐이 작은 몇 가지 형태의 샌드위치패널을 고려하였다.
본 논문에서는 재난변동풍하중을 받는 고층건물의 예비설계과정에서 필요로 하는 자료를 얻기 위하여 경계층풍동 실험을 실시했다. 먼저 본 실험에 앞서 경계층풍동내의 자연풍을 얻기 위하여 확산장치를 이용했고, 이로부터 평균풍속 수직분포, 난류강도, 파워스펙트럼으로 입증했으며, 이 후 변장비 1:2 강체모형을 이용 경계층풍동실험을 실시한 결과로부터 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다. 1. 경계층풍동에서의 평균풍속 및 난류강도의 수직분포가 자연풍과 같이 잘 실현되었다. 2. 변동풍속 스펙트럼은 Von Karman spectrum과 비교한 결과 잘 일치했다. 3. 변동압력 스펙트럼에서 풍상면의 피크분포는 0.01-0.1 Hz영역에서 발생했고, 풍후면은 0.1 Hz영역에서 발생했다. 4. 자기상관계수는 재난변동풍하중의 작용시간이 증가하면 정성확률과정으로 분포하는 사실을 알 수 있었다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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