In this paper, the optimum location of the belt truss-outrigger for a combined system of framed tube, shear core and outrigger-belt truss is calculated. The optimum location is determined by maximization of the first natural frequency. The framed tube is modeled using a non-prismatic cantilever beam with hollow box cross section. The governing differential equation is solved using the weak form integral equations and the natural frequencies of the structure are calculated. The graphs are introduced for quick calculation of the first natural frequency. The location of the belt truss-outrigger that maximizes the first natural frequency of the structure is introduced as an optimum location. The structure is modeled using SAP-2000 finite elements software. In the modelling, the location of the belt truss-outrigger is changed along the height of the structure. With various locations of the outrigger, the lateral deflection of the all stories and axial force in the columns of the outer tube are calculated. The analysis is repeated by locating the outrigger-belt truss at the optimum location. The analysis results are compared and effect of the optimum location on the lateral deflection and the shear lag phenomena are investigated.
The goal of this study is to conceptually orientate optimized layouts of outrigger belt trusses which are in widespread use today in the design of tall buildings by strut-and-tie truss models utilizing a topology optimization method. In this study unknown strut-and-tie models are realized by using a typical SIMP method of topology optimization methods. In tradition strut-and-tie model designs find the appropriate strut-and-tie trusses along force paths with respect to elastic stress distribution, and then engineers or designers determine the most proper truss models by experience and intuition. It is linked to a trial-and-error procedure based on heuristic strategies. The presented strut-and tie model design by using SIMP provides that belt truss models are automatically and robustly produced by optimal layout information of struts-and-ties conforming to force paths without any trial-and-error. Numerical applications are studied to verify that outrigger belt trusses for tall buildings are optimally chosen by the proposed method for both static and dynamic responses.
Currently, there are many lateral resisting systems utilized in resisting lateral loads being produced in an earthquake. Such systems can significantly reduce the roof's displacement when placed at an optimum location. Since in the design of tall buildings, the minimum distance between adjacent buildings is important. In this paper, the critical excitation method is used to determine the best location of the belt truss system while calculating the minimum required distance between two adjacent buildings. For this purpose, the belt truss system is placed at a specific story. Then the critical earthquakes are computed so that the considered constraints are satisfied, and the value of roof displacement is maximized. This procedure is repeated for all stories; i.e., for each, a critical acceleration is computed. From this set of computed roof displacement values, the story with the least displacement is selected as the best location for the belt truss system. Numerical studies demonstrate that absolute roof displacements induced through critical accelerations range between 5.36 to 1.95 times of the San Fernando earthquake for the first example and 7.67 to 1.22 times of the San Fernando earthquake for the second example. This method can also be used to determine the minimum required distance between two adjacent buildings to eliminate the pounding effects. For this purpose, this value is computed based on different standard codes and compared with the results of the critical excitation method to show the ability of the proposed method.
In this paper a simple mathematical model is presented for estimating the natural frequencies and corresponding mode shapes of a tall building with outrigger-belt truss system. For this purposes an equivalent continuum system is analyzed in which a tall building structure is replaced by an idealized cantilever continuum beam representing the structural characteristics. The equivalent system is comprised of a cantilever shear beam in parallel to a cantilever flexural beam that is constrained by a rotational spring at outrigger-belt truss location. The mathematical modeling and the derivation of the equation of motion are given for the cantilevers with identically paralleled and rotational spring. The equation of motion and the associated boundary conditions are analytically obtained by using Hamilton's variational principle. After obtaining non-trivial solution of the eigensystem, the resulting is used to determine the natural frequencies and associated mode shapes of free vibration analysis. A numerical example for a 40 story tall building has been solved with proposed method and finite element method. The results of the proposed mathematical model have good adaptation with those obtained from finite element analysis. Proposed model is practically suitable for quick evaluations during the preliminary design stages.
Rahgozar, Reza;Ahmadi, Ali Reza;Hosseini, Omid;Malekinejad, Mohsen
Structural Engineering and Mechanics
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v.40
no.1
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pp.65-84
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2011
In this paper a simple mathematical model for approximate static analysis of combined system of framed tube, shear core and two outrigger-belt truss structures subjected to lateral loads is presented. In the proposed methodology, framed tube is modeled as a cantilevered beam with a box section and interaction between shear core and outrigger-belt truss system with framed tube is modeled using torsional springs placed at location of outrigger-belt truss; these torsional springs act in a direction opposite to rotation generated by lateral loads. The effect of shear lag on axial deformation in flange is quadratic and in web it is a cubic function of geometry. Here the total energy of the combined system is minimized with respect to lateral deflection and rotation in plane section. Solution of the resulting equilibrium equations yields the unknown coefficients of shear lag along with the stress and displacement distributions. The results of a numerical example, 50 storey building subjected to three different types of lateral loading obtained from SAP2000 are compared to those of the proposed method and the differences are found to be reasonable. The proposed method can be used during the preliminary design stages of a tall building and can provide a better understanding of the effects of various parameters on the overall structural behavior.
This paper deals with determining the fundamental frequency of tall buildings that consist of framed tube, shear core, belt truss and outrigger systems in which the framed tube and shear core vary in size along the height of the structure. The effect of belt truss and outrigger system is modeled as a concentrated rotational linear spring at the belt truss and outrigger system location. Many cantilevered tall structures can be treated as cantilevered beams with variable cross-section in free vibration analysis. In this paper, the continuous approach, in which a tall building is replaced by an idealized cantilever continuum representing the structural characteristics, is employed and by using energy method and Hamilton's variational principle, the governing equation for free vibration of tall building with variable distributed mass and stiffness is obtained. The general solution of governing equation is obtained by making appropriate selection for mass and stiffness distribution functions. By applying the separation of variables method for time and space, the governing partial differential equation of motion is reduced to an ordinary differential equation with variable coefficients with the assumption that the transverse displacement is harmonic. A power-series solution representing the mode shape function of tall building is used. Applying boundary conditions yields the boundary value problem; the frequency equation is established and solved through a numerical process to determine the natural frequencies. Computer program has been developed in Matlab (R2009b, Version 7.9.0.529, Mathworks Inc., California, USA). A numerical example has been solved to demonstrate the reliability of this method. The results of the proposed mathematical model give a good understanding of the structure's dynamic characteristics; it is easy to use, yet reasonably accurate and suitable for quick evaluations during the preliminary design stages.
International Journal of Precision Engineering and Manufacturing
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v.3
no.3
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pp.82-89
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2002
The need of ultra-precision machine tools, which manufacture and machine the high precision parts used in computers, semi-conductors and other precision machines, has been increased over years. Therefore it is important to design the driving parts, which affect significantly on their performances. In this paper, the dynamic analyses on the belt-driven system were explored. Relation of the acoustical natural frequency and the tension of belt was derived and presented through experiments. Also, while the dynamic loads on motor system were changed, dynamic deflections were calculated through finite element analysis. Nonlinear characteristics of the bearings having an effect on the dynamic performance were studied and the belt connecting the motor (driving part) to spindle of a machine tool (driven part) was modeled as truss and beam elements fur simulations under various conditions, and a beam element model was verified to be more useful.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.12
no.1
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pp.104-111
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1995
The needs of ultraprecision machine tools, which manufacture and machine the high precision parts used in computers, semiconductors and othe rprecise machines, have been increased recentrly. So it is important to design the driving parts of the ultraprecision machine tools which affect significantly on the performance of them. In this paper, the dynamic analyses on the belt-drive system were studied. The correlational equations between the acoustic natural frequency and the tension of belt were derived by experiments. The dynamic delections while the dynamic loads on the motor system changed were analyzed by the finite element analysis. The nonlinear characteristics of the bearings on the dynamic performance was studied and the belt connecting the motor to the spindle of a machine tool was modeled by the truss element and the beam element.
To connect exterior reinforced concrete (RC) columns with the steel belt truss, the gusset plates are welded to the steel plates embedded in the RC column. Then, the concrete around an embedded plate is very likely to be damaged by the heat input from a long-time (6 to 48 hours) welding of the embedded and gusset plates at a joint between RC columns and steel belt truss. However, very few studies have assessed the concrete damage caused by the welding heat between embedded and gusset plates, and no clear onsite solution has been found. In this paper, experimental tests have been carried out on 4 full-scale specimen to analyze the effect of long-time (about 6 hours) onsite welding (1-side welding and 3-side welding) between a gusset plate and an embedded plate in high strength concrete with compressive strength of 55 MPa and 80 MPa on RC columns. The effect of the long-time welding heat of embedded and gusset plates, which are used in real high-rise building construction sites, on concrete is analyzed in terms of the following three items: 1) temperature distribution, 2) pattern and characteristics of cracks, and 3) effect of the cracks on the compressive strength of RC column. Based on the experimental results, even though the heat input up to about 150? from the long-time onsite welding on the high-strength concrete column for the joint could result in concrete cracks in a radial form, it is found that the welding cracks have no effect on the axial stiffness and strength of the concrete column.
This paper introduces three distinctive means for the use of a 189-meter high damped structure ensuring safety against earthquake: 1. Realization of L-shaped elevational structural planning: The bottom and top of the tower have belt trusses and hat trusses respectively to restrain the bending deformation. Furthermore, large-capacity oil dampers (damping force 6,000 kN) are installed in the middle part of the tower to restrain the higher-mode deformation. 2. Realization of L-shaped planar structural planning: We devised a means of matching the centers of gravity and rigidity by adjusting planar rigidity. Moreover, viscous damping devices are located at the edges of the L-shaped plan, where torsional deformation tends to be amplified. We call this the "Damping Tail" system. 3. Composite foundation to equalize deformations under different loading conditions: We studied the vertical and horizontal deformations using sway-rocking and 3D FEM models including the ground, and applied multi-stage diameter-enlarged piles to the tower and a mat foundation to the podium to keep the foundations from torsional deformations and ensure structural safety.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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