Nowadays, many engineers believe that hybrid structures with reinforced concrete central core walls and perimeter steel frames offer an economical method to develop the strength and stiffness required for seismic design. As a result, a variety of such structures have recently been applied in actual construction. However, the performance-based seismic design of such structures has not been investigated systematically. In the performance-based seismic design, quantifying the seismic damage of complete structures by damage indices is one of the fundamental issues. Four damage states and the final softening index at each state for high-rise hybrid structures are suggested firstly in this paper. Based on nonlinear dynamic analysis, the relation of the maximum inter-story drift, the main structural characteristics, and the final softening index is obtained. At the same time, the relation between the maximum inter-story drift and the maximum roof displacement over the height is also acquired. A double-variable index accounting for maximum deformation and cumulative energy is put forward based on the pushover analysis. Finally, a case study is conducted on a high-rise hybrid structure model tested on shaking table before to verify the suggested quantities of damage indices.
Pascal Steenbakkers;Babette Verheggen;Mathew Vola;Do Janne Vermeulen
국제초고층학회논문집
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제13권2호
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pp.195-204
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2024
HAUT, a residential tower, is a prototype for building innovative and environmentally-friendly high-rise timber structures. The team - Arup, Team V Architecture, Lingotto and JP van Eesteren - designed and built an ambitious sustainable building: a timber skyscraper, with 21 floors one of the tallest timber hybrid towers in the world. Never before has this highest sustainability rating - BREEAM Outstanding - been awarded to a residential building in the Netherlands. As a result of the new techniques for a timber hybrid tower of 73 meters high, there is interest from all over the world for this combination of sustainability and urban densification.
This paper presents the experimental investigation into a new type of steel-concrete hybrid outrigger system developed for the high-rise building structure. The steel truss is embedded into the reinforced concrete outrigger wall, and both the steel truss and concrete outrigger wall work compositely to enhance the overall structural performance of the tower structures under extreme loads. Meanwhile, metal dampers of low-yield steel material were also adopted as a 'fuse' device between the hybrid outrigger and the column. The damper is engineered to be 'scarified' and yielded first under moderate to severe earthquakes in order to protect the structural integrity of important structural components of the hybrid outrigger system. As such, not brittle failure is likely to happen due to the severe cracking in the concrete outrigger wall. A comprehensive experimental research program was conducted into the structural performance of this new type of hybrid outrigger system. Studies on both the key component and overall system tests were conducted, which reveal the detailed structural response under various levels of applied static and cyclic loads. It was demonstrated that both the steel bracing and concrete outrigger wall are able to work compositely with the low-yield steel damper and exhibits both good load carrying capacities and energy dispersing performance through the test program. It has the potential to be applied and enhance the overall structural performance of the high-rise structures over 300 m under extreme levels of loads.
An innovative high-rise timber-concrete hybrid structure was proposed in previous research, which is composed of the concrete frame-tube structure and the prefabricated timber modules as main structure and substructures, respectively. Considering that the timber substructures are built on the concrete floors at a different height, the floor response spectrum is more effective in estimating the seismic response of substructures. In this paper, the floor response spectra of the hybrid structure with different structural parameters were calculated using dynamic time-history analysis. Firstly, one simplified model that can well predict the seismic response of the hybrid structure was proposed and validated. Then the construction site, the mass ratio and the frequency ratio of the main-sub structure, and the damping ratio of the substructures were discussed. The results demonstrate that the peaks of the floor response spectra usually occur near the vibration periods of the whole structure, among which the first two peaks stand out; In most cases, the acceleration amplification effect on substructures tends to be more evident when the construction site is farther from the fault rupture; On the other hand, the acceleration response of substructures can be effectively reduced with an appropriate increase in the mass ratio of the main-sub structure and the damping ratio of the substructures; However, the frequency ratio of the main-sub structure has no discernible effect on the floor response spectra. This study investigates the characteristics of the floor response spectrum of the novel timber-concrete structure, which supports the future applications of such hybrid structure in high-rise buildings.
The Hybrid Mass Damper (HMD) has proven effective in mitigating vibrations in high-rise structures subject to seismic and wind-induced excitations. One derivative configuration of the HMD mounts an Active Mass Damper (AMD) atop a Tuned Mass Damper (TMD). However, the control efficacy of such HMDs may be compromised when confronted with loads that exceed their design parameters. Additionally, the confined structural space within high-rise structures often limits the feasibility and economic viability of retrofitting HMD systems. This study introduces an Acceleration-based Fuzzy Power Approach Rate Sliding Mode Control (AFP-SMC) algorithm aimed at enhancing the control efficacy of HMDs while minimizing their stroke and force output requirements. Employing the Canton Tower as a research prototype, an analytical model incorporating HMDs was established, and a comparative analysis between the AFP-SMC and Linear Quadratic Gaussian (LQG) control algorithms was conducted for efficacy. The control performance of the AFP-SMC control algorithm under different control parameter variations was investigated. Furthermore, by experimentally assessing the AMD subsystem within the Canton Tower, friction and ripple force formulas were derived to bolster the analytical model, thereby validating the robustness of the AFP-SMC algorithm. The results show that the proposed AFP-SMC algorithm effectively reduces the vibration response of the structure and the stroke and control force output of HMDs, and exhibits superior overall control performance and robustness compared to the LQG algorithm.
A base isolation system is widely used to reduce seismic responses of low-rise buildings. This system cannot be effectively applied to high-rise buildings because the initial stiffness of the high-rise building with the base isolation system maintains almost the same as the building without the base isolation system to set the yield shear force of the base isolation system larger than the design wind load. To solve this problem, the mid-story isolation system was proposed and applied to many buildings. The mid-story isolation system has two major objectives; first to reduce peak story drift and second to reduce peak drift of the isolation story. Usually, these two objectives are in conflict. In this study, a hybrid mid-story isolation system for a tall building is proposed. A MR (magnetorheological) damper was used to develop the hybrid mid-story isolation system. An existing building with mid-story isolation system, that is "Shiodome Sumitomo Building" a high rise building having a large atrium in the lower levels, was used for control performance evaluation of the hybrid mid-story isolation system. Fuzzy logic controller and genetic algorithm were used to develop the control algorithm for the hybrid mid-story isolation system. It can be seen from analytical results that the hybrid mid-story isolation system can provide better control performance than the ordinary mid-story isolation system and the design process developed in this study is useful for preliminary design of the hybrid mid-story isolation system for a tall building.
This building is a forty-eight story, 170 meters high multiple dwelling house with Dual Frame System (DFS), a coupled vibration system connecting two independent structures with hydraulic dampers. Generation of large deformation between two structures during earthquakes contributes to make the hydraulic dampers effective. To improve the aseismic performance more, this building adopts DFS hybrid system that consists of DFS and base isolation system. About typical floors, columns and beams are constructed with LRV precast concrete method that shorten the construction period greatly by integrating column-beam joints in column members.
In recent years, high-rise buildings received a renewed interest as a means by which technical and economic advantages can be achieved, especially in areas of high population density. Taller and taller buildings are being built worldwide. These types of buildings present an asset and typically are built not to fail under wind loadings. The increase in a building's height results in increased flexibility, which can lead to significant vibrations, especially at top floors. Such oscillations can magnify the overall loads and can be annoying to the top floors' occupants. This paper shows that increased stiffness in high-rise buildings may not be a feasible solution and may not be used for the design for comfort and serviceability. High-rise buildings are unique, and a vibration control system for a certain building may not be suitable for another. Even for the same building, its behavior in the two lateral directions can be different. For this reason, the current study addresses the application of hybrid tuned mass and magneto-rheological (TM/MR) dampers that can work for such types of buildings. The proposed control scheme shows its effectiveness in reducing floors' accelerations for both comfort and serviceability concerns. Also, a dissipative analysis carried out shows that the MR dampers are working within the possible range of optimum performance. In addition, the design loads are dramatically reduced, creating more resilient and sustainable buildings. The purpose of this paper is to stimulate, shape, and communicate ideas for emerging control technologies that are essential for solving wind related problems in high-rise buildings, with the objective to build the more resilient and sustainable infrastructure and to optimally retrofit existing structures.
Research and development on high-rise or large-scale wooden buildings have been actively conducted both domestically and internationally. The trend of high-rise wooden buildings is driven by increasing awareness of environmental issues. To utilize wooden materials in buildings is believed to lead to the reduction of the environmental impact. On the other hand, Japan is one of the most earthquake-prone countries in the world, and many wooden detached houses have been damaged in past major earthquakes. This paper summarizes the issues that arise in the realization of medium- and high-rise wooden buildings in Japan, and introduces the initiatives that have been seen so far.
In this paper, a new type of passive energy dissipating system similar to added damping and stiffness (ADAS) and triangular added damping and stiffness (TADAS) is proposed and implemented in the analytical model of a building with hybrid structural system in the structure's base which we call it; Telescopic column. The behavior and performance of a high rise R.C. structure equipped with this system is investigated and compared with conventional base isolation systems such as rubber isolator bearings and friction pendulum bearings. For this purpose a series of ground acceleration records of the San Fernando, Long Beach and Imperial Valley earthquakes are used as the disturbing ground motions in a series of numerical simulations. The nonlinear numerical modeling which includes both material and geometric nonlinearities were carried out by using SAP2000 program. Results show suitable behavior of structures equipped with telescopic columns in controlling the upper stories drifts and accelerations.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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