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.
The seismic performance and failure modes of the dual system of moment resisting frames and thin steel plate shear walls (TSPSWs) without and with one or two outrigger trusses are studied in this paper. These structural systems were utilized to resist vertical and lateral loads of 40-storey buildings. Detailed Finite element models associated with nonlinear time history analyses were used to examine seismic capacity and plastic mechanism of the buildings. The analyses were performed under increased levels of earthquake intensities. The models with one and two outriggers showed good performance during the maximum considered earthquake (MCE), while the stress of TSPSWs in the model without outrigger reached its ultimate value under this earthquake. The best seismic capacity was in favour of the model with two outriggers, where it is found that increasing the number of outriggers not only gives more reduction in lateral displacement but also reduces stress concentration on thin steel plate shear walls at outrigger floors, which caused the early failure of TSPSWs in model with one outrigger.
In this article, an additive performance ratio method using structural analysis of both 2D and 3D is introduced to mitigate the complexity of work evaluating structural performances of numerous steel outrigger alternatives in multi-story buildings, especially high-rise buildings. The combined structural analysis process enables to be the design of economic, safe, and as constructional demanding structures by exploiting the advantages of steel, namely: excellent energy dissipation and ductility. First the approach decides the alternative of numerous steel outriggers by a simple 2D analysis module and then the alternative is evaluated by 3D analysis module. Initial structural analyses of outrigger types are carried out through MIDAS Gen 2D modeling, approximately, and then the results appeal structural performance and lead to decide some alternative of outrigger types. ETABS 3D modeling is used with respect to realization and evaluation of exact structural behaviors. The approach reduces computational burden in compared to existing concepts such as full 3D analysis methods. The combined 2D and 3D tools are verified by cycle and displacement tests including comprehensive nonlinear dynamic simulations. The advantages and limitations of the Additive Performance Ratio Approach are highlighted in a case study on a high rise steel-composite building, which targets at designing the optimized alternative to the existing original outrigger for lateral load resisting system.
In this article, a simple and robust multi-objective assessment method to control design angles and node positions connected among steel outrigger truss members is proposed to approve both structural safety and economical cost. For given outrigger member layouts, the present method utilizes general-purpose prototypes of outrigger members, having resistance to withstand lateral load effects directly applied to tall buildings, which conform to variable connecting node and design space deposition. Outrigger layouts are set into several initial design conditions of height to width of an arbitrary given design space, i.e., variable design space. And then they are assessed in terms of a proposed multi-objective function optimizing both minimal total displacement and material quantity subjected to design impact factor indicating the importance of objectives. To evaluate the proposed multi-objective function, an analysis model uses a modified Maxwell-Mohr method, and an optimization model is defined by a ground structure assuming arbitrary discrete straight members. It provides a new robust assessment model from a local design point of view, as it may produce specific optimal prototypes of outrigger layouts corresponding to arbitrary height and width ratio of design space. Numerical examples verify the validity and robustness of the present assessment method for controlling prototypes of outrigger truss members considering a multi-objective optimization achieving structural safety and material cost.
The structural efficiency of tall buildings heavily depends on the lateral stiffness and resistance capacity. Among those structural systems for tall buildings, outrigger system is one of the most common and efficient systems especially for those with relatively regular floor plan. The use of outriggers in building structures can be traced back from early 50 from the concept of deep beams. With the rise of building height, deep beams become concrete walls or now in a form of at least one story high steel truss type of outriggers. Because of the widened choice in material to be adopted in outriggers, the form and even the objective of using outrigger system is also changing. In the past, outrigger systems is only used to provide additional stiffness to reduce drift and deflection. New applications for outrigger systems now move to provide additional damping to reduce wind load and acceleration, and also could be used as structural fuse to protect the building under a severe earthquake condition. Besides analysis and member design, construction issue of outrigger systems is somehow cannot be separated. Axial shortening effect between core and perimeter structure is unavoidable. This paper presents a state-of-the-art review on the outrigger system in tall buildings including development history and applications of outrigger systems in tall buildings. The concept of outrigger system, optimum topology, and design and construction consideration will also be discussed and presented.
This study presents conceptual information of newly optimized shapes and connectivity of the so-called outrigger truss system for modern tall buildings that resists lateral loads induced by wind and earthquake forces. In practice, the outrigger truss consists of triangular or Vierendeel types to stiffen tall buildings, and the decision of outrigger design has been qualitatively achieved by only engineers' experience and intuition, including information of structural behaviors, although outrigger shapes and the member's connectivity absolutely affect building stiffness, the input of material, construction ability and so on. Therefore the design of outrigger trusses needs to be measured and determined according to scientific proofs like reliable optimal design tools. In this study, at first the shape and connectivity of an outrigger truss system are visually evaluated by using a conceptual design tool of the classical topology optimization method, and then are quantitatively investigated with respect to a structural safety as stiffness, an economical aspect as material quantity, and construction characteristics as the number of member connection. Numerical applications are studied to verify the effectiveness of the proposed design process to generate a new shape and connectivity of the outrigger for both static and dynamic responses.
The practical difficulties of construction will impose many restrictions on the structural design, and the construction method can also provide unexpected ideas for solving design problems. Through the discussion of three issues closely related to construction in the structural design of Wuhan Center, this paper illustrates the importance of in-depth consideration of the construction situations in the structural design stage. The topics of "Connection between Embedded Steel Plates in Steel Plate Composite Shear Wall" and "Connection Joint between Outrigger Truss and Core Wall" are about how to facilitate on-site construction by simplifying and optimizing detail design. The topic of "Adjusting Internal Force Distribution by Optimizing Construction Sequence" is about how to make the construction process a tool for structural design.
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.
Deason, Jeremy T.;Tunc, Gokhan;Shahrooz, Bahram M.
Steel and Composite Structures
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v.1
no.3
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pp.329-340
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2001
Cyclic response of "shear" connections between steel outrigger beams and reinforced concrete core walls is presented in this paper. The connections investigated in this paper consisted of a shear tab welded onto a plate that was connected to the core walls through multiple headed studs. The experimental data from six specimens point to a capacity larger than the design value. However, the mode of failure was through pullout of the embedded plate, or fracture of the weld between the studs and plate. Such brittle modes of failure need to be avoided through proper design. A capacity design method based on dissipating the input energy through yielding and fracture of the shear tab was developed. This approach requires a good understanding of the expected capacity of headed studs under combined gravity shear and cyclic axial load (tension and compression). A model was developed and verified against test results from six specimens. A specimen designed based on the proposed design methodology performed very well, and the connection did not fail until shear tab fractured after extensive yielding. The proposed design method is recommended for design of outrigger beam-wall connections.
Proceedings of the Korean Institute of Building Construction Conference
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2009.11a
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pp.31-34
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2009
Large outrigger elements tie the concrete core to perimeter columns, significantly increasing the building's lateral stiffness as well as its resistance to overturning due to wind. The outriggers are deep elements, and large tie forces are resisted by top and bottom heavy longitudinal reinforcing and vertical ties. To reduce construction costs, all primary reinforcing bars in outrigger levels are SD500. Further, concrete strengths of 80MPa have been specified for outrigger elements. However, the reductions in the amount of concrete and reinforcement steel are more increased in tall building. With these backgrounds, 80MPa high strength concrete outrigger system using post tension method is developed. Significant economic savings can be made by reducing the element sizes and material content. The developed outrigger system is designed using strut-and-tie models. In addition, four 1/4-scale test specimens were selected from the same prototype structure. The results from the tests are confirmed that the structural behaviors of the developed outrigger member have better capacities than those of a conventional method.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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