Structural nonlinearity is a common phenomenon encountered in engineering structures under severe dynamic loading. It is necessary to localize and identify structural nonlinearities using structural dynamic measurements for damage detection and performance evaluation of structures. However, identification of nonlinear structural systems is a difficult task, especially when proper mathematical models for structural nonlinear behaviors are not available. In prior studies on nonparametric identification of nonlinear structures, the locations of structural nonlinearities are usually assumed known and all structural responses are measured. In this paper, an identification algorithm is proposed for locating and identifying model-free structural nonlinearities and systems using incomplete measurements of structural responses. First, equivalent linear structural systems are established and identified by the extended Kalman filter (EKF). The locations of structural nonlinearities are identified. Then, the model-free structural nonlinear restoring forces are approximated by power series polynomial models. The unscented Kalman filter (UKF) is utilized to identify structural nonlinear restoring forces and structural systems. Both numerical simulation examples and experimental test of a multi-story shear building with a MR damper are used to validate the proposed algorithm.
There is much architectural and engineering literature which discusses the virtues of exterior bracing and diagrid systems in regards to sustainability - two systems which generally reduce building materials, enhance structural performance, and decrease overall construction cost. By surveying past, present as well as possible future towers, this paper examines another attribute of these structural systems - the blend of structural functionality and aesthetics. Given the external nature of these structural systems, diagrids and exterior bracings can visually communicate the inherent structural logic of a building while also serving as a medium for artistic effect. Viewed in this light, the visual appeal of these systems can be enhanced to give a tower a more distinct urban identity. This entails the creation of structural elements that are aesthetically pleasing, geometrically coherent and that demonstrate dexterity of application in regards to a building's composition, while also respecting the laws of physics and mechanics. In this fashion, an artistic approach can exhibit structural systems as not just purely rational features that enable the construction of tall buildings, but as important visual components that afford opportunities for creative expression. This paper, therefore, synthesizes the concepts of structural performance and creative artistry to facilitate a better understanding of the aesthetic developments in skyscrapers worldwide.
Typical floor systems in contemporary tall buildings consist of reinforced concrete or composite metal deck over framing members and account for a majority of the structural weight of the building. The use of high-density materials, such as reinforced concrete and steel, increases the weight of floor systems, reducing the system's overall efficiency. With the introduction of high-performance materials, mainly mass timber products, and fiber-reinforced composites, in the construction industry, designers and engineers have multiple options to choose from when selecting structural materials. This paper discusses the application of mass timber and carbon fiber composites as structural materials in floor systems of tall buildings. The research focused on a comparative analysis of the structural system efficiency for five different design options for tall building floor systems. Finite Element Analysis (FEA) method was adopted to develop a simulation framework, and parametric structural models were simulated to evaluate the structural performance under specific loading conditions. Simulation results revealed the advantages of lightweight structural materials to improve system efficiency and reduce material consumption. The impact of mechanical properties of materials, loading conditions, and issues related to fire engineering and construction were briefly discussed, and future research topics were identified in conclusion.
Tall buildings which began from about 40 m tall office towers in the late $19^{th}$ century have evolved into mixed-use megatall towers over 800 m. It is expected that even mile-high towers will soon no longer be a dream. Structural systems have always been one of the most fundamental technologies for the dramatic developments of tall buildings. This paper presents structural systems employed for the world's tallest buildings of different periods since the emergence of supertall buildings in the early 1930s. Further, structural systems used for today's extremely tall buildings over 500 m, such as core-outrigger, braced mega-tube, mixed, and buttressed core systems, are reviewed and their performances are studied. Finally, this paper investigates the potential of superframed conjoined towers as a viable structural and architectural solution for mile-high and even taller towers in the future.
Control systems are used to limit structural lateral deflections during large external loads such as winds and earthquakes. Most recently, the semi-active control approach has grown in popularity due to inexpensive control devices that consume little power. As a result, recently designed control systems have employed many semi-active control devices for the control of a structure. In the future, it is envisioned that structural control systems will be large-scale systems defined by high actuation and sensor densities. Decentralized control approaches have been used to control large-scale systems that are too complex for a traditional centralized approach, such as linear quadratic regulation (LQR). This paper describes the derivation of energy market-based control (EMBC), a decentralized approach that models the structural control system as a competitive marketplace. The interaction of free-market buyers and sellers result in an optimal allocation of limited control system resources such as control energy. The Kajima-Shizuoka Building and a 20-story benchmark structure are selected as illustrative examples to be used for comparison of the EMBC and centralized LQR approaches.
Employing tilted forms in tall buildings is a relatively new architectural phenomenon, as are the cases with the Gate of Europe Towers in Madrid and the Veer Towers in Las Vegas. This paper studies structural system design options for tilted tall buildings and their performances. Tilted tall buildings are designed with various structural systems, such as braced tubes, diagrids and outrigger systems, and their structural performances are studied. Structural design of today's tall buildings built with higher strength materials is generally governed by lateral stiffness. Tilted towers are deformed laterally not only by lateral loads but also by dead and live loads due to their eccentricity. The impact of tilting tall buildings on the gravity and lateral load resisting systems is studied. Comparative evaluation of structural systems for tilted tall buildings is presented.
Quaranta, Giuseppe;Mollaioli, Fabrizio;Monti, Giorgio
Earthquakes and Structures
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제10권1호
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pp.239-260
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2016
Tuned mass dampers (TMDs) have been frequently proposed to mitigate the detrimental effects of dynamic loadings in structural systems. The effectiveness of this protection strategy has been demonstrated for wind-induced vibrations and, to some extent, for seismic loadings. Within this framework, recent numerical studies have shown that beneficial effects can be achieved by placing a linear TMD on the roof of linear elastic structural systems subjected to pulse-like ground motions. Motivated by these positive outcomes, closed-form design formulations have been also proposed to optimize the device's parameters. For structural systems that undergo a near-fault pulse-like ground motion, however, it is unlikely that their dynamic response be linear elastic. Hence, it is very important to understand whether such strategy is effective for inelastic structural systems. In order to provide new useful insights about this issue, the paper presents statistical results obtained from a numerical study conducted for three shear-type hysteretic (softening-type) systems having 4, 8 and 16 stories equipped with a linear elastic TMD. The effectiveness of two design procedures is discussed by examining the performances of the protected systems subjected to 124 natural pulse-like earthquakes.
It is highly desirable to explore efficient algorithms for detecting structural damage of large size structural systems with limited input and output measurements. In this paper, a new structural damage detection algorithm based on substructure approach is proposed for large size structural systems with limited input and output measurements. Inter-connection effect between adjacent substructures is treated as 'additional unknown inputs' to substructures. Extended state vector of each substructure and its unknown excitations are estimated by sequential extended Kalman estimator and least-squares estimation, respectively. It is shown that the 'additional unknown inputs' can be estimated by the algorithm without the measurements on the substructure interface DOFs, which is superior to previous substructural identification approaches. Also, structural parameters and unknown excitation are estimated in a sequential manner, which simplifies the identification problem compared with other existing work. Structural damage can be detected from the degradation of the identified substructural element stiffness values. The performances of the proposed algorithm are demonstrated by several numerical examples and a lab experiment. Measurement noise effect is considered. Both the simulation results and experimental data validate that the proposed algorithm is viable for structural damage detection of large size structural systems with limited input and output measurements.
This study presents the efficiency of simulating structural systems using a method that combines a simplified component model (SCM) and rigorous component model (RCM). To achieve a realistic simulation of structural systems, a numerical model must be adequately capturing the detailed behaviors of real systems at various scales. However, capturing all details represented within an entire structural system by very fine meshes is practically impossible due to technological limitations on computational engineering. Therefore, this research develops an approach to simulate large-scale structural systems that combines a simplified global model with multiple detailed component models adjusted to various scales. Each correlated multi-scale simulation model is linked to others using a multi-level hierarchical modeling simulation method. Simulations are performed using nonlinear finite element analysis. The proposed method is applied in an analysis of a simple reinforced concrete structure and the Reuipu Elementary School (an existing structure), with analysis results then compared to actual onsite observations. The proposed method obtained results very close to onsite observations, indicating the efficiency of the proposed model in simulating structural system behavior.
Instrumentation on structural health monitoring system imposes critical issues for applying the structural monitoring system to real world structures, for which not only on the configuration and geometry, but also aesthetics on the system to be monitored should be considered. To illustrate this point, two real world structural health monitoring systems, the structural health monitoring system of Shenzhen Vanke Center and the structural health monitoring system of Shenzhen Bay Stadium in China, are presented in the paper. The instrumentation on structural health monitoring systems of real world structures is addressed by providing the description of the structure, the purpose of the structural health monitoring system implementation, as well as details of the system integration including the installations on the sensors and acquisition equipment and so on. In addition, an intelligent algorithm on stress identification using measurements from multi-region is presented in the paper. The stress identification method is deployed using the fuzzy pattern recognition and Dempster-Shafer evidence theory, where the measurements of limited strain sensors arranged on structure are the input data of the method. As results, at the critical parts of the structure, the stress distribution evaluated from the measurements has shown close correlation to the numerical simulation results on the steel roof of the Beijing National Aquatics Center in China. The research work in this paper can provide a reference for the design and implementation of both real world structural health monitoring systems and intelligent algorithm to identify stress distribution effectively.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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