Structural health monitoring is becoming more and more important in the domain of civil engineering as a proper mean to increase and maintain the safety, especially in the land of earthquakes like Japan. In many civil structures, the deformations are the most relevant parameter to be monitored. In this context, a monitoring technology based on the use of long-gage fiber optic deformation sensor, SOFO is being applied to a 33-floors tall building in Tokyo. Sensors were installed on the $2^{nd}$ floor's steel columns of the building on May 2005 in the early stage of the construction. The installed SOFO sensors were dynamic compatible ones which enable both static and dynamic measurements. The monitoring is to be performed during the whole lifespan of the building. During the construction, static deformations of the columns had been measured on a regular basis using a reading unit for static measurement and dynamic deformation measurements were occasionally conducted using a reading unit for dynamic measurement. The building was completed on August 2006. After the completion, static and dynamic deformation measurements have been continuing. This paper describes a health monitoring technology, SOFO system which is applicable to high-rise buildings and monitoring results of a 33-floors tall building in Tokyo from May 2005 to October 2010.
Composite columns made of high strength materials have been used in high-rise construction owing to its excellent structural performance resulting in smaller cross-sectional sizes. However, due to the limited understanding of its structural response, current design codes do not allow the use of high strength materials beyond a certain strength limit. This paper reports additional test data, analytical and numerical studies leading to a new design method to predict the ultimate resistance of composite columns made of high strength steel and high strength concrete. Based on previous study on high strength concrete filled steel tubular members and ongoing work on high strength concrete encased steel columns, this paper provides new findings and presents the feasibility of using high strength steel and high strength concrete for general double symmetric composite columns. A nonlinear finite element model has been developed to capture the composite beam-column behavior. The Eurocode 4 approach of designing composite columns is examined by comparing the test data with results obtained from code's predictions and finite element analysis, from which the validities of the concrete confinement effect and plastic design method are discussed. Eurocode 4 method is found to overestimate the resistance of concrete encased composite columns when ultra-high strength steel is used. Finally, a strain compatibility method is proposed as a modification of existing Eurocode 4 method to give reasonable prediction of the ultimate strength of concrete encased beam-columns with steel strength up to 900 MPa and concrete strength up to 100 MPa.
Steel shear wall system has been used in recent years in tall buildings due to its appropriate behavior advantages such as stiffness, high strength, economic feasibility and high energy absorption capability. Coupled steel plate shear walls consist of two steel shear walls that are connected to each other by steel link beam at each floor level. In this article the frames of 3, 10, and 15 of (C-SPSW) floor with rigid connection were considered in three different lengths of 1.25, 2.5 and 3.75 meters and link beams with plastic section modulus of 100% to the panel beam at each floor level and analyzed using three pairs of accelerograms based on nonlinear dynamic analysis through ABAQUS software and then the performance of walls and link beams at base shear, drift, the period of structure, degree of coupling (DC) and dissipated energy evaluated. The results show that the (C-SPSW) system base shear increases with a decrease in the link beam length, and the drift, main period and dissipated energy of structure decreases. Also the link beam length has different effects on parameters of coupling degrees.
Song, Jin Young;Lee, Donghun;Erikson, James;Hao, Jianming;Wu, Teng;Kim, Bonghwan
International Journal of High-Rise Buildings
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v.7
no.1
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pp.17-32
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2018
This paper explores the function of a structural skin with an embossed surface applicable to use for tall building structures. The major diagrid system with a secondary embossed surface structure provides an enhanced perimeter structural system by increasing tube section areas and reduces aerodynamic loads by disorienting major organized structure of winds. A parametric study used to investigate an optimized configuration of the embossed structure revealed that the embossed structure has a structural advantage in stiffening the structure, reducing lateral drift to 90% compared to a non-embossed diagrid baseline model, and results of wind load analysis using computational fluid dynamics, demonstrated the proposed embossed system can reduce. The resulting undulating embossed skin geometry presents both opportunities for incorporating versatile interior environments as well as unique challenges for daylighting and thermal control of the envelope. Solar and thermal control requires multiple daylighting solutions to address each local façade surface condition in order to reduce energy loads and meet occupant comfort standards. These findings illustrate that although more complex in geometry, architects and engineers can produce tall buildings that have less impact on our environment by utilizing structural forms that reduce structural steel needed for stiffening, thus reducing embodied $CO^2$, while positively affecting indoor quality and energy performance, all possible while creating a unique urban iconography derived from the performance of building skin.
This experimental research presents the seismic performance of steel reinforced high-strength concrete (SRHC) short columns. Eleven SRHC column specimens were tested under simulated earthquake loading conditions, including six short column specimens and five normal column specimens. The parameters studied included the axial load level, stirrup details and shear span ratio. The failure modes, critical region length, energy dissipation capacity and deformation capacity, stiffness and strength degradation and shear displacement of SRHC short columns were analyzed in detail. The effects of the parameters on seismic performance were discussed. The test results showed that SRHC short columns exhibited shear-flexure failure characteristics. The critical region length of SRHC short columns could be taken as the whole column height, regardless of axial load level. In comparison to SRHC normal columns, SRHC short columns had weaker energy dissipation capacity and deformation capacity, and experienced faster stiffness degradation and strength degradation. The decrease in energy dissipation and deformation capacity due to the decreasing shear span ratio was more serious when the axial load level was higher. However, SRHC short columns confined by multiple stirrups might possess good seismic behavior with enough deformation capacity (ultimate drift ratio ${\geq}2.5%$), even though a relative large axial load ratio (= 0.38) and relative small structural steel ratio (= 3.58%) were used, and were suitable to be used in tall buildings in earthquake regions.
A steel pile often utilized to bear heavy loads of the upper sub-structure, e. g., bridge constructions and tall buildings. As the steel piles are driven in the underground, it is not easy to detect the depth of the existing pile foundation when there is no detailed foundation information available. However, accurate informations of the depths of piles becomes critical required when reinforcing the existing structures or constructing new ones at the adjacent stage to assure the safety of existing structures. In this study, we tested the applicability of the three components borehole fluxgate magnetometer for detecting the depths and locations of steel piles which are commonly used in civil engineering. Results showed that the information of location as well as the depth of steel piles could be obtained by using data from the three components borehole fluxgate magnetometer.
Reyes-Salazar, Alfredo;Soto-Lopez, Manuel E.;Gaxiola-Camacho, Jose R.;Bojorquez, Eden;Lopez-Barraza, Arturo
Steel and Composite Structures
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v.17
no.4
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pp.471-495
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2014
The responses of steel buildings with perimeter moment resisting frames (PMRF) with medium size columns (W14) are estimated and compared with those of buildings with deep columns (W27), which are selected according to two criteria: equivalent resistance and equivalent weight. It is shown that buildings with W27 columns have no problems of lateral torsional, local or shear buckling in panel zone. Whether the response is larger for W14 or W27 columns, depends on the level of deformation, the response parameter and the structural modeling under consideration. Modeling buildings as two-dimensional structures result in an overestimation of the response. For multiple response parameters, the W14 columns produce larger responses for elastic behavior. The axial load on columns may be significantly larger for the buildings with W14 columns. The interstory displacements are always larger for W14 columns, particularly for equivalent weight and plane models, implying that using deep columns helps to reduce interstory displacements. This is particularly important for tall buildings where the design is usually controlled by the drift limit state. The interstory shears in interior gravity frames (GF) are significantly reduced when deep columns are used. This helps to counteract the no conservative effect that results in design practice, when lateral seismic loads are not considered in GF of steel buildings with PMRF. Thus, the behavior of steel buildings with deep columns, in general, may be superior to that of buildings with medium columns, using less weight and representing, therefore, a lower cost.
An integrated optimal structural design method for a diagrid structure and control device was developed. A multi-objective genetic algorithm was used and a 60-story diagrid building structure was developed as an example structure. Artificial wind and earthquake loads were generated to assess the wind-induced and seismic responses. A smart tuned mass damper (TMD) was used as a structural control system and an MR (magnetorheological) damper was employed to develop a smart TMD (STMD). The multi-objective genetic algorithm used five objectives including a reduction of the dynamic responses, additional stiffness and damping, mass of STMD, capacity of the MR damper for the integrated optimization of a diagrid structure and a STMD. From the proposed method, integrated optimal designs for the diagrid structure and STMD were obtained. The numerical simulation also showed that the STMD provided good control performance for reducing the wind-induced and seismic responses of a tall diagrid building structure.
In this study, the fire resistance performance of the concrete-filled steel tube (CFT) columns and thin steel-plate composite (TSC) beams installed at a 20-story office building were designed using a performance-based structural fire design. Because of the lack of any specific provisions in the building code and guidelines for structural engineers about the performance-based approach, the only prescriptive approach has been selected for designing fire-resistant structures in Korea. To evaluate the fire resistance performance of the CFT columns and TSC beams, finite element analysis verified by the experimental results studied by several researchers was conducted with ABAQUS. From the fire scenario, the temperature distributions of the CFT columns and TSC beams were found via finite element analysis and the behaviors of the CFT columns and TSC beams were investigated in the structural field based on the temperature distribution.
Wu, Xiangguo;Zhang, Xuesen;Zhang, Qingtan;Zhang, Dong;Yang, Xiaojing;Qiu, Faqiang;Park, Suhyun;Kang, Thomas H.K.
Steel and Composite Structures
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v.44
no.3
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pp.407-421
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2022
Prefabricated hybrid wind turbine towers (WTTs) are promising due to height increase. This study proposes the use of ultra-high performance concrete (UHPC) to develop a new type of WTT without the need to use reinforcement. It is demonstrated that the UHPC WTT structure without reinforcing bars could achieve performance similar to that of reinforced concrete WTTs. To simplify the design of WTT, a design approach for the calculation of stresses at the horizontal joints of a WTT is proposed. The stress distribution near the region of the horizontal joint of the WTT structure under normal operating conditions and different load actions is studied using the proposed approach, which is validated by the finite element method. A further parametric study shows that the degree of prestressing and the bending moment both significantly affect the principal stress. The shear-to-torsion ratio also shows a significant influence on the principal tensile stress.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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