Tall buildings under wind action usually oscillate simultaneously in the along-wind and across-wind directions as well as in torsional modes. While several procedures have been developed for predicting wind-induced loads and responses in along-wind direction, accurate analytical methods for estimating across-wind and torsional response have not been possible yet. Simplified empirical formulas for estimation of the across-wind dynamic responses of rectangular tall buildings are presented in this paper. Unlike established empirical formulas in codifications, the formulas proposed in this paper are developed based on simultaneous pressure measurements from a series of tall building models with various side and aspect ratios in a boundary layer wind tunnel. Comparisons of the across-wind responses determined by the proposed formulas and the results obtained from the wind tunnel tests as well as those estimated by two well-known wind loading codes are made to examine the applicability and accuracy of the proposed simplified formulas. It is shown through the comparisons that the proposed simplified formulas can be served as an alternative and useful tool for the design and analysis of wind effects on rectangular tall buildings.
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.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2002.10a
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pp.3-10
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2002
Recently, arches are used structurally because of their high in-plane stiffness and strength, which result from their ability to transmit most of the applied loading by axial forces actions, so that the bending actions are reduced. On the other hand, the resistances of arches to (out-of-plane,) flexural-torsional behavior depend on the rigidities EI/sub y/, for lateral bending, GJ for Uniform torsion, and EI/sub w/ for warping torsion which are related to axial stress for flexural-torsional behavior. The resistance of an arch to out-of-plane behavior may be reduced by its in-plane curvature, and so it may require significant lateral bracing. Thus. it is supposed that In-plane preloading which cause an axial stress, have an effect on out-of-plane free vibration behavior of arches. Because axial stresses caused increase or decrease out-of-plane stiffness. But study about this substance is insufficient. In this thesis, We will study an effect of preloading on lateral free vibration of arches, using finite element method based on Kang and Yoo's curved beam theory (about curved beam element have 7 degree of freedom including warping) with FORTRAN programming.
Wind tunnel tests and numerical aerodynamic analyses were conducted for an integrated catwalk structure under strong winds. From the wind tunnel tests, it is found that the aerodynamic coefficients were different from those of the typical type. The drag coefficient was larger than typical and was sensitive to number of vertical meshes installed rather than the solidity ratio. Comparing with typical catwalk, the integrated one showed larger deformation under strong wind, and the large torsional deformation are mainly caused by drag force. It did not show aerodynamic divergence even the torsional deformation reaching $20^{\circ}$. The reason could be that the stiffness is smaller and thus the catwalk is able to deform to the shape compactable with higher loading. Considering safety for construction, storm rope system is introduced to the catwalk to reduce the deformation to acceptable level.
Im, Seok Been;Cloudt, Harding C.;Fogle, Jeffrey A.;Hurlebaus, Stefan
Smart Structures and Systems
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v.12
no.3_4
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pp.427-440
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2013
A growing need has developed in the United States to obtain more specific knowledge on the structural integrity of infrastructure due to aging service lives, heavier and more frequent loading conditions, and durability issues. This need has spurred extensive research in the area of structural health monitoring over the past few decades. Several structural health monitoring techniques have been developed that are capable of locating damage in structures using modal strain energy of mode shapes. Typically in the past, bending strain energy has been used in these methods since it is a dominant vibrational mode in many structures and is easily measured. Additionally, there may be cases, such as pipes, shafts, or certain bridges, where structures exhibit significant torsional behavior as well. In this research, torsional strain energy is used to locate damage. The damage index method is used on two numerical models; a cantilevered steel pipe and a simply-supported steel plate girder bridge. Torsion damage indices are compared to bending damage indices to assess their effectiveness at locating damage. The torsion strain energy method is capable of accurately locating damage and providing additional valuable information to both of the structures' behaviors.
A method that determines the minimum stiffness of baracing to achieve non-sway buckling conditions at a given story level of a multi-column elastic frame is proposed. Condensed equations that evaluate the required minimum stiffness of the lateral and torsional bracing are derived using the classical stability functions. The proposed method is applicable to elastic framed structures with rigid, semirigid, and simple connections. It is shown that the minimum stiffness of the bracing required by a multi-column system depends on: 1) the plan layout of the columns; 2) the variation in height and cross sectional properties among the columns; 3) the applied axial load pattern on the columns; 4) the lack of symmetry in the loading pattern, column layout, column sizes and heights that cause torsion-sway and its effects on the flexural bucking capacity; and 5) the flexural and torsional end restrains of the columns. The proposed method is limited to elastic framed structures with columns of doubly symmetrical cross section with their principal axes parallel to the global axes. However, it can be applied to inelastic structures when the nonlinear behavior is concentrated at the end connections. The effects of axial deformations in beams and columns are neglected. Three examples are presented in detail to show the effectiveness of the proposed method.
Linfeng Lu;Songlin Ding;Yuzhou Liu;Zhaojia Chen;Zhongpeng Li
Steel and Composite Structures
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v.47
no.3
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pp.375-382
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2023
The H-shaped steel beam is popular due to its ease of manufacturing and connection to the column. This profile, which is used as a shallow beam, needs the high weak-axis bending stiffness and torsional stiffness to meet the overall stability. Achieving the local beam flange stability, bearing capacity, bending stiffness, and torsional requirements need a great thickness and width of the beam flange, which causes, which will cause more uneconomical structural design. So, the box-section beam is the ideal alternative. However, the current design specifications do not have design rules for the bolt-and-welded connection of the box-section beam and box-section column. The paper proposes a novel bolt-and-welded connection of the box-section beams and box-section columns based on a high-rise structural design scheme. Three connection models, BASE, WBF, and RBS, are analyzed under cyclic loading in ABAQUS software. The failure modes, hysteresis response, bearing capacity, ductility, plastic rotation angle, energy dissipation, and stiffness degradation of all models are determined and compared. Compared with the other two models, the model WBF exhibited excellent seismic performance, ductility, and plastic rotation ability. Finally, model WBF was chosen as the connection scheme used in the project design.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.14
no.4
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pp.741-749
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1994
The purpose of the present study is to propose a realistic method to analyze the prestressed concrete members subjected to long term torsional loading. The present study devises a method to realistically take into account the tensile stiffness of concrete after cracking. The effects of biaxial compressive and tensile loadings on the compressive and tensile strengths of concrete are also taken into account in the present model. The salient feature of the present study lies in the fact that the cracking, creep, and shrinkage behavior of concrete and the relaxation of steel have been realistically considered. The comparison of the present theory with experimental data indicates that the proposed model dipicts reasonably well the actual behavior of prestressed concrete members under long-term torsional loadings.
Kim Dong-Soo;Youn Jun-Ung;Lee Sei-Hyun;Choo Yun-Wook
Journal of the Korean Geotechnical Society
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v.21
no.10
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pp.17-25
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2005
The bender element method is an experimental technique to determine very small strain ($<10^{-3}\%$), elastic shear modulus of a soil, $G_{max}$ by measuring the velocity of shear wave propagation through a sample. Bender elements have been applied as versatile transducers to measure small strain modulus of wet or dry soils in various laboratory apparatus. In this paper, bender element (BE), resonant column (RC) and torsional shear (TS) tests were performed on Toyoura sand at various testing conditions using the modified Stokoe type RC/TS testing equipment capable of performing BE test. Based on the results, applicabilities of the testing method using bender element were evaluated by comparing the values of $G_{max}$ obtained from RC/TS and BE testing methods. For more dependable evaluation, the loading frequency of each testing method was considered for the results obtained for samples in saturated condition by adapting Biot's theory.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.8
no.2
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pp.125-133
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1988
To establish the rational design method, it is very important that predict accurately load-deformation response on reinforced concrete members. Torque-twist curves of reinforced concrete members in pure torsion were proposed recently by Collins and Hsu, etc. But, it is found that torsional strength of reinforced concrete members based on Hsu's theory is underestimated in the over-all load region except the ultimate state. In this paper, an attempt is made to present the higher-precision of torsional strength on arbitrary loading condition. For this purpose, constitutive equations are derived from which an estimate can be made of the torsional behavior of reinforced concrete members under the pure torsion. Tension stiffness of concrete in both the cracked and uncracked state have been considered. A softening effect that reduces the strength of the concrete by the diagonal cracking of concrete have been appropriately deliberated. Particularly, the experiments was done with 14 test beams to investigate the validity of theoretical analysis.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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