This paper presents the results of a set of wind tunnel tests carried out to examine wind-induced overall structural loads on rectangular medium-rise buildings. Emphasis was directed towards torsion and its correlation with peak shear forces in transverse and longitudinal directions. Two building models with the same horizontal dimensions but different gabled-roof angles ($0^{\circ}C$ and $45^{\circ}C$) were tested at different full-scale equivalent eave heights (20, 30, 40, 50, and 60 m) in open terrain exposure for all wind directions (every $15^{\circ}C$). Wind-induced pressures were integrated over building surfaces and results were obtained for along-wind force, across-wind force, and torsional moment. Maximum wind force component was given along with the other simultaneously-observed wind force components normalized by the overall peak. The study found that for flat-roofed buildings maximum torsion for winds in transverse direction is associated with 80% of the overall shear force perpendicular to the longer horizontal building dimension; and 45% of the maximum shear occurs perpendicular to the smaller horizontal building dimension. Comparison of the wind tunnel results with current torsion provisions in the American wind standard, the Canadian and European wind codes demonstrate significant discrepancies. Suggested load combination factors were introduced aiming at an adequate evaluation of wind load effects on rectangular medium-rise buildings.
This study aims to monitor the variation of modal frequencies of steel buildings during their construction sequence. In this respect, construction of a steel building is followed by vibration based measurements. The monitored building is a three-story educational building within a building group whose structural system consists of steel moment resisting steel frames and eccentric braces. Five different acceleration measurements in two perpendicular directions are taken on five different construction stages, starting from the erection of the columns and beams ending with the completion of the construction. The recorded measurements are transferred into frequency domain and the dominant frequencies for each case have been determined. The change in the dominant frequencies is evaluated with the existing construction stages and performed constructional works between the stages. The last measurement, performed on the building in service, revealed the first two dominant frequencies as mutual in X and Y direction, showing that these dynamic modes are torsional modes. This result is investigated by numerical analysis performed with finite element model of the building constructed for design purpose. Lower frequencies and different mode shapes are determined from numerical analysis. The reason of lower frequencies is discussed and the vibration survey is extended to determine the effects of an adjacent building. The results showed that the building is in strong relation with an adjoining building in spite of a designed construction joint.
The effects of vertical component of earthquakes on torsional amplification due to mass eccentricity in seismic responses of base-isolated structures subjected to near-field ground motions are studied in this paper. 3-, 6- and 9-story superstructures and aspect ratios of 1, 2 and 3 have been modeled as steel special moment frames mounted on Triple Concave Friction Pendulum (TCFP) bearings considering different period and damping ratios. Three-dimensional linear superstructures resting on nonlinear isolators are subjected to both 2 and 3 component near-field ground motions. Effects of mass eccentricity and vertical component of 25 near-field earthquakes on the seismic responses including maximum isolator displacement and base shear as well as peak superstructure acceleration are studied. The results indicate that the effect of vertical component on the responses of asymmetric structures, especially on the base shear is significant. Therefore, it can be claimed that in the absence of the vertical component, mass eccentricity has a little effect on the base shear increase. Additionally, the impact of this component on acceleration is remarkable so the roof acceleration of a nine-story structure has been increased 1.67 times, compared to the case that the structure is subjected to only horizontal components of earthquakes.
Interference effects in five square tall buildings arranged in an L- or T-shaped pattern are investigated in the wind tunnel. Mean and fluctuating shear forces, overturning moments and torsional moment are measured on each building with a force balance mounted at its base. Results are obtained at two values of clear separation between adjacent buildings, at half and a quarter building breadth. It is found that strong interference effect exists on all member buildings, resulting in significant modifications of wind loads as compared with the isolated single building case. Sheltering effect is observed on wind loads acting along the direction of an arm of the "L" or "T" on the inner buildings. However, increase in these wind loads from the isolated single building case is found on the most upwind edge building in the arm when wind blows at a slight oblique angle to the arm. The corner formed by two arms of buildings results in some wind catchment effect leading to increased wind pressure on windward building faces. Interesting interference phenomena such as negative drag force are reported. Interference effects on wind load fluctuations, load spectra and dynamic building responses are also studied and discussed.
The performance of an isolated horizontally curved continuous bridge with High Damping Rubber (HDR) Bearings has been investigated under seismic loading conditions. The effectiveness of response controls of the bridge by HDR bearings for various aspects viz. variation in ground motion characteristics, multi-directional effect, level of earthquake shaking, varying incidence angle, have been determined. Three recorded ground motions, representative of historical earthquakes along with near-field, far-field and forward directivity effects, have been considered in the study. The efficacy of the bearings with bidirectional effect considering interaction behavior of bearing and pier has also been investigated. Modeling and analysis of the bridge have been done by finite element approach. Sensitivity studies of the bridge response with respect to design parameters of the bearings for the considered ground motions have been performed. The importance of the nonlinearity of HDR bearings along with crucial design parameters has been identified. It has been observed that the HDR bearings performed well in different variations of ground motions, especially for controlling torsional moment. However, the deck displacement has been found to be increased significantly in case of Turkey ground motions, considering forward directivity effect, which needs to be paid more attention from designer point of view.
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.22
no.1
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pp.17-24
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2022
Currently, the construction trend of high-rise structures is changing from a cube-shaped box to a free-form. In the case of free-form structures, it is difficult to predict the behavior of the structure because it induces torsional deformation due to inclined columns and the eccentricity of the structure by the horizontal load. For this reason, it is essential to review the stability by considering the design variables at the design stage. In this paper, the position of the weak vertical member was analyzed by analyzing the behavior of the structure according to the change in the core position of the twisted high-rise structures. In the case of the shear wall, the shear force was found to be high in the order of proximity to the center of gravity of each floor of the structure. In the case of the column, the component force was generated by the axial force of the outermost beam, so the bending moment was concentrated on the inner column with no inclination.
Park, Chang Hee;Lee, Cheol Ho;Han, Kyu Hong;Kim, Jin Ho;Lee, Seung Eun;Ha, Tae Hyu;Kim, Jin Won
Journal of Korean Society of Steel Construction
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v.25
no.2
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pp.115-130
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2013
In this study, lateral-torsional buckling (LTB) strength of high-strength H-beams built up from 800MPa tensile-strength steel was experimentally and analytically evaluated according to current lateral stability provisions (KBC 2009, AISC-LRFD 2010). The motivation was to evaluate whether or not current LTB provisions, which were originally developed for ordinary steel with different stress-strain characteristics, are still applicable to high-strength steel. Two sets of compact-section specimens with relatively low (Set A) or high (Set B) warping stiffness were prepared and tested under uniform moment loading. Laterally unbraced lengths of the test specimens were controlled such that inelastic LTB could be induced. All specimens exhibited LTB strength exceeding the minimum limit required by current provisions by a sufficient margin. Moreover, some specimen in Set A reached a rotation capacity required for plastic design, although its laterally unbraced length belonged to the inelastic LTB range. All the test results indicated that extrapolation of current provisions to high-strength steel is conservative. In order to further analyze the test results, the relationship between inelastic moment and laterally unbraced length was also derived in explicit form for both ordinary- and high-strength steel based on the effective tangent modulus of inelastic section. The analytical relationship derived again showed that extrapolation of current laterally unbraced length limit leads to a conservative design in the case of high-strength steel and that the laterally unbraced length to control the inelastic LTB behavior of high-strength steel beam should be specified by including its unique post-yield strain-hardening characteristics.
The main objective of this paper is to analyze the rectangular stiffened plates with two opposite ends elastically restrained and the others simply supported subjected to in-plane bending by Finite Element Method. Another objective is to develope Classical Method analyzing the unstiffened rectangular plates with the above boundary conditions. In order to validate finite element and classical methods, the buckling strengths of the rectangular plates with four simply supported ends, and with two simply supported and the others fixed ends by finite element method and classical method are compared with those of references. In finite element method, elastically restrained ends can be obtained as considering torsional and warping rigidities of end stiffeners. The buckling strengths of the rectangular plates with elastically restrained ends by finite element and classical methods are calculated and compared with each other. In case of stiffened plates, to validate finite element method, the buckling strengths of the rectangular stiffened plates with four simply supported ends, and with two simply supported and the others fixed ends are also compared with those of references. The buckling strengths of the rectangular stiffened plates with elastically restrained ends by finite element method are calculated as solving eigenvalue problems which are obtained as assembling rectangular plate elements and beam elements considered torsional and warping rigidities. The buckling strengths of rectangular stiffened plates according to various positions of rectangular intermediate stiffener, J and I/sub w/ of end stiffeners are also obtained, which are compared to determine the efficient position of intermediate stiffener.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.28
no.1
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pp.1-11
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2024
The purpose of this paper is to suggest a method for applying a reasonable dam axial seismic load loading method and load-bearing capacity evaluation method in the dynamic analysis of the pier part of a concrete dam to which the seismic force of the collapse prevention level is applied. To this end, the pier part of a concrete dam was selected as a target facility, and the characteristics of the dynamic behavior in the axial direction of the weir dam were analyzed through dynamic analysis applying various weir widths, and 'U.S. The load-bearing capacity evaluation was performed by applying the RC hydraulic structure evaluation technique suggested by the Army Corps, 2007'. As a result of the study, when applying seismic force in the axial direction of the pier part, it is more realistic to assume that the axial direction of the weir part dam behaves as a rigid body and 'U.S. Army Corps, 2007' suggested that the method of reviewing the load-bearing capacity for moment and shear was considered reasonable, so it was concluded that improvement of the current evaluation method was necessary. If the improvement of the research result is applied, it will have the effect of deriving more reasonable evaluation results than the current seismic performance evaluation method using CLE. It is judged that additional research is needed in the future on the torsional moment occurring in the pier part.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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v.33
no.8
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pp.1152-1161
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2009
The power measurement of main propulsion system on the new vessels can be classified with the direct method acquired from the shaft's strain using strain gauge and the indirect method converted and summed from all of cylinders combustion pressure using mechanical or electrical pickup device during the sea trial. This power is fluctuated by external factors which was influenced by various sea motions with long time interval and by internal factors which was influenced by varying torques of torsional vibration and bending moment, due to mis-aligned shaft and whirling vibration with short time interval. In this paper, the statistical analysis method for the shaft power measurement and assessment using strain gauge in marine vessels are introduced. And these are identified by the low speed two stroke diesel engine model and four stroke medium speed diesel engine model including reduction gear.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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