The shapes of slender skyscrapers are unfavourable for carrying horizontal loads. In this paper, we investigate the possibility of improving their structural behaviour by adding urban-scale networks of structural connections among the buildings. We focus on vibrations of skyscrapers in response to wind-induced vortex shedding. We develop a conceptual model of those structural networks composed of springs, dampers and point masses. The proposed model enables rapid numerical simulations involving large networks, which is not possible in the case of more detailed engineering models. The effect of connections, dilatation gaps, and network size are investigated for random collections of high-rise buildings, and triangular networks of horizontal bar connections among them. It is found that connections efficiently reduce vibrations in the network, especially for large network size. This study aims to be a first step towards uncovering the benefits of a novel form of urban development.
A karcsú felhőkarcolók alakja kedvezőtlen a rájuk ható vízszintes terhek viselése szempontjából. Munkánkban a szerkezeti viselkedés javítási lehetőségeit vizsgáljuk az épületeket összekötő szerkezeti kapcsolatok városi léptékű hálózata segítségével. Vizsgálatunk középpontjában a szél által kiváltott örvényleválás okozta szerkezeti rezgések állnak. A rendszert rugókból, csillapítóelemekből és tömegpontokból álló koncepcionális modell segítségével írjuk le. Ez a megközelítésmód lehetővé teszi nagy hálózatok gyors numerikus szimulációját, amely részletesebb mérnöki modellek esetében nem lehetséges. Véletlenszerűen generált épületcsoportok, és vízszintes rúdszerű kapcsolatokból kialakított háromszögelt hálózatok esetén vizsgáljuk a kapcsolatoknak, a bennük kialakított dilatációs hézagoknak és a hálózat méretének a hatását. Eredményeink azt mutatják, hogy a kapcsolatok jelentősen csökkentik a hálózat rezgéseit, különösen nagy hálózati méret esetén. A tanulmány célja, hogy kezdeti lépéseket tegyünk egy újszerű városfejlesztési modell előnyeinek feltárására.
Ali, Mir M. – Moon, Kyong Soon : Advances in Structural Systems for Tall Buildings: Emerging Developments for Contemporary Urban Giants. Buildings (2018) 8. 104.
Andalibi, Mohammed – Behnamfar, Farhad : An Approximate Method for Separated Spectral Analysis of Connected Buildings with Added Damping. The Structural Design of Tall and Special Buildings (2019) 28. e1614.
Banham, Reyner : Megastructure: Urban Futures of the Recent Past. Monacelli Press, New York 2020.
Caldi, Federico et al.: Evaluating the Modal Response of Linked Tall Buildings.. CTBUH Journal (2020). 34–41.
Chaurasiya, Surendra –Jamle, Sagar : Twin Tower High Rise Building Subjected to Seismic Loading: A Review. International Journal of Advanced Engineering Research and Science (2019) 6. 324–328.
Gabbai, Rene D.–Benaroya, Haym : An Overview of Modeling and Experiments of Vortex-Induced Vibration of Circular Cylinders. Journal of Sound and Vibration (2005) 282. 575–616.
Giosan, Ioan – Eng, P .: Vortex Shedding Induced Loads on Free Standing Structures, Structural Vortex Shedding Response Estimation Methodology and Finite Element Simulation. Available at: http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.582.3179&rep=rep1&type=pdf (Accessed 20 February 2021)
Goel, Rakesh K.–Chopra, Anil K .: Period Formulas for Moment-Resisting Frame Buildings. Journal of Structural Engineering (1997) 123. 1454–1461.
Günel, Mehmet Halis – Ilgın, Hüseyin Emre : Tall Buildings: Structural Systems and Aerodynamic Form. Routledge, London; New York 2014
He, Yun Cheng –Li, Qiusheng : Dynamic Responses of a 492-m-High Tall Building with Active Tuned Mass Damping System During a Typhoon. Structural Control and Health Monitoring (2014) 21. 705–720.
Huang, Kerson et al.: Influence of the Connection Stiffness on Seismic Response of the Double-Tower Connected Tall Buildings. Journal of Building Structures (2001) 3.
Irwin, Peter A .: Wind Engineering Challenges of the New Generation of Super-Tall Buildings. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics (2009) 97. 328–334.
Jiang, Baolong et al.: Design and Analysis of Connection Types for Ultra-High-Rise Twin-Tower Structure. NED University Journal of Research (2020) 3. 191–198.
Kalmár-Nagy, Tamás –Bak, Bendegúz Dezső : An Intriguing Analogy of Kolmogorov’s Scaling Law in a Hierarchical Mass–Spring–Damper Model. Nonlinear Dynamics (2019) 95. 3193–3203.
Luong, Andrew –Kwok, Michael : Finding Structural Solutions by Connecting Towers. CTBUH Journal (2012). 26–31.
McCall, Amy J.–Balling, Richard J .: Structural Analysis and Optimization of Tall Buildings Connected with Skybridges and Atria. Structural and Multidisciplinary Optimization (2017) 55. 583–600.
Santos, Monica Silva –Rodrigues, Eduardo Soares –de Oliveira, Paolo Murilo Castro . Spring–Mass Chains : Theoretical and Experimental Studies. American Journal of Physics (1990) 58. 923–928.
Satake, Naoki et al.: Damping Evaluation Using Full-Scale Data of Buildings in Japan. Journal of Structural Engineering (2003) 129. 470–477.
Sevtsuk, Andres –Mekonnen, Michael : Urban Network Analysis. Revue internationale de géomatique–n (2012) 22. 287–305.
Shampine, Lawrence F.–Reichelt, Mark W .: The Matlab Ode Suite. SIAM Journal on Scientific Computing (1997) 18. 1–22.
Thomson, William : Theory of Vibration with Applications. CrC Press, Boca Raton 2018.
Veselić, Krešimir : Damped Oscillations of Linear Systems: A Mathematical Introduction. Springer Science – Business Media, Berlin; Heidelberg 2011.
Wood, Antony –Safarik, Daniel : Skybridges: A History and a View to the Near Future. International Journal of High-Rise Buildings (2019) 8. 1–18.
Zhang, J. W.–Li, Q. S .: Mitigation of Wind-Induced Vibration of a 600 m High Skyscraper. International Journal of Structural Stability and Dynamics (2019) 19. 1950015.
Zheng, Chaorong : Experimental Investigation of Vortex-Induced Vibration of a Thousand-Meter-Scale Mega-Tall Building. Journal of Fluids and Structures (2019) 85. 94–109.