background image

 
 
 
 
 
 
 

ElŜbieta WDOWICKA

 1

 

Jacek WDOWICKI

 1

 

Tomasz BŁASZCZYŃSKI

 1

 

 
 

DYNAMIC BEHAVIOUR OF THE “SOUTH GATE” COMPLEX 

 
 

1.  Introduction 

 

The  paper  presents  results  of  the  seismic  analysis  of  the  tall  building,  designed 

originally in Poznań, which is stiffened by the system of coupled shear walls. This building 
is  called,  due  to  the  elevation  shape  and  its  location  in  the  city,  the  “South  Gate”.  It  is  a 
multifunctional office centre with the heliport on the top. The total height of the building is 
108.6 m. After multi-variant static analyses the possibility of seismic location of the designed 
structure was taken into account. Seismic analysis was carried out by means of the response 
spectrum technique using DAMB program, as part of an Integrated System (Wdowicki et al.
1995). The design spectrum for elastic analysis according to Eurocode 8 was used.  

 

2.  Model and theoretical background of analysis 

 
In the analysed building, lateral loads that arise as a result of winds and earthquakes are 

resisted  by  the  three-dimensional  system  of  coupled  shear  walls  (see  Fig.  1).  The  static 
analysis  was  carried  out  on  the  basis  of  some  variant  of  the  continuous  connection  method 
(Wdowicki  and  Wdowicka,  1993).  In  the  continuous  connection  method  lintel  beams  are 
treated  as  the  equivalent  shear  connection  medium  between  shear  walls,  while  the  walls  are 
simply regarded as vertical cantilevers. The technique may be used for both plane and spatial 
structures, which are essentially regular in form throughout the height.  

 

 

 

Fig. 1.  Floor layout of the South Gate 

                                                 

1

Assistant Professor, Institute of Structural Engineering, Poznan University of Technology, 

Poland 

background image

For  the  dynamic  analysis  it  is  convenient  to  use  a  hybrid  approach  based  on  the 

analysis of an equivalent continuous medium and a discrete lumped mass system (Aksogan 
et al., 2003, Li and Choo, 1996, Wdowicki et al., 1995). A dynamic model with masses in the 
form  of  rigid  floor  slabs  has  been  adopted  since  over  a  half  of  building  total  mass  is 
concentrated  on  the  floor  levels.  For  shear  wall  multi-storey  structure  it  is  more  natural  to 
determine  the  flexibility  matrix  D  than  stiffness  matrix  K.  The  vibration  of  a  structure  is 
described by the following relation : 

 

F

 

D

 

 x 

 

x

 

C

 

D

 

 

x

 

M

 

D

=

+

+

&

&

&

 

(1) 

 
where D, M and C are the flexibility, mass and damping matrices, respectively;  x is d-

element vector of generalised coordinates;  d  is the number of dynamic degrees of freedom 
of  the  analysed  structure;  and  F is d-element  vector  of  generalised  excitation  forces.  The 
flexibility  matrix  D  is  generated  from  the  exact  solution  of  the  governing  differential 
equation for 3D continuous model. Also mass matrix is generated exactly according to real 
distribution of walls, connecting beams and floor slabs and including flexural and torsional 
inertia. 

 The  seismic  response  of  the  structure  is  estimated  using  the  response  spectrum 

technique.  The involved steps are as follows:  

• 

determination of natural frequencies and mode shapes  

• 

evaluation  of  modal  participation  factors  and  calculation  of  modal  loading  on  the 
structure (using an appropriate design spectrum) 

• 

determination of response estimate taking into account the contribution from the given 
number of modes for various parameters of interest .  

 

3.  Results of the seismic analysis 

 

As  a  result  of  the  first  calculation  step  by  DAMB,  periods  and  corresponding  mode 

shapes have been received. The periods of the first 6 modes for the outer part of the building 
are summarized in Tab. 1. 

 

Tab. 1.  Natural periods of the left part of the building 

Mode number 

Natural period [s] 

Dominant direction 

3.56536 

first mode  N-S 

3.15713 

first mode  E-W 

1.54929 

first torsional mode 

0.69140 

second mode  N-S 

0. 50211 

second mode  E-W 

0.35925 

second torsional mode 

 
In  the  analysed  case  frequencies  of  two  first  translational  modes  are  closely  spaced. 

When the modal responses for different modes are coupled, according to Eurocode 8 more 
accurate  procedure  than  SRSS  method  for  the  combination  of  the  modal  maxima  will  be 
adopted. Our previous analysis serves as the basis of choosing the CQC method (Wilson 

et 

al.

,

 

1981). 

The  analysis  was  based  on  damage  limitation  state,  according  to  Eurocode  8  (PrEN 

1998-1:200X,  2003).  The  requirement  of  damage  limitation  for  buildings  having  non-

background image

structural elements of brittle materials attached to the structure is accomplished by Eurocode 
8, when interstorey drifts do not exceed values: 

 

h

d

r

005

.

0

ν

 

 

 
where  

h  

 is the storey height; 

v

  is the reduction factor to take into account the lower 

return period of the seismic event associated with the serviceability limit state; and 

d

r

 is the 

design interstorey drift, evaluated as the difference of the average lateral displacements at the 
top  and  bottom  of  the  storey  under  consideration  and  calculated  according  to  4.3.4  from 
Eurocode 8 . 

For the analysed building the importance category II according to Eurocode 8 may be 

assumed, for which the reduction factor  

ν

 = 0.4. Assuming that specific provisions for all 

structural elements shall be satisfied to provide the appropriate amount of ductility (see 5.4 – 
5.6  of  PrEN  1998-1:200X,  2003),  the  ductility  class  DCM  (medium  ductility)  has  been 
established. The corresponding value of behaviour factor 

q

 = 3.3 has been applied. In effect 

the following limit of maximum interstorey drift index has been obtained: 

 

%

379

.

0

4

.

0

3

.

3

005

.

0

0.005

 

=

=

ν

d

e

q

h

d

 

 

 
where  

d

e

 is the difference of lateral displacements at the top and bottom of the storey, 

determined by a linear analysis based on the design response spectrum. 

 
 

 

 

Fig. 2.  Horizontal displacements of shear wall structure 

in the left part of the building 

background image

In  the  analysis  the  design  spectrum  for  elastic  analysis  according  to  Eurocode 8  has 

been taken. The type 1 spectrum and subsoil class C  (S = 1.15, T

= 0.2, T

C

 = 0.6, T

D

 = 2.0)  

have  been  considered.  The  value  of  viscous  damping  ratio 

ξ

  =  5%  has  been  assumed. 

The analysis  has  been  carried  out  for  the  design  ground  acceleration    a

  =  2.5  m/s

2

    and 

seismic wave direction parallel to Y-axis (N-S). The results of the analysis carried out on the 
left  outer  part  of  the  building,  based  on  the  response  spectrum  technique,  are  shown  in 
Fig. 2.The obtained maximum value of interstorey drift was equal to  0.361 % < 0.379 % .  

 

4.  Conclusions 

 
In this study the seismic analysis of shear wall tall building has been carried out using a 

continuous-discrete  approach  and  the  response  spectrum  technique.  The  results  of  the 
analysis  indicate  that  the  analysed  building  having  sufficient  stiffness  against  lateral  loads 
arising from wind, meets requirements of Eurocode 8 in damage limitation state for values of 
design ground acceleration less than  2.5 m/s

.  

 

References 

 

AKSOGAN  O.,   ARSLAN  H.M.,   CHOO  B.S.,  Forced  vibration  analysis  of  stiffened 

coupled shear walls using continuous connection method. Engineering Structures, 
2003, Vol.25, no.4, pp. 499-506.  

LI  G.-Q.,  CHOO  B.S.,    A  continuous-discrete  approach  to  the  free  vibration  analysis  of 

stiffened pierced walls on flexible foundations. Int. J. Solids and Structures, 1996, 
Vol.33, no.2, pp. 249-263.  

PrEN  1998-1:200X:  Eurocode  8:  Design  of  structures  for  earthquake  resistance.  Part 1: 

General rules, seismic actions and rules for buildings. DRAFT No 6. Version for 
translation (Stage 49). January 2003. CEN, Bruxelles.  

WDOWICKI  J.,  WDOWICKA  E.,  System  of  programs  for  analysis  of  three-dimensional 

shear wall structures. The Structural Design of Tall Buildings, 1993, Vol.2, no.4, 
pp. 295- 305.  

WDOWICKI  J.,  WDOWICKA  E.,  BŁASZCZY

Ń

SKI  T.,  Integrated  system  for  analysis  of 

shear wall tall buildings. In: Proc. of the Fifth World Congress "Habitat and High- 
Rise:  Tradition  and  Innovation".
  Council  on  Tall  Buildings  and  Urban  Habitat, 
Amsterdam, pp. 1309-1324, 1995.  

WILSON E.L., DER KIUREGHIAN A., BAYO E.P., A replacement for the SRSS method 

in seismic analysis. Earth. Eng. & Struct. Dyn., 1981, Vol.9, pp. 187-194.  

 

Summary 

 

The tallest building designed in Pozna

ń

 (western part of Poland) is the case study. The 

analysed  building  is  a  multifunctional  office  centre  with  the  heliport  on  the  top,  called  the 
“South  Gate”.  The  main  structure  is  the  RC  slab  and  column  system  with  shear  walls  and 
cores.  After  many  static  analyses  the  seismic  analysis,  based  on  damage  limitation  state 
according to Eurocode 8, was made. The analysis, in which a continuous-discrete approach 
and  the  response  spectrum  technique  were  applied,  was  carried  out  by  means  of  DAMB 
program  as  part  of  an  Integrated  System.  The  allowable  design  ground  acceleration  was 
evaluated.