180
MODERNIZING THE SYSTEM HIERARCHY FOR TALL BUILDINGS: A DATADRIVEN APPROACH TO SYSTEM CHARACTERIZATION A Thesis Submitted to the Graduate School of the University of Notre Dame in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Science in Civil Engineering by Sally Suzanne Williams Tracy KijewskiCorrea, Director Graduate Program in Civil Engineering and Geological Sciences Notre Dame, Indiana April 2014

Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

  • Upload
    others

  • View
    1

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

MODERNIZING THE SYSTEM HIERARCHY FOR TALL BUILDINGS: A DATA‐DRIVEN APPROACH TO 

SYSTEM CHARACTERIZATION 

A Thesis 

 

Submitted to the Graduate School  

of the University of Notre Dame 

in Partial Fulfillment of the Requirements 

for the Degree of 

 

Master of Science in Civil Engineering 

by 

Sally Suzanne Williams 

 

 

Tracy Kijewski‐Correa, Director  

 

Graduate Program in Civil Engineering and Geological Sciences 

Notre Dame, Indiana  

April 2014 

Page 2: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

 

 

© Copyright 2014 

Sally Suzanne Williams 

Page 3: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

MODERNIZING THE SYSTEM HIERARCHY FOR TALL BUILDINGS: A DATA‐DRIVEN APPROACH TO 

SYSTEM CHARACTERIZATION 

Abstract 

by 

Sally Suzanne Williams 

 

In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐

dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular systems, to aid designers in 

making efficient choices to resist lateral loads. While this hierarchy has historically been a 

valuable tool for designers, the ever‐advancing modeling and computational capabilities have 

enabled far more exotic structures to become inhabitable possibilities. This implies that few 

modern systems obey this classical hierarchy, requiring a new approach to classify structural 

systems and their applicability to modern practice as both a design aid and educational tool for 

future designers. Therefore, this thesis will respond to this need by modernizing the hierarchy, 

not from first principles or theory, but actually from practice by mining the attributes of 

constructed systems already in existence. The result of this thesis is a newly proposed system 

descriptor, a database structure and procedure to generate modern hierarchies that can be 

dynamically updated with time.  

Page 4: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  ii

CONTENTS 

Figures .............................................................................................................................................. v 

Tables ix 

Acknowledgments............................................................................................................................ x 

Chapter 1: Introduction ................................................................................................................... 1 

1.1 Motivation .................................................................................................................... 1 

1.2 Overview of Traditional System Classification .............................................................. 2 

1.2.1 Overview of Historical System Hierarchy...................................................... 3 

1.2.2 Limitations of Historical System Hierarchy ................................................... 5 

1.3 Need for Updated Hierarchy ......................................................................................... 7 

1.4 Parameterizing System Databases ................................................................................ 8 

1.5 Research Objectives .................................................................................................... 10 

Chapter 2: Formalizing A New Descriptor of System Behavior ..................................................... 12 

2.1 Historical DCA Measures ............................................................................................. 12 

2.2 iDCA Development ...................................................................................................... 15 

2.2.1 iDCA Calibration: Continuous Mode Shapes ............................................... 16 

2.2.2 iDCA Calibration: Discontinuous Mode Shapes .......................................... 19 

2.3 Demonstrative Example .............................................................................................. 31 

2.4 Summary ..................................................................................................................... 34 

Chapter 3: DCA Validation Through Case Studies .......................................................................... 36 

3.1 Introduction ................................................................................................................ 36 

3.2 Results ......................................................................................................................... 38 

3.2.1 CS1 Case Study ............................................................................................ 43 

3.2.2 CS2 Case Study ............................................................................................ 48 

3.2.3 CS3 Case Study ............................................................................................ 53 

Page 5: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  iii

3.2.4 CS4 Case Study ............................................................................................ 57 

3.2.5 CS5 Case Study ............................................................................................ 61 

3.2.6 CS6 Case Study ............................................................................................ 67 

3.2.7 CS7 Case Study ............................................................................................ 73 

3.2.8 CS8 Case Study ............................................................................................ 80 

3.2.9 CS9 Case Study ............................................................................................ 84 

3.2.10 CS10 Case Study ........................................................................................ 88 

3.3 Summary ..................................................................................................................... 92 

Chapter 4: Database Population and Mining ................................................................................. 96 

4.1 Introduction ................................................................................................................ 96 

4.2 Data‐Driven Hierarchy for Modern Systems ............................................................. 108 

4.2.1 Geometric Descriptors: Height ................................................................. 109 

4.2.2 Geometric Descriptors: Aspect Ratio ........................................................ 114 

4.2.3 Behavioral Descriptors: MS‐DCA .............................................................. 118 

4.2.4 Behavior Descriptors: iDCA ....................................................................... 121 

4.3 Modern System Hierarchies ...................................................................................... 127 

4.4 Summary ................................................................................................................... 131 

Chapter 5: Conclusions and Future Work .................................................................................... 133 

5.1 Research Summary ................................................................................................... 133 

5.2 DCA Development ..................................................................................................... 133 

5.2.1 iDCA Verification ....................................................................................... 134 

5.3 Database Population ................................................................................................. 134 

5.3.1 Modernized System Hierarchies ............................................................... 135 

5.4 Future Work .............................................................................................................. 136 

5.4.1 iDCA Refinement ....................................................................................... 136 

5.4.2 Database Expansion and Virtualization .................................................... 136 

Appendix A: iDCA Mapping .......................................................................................................... 138 

Appendix B: Supplementary Case Studies ................................................................................... 142 

B. 1 CS3 Case Study ......................................................................................................... 142 

Page 6: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  iv

B. 2 Central Plaza Case Study .......................................................................................... 145 

B. 3 CS4 Case Study ......................................................................................................... 151 

B. 4 John Hancock Tower Case Study ............................................................................. 154 

Bibliography ................................................................................................................................. 157 

 

Page 7: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  v

FIGURES 

Figure 1.1: Premium for height for high‐rise structures (Zils and Viise 2003). ................................ 2 

Figure 1.2: Khan’s hierarchal comparison of structural systems (CTBUH 1980). ............................ 3 

Figure 1.3: Steel, reinforced concrete and composite companions to Khan’s structural system hierarchy (Sarkisian 2011). ................................................................................................. 4 

Figure 1.4: Function of the 100 tallest buildings, per decade (CTBUH 2011). ................................. 6 

Figure 1.5: Breakdown of existing tall buildings by (a) region, (b) function and (c) material (CTBUH 2013). ..................................................................................................................... 6 

Figure 1.6: Story heights of existing buildings as a function of structural system type (CTBUH 2010). .................................................................................................................................. 8 

Figure 1.7: Damping as a function of DCA quantified by mode shape power (a) distinguished by material, (b) distinguished by system classification, (c) best‐fit linear trend by material, (d) best‐fit exponential (all points) (Williams et al. 2013). ................................................. 9 

Figure 2.1: Degree of reliability of DCA measures (Williams et al. 2013). ..................................... 12 

Figure 2.2: Mode shape power system classification (Bentz 2012). .............................................. 14 

Figure 2.3: Comparison of two distributions of extracted slopes used in iDCA: (a) ideal cantilever [target distribution] and (b) mode shape in question. ..................................................... 16 

Figure 2.4: Normalized mode shapes for Buildings (a) 1, (b) 2, (c) 3 for case of  = 2. ................. 17 

Figure 2.5: Examples of vertically discontinuous mode shapes for Building 2: C‐60 (left) and S‐60 (right) with cantilever and shear ideals as well as best‐fit power law. ............................ 20 

Figure 2.6: Normalized mode shape with outriggers circled for Buildings (a) 1, (b) 2, (c) 3, with shear and cantilever ideals as well as best‐fit power law provided for comparison. ....... 30 

Figure 2.7: Finite element models for the three MRFs with aspect ratios of (a) 1, (b) 5, and (c) 10.32 

Figure 2.8: Normalized mode shapes for the three MRFs with aspect ratios of (a) 1, (b) 5, and (c) 10, with ideal shear and cantilever mode shapes and best‐fit power law shown for comparison. ...................................................................................................................... 33 

Figure 3.1: Comparison of MS‐DCA (squares) and iDCA (stars) for case study buildings. ............. 39 

Page 8: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  vi

Figure 3.2: Example of graphical display used in building case studies (a) mode shape with power fit, (b) EMS‐DCA, and (c) DCA comparison. ........................................................................... 43 

Figure 3.3: CS1 first mode (a) mode shape with power fit, (b) EMS‐DCA, and (c) DCA comparison. . 46 

Figure 3.4: CS1 second mode (a) mode shape with power fit, (b) EMS‐DCA, and (c) DCA comparison.47 

Figure 3.5: Mode shape displacement with regards to axis assignment of the CS2. .................... 49 

Figure 3.6: CS2’s first mode (a) mode shape with power fit, (b) EMS‐DCA, and (c) DCA comparison.51 

Figure 3.7: CS2’s second mode (a) mode shape with power fit, (b) EMS‐DCA, and (c) DCA comparison. ...................................................................................................................... 52 

Figure 3.8: Axis assignment of the CS3 (Bentz 2012). .................................................................... 53 

Figure 3.9: CS3’s first mode (a) mode shape with power fit, (b) EMS‐DCA, and (c) DCA comparison.55 

Figure 3.10: CS3’s second mode (a) mode shape with power fit, (b) EMS‐DCA, and (c) DCA comparison. ...................................................................................................................... 56 

Figure 3.11: CS4’s first mode (a) mode shape with power fit, (b) EMS‐DCA, and (c) DCA comparison.59 

Figure 3.12: CS4’s first mode without the cap truss (a) mode shape with power fit, (b) EMS‐DCA, and (c) DCA comparison.................................................................................................... 60 

Figure 3.13: CS5’s modal directions (Bentz 2012). ........................................................................ 62 

Figure 3.14: CS5’s first mode (a) mode shape with power fit, (b) EMS‐DCA, and (c) DCA comparison.63 

Figure 3.15: CS5’s second mode (a) mode shape with power fit, (b) EMS‐DCA, and (c) DCA comparison. ...................................................................................................................... 64 

Figure 3.16: CS5’s first mode without space truss (a) mode shape with power fit, (b) EMS‐DCA, and (c) DCA comparison........................................................................................................... 65 

Figure 3.17: CS5’s second mode without space truss (a) mode shape with power fit, (b) EMS‐DCA, and (c) DCA comparison.................................................................................................... 66 

Figure 3.18: CS6’s general floor plans (CTBUH 1995). ................................................................... 67 

Figure 3.19: CS6’s first mode (a) mode shape with power fit, (b) EMS‐DCA, and (c) DCA comparison.69 

Figure 3.20: CS6’s second mode (a) mode shape with power fit, (b) EMS‐DCA, and (c) DCA comparison. ...................................................................................................................... 70 

Figure 3.21: CS6’s first mode without cap truss (a) mode shape with power fit, (b) EMS‐DCA, and (c) DCA comparison................................................................................................................ 71 

Page 9: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  vii

Figure 3.22: CS6’s second mode without cap truss (a) mode shape with power fit, (b) EMS‐DCA, and (c) DCA comparison........................................................................................................... 72 

Figure 3.23: General floor plan of CS7 (Courtesy of RWDI). .......................................................... 74 

Figure 3.24: CS7’s first mode (a) mode shape with power fit, (b) EMS‐DCA, and (c) DCA comparison.76 

Figure 3.25: CS7’s second mode (a) mode shape with power fit, (b) EMS‐DCA, and (c) DCA comparison. ...................................................................................................................... 77 

Figure 3.26: CS7’s first mode without pinnacle/spire (a) mode shape with power fit, (b) EMS‐DCA, and (c) DCA comparison.................................................................................................... 78 

Figure 3.27: CS7’s second mode without pinnacle/spire (a) mode shape with power fit, (b) EMS‐

DCA, and (c) DCA comparison. ............................................................................................ 79 

Figure 3.28: CS8’s general floor plan (Carden and Brownjohn 2008). ........................................... 80 

Figure 3.29: CS8’s first mode (a) mode shape with power fit, (b) EMS‐DCA, and (c) DCA comparison.82 

Figure 3.30: CS8’s second mode (a) mode shape with power fit, (b) EMS‐DCA, and (c) DCA comparison. ...................................................................................................................... 83 

Figure 3.31: CS9’s general floor plan (Abdelrazaq et al. 2004). ..................................................... 84 

Figure 3.32: CS9’s first mode (a) mode shape with power fit, (b) EMS‐DCA, and (c) DCA comparison.86 

Figure 3.33: CS9’s second mode (a) mode shape with power fit, (b) EMS‐DCA, and (c) DCA comparison. ...................................................................................................................... 87 

Figure 3.34: CS10’s general floor plan (Li and Wu 2004). .............................................................. 88 

Figure 3.35: CS10’s first mode (a) mode shape with power fit, (b) EMS‐DCA, and (c) DCA comparison. ...................................................................................................................... 90 

Figure 3.36: CS10’s second mode (a) mode shape with power fit, (b) EMS‐DCA, and (c) DCA comparison. ...................................................................................................................... 91 

Figure 3.37: Comparison of errors and system behavior for case study buildings. ....................... 95 

Figure 4.1: Relationship between height and structural system, distinguished by source fidelity.110 

Figure 4.2: Relationship between height and structural system, distinguished by material. ..... 111 

Figure 4.3: Relationship between aspect ratio and structural system, distinguished by source fidelity. ............................................................................................................................ 115 

Figure 4.4: Relationship between aspect ratio and structural system, distinguished by material.116 

Figure 4.5: Relationship between MS‐DCA and structural system, distinguished by material. .. 119 

Page 10: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  viii

Figure 4.6: Relationship between iDCA and structural system, distinguished by material. ........ 122 

Figure 4.7: Relationship between iDCA and structural system, distinguished by material (including Chapter 3 Case Studies). ................................................................................ 124 

Figure 4.8: Modernized hierarchy, parameterized by height. ..................................................... 128 

Figure 4.9: Modernized hierarchy parameterized by aspect ratio (slenderness). ....................... 129 

Figure 4.10: Modernized hierarchy parameterized by degree of cantilever action (iDCA). ........ 131 

Figure B.1: CS3’s first mode (a) mode shape with power fit, (b) EMS‐DCA, and (c) DCA comparison.143 

Figure B.2: CS3’s second mode (a) mode shape with power fit, (b) EMS‐DCA, and (c) DCA comparison. .................................................................................................................... 144 

Figure B.3:  Axis assignment of Central Plaza (Bentz 2012). ........................................................ 146 

Figure B.4: Central Plaza’s first mode (a) mode shape with power fit, (b) EMS‐DCA, and (c) DCA comparison. .................................................................................................................... 147 

Figure B.5: Central Plaza’s second mode (a) mode shape with power fit, (b) EMS‐DCA, and (c) DCA comparison. .................................................................................................................... 148 

Figure B.6: Central Plaza’s first mode without cap truss (a) mode shape with power fit, (b) EMS‐

DCA, and (c) DCA comparison. .......................................................................................... 149 

Figure B.7: Central Plaza’s second mode without cap truss (a) mode shape with power fit, (b) EMS‐DCA, and (c) DCA comparison. .................................................................................... 150 

Figure B.8:  CS4’s first mode (a) mode shape with power fit, (b) EMS‐DCA, and (c) DCA comparison.152 

Figure B.9:  CS4’s second mode (a) mode shape with power fit, (b) EMS‐DCA, and (c) DCA comparison. .................................................................................................................... 153 

Figure B.10:  John Hancock Tower’s general floor plan (Blanchet 2013). ................................... 154 

Figure B.11:  John Hancock Tower’s first mode (a) mode shape with power fit, (b) EMS‐DCA, and (c) DCA comparison.............................................................................................................. 155 

Figure B.12:  John Hancock Tower’s second mode (a) mode shape with power fit, (b) EMS‐DCA, and (c) DCA comparison......................................................................................................... 156 

 

Page 11: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  ix

TABLES 

Table 2.1 Comparison of iDCA Values for Vertically Continuous Systems .................................... 18 

Table 2.2 DCA Sensitivity to Vertical Discontinuity: Progression 1 ................................................ 22 

Table 2.3 DCA Sensitivity to Vertical Discontinuity: Progression 2 ................................................ 26 

Table 2.4  DCA Sensitivity to Vertical Discontinuity: Outriggers .................................................... 30 

Table 2.5  Application of DCAs to MRFs of Varying Aspect Ratio .................................................. 33 

Table 3.1 Key Characteristics of Case Study Buildings ................................................................... 37 

Table 3.2 iDCA and MS‐DCA for Fundamental Modes of Case Study Buildings ............................ 40 

Table 3.3 Comparison of iDCA and MS‐DCA for Case Study Buildings .......................................... 93 

Table 4.1 Buildings Used in Proposed Database with Sources for the Systems and Aspect Ratios Data ................................................................................................................................... 98 

Table 4.2 Verification of Google Earth Measurements with Published Aspect Ratios ................ 105 

Table 4.3 Numerical Identifier for Each System Type .................................................................. 106 

Table 4.4 Height as Geometric System Descriptor: Statistics by System Type ............................ 113 

Table 4.5 Aspect Ratio as Geometric System Descriptor: Statistics by System Type .................. 117 

Table 4.6 MS‐DCA as Behavioral System Descriptor: Statistics by System Type ......................... 119 

Table 4.7 iDCA as Behavioral System Descriptor: Statistics by System Type ............................... 122 

Table 4.8 System Classification of Chapter 3 Case Studies .......................................................... 124 

Table 4.9 MS‐DCA as Behavioral System Descriptor: Statistics by System Type (Including Chapter 3 Case Studies) ................................................................................................................ 126 

Table A.1 Look‐Up Table for MS‐DCA to iDCA Mapping .............................................................. 139 

Page 12: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  x

ACKNOWLEDGMENTS 

Firstly, thank you to my committee, Dr. Kareem, Dr. Khandelwal, and Dr. Kijewski‐Correa for 

their time and input regarding this research. I would like to gratefully acknowledge all the design 

firms who contributed to this work, Arup, Magnussen Klemencic Associates, Skidmore Owings 

and Merrill, and Thornton Tomasetti, as well as the undergraduate students who helped to 

acquire and organize data, specifically Cara Quigley, Tara Rabinek and Dylan Scarpato. Their 

assistance and contributions were instrumental in this work, as was the work of Audrey Bentz, a 

past DYNAMO member whose research laid the groundwork for this thesis. She has been 

wonderful, offering to assist and lend advice wherever needed and being a great mentor in 

general. 

  Furthermore, I would like to thank those in my Notre Dame community who have helped 

support me throughout the completion of this project: labmates Andrew Bartolini, Dustin Mix, 

and Tara Weigand, Dr. Alex Taflanidis, and fellow graduates Melissa Cheng and Nicholas 

Schappler. Their support, encouragement and excitement for my studies were essential at 

stressful times and wonderful in moments of success. My time in South Bend would not have 

been as great without them. 

  I cannot go without mentioning how wonderfully compassionate and reassuring my 

large family was during my graduate studies. It makes me rather emotional to think how my 

grandmother, parents, and siblings all supported me in their unique ways and I could not 

imagine going through the process to create this thesis without them. 

  Most importantly I would like to thank my advisor, Dr. Tracy Kijewski‐Correa. The first 

time we met, the passion and creativity she applies to the field of structural engineering was 

immediately apparent and intoxicating. All her long hours dedicated to my research and texts of 

excitement about its progress were more than appreciated. She is inspirational in so many ways 

and I owe her more thanks than I can properly translate to paper.  

  I am incredibly blessed to have all these diverse and generous people in my life including 

the many that brevity keeps me from stating specifically.

Page 13: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  1

CHAPTER 1:  INTRODUCTION 

1.1 Motivation 

In the case of low to mid‐rise buildings, the selection of structural system is often a trivial 

matter, complicated only when designing in zones of high seismicity, where restrictions and 

even incentives may drive more careful system choices. However, for high‐rise development, 

system choice, regardless of seismic design category, has significant implications that drive 

project economy and efficiency (Zils and Viise 2003). Even for elements of the gravity system, 

the cost of poor choices that fail to minimize floor‐to‐floor height are quickly compounded over 

20, 30 or even 100 stories. More importantly, inefficient lateral systems dramatically increase 

requisite member sizing through the so‐called “Premium for Height,” driving up not only project 

cost for the members themselves but also overall structural weight and demands on foundation 

systems. As evident in Figure 1.1, the amount of material increases linearly for the gravity 

system with building height. The same is not true of the lateral system, due the nonlinear 

increases in lateral loads with height. Thus there is a significant “Premium for Height” (Zils and 

Viise 2003).  It is for these reasons that in supertall buildings, structural system 

conceptualization is often regarded as an art, with principles whose demands far outshadow 

that required for low‐rise buildings (Halvorson 2008). Thus there is considerable interest in 

developing tools that can guide system selection. As such, the Council on Tall Buildings and 

Urban Habitat (CTBUH) has called for renewed research efforts to database tall buildings in 

conjunction with full‐scale monitoring to compare in‐situ behavior with predicted behaviors, 

with particular emphasis on “the design and performance of structural systems for complex tall 

building forms and geometries,” (Oldfield et al. 2014).   

 

Page 14: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  2

 

Figure 1.1: Premium for height for high‐rise structures (Zils and Viise 2003). 

1.2 Overview of Traditional System Classification 

Historically, “tall” buildings kept their gravity and lateral systems separate. Lateral systems were 

variations on moment resisting frames (MRFs), a so‐called two‐dimensional system that was 

well understood and allowed frames at individual column lines to be readily analyzed using 

approximate methods by hand. There was little need for system selection guidelines at this 

time, but by the 1960s, there was a paradigm shift in tall building systems toward three 

dimensional systems that engaged perimeter frames in both directions simultaneously to 

behave much like a hollow, thin‐walled cantilever beam. Many of the advancements in this era 

can be credited to Fazlur Khan of Skidmore, Owings and Merrill (SOM) in Chicago, who 

embraced emerging computational capabilities in the design of these new structural forms: 

“[Khan’s] design for the 100‐story, 1,127‐foot CS1 of 1965, put [the] ‘tube system’ to a 

spectacular test. Khan used computer analysis to determine exactly how a tube supported by 

columns in conjunction with giant cross‐braces would respond three‐dimensionally and 

dynamically to the forces of the wind” (Fenske 2013). By the time the World Trade Center, the 

CS1, and CS2 were completed (mid‐1970s), the possibilities for system typology had radically 

expanded, giving structural engineers newfound choices and analysis capabilities and freeing the 

Page 15: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  3

vision of architects to conceive forms that deviated significantly from the traditional rectangular 

plan supported by planar frames.  

1.2.1 Overview of Historical System Hierarchy 

Owing to his innovations in both system conceptualization as well as modeling, Khan is often 

regarded as the Father of Skyscrapers, who passed on to his descendants a means to navigate 

this new landscape in structural systems. His vision produced what is perhaps one of the most 

referenced conceptual design aids for tall building systems: the hierarchy in Figure 1.2. The 

hierarchy represented a spectrum of steel tall building systems from MRFs to tubular systems. 

For each class of system, Khan indicated a number of stories beyond which, based upon his 

experience, the system was no longer efficient and a transition to a new system typology was 

warranted (CTBUH 1995). Over the years, designers have modified and expanded this chart, 

including creating companion charts for concrete and composite structures (McNamara 2005; 

Sarkisian 2011; Taranath 1998; Taranath 2012; Zils and Viise 2003), though they have remained 

married to number of stories (a rough surrogate for height) for the chart’s parameterization (see 

Figure 1.3). Designers have utilized the hierarchy and its successors for decades as a rule of 

thumb, but also as an important educational tool to train young designers in the philosophy of 

system design.  

  

Figure 1.2: Khan’s hierarchal comparison of structural systems (CTBUH 1980). 

Page 16: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  4

 

Figure 1.3: Steel, reinforced concrete and composite companions to Khan’s structural system hierarchy (Sarkisian 2011). 

   

Page 17: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  5

1.2.2 Limitations of Historical System Hierarchy 

While these charts have been beneficial for designers in the past, the ever‐advancing modeling 

and computational capabilities available to designers as well as the free‐form architecture 

movement have necessitated many more exotic system typologies than the general classes 

encompassed by these hierarchies. These modern structures are in stark contrast to the 

homogeneous systems in Khan’s hierarchy, which are continuous vertically not due to a lack of 

imagination but to enable analysis by hand or simplified computer programs (McNamara 2005). 

Today’s computational freedom has given designers far greater liberty to employ mixed systems 

and entirely new classes of structural systems that yield even greater efficiency than Khan’s 

tubes, e.g., external diagrids which offer a more efficient use of material than trussed tubes 

(Tomasetti et al. 2013), as well as completely new classes like mega systems (superframes) and 

stayed/buttressed masts shown in the expanded hierarchies of Figure 1.3. 

The diversification of system typologies from Khan’s hierarchy has not only been facilitated by 

new computational capabilities but also by functional necessity due to shifts in tall building 

occupancy and locale, as structural form is now a “product of characteristics of the developing 

countries where these projects are located, cost, change in function, [and] increased 

performance [requirements] of structure at great height” (Wood 2013). Historically, office 

buildings have dominated the tallest 100 buildings, but as Figure 1.4 demonstrates, the last 

decade has witnessed a shift towards residential/mixed‐use/hotel developments, which now 

dominate the top 100 projects (Wood 2013) and are likely to continue to grow in demand due to 

growing trends in urbanization. Particularly for mixed‐use developments, which updated 

projections peg at approximately 30% of the tallest buildings presently (Figure 1.5‐b), different 

systems often need be employed, resulting in vertically discontinuous systems for which Khan’s 

hierarchy no longer applies. Moreover, tall buildings projects have migrated heavily overseas, 

see Figure 1.5‐a, with emphasis in Asia and the Middle East, where construction material 

availability and workforce skill set constraints have led to an overwhelming bias toward concrete 

and composite construction (Figure 1.5‐c). Thus the homogeneous steel systems within Khan’s 

hierarchy have limited capability of encapsulating modern tall buildings. 

Page 18: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  6

  

Figure 1.4: Function of the 100 tallest buildings, per decade (CTBUH 2011). 

 

 

Figure 1.5: Breakdown of existing tall buildings by (a) region, (b) function and (c) material (CTBUH 2013). 

Page 19: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  7

1.3 Need for Updated Hierarchy 

Figure 1.6 provides an excellent example of how modern practice has deviated from Khan’s 

hierarchy and more importantly why height or number of stories is not an effective 

parameterization for modern system typologies. Consider the outrigger system, previously 

deemed suitable by Khan only up to 60 stories, it has been proven effective for super tall towers 

due to the development of high‐strength concrete shear wall cores, making it one of the most 

popular systems (Tomasetti et al. 2013). Moreover, within a given height range in Figure 1.6, 

e.g., the 50‐60 story range previously defined as the regime of the interactive/outrigger system, 

there is now a myriad of systems that have been proven in practice to be effective in this height 

range. This is thanks to advances in material technology as well as improved understanding of 

structural behavior, modeling and analysis. While modern designers may have conceptually 

referred to Khan’s hierarchy when conceiving these systems, the final result has evolved as the 

result of heuristic assumptions coupled with repeated iterations of design concepts using 

computational models until target limit states were satisfied. This process has generated a great 

collective wisdom in the tall buildings community regarding how to conceive and design modern 

systems. That knowledge, however, has not been captured in such a way that it can be a 

reference for current designs and an educational resource for future designers. As such, not only 

is a new classification of structural system typologies warranted, one that captures the 

community’s collective wisdom in the same way Khan captured his own wisdom back in the 

1970s, but one that is capable of accommodating heterogeneous systems. In fact, as previously 

stated, CTBUH’s recent research needs report has specifically called for a tall buildings 

databasing effort. Therefore, this thesis will respond to this need by modernizing the 

hierarchy, not from first principles or theory, but actually from practice by mining the 

attributes of constructed systems already in existence. 

 

Page 20: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  8

  

Figure 1.6: Story heights of existing buildings as a function of structural system type (CTBUH 2010). 

1.4 Parameterizing System Databases 

As the previous section demonstrated, number of stories or height is no longer sufficient to 

parameterize modern structural systems. Thus the generation of a modern system hierarchy will 

also need to explore a more robust means to classify systems that are often vertically 

discontinuous.  By determining a more accurate means to describe and classify structural 

systems, not only can new system hierarchies be developed, which is the primary objective of 

this thesis, but such system descriptors can also be used in the development of empirical models 

critical for tall building design. For example, Bentz (2012) demonstrated that a more effective 

classifier of modern systems (other than height) could be used in the development of models to 

predict their dynamic properties. Specifically, her research proposed that the structure’s Degree 

of Cantilever Action (DCA) could be used to predict inherent damping levels, as shown in Figure 

1.7, as well as the degree of fidelity required in finite element modeling to achieve an accurate 

prediction of in‐situ periods. Both of these are of particular importance to designers of modern 

Page 21: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  9

tall buildings, known to be dynamically sensitive under the action of wind and for which 

accurate prediction of dynamic responses characterized by mass, stiffness, and damping 

becomes especially critical to ensuring that governing habitability states can be satisfied.  

This realization that height has limited utility in describing system behavior should not be 

surprising, as height is not truly what defines the system, but rather is the performance 

objective the system enables. In other words, a tube is not a tube due to the fact that its height 

is over 60 stories; it is a tube due to the unique lateral load path it engages and the degree of 

efficiency it achieves in that load transfer. One can view this efficiency as each system’s ability to 

approach the ideal cantilever behavior, hence motivating the DCA parameter first introduced by 

Bentz (2012). Based on these findings, it is worthwhile to further explore the concept of system 

behavior quantified by DCA for the description and subsequent parameterization of a modern 

tall building system database by evaluating various measures of cantilever action, as well as new 

measures that overcome identified limitations noted for mixed and discontinuous systems 

(Williams et al. 2013). Consequently, the primary objective of this research is to create a 

modernized hierarchy of structural systems with a sufficiently robust parameterization for 

system behavior derived from the DCA concept. 

 

  

Figure 1.7: Damping as a function of DCA quantified by mode shape power (a) distinguished by material, (b) distinguished by system classification, (c) best‐fit linear trend by material, (d) best‐fit 

exponential (all points) (Williams et al. 2013). 

Page 22: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  10

1.5 Research Objectives 

The creation of a modernized system hierarchy in this thesis has two major phases: 

determination of a robust system descriptor to parameterize the database and population and 

mining of the database. The former task will require the formalization of a new descriptor, and 

its evaluation against common descriptors used to parameterize system databases in the 

literature, e.g., height and aspect ratio as well as the DCAs proposed by Bentz (2012). The latter 

task will require the assembly of a database of actual building properties, in cooperation with 

engineers of record, and its parameterization by each descriptor (established and newly 

proposed) to identify clusters and trends, isolating for other variables including material, 

function and continent. This will allow the identification of the most appropriate database 

parameterization to reveal trends within modern system hierarchies and ultimately offer a 

guideline for future system selection that measures system behvaior and mines trends from 

structural practice as opposed to subjective opinion of designers (Sarkisian 2011; Taranath 1998; 

Taranath 2012). 

Accordingly, the primary objectives of this research are:  

1. Develop a robust descriptor suitable for heterogeneous systems that is 

simple to extract, i.e., requires little effort on the part of cooperating 

designers 

2. Validate the proposed descriptors against previous DCAs using case studies 

of existing tall buildings 

3.  Populate a comprehensive database of recently built tall buildings with 

diverse systems, including significant details that are publically available, as 

well as geometric (height, aspect ratio) and DCA descriptors explored in 

Objective 2 

4. Create a modern hierarchy of systems by mining the database assembled in 

Objective 3, revealing underlying trends that can guide future system 

selection. 

These objectives conveniently map to the subsequent chapters of this thesis:  

Page 23: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  11

1. Chapter 2 describes the conceptual development and verification of the 

new DCA measure (Objective 1)  

2. Chapter 3 provides detailed case studies comparing the newly proposed 

DCA against the historical DCA measure (Objective 2) 

3. Chapter 4 introduces and mines the assembled database using the various 

descriptors (Objectives 3 and 4) 

4. Chapter 5 concludes the thesis with a summary of major findings and 

discussion of future work. 

 

 

 

 

   

Page 24: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  12

CHAPTER 2:  FORMALIZING A NEW DESCRIPTOR OF SYSTEM BEHAVIOR 

2.1 Historical DCA Measures 

As discussed in Chapter 1, to effectively parameterize any database of structural systems, a 

robust descriptor of structural system behavior is required. Bentz (2012) first noted the 

limitations of historical descriptors, e.g., geometric descriptors, and instead introduced the 

concept of the degree of cantilever action (DCA) as an alternative means of classifying tall 

building systems for the purposes of predicting in‐situ dynamic properties. Previously, databases 

classified structures by primary construction material, then later by the fundamental period or 

height (Davenport and Hill‐Carroll 1986; Jeary 1986; Lagomarsino 1993; Satake et al. 2003). 

While geometric parameterizations like height or even aspect ratio may be effective for a 

collection of buildings with similar typologies, e.g., when comparing a collection of steel MRFs 

with similar details, Bentz (2012) found these parameters to be ineffective in facilitating 

comparisons across system classes. This was especially evident when moving into the range of 

structural systems espoused by modern tall buildings, which are often hybrids of the general 

system classes in Figure 1.2 and Figure 1.3. Thus while geometric characterizations of systems 

may be the easiest to generate, as they can be simply extracted from publically available data, 

they were found to be the lowest fidelity descriptor of structural systems (Williams et al. 2013), 

marking the starting point on a reliability progression visualized in Figure 2.1. 

 

  

Figure 2.1: Degree of reliability of DCA measures (Williams et al. 2013). 

As a result, Bentz (2012) went on to propose the DCA as a counter to geometric descriptors, 

deriving the DCA initially from the structure’s fundamental sway mode shapes. Mode shapes (ϕ) 

Page 25: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  13

are commonly fit by a power law expression that is a function of the height (z) to the total 

building height (H) ratio:  

)()( Hzz   (2.1) 

The mode shape power () was obtained by a least squares fit. By noting the correlation between the degree of cantilever behavior and the mode shape power, Bentz (2012) used the 

mode shape power to classify systems as axial‐ or shear‐dominated. This classification noted 

that buildings with fundamental sway mode shapes that obey a linear distribution with height 

(=1) can be classified as “shear buildings,” whose frame action is characterized by the local 

flexure of beams and columns as their primary (75‐80%) mechanism for lateral force transfer 

within the system (Taranath 1998). Similarly, “cantilever buildings” whose lateral load transfer is 

increasingly reliant on axial pathways will manifest a quadratic (=2) fundamental sway mode 

shape. Based on these bounding limits, Bentz (2012) proposed Figure 2.2 for structural system 

classification using mode shape powers as the descriptor. While Bentz (2012) classified 

interactive structures as producing a mode shape power between 1.25 and 1.5, this thesis has 

broadened that range to include DCAs of 1.25 to 1.75 to achieve symmetry in this subjective 

classification, with values above 1.75 being defined as pure cantilever or axial‐dominated 

structures. Owing to the fact that this descriptor did consider system behavior rather than 

geometry, it is considered to be more reliable, as visualized in the progression in Figure 2.1. 

   

Page 26: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  14

  

Figure 2.2: Mode shape power system classification (Bentz 2012). 

Unfortunately, this approach, which we will term MS‐DCA due to its reliance on a global mean‐

square (MS) fit, has some limitations in the case of mixed systems or systems with vertical 

discontinuities, e.g., outriggers and cap trusses, in which case the mode shapes are often not 

smooth, continuous curves that can be well described by Equation 2.1. Despite these limitations, 

the MS‐DCA was attractive since it did not require interrogation of the full finite element model 

(FEM) and only used an artifact from that model (fundamental sway mode shape) that is 

commonly published in building case studies.  

Noting the aforementioned limitations, Bentz (2012) went on to propose a DCA that was derived 

from first principles: a cumulative ratio of axial to shear forces within the FEM’s members. While 

one may argue this is a potentially more accurate assessment of the behavior (degree of axial 

engagement) within a system, its extraction proved to be quite cumbersome for large models, 

as it required inventorying forces in every member (Williams et al. 2013). Furthermore, while 

the extraction technique developed by Bentz (2012) was fairly straightforward for steel 

structures, the same techniques could not be extended easily to concrete structures. Even after 

successfully extracting these member forces from concrete elements, there was some question 

of how to appropriately normalize this DCA to allow cross‐comparisons between concrete and 

steel structures and how to minimize sensitivity to the number of members.  The increased 

challenge in extracting this DCA from concrete structures was particularly concerning 

considering that this is the prevailing material for modern tall buildings. Moreover, this DCA 

required interrogation of the original FEM. On one hand, while the research team would be 

willing to conduct this interrogation, to relieve the burden on busy engineering firms, it is 

unlikely that firms would be willing to share their FEMs. That then implies that the extraction 

would need to be executed by the design firms themselves, which was not desirable given the 

cumbersome nature of the extraction process, especially for concrete buildings. Still, it was 

Page 27: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  15

considered to be potentially the most reliable descriptor of cantilever action, as visualized in 

Figure 2.1.  

2.2 iDCA Development 

Clearly the MS‐DCA’s fidelity is questionable for systems with vertical discontinuities, since it is a 

global fit; however, using the mode shape to define the DCA measure is ideal since it would be 

more likely to be shared by design firms as it is commonly published and presented when a new 

building project is introduced. This low barrier to access makes a mode‐shape‐based DCA 

preferable. Therefore, in this thesis the fundamental sway mode shapes will be retained as the 

basis, though a more reliable means to quantify the DCA from this design artifact is required.  

Since the MS‐DCA used a best‐fit power law, it was unable to detect subtle modulations in the 

mode shapes associated with phenomena like shear lag1 and could be readily biased by sharp 

discontinuities in the system, rendering it incapable of fully capturing the system’s behavior. To 

correct this flaw, a new DCA measure, dubbed the integral DCA (iDCA), is now proposed. As 

opposed to a single parameter, global best‐fit, the iDCA compares the mode shape to an ideal 

cantilever mode shape using their slopes calculated at each floor. A number of measures were 

initially explored to quantify the degree of agreement between the extracted slopes of the 

mode shape in question and an ideal cantilever. As the process results in a probability 

distribution of the slope values, these evaluations included statistical measures like mean, 

median and mode as a simple basis for comparison between the distributions, as well as the 

probability distribution’s values at various percentiles. Unfortunately, these did not prove robust 

enough to capture the behavior, suffering from some of the same potentials for bias of other 

“global” measures such as the MS‐DCA. Instead, ways to compare the distribution of the mode 

shape’s slopes to the distribution of the cantilever’s slopes were explored. Ultimately, 

established methods to quantify the similarity between two probability distributions proved to 

be the most fruitful DCA basis, specifically relative entropy and the Hellinger distance.  

Relative entropy, or Kullback‐Leibler divergence, relies on the logarithmic difference of the two 

distributions, which becomes problematic when only one distribution is zero (Yamano 2009). 

The relative entropy, KL, is expressed in terms of ideal cantilever slope density, π(m), and mode 

shape slope density, ρ(m), where m is the vector of slopes:  

, ln    (2.2) 

This requires at least one distribution to be broader than the other, which could not be 

guaranteed. Thus this measure was deemed too unreliable. 

On the other hand, the Hellinger distance, DH, is again expressed in terms of ideal cantilever’s 

slope density, π(m), and mode shape in question’s slope density, ρ(m): 

                                                            

1 Shear lag (def): Axial forces in the perimeter columns are transferred by flexure of the beams. In this process, a “lag” in the force distribution is often witnessed due to the inefficiency of the beams in this transfer, thereby causing non‐uniform axial loading of the columns (Iyengar 2000). 

Page 28: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  16

,    (2.3) 

This measure is bounded, 0 , 1, resulting in zero if and only if ρ(m) and 

π(m) are identical and one if π(m) takes on zero values at every value that ρ(m) is greater than 

zero (Chen et al. 2005). This means, if the mode shape in question is an ideal cantilever, the 

Hellinger distance will result in a value of zero, and if the mode shape has ideal shear behavior, 

it will result in a value near one. However, from an intuitive perspective, a system that is 

cantilever‐dominated should have a large DCA value, thus the iDCA will be defined as:  

1 ,    (2.4) 

This equation results in theoretical iDCA values of one for ideal cantilever behavior and close to 

zero for ideal shear behaviors. Figure 2.3‐a shows an example of the distribution of the slopes 

extracted at each floor for the target mode shape: an ideal cantilever mode shape where 

 and an arbitrary mode shape in question (Figure 2.3‐b), which for this example is 

a vertically continuous mode shape with = 1.875 in Equation 2.1. From these visualizations, it 

is clear that the density of the slopes changes significantly even for a minor deviation in  that would still be classified as cantilever‐dominated. Therefore it is expected that this measure will 

be sensitive enough to discern even minor levels of shear lag. A quantitative assessment of this 

capability now follows.  

 

  

Figure 2.3: Comparison of two distributions of extracted slopes used in iDCA: (a) ideal cantilever [target distribution] and (b) mode shape in 

question. 

2.2.1 iDCA Calibration: Continuous Mode Shapes 

It is important to first verify the insensitivity of the iDCA to system geometry, e.g., height or 

floor‐to‐floor height, using vertically continuous systems. To do so, three representative 

“buildings” are proposed: 60‐story and 100‐story buildings with uniform floor‐to‐floor height of 

12 feet called Building 1 (B1) and Building 2 (B2), respectively, and a 100‐story building with 

varying floor‐to‐floor heights ranging from 12 to 16 feet called Building 3 (B3). The three 

building’s normalized mode shapes are shown in Figure 2.4 for the case of = 2, where the consequence of normalization, a standard practice, is evident: B1 has a coarser discretization, 

while B3 has a finer resolution near the base and between 0.65H and 0.75H. For each building, 

2)()( Hzz

Page 29: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  17

eight different mode shapes were generated by varying the powers in Equation 2.1 between 1 

and 2 in increments of 0.125. The resulting iDCA values are reported in Table 2.1, along with the 

average and coefficient of variation (CoV) of the iDCAs for each mode shape power and the 

ratios between the iDCAs for Building 1 to Building 2 and Building 3 to Building 2. For 

completeness, each simulated mode shape was best‐fit using the mean‐square approach from 

Bentz (2012); the  resulting from that process was identical to the  used to simulate the mode 

shape, as one may expect, showing that for ideal mode shapes, the process used to extract  and thus estimate MS‐DCA, introduces no additional bias.  

 

 

Figure 2.4: Normalized mode shapes for Buildings (a) 1, (b) 2, (c) 3 for 

case of  = 2. 

 

Page 30: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  18

 

 

TABLE 2.1 

COMPARISON OF iDCA VALUES FOR VERTICALLY CONTINUOUS SYSTEMS 

  Mode Shape Powers () 

  1  1.125  1.25 1.375 1.5 1.625 1.75  1.875  2

B1  0.1964  0.3133  0.4265 0.5099 0.5906 0.6589 0.6918  0.7038  0.9985

B2  0.1979  0.3136  0.4295 0.5296 0.6165 0.6767 0.7265  0.7651  0.9969

B3  0.1751  0.2958  0.3996 0.4953 0.5791 0.6503 0.6995  0.7341  0.9894

Avg.  0.1898  0.3076  0.4185 0.5116 0.5954 0.6620 0.7059  0.7343  0.9949

CoV  7%  3%  4% 3% 3% 2% 3%  4%  0%

B1/B2  99%  100%  99% 96% 96% 97% 95%  92%  100%

B3/B2  88%  94%  93% 94% 94% 96% 96%  96%  99%

Note: Classification used in this thesis: ≤1.25, shear building; 1.25<<����, interactive building (in bold); ≥1.75, cantilever building.

 

From Table 2.1, note first that for each case, the iDCA values for the ideal cantilever (=2) and ideal shear (=1) are as what are expected, approaching one and zero, respectively. The CoVs indicate that the iDCA is fairly insensitive to variations in building and floor‐to‐floor height in 

general, though some variation is expected. As such, the iDCA values for each Building in this 

table will be used to create a mapping with their “equivalent” mode shape power, ��so MS‐

DCA and iDCA results can be effectively compared in this chapter for each Building. To 

generalize this mapping, the average of the iDCAs for each mode shape power from Table 2.1 

were linearly interpolated to create a look‐up table that can be used to convert iDCA measures 

into their MS‐DCA equivalents. This is provided in Appendix A and will be especially important to 

compare the two DCAs for real buildings in Chapter 3.  

Isolating for the effect of differences in overall height and thus in the discretization of a 

normalized mode shape, the ratio of iDCAs for Buildings 1 and 2 shows that differences are less 

than 10% and are generally smaller for more shear‐type buildings, as one would expect since the 

Page 31: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  19

more linear a curve is, the coarser the discretization it can accommodate and still be accurately 

described. Next isolating for the effect of differences in floor‐to‐floor height and thus variable 

discretization, the ratio of the iDCAs for Buildings 3 and 2 shows greater sensitivity, with one 

instance of a difference exceeding 10% in the case of the pure shear building. While this larger 

difference may be surprising due to a shear building’s linear form being very insensitive to the 

coarseness of the discretization, it is important to keep in mind that each slope is being 

compared to the ideal cantilever discretized in the same manner. That being said, since Building 

3 has a finer discretization (0.008H vs. 0.01H) near the base, where the cantilever slopes are 

steep, B3 benefits from the higher discretization in this critical regime. Therefore, the slope 

distribution for the ideal cantilever, π(m) from Equation 2.3,  is greater at these large slope 

values  for B3 than the other two buildings. This effect is especially pronounced in the ideal 

shear case, where all the slope distributions tend to cluster near one. However, this effect 

diminishes with even the slightest introduction of nonlinearity to the mode shape and since 

perfect shear mode shapes are not expected in tall buildings, this effect is of little concern. Still, 

the B3 example helps to underscore the influence of the mode shape slopes at the base of the 

structure on the iDCA – an issue that will resurface especially in Chapter 3.  

2.2.2 iDCA Calibration: Discontinuous Mode Shapes 

The next verification will examine the iDCA’s robustness to vertical discontinuities. For this 

examination, the same three case study buildings are used, with different discontinuities 

introduced. The first will vary the mode shape between ideal cantilever (=2) and ideal shear (=1) along the height according to two progressions. In Progression 1 (P1), the mode shape 

evolves from cantilever to shear with height. In each P1 case, the percentage of the mode shape 

that is cantilever increases from 0 to 100% in increments of 10%. The notation C‐X indicates P1 

with only the bottom X% of the mode shape being an ideal cantilever, e.g., C‐40 would have the 

bottom 40% of the mode shape be an ideal cantilever and the remaining 60% at the upper 

elevations has an ideal shear behavior.  The limits of this progression (C‐0 and C‐100) would be a 

pure shear and pure cantilever mode shape, respectively. Progression 2 (P2) uses the same 

increments but with the opposite trend, moving from shear at the base toward cantilever with 

height. A similar notation is introduced, S‐X, indicating P2 with the bottom X% of the mode 

shape being ideal shear, e.g., S‐30 would have the bottom 30% of the mode shape be an ideal 

shear and the remaining 70% at the upper elevations has an ideal cantilever behavior. The limits 

of this progression (S‐0 and S‐100) would be a pure cantilever and pure shear mode shape, 

respectively. Examples of these two progressions are shown as the black line in Figure 2.5, along 

with the shear and cantilever ideal and the best‐fit of Equation 2.1 (red dashed line) to 

demonstrate the potential shortcomings of the MS‐DCA that is based upon it. Subsequent 

quantitative assessments will now consider both the iDCA and MS‐DCA extracted from these 

simulated mode shapes. To facilitate comparison, the iDCA values will also be mapped to their 

MS‐DCA equivalent using the unique mapping for each building listed in Table 2.1.  

   

Page 32: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  20

 

  

Figure 2.5: Examples of vertically discontinuous mode shapes for Building 2: C‐60 (left) and S‐60 (right) with cantilever and shear ideals as 

well as best‐fit power law. 

   

Page 33: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  21

The iDCA and MS‐DCA values for Progression 1 are shown in Table 2.2, along with their 

respective averages and coefficients of variation (CoV), as well as the ratios of the DCAs for 

Building 1 to Building 2 and Building 3 to Building 2. Similar to the vertically continuous cases, 

the CoVs for the iDCAs are all less than 10% for each case and generally show less variation as 

the cantilever degree increases, showing the robustness necessary to capture behaviors of even 

abruptly discontinuous systems. The MS‐DCA measures show even smaller CoVs (less than 1%), 

which may initially be perceived as a strength but instead reiterates its insensitivity to subtle 

variations, which actually will prove to be a determent later. To again isolate the effect of 

varying building height and thus mode shape discretization, the B1/B2 iDCA ratios are all within 

10%. The influence of non‐uniform story height (discretization) evidenced by the B3/B2 ratios 

shows slightly greater deviation for the vertically discontinuous systems than in the vertically 

continuous systems of Table 2.1, with differences as great as 15%; again showing greater 

sensitivity to story height irregularities in shear‐type buildings, for the same reasons articulated 

previously. On the other hand, the MS‐DCA shows no sensitivity to discretization, with all the 

ratios falling within 1%, again due its general lack of sensitivity to minor variations in the mode 

shapes as a global best‐fit measure. From Table 2.1, interactive systems, shown in bold, would 

encompass the cases where the cantilever portion is approximately the bottom quarter to three 

quarters of the mode shape.  

Page 34: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

 

TABLE 2.2 

DCA SENSITIVITY TO VERTICAL DISCONTINUITY: PROGRESSION 1 

  C‐0  C‐10  C‐20  C‐30  C‐40  C‐50  C‐60  C‐70  C‐80  C‐90  C‐100 

iDCA  

(MS‐DCA equivalent)B1  0.1964 

(1 0000)

0.2404  

(1 0470)

0.3287

(1 1420)

0.4269

(1 2506)

0.5151

(1 3831)

0.5296

(1 4055)

0.5747

(1 4754)

0.6390

(1 5886)

0.6824

(1 7143)

0.6911

(1 7473)

0.9985

(2 0000)B2  0.1979 

(1 0000)

0.2603 

(1 0674)

0.3538

(1 1684)

0.4651

(1 2945)

0.5553

(1 4120)

0.5705

(1 4338)

0.6168

(1 5006)

0.6820

(1 6383)

0.7179

(1 7284)

0.7549

(1 8420)

0.9965

(2 0000)B3  0.1751 

(1 0000)

0.2209 

(1 0474)

0.3151

(1 1482)

0.4308

(1 2908)

0.5307

(1 4278)

0.5536

(1 4620)

0.6132

(1 5599)

0.6558

(1 6390)

0.7176

(1 8154)

0.7378

(1 8768)

0.9894

(2 0000)Avg.  0.1898 

(1 0000)

0.2405 

(1 0538)

0.3325

(1 1531)

0.4409

(1 2801)

0.5337

(1 4080)

0.5512

(1 4341)

0.6016

(1 5116)

0.6589

(1 6192)

0.7089

(1 7632)

0.7250

(1 8341)

0.9948

(2 0000)CoV  7%  8%  6% 5% 4% 4% 4% 3% 2% 5% 0%

B1/B2  99%  92%  93% 92% 93% 93% 93% 94% 96% 90% 100%

B3/B2  88%  85%  89% 93% 96% 97% 99% 96% 100% 98% 99%

Note: Interactive systems (in bold) from Table 2.1 are: B1 = (0.5099, 0.6589), B2 = (0.5296, 0.6767), B3 = (0.4953, 0.6503), and Avg. = (0.5116, 0.6620). 

   

32 

Page 35: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

 

TABLE 2.2 (CONTINUED) 

 

  C‐0  C‐10  C‐20  C‐30  C‐40  C‐50  C‐60  C‐70  C‐80  C‐90  C‐100 

MS‐DCA 

B1  1.0000  1.8986  1.9878 1.9692 1.9446 1.9359 1.9431  1.9597 1.9786 1.9936 2.0000

B2  1.0000  1.9119  1.9919 1.9722 1.9482 1.9398 1.9466  1.9624 1.9802 1.9942 2.0000

B3  1.0000  1.8980  1.9985 1.9790 1.9517 1.9433 1.9526  1.9671 1.9822 1.9948 2.0000

Avg.  1.0000  1.9028  1.9927 1.9735 1.9482 1.9397 1.9474  1.9631 1.9803 1.9942 2.0000

CoV  0.0%  0.4%  0.3% 0.3% 0.2% 0.2% 0.2%  0.2% 0.1% 0.0% 0.0%

B1/B2  100.0%  99.3%  99.8% 99.8% 99.8% 99.8% 99.8%  99.9% 99.9% 100.0% 100.0%

B3/B2  100.0%  99.3%  100.3% 100.3% 100.2% 100.2% 100.3%  100.2% 100.1% 100.0% 100.0%

33 

Page 36: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  24

Now comparing the two DCAs, using the iDCA equivalents on the MS‐DCA scale shown in 

parentheses in Table 2.2, one will note the iDCA values range from shear‐dominated to 

interactive to cantilever‐dominated structures as expected when the cantilever proportion 

increases in the mode shapes. On the other hand, while the MS‐DCA perfectly identifies the 

ideal shear and ideal cantilever cases, every other assessment is consistently biased toward 

cantilever‐dominated in P1. Even in the C‐10 case, where the building is predominantly shear 

and only 10% cantilever, the MS‐DCA categorizes the system as highly cantilevered, revealing 

that the MS‐DCA is extremely biased by the base behavior in mixed systems. From this 

inability to capture the systemic discontinuity of a mode shape varying from cantilever to shear 

along its height, it is predicted that the MS‐DCA will similarly fail in capturing the mode shape 

behaviors in P2. 

The presentation in Table 2.2 is now repeated for P2 in Table 2.3. Again the iDCA CoVs are all 

less than 10% amongst the buildings for each case and, consistent with Pr1, show less variation 

as the cantilever degree increases (degree of shear decreases), reaffirming the robustness 

necessary to capture behaviors of even abruptly discontinuous systems, regardless of the 

progression. As observed in the previous progression, the MS‐DCA’s lack of sensitivity in general 

leads it to have exceptionally low CoVs, as well as comparable ratios for all buildings and all 

cases. This was not expected to vary with progression type. To again isolate the effect of varying 

discretization, the B1/B2 iDCA ratios are all within 10%, while the influence of non‐uniform 

discretization evidenced by the B3/B2 ratios is less dramatic than for Progression 1 and again 

shows greater sensitivity to story height irregularities for shear‐type buildings. Interactive 

systems, shown in bold, would approximately encompass the cases when the shear portion is 

the bottom fifth to half of the mode shapes (Table 2.3). Thus, when the mode initiates with 

shear behavior, it requires a slightly greater proportion of its overall mode shape to be 

cantilever in order to achieve an interactive classification.  Conversely, as predicted from P1, 

the MS‐DCAs are again strongly biased by the base behavior. The MS‐DCA correctly classifies the 

ideal shear (S‐100) and cantilever (S‐0) cases, as expected, but again the slightest introduction of 

linearity (S‐10) at the base, results in a near perfect shear building classification. A 10% and 90% 

shear building are essentially indistinguishable by the MS‐DCA. This bias toward the behavior of 

the structure at its base will prove to be a major liability for the MS‐DCA in some of the case 

studies in Chapter 3.  

It is important to understand that the implications of the iDCA’s sensitivity to progression, e.g., 

the mode shape that has its bottom 10% in shear (S‐10) does not have the identical iDCA as a 

system with the top 10% of its mode shape in shear (C‐90). This nuance is more marked for 

some cases. For instance, systems with 30% cantilever behavior are classified as interactive 

(although marginally) according to the mapping in Table 2.1 when the cantilever is at the base 

(C‐30) and classified as shear‐dominated when the  portion of the mode shape that is cantilever 

is at the top (S‐70). This reiterates the observation that the base system behavior tends to more 

strongly influence the classification of systems by iDCA. The rationale for this tendency stems 

from how the iDCA has been defined in this chapter. Recall that cantilevers have a defining 

characteristic of smaller deflections at the base than at the top. These small deflections result in 

comparatively higher‐valued slopes that are not found in the upper sections of the cantilever or 

in an idealized shear mode shape. Therefore, the iDCA will detect these missing quintessential 

Page 37: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  25

slopes of an ideal cantilever in the mode shape distribution and thus classify the mode shape as 

more shear‐dominated, even if it has strong cantilever tendencies at its upper floors. This point 

will become important to remember in the case studies in Chapter 3. These investigations 

reveal an important point: both DCAs are influenced by the behavior of the structure at the 

base; however, only the iDCA avoids complete biasing and retains the sensitivity to distinguish 

minor variations in the proportion of shear and cantilever action.  

Page 38: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

 

TABLE 2.3 

DCA SENSITIVITY TO VERTICAL DISCONTINUITY: PROGRESSION 2 

  S‐0  S‐10  S‐20  S‐30  S‐40  S‐50  S‐60  S‐70  S‐80  S‐90  S‐100 

iDCA 

(MS‐DCA) 

B1  0.9985 

(2.0000) 

0.6949 

(1.7823) 

0.6386

(1.5878)

0.5435

(1.4270)

0.4671

(1.3109)

0.4229

(1.2460)

0.4084

(1.2300)

0.3673

(1.1846)

0.3243

(1.1371)

0.2798

(1.0892)

0.1964

(1.0000)

B2 

0.9965 

(2.0000) 

0.7597 

(1.8575) 

0.6329

(1.5341)

0.5416

(1.3923)

0.4657

(1.2952)

0.4216

(1.2415)

0.4069

(1.2256)

0.3656

(1.1811)

0.3223

(1.1344)

0.2790

(1.0876)

0.1979

(1.0000)

B3 

0.9894 

(2.0000) 

0.7302 

(1.8609) 

0.6101

(1.5544)

0.5124

(1.4005)

0.4367

(1.2985)

0.3963

(1.2460)

0.3785

(1.2246)

0.3429

(1.1817)

0.3024

(1.1329)

0.2592

(1.0871)

0.1751

(1.0000)

Avg. 0.9948 

(2.0000) 

0.7283 

(1.8486) 

0.6272

(1.5597)

0.5325

(1.4062)

0.4565

(1.3010)

0.4136

(1.2445)

0.3979

(1.2268)

0.3586

(1.1825)

0.3163

(1.1348)

0.2727

(1.0880)

0.1898

(1.0000)

CoV  0%  4%  2% 3% 4% 4% 4% 4% 4% 4% 7%

B1/B2  100%  91%  101% 100% 100% 100% 100% 100% 101% 100% 99%

B3/B2  99%  96%  96% 95% 94% 94% 93% 94% 94% 93% 88%

Note: Interactive systems (in bold) from Table 2.1 are: B1 = (0.5099, 0.6589), B2 = (0.5296, 0.6767), B3 = (0.4953, 0.6503), and Avg. = (0.5116, 0.6620). 

37 

Page 39: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

 

   

Page 40: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

 

 

TABLE 2.3 (CONTINUED) 

  S‐0  S‐10  S‐20  S‐30  S‐40  S‐50  S‐60  S‐70  S‐80  S‐90  S‐100 

MS‐DCA 

B1  2.0000  1.0140  1.0043 1.0257 1.0416 1.0468 1.0424 1.0316 1.0180 1.0059 1.0000

B2  2.0000  1.0082  1.0021 1.0234 1.0389 1.0439 1.0397 1.0294 1.0165 1.0053 1.0000

B3  2.0000  1.0068  0.9937 1.0185 1.0362 1.0413 1.0355 1.0259 1.0149 1.0047 1.0000

Avg.  2.0000  1.0097  1.0000 1.0225 1.0389 1.0440 1.0392 1.0290 1.0165 1.0053 1.0000

CoV  0.0%  0.4%  0.6% 0.4% 0.3% 0.3% 0.3% 0.3% 0.2% 0.1% 0.0%

B1/B2  100.0%  100.6%  100.2% 100.2% 100.3% 100.3% 100.3% 100.2% 100.1% 100.1% 100.0%

B3/B2  100.0%  99.9%  99.2% 99.5% 99.7% 99.8% 99.6% 99.7% 99.8% 99.9% 100.0%

38 

Page 41: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  29

While the previous scenario represents one kind of vertical discontinuity, one that we will 

characterize as a systemic discontinuity, which may be observed in mixed systems with changes 

in occupancy or floor plan with height, another common discontinuity in mode shapes is caused 

by the outrigger, which was introduced in Chapter 1 as one of the most popular modern 

structural systems. Outriggers cause a vertical jump in the mode shape. To examine this effect, 

each of the three buildings defined previously had its mode shape simulated by Equation 2.1 for 

a power of =2 (perfect cantilever) with the added feature of two vertical jumps in the mode 

shape beginning at 0.2H and 0.6H. While these placements are not considered optimal by 

outrigger theory, they were selected to maximize the effect on the slopes at both the lower and 

upper halves of the mode shape. Because of the differences in building and floor‐to‐floor height, 

these outriggers constitute varying percentages of the total height of Buildings 1, 2 and 3: 6.7%, 

6%, 6.5%, respectively. The three simulated mode shapes are shown in Figure 2.6 with the 

vertical segment representing the outrigger circled. The cantilever and shear ideals as well as 

the best‐fit power law used as the basis of the MS‐DCA are provided for additional illustration. 

The results in Table 2.4 show again show relative consistency for the three building cases, with a 

CoV of only 5% for iDCA and under 0.5% for MS‐DCA, with the cause of this lower variability 

again explained previously. The slight differences that are noted do follow a discernable trend: 

the larger the percentage of the height occupied by outriggers, the less cantilever the iDCA 

value. This confirms the degree of sensitivity of the iDCA, which can detect subtle differences 

among similar systems. Comparatively, the MS‐DCA does vary for each of the three cases, 

indicating it is affected by the relative proportion of outrigger height in the mode shape; 

however, it shows no clear trend. According to the mapping in Table 2.1, used to report the 

mapped iDCAs in parentheses, both DCAs would essentially classify the structure as cantilever‐

dominated2. Recall the mode shape was simulated to be a perfect cantilever and thus the 

outriggers will be expected to reduce the iDCA and MS‐DCA from 1 and 2, respectively; 

however, when viewing the mapped iDCA values, it is clear that the effect of the outriggers is 

more strongly detected by this measure, though showing some sensitivity to the discretization 

of the mode shape embodied by the three different buildings. The rationale for the iDCA 

“penalizing” for the effect of the outriggers more than MS‐DCA can be observed from Figure 2.6. 

The red dashed line shows the MS‐DCA best fit and its near perfect alignment with the 

cantilever ideal (solid blue line). The actual mode shape (solid black line) is visibly displaced from 

these curves; therefore, suggesting an inconsistent behavior that the iDCA captures through a 

measure that is more markedly reduced from the cantilever ideal. We will consider this type of 

discontinuity a progressive discontinuity because the behavior of the system remains the same 

both before and after the outriggers and the discontinuity repeats over the height. While this 

specific discontinuity (outrigger) affects local behavior, the global behavior is only mildly altered, 

and this can be clearly discerned in Table 2.4. This demonstrates an important observation: 

when discontinuities only mildly distort the mode shape, while preserving a consistent overall 

behavior, the MS‐DCA maintains the ability to accurately classify the system, as will be 

confirmed in certain case studies in Chapter 3.  

                                                            

2 Note B1 is marginally interactive according to iDCA. 

Page 42: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  30

  

Figure 2.6: Normalized mode shape with outriggers circled for Buildings (a) 1, (b) 2, (c) 3, with shear and cantilever ideals as well as best‐fit 

power law provided for comparison. 

 

TABLE 2.4 

 DCA SENSITIVITY TO VERTICAL DISCONTINUITY: OUTRIGGERS 

Page 43: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  31

  B1  B2  B3  Avg.  CoV  B1/B2  B3/B2 

iDCA 

 

0.6908 

(1.7462) 

0.7545

(1.8407)

0.7379

(1.8769)

0.7277

(1.8460)5%  92%  98%

MS‐DCA  1.9419  1.9515 1.9590 1.9508 0.4%  99.5%  100.4%

Note: iDCA mapped to MS‐DCA equivalent shown in parenthesis. 

 

2.3 Demonstrative Example 

Having established the performance of the two DCAs on mode shapes simulated using the 

idealized expression in Equation 2.1, it is now pertinent to demonstrate their application to 

mode shapes extracted from FEMs. To do so, three two‐dimensional steel MRFs with fully rigid 

boundary conditions were created in SAP 2000. The MRFs had 3 bays, spaced 14 feet on center 

and a story‐to‐story height of 14 feet.  Floors were then simply replicated to achieve target 

aspect ratios (H/B) of 1, 5, and 10, consistent with those used in Bentz (2012) for her FEM DCA 

study. The three MRFs are shown in Figure 2.7. It is of course acknowledged that MRFs are often 

optimized to increase member sizing in the lower floors, where inter‐story shears are high; 

however, to facilitate an objective comparison, member sizes were kept uniform, regardless of 

the elevation. As such, the absolute behaviors will lack practicality; however, the focus herein is 

on relative behavior and more practical applications will follow in Chapter 3. As MRFs manifest 

high degrees of frame racking due to reliance on bending of beams and columns as their primary 

means of transferring lateral loads, these frames are expected to be classified as shear‐

dominated with a slight increase in cantilever action simply due to their increasing aspect ratio. 

The mode shapes from these FEMs are portrayed in Figure 2.8, alongside the shear and 

cantilever ideals as well as the best‐fit power law used in MS‐DCA. Note the influence of 

discretization apparent as the aspect ratio increases, as well as the exaggerations in the lower 

aspect ratio mode shape that are simply a consequence of the standard normalization 

procedure required in Equation 2.1, as well as the impracticalities of the simple MRF case study 

used. The iDCAs and MS‐DCAs found for each mode shape are reported in Table 2.5. iDCAs 

mapped to their MS‐DCA equivalents according to Appendix A are also provided, though H/D=1 

could not be mapped since it falls just outside the range of this look‐up tool. For both DCAs, the 

degree of cantilever action increases, as expected, with aspect ratio. Looking at the mapped 

iDCA values, it is clear that the higher aspect ratio buildings are classified as having increasingly 

cantilevered behavior, as one may expect. The MS‐DCA, due to the lack of continuity in the 

mode shape, has difficulty in classifying these mode shapes. In all cases, it is “sub‐shear” in its 

classification ( < 1). This underscores how actual mode shapes from a FEM can fail to behave in 

a smooth and continuous fashion and as a result pose challenges for the MS‐DCA in subsequent 

classification, challenges that will now become more apparent in Chapter 3. 

Page 44: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  32

 

Figure 2.7: Finite element models for the three MRFs with aspect ratios of (a) 1, (b) 5, and (c) 10. 

Page 45: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  33

  

Figure 2.8: Normalized mode shapes for the three MRFs with aspect ratios of (a) 1, (b) 5, and (c) 10, with ideal shear and cantilever mode 

shapes and best‐fit power law shown for comparison. 

TABLE 2.5 

 APPLICATION OF DCAs TO MRFs OF VARYING ASPECT RATIO 

Page 46: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  34

   H/B = 1 H/B = 5 H/B = 10

iDCA 

0.1176

(<1.0000)

0.3803

(1.2069)

0.4005

(1.2297)

MS‐DCA  0.3843 0.6447 0.8602

Notes: iDCA mapped to MS‐DCA equivalent using Appendix A shown in parenthesis. H/B=1 could not be fully mapped as it falls outside the range of the mapping. 

 

2.4 Summary 

This chapter overviewed various DCA measures, discussing their pros and cons. Specifically, 

while a DCA measure quantifying the actual distribution of axial and shear forces in members 

would have a higher fidelity, the extraction process can be cumbersome and requires access to 

the full‐finite element model. Basing DCAs on mode shape offers a reasonable compromise 

since mode shapes are sometimes publically available and if not, have a lower barrier to access 

than the full FEMs themselves. To overcome the limitations of the previously proposed mean‐

square DCA (MS‐DCA), the author presented a new DCA measure called the integral DCA (iDCA), 

which seeks the similitude between the distributions of the floor‐by floor slope of the mode 

shape in question and that of an ideal cantilever using the Hellinger distance.  By seeking a more 

localized measure, this DCA can capture both abrupt and subtle discontinuities in mode shape 

that previously could not be resolved by the MS‐DCA. 

The robustness of the iDCA measure was tested against smooth, continuous mode shapes for 

three case study buildings to explore sensitivity to mode shape resolution as well as the 

simulated degree of cantilever action. This also allowed for the creation of a mapping between 

the MS‐DCA and iDCA in Appendix A, which will benefit the further comparison of these DCAs in 

Chapter 3. In this, as well as explorations of vertical discontinuities with various progressions, 

the iDCA proved slightly more sensitive than the MS‐DCA to variations in mode shape 

discretization. Interestingly, when exploring the influence of progression, it was found that the 

base behavior will generally influence the overall classification by iDCA; when the mode shape 

initiates with shear behavior, it requires a slightly greater proportion of the overall mode shape 

to be cantilever in order to achieve an interactive classification. Conversely, the MS‐DCA’s 

insensitivity to discretization actually was evidence of its overall insensitivity to subtle changes 

in mode shapes, leading to a significant bias that misclassified interactive systems. Regardless of 

progression or the proportion of a given behavior at the base, the MS‐DCA immediately biased 

itself toward the behavior at the base. Thus, while both DCAs were influenced by the behavior 

of the structure at the base, only the iDCA avoids complete biasing and retains the sensitivity to 

distinguish minor variations in the proportion of shear and cantilever action within similar 

systems.  Only when the mode shape was completely continuous or when discontinuities were 

mild (discrete outriggers) and preserved a consistent overall behavior (so called “progressive 

discontinuities”), could the MS‐DCA maintain the ability to accurately classify the system. 

Unfortunately, these limitations became even more pronounced when the DCAs were used with 

Page 47: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  35

mode shapes extracted from FEMs of MRFs with varying aspect ratios. These findings verify that 

only the iDCA was robust enough to consistently classify systems with vertical discontinuities 

and even sensitive enough to quantify the relative degree of cantilever action created by those 

discontinuities. 

Thus the outcome of this chapter satisfies the requirement of Objective 1: develop a robust 

descriptor suitable for heterogeneous systems that is simple to extract, i.e., requires little effort 

on the part of cooperating designers. In the subsequent chapter, the iDCA will be applied to 

mode shapes from existing tall buildings to allow a comparison with the MS‐DCA to further 

explore its ability to classify modern tall buildings, in support of Objective 2.  

   

Page 48: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  36

CHAPTER 3:  DCA VALIDATION THROUGH CASE STUDIES 

3.1 Introduction 

In order to evaluate the performance of two potential system descriptors, the proposed integral 

Degree of Cantilever Action (iDCA) introduced in Chapter 2 will be further validated against the 

Mean‐Square Degree of Cantilever Action (MS‐DCA) in this chapter using a series of Case Study 

Tall Buildings. For each of the buildings, mode shapes in this chapter came from one of two 

sources: (1) directly from the designer’s full finite element model or lumped mass model used 

for wind tunnel testing or (2) digitized from figures published in the literature (outputs from 

finite element or lumped mass models, in some cases calibrated against full‐scale 

observations)3. The software package UN‐SCAN‐IT was used to digitize the published mode 

shapes, cautioning that this process is limited by the size and resolution of the image and does 

not output points at the actual story elevations but rather at a finer resolution automatically 

selected by the software. The digitized curves were manually corrected for this over‐digitization 

to yield one mode shape value per floor. For a number of the buildings in this chapter, as well as 

others not included, the mode shapes derived from in‐house finite element models were also 

considered. These were constructed using only publically available details and traditional 

assumptions as described in Bentz (2012). Because of questionable mode shape curvatures, 

these ultimately were not considered reliable, though their analysis is included in this thesis’s 

Appendix B for completeness. All buildings included in this chapter are discussed using the 

language of their designers, specifically when discussing system features. This vernacular will 

later be unified in Chapter 4 based on the results of the databasing efforts. Table 3.1 

summarizes the buildings utilized and the sources of the mode shapes for each. This table also 

presents the primary material and heuristic classification of the system. There are four primary 

heuristic classifications for discontinuities used in this chapter:  

1. Intermittent: where structural features that cause pronounced modulations in 

the mode shape recur over the height 

2. Progressive:  where structural features  “reset” the mode shape, yet the 

behavior before and after this feature is relatively unchanged 

3. Continuous: where there are no distinct structural features that cause 

discontinuities, resulting in a smooth, continuous mode shape 

                                                            

3 For CS5, published mode shapes used a rendering of the full FEM that proved too difficult to accurately digitize. However, the output of the in‐house finite element model was compared to these published mode shapes and was found to agree well and thus was used as the surrogate for the digitized mode shape from the literature.  

Page 49: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  37

4. Systemic: where the building employs at least two distinct structural systems 

with a sharp transition somewhere along the height.  

These heuristic classifications will be helpful in discerning the situations under which the two 

measures perform comparably, presented in the final section of this chapter.  The remainder of 

this chapter will present the findings of this analysis. 

TABLE 3.1 

KEY CHARACTERISTICS OF CASE STUDY BUILDINGS 

Building  Mode Shape Source  Primary Material Heuristic 

Classification 

NO DIGITIZATION REQUIRED 

CS1  Designer Steel  Intermittent

CS2  Designer Steel  Progressive

CS6  Designer Reinforced Concrete  Progressive

CS7  Designer Reinforced Concrete  Systemic

CS9  Designer Composite  Progressive

CS3 Published Lumped Mass 

Model Composite  Progressive

CS5 

In‐House FEM Corroborated by 

Published Mode Shape Steel  Continuous

DIGITIZATION REQURED 

CS8 Published FEM Calibrated 

against Full‐Scale Data Composite  Continuous

CS10 Published FEM Calibrated 

against Full‐Scale Data Composite Intermittent/ Progressive

CS4 Published Lumped Mass 

Model Composite  Systemic

 

   

Page 50: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  38

3.2 Results 

The two DCA measures explored in Chapter 2 were applied to each available fundamental sway 

mode of the buildings. To ensure a fair comparison, the MS‐DCA was not doctored to find the 

most accurate fit, i.e., all floors were included in this fit except the first floor in cases where its 

displacement was zero. By keeping every floor with even the slightest displacement, an 

equivalent comparison of the iDCA and MS‐DCA was achieved, with at most, one floor (the first 

floor) excluded from the MS‐DCA (14 of 26 cases).   

Each fundamental sway mode shape is assigned a generic number to assist in graphical display 

of results in Figure 3.1. This figure incorporates a double y‐axis, displaying the iDCA as stars and 

the MS‐DCA as squares. The figure also depicts the classification, introduced previously in 

Chapter 2, where MS‐DCAs greater than 1.75 (region above the horizontal red line) are defined 

as cantilever or axial‐dominated structures, while those less than 1.25 are defined as shear‐

dominated structures (region below the horizontal blue line). Using the mapping in Appendix A, 

these demarcations respectively map to iDCA values of 0.7059 and 0.4185.  Through this 

graphical display, the differences in how individual modes of each of the case study buildings 

would be classified by the two measures can be gauged.   

From Figure 3.1, there is a general trend of the MS‐DCA classifying the structures as more 

cantilever than their iDCA counterparts (occurring for 16/26 mode shapes considered, circled in 

green in Figure 3.1). Only five mode shapes were found to be less cantilever by the MS‐DCA 

(circled in red in Figure 3.1). In eleven cases, these discrepancies resulted in a change in the 

classification of the building. In five instances, the two DCAs essentially converged (circled in 

blue in Figure 3.1). Each case will now be investigated to determine the reasons behind these 

differences, with particular focus on instances of convergence (Mode Shapes 19, 23‐26) and 

significant deviation (Mode Shapes 9‐12). 

 

Page 51: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  39

 

Figure 3.1: Comparison of MS‐DCA (squares) and iDCA (stars) for case study buildings. 

Table 3.2 presents the iDCA and MS‐DCA results for the two fundamental sway modes for each 

of the case study buildings. Since the two DCA values operate on different scales, a mapped 

iDCA is also presented that translates the iDCA to its equivalent on the MS‐DCA scale, using the 

mapping in Appendix A. Additionally, the error in the MS‐DCA, EMS‐DCA, along the height, z, of the 

building is expressed in terms of the actual mode shape, , and the best‐fit obtained using the power law expression, fit:  

φ

(3.1)

Its median value is reported in Table 3.2 as the preferred measure of goodness of fit, since in 

many cases there are discontinuities in the mode shapes that cause large localized error values 

along the height.    

   

Page 52: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  40

TABLE 3.2 

iDCA AND MS‐DCA FOR FUNDAMENTAL MODES OF CASE STUDY BUILDINGS 

Building 

Mode Shape 

IdentifierMode Axis  MS‐DCA 

Mapped iDCA  iDCA 

Median 

EMS‐DCA 

CS1 

1 Y‐Axis 1.7358 1.8085 0.7192  ‐6.3%

2 X‐Axis 1.7394 1.5644 0.6297  ‐4.5%

CS2 

3 XY‐Axis 1.4118 1.2926 0.4502  ‐11.4%

4 XY‐Axis 1.3835 1.2242 0.3956  ‐16.5%

CS3 

5 XY‐Axis 1.0796 1.1620 0.3404  0.0%

6 XY‐Axis 1.1275 1.2940 0.4513  5.2%

CS4  7 Y‐Axis 1.3461 1.5169 0.6044  ‐5.8%

CS4*  8 Y‐Axis 1.3845 1.5631 0.6290  ‐6.2%

CS5 

9 XY‐Axis 1.7674 1.4096 0.5348  ‐23.0%

10 XY‐Axis 1.7649 1.4303 0.5487  ‐23.3%

CS5* 

11 XY‐Axis 1.7867 1.4676 0.5737  ‐18.3%

12 XY‐Axis 1.7844 1.4876 0.5871  ‐17.6%

CS6 

13 X‐Axis 1.3829 1.2399 0.4095  ‐7.3%

14 Y‐Axis 1.3742 1.2869 0.4460  ‐17.6%

CS6* 

15 X‐Axis 1.3949 1.2515 0.4196  ‐5.3%

16 Y‐Axis 1.3978 1.2275 0.3985  ‐11.7%

CS7 

17 Y‐Axis 1.8185 1.5779 0.6369  35.4%

18 X‐Axis 1.7825 1.5775 0.6367  55.2%

CS7* 

19 Y‐Axis 1.7138 1.5824 0.6393  35.8%

20 X‐Axis 1.6428 1.6680 0.6771  43.8%

CS8 

21 XY‐Axis 1.3951 1.3238 0.4735  ‐0.7%

22 XY‐Axis 1.3951 1.3238 0.4735  ‐0.7%

CS9  23 X‐Axis 1.3765 1.3694 0.5074  ‐11.4%

Page 53: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  41

24 Y‐Axis 1.3686 1.3659 0.5048  ‐10.6%

CS10 

25 X‐Axis 1.5380 1.5495 0.6218  ‐0.4%

26 Y‐Axis 1.6426 1.6728 0.6788  23.7%

* Modified mode shapes, e.g., cap trusses removed

 

 

   

Page 54: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  42

Before introducing these case studies, a primer is provided to explain how the data will be 

displayed. As depicted in Figure 3.2, overlaid lines corresponding to key transition points in the 

structural system often correlate to features in the fundamental mode shapes, which are 

displayed in (a). In this figure, the actual mode shape predicted from finite element modeling is 

shown in black, accompanied by the ideal cantilever behavior in blue (=2), the ideal shear behavior in cyan (=1), and the best‐fit of the mode shape as the dashed red line (whose power, 

, is the MS‐DCA). The next plot in (b) shows the mode shape power error (defined in Equation 

3.1), i.e., goodness of power law mode shape fit, as a function of height. Negative values 

(plotted in the red regime) indicate that the structure was actually less cantilever than the MS‐

DCA predicted.  The final plot in (c) assesses the DCAs’ classification of the structure in a manner 

that allows a relative comparison between the various measures by mapping all measures to the 

MS‐DCA scale and denoting the percent deviation from the cantilever ideal. Color‐coding 

classifies the regions on this plot as blue for cantilever systems, purple for interactive systems, 

and red for shear systems, again based on the conventions adopted in Chapter 2. The square on 

this chart indicates the MS‐DCA (in the case of Figure 3.2 this was 13% less than the cantilever 

ideal). Next the predicted iDCA is displayed as the solid star. This prediction is made by taking 

the MS‐DCA’s percent deviation from the cantilever ideal and then correcting it by the median 

of EMS‐DCA from Table 3.2. In this case, the MS‐DCA was 13% and the median error suggests that it 

is even less cantilever (by 6.4%). Thus one may predict that the iDCA would be approximately 

19.4% less than the cantilever ideal. Note that what is more important here is the general trend 

– the expectation that the iDCA will come out even less cantilever than the MS‐DCA, even 

though it is unlikely to be by this exact amount. Finally, the actual iDCA is presented as the 

hollow star, using the mapped iDCA value from Table 3.2, along with its percent deviation from 

the cantilever ideal. This format will be used for all building case studies in this chapter. 

 

Page 55: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  43

 

Figure 3.2: Example of graphical display used in building case studies (a) mode shape with power fit, (b) EMS‐DCA, and (c) DCA comparison. 

 

Additionally, for each case study, the percent difference between the two DCAs will be 

quantified using the following expression, where MS‐DCA is the MS‐DCA percent difference from 

the cantilever ideal and iDCA is the iDCA percent difference from the  

cantilever ideal:  

∆ ∆ ∆

∆ (3.2)

According to this definition, a negative value will indicate a more cantilever structure by the 

iDCA measure. These various difference measures used in Equation 3.2 as well as percent 

difference between the two DCAs determined by Equation 3.2 will be summarized and discussed 

later in Table 3.3. 

3.2.1 CS1 Case Study 

The CS1 is referred to as a braced tube system. This structural system relies on a perimeter of 

columns connected by beams to form a tube system that is tied with large diagonal cross‐braces 

on both axes. The cross‐braces help to minimize the effects of shear lag common to tube 

systems, achieving a near uniform distribution of axial forces in the columns at the windward 

Page 56: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  44

and leeward faces of the structure. In the CS1, the introduction of these large cross‐braces on 

each face of the building effectively resets the distribution of forces at each level where the 

braces connect with the corners of the building. At these intersection points, axial forces in the 

diagonal braces are transferred into the corner columns and down the building. This helps the 

structure to achieve a highly efficient tube behavior that mimics the idealized “vertical 

cantilever.”  

The mode shape evaluations for the CS1 are presented in Figure 3.3 and Figure 3.4. Here the 

semi‐transparent black lines overlaid on the mode shapes facilitate in the visualization of how 

the bracing affects the mode shape. From these lines, it is clear that the modulations of the 

mode shape correspond to the heights at which the bracing intersects itself or the corner 

columns of the building. Since the building utilizes the same structural system for both axes, the 

first two mode shapes should be similar in appearance. The shear lag phenomenon being 

arrested by the cross braces is more marked for the “long axis” of the building due to the 

greater distance over which beams must transfer forces to distribute them among the columns. 

As such, one would expect to see more pronounced “modulations” in the second mode (x‐axis) 

as the braces are required to “reign in” more of these shear lag effects. This indeed can be 

observed in Figure 3.4‐b. It is not surprising to note that EMS‐DCA correlates with these 

modulations in the mode shapes themselves, due to the “discontinuities” created by these key 

transition points in the bracing scheme. 

Beginning with Mode 1, it was found that the MS‐DCA was 13.2% less cantilever than the ideal, 

as shown in Figure 3.3‐d. Based on the median EMS‐DCA of ‐6.3%, the MS‐DCA is predicted to be 

even less cantilever. The actual iDCA, mapped to the MS‐DSA scale, is only 9.6% less than an 

ideal cantilever. In this case, the iDCA does not follow the trend predicted by the median MS‐

DCA error, yet the EMS‐DCA reveals that the modulations do induce errors in the MS‐DCA, which 

tends to deviate from the general trend of the mode shape.  

Similarly, for Mode 2 shown in Figure 3.4, despite the fact that the modulations in the mode 

shape are more pronounced, the MS‐DCA yielded a fit nearly identical to Mode 1, 13.0% less 

than the cantilever ideal, revealing its inability to detect obvious variations in similar mode 

shapes. Based on the median EMS‐DCA of ‐4.5%, the iDCA is predicted to again be even less 

cantilever than the MS‐DCA suggests. The mapped iDCA does indeed confirm that the structure 

is less cantilever on this axis than the MS‐DCA predicted, deviating 21.8% from the cantilever 

ideal ‐‐ approximately 9% less cantilever than the MS‐DCA suggests.  

This presents an interesting scenario where the same structural system is used on both axes of a 

building yet the agreement between the two DCAs is greater for one of the axes (Mode 1, x‐axis 

sway). The difference in performance can be explained by noting again the greater levels of 

modulation in the Mode 2. The shear lag “resets” achieved by the bracing are more pronounced 

for this mode shape. While this explains the greater difference in the two DCA measures on this 

axis, it does not express which of the measures is more accurate. Since both Mode 1 and Mode 

2 had nearly identical MS‐DCA values (=1.7358, 1.7394), it is clear that the MS‐DCA is not 

capable of discerning which of the modes has greater shear lag effects and thus which mode is 

comparatively less cantilever. The iDCA possesses this sensitivity, correctly detecting the more 

pronounced shear lag being reset by the braces in Mode 2, and thus can be considered a 

Page 57: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  45

superior measure of the degree of cantilever action.  For this case study, DCA is near 40% for 

both modes, but the first mode iDCA is more cantilever and for Mode 2 the opposite is true. 

Thus it can be hypothesized from this case study that the MS‐DCA has limitations when mode 

shapes manifest intermittent discontinuities. As the severity of these discontinuities 

increases, the MS‐DCA becomes increasingly ineffective in quantifying its degree of cantilever 

action.  

Page 58: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

 

 

Figure 3.3: CS1 first mode (a) mode shape with power fit, (b) EMS‐DCA, and (c) DCA comparison.

62 

Page 59: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

 

 

Figure 3.4: CS1 second mode (a) mode shape with power fit, (b) EMS‐DCA, and (c) DCA comparison.

63 

Page 60: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  48

3.2.2 CS2 Case Study 

The CS2 structural system is described as a bundled tube, employing a system of belts and 

outriggers at each level where at least one of its tubes is truncated, until only two bundled tubes 

remain (top 20 stories). These belts and outriggers help to more uniformly distribute the forces 

into the columns at each of these transition zones. The interior grid of column lines created by 

the bundling effect aids in the mitigation of shear lag by providing additional links for force 

transfer instead of purely through the perimeter column lines.  Incidentally, this decreases the 

amount of shearing in the perimeter beams and thereby the shear lag problem, allowing for 

near uniform loading along column lines on the windward and leeward faces of the building.  

Despite this, as the primary mechanism for force transfer around the perimeter is through beam 

flexure, bundled tubes still have a large degree of frame action.  

A plan view of the roof level deflection in the first two modes is displayed in Figure 3.5, revealing 

a strong degree of coupling between the x‐ and y‐axes. There are slightly greater deflections 

along the y‐axis, due to the asymmetric nature of the truncations leading to a comparatively 

softer structure in that axis, especially at the uppermost elevations. Vertical discontinuities 

within the mode shapes correlate to locations where a belt truss occurs, effectively “reigning in” 

the deflections of the building, as one would expect. The horizontal lines overlaid in Figure 3.6 

and Figure 3.7 designate these locations. The only exception is the second (from the bottom) 

overlaid line, which correlates to a tube truncation that does not have a belt truss and was not 

discernable in this particular elevation view. 

Page 61: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  49

 

Figure 3.5: Mode shape displacement with regards to axis assignment of the CS2. 

It is clear for the first mode (Figure 3.6‐b) that the section below the first belt truss correlates 

well with the best‐fit power law, but the two progressively deviate at the upper elevations; this 

is both due to the vertical discontinuities caused by the belt trusses as well as the increasingly 

“shear‐like” behavior manifested by the upper quarter of the building. The second mode (Figure 

3.7‐b) agrees with the best‐fit power law only over the lower tenth of the building, after which it 

progressively approaches the idealized shear behavior over almost the entire top half of the 

building. In both cases, EMS‐DCA affirms that the structure is actually less cantilever than the fit 

suggests, even more so in the case of Mode 2. Based on the median errors of these fits, the iDCA 

is predicted to be more shear‐dominated than the MS‐DCA originally predicted. Indeed the 

actual iDCAs are consistent with this trend, and in the case of Mode 2, actually move the 

building out of the interactive system classification into the shear building classification – a fact 

that may be surprising to some considering the height of this building, but not unexpected 

considering the strong reliance on deep beams as the primary mechanism for load transfer 

within each tube. While this structural system is discontinuous, the discontinuity can be 

classified as “progressive” (progressive reductions in width with height) as opposed to the 

Page 62: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  50

intermittent nature of the previous case study. In this case, the MS‐DCA tends to perform 

better, though slightly overestimating the degree of cantilever action, with DCA near +20% for 

both modes (see Table 3.3). Thus it can be deduced that the MS‐DCA is less affected by 

discontinuities that are progressive in nature and more vulnerable to discontinuities that are 

intermittent in nature.

Page 63: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

 

 

Figure 3.6: CS2’s first mode (a) mode shape with power fit, (b) EMS‐DCA, and (c) DCA comparison. 

67 

Page 64: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

 

 

Figure 3.7: CS2’s second mode (a) mode shape with power fit, (b) EMS‐DCA, and (c) DCA comparison.

68 

Page 65: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  53

3.2.3 CS3 Case Study 

The CS3 is similar structurally to the CS2 in that it is a bundled system with progressive reduction 

in cross‐section with height; however instead of framed tubes, this structure utilizes space 

trusses (Rastorfer 1987). These trusses force loads to travel through its members axially; 

therefore this structure may be expected to have more cantilever action than the CS2. As such, 

this case study provides an interesting point of contrast with the previous case study, though 

there is a critical difference: in the current case study, truncations are not simply the 

discontinuation of a previous structural framing pattern (CS2) but a complete change in the load 

path between the mega columns. This includes a major structural discontinuity when the 

structure transitions from a square cross‐section at its base to a triangular cross‐section at its 

apex, requiring the introduction of a central mega column that continues up the building.    

From a dynamic lumped mass model (Spence et al. 2008), it was confirmed that, like the CS2, 

the CS3 behaves as a coupled building, as shown by Figure 3.8. The first two mode shapes 

predicted by Spence et al.’s (2008) model are shown in Figure 3.9‐b and Figure 3.10‐b. The 

overlaid lines denote the mid‐height of each truncation, which mark distinct transitions in the 

mode shapes.  

 

 

Figure 3.8: Axis assignment of the CS3 (Bentz 2012). 

The limitations of the MS‐DCA can be observed in this case study, due to the dramatic variations 

in the mode shape. As Mode 1 demonstrates, the mode shape translates from one that is 

cantilever‐dominated in the lower part of the building to one that is progressively more shear‐

dominated at the upper elevations. This is due to the aspect ratio and cross‐section of the 

building sections changing as towers are truncated. The cantilever nature of the building is less 

obvious as the sections become shorter, particularly between the second and third overlaid lines 

where barely any curvature is discernable (Figure 3.9‐b).  The EMS‐DCA (Figure 3.9‐c) is minor, 

resulting in a median error of 0.0%, which leads to the expectation that the MS‐DCA is accurate. 

This accuracy is not reflected in the actual iDCA, whose deviation from the ideal cantilever is less 

than the MS‐DCA predicted. However, as shown by the EMS‐DCA (Figure 3.9‐c), before the 

Page 66: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  54

introduction of the central column, the error suggests a more cantilevered behavior, which is 

indeed reflected in the actual iDCA.  

In the case of Mode 2, one can immediately observe a mode shape that is comparatively more 

gradual in its variations: it does not possess the sharp transition in curvature near the mid‐

height noted in Mode 1 (see Figure 3.9‐b). This is caused by the truncation of Tower 3, which 

contributes significantly to the stiffness of the structure when it deforms along this primary axis 

of the tower (the deformation pattern reflected by Mode 1). As such, EMS‐DCA has a median value 

of 5.2%, suggesting a slightly more cantilever structure than the MS‐DCA predicts. This is 

consistent with the actual iDCA in Figure 3.10‐d. For this case study, DCA values are again less 

than 25% for both modes (see Table 3.3) Thus this case study affirms that the MS‐DCA is 

marginally affected by mode shapes with progressive discontinuities. 

Page 67: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

 

 

Figure 3.9: CS3’s first mode (a) mode shape with power fit, (b) EMS‐DCA, and (c) DCA comparison. 

72 

Page 68: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

 

 

Figure 3.10: CS3’s second mode (a) mode shape with power fit, (b) EMS‐DCA, and (c) DCA comparison.

73 

Page 69: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  57

3.2.4 CS4 Case Study 

CS4 employs a highly discontinuous structural system, with the structure terminating its core 

around 0.65H to produce a dramatic thirty‐six‐story atrium for its hotel. To accommodate this 

architectural requirement, the engineers switched the structural system from the mega‐column 

system with a “mega‐reinforced concrete core” to a similar system but with a reconfigured 

reinforced concrete core that allowed for the large open‐space in the center of the building 

(Sarkisian et al. 2006). It is thus expected that this irregularity in the structural system will cause 

a distinct distortion in the mode shapes and reduction in stiffness in the upper elevations. Two 

two‐story outrigger trusses will further cause discontinuities in the mode shapes. The structure 

terminates with a major steel cap truss supporting the spire, which will induce a near vertical 

segment at the top of the mode shape. Thus this system represents a complex combination of 

major discontinuities in the primary system, as well as a transition to a new system and 

construction material at its top. 

The first sway mode shape from a lumped mass model (Peng et al. 2003) is presented in Figure 

3.114. The overlaid lines designate critical locations (from bottom: outrigger 1, outrigger 2, start 

of atrium, cap truss). As in the previous case study of CS3’s first mode, this mode shape has 

highly cantilever behavior at its base transitioning to linear behaviors for the hotel and cap truss 

levels. Past case studies have supported the hypothesis that mode shapes with intermittent 

irregularities over the height are not well captured by the MS‐DCA. In fact, the cap truss in this 

building extends over about 12% of the total height of the building, and thus may have a 

pronounced effect on the quality of any best‐fit power law expression. Thus the analysis herein 

will consider both the full mode shape and the mode shape of only the primary structure with 

the cap truss removed to isolate for this potential effect.  

As discussed previously in Chapter 2, the MS‐DCA shows the tendency to be biased by the 

behavior of the structure near its base, regardless of whether this behavior continues over a 

substantial portion of the height. It is clear from Figure 3.12‐b that the MS‐DCA is indeed 

influenced by the office section of the mode shape, despite a fairly modest median EMS‐DCA that 

predicted the iDCA to be less cantilever than the MS‐DCA suggests. Instead, the actual iDCA is 

more cantilever, with the two DCAs differing by 35%, establishing a stark difference in 

classification for this building with a systemic discontinuity. Given knowledge of the structural 

transitions, the structure would be assumed to be cantilever dominated over 60% of its height 

and thus expected to correlate well with the C‐60 structure in the verification study in Section 

2.2.2. For these, the average iDCA from the values presented in Table 2.2 is 0.6016, which is 

indeed enveloped by the iDCAs for the CS4 with and without its cap truss (0.6044 and 0.6290). 

This provides some assurance of the authenticity of the iDCA. When excluding the cap truss 

region from the mode shape, the DCAs all increase (see Figure 3.12‐d), as expected; however 

their agreement does not improve and actually slightly worsens, indicating that this feature 

does not significantly impact either DCA measure. Thus this case study represents an example 

of major structural discontinuities that occur at multiple locations over the height and a 

                                                            

4 The second sway mode shape was not available from the literature. 

Page 70: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  58

reaffirmation of MS‐DCA’s tendency to be biased by the curvature of the base and thus unable 

to capture the behavior at upper elevations. 

Page 71: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

 

 

Figure 3.11: CS4’s first mode (a) mode shape with power fit, (b) EMS‐DCA, and (c) DCA comparison. 

77 

Page 72: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

 

 

Figure 3.12: CS4’s first mode without the cap truss (a) mode shape with power fit, (b) EMS‐DCA, and (c) DCA comparison.

(a)  (b)  (c) 

78 

Page 73: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  61

3.2.5 CS5 Case Study   

The CS5 was designed as an efficient megasystem of megacolumns, a concrete shear wall core, 

outrigger belt trusses and diagonal bracing, which are seamlessly integrated to generate smooth 

and nearly continuous mode shapes (Katz et al. 2008).  The outrigger belt trusses break the 

structure into “modules” over which gravity forces are locally transferred by frame elements 

and then redistributed to the megacolumns by the belt trusses to manage the gravity loads 

effectively. Between modules, diagonal braces are used to reduce shearing to maintain system 

behavior without the need for dense frame elements. The overall concept leads to a light and 

elegant structural form. Note that the structure, which begins as a square floor plan at the base, 

tapers on the two opposing sides ending in a rectangular shape at the apex (Katz et al. 2008).  As 

the megasystem holds these outriggers and braces as integral to achieving its overall 3D 

behavior, they are less likely to cause the level of mode shape discontinuity noted in past case 

studies and are intended to achieve a highly cantilevered behavior with the only major 

discontinuity being at the top of the structure, where the core terminates and the system 

transitions into a space frame.   

A FEM was developed internally based on published descriptions of the structural system and 

fundamental periods (Bentz 2012). The mode shapes from this model corroborated well with 

the published modes shapes from another finite element model (Shi et al. 2012), and thus the 

in‐house finite element model was retained for this analysis. Figure 3.13 shows the top of the 

tower in a cross‐sectional view from this model and visualizes the first two modes, oriented at 

45° angles from the x and y axes defined for the purposes of model generation. The 

fundamental mode shapes generated from this model are shown in Figure 3. 14‐b and Figure 

3.15‐b. As anticipated, both fundamental mode shapes are smooth and continuous, strongly 

linearizing near the top of the structure when the core terminates and the frame elements 

provide the lateral resistance. The second mode shows a slightly greater sensitivity to this 

structural discontinuity.  It should be noted that the transition from the more cantilever‐

dominated system below the opening to the shear‐dominated top of the structure is very 

smooth, speaking to the cohesiveness of the structural system as a whole. 

 

 

Page 74: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  62

Figure 3.13: CS5’s modal directions (Bentz 2012). 

While the megasystem is intended to be a highly efficient, cantilever structure, the mode shapes 

manifest DCAs that would classify them generally as an interactive system, indicating that the 

diagonal bracing between belt outrigger levels may not be capable of fully arresting the effects 

of shearing within each “module” of the building and enabling the columns to be completely 

engaged axially. With that being said, the mode shapes show strong similarities, as one may 

expect for megasystems intended to behave as a three‐dimensional structural system much like 

tubes. As such, the MS‐DCA quantifies the two modes with almost identical degrees of 

cantilever action. Based on the median EMS‐DCA, iDCAs in both modes are expected to be less 

cantilever than the best‐fit power law suggests. This indeed is the case, with DCA of 

approximately 60% for both modes. The significant difference between the two measures may 

be attributed to the MS‐DCA’s tendency to be biased by base behaviors, as noted in Chapter 2, 

misclassifying the building as cantilever‐dominated based solely on the base behavior. Visual 

evidence of this overcompensation is apparent in Figure 3. 14 and Figure 3.15.   

When the system was analyzed without the opening and space truss at the top of the structure, 

all the DCAs correctly detected the increased cantilever action (Figure 3.16 and Figure 3.17).  

Still, the agreement between the two measures does not improve significantly, with DCA 

remaining near 60% in both modes, reaffirming the observations of the CS4 case study that 

these cap truss regions have little effect on the two DCAs. As such, this case study reaffirms 

that while the MS‐DCA may be assumed to be reliable for continuous systems, if these 

systems have a strong tendency toward a specific mechanism exclusively near the base, the 

MS‐DCA will tend to bias its classification toward this mechanism. 

Page 75: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

 

 

Figure 3. 14: CS5’s first mode (a) mode shape with power fit, (b) EMS‐DCA, and (c) DCA comparison.

52 

Page 76: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

 

 

Figure 3.15: CS5’s second mode (a) mode shape with power fit, (b) EMS‐DCA, and (c) DCA comparison. 

83 

Page 77: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

 

 

Figure 3.16: CS5’s first mode without space truss (a) mode shape with power fit, (b) EMS‐DCA, and (c) DCA comparison.

84 

Page 78: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

 

 

Figure 3.17: CS5’s second mode without space truss (a) mode shape with power fit, (b) EMS‐DCA, and (c) DCA comparison.

85 

Page 79: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  67

3.2.6 CS6 Case Study 

CS6 is a reinforced concrete office building that utilizes a shear core with outrigger beams to link 

it to a perimeter frame to handle lateral and gravity loads. It is a rectangular building at its base 

that tapers to a square floor plan as it increases in height, topped with a cap truss (CTBUH 

1995). The floor plans, depicted in Figure 3.18, show that the core’s strong axis orients with the 

x‐direction, with a reliance on the weak axis of the walls interconnected by link beams for the y‐

axis resistance.  The x‐axis also benefits from outriggers (CTBUH 1995), which are expected to 

pull in the mode shape along this axis.  

 

 

Figure 3.18: CS6’s general floor plans (CTBUH 1995). 

   

Page 80: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  68

As the setbacks are mainly in the y‐axis, they contribute to only small modulations in the first 

mode, Figure 3.19‐b and Figure 3.21‐b, which is dominantly in the x‐sway direction. The 

outrigger levels correspond to the top and center overlaid lines. The outrigger near the mid 

height of the building has the more pronounced “resetting” effect on the mode shape, while the 

top outrigger and cap truss result in shear‐like behavior for the upper 15% of the building. As in 

past cases with cap trusses, the mode shapes are analyzed for the full structure and the 

structure without its cap truss to isolate the influences of this major structural discontinuity.  

Despite both the action of the stiff core and the outriggers, Mode 1 is characterized by the MS‐

DCA as an interactive system, even when the cap truss is excluded (Figure 3.19 and Figure 3.21). 

In fact, compensation for the cap truss makes no significant difference in either DCA measure, 

consistent with past case studies (see Table 3.3). The EMS‐DCA indicates deviations particularly in 

the middle third of the building suggesting a structure that is even less cantilever. The respective 

7.3% and 5.3% median values of EMS‐DCA lead to a predicted iDCA that is even more shear‐

dominated. This trend is confirmed by the actual iDCA. As this mode shape does not appear to 

be strongly influenced by the outriggers, the MS‐DCA and iDCA are in fairly good agreement, 

within 20% of one another, even when the cap truss is included.  

In Mode 2, the dominantly y‐axis sway mode relies on the linked core walls along their weak axis 

and only the frame action of the slab to engage perimeter columns. Modulations within this 

mode tend to correlate with the setback scheme along this axis and the effect of the cap truss 

can be clearly seen in creating a near vertical profile within the mode shape (Figure 3.20‐b), thus 

having a more dramatic influence upon this mode in comparison with Mode 1. This explains why 

the DCA in Mode 1 is largely unaffected by the cap truss, while in the effect is more pronounced 

in Mode 2, with agreement between the two measures actually diminishing (DCA goes from 12% 

to 22%). Surprisingly, this mode does not have a lesser degree of cantilever action than Mode 1, 

according to the MS‐DCA; however, both Mode 2 cases have median EMS‐DCA values that predict 

the iDCA be more shear‐dominated (Figure 3.20‐d and Figure 3.22‐d). This trend is not observed 

for the full structure, as the iDCA actually maintains the system classification as an interactive 

system, but with the cap truss removed, the iDCA does indeed classify the structure as 

marginally shear‐dominated. Still, for this mode, the two measures are again quite consistent 

(see Table 3.3). Thus, as is the case of CS2 and CS3, this case study reaffirms that structural 

systems with progressive discontinuities are well represented by the MS‐DCA. 

Page 81: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

 

 

Figure 3.19: CS6’s first mode (a) mode shape with power fit, (b) EMS‐DCA, and (c) DCA comparison.

89 

Page 82: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

 

 

Figure 3.20:  CS6’s second mode (a) mode shape with power fit, (b) EMS‐DCA, and (c) DCA comparison. 

90 

Page 83: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

 

 

Figure 3.21: CS6’s first mode without cap truss (a) mode shape with power fit, (b) EMS‐DCA, and (c) DCA comparison.

91 

Page 84: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

 

 

Figure 3.22:  CS6’s second mode without cap truss (a) mode shape with power fit, (b) EMS‐DCA, and (c) DCA comparison.

92 

Page 85: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  73

3.2.7 CS7 Case Study 

CS7 employs a structural system of a hexagonal core restrained with hammer head walls along 

the three axes of its Y‐shaped floor plate shown in Figure 3.23. Through careful management of 

gravity loads in the hammerhead system, the building efficiently counteracts overturning under 

lateral loads. The structure introduces setbacks in a spiraling fashion to “confuse” the wind by 

disorganizing vortex shedding over significant sections of the structure. Such coherence of the 

different structural features working together leads to a very efficient system (BurjKhalifa.ae 

2013). While the description of the primary lateral system would suggest that the building has a 

high DCA, since the tower employs a steel space frame over roughly the top 10% of the tower, 

there will be a significant shift in the mode shape curvature toward a shear‐dominated behavior 

whose impacts will be explored in this section. Moreover, the considerable aspect ratio 

variations (which cause commensurate reduction of the inertia of the structural system) will 

similarly affect mode shape curvature along the height. The tower’s base, with the full length of 

hammer head walls to restrain the core, is relatively rigid, creating a near vertical mode shape at 

the base. As the walls truncate to create a subtle progressive discontinuity, the system becomes 

increasingly flexible due to its effective reduction to just a core. By removing the ends of the 

wings gradually with height, CS7 has a much more subtle truncation strategy than bundled tubes 

employ. Eventually the structure becomes a core with barely any restraint indicating that the 

stiffness in the lower 40% of the structure is dramatically greater than the upper 60%. 

Moreover, these terminations create subtle progressive modulations that are not easily 

detectable by the eye when viewing the mode shape, but will be noticed by the DCA measures. 

 

Page 86: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  74

Figure 3.23: General floor plan of CS7 (Courtesy of RWDI). 

 

From the designer’s original FEM, the fundamental mode shapes were obtained, revealing 

coupled modes that vibrate dominantly in the y‐axis in its first mode and then the x‐axis in its 

second mode, with similar characteristics as shown in Figure 3.24‐b and Figure 3.25‐b, as well as 

in Figure 3.26‐b and Figure 3.27‐b where the steel spire/pinnacle region of the structure is 

removed to explore the influence of this major structural discontinuity. Note that the y‐axis 

(Mode 1) essentially aligns with Wing A denoted in Figure 3.23. When including the spire, it 

estimates a cantilever structure in both modes, while the MS‐DCA estimates a marginally 

interactive system (though borderline cantilever) for both modes when the spire/pinnacle is 

discounted. This reflects the significant influence of the spire/pinnacle, in contrast with past 

case studies, whose “whiplash” effect exaggerates the tip deflections relative to the 

displacements of the rest of the tower. However, the EMS‐DCA for both pairs of modes suggests a 

strong overestimation of the degree of cantilever action near the base and a consistent 

underestimation in the upper elevations. The errors are particularly exaggerated below the 

bottom semi‐transparent line, due to the high rigidity of the restrained regions and the 

essentially negligible deflections in this region. Based on these median errors, the iDCA was 

predicted to be even more cantilever than the MS‐DCA. Interestingly, the opposite is observed, 

as the iDCA actually suggests the tower is more of an interactive system, to varying degrees in 

each mode. This degree of shear behavior may be somewhat counterintuitive given the 

understanding of the primary lateral system, but may be explained by the loss of inertia as the 

shear walls truncate. 

 The abrupt transition to a steel space frame at the uppermost elevations (see top overlaid 

horizontal line for Figure 3.24‐b and Figure 3.25‐b) results in a strongly linear regime that its 

designers have suggested is “equivalent to having a 30‐story steel building sitting atop a 160‐

story concrete skyscraper.” But this appears to have a more marked effect on the classification 

of Mode 2. The iDCA is identical for both Modes 1 and 2 when the pinnacle/spire is included. 

When it is removed, the Mode 1 iDCA shows no significant change, while Mode 2 increases in its 

degree of cantilever action by 20%.  When comparing the two DCAs, the DCA is considerable, 

approximately 60% in Mode 1 and 50% in Mode 2, when the pinnacle/spire is included (see 

Table 3.3).  Once this segment is removed, the DCA diminishes in Mode 1 to approximately 30%, 

but experiences a more dramatic improvement in Mode 2, where the two measures are now 

within 10%. Two observations are apparent: iDCA has greater immunity to the effects of the 

pinnacle/spire region, and Mode 2 is more sensitive to the effect of the pinnacle/spire region. 

Reasons for this consistent pattern of “immunity” will be discussed in the summary section of 

this chapter. 

As observed in previous case studies, the MS‐DCA is adversely affected by major structural 

discontinuities like the pinnacle/spire region and again becomes biased by the base 

characteristics, in this case a highly restrained (rigid) core at the lower elevations resulting in 

almost “’hyper cantilever” behavior. While removal of the discontinuous region at the top did 

help to improve performance in Mode 1 (reduced DCA from 57% to 31%), the disparate rigidity 

Page 87: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  75

of the shear walls on levels below the bottom semi‐transparent line results in a biasing that MS‐

DCA cannot fully overcome. It is presumed that the lack of improvement in Mode 1’s MS‐DCA 

once the spire/pinnacle is removed is likely due to the fact that Mode 1’s dominant axis aligns 

with Wing A of the tower and thus the effect of restrained core and potential for base biasing 

may be very pronounced for this mode and less so for Mode 2, which does not align with any of 

the wings explicitly.  Therefore, this case study reaffirms that the MS‐DCA cannot accurately 

measure a structure with systemic discontinuous behaviors that affect major portions of the 

structure, as well as the iDCAs relative immunity to such discontinuities. 

Page 88: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

 

 

Figure 3.24: CS7’s first mode (a) mode shape with power fit, (b) EMS‐DCA, and (c) DCA comparison.  

98 

Page 89: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

 

 

Figure 3.25: CS7’s second mode (a) mode shape with power fit, (b) EMS‐DCA, and (c) DCA comparison. 

99 

Page 90: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

 

 

Figure 3.26: CS7’s first mode without pinnacle/spire (a) mode shape with power fit, (b) EMS‐DCA, and (c) DCA comparison.  

100 

Page 91: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

 

 

Figure 3.27: CS7’s second mode without pinnacle/spire (a) mode shape with power fit, (b) EMS‐DCA, and (c) DCA comparison.

101 

Page 92: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  80

3.2.8 CS8 Case Study 

CS8 employs a framed tube system that connects its 16 exterior columns to a reinforced 

concrete core by beams at every floor to achieve a so‐called “tube in tube” system. The 

structure tapers with increasing height, but keeps the same general, tapered square floor plan 

(see Figure 3.28) and incorporates outriggers on two floors (Brownjohn et al. 2006), which are 

assumed to be a secondary measure to enhance the engagement of the core with the perimeter 

columns. As these discrete elements that are not integral to the behavior of the primary framed 

tube, these outriggers are expected to cause minor discontinuities in the mode shapes at these 

two locations. The mode shapes obtained from finite element models calibrated against full‐

scale data were digitized from Brownjohn et al. (1998), noting, “the orientation of lateral modes 

did not coincide with the natural geometric axes of the building” (Carden and Brownjohn 2008); 

however, the exact directionality of the vibrations were not specified.  

 

Figure 3.28: CS8’s general floor plan (Carden and Brownjohn 2008). 

As one may expect for a framed perimeter tube with fairly wide column spacing and no 

additional measures to reduce shear lag, both mode shapes were identical and characterized 

with the same MS‐DCA as interactive systems. From the EMS‐DCA in Figure 3.29‐c and Figure 3.30‐

Page 93: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  81

c, these fits are quite accurate with only a median error of ‐0.7%. As such, the iDCA would be 

expected to show strong agreement with the MS‐DCA and if anything a slightly less cantilever 

structure. This is exactly the case with this example; the iDCAs are found to be 11% less 

cantilever than the MS‐DCA, though still classified as interactive systems. This case further 

reaffirms that the MS‐DCA and iDCA show strong agreement for vertically continuous systems 

without strong tendencies toward a particular deformation mode exclusively at their base. 

Page 94: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

 

 

Figure 3.29: CS8’s first mode (a) mode shape with power fit, (b) EMS‐DCA, and (c) DCA comparison.

105 

Page 95: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

 

 

Figure 3.30: CS8’s second mode (a) mode shape with power fit, (b) EMS‐DCA, and (c) DCA comparison.

106 

Page 96: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  84

3.2.9 CS9 Case Study 

CS9 is considered the inspiration to the restrained core system used in CS7. CS9 similarly utilizes 

a hexagonal core linked to exterior column lines as its lateral load resisting system with 

outrigger belt walls connecting the core and the columns at two mechanical levels (Abdelrazaq 

et al. 2004). Another similarity is the truncating Y‐shaped floor plan (Figure 3.31) although this 

structure differs from CS7 by truncating each tower fully, one at a time, more consistent with 

bundled tubes.  

 

Figure 3.31: CS9’s general floor plan (Abdelrazaq et al. 2004). 

   

Page 97: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  85

The fundamental mode shapes from the designer’s FEM displayed coupled modes that vibrate 

dominantly in the direction of the shortest tower (x‐axis) and then towards the tallest in its 

second mode (y‐axis). The overlaid semi‐transparent lines in Figure 3.32 and Figure 3.33 

represent the outrigger levels (first and third lines from the bottom), as well as where the 

building truncates for the first two modes. Both modes, as expected with a coupled, continuous 

system, show similar behavior with vertical hitches at the outrigger levels and other trademarks 

of progressively discontinuous systems like the CS2. Therefore, it is expected that the MS‐DCA 

will similarly be capable of capturing the degree of cantilever action for the modes.  

While the median EMS‐DCA for both cases indicated a significant decline in degree of cantilever 

action, predicting the iDCA will classify the system as shear‐dominated instead of interactive 

(Figure 3.32‐c and Figure 3.33‐c), the actual iDCA values show exceptional agreement with the 

MS‐DCA (see Table 3.3).  Thus, this case study further reaffirms the accuracy of the MS‐DCA 

when classifying systems with progressive discontinuities. 

Page 98: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

 

 

Figure 3.32: CS9’s first mode (a) mode shape with power fit, (b) EMS‐DCA, and (c) DCA comparison.

(a)  (b) 

(c) 

109 

Page 99: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

 

 

Figure 3.33: CS9’s second mode (a) mode shape with power fit, (b) EMS‐DCA, and (c) DCA comparison.

(a)  (b) 

(c) 

110 

Page 100: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  88

3.2.10 CS10 Case Study 

The structural system of CS10 includes a composite frame system with a concrete core and 

outrigger‐belt systems at four levels to restrict the overall deflections of the building and 

increase the stiffness (Li and Wu 2004). This structure has a unique shape: a rectangle with two 

semi‐circular sections attached to the two short faces (see Figure 3.34). From this image, one 

can deduce that the structure will derive its y‐axis resistance from the strong axis bending of the 

core shear walls and engagement of perimeter columns by the outriggers, whereas the x‐axis 

resistance is derived from the composite action of weak axis core walls connected by link beams 

and the perimeter MRF.   

 

 

Figure 3.34: CS10’s general floor plan (Li and Wu 2004). 

Published mode shapes from finite element models calibrated against full‐scale data from the 

CS10 (Li and Wu 2004) were digitized and analyzed for this case study, with Mode 1 

representing y‐axis sway and Mode 2 corresponding to x‐axis sway. Overlaid horizontal lines 

mark the levels of the outriggers and additional vertical bracing. Starting with the first mode, 

Figure 3.35‐b, the mode shape shows significant modulations; some coinciding with the 

outrigger and vertical bracing levels, embodying a mild form of intermittent discontinuity 

observed in previous case studies (see CS1) that are known to adversely affect the MS‐DCA. The 

median EMS‐DCA suggests the iDCA may be more cantilever than the MS‐DCA; true to form, the 

iDCA reveals that the building is approximately 9.0% more cantilever than the MS‐DCA along this 

axis. Since there are only two clear instances of intermittent discontinuity, the effects are less 

severe than the CS1 where the discontinuities continued repeatedly all along the height, thus 

explaining why the two measures are within 10% of one another (see Table 3.3). 

Page 101: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  89

Conversely, for the second mode in Figure 3.36‐b, the modulations in the mode shapes due to 

the outriggers are subtler than expected. Moreover, the mode shape exhibits a high degree of 

cantilever action with no discernable “resets,” which suggests that the deflections are strongly 

core dominated with the outriggers playing a very modest role; this is expected since the 

literature denotes the outriggers are running perpendicular to the longitudinal direction and 

thereby would have little impact on this direction’s behavior. Therefore, the second mode 

exhibits progressively discontinuous behavior similar to the last case study, CS9, leading to the 

belief that the MS‐DCA and iDCA will show reasonable agreement. This is confirmed with the 

best‐fit power underestimating the mode shape slightly from 0.25H to 0.7H, easily visualized on 

Figure 3.36‐c. From the median of EMS‐DCA, the iDCA is expected to be more cantilever than the 

MS‐DCA, with the actual iDCA being slightly more cantilever, but essentially showing identical 

classifications by the two DCAs (see Table 3.3). Therefore, as the discontinuities in this case 

study are comparatively mild, the mode shapes behave essentially like a continuous system, 

particularly in Mode 2, for which the two DCA measures are consistent.

Page 102: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

 

 

Figure 3.35: CS10’s first mode (a) mode shape with power fit, (b) EMS‐DCA, and (c) DCA comparison. 

114 

Page 103: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

 

 

Figure 3.36: CS10’s second mode (a) mode shape with power fit, (b) EMS‐DCA, and (c) DCA comparison.

115 

Page 104: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  92

3.3 Summary 

This chapter presented a validation of the proposed iDCA through comparisons with the MS‐

DCA for several real‐world case study buildings. Table 3.3 summarizes the differences in the two 

DCA measures, as calculated by Equation 3.2, as well as the variables used in that calculation, 

with the case studies categorized by the heuristic system behaviors observed throughout this 

chapter. The errors are also graphically displayed in Figure 3.37 according to the mode shape 

number assigned earlier in the chapter (see Table 3.2) and repeated in Table 3.3. The light green 

shaded region represents a region of strong agreement between the two DCA measures. These 

case studies and the visual representation enabled by this figure help to reveal a number of 

recurring themes: 

1. Consistent with the findings of Chapter 2, MS‐DCA shows a greater likelihood of 

being biased when the base behaviors of a system have a strong tendency 

toward a specific mechanism exclusively in that region. This was commonly 

manifested by base behaviors that were strongly cantilever in comparison to the 

rest of the structure. Such is the case in systems with systemic discontinuities, 

as well as some instances of continuous systems, e.g., CS5.  

2. Systems that are continuous (without the base behaviors described above) or 

have progressive discontinuities were consistently characterized by both DCAs 

(differences of 25% or less), whereas the MS‐DCA proved to be incapable of 

detecting the effects of strong, intermittent discontinuities such as those in the 

CS1. 

3. iDCA showed superior ability to capture subtle variations in the degree of 

cantilever action in mode shapes with similar behaviors and an overall 

consistency with heuristic understanding of system behavior, reaffirming the 

findings of Chapter 2.  

4. Traditional cap trusses were not found to significantly impact the DCAs, except 

when they support major architectural features, such as the large spire in CS7. 

In this case, the MS‐DCA showed greater sensitivity to these features, while 

iDCA remained comparatively immune.  

One way to explain the consistent “immunity” of the iDCA to cap truss and architectural 

features is due to the fact that it is derived based on the “distribution of slopes” and not 

affected by the spatial location of those slopes. On the other hand, a best‐fit curve, and thus the 

MS‐DCA, is highly sensitive to not only the curvature of the line but also the spatial variation of 

this curvature, as evidenced in the case of Mode 2 in CS7. It is worthwhile, at this point, to 

consider when attempting to quantify the fundamental deformation mechanisms of the primary 

lateral system, particularly for the purposes of classifying systems or predicting dynamic 

properties such as energy dissipation potential, whether architectural features be included. 

Even though it was shown that in most cases, the cap truss’s omission had minor effects on both 

DCAs; the iDCA is sensitive enough to detect minor variations in the degree of cantilever action 

and will thus increase slightly when cap trusses supporting architectural features are omitted. As 

such, does the inclusion of the structure supporting architectural features unnecessarily bias the 

Page 105: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  93

DCA measure and potentially distort our understanding of the primary system behavior? Some 

may argue that it indeed may be warranted to extract DCA measures from truncated mode 

shapes that remove major cap trusses supporting spires and pinnacles. However, since three out 

of the four case studies involving cap trusses did not drastically affect the DCA measures, the full 

mode shapes will be employed for the population of the database presented in Chapter 4. 

Thus, it is concluded from the case studies in this chapter that the MS‐DCA measure is not 

robust enough to capture the mode shape behaviors of a wide array of structural systems with 

varying classes of discontinuity. As the iDCA measure proposed in this thesis has proven to 

effectively capture behaviors consistent with heuristic understanding and ample sensitivity 

while demonstrating sufficient robustness for diverse classes of discontinuities in real‐world 

structures, it will be recommended as the preferred measure of the degree of cantilever action. 

Having fully vetted this DCA, it will now be applied in the next chapter, along with other 

geometric descriptors, to describe the system characteristics within a database of modern tall 

buildings.  

 

 

TABLE 3.3 

COMPARISON OF iDCA AND MS‐DCA FOR CASE STUDY BUILDINGS   

System Behavior  Building 

Mode  Shape Number  iDCA  MS‐DCA  DCA 

Continuous 

CS5 9 29.5 11.6  61%

10 28.5 11.8  59%

CS5* 11 26.6 10.7  60%

12 25.6 10.8  58%

CS8 21 33.8 30.2  11%

22 33.8 30.2  11%

Progressively  CS2  3 35.4 29.4  17%

Page 106: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  94

Discontinuous   4 38.8 30.8  21%

CS3 5 41.9 46  ‐10%

6 35.3 43.6  ‐24%

CS6 13 38 30.9  19%

14 35.7 31.3  12%

CS6* 15 37.4 30.3  19%

16 38.6 30.1  22%

CS9 23 31.5 31.2  1%

24 31.7 31.6  0%

CS10  26 16.4 17.9  ‐9%

Intermittently Discontinuous 

CS10  25 22.5 23.1  ‐3%

CS1 1 9.6 13.2  ‐38%

2 21.8 13  40%

Systemically Discontinuous 

CS4  7 24.2 32.7  ‐35%

CS4*  8 21.8 30.8  ‐41%

CS7 17 21.1 9.1  57%

18 21.1 10.9  49%

CS7* 19 20.9 14.3  31%

20 16.6 17.9  ‐8%

* Modified mode shapes, e.g. cap trusses removed

 

 

Page 107: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  95

  

Figure 3.37: Comparison of errors and system behavior for case study buildings. 

 

   

Page 108: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  96

CHAPTER 4:  DATABASE POPULATION AND MINING 

4.1 Introduction 

Having validated the proposed descriptor of system behavior, the integral degree of cantilever 

action, against mode shapes from actual buildings in the previous chapter, as well as against 

simulated mode shapes in Chapter 2, it will now be used in this chapter as the preferred means 

to characterize the behaviors of tall buildings in the current databasing effort. This database was 

created to include tall buildings (defined as buildings with heights of at least 200 m) completed 

since 2002, so as to maximize the availability of FEMs or mode shapes required for the iDCA 

calculation. The CTBUH Skyscraper Center and Emporis websites (CTBUH 2014; EMPORIS 2014) 

were utilized to identify the tall buildings meeting these criteria, recording their height and 

construction material in the proposed database. A total of 75 buildings were identified, the 

shortest of which being 207.1 m. The buildings included in the database, sorted alphabetically, 

are listed in Table 4.1. The location (city) of each building was also recorded in the database, and 

each building was assigned a randomized numerical identifier to preserve their anonymity in 

subsequent analyses. The aspect ratios (for both primary building axes) and primary lateral 

system (also distinguished for each axis) were also included in the database for each building.  

Unfortunately, such details are not readily available from the CTBUH and Emporis websites. As a 

result, a variety of secondary sources were consulted.  

Table 4.1 lists the sources used for each building. Wherever possible, published aspect ratios 

and lateral system descriptions were used. Buildings for which such sources were available are 

marked with a Quality Index (QI) of 1 in Table 4.1. In instances where this information was not 

reported in the literature by the designer, a secondary approach was employed. It is first noted 

that the aspect ratio (height/width) can be difficult to quantify given the complex geometries of 

modern tall buildings. In fact, 95% of tall buildings have varying widths along the height even in 

just one axis; some taper as they climb while others have “bellies”, where the largest widths are 

not at the base and instead somewhere in the midsection of the building (Ho 2014). As such, for 

height we will adopt the CTBUH Skyscraper Center convention, used to crown the world’s tallest 

building: “measured from the level of the lowest, significant, open‐air, pedestrian entrance to 

the architectural top of the building, including spires, but not including antennae, signage, flag 

poles or other functional‐technical equipment”  (CTBUH 2014). The mode of the width will be 

taken as the “width” in the aspect ratio calculation, thus eliminating concerns over buildings 

with sculpted tops and/or podium levels. This mode was secondarily determined from Google 

Earth by the following procedure. From the downloaded Google Earth software, each building 

was located and the software’s ruler tool was used to measure the widths of the extruded 

buildings in each direction. To verify accuracy of this process, four buildings with published 

aspect ratios were measured via Google Earth and found to match nearly identically (the largest 

Page 109: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  97

discrepancy being only 0.12 m), as shown in Table 4.2. This process was required for 57 of the 75 

buildings, thereby assigned a Quality Index of 2 in Table 4.1. In the cases where only one aspect 

ratio was published, the published floor areas were used to estimate the length of the building 

in the opposite direction. This is also suboptimal since it assumes a rectangular geometry; 

therefore the Google Earth techniques were used to verify these calculated lengths. Such 

instances are also awarded a Quality Index of 2 in Table 4.1. 

 

 

Page 110: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

 

TABLE 4.1 

BUILDINGS USED IN PROPOSED DATABASE WITH SOURCES FOR THE SYSTEMS AND ASPECT RATIOS DATA 

Building Name Designer

Aspect Ratio Structural System

Quality Index Source

Quality Index Source

111 South Wacker Goettsch Partners 2 GE: Chicago 1 Becker (2006)

23 Marina KEO International Consultants 1 Colaco (2005) 1 EMPORIS (2014)

300 North Lasalle Pickard Chilton 2 GE: Chicago 1 Ascribe (2012)

383 Madison Ave Skidmore Owings & Merrill

(SOM) 2 GE: New York

City

Al Hamra Firdous Tower SOM 2 GE: Kuwait City 1 CTBUH (2013)

Almas Tower The Taisei Corporation 1 Scott (2011) 1 Shahdadpuri

(2007)

Aqua Magnussen Klemencic

Associates (MKA) 2 GE: Chicago 1 MKA (2012)

Arraya Tower Pan Arab Consulting Engineers 2 GE: Kuwait City 1 WAN (2010)

Aspire Tower Arup 2 GE: Doha 1 Arup

Bank of America Tower Severud Associates 2 GE: New York

City 1

Metals in Construction

(2008)

124 

Page 111: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

 

Burj Khalifa* SOM 1 SOM 1 SOM

Caja Madrid Foster + Partners 1 Lakota and

Alarcon (2008) 1 Lakota and

Alarcon (2008)

Capital City Moscow Tower Arup 2 GE: Moscow 1 Stardubtsev et

al. (2011)

TABLE 4.1 (CONTINUED) 

Building Name Designer

Aspect Ratio Structural System

QI Source QI Source

China World Tower Arup 2 GE: Beijing 1 DesignBuild

(2010)

Comcast Center Thornton Tomasetti 1 Milinichik (2006) 1 Milinichik (2006)

Diwang International Commerce Center

CityMark Architects and Engineers 2 GE: Nanning 2 LERA (2009)

Doosan Haeundae We've the Zenith Tower A*

Thornton Tomasetti; New Engineering Consultant, Inc. 1

Thornton Tomasetti 1

Thornton Tomasetti

Doosan Haeundae We've the Zenith Tower B*

Thornton Tomasetti; New Engineering Consultant, Inc. 1

Thornton Tomasetti 1

Thornton Tomasetti

Eight Spruce St / Beekman Tower Gehry Partners, LLP 2

GE: New York City 1

Marcus and Hamos (2013)

Elite Residence Eng. Adnan Saffarini 2 GE: Dubai 2 Solt (2010)

Emirates Crown Design & Architecture Bureau 2 GE: Dubai 2 Solt (2010)

Etihad Towers T1 Aurecon 1 Aurecon (2014) 1 Aurecon (2014)

125 

Page 112: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

 

Etihad Towers T2 Aurecon 1 Aurecon (2014) 1 Aurecon (2014)

Eureka Tower Connell Mott MacDonald 1 Dean et al.

(2001) 1 Grocon (2006)

Excellence Century Plaza Tower 1

China Construction Design International 2 GE: Shenzhen 2 Le Berre (2009)

Guangzhou International Finance Center Arup 2 GE: Guangzhou 1 Wilkinson (2012)

Haeundae I Park Marina Tower 2

Arup; DongYang Structural Engineers 2 GE: Busan

HHHR Tower Al Hashemi / Farayand

Architectural Engineering 2 GE: Dubai 1 EMPORIS (2014)

 

TABLE 4.1 (CONTINUED) 

Building Name Designer

Aspect Ratio Structural System

QI Source QI Source

Highcliff DLN Architects & Engineers 1 Kostura (2008) 1 Kostura (2008)

Hyatt Center Pei Cobb Freed & Partners 1 Hopple (2005) 1 Hopple (2005)

International Commerce Centre Arup 2 GE: Hong Kong 1 KPF (2012)

Keangnam Hanoi Landmark Tower

DongYang Structural Engineers 2 GE: Hanoi 2

Skyscraper Page (2011)

Khalid Al Attar Tower 2 Eng. Adnan Saffarini 2 GE: Dubai 2 Solt (2010)

KK100 Development RBS Architectural Engineering

1 Farrell (2011) 1 Hernandez

Page 113: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

 

Design Associates (2012)

Leatop Plaza* MKA 2 GE: Guangzhou 1 MKA

Longxi International Hotel A&E Design 2 GE: Jiangyin 2 Skyscraper City

(2010)

Marina Pinnacle National Engineering Bureau 2 GE: Dubai 2 Wikimedia

Commons (2007)

Millennium Tower e.Construct 2 GE: Dubai 1 EMPORIS (2014)

Minsheng Bank Building Wuhan Architectural Institute 2 GE: Wuhan 2 Skyscraper City

(2006)

New York Times Tower Thornton Tomasetti 1

Metals in Construction

(2006) 2

Metals in Construction

(2006)

Nina Tower Arup 2 GE: Hong Kong 2 Johnson (2010)

Northeast Asia Trade Tower Arup; DongYang Structural

Engineers 2 GE: Incheon 1 Chung et al.

(2008)

Ocean Heights Meinhardt 2 GE: Dubai 1 Blackman (2010)

 

TABLE 4.1 (CONTINUED) 

Building Name Designer

Aspect Ratio Structural System

QI Source QI Source

One Island East Centre Arup 2 GE: Hong Kong 1 ISE (2009)

One World Trade Center SOM 2 GE: New York

1 Gonchar (2011)

126 

Page 114: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

 

City

Pearl River Tower SOM 2 GE: Guangzhou 1 Frechette III and Gilchrist (2009)

Princess Tower Eng. Adnan Saffarini 2 GE: Dubai 1 Ephgrave (2012)

Suzhou RunHua Global Building A ECADI 2 GE: Suzhou

The Address Atkins 2 GE: Dubai 2 McMorrow

(2012)

The Domain Foster + Partners 2 GE: Abu Dhabi 2 Jimaa (2011)

The Index Halvorson and Partners;

Bruechle; Gilchrist & Evans 2 GE: Dubai 1 Halvorson 2008)

The Pinnacle Guangzhou Hanhua Architects

& Engineers 2 GE: Guangzhou 2 Skyscraper City

(2010)

The Shard Renzo Piano Building

Workshop 2 GE: London 1 Pearson (2012)

The Torch Khatib & Alami 1 Nair (2011) 1 Nair (2011)

Tianjin Global Financial Center SOM 2 GE: Tianjin 1 Griffith (2012)

Time Warner Center North Tower SOM 2

GE: New York City 1 SOM

Time Warner Center South Tower SOM 2

GE: New York City 1 SOM

Tomorrow Square John Portman & Associates 2 GE: Shanghai 2 Cichy (2012)

Torre Mayor Zeidler Partnership Architects 2 GE: Mexico City 1 Taylor (2004)

127 

Page 115: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

 

 

 

TABLE 4.1 (CONTINUED) 

Building Name Designer

Aspect Ratio Structural System

QI Source QI Source

Torre Vitri Pinzon Lozano & Asociados

Arquitectos 2 GE: Panama City

Tower Financial Center Pinzón Lozano & Asociados

Arquitectos 2 GE: Panama City

Tower Palace III* SOM 2 GE: Seoul 1 SOM

Trump International Hotel and Tower Halcrow Yolles 2 GE: Toronto 2 Conway (2010)

Trump International Tower SOM 2 GE: Chicago 1 Baker et al.

(2009)

Trump World Tower Costas Kondylis & Partners

LLP Architects 1 Seinuk (2013) 1 Seinuk (2013)

Wenzhou Trade Center

Shanghai Institute of Architectural Design &

Research 2 GE: Wenzhou 2 Skyscraper City

(2010)

Yingli International Finance Centre

Chongqing Yingli Real Estate Development 2 GE: Chongqing 2

Skyscraper City (2011)

Zifeng Tower SOM 2 GE: Nanning 1 CTBUH (2013)

Notes: * indicates participating design firm supplied actual mode shape data. QI = Quality Index: 1 if obtained from

128 

Page 116: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

 

designer or published literature, 2 if estimated from Google Earth (Aspect Ratio) or from construction photos (Structural System). Entries shaded in grey omitted from final database due to lack of Structural System information.

Page 117: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  105

Even when published descriptions of a lateral system are available, the lack of a unified 

vernacular for structural systems leads to differing terminology essentially describing the same 

fundamental system concept. As such, a vernacular is proposed here to group and order the 

systems, building off of the general classes used in the historical hierarchies in Chapter 1. Each 

class of systems will be accompanied by common augmentations based on heuristic 

understanding of iterative system design. Each general class will be numbered with a system 

identifier (System ID) to facilitate their presentation in subsequent tables. These identifiers are 

summarized in Table 4.3. Because of the explicit focus on tall buildings, there will be little 

representation of foundational or Basic systems like exterior shear walls or moment resisting 

frames or combinations thereof, as such these are assigned a System ID of 0.0 in Table 4.3.  

TABLE 4.2 

VERIFICATION OF GOOGLE EARTH MEASUREMENTS WITH PUBLISHED ASPECT RATIOS 

Building Name 

Published Values  Google Earth Measurements 

Length (m)  Width (m)  Length (m)  Width (m) 

23 Marina  41.60  41.60  41.66  41.66 

Almas Tower  64.00  42.00  63.98  42.09 

The Torch  35.00  35.00  34.88  34.88 

Pearl River Tower  68.89  33.70*  68.92  33.63 

Notes: Sources of published values reported previously in Table 4.1 

* Calculated from height divided by published aspect ratio 

The first major family of tall building systems will be Core systems (System ID = 1.0). These are 

systems that rely primarily on a stiff interior core for lateral resistance. A progressive sequence 

of augmentations is commonly observed, the first creating a dual system through exterior lateral 

load resisting elements. These are termed Core + Ext. System (System ID = 1.1). These exterior 

systems may be distributed or focused at the perimeter only and include moment resisting 

frames (with and without braces), shear walls, or combinations of these elements. The next 

augmentation commonly observed takes this dual system and adds explicit linkages between 

the core and perimeter elements. These Core + Ext. System & Link (System ID = 1.2) 

traditionally employ discrete outriggers, though continuous buttressing of cores has recently 

surfaced, best exemplified by the world’s tallest building: Burj Khalifa.   

The next system family is the Tube, whose basic form is a purely perimeter moment resisting 

frame with closely spaced columns and deep beams (System ID = 2.0). By definition, it places all 

Page 118: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  106

lateral resistance at the exterior of the structure creating great flexibility in interior planning, 

directly opposing the Core family’s philosophy. A series of augmentations have been observed 

for the tubes, noting that these are not progressive (cumulative) as was the case in the Core 

family. The first possible augmentation is the creation of the so‐called “tube‐in‐tube” through 

the addition of a stiff interior core. This Tube + Core is given System ID of 2.1. The next possible 

augmentation is the addition of explicit linkages within the tube. These can take on various 

forms, from the most simplified case of discrete outriggers to distributed linkages providing 

interior pathways by bundling a series of smaller tubes, best exemplified by the iconic Sears 

Tower. The Tube + Link (System ID = 2.2) therefore draws attractive parallels to the Core + Ext. 

System + Link (System ID = 1.2) by creating distributed linkages that enable super tall forms.  

The third augmentation in tubes is the addition of exterior bracing, perhaps most classically 

embodied by the John Hancock Center in Chicago (the so‐called braced tube). This Tube + Braces 

system is assigned a System ID of 2.3.   

The final system family is the Megasystem (System ID = 3.0). The classical definition of a 

megasystem actually comes from Fazlur Khan’s concept of a modular system that manages 

gravity loads over each module; pushing them out by transfer elements to megacolumns on the 

perimeter. This modular format implies that this same structural load path is repeated over the 

height of the structure many times. Megasystems have three critical ingredients: a stiff interior 

core, stiff perimeter elements (generally megacolumns) and a mechanism to link them together, 

often accomplished through outriggers and belt trusses. Additional perimeter bracing is often 

introduced to further arrest the effects of shear lag over the modules to maintain highly 

cantilever system behavior. Shanghai World Financial Center is the exemplar for this concept. 

However, there are a number of modern systems that use this formula (core + megacolumn + 

link) without highly modularizing the systems to repeatedly manage the gravity loads as Khan 

envisioned. Thus Khan’s system may be considered the purist form of what has become an 

increasingly common strategy for tall buildings. As such, the Megasystem family will include any 

structures that employ megacolumns with linkages as simple as the slabs at each floor and as 

robust as discrete outriggers, which may appear at many levels. These may also include 

additional bracing or distributed shear walls to further stiffen the system. Because this essential 

formula sees many variations within modern systems, it is not further distinguished by 

subclasses. Finally, a fourth evolving class of systems is the exterior Diagrid (System ID = 4.0), a 

highly efficient exterior frame system with distributed resistance that was popularized by 

architect Sir Norman Foster, perhaps best visualized by 30 St. Mary Axe in London.  

TABLE 4.3 

NUMERICAL IDENTIFIER FOR EACH SYSTEM TYPE 

Structural System  System ID 

Basic  0.0 

Page 119: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  107

Core  1.0 

  + Exterior System (+ Ext.)    1.1 

  + Exterior System & Link (+ Ext. & Link)  1.2 

Tube  2.0 

  + Core  2.1 

  + Link  2.2 

  + Braces  2.3 

Megasystem  3.0 

Diagrid  4.0 

Note: Abbreviations used in figures shown in parenthesis. 

 

The assignment of each building into the families of systems outlined in Table 4.3 utilized 

published descriptions of the system whenever possible (QI = 1). In instances where lateral 

system descriptions were not publically available, available photos of the structure during 

construction before adding any cladding or interior finishes were inspected. Note that while this 

reveals the primary structure, some features may be obscured. It should also be noted that 

while cores are discernable in some construction photos, it is not always obvious whether they 

are part of the lateral load resisting system or part of a separate gravity system. To err on the 

side of caution, all cores detected in construction photos were considered to be part of the 

lateral system, as modern systems typically no longer make such strong divisions between 

gravity and lateral systems. 23 of the 75 buildings required construction photos to classify their 

structural system, each denoted with Quality Indexes of 2 in Table 4.1; unfortunately, another 5 

buildings did not have published structural systems or construction photos available and were 

ultimately excluded from the final database. These are shaded in grey in Table 4.1. 

Next, the database was populated with each building’s DCA value. Securing mode shape data 

proved to be the most challenging aspect of the database population, since it largely relied on 

designers to supply the information, as mode shapes were rarely published. Unfortunately, such 

voluntary participation of firms can be difficult to secure, and in some cases, although willing, 

the firms may not deliver the required information in a timely fashion. In order to maximize the 

potential for success, the firms with multiple buildings in the database were identified (Arup, 

Foster + Partners, Magnusson Klemencic Associates, Halvorson and Partners, Skidmore Owings 

and Merrill, and Thornton Tomasetti), so that mode shape information could be secured for up 

to 27 buildings through a concerted campaign of engagement. Of these, two declined to 

participate, two provided the requested information, and two others had yet to provide agreed 

upon information at the time this chapter was written. This effort yielded mode shapes for three 

more buildings, with roughly twenty more to be provided within the foreseeable future.  

Additionally, three of the buildings’ mode shape information was already available from Chapter 

Page 120: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  108

35. For each of the buildings with designer‐supplied mode shape information, denoted by 

asterisks in Table 4.1, the MS‐DCAs and iDCAs were calculated and included in the database. 

4.2 Data‐Driven Hierarchy for Modern Systems 

Having populated the database to the greatest extent possible, four different system descriptors 

will now be explored for the remainder of this chapter to enable the construction of a data‐

driven hierarchy for modern systems. Two geometric descriptors: height and aspect ratio will be 

considered; along with two behavior descriptors: the degree of cantilever measures, MS‐DCA 

and iDCA. Note that while the limited number of mode shapes secured will limit the number of 

buildings for which DCAs can be calculated and therefore the inferences that can be drawn from 

these figures, the primary intent of this thesis is to establish an appropriate parameterization, 

database structure, and process for extracting the hierarchy, which can be dynamically updated 

with time, as discussed later in Chapter 5. 

An initial statistical analysis will be conducted on each of the four descriptors to extract 

information relevant to the hierarchy’s construction. To support this process two figures will be 

created for each of the four system descriptors. In these figures, the systems are ordered along 

the x‐axis according to the progression assumed in historical charts like Figure 1.3. By adopting 

this convention, trendlines will readily underscore whether the historical conceptualization of 

system evolution holds true. The parent system is displayed in large bold font followed by any 

augmentations (see Table 4.3) in smaller, regular fonts, retaining the color‐coding in that table 

throughout so families of systems can be clearly identified. The first figure in the two‐figure 

sequence for each descriptor will consider the Quality Index of the data. Purely black squares in 

this figure have a Quality Index of 1 for both system and aspect ratio.  If either data source has a 

Quality Index of 2, the data point will be outlined (in orange for aspect ratios; in red for 

systems). For each system, the mean of the descriptor is calculated and displayed on the figure 

as a hollow circle, with error bars designating ± one standard deviation from the mean. A 

dashed linear trend line through the mean values is also displayed.  

The second figure in the two‐figure sequence will sub‐classify the data by the primary material 

used in the lateral system, maintaining the classifications in Emporis: reinforced concrete (blue 

square), steel and concrete (red square), steel (green square) and composite (purple square). 

The distinctions between steel and concrete and composite are not clearly articulated by 

Emporis, so for the purposes of interpretation and discussion, they will be viewed as one in the 

same in this chapter. The Quality index will not be distinguished in this second set of figures, 

since it is depicted in the first figure in the sequence. For each material, the mean value is again 

presented as a circle. In instances where more than one observation for that material within 

that system class is available, error bars signifying ± one standard deviation from the mean are 

also presented. When at least three systems have mean values for a given material, a dashed 

linear trendline will be presented.  

                                                            

5 Due to the limited number of mode shapes available for modern systems, additional iDCAs will be imported from older buildings showcased in Chapter 3 for a demonstrative analysis in Section 0. 

Page 121: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  109

Additionally, a series of tables will present both mean values as well as coefficients of variation 

(CoVs) to reveal scatter within each system.  To discern the influence of lower fidelity data 

sources, variation within each system is first documented across all data points, then retaining 

only data points with QI = 1. The entirety of the data is also independently sub‐classified by 

material (retaining both QI = 1 and 2 data). Statistics are presented first individually for each 

system defined in Table 4.3 and then across each of the families of systems (bolded in the 

tables). The geometric descriptors will be discussed first, followed by the behavioral descriptors. 

4.2.1 Geometric Descriptors: Height 

Height is explored as the first geometric descriptor of structural systems. Recall from Chapter 1 

that this parameter has been historically utilized, serving as the basis for Fazlur Khan’s system 

hierarchy, and was shown previously not to correlate with system type (see Figure 1.6). This is 

reinforced by the current database (through Figure 4.1 and Figure 4.2). To further underscore 

the differences between constructed tall buildings and conceptual hierarchies, the 

recommended limits of general system classes from Figure 1.3 were converted to heights 

(assuming a 4 m floor‐to‐floor height) and superimposed on Figure 4.1 and Figure 4.2 as the grey 

shaded region, with the upper bound associated with steel‐based systems and the lower bound 

with reinforced concrete‐based systems. It is interesting to note that while material choice is 

reported as negligible by these historical hierarchies for half the systems, there is a clear 

bifurcation beginning at the Tubes. Interestingly, while the historical hierarchy correlates well 

with linked tubes, Megasystems are clearly employed at much lower heights than the hierarchy 

suggests. Conversely, core systems dramatically exceed the heights assumed in the historical 

hierarchy, further motivating the need to modernize our understanding of the heights over 

which systems can be effectively applied; they are clearly “over‐performing” when considering 

their hypothesized limits. Figure 4.1 suggests a weak trend of increasing height (NS = 2.48%)6 

along the historical system progression displayed on the x‐axis, though again when considering 

the grey shaded region showing the conceptual correlation between height and system 

classification, modern tubes and megasystems are considerably shorter than the range over 

which the historical hierarchy suggested they would be applied. To explore the influence of 

material, Figure 4.2 shows trendlines for both composite and reinforced concrete systems. 

Interestingly, reinforced concrete systems effectively “flatline,” showing no strong increase in 

their mean heights along the historical system evolution (NS = 0.50%). On the other hand, the 

composite systems show a stronger correlation between height and system progression (NS = 

3.21%), though megasystems still are being used at heights much lower than historically 

expected.   

   

                                                            

6 NS: Normalized slope is defined as the slope of the linear regression divided by its y‐intercept; permits cross comparison between descriptors.  

Page 122: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  110

 

  

Figure 4.1: Relationship between height and structural system, distinguished by source fidelity.  

Page 123: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  111

  

Figure 4.2: Relationship between height and structural system, distinguished by material. 

 Table 4.4 helps to further underscore the variability in height within each system classification, 

as well as important general trends. Core‐based systems prove to be most popular for lateral 

resistance (N=34, where N is the number of data points for a given system type), showing 

effective use of a feature all tall buildings inherently require to support elevators and other 

services.  Within the Core family, those employing linkages are clearly the dominant typology 

(N=23/34), most commonly using outriggers, which is consistent with the trends observed by 

CTBUH in Figure 1.6. This trend towards cores is further substantiated by also considering that 

the second most prevalent system family, Megasystems (N=20), also relies heavily on a 

structural core. When considering the effect of reduced fidelity observations on each system 

family, all CoVs if anything increased when only highest quality data was retained, indicating 

that the questionable quality data, if anything, tended to cluster around the general trend for 

that system class and thus did not cause outliers that may bias interpretation significantly. 

Breaking down CoVs by material or even across classes provides limited opportunity for 

meaningful analysis, due to the low number of observations in some sub‐categories. Cores and 

megasystems have the highest CoVs, likely due to the relatively larger number of data points in 

these classes. Because of this fact, these will be examined in depth for each descriptor, tracking 

the CoVs of these two classes of systems. Between the two, the doubly augmented cores 

(System ID = 1.2) show appreciably higher scatter (36.85% vs. 20.01%). The core family is the 

Page 124: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  112

only progressive augmentation scheme. As the augmentations progress, system behavior is 

expected to be enhanced and thus be increasingly warranted as height increases.  Examining the 

mean heights across these augmentations, the basic core has a mean height of 294 m and its 

augmentations progressively increase the mean height to 322.3 m and 334.9 m respectively, 

thus being consistent with our heuristic understanding of core progression. Due to the limited 

number of observations, the same cannot be reliably tracked for tubes, though the observations 

in Table 4.4 at least suggest that the augmentations, like System ID = 2.2, do not correlate with 

an appreciable increase in height over the basic tube (307.5 m vs. 330.8 m, respectively). 

   

Page 125: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  113

TABLE 4.4 

HEIGHT AS GEOMETRIC SYSTEM DESCRIPTOR: STATISTICS BY SYSTEM TYPE 

  

System ID 

  

Mean [m] 

(Coefficient of Variation, %) 

All Only QI = 

Sorted By Material 

Concrete  Composite  Steel Concrete and Steel 

0.0  2

308.5 

(10.67%) 

337.0

(0.00%)*

280.0

(0.00%)*

337.0

(0.00%)* ‐‐‐‐  ‐‐‐‐

1.0  3

294.0 

(3.16%) 

294.0

(3.16%)

291.0

(3.57%)

300.0

(0.00%)* ‐‐‐‐  ‐‐‐‐

1.1  8

322.3 

(32.24%) 

322.3

(32.24%)

321.2

(18.63%)

323.4

(43.24%) ‐‐‐‐  ‐‐‐‐

1.2  23

334.9 

(36.85%) 

339.6

(44.48%)

367.7

(41.23%)

311.8

(24.69%)

325.0 

(2.13%) 

228.3

(0.00%)*

All Cores  34

328.3 

(34.45%) 

329.0

(38.90%)

348.9

(36.97%)

314.7

(30.73%)

325.0 

(2.13%) 

228.3

(0.00%)*

2.0  4

330.8 

(16.73%) 

413.0

(0.00%)*

315.0

(7.70%)

280.0

(0.00%)* ‐‐‐‐ 

413.0

(0.00%)*

2.1  1

225.0 

(0.00%)* 

225.0

(0.00%)* ‐‐‐‐ ‐‐‐‐

225.0 

(0.00%)*  ‐‐‐‐

2.2  6

307.5 

(8.34%) 

307.5

(0.00%)*

296.7

(8.50%)

329.0

(0.35%) ‐‐‐‐  ‐‐‐‐

2.3  1

303.0 

(0.00%)* 

330.0

(0.00%)* ‐‐‐‐

303.0

(0.00%)* ‐‐‐‐  ‐‐‐‐

All Tubes  12

308.0 

(14.62%) 

317.8

(22.60%)

302.8

(8.39%)

310.25

(7.05%)

225.0 

(0.00%)* 

413.0

(0.00%)*

3.0  20 331.2  339.4 309.1 382.8 ‐‐‐‐  ‐‐‐‐

Page 126: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  114

(20.01%)  (22.51%) (9.52%) (25.21%)

4.0  1

439.0 

(0.00%)* 

439.0

(0.00%)* ‐‐‐‐

439.0

(0.00%)* ‐‐‐‐  ‐‐‐‐

Notes: N is number of data points for that system type;  ‐‐‐‐ indicates no data points in that category; CoV of 0.00%* indicates a single data point in that category  

 

4.2.2 Geometric Descriptors: Aspect Ratio 

The second and final geometric descriptor included in the database is the aspect ratio. Unlike 

height, aspect ratios can be unique to each axis since most buildings are not geometrically (or 

structurally) symmetric. This gave the database twice the number of measures for every system. 

Examining the trend line in Figure 4.3, there is a slightly stronger correlation between increasing 

aspect ratio and the historical system progression than was observed for height (NS = 2.59% vs. 

2.48%). Examining Table 4.5, the influence of lower quality aspect ratio data again appears not 

to be significant, as CoVs largely increased when only higher quality data was retained, 

indicating that the lower quality observations at least tended to cluster around the mean values 

in each system class. The only exception was for megasystems and this was only a minor 

decrease in CoV for QI = 1 data. For the two most common systems, doubly augmented cores 

(Sys ID = 1.2) and megasystems, the latter, when classified by aspect ratio, was now found to 

have the greatest scatter of the two. This is in opposition to what was observed when height 

was the descriptor. Moreover, when aspect ratio is used as the descriptor, scatter within the 

doubly augmented cores and cores as a whole drops when compared to the use of height (from 

36.85% to 28.91% and from 34.35 to 31.07%, respectively). On the other hand, megasystems 

experienced an increase in scatter with a change in geometric descriptor (from 20.01% to 

39.74%).  Moreover, megasystems, as a family, were found on average to support the highest 

aspect ratios (7.58) among the tall buildings considered (vs. 7.16 for cores and 7.07 for tubes), 

but plain tubes (System ID = 2) were the individual system with the greatest average aspect ratio 

(8.07).  Looking at the correlation of core augmentations with aspect ratio, one would 

hypothesize that larger aspect ratios indicate greater slenderness and likely the need for greater 

augmentation; however, the mean aspect ratios do not fully support this hypothesis, though 

considering the error bars in Figure 4.4, this slight inconsistency may be due to scatter alone. 

While the basic core system has a mean aspect ratio of 6.00 and its two augmentations have 

respective aspect ratios of 7.69 and 7.13, revealing that they do support greater slenderness, 

but not following the progression one would expect. Examining the tube progression, again 

noting the limited observations, the opposite is observed: the base system has larger average 

aspect ratio (8.00) than its most common augmentation (System ID = 2.2: 7.27), so the heuristic 

understanding of these augmentations being required with increasing slenderness does not 

hold. As was the case with height, Figure 4.4 confirms that aspect ratio shows a stronger positive 

trend with historical system progression for composite systems (NS = 5.75%) than for concrete 

systems (NS=1.32%), which again essentially “flatlines”. The degree of material sensitivity for 

aspect ratio is stronger than it was for height, e.g., normalized slopes of composites is 2.2 times 

greater than the overall trend for aspect ratio, while it is only 1.3 times greater for height. 

Page 127: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  115

 

  

Figure 4.3: Relationship between aspect ratio and structural system, distinguished by source fidelity.  

Page 128: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  116

  

Figure 4.4: Relationship between aspect ratio and structural system, distinguished by material. 

 

   

Page 129: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  117

 

TABLE 4.5 

ASPECT RATIO AS GEOMETRIC SYSTEM DESCRIPTOR: STATISTICS BY SYSTEM TYPE 

  

System ID 

  

Mean 

(Coefficient of Variation, %) 

All Only QI = 1 

Sorted By Material 

Concrete  Composite  Steel Concrete and Steel 

0.0  4 

6.19 

(23.14%)  ‐‐‐‐ 

6.76

(0.00%)* 

5.62

(39.16%)  ‐‐‐‐  ‐‐‐‐ 

1.0  6 

6.00 

(25.82%) 

7.00

(0.00%) 

7.00

(0.00%) 

4.00

(0.00%)*  ‐‐‐‐  ‐‐‐‐ 

1.1  16 

7.69 

(36.13%) 

3.40

(54.33%) 

8.69

(23.64%) 

6.71

(47.41%)  ‐‐‐‐  ‐‐‐‐ 

1.2  46 

7.13 

(28.91%) 

7.80

(30.74%) 

7.41

(27.62%) 

6.39

(33.79%) 

6.55 

(13.51%) 

8.65

(23.09%) 

All Cores  68 

7.16 

(31.07%) 

7.61

(33.63%) 

7.65

(25.92%) 

6.30

(39.65%) 

6.55 

(13.51%) 

8.65

(23.09%) 

2.0  8 

8.07 

(26.89%)  ‐‐‐‐ 

8.17

(36.37%) 

6.89

(19.23%)  ‐‐‐‐ 

9.05

(2.17%) 

2.1  2 

4.42 

(38.57%)  ‐‐‐‐  ‐‐‐‐  ‐‐‐‐ 

4.42 

(38.57%)  ‐‐‐‐ 

2.2  12 

7.27 

(26.03%)  ‐‐‐‐ 

7.72

(18.26%) 

5.00

(11.75%)  ‐‐‐‐  ‐‐‐‐ 

2.3  2 

6.81 

(8.91%)  ‐‐‐‐  ‐‐‐‐ 

7.27

(8.91%) 

 

‐‐‐‐  ‐‐‐‐ 

All Tubes  24  7.07   ‐‐‐‐  7.87 6.04 4.42  9.05

Page 130: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  118

(28.55%)  (24.51%)  (21.66%)  (38.57%)  (2.17%) 

3.0  40 

7.58 

(39.74%) 

9.40

(37.99%) 

7.84

(42.08%) 

7.00

(31.91%)  ‐‐‐‐  ‐‐‐‐ 

4.0  2 

8.61 

(0.00%)*  ‐‐‐‐  ‐‐‐‐ 

8.61

(0.00%)*  ‐‐‐‐  ‐‐‐‐ 

Notes: N is number of data points for that system type;  ‐‐‐‐ indicates no data points in that category; CoV of 0.00%* indicates a single building with the same axis length  

 

4.2.3 Behavioral Descriptors: MS‐DCA 

Whereas the geometric descriptors could be defined for every building in the database, as 

stated previously in this chapter, mode shapes are currently available for only six of the 

database’s buildings. This translates into only twelve DCA measures total split among 5 

structural systems (System IDs = 1.0, 1.2, 2.2, 3.0).  As all the DCAs in this chapter are based on 

actual designer reported or published mode shapes, all have QI = 1 and thus are presented only 

distinguishing by material. However, the depth of analysis or reliability of conclusions will pale in 

comparison to those of the geometric descriptors.  

Although the accuracy of the MS‐DCA was questioned in Chapters 2 and 3, it is presented here 

as the first behavioral descriptor for completeness. Circled pairs of MS‐DCA values in Figure 4.5 

indicate that the observations are from the same building, representing its behavior on its two 

fundamental sway axes. In general, the degree of cantilever action is quite similar on both axes 

for all systems, with slight deviations in the case of the doubly augmented core and braced tube, 

though the CoVs in Table 4.6 reiterate that even these differences are quite small. This table 

also demonstrates that the scatter within the family of cores is greater than megasystems 

(23.66% vs. 14.48%), keeping in mind the limited observations available for both, though each 

individual core subclass has a low CoV. Recall from Chapter 2 that low CoVs in the MS‐DCA were 

not necessarily a favorable feature, as it indicated a lack of sensitivity in the descriptor. The core 

family also allows the examination of progression on MS‐DCA, expecting augmentations to 

increase the degree of cantilever action, which is observed between the basic core and the 

doubly augmented core (from 1.09 to 1.68). Unfortunately the limited number of observations 

does not allow any mean trends to be observed in Figure 4.5. 

 

Page 131: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  119

  

Figure 4.5: Relationship between MS‐DCA and structural system, distinguished by material. 

 

 

 

TABLE 4.6 

MS‐DCA AS BEHAVIORAL SYSTEM DESCRIPTOR: STATISTICS BY SYSTEM TYPE 

  

System 

  

Mean 

(Coefficient of Variation, %) 

Page 132: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  120

ID 

All Only QI = 

Sorted By Material 

Concrete  Composite  Steel Concrete and Steel 

0.0  0  ‐‐‐‐  ‐‐‐‐ ‐‐‐‐ ‐‐‐‐ ‐‐‐‐  ‐‐‐‐

1.0  4 

1.09 

(3.75%) 

1.09

(3.75%)

1.09

(3.75%) ‐‐‐‐ ‐‐‐‐  ‐‐‐‐

1.1  0  ‐‐‐‐  ‐‐‐‐ ‐‐‐‐ ‐‐‐‐ ‐‐‐‐  ‐‐‐‐

1.2  2 

1.68 

(2.99%) 

1.68

(2.99%)

1.68

(2.99%) ‐‐‐‐ ‐‐‐‐  ‐‐‐‐

All Cores  6 

1.29 

(23.66%) 

1.29

(23.66%)

1.29

(23.66%) ‐‐‐‐ ‐‐‐‐  ‐‐‐‐

2.0  0  ‐‐‐‐  ‐‐‐‐ ‐‐‐‐ ‐‐‐‐ ‐‐‐‐  ‐‐‐‐

2.1  0  ‐‐‐‐  ‐‐‐‐ ‐‐‐‐ ‐‐‐‐ ‐‐‐‐  ‐‐‐‐

2.2  0  ‐‐‐‐  ‐‐‐‐ ‐‐‐‐ ‐‐‐‐ ‐‐‐‐  ‐‐‐‐

2.3  2 

1.18 

(2.38%) 

1.18

(2.38%) ‐‐‐‐

1.18

(2.38%) ‐‐‐‐  ‐‐‐‐

All Tubes  2 

1.18 

(2.38%) 

1.18

(2.38%) ‐‐‐‐

1.18

(2.38%) ‐‐‐‐  ‐‐‐‐

3.0  4 

1.57 

(14.48%) 

1.57

(14.48%) ‐‐‐‐

1.57

(14.48%) ‐‐‐‐  ‐‐‐‐

4.0  0  ‐‐‐‐  ‐‐‐‐ ‐‐‐‐ ‐‐‐‐ ‐‐‐‐  ‐‐‐‐

Notes: All systems not listed in this table could not have MS‐DCAs calculated due to lack of mode shape information; ‐‐‐‐ indicates no data points in that category 

 

   

Page 133: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  121

4.2.4 Behavior Descriptors: iDCA 

The second behavior descriptor, the iDCA, is presented in Figure 4.6 (which plots the mapped 

iDCA values using Appendix A). When comparing it against Figure 4.5, it becomes clear that the 

iDCA does show greater sensitivity within a given building, underscored most significantly in the 

core and megasystem classes. Despite this, Table 4.7 reveals that the CoVs for both the families 

of cores and megasystems are lower when iDCA is employed (13.93% vs. 23.66% and 2.25% vs. 

14.48%, respectively). In particular, the megasystems essentially collapse when iDCA is used. 

Recall from Chapter 3 that the MS‐DCA was challenged in classifying the CS5’s megasystem. 

Direct comparisons of the average DCA for each class reveal that basic cores and braced tubes 

have greater cantilever action by iDCA, while megasystems have a lower degree of cantilever 

action with iDCA, and doubly augmented cores are captured nearly identically by both 

measures.   

Because the limited number of observations does not allow reliable inferences to be drawn, the 

iDCAs from all the case studies of Chapter 3, regardless of building age, are now included in the 

following iDCA analysis to demonstrate the insights that can be gained using iDCA on a 

descriptor for a more thoroughly populated database. Table 4.8 is included to show how the 

systems from the Chapter 3 Case Studies were classified under the unified vernacular presented 

in this chapter. As shown in Figure 4.7, the average values for each system class, unlike the 

geometric measures, show no discernable trend for the historical progression of systems. What 

is important to note is that the added observations maintain a fairly consistent classification of 

most of the systems: all cores (mean iDCA = 1.41 vs. 1.41) and megasystems (mean iDCA = 1.36 

vs. 1.39), helping affirm the ability of the iDCA to consistently classify different realizations of 

the same fundamental system. Moreover, even while increasing the number of data points, the 

CoVs in Table 4.9 remain under 15% with megasystems showing the least scatter, suggesting 

that iDCA does capture the mean behavior of these systems better than height and aspect ratio, 

which had higher CoVs; the only exception being the pair of tubes with braces, which show the 

highest CoV (15.26%) and the greatest change in iDCA (1.33 vs. 1.51). Interestingly, the iDCA of 

each of the major families show considerable similarities and an interesting progression: Cores 

(1.41), Tubes (1.40), and Megasystems (1.36). When considering how the cores were shown 

previously in Figure 1.7 to be achieving heights far greater than the historical hierarchies 

suggested, while the megasystems were used at lower heights, the relative degrees of cantilever 

action achieved in actual systems, as quantified in the iDCA, show consistency with this trend.  

The various trends observed in the preceding analyses will now be captured in the following 

section through modernized system hierarchies.  

 

 

Page 134: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  122

 

Figure 4.6: Relationship between iDCA and structural system, distinguished by material. 

 

 

TABLE 4.7 

iDCA AS BEHAVIORAL SYSTEM DESCRIPTOR: STATISTICS BY SYSTEM TYPE 

Page 135: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  123

  

System ID 

  

Mean 

(Coefficient of Variation, %) 

All Only QI = 

Sorted By Material 

Concrete  Composite  Steel Concrete and Steel 

0.0  0  ‐‐‐‐  ‐‐‐‐ ‐‐‐‐ ‐‐‐‐ ‐‐‐‐  ‐‐‐‐

1.0  4 

1.30 

(9.78%) 

1.30

(9.78%)

1.30

(9.78%) ‐‐‐‐ ‐‐‐‐  ‐‐‐‐

1.1  0  ‐‐‐‐  ‐‐‐‐ ‐‐‐‐ ‐‐‐‐ ‐‐‐‐  ‐‐‐‐

1.2  2 

1.63 

(3.72%) 

1.63

(3.72%)

1.63

(3.72%) ‐‐‐‐ ‐‐‐‐  ‐‐‐‐

All Cores  6 

1.41 

(13.93%) 

1.41

(13.93%)

1.41

(13.93%) ‐‐‐‐ ‐‐‐‐  ‐‐‐‐

2.0  0  ‐‐‐‐  ‐‐‐‐ ‐‐‐‐ ‐‐‐‐ ‐‐‐‐  ‐‐‐‐

2.1  0  ‐‐‐‐  ‐‐‐‐ ‐‐‐‐ ‐‐‐‐ ‐‐‐‐  ‐‐‐‐

2.2  0  ‐‐‐‐  ‐‐‐‐ ‐‐‐‐ ‐‐‐‐ ‐‐‐‐  ‐‐‐‐

2.3  2 

1.33 

(0.97%) 

1.33

(0.97%) ‐‐‐‐

1.33

(0.97%) ‐‐‐‐  ‐‐‐‐

All Tubes  2 

1.33 

(0.97%) 

1.33

(0.97%) ‐‐‐‐

1.33

(0.97%) ‐‐‐‐  ‐‐‐‐

3.0  4 

1.39 

(2.25%) 

1.39

(2.25%) ‐‐‐‐

1.39

(2.25%) ‐‐‐‐  ‐‐‐‐

4.0  0  ‐‐‐‐  ‐‐‐‐ ‐‐‐‐ ‐‐‐‐ ‐‐‐‐  ‐‐‐‐

Notes: All systems not listed in this table could not have iDCAs calculated due to lack of mode shape information; ‐‐‐‐ indicates no data points in that category 

 

 

Page 136: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  124

TABLE 4.8 

SYSTEM CLASSIFICATION OF CHAPTER 3 CASE STUDIES 

Building  System ID

CS3  3.0

CS7  1.2

CS10  1.2

CS4  3.0

CS1  2.3

CS8  2.1

CS2  2.2

CS5  3.0

CS9  1.2

CS6  1.2

 

 

 

  

Figure 4.7: Relationship between iDCA and structural system, distinguished by material (including Chapter 3 Case Studies). 

Page 137: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  125

   

Page 138: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  126

TABLE 4.9 

MS‐DCA AS BEHAVIORAL SYSTEM DESCRIPTOR: STATISTICS BY SYSTEM TYPE (INCLUDING 

CHAPTER 3 CASE STUDIES) 

  

System ID 

  

Mean 

(Coefficient of Variation, %) 

All Only QI = 

Sorted By Material 

Concrete  Composite  Steel Concrete and 

Steel 

0.0  0  ‐‐‐‐  ‐‐‐‐ ‐‐‐‐ ‐‐‐‐ ‐‐‐‐  ‐‐‐‐

1.0  4 

1.30 

(9.78%) 

1.30

(9.78%)

1.30

(9.78%) ‐‐‐‐ ‐‐‐‐  ‐‐‐‐

1.1  0  ‐‐‐‐  ‐‐‐‐ ‐‐‐‐ ‐‐‐‐ ‐‐‐‐  ‐‐‐‐

1.2  8 

1.47 

(11.71%) 

1.47

(11.71%)

1.47

(11.71%) ‐‐‐‐ ‐‐‐‐  ‐‐‐‐

All Cores  10 

1.41 

(12.25%) 

1.41

(12.25%)

1.41

(12.25%) ‐‐‐‐ ‐‐‐‐  ‐‐‐‐

2.0  0  ‐‐‐‐  ‐‐‐‐ ‐‐‐‐ ‐‐‐‐ ‐‐‐‐  ‐‐‐‐

2.1  2 

1.32 

(0.00%) 

1.32

(0.00%) ‐‐‐‐

1.32

(0.00%) ‐‐‐‐  ‐‐‐‐

2.2  2 

1.26 

(3.84%) 

1.26

(3.84%) ‐‐‐‐ ‐‐‐‐

1.26 

(3.84%)  ‐‐‐‐

2.3  4 

1.51 

(15.26%) 

1.51

(15.26%) ‐‐‐‐

1.32

(9.69%)

1.69 

(10.23%)  ‐‐‐‐

All Tubes  8 

1.40 

(13.74%) 

1.40

(13.74%) ‐‐‐‐

1.33

(0.58%)

1.47 

(18.20%)  ‐‐‐‐

3.0  5 

1.36 

(10.09%) 

1.36

(10.09%) ‐‐‐‐

1.36

(10.09%) ‐‐‐‐  ‐‐‐‐

4.0  0  ‐‐‐‐  ‐‐‐‐ ‐‐‐‐ ‐‐‐‐ ‐‐‐‐  ‐‐‐‐

Notes: All systems not listed in this table could not have iDCAs calculated due to lack of mode shape information; ‐‐‐‐ indicates no data points in that category 

Page 139: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  127

 

4.3 Modern System Hierarchies 

The classical system hierarchies proposed a progression of systems based on the number of 

stories (see Figure 1.2 and Figure 1.3). The database assembled in this chapter now provides the 

ability to examine whether this progression is indeed consistent with modern practice, and what 

descriptors best characterize modern systems. For this exercise, both geometric descriptors and 

one behavioral descriptor (iDCA, including all Chapter 3 Case Study buildings) will be examined. 

The historical hierarchy, essentially parameterizing systems by height, resulted in the 

progression of systems captured in Table 4.3 and repeated on the x‐axis of the figures in Section 

4.2. The analyses in Section 4.2.1 already underscored major deviations between modern 

systems and this height‐based hierarchy. To quantify this further, a modern data‐driven 

hierarchy with height as a descriptor is presented in Figure 4.8. Note that in this figure and the 

others that follow, each system icon is sized vertically to plot its average value of the descriptor 

in question, along with error bars indicating one standard deviation from this mean value. These 

charts will not consider the basic system (System ID = 0.0), as it is uncommon for tall buildings. It 

should also be cautioned that there is a single diagrid in the database, which is included in the 

charts but should be interpreted with caution.   

What is most striking from Figure 4.8, compared to the traditional progression of cores → tubes 

→ megasystems, is how drama cally cores have advanced in the progression, at the expense of 

tubes. Similarly, note how megasystems and doubly augmented cores are essentially side by 

side in the modern hierarchy, as companion systems for the tallest of modern buildings, which 

makes heuristic sense considering both follow the basic formula of stiff central core linked to 

stiff perimeter elements.  

 

Page 140: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  128

 

Figure 4.8: Modernized hierarchy, parameterized by height. 

Using aspect ratio, a measure of slenderness, as the descriptor yields a different 

hierarchy shown in Figure 4.9. In this progression, the three linked systems cluster together in 

the mid‐range of slenderness, while cores and tubes are the preferred systems among the 

slenderest systems. The tube‐in‐tube remains the starting point for the progression by aspect 

ratio, as was the case with height, while the single diagrid holds the top position in both 

progressions. 

Page 141: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  129

 

Figure 4.9: Modernized hierarchy parameterized by aspect ratio (slenderness). 

Interestingly, moving away from geometric descriptors toward a behavioral descriptor 

like iDCA produces a distinctly different hierarchy shown in Figure 4.10. Note that not all 

systems could have iDCAs calculated for them. However, these systems are still included in the 

hierarchy but in muted tones at hypothetical positions. The most striking observation is the 

extent to which megasystems are now viewed as almost a foundational system with respect to 

cantilever behavior, even though they were conceived to be one of the most efficient structural 

typologies. This could be, in great measure, due to the fact that these growingly popular systems 

are not being implemented in the purest sense envisioned by Khan or when doing so, there is a 

Page 142: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  130

failure to effectively arrest shear lag. Linked tubes similarly lie early in the progression, which is 

understandable considering their heavy reliance on deep beams as the transfer mechanism 

within the system, generating a great proportion of frame action. The highest cantilevered 

systems in practice are actually the braced tube and doubly augmented core systems, each able 

to achieve a highly cantilevered behavior dominated by axial shortening. Such elevation of the 

core is in striking contrast to the historical hierarchy in Table 4.3, but not unexpected 

considering the heights these systems now achieve, most notably through the buttressed core. 

This reveals how greatly the engineering of this system and the advances in high strength 

concrete have enabled it, in recent decades, to achieve the behavior necessary to rationalize its 

use at once unheard of heights.  

Page 143: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  131

 

Figure 4.10: Modernized hierarchy parameterized by degree of cantilever action (iDCA). 

4.4 Summary 

This chapter populated a database with modern tall buildings to explore the ability of both 

geometric (height and aspect ratio) and behavioral (DCA) descriptors to classify their lateral 

systems and enable the conception of modernized, data‐driven hierarchies for tall buildings. 

These were compared to the historical hypothesized progression of cores → tubes → 

megasystems, with various intermediate augmentations.  The major findings of this chapter can 

be summarized as follows: 

1. The family of cores was found to consistently “over perform,” realizing heights far 

greater than the historical progression of systems ever imagined. All descriptors were 

able to capture the heuristic understating of core augmentations facilitating greater 

heights, slendernesses and efficiencies, respectively.  

Page 144: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  132

2. Conversely, the heuristic progression of augmentation within tubes did not correlate 

with increasing height or aspect ratio in modern tall buildings, though plain tubes did 

realize the greatest average aspect ratio of all systems.  

3. The family of megasystems has grown in popularity, but they are being employed at 

heights much shorter than historical progression assumed, likely due to their 

implementation in forms that deviate from Khan’s purist conception of this system.   

4. With respect to material, reinforced concrete showed no correlation between historical 

progression and increasing height or aspect ratio; though composite systems did show 

positive correlation, more so for aspect ratio. 

5. The iDCA proved to have the lowest degree of scatter of the descriptors, maintaining its 

consistency even as more buildings were added to each system class. This suggests that 

iDCA may indeed characterize systems more effectively than height or aspect ratio, as 

hypothesized by this thesis. Moreover, the iDCA was shown to increase for system 

families in the following order: megasystems → tubes → cores, which is consistent with 

the pattern in average height among modern systems. This suggests that iDCA may 

indeed be a direct surrogate for the behavior of these systems, as it corroborates the 

companion trend in the heights they are able to realize on average.   

6. When exploring the proposed modernized, data‐driven hierarchies, the traditional 

progression of cores → tubes → megasystems is certainly not observed. Instead, each 

basic system and its augmentations tend to scatter throughout the progressions 

suggested by each descriptor. Regardless of the order or the descriptor, what is 

important to note is how dramatically cores have advanced in each progression. Height‐

based hierarchies tend toward megasystems and their sister system, the doubly 

augmented core, while aspect‐ratio or slenderness‐based hierarchies trend toward 

cores and tubes. Meanwhile, behavioral‐based hierarchies, which measure system 

cantilever efficiency, perhaps surprisingly to some, begin with linked tubes, while the 

highest cantilevered system is the doubly augmented core and the braced tube system.  

This last observation is the ultimate testimony to how what was once only a foundational 

system in the historical height‐based hierarchy has now become the single most popular system 

for tall buildings constructed over the last decade, achieving one of the greatest average 

efficiencies to sit atop the modern hierarchy. This has lead to the conclusion that these 

hierarchies not only reflect the trends in design based on engineering principles but also 

developer trends. Developers want to maximize space for their concrete, mixed‐use buildings 

resulting in a return to the core systems to allow for vertically discontinuous systems with space 

for large exterior views on residential levels. Chapter 5 will now explore how this database and 

its modern hierarchies can be expanded and refined with time to continue to capture the 

evolution of modern systems in the future. 

Page 145: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  133

CHAPTER 5:  CONCLUSIONS AND FUTURE WORK 

5.1 Research Summary 

The main goal of this thesis was to create a modernized hierarchy of structural systems, not 

from first principles or theory, but actually from practice by mining the attributes of constructed 

systems already in existence. Because of the diversity of modern systems, an amply robust 

descriptor of system behavior was required. This research elected to utilize the degree of 

cantilever action (DCA) as this descriptor, focusing on alternate methods for its quantification, 

validated against previous DCA descriptors. As such, this research had the following objectives: 

1. Develop a robust descriptor suitable for heterogeneous systems that is simple 

to extract, i.e., requires little effort on the part of cooperating designers 

2. Validate the proposed descriptors against previous DCAs using case studies of 

existing tall buildings 

3. Populate a comprehensive database of recently built tall buildings with diverse 

systems, including significant details that are publically available, as well as 

geometric (height, aspect ratio) and DCA descriptors explored in Objective 2 

4. Create a modern hierarchy of systems by mining the database assembled in 

Objective 3, revealing underlying trends that can guide future system selection.  

This chapter will summarize the progress made toward each of these objectives.  

5.2 DCA Development 

In the past, hierarchies used geometric descriptors to quantify a system’s behavior. As expected, 

these descriptors (height and aspect ratio) were not sufficiently robust and lacked the sensitivity 

necessary to distinguish diverse systems, e.g., a myriad of systems could be used for any given 

height. Bentz (2012) proposed the classification of systems based on their degree of cantilever 

action, quantified using both fundamental mode shapes and finite element models. Chapter 2 of 

this thesis noted that mode shapes, while potentially lower in fidelity than an artifact obtained 

directly from the force distribution in the finite element model, required less complicated 

extraction procedures and were more readily available. Therefore the mode shape was 

recommended in this thesis as the basis of a new DCA, which compared the floor‐to‐floor slope 

density of the mode shape in question to that of an ideal cantilever by way of the Hellinger 

distance. This measure, the integral DCA (iDCA), was vetted against the historical mean‐square 

DCA (MS‐DCA) using both simulated and actual case study mode shapes for tall buildings. 

Page 146: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  134

5.2.1 iDCA Verification 

Verification studies in Chapters 2 and 3 underscored the limitations posed by the MS‐DCA’s 

global best‐fit approach. In contrast, the iDCA offered greater sensitivity to localized variations 

in mode shapes, by virtue of its use of the slopes of the mode shape at each floor. By analyzing 

these local behaviors, the iDCA was able to detect subtle modulations in the mode shapes that 

the MS‐DCA could not. From these verifications, which included simulated systemic 

discontinuities progressing from an ideal cantilever to an ideal shear building (and vice versa) in 

varying proportions, simulated outriggers, and actual tall building mode shapes, this thesis 

formulated four major conclusions: 

1. While both DCA measures were influenced by the base behavior of the mode 

shape, the MS‐DCA was excessively biased toward the base behavior in its best‐

fit, often leading to a misclassification of the system.  

2. Continuous mode shapes or those with progressive discontinuities (modulations 

in the mode shape where the behavior before and after the discontinuity is 

unchanged) were well classified by both measures. 

3. The MS‐DCA’s ability to accurately classify systems was significantly 

compromised when the mode shape exhibited strong intermittent 

discontinuities (pronounced modulations recurring over height due to certain 

repeating structural features) or behavioral change due to large architectural 

spires. 

4. Overall, the iDCA showed greater sensitivity, detecting slight variations in the 

degree of cantilever action within subclasses of systems. 

Therefore, from these conclusions, it was determined that the MS‐DCA was not robust enough 

to handle a wide range of mode shape behaviors typified by modern structural systems. 

Moreover, as proven by a host of both real‐world and simulated examples, the iDCA proved to 

not only provide the necessary robustness while still maintaining the sensitivity necessary to 

identify subtle differences between similar buildings, but also proved consistent with the 

heuristic understanding of structural behavior. Thus, the iDCA was recommended as the 

preferred measure of degree of cantilever action. 

5.3 Database Population 

In Chapter 4, a database of 75 recently constructed tall buildings was populated using various 

structural (system classification, material) and geometric descriptors (height, aspect ratio) and 

DCA measures derived from mode shapes, in order to identify trends within subsets of modern 

systems. A common vernacular was established to group tall building systems into general 

families of cores, tubes, megasystems and diagrids, within which various augmentations were 

presented, e.g., Core + Exterior System and Tube + Bracing. The database was initially populated 

from CTBUH and Emporis skyscraper databases, and supplemented by other publically available 

data sources. While height and material were consistently available for each building in the 

database, the aspect ratio, system and mode shapes often had to be gathered from unpublished 

sources.  

Page 147: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  135

In such instances, the aspect ratio, which was described in this thesis as the height divided by 

the mode of the cross‐sectional width, was found secondarily by extracting scaled building 

geometries from Google Earth’s satellite imagery, which was verified in Chapter 4 to be highly 

accurate. The secondary method for discerning structural system was to classify the system 

based upon images of the structure during construction at stages when primary elements were 

visible. Mode shapes were taken from the literature or received directly from participating 

designers, though in some cases, their contributions were not received in a timely manner, thus 

limiting the number of buildings for which the DCAs could be extracted. 

5.3.1 Modernized System Hierarchies 

The systems within the database were statistically and graphically analyzed when classified by 

their geometric (height and aspect ratio) and behavioral (iDCA) descriptors to observe any 

trends relative to Khan’s historical progression (cores → tubes → megasystems). From these 

comparisons, this thesis framed four major conclusions:  

1. As a family, cores were found to exceed historical expectations: achieving 

greater heights, slendernesses, and efficiencies following the heuristic 

understanding of the impacts of its progressive augmentations. Conversely, the 

tube family did not show increases in the descriptors when augmentations were 

used. Lastly, while the family of megasystems has grown in popularity, they are 

being employed at heights far shorter than the historical progression assumed.   

2. With respect to material, reinforced concrete showed no correlation between 

the historical system progression and increasing height or aspect ratio, though 

composite systems did show positive correlation, more so for aspect ratio. (Due 

to limited number of mode shapes, similar conclusions could not be drawn for 

the iDCA). 

3. The iDCA proved to have the lowest degree of scatter of the descriptors, 

maintaining its consistency even as more buildings (from the Chapter 3 Case 

Studies) were added to each system class, suggesting that iDCA may indeed 

characterize systems more effectively than height or aspect ratio. Moreover, the 

iDCA was shown to increase for system families in the following order: 

megasystems → tubes → cores, which is consistent with the pa ern in average 

height among modern systems. This suggests that iDCA may indeed be a direct 

surrogate for the behavior realized by these systems, as it corroborates the 

companion trend in the heights they are able to realize on average.  

4. The proposed modern hierarchies did not follow the traditional progression of 

systems. Instead, each basic system and its augmentations tended to scatter 

throughout the progressions suggested by each descriptor. Regardless of the 

order or the descriptor, the most important realization was how dramatically 

cores have advanced in each progression. Height‐based hierarchies trended 

toward megasystems and their sister system: the doubly augmented core (Core 

+ Ext. System + Links), while aspect‐ratio or slenderness‐based hierarchies 

trended toward cores and tubes. The behavioral‐based hierarchies trended from 

Page 148: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  136

linked tubes to megasystems to the doubly augmented core and the braced 

tube. 

Therefore, while there were not enough mode shapes to establish a fully‐populated modern 

hierarchy, these conclusions prove that the parameterization developed in this thesis is capable 

of capturing the mean behavior of systems better than the historically popularized geometric 

descriptors. Furthermore this thesis has successfully established a database structure and 

process for extracting a modern hierarchy that can be dynamically updated in the future.  

5.4 Future Work 

While many important conclusions were made through the work of this thesis, there are still 

many areas to explore to further the community’s knowledge base for modern structural 

systems in tall buildings. These areas will now be presented. 

5.4.1 iDCA Refinement 

While the DCA measure proposed in this thesis was more robust than previous measures, it 

required extra steps in extraction that could be refined. In particular, the iDCA produced values 

that ranged from roughly 0.2 to 1.0, by definition. While this isn’t necessarily a flaw, it resulted 

in the requirement of a mapping, discussed in Chapter 2 and reported in Appendix A, which 

could be avoided if its limits were redefined.  

Furthermore, while the comparison of the distributions of floor‐to‐floor slopes of the mode 

shape in question to the ideal cantilever proved to have higher fidelity than the previously 

defined MS‐DCA, exploration into other DCA measures is recommended. The iDCA was very 

sensitive to behaviors at the base of the mode shape as this is where the cantilever slopes are 

very high, which had the ability to bias the measure slightly. Finding a DCA that achieves a 

balance between capturing global behaviors and the sensitivity to capture local features could 

result in a DCA less susceptible to that local biasing. Additionally, as the distribution of slopes is 

not sensitive to the spatial variation of the slope, changes in concavity or irregular distribution of 

curvatures could be erroneously classified by the iDCA. Therefore, alternate definitions of DCA 

that are less susceptible to these less common anomalies could be proposed. In particular, 

exploration into the use of the Sobolov Norm to find differences between the derivative of the 

mode shape in question and that of an ideal cantilever or using influence functions in lieu of the 

mode shape to quantify the degree of cantilever action may be worthwhile.  

5.4.2 Database Expansion and Virtualization 

While the current database encompasses a wide range of heights and systems, more mode 

shapes need to be obtained to enhance its utility and the value of the trends it identified or 

expose new trends altogether. This would result in a much more qualified data‐driven hierarchy 

and further the understanding of system behavior. Additionally, the database should be further 

expanded to investigate the influence of building function on trends as well as those due to 

region. It is important to note that the true value of this thesis is in the framework it offers and 

not necessarily the hierarchy or trends that surfaced from its initial database presented in 

Page 149: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  137

Chapter 4. Instead, this database should be continually updated as new buildings are 

constructed. As such, moving the database into a web environment where it can constantly 

evolve and be dynamically explored by users and even directly populated by designers would 

create the greatest value and possibility for impact, particularly as paradigm shifts in system 

typologies occur.  

Furthermore, while this thesis has provided a uniform vernacular for structural systems, criteria 

for the vernacular needs to be formalized. Designers populating the database would then be 

able to accurately classify the system being uploaded from this criteria resulting in more reliable 

input and thus more reliable trends to extract.  

Page 150: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  138

APPENDIX A: 

IDCA MAPPING  

To facilitate comparisons between the two DCA measures introduced in Chapter 2, iDCAs are 

often mapped to their equivalent MS‐DCA values. This mapping can be facilitated by taking the 

average iDCA values from the three test buildings reported for each mode shape power (MS‐

DCA value) in Table 2.1.  A look up tool (Table A.1) was then created to map MS‐DCA values at 

increments of 0.05 to their iDCA equivalents, linearly interpolating between the values taken 

from Table 2.1 (shaded in grey in Table A.1).  

Page 151: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  139

TABLE A.1 

LOOK‐UP TABLE FOR MS‐DCA TO iDCA MAPPING 

MS‐DCA  iDCA  MS‐DCA  iDCA  MS‐DCA  iDCA 

1.0000  0.1898 1.1650 0.3431 1.3300  0.4781

1.0050  0.1945 1.1700 0.3475 1.3350  0.4818

1.0100  0.1992 1.1750 0.3520 1.3400  0.4855

1.0150  0.2039 1.1800 0.3564 1.3450  0.4893

1.0200  0.2086 1.1850 0.3608 1.3500  0.4930

1.0250  0.2134 1.1900 0.3653 1.3550  0.4967

1.0300  0.2181 1.1950 0.3697 1.3600  0.5004

1.0350  0.2228 1.2000 0.3741 1.3650  0.5042

1.0400  0.2275 1.2050 0.3786 1.3700  0.5079

1.0450  0.2322 1.2100 0.3830 1.3750  0.5116

1.0500  0.2369 1.2150 0.3874 1.3800  0.5150

1.0550  0.2416 1.2200 0.3919 1.3850  0.5183

1.0600  0.2463 1.2250 0.3963 1.3900  0.5217

1.0650  0.2511 1.2300 0.4008 1.3950  0.5250

1.0700  0.2558 1.2350 0.4052 1.4000  0.5284

1.0750  0.2605 1.2400 0.4096 1.4050  0.5317

1.0800  0.2652 1.2450 0.4141 1.4100  0.5351

1.0850  0.2699 1.2500 0.4185 1.4150  0.5384

1.0900  0.2746 1.2550 0.4222 1.4200  0.5418

1.0950  0.2793 1.2600 0.4259 1.4250  0.5451

1.1000  0.2840 1.2650 0.4297 1.4300  0.5485

1.1050  0.2888 1.2700 0.4334 1.4350  0.5518

1.1100  0.2935 1.2750 0.4371 1.4400  0.5552

1.1150  0.2982 1.2800 0.4408 1.4450  0.5585

Page 152: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  140

1.1200  0.3029 1.2850 0.4446 1.4500  0.5619

1.1250  0.3076 1.2900 0.4483 1.4550  0.5652

1.1300  0.3120 1.2950 0.4520 1.4600  0.5686

1.1350  0.3165 1.3000 0.4557 1.4650  0.5719

1.1400  0.3209 1.3050 0.4595 1.4700  0.5753

1.1450  0.3253 1.3100 0.4632 1.4750  0.5786

1.1500  0.3298 1.3150 0.4669 1.4800  0.5820

1.1550  0.3342 1.3200 0.4706 1.4850  0.5853

1.1600  0.3387 1.3250 0.4744 1.4900  0.5887

TABLE A.1 (CON’T) 

LOOK‐UP TABLE FOR MS‐DCA TO IDCA MAPPING 

MS‐DCA  iDCA  MS‐DCA  iDCA  MS‐DCA  iDCA 

1.4950  0.5920 1.6650 0.6760 1.8350  0.7252

1.5000  0.5954 1.6700 0.6778 1.8400  0.7263

1.5050  0.5981 1.6750 0.6796 1.8450  0.7275

1.5100  0.6007 1.6800 0.6813 1.8500  0.7286

1.5150  0.6034 1.6850 0.6831 1.8550  0.7298

1.5200  0.6061 1.6900 0.6848 1.8600  0.7309

1.5250  0.6087 1.6950 0.6866 1.8650  0.7320

1.5300  0.6114 1.7000 0.6883 1.8700  0.7332

1.5350  0.6140 1.7050 0.6901 1.8750  0.7343

1.5400  0.6167 1.7100 0.6919 1.8800  0.7447

1.5450  0.6194 1.7150 0.6936 1.8850  0.7551

1.5500  0.6220 1.7200 0.6954 1.8900  0.7656

1.5550  0.6247 1.7250 0.6971 1.8950  0.7760

1.5600  0.6274 1.7300 0.6989 1.9000  0.7864

1.5650  0.6300 1.7350 0.7006 1.9050  0.7968

1.5700  0.6327 1.7400 0.7024 1.9100  0.8073

1.5750  0.6354 1.7450 0.7041 1.9150  0.8177

Page 153: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  141

1.5800  0.6380 1.7500 0.7059 1.9200  0.8281

1.5850  0.6407 1.7550 0.7070 1.9250  0.8385

1.5900  0.6434 1.7600 0.7082 1.9300  0.8490

1.5950  0.6460 1.7650 0.7093 1.9350  0.8594

1.6000  0.6487 1.7700 0.7104 1.9400  0.8698

1.6050  0.6513 1.7750 0.7116 1.9450  0.8802

1.6100  0.6540 1.7800 0.7127 1.9500  0.8907

1.6150  0.6567 1.7850 0.7139 1.9550  0.9011

1.6200  0.6593 1.7900 0.7150 1.9600  0.9115

1.6250  0.6620 1.7950 0.7161 1.9650  0.9219

1.6300  0.6638 1.8000 0.7173 1.9700  0.9324

1.6350  0.6655 1.8050 0.7184 1.9750  0.9428

1.6400  0.6673 1.8100 0.7195 1.9800  0.9532

1.6450  0.6690 1.8150 0.7207 1.9850  0.9636

1.6500  0.6708 1.8200 0.7218 1.9900  0.9741

1.6550  0.6725 1.8250 0.7229 1.9950  0.9845

1.6600  0.6743 1.8300 0.7241 2.0000  0.9949

 

Page 154: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  142

APPENDIX B: 

SUPPLEMENTARY CASE STUDIES  

In the process of developing the Chapter 3 case studies, mode shapes from in‐house finite 

element models were initially evaluated. Their basis on limited publically available information 

raised questions surrounding their accuracy, causing the author to seek other sources of mode 

shapes in the literature. If successful, those buildings were retained in the Chapter 3 case 

studies using published mode shape data. If unsuccessful, the case study was completely 

eliminated from Chapter 3, e.g., Central Plaza and John Hancock Tower (Boston). For 

completeness, this appendix contains these initial analyses of in‐house finite element model 

mode shapes using the same format introduced previously at the beginning of Section 3.2.  

B. 1 CS3 Case Study 

The CS3 is included in Chapter 3 (see Section 3.2.3); as such discussion of the structural system is 

not repeated. The in‐house finite element model yielded a first mode that is highly cantilever in 

the lower half of the building transitioning to one that is progressively more shear dominated at 

the upper elevations. This is in significant contrast to the mode shape from the lumped mass 

model (see Figure B.1). While the EMS‐DCA (Figure B.1‐c) suggests an overall less cantilever 

structure, immediately following the introduction of the central column, it is considerably more 

cantilever, until the next truncation. This results in a median error of ‐7.63%, which leads to the 

expectation that the iDCA would be less cantilever than the MS‐DCA, a prediction that is indeed 

reflected in the actual iDCA, whose deviation from the ideal cantilever is twice as much as the 

MS‐DCA’s. In the case of Mode 2, the in‐house model agrees much better with the lumped mass 

model mode shape (Figure B.2). This mode shape does not possess the sharp transition in 

curvature near the mid‐height noted in the in‐house model’s first mode (see Figure 3.9‐b). As 

such, the EMS‐DCA, despite being significantly errant near the base of the structure (Figure B.2‐c), 

has a median error of only 4.86%, suggesting a slightly more cantilever structure than the MS‐

DCA predicts. This is consistent with the actual iDCA in Figure B.2‐d. Note that for both modes, 

the in‐house model tends to predict a greater degree of cantilever action than was observed in 

the lumped mass model’s mode shapes (Figure B.1 and Figure B.2). 

Page 155: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

 

Figure B.1: CS3’s first mode (a) mode shape with power fit, (b) EMS‐DCA, and (c) DCA comparison. 

(a) (b) 

(c) 

179 

Page 156: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

 

Figure B.2: CS3’s second mode (a) mode shape with power fit, (b) EMS‐DCA, and (c) DCA comparison.

(a)    (c) 

(b) 

180 

Page 157: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  145

B. 2 Central Plaza Case Study 

Central Plaza’s structural system consists of a triangular tube with a reinforced concrete core for 

a so‐called “tube in tube” system. While Central Plaza does not have any enhancements to 

mitigate shear lag in its perimeter tube, any cantilever action is assumed to be strongly derived 

from its slender concrete core. The floor plan is consistent for the main section of the office 

building, with a larger floor plan at the podium level. The structural system then transitions so 

that the upper 15% of the building is a MRF and cap truss system over the mechanical levels, 

supporting the mast (Setya et al.), which is expected to cause a discernable shift in the mode 

shape curvature. From an internally produced FEM, the first two sway modes were found to be 

coupled, responding at 45 inclines with respect to the primary axes assumed when generating 

the model, as shown by the plan views in from this FEM in Figure B.3. The mode shapes 

generated from this FEM can be seen in Figure B. 4‐b and Figure B.5‐b, but as they could not be 

corroborated by other sources, this case study could not be included in Chapter 3. In the case of 

both modes, the best‐fit power law biases toward the idealized cantilever form, increasingly 

deviating with height from the actual mode shape, which becomes increasingly linear in the 

MRF/cap truss region. The overlaid horizontal lines indicate the points of transition in the 

structure (podium level to office tower and beginning of MRF).  To examine the implications of 

the abrupt discontinuity introduced by a fundamental change in structural system and 

construction material, the mode shapes are reassessed neglecting the cap truss (Figure B.6 and 

Figure B.7), as done to other case studies in Chapter 3. The reanalysis shows that even without 

the linear section at the top of the mode shapes, similar to the case studies in Chapter 3, the 

removal of the cap truss does not significantly affect the classification of the system by either 

DCA.  

Note that the EMS‐DCA is quite significant at the lower levels (0.15H to 0.30H), exceeding 800% in 

some cases. To avoid biasing the entire plot, these data points are not shown in the current view 

in Figure B. 4‐c to Figure B.7‐c. In all modes, the iDCA is predicted to be less cantilever than the 

MS‐DCA suggests, moving appropriately out of the “hyper‐cantilever” range and into the range 

common to cantilever‐dominated structures. The actual iDCAs are consistent with this trend, 

with the iDCAs of the structures without the cap trusses displaying more cantilever behavior, as 

observed in Chapter 3. This is to be expected as the cap truss behavior increases the overall 

percentage of shear behavior, thus affirming iDCA’s ability to capture these subtleties. Although 

the structural system does not have features unique to one axis, thus being a “symmetric” 

structural system, the MS‐DCA shows more marked disagreement with the iDCA in Mode 2 with 

aDCA of ‐532% in the first mode compared to ‐634% in Mode 2. Interestingly, these error trends 

reverse and increase when the cap truss is removed  

(‐943% in Mode 1, ‐881% in Mode 2). Thus, even when compensating for the potential effects of 

the cap truss, the discrepancies between the two DCAs are still significant and were the worst of 

any of the case studies in Chapter 3; they may be a more extreme case of what was observed in 

Shanghai World Financial Center and CS7, where there was considerable biasing by base 

behaviors, which appears to be evident from subplot (b) in Figure B. 4 to Figure B.7.   While the 

finite element model is again not reliable enough to officially include in Chapter 3, this case 

study had the most significant difference between the DCAs (DCA), reaffirming the conclusion 

in Chapter 3 regarding the potential for bias of the MS‐DCA based on behaviors that are 

Page 158: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  146

unique to the base region, commonly seen in systemically discontinuous systems. From this 

case study and that of Shanghai World Financial Center, this appears to be the discontinuity 

that has the most severe impact on MS‐DCA performance. 

 

Figure B.3:  Axis assignment of Central Plaza (Bentz 2012). 

Page 159: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

 

 

Figure B. 4: Central Plaza’s first mode (a) mode shape with power fit, (b) EMS‐DCA, and (c) DCA comparison. 

(a)  (b)  (c) 

184 

Page 160: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

 

 

Figure B.5: Central Plaza’s second mode (a) mode shape with power fit, (b) EMS‐DCA, and (c) DCA comparison. 

(a)  (b)  (c) 

185 

Page 161: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

 

 

Figure B.6: Central Plaza’s first mode without cap truss (a) mode shape with power fit, (b) EMS‐DCA, and (c) DCA comparison. 

(a) 

(b) 

(c) 

186 

Page 162: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

 

 

Figure B.7: Central Plaza’s second mode without cap truss (a) mode shape with power fit, (b) EMS‐DCA, and (c) DCA comparison.

(a)  (b)  (c) 

187 

Page 163: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  151

B. 3 CS4 Case Study 

As CS4 is presented fully in Section 3.2.4, its details will not be repeated here. The mode shapes 

from an internally developed FEM without the full cap truss region are presented in Figure B.8 

and Figure B.9, where Mode 1 corresponds to lateral sway along the y‐axis and Mode 2 along 

the x‐axis. The overlaid lines designate critical locations (from bottom to top: outrigger 1, 

outrigger 2, start of atrium, cap truss). Note when compared to Figure 3.15, the mode shapes 

from the in‐house finite element model show considerable distortions in the atrium region, 

indicating the assumptions made in modeling this particularly complex feature of the building 

were not appropriate. Nevertheless, these mode shapes simulate a form of intermittent 

discontinuity that previously proved troublesome for the MS‐DCA. This kind of intermittent 

discontinuity can be observed in Mode 2 to cause the MS‐DCA to overestimate the degree of 

cantilever action at the base and top and underestimate the degree of cantilever action 

elsewhere. In contrast, for Mode 1 the MS‐DCA consistently overestimates the degree of 

cantilever action.  Based on the median EMS‐DCA, Mode 1 was predicted to be less cantilever than 

the MS‐DCA suggests; however, the actual iDCA is nearly identical to the MS‐DCA (within 4%). 

On the other hand, the median errors in Mode 2 suggest that the MS‐DCA slightly overestimates 

the degree of cantilever action, though the resulting iDCA is within 17% of the MS‐DCA. Thus 

this case study represents an interesting situation where the MS‐DCA was not expected to 

capture the degree of cantilever action accurately, yet agrees quite well with the iDCA, but 

reasons for this are difficult to discern since the physical significance of the mode shapes were 

questionable.    

Page 164: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

 

 

Figure B.8:  CS4’s first mode (a) mode shape with power fit, (b) EMS‐DCA, and (c) DCA comparison. 

(a)  (b)  (c) 

189 

Page 165: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

 

 

Figure B.9:  CS4’s second mode (a) mode shape with power fit, (b) EMS‐DCA, and (c) DCA comparison.

(a)  (b) 

(c) 

190 

Page 166: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

  154

B. 4 John Hancock Tower Case Study 

The John Hancock Tower in Boston employs a MRF as its primary lateral system, with a steel 

core supporting its gravity loads  (Blanchet 2013). The tower has an elongated floor plan with a 

unique notched trapezoidal shape, shown in Figure B.10, with the structural system and floor 

plan being continuous with height. The more slender aspect ratio for the y‐axis would suggest 

the structure would manifest a greater degree of cantilever action in this axis. An internally 

generated FEM was created for this building, with modes shown in Figure B.11‐b and Figure 

B.12‐b, but unfortunately could not be included in Chapter 3 due to a lack of published evidence 

to corroborate them. The first mode interestingly has a best‐fit power less than 1, which was 

unexpected and suggested that modeling assumptions were not valid.  The second mode is 

shows a more reasonable behavior, with shear dominated deformation mechanisms consistent 

with an MRF system. Given the concerns surrounding the accuracy of the first mode shape in 

this in‐house model, only the second mode will be discussed herein. 

Figure B.10:  John Hancock Tower’s general floor plan (Blanchet 2013). 

Note the consistency of EMS‐DCA over the height (Figure B.12‐c). Based on the median error, the 

iDCA is predicted to be more shear dominated than the MS‐DCA, consistent with the actual 

iDCA, which was actually in a good agreement with the MS‐DCA (within 13% of one another). 

This case study represents a continuous structural system with no irregularities in plan in its 

primary office tower (the structure does have a podium level that was not modeled) or heavy 

bias toward a particular behavior at its base and thus is an instance where the two DCA 

measure are expected to show good agreement, consistent with observations in Chapter 3.  

x x 

Page 167: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

 

 

Figure B.11:  John Hancock Tower’s first mode (a) mode shape with power fit, (b) EMS‐DCA, and (c) DCA comparison. 

(a)  (c) (b) 

193 

Page 168: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

 

Figure B.12:  John Hancock Tower’s second mode (a) mode shape with power fit, (b) EMS‐DCA, and (c) DCA comparison.

(a) 

(c) 

(b) 

194 

Page 169: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

157 

BIBLIOGRAPHY  

Abdelrazaq, A., Baker, W., Chung, K. R., Pawlikowski, J., Wang, I., and Yom, K. S. (2004). "Integration of Design and Construction of the Tallest Building in Korea, Tower Palace III, Seoul, Korea." CTBUH Conference, CTBUH, Seoul, Korea, 654‐661. 

 

“Abu Dhabi.” Google Earth. October 29, 2013. March 1, 2014. 

 

Ascribe. (2012). "300 North LaSalle." http://ascribehq.com/clark‐construction/portfolio/1858 (March 1, 2014). 

 

Aurecon. (2014). "Etihad Towers, United Arab Emirates." http://www.aurecongroup.com/en/projects/property/etihad‐towers.aspx (3/1, 2014). 

 

Baker, W., James, P., Tomlinson II, R., and Weiss, A. (2009). "Case Study: Trump International Hotel and Tower." CTBUH Journal, (III), 16‐22. 

 

Becker, L. (2006). "IALD, SEAOI Awards go to 111 South Wacker." ArchitectureChicago Plus. 

 

“Beijing.” Google Earth. March 3, 2013. March 1, 2014. 

 

Bentz, A. (2012). "Dynamics of Tall Buildings: Full‐Scale Quantification and Impacts on Occupant Comfort". Ph.D. University of Notre Dame, Notre Dame, IN. 

 

Blackman, S. (2010). "Reaching New Heights." Arabian Business. 

 

Blanchet, C. (2013). "Boston's John Hancock Tower and the Birth of Modern Stability Analysis." GTSTRUDL. 

 

Brownjohn, J. M. W., Stringer, M., Tan, G. H., Poh, Y. K., Ge, L., and Pan, T. C. (2006). "Experience with RTK‐GPS system for monitoring wind and seismic effects on a tall building." 

Page 170: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

158 

Structural Health Monitoring and Intelligent Infrastructure, Ou, Li, and Duan, eds., Taylor & Francis Group, London, 265‐275. 

 

Brownjohn, J. M. W., Pan, T. C., and Cheong, H. K. (1998). "Dynamic response of Republic Plaza, Singapore." Struct.Eng., 76 221‐226. 

 

BurjKhalifa.ae. (2013). "Structural Elements ‐ Elevators, Spires, and More." http://www.burjkhalifa.ae/en/TheTower/Structures.aspx (10/2, 2013). 

 

“Busan.” Google Earth. January 14, 2013. March 1, 2014. 

 

Carden, E. P., and Brownjohn, J. M. W. (2008). "Fuzzy Clustering of Stability Diagrams for Vibration‐Based Structural Health Monitoring." Computer‐Aided Civil and Infrastructure Engineering, 23 360‐372. 

 

Chen, W., Jin, R., and Sudjianto, A. (2005). "Analytical variance‐based global sensitivity analysis in simulation‐based design under uncertainty." Journal of Mechanical Design, (127), 875. 

 

“Chicago.” Google Earth. April 2, 2013. March 1, 2014. 

 

“Chongqing.” Google Earth. October 12, 2013. March 1, 2014. 

 

Christie, N., Krause, S. and Wright, T. (2011). "A Major Building: Baank of China Tower." https://sites.google.com/site/amajorbuildingbankofchinatower/structural‐system (September 11, 2013). 

 

Chung, K., Scott, D., Kim, D. H., Ha, I. H., and Park, K. D. P. (2008). "Structural System of North‐East Asia Trade Tower in Korea." CTBUH 8th World Congress, CTBUH, Dubai, 1‐8. 

 

Cichy, M. (2012). "Tomorrow Square Technical Tour." http://www.ctbuh.org/Events/ToursVisits/2012TourArchive/ShanghaiCongressTechnicalTours/TomorrowSquareTechnicalTour/tabid/3905/language/en‐GB/Default.aspx (March 1, 2014). 

 

Page 171: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

159 

Clark, O. (2012). "Most Efficient Structural System Against Wind Loads." http://www.whatsontheare.com/2012/02/23/most‐efficient‐structural‐system‐against‐wind‐loads/ (September 17, 2013). 

 

Colaco, J. (2005). "Structural Systems for Tall Apartment Towers." CTBUH 7th World Congress, CTBUH, New York, NY, 1‐11. 

 

Conway, W. (2010). "Construction continues on Trump International Hotel and Tower in Toronto." http://dcnonl.com/article/id41477 (March 1, 2014). 

 

CTBUH. (2014). "The Skyscraper Center." http://skyscrapercenter.com/ (March 1, 2014). 

 

CTBUH. (2013). "2012: A Tall Building Review." CTBUH Journal, (I), 46‐47. 

 

CTBUH. (2013). "Al Hamra Firdous Tower, Kuwait City." http://www.ctbuh.org/TallBuildings/FeaturedTallBuildings/FeaturedTallBuildingArchive2012/AlHamraFirdousTowerKuwaitCity/tabid/3859/language/en‐GB/Default.aspx (March 1, 2014). 

 

CTBUH. (2013). "Zifeng Tower, Nanjing." http://www.ctbuh.org/TallBuildings/FeaturedTallBuildings/Archive2010/ZifengTowerNanjing/tabid/3985/language/en‐GB/Default.aspx (March 1, 2014). 

 

CTBUH. (2011). "Trends in Tall Buildings." http://www.ctbuh.org/Home/FactsData/TrendsinTallBuildings/tabid/2776/language/en‐US/Default.aspx (September 29, 2013). 

 

CTBUH. (2010). "Tall Buildings in Numbers." CTBUH Journal, (II), 40. 

 

CTBUH. (1995). Structural Systems for Tall Buildings. McGraw‐Hill, USA. 

 

CTBUH, G. S. (1980). "Tall Building Systems and Concepts." Monograph on Planning and Design of Tall Buildings, SC 1. 

 

Page 172: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

160 

Davenport, A. G., and Hill‐Carroll, P. (1986). "Damping in tall buildings: its variability and treatment in design." Building Motion in Wind, N. Isyumov, and T. Tschanz, eds.,NYC, 42‐57. 

 

Dean, B., Martin, O., Emery, D., and Chancellor, P. (2001). "Tall Building Design Innovations in Australia." CTBUH 6th World Congress, CTBUH, Melbourne, 393‐402. 

 

DesignBuild. (2010). "China World Tower, Beijing, China." http://www.designbuild‐network.com/projects/chinaworldtowerbeiji/ (March 1, 2014). 

 

“Doha.” Google Earth. March 21, 2013. March 1, 2014. 

 

“Dubai.” Google Earth. January 2, 2014. March 1, 2014. 

 

EMPORIS. (2014). "Building Directory." http://www.emporis.com/buildings (March 1, 2014). 

 

Ephgrave, O. (2012). "Home Grown." Middle East Architect, 3 30‐33. 

 

Farrell, T. (2011). "City Planning: Hong Kong and China." Think Asia, Think Hong Kong, HKTDC, New York, NY. 

 

Fenske, G. (2013). "A Brief History of the Twentieth‐Century Skyscraper." The Tall Building Reference Book, D. Parker, and A. Wood, eds., Routledge, New York, NY, 13‐31. 

 

Frechette III, R., and Gilchrist, R. (2009). "Seeking Zero Energy." Civil Engineering (American Society of Civil Engineers), January 38‐47. 

 

Gonchar, J. (2011). "A controversial tower rises at ground zero." Architectural Record. 

 

Griffith, T. (2012). "Tianjin Global Financial Center: Distinguished Building Award Submission." https://www.aiachicago.org/special_features/2012DEA/awards.asp?appId=678 (March 1, 2014). 

 

Page 173: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

161 

Grocon. (2006). "Tower of Strength." VIC, 18‐38. 

 

“Guangzhou.” Google Earth. November 21, 2013. March 1, 2014. 

 

Halvorson, R. (2008). "Structural Design Innovation: Russia Tower and Other Tall Collaborations." CTBUH 8th World Congress, 1‐10. 

 

Halvorson, R. (2008). "Structural Design Innovation: Russia Tower and Other Tall Collaborations." CTBUH 8th World Congress, CTBUH, Dubai, 1‐10. 

 

“Hanoi.” Google Earth. September 29, 2012. March 1, 2014. 

 

Hernandez, J. M. (2012). "KK100 Development, Shenzhen, China, Asia 2004‐2011." Brancusi. 

 

Ho, G. (2014). "Discussion with designer of tall buildings database." email conversation with designer. 

 

“Hong Kong.” Google Earth. December 18, 2013. March 1, 2014. 

 

Hopple, P. (2005). "Hyatt Center: Structural Emphasis". BSAE. PSU, State College, PA. 

 

ISE. (2009). "Joint Structural Division Annual Report." HKIE, Hong Kong. 

 

“Incheon.” Google Earth. June 25, 2013. March 1, 2014. 

 

Iyengar, H. (2000). "Reflections on the Hancock Concept." CTBUH Journal, (1), 44‐52. 

 

Jeary, A. P. (1986). "Damping in Tall Buildings – A Mechanism and a Predictor." Earthquake Engineering and Structural Dynamics, 14(5), 733‐750. 

 

Jimaa, R. (2011). "Aldar: Abu Dhabi's Trust Tower '70% Complete'." ConstructionWeekOnline.Com. 

Page 174: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

162 

 

“Jiangyin.” Google Earth. September 30, 2012. March 1, 2014. 

 

Johnson, P. (2010). "Babel's Babies." http://thisrecording.com/today/tag/nina‐wang (March 1, 2014). 

 

Katz, P., Robertson, L. E., and See, S. (2008). "Case Study: Shanghai World Financial Center." CTBUH Journal, (II), 10‐14. 

 

Kiekower, D. (2013). "Two Prudential Plaza." http://www.emporis.com/images/details/203871 (October 27, 2013). 

 

Kostura, Z. (2008). "Skyscraper Museum Exibit, New York: Review." CTBUH Journal, (III), 50. 

 

Kozu Keikaku Engineering. (2012). "Structural Design for High‐rise Building." http://www4.kke.co.jp/stde/en/consulting/highrise_bldg.html (10/2, 2013). 

 

KPF. (2012). "International Commerce Centre." http://www.archdaily.com/250681/international‐commerce‐centre‐kpf/ (March 1, 2014). 

 

“Kuwait City.” Google Earth. July 26, 2013. March 1, 2014. 

 

Lagomarsino, S. (1993). "Forecast Models for Damping and Vibration Periods of Buildings." Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 48, 221‐239. 

 

Lakota, G., and Alarcon, A. (2008). "Torre Caja Madrid: structural design of a singular 250 m building in Madrid." Hormigon Y Acero, 59(259), 181‐202. 

 

Le Berre, Y. (2009). "Excellence Century Plaza." http://www.flickr.com/photos/yleberre/3735039648/ (March 1, 2014). 

 

LERA. (2009). "International Finance Centre, IFC1 & IFC2 and Four Seasons Hotel Audit." http://www.lera.com/projects/2000‐2009/ifc1.htm (March 1, 2014). 

Page 175: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

163 

 

Li, Q. S., and Wu, J. R. (2007). "Time‐frequency analysis of typhoon effects of a 79‐storey tall building." Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 95, 1648‐1666. 

 

Li, Q. S., and Wu, J. R. (2004). "Correlation of dynamic characteristics of a super‐tall building from full‐scale measurements and numerical analysis with various finite element models." Earthq. Engin. and Struct. Dyn., (33), 1311‐1336. 

 

“London.” Google Earth. April 9, 2013. March 1, 2014. 

 

Marcus, S., and Hamos, S. E. (2013). "8 Spruce Street‐ Beekman Tower." Structure Magazine, (February). 

 

McMorrow, B. (2012). "The Address, Dubai." http://www.pbase.com/bmcmorrow/image/87616417 (March 1, 2014). 

 

McNamara, R. J. (2005). "Some Current Trends in High Rise Structural Design: Mixed Systems and Irregular Load Paths." Structure Magazine, (September), 19‐23. 

 

Metals in Construction. (2006). "The New York Times Building: Steel Structure Disappears into the Sky." Metals in Construction, (Fall), 20‐27. 

 

“Mexico City.” Google Earth. October 29, 2013. March 1, 2014. 

 

Milinichik, C. (2006). "Comcast Center: Thesis Proposal." PSU, 1‐20. 

 

MKA. (2012). "Structural systems National Finalist: Gold Award." Seattle Daily Journal. 

 

“Moscow.” Google Earth. September 12, 2012. March 1, 2014. 

 

Nair, M. (2011). "World's tallest residential tower set to welcome occupants soon." Gulf News, Property. 

 

Page 176: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

164 

“Nanning.” Google Earth. November 3, 2013. March 1, 2014. 

 

“NYC.” Google Earth. June 17, 2010. March 1, 2014. 

 

Oldfield, P., Trabucco, D., and Wood, A. (2014). "Roadmap on the Future Research Needs of Tall Buildings." CTBUH, USA. 

 

“Panama City.” Google Earth. January 1, 2012. March 1, 2014. 

 

Pearson, C. (2012). "Crystal Palace: An enormous exclamation point on the London skyline, the Shard challenges the city's old notions of fitting in and offers a new approach to high density growth." Architectural Record. 

 

Peng, F. J., Gu, M., and Niemann, H. J. (2003). "Sinusoidal reference stategy for adaptive feedforward vibration control: numerical simulation and experimental study." Journal of Sound and Vibration, (265), 1047‐1061. 

 

Rastorfer, D. (1987). "The logic of eccentricity." Baank of China, Hong Kong. 

 

Sarkisian, M. (2011). "Practical Limits of Structural Systems." Designing Tall Buildings: Structure as Architecture, Routledge, New York, NY, 92. 

 

Sarkisian, M., Mathias, N., Long, E., Mazieka, A., Gordon, J., and Chakar, J. (2006). "Jin Mao Tower's Influence on China's New Innovative Tall Buildings." Shanghai International Seminar of Design and Construction Technologies of Super High‐Rise Buildings, CTBUH. 

 

Satake, N., Suda, K., Arakawa, T., Sasaki, A., and Tamura, Y. (2003). "Damping Evaluation Using Full‐Scale Data of Buildings in Japan." Journal of Structural Engineering, 129(4), 470‐477. 

 

Scott, B. (2011). "High Rise Dubai to Mumbai." Concrete Days, Betoni, Helsinki. 

 

Seinuk, Y. (2013). "Trump World Tower." http://www.yaseinuk.com/?mod=portfolio&p_id=75 (3/1, 2014). 

 

Page 177: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

165 

“Seoul.” Google Earth. March 24, 2013. March 1, 2014. 

 

Setya, N., Patwardhan, P., and Dherange, P. (2009). "Central Plaza." TAMU. 

 

Shahdadpuri, C., Mehrkar_Asl, S., and Chandunni, R. (2007). "DMCC Al Mas Tower‐ Structural Design." 8th International Conference on Multi‐purpose High‐Rise Towers and Tall Buildings, Abu Dhabi, 10‐11. 

 

“Shanghai.” Google Earth. August 12, 2010. March 1, 2014. 

 

“Shenzhen.” Google Earth. December 18, 2013. March 1, 2014. 

 

Shi, W., Shan, J., and Lu, X. (2012). "Modal identification of Shanghai World Financial Center both from free and ambient vibration response." Engineering Structures, 36, 14‐26. 

 

Skyscraper City. (2011). "Chongqing: Yingli International Finance Center." http://www.skyscrapercity.com/showthread.php?t=455702&page=11 (March 1, 2014). 

 

Skyscraper City. (2010). "Guangzhou: The Pinnacle." http://www.skyscrapercity.com/showthread.php?t=562556&page=10 (March 1, 2014). 

 

Skyscraper City. (2010). "Wenzhou: Wenzhou World Trade Center." http://www.skyscrapercity.com/showthread.php?p=55209963 (March 1, 2014). 

 

Skyscraper City. (2010). "WUXI: Longxi International Hotel." http://www.skyscrapercity.com/showthread.php?t=556647&page=15 (March 1, 2014). 

 

Skyscraper City. (2006). "Wuhan: Projects & Construction." http://www.skyscrapercity.com/showthread.php?t=395600 (March 1, 2014). 

 

Skyscraper Page. (2011). "Hanoi: Hanoi Landmark Tower." rum.skyscraperpage.com/showthread.php?t=163483&page=2 (March 1, 2014). 

 

Page 178: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

166 

Solt, I. (2010). "Dubai Constructions Update.". http://imresolt.blogspot.com/2010/08/elite‐residence‐construction.html. 

 

Spence, S., Gioffre, M., and Gusella, V. (2008). "Influence of Higher Modes on the Dynamic Response of Irregular and Regular Tall Buildings." BBAA VI International Colloquium on: Bluff Bodies Aerodynamics & Applications, 1‐16. 

 

Starodubtsev, Y., Myers, J. and Goetz, L. (2011). "Capital City Towers, Moscow." http://www.ctbuh.org/TallBuildings/FeaturedTallBuildings/CapitalCityTowersMoscow/tabid/2178/language/en‐US/Default.aspx (March 1, 2014). 

 

“Suzhou.” Google Earth.. September 30, 2012. March 1, 2014. 

 

Taranath, B. S. (2012). Structural Analysis and Design of Tall Buildings. CRC Press, Boca Raton, FL. 

 

Taranath, B. S. (1998). Steel, Concrete, & Composite Design of Tall Buildings. McGraw‐Hill, New York. 

 

Taylor, D. (2004). "Mega Brace Seismic Dampers for the Torre Mayor Project at Mexico City." Taylor Devices, NY. 

 

“Tianjin.” Google Earth. January 1, 2014. March 1, 2014. 

 

Tomasetti, R., Burns, J., and Poon, D. (2013). "The Limits of Materials and Structures." The Tall Building Reference Book, D. Parker, and A. Woods, eds., Routledge, New York, NY, 197‐211. 

 

“Toronto.” Google Earth. August 31, 2009. March 1, 2014. 

 

“Wenzhou.” Google Earth. September 16, 2012. March 1, 2014. 

 

Wikimedia Commons. (2007). "Marina Pinnacle Under Construction." http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Marina_Pinnacle_Under_Construction_on_2_November_2007.jpg (March 1, 2014). 

Page 179: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

167 

 

Wilkinson, C. (2012). "Guangzhou Finance Centre: An Elegant Simplicity of Form." CTBUH 9th World Congress, CTBUH, Shanghai, 386‐390. 

 

Williams, S., Bentz, A., and Kijewski‐Correa, T. (2013). "A Typology‐Driven Damping Model (TD2M) to Enhance the Prediction of Tall Building Dynamic Properties Using Full‐Scale Wind‐Induced Response Data." Proceedings of 12th Americas Conference on Wind Engineering, June 16‐20, Seattle. 

 

Wood, A. (2013). "Tall Trends and Drivers: An Overview." The Tall Building Reference Book, D. Parker, and A. Wood, eds., Routledge, New York, NY, 1‐9. 

 

“Wuhan.” Google Earth. December 30, 2012. March 1, 2014. 

 

Yamano, T. (2009). "A generalization of the Kullback‐Leibler divergence and its properties." J. Math. Phys., 5(4), 43302. 

 

Zils, J., and Viise, J. (2003). "An Introduction to High‐Rise Design." Structure Magazine, (November), 12‐16. 

 

  

Page 180: Copyright Sally · In the mid‐1960s, Fazlur Khan created a hierarchy of structural systems, ranging from two‐ dimensional moment resisting frames to three‐dimensional tubular

 

168