• No results found

STRC17 Lateral Forces Wind Loads 0716

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "STRC17 Lateral Forces Wind Loads 0716"

Copied!
111
0
0

Loading.... (view fulltext now)

Full text

(1)

© 2015 Professional Publications, Inc. 1

STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Wind Loads

(2)

© 2015 Professional Publications, Inc. 2 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Lesson Overview

Chapter 7: Lateral Forces • Lateral‐Force Resisting Systems • Seismic Design • Wind Design

2

(3)

© 2015 Professional Publications, Inc. 3 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Learning Objectives

You will learn • simple approximations for  fundamental period of vibration of  typical structures • how to calculate wind loads using  methods from ASCE/SEI7 and IBC. • how to distribute wind loads to typical  building structures • how to navigate ASCE/SEI7 and IBC  design codes for wind loads • choose variables • use of tables and figures • apply minimum load limits • interpret of important text

3

(4)

© 2015 Professional Publications, Inc. 4 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Prerequisite Knowledge and Skills

You should already be familiar with • layout of ASCE/SEI7 and IBC • load application by tributary areas • linear interpolation • calculating weighted averages • common terms for wind loading (ex: windward, leeward, etc.) • typical LFRS (braced frames, moment  frames, shear walls, etc.) • typical building components (braces,  beams, trusses, etc.) • roof types (flat, gable, hip, etc.)

4

(5)

© 2015 Professional Publications, Inc. 5 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Referenced Codes and Standards

Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures (ASCE/SEI7, 2010)International Building Code (IBC, 2012)

5

(6)

© 2015 Professional Publications, Inc. 6 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Design Procedures

envelope procedure • wind loads determined independent of direction • external pressure coefficients envelop minimum and maximum values for all possible  directions directional procedure • wind loads determined for specific directions  • external pressure coefficients chosen based on wind tunnel testing

6

(7)

© 2015 Professional Publications, Inc. 7 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Important Terms

main wind force‐resisting system (MWFRS) • assemblage of structural elements assigned to provide support and maintain stability  of overall structure, e.g., moment frames, shear walls, etc. • generally receives wind loading from more than one surface components and cladding (C&C) • elements of building envelope that do not qualify as part of MWFRS, e.g., façade  components, roof framing, fasteners, etc.

7

(8)

© 2015 Professional Publications, Inc. 8 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Important Terms

building cladding C&C elements that receive wind loads directly, e.g., wall and roof sheathing, windows,  doors, etc. building components C&C elements that receive wind loading from the building cladding and transfer the load  to the MWFRS, e.g., purlins, studs, girts, fasteners, roof trusses, etc.

8

(9)

© 2015 Professional Publications, Inc. 9 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Poll: MWFRS and C&C

In the two‐story braced frame structure  shown, the braced frames resist all lateral  loads on the structure. How should the  diagonal braces on the first floor level be  classified? (A) main wind force‐resisting system  (B) components and cladding

9

(10)

© 2015 Professional Publications, Inc. 10 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Poll: MWFRS and C&C

In the two‐story braced frame structure  shown, the braced frames resist all lateral  loads on the structure. How should the  diagonal braces on the first floor level be  classified? (A) main wind force‐resisting system  (B) components and cladding The answer is (A).

10

(11)

© 2015 Professional Publications, Inc. 11 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Poll: MWFRS and C&C

In the two‐story braced frame structure  shown, the braced frames resist all lateral  loads on the structure. How should the  spandrel beam on the first floor level be  classified? (A) main wind force‐resisting system  (B) components and cladding

11

(12)

© 2015 Professional Publications, Inc. 12 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Poll: MWFRS and C&C

In the two‐story braced frame structure  shown, the braced frames resist all lateral  loads on the structure. How should the  spandrel beam on the first floor level be  classified? (A) main wind force‐resisting system  (B) components and cladding The answer is (B).

12

(13)

© 2015 Professional Publications, Inc. 13 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Enclosure Classification

enclosure classification (ASCE/SEI7 Sec. 26.2) • required to determine structure type and for several wind load calculations • three enclosure classifications based on number of openings in building envelope openings (ASCE/SEI7 Sec. 26.2) • apertures or holes in building envelope that allow air to flow through envelope  (cladding, roofing, exterior walls, glazing, doors, etc.) • Exterior doors, windows, skylights, and other apertures or holes that can be open or  closed should be considered as both open and closed for the purpose of wind load  analysis.

13

(14)

© 2015 Professional Publications, Inc. 14 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Enclosure Classification

open building  area of each wall is at least 80% openings Ao = total area of openings in a wall  receiving positive external pressure Ag = gross area of wall in which Ao is  identified Figure 7.32 Building Openings

14

0 0.8 g AA

(15)

© 2015 Professional Publications, Inc. 15 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Enclosure Classification

partially enclosed building  must fulfill two conditions Aoi = sum of areas of all openings in  building envelope except Ao Agi = sum of gross areas of building  envelope, excluding gross area of  wall represented by Ag Figure 7.32 Building Openings

15

(16)

© 2015 Professional Publications, Inc. 16 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Enclosure Classification

enclosed building  • does not comply with requirements  for open or partially enclosed  buildings Figure 7.32 Building Openings

16

(17)

© 2015 Professional Publications, Inc. 17 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Building Types

simple diaphragm building wind loads are transferred to the MWFRS by either vertically spanning wall assemblies  or continuous floor and roof diaphragms, for both windward and leeward walls regular‐shaped building no unusual geometric or special irregularities

17

(18)

© 2015 Professional Publications, Inc. 18 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Building Types

low rise building (ASCE/SEI7 Sec. 26.2) • enclosed or partially enclosed • mean roof height, h ≤ 60 fth ≤ least horizontal dimension (plan width or length)

18

(19)

© 2015 Professional Publications, Inc. 19 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Example: Low‐Rise Buildings

Does the enclosed building shown qualify  as a low‐rise building per ASCE/SEI7  requirements?

19

(20)

© 2015 Professional Publications, Inc. 20 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Example: Low‐Rise Buildings

The building is enclosed, so it fulfills the  enclosure requirement for a low‐rise  building. Find the mean roof height. The building fulfills the first mean roof  height requirement.



 



80 ft 52 ft 160 ft 64 ft 240 ft 60 ft 60 ft, OK   

20

(21)

© 2015 Professional Publications, Inc. 21 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Example: Low‐Rise Buildings

h ≤ shortest horizontal dimension.  h = 60 ft The building’s shortest horizontal  dimension is 80 ft.  60 ft ≤ 80 ft, so the building fulfills the  second mean roof height requirement. Since the building satisfies all ASCE/SEI7  requirements, it qualifies as a low‐rise  building.

21

(22)

© 2015 Professional Publications, Inc. 22 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Fundamental Period of Vibration

approximate fundamental period of vibration, Ta • two methods for calculating  given in ASCE/SEI7  Sec. 12.8.2 method 1 • Ta = 0.1N ASCE/SEI7 Eq. 12.8‐8 • applies only to structures that fulfill these requirements: • ≤ 12 stories above the base (ASCE/SEI7  Sec. 11.2) • average story height ≥10 ft • MWFRS consists entirely of concrete or steel moment frames

22

(23)

© 2015 Professional Publications, Inc. 23 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Fundamental Period of Vibration

method 2 From ASCE/SEI7 Eq. 12.8‐7 and Table 12.8‐2,

23

structural height n hASCE/SEI7 Sec. 11.2

(24)

© 2015 Professional Publications, Inc. 24 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Building Types

rigid building • fundamental frequency (fundamental period of vibration) ≥ 1 Hz • alternatively, building with ratio of height and minimum width ≤ 4 flexible building • fundamental frequency (fundamental period of vibration) < 1 Hz • may exhibit significant resonant response to wind gusts • require additional consideration for wind load • often require wind tunnel testing (ASCE/SEI7 Chap. 31)

24

(25)

© 2015 Professional Publications, Inc. 25

STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Example: Fundamental Period of Vibration

Example 7.10

(26)

© 2015 Professional Publications, Inc. 26

STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Example: Fundamental Period of Vibration

Example 7.10

(27)

© 2015 Professional Publications, Inc. 27

STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Example: Fundamental Period of Vibration

Example 7.11

(28)

© 2015 Professional Publications, Inc. 28 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Commentary on Examples

• Methods 1 and 2 may produce approximate fundamental periods that are  significantly different. • In the previous two examples, method 2 produces a value 71% greater than the value  produced by method 1 with no change in available data. • Method 2 tends to be more accurate since it accounts more directly for construction  type and building height.

28

(29)

© 2015 Professional Publications, Inc. 29 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Wind Load Calculation Methods

• Select (but not all) wind calculation methods will be covered with examples provided  to demonstrate the process • ASCE/SEI7 methods are summarized in Sec. 26.1.2.1. Refer to the applicable section  for design (e.g., ASCE/SEI7 Chap. 27 for Directional Procedure). • Table in each section provides step‐by‐step guidance for applying specific design  method. Use these tables as guide to quickly and efficiently solve problems. • IBC Sec. 1609.6: IBC alternate method

29

(30)

© 2015 Professional Publications, Inc. 30 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Directional Procedure

analytical directional design method (ASCE/SEI7 Sec. 27.4)  applies to enclosed, partially enclosed, and open buildings of all heights and roof  geometries simplified method (ASCE/SEI7 Sec. 27.5) applies to enclosed simple diaphragm buildings of any roof geometry with h ≤ 160 ft

30

(31)

© 2015 Professional Publications, Inc. 31 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Envelope Procedure for Low‐Rise Buildings

envelope procedure (ASCE/SEI7 Chap. 28) applies to  • enclosed, partially enclosed and open buildings (all heights and roof geometries) • low‐rise buildings • structures with flat, gable and hip roofs

31

(32)

© 2015 Professional Publications, Inc. 32 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Directional Procedure for “Other Structures”

directional procedure (ASCE/SEI7 Chap. 29) applicable for “other structures” • solid freestanding walls and signs • chimneys, towers, tanks • lattice frameworks, trussed towers • rooftop structures and equipment

32

(33)

© 2015 Professional Publications, Inc. 33 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Wind Tunnel Procedure

wind tunnel procedure (ASCE/SEI7 Chap. 31) • applicable for any building or structure • used in cases where one or more atypical conditions are expected • across‐wind loading • vortex shedding • instability due to galloping or flutter • ASCE/SEI7 Sec. 31.2 gives test conditions. • most accurate method

33

(34)

© 2015 Professional Publications, Inc. 34

STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

section design method applies to

ASCE/SEI7 Sec. 30.4 analytical envelope enclosed and partially enclosed low‐rise buildings ASCE/SEI7 Sec. 30.5 simplified envelope enclosed low‐rise buildings

ASCE/SEI7 Sec. 30.6 analytical directional enclosed and partially enclosed buildings with h > 60 ft ASCE/SEI7 Sec. 30.7 simplified directional enclosed buildings with h ≤ 160 ft

ASCE/SEI7 Sec. 30.8 analytical directional open buildings (all heights)

IBC Sec. 1609.6 alternate IBC method simple diaphragm buildings with h ≤ 76 ft and height‐to‐least‐width ratio ≤ 4

Wind Load Calculation Methods (C&C)

Wind loads for components and cladding are determined by the procedures  summarized in ASCE/SEI7 Chap. 30 and IBC Sec. 1609.6.

(35)

© 2015 Professional Publications, Inc. 35 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Wind Load Parameters

The following parameters are used in one  or more procedures to determine wind  loads. • surface roughness category • site exposure category • risk category and basic wind speed at location of structure • velocity pressure exposure coefficient • topographic factor • wind directionality factor • wind velocity pressure • minimum design wind loads • gust effect factor • enclosure classification • internal/external pressure coefficients • others for specific methods/situations

35

(36)

© 2015 Professional Publications, Inc. 36 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Surface Roughness Category

surface roughness • categories defined in ASCE/SEI7  Sec. 26.7.2 • accounts for geometric effects that  impede flow (more turbulence results  in a less streamlined airflow) Table 7.10 Surface Roughness Categories

36

(37)

© 2015 Professional Publications, Inc. 37 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Site Exposure Category

site exposure category  • defined in ASCE/SEI7 Sec. 26.7.3  • illustrated in Sec. C26.7 • accounts for surface roughness and  building height Table 7.11 Site Exposure Category

37

(38)

© 2015 Professional Publications, Inc. 38 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Risk Category & Basic Wind Speed

Risk categories are defined in ASCE/SEI7  Table 1.5‐1.  Use wind speed maps to determine basic  wind speed.  Table 7.12 Risk Category and Wind Speed Maps

38

(39)

© 2015 Professional Publications, Inc. 39 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Velocity Pressure Exposure Coefficient (MWFRS)

represented by Kz • reflects change in wind speed with  height and exposure category • given in ASCE/SEI7 Table 27.3‐1         and Table 28.3‐1  • For values of height not listed, Kz can  be calculated by linear interpolation. Table 7.13 Velocity Pressure Exposure Coefficients For Main Wind Force‐Resisting Systems

39

(40)

© 2015 Professional Publications, Inc. 40 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Example: Velocity Pressure Exposure Coefficient

A low‐rise building with a 38 ft high roof  is located in exposure category B. What is  the velocity pressure coefficient at the  roof level of the structure?

40

(41)

© 2015 Professional Publications, Inc. 41 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Example: Velocity Pressure Exposure Coefficient

A low‐rise building with a 38 ft high roof  is located in exposure category B. What is  the velocity pressure coefficient at the  roof level of the structure? Interpolate the exposure coefficients for  a 38 ft high structure from ASCE/SEI7  Table 27.3‐1.  The exposure coefficient for a building in  exposure category B is 0.70 at a height of  30 ft and 0.76 at a height of 40 ft, so at a  height of 38 ft above ground level, the  exposure coefficient is

41

0.76 0.70 0.70 38ft 30ft 40 ft 30 ft 0.748 z K          

(42)

© 2015 Professional Publications, Inc. 42 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Topographic Effects

• Increased wind speed effects are  produced at abrupt changes in general  topography (isolated hills, ridges,  escarpments, etc.). • accounted for by multiplying velocity  pressure coefficient by topographic  factor, Kzt • topographic factor is function of three  criteria • slope of hill • distance of building from crest • height of building above local  ground surface

42

(43)

© 2015 Professional Publications, Inc. 43 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Topographic Factor

criteria represented by topographic multipliers, K1, K2 , K3 (given in ASCE/SEI7  Fig. 26.8‐1) • topographic factor given by • when topography effects need not be considered, Kzt= 1.0

43

ASCE/SEI7 Eq. 26.8‐1

(44)

© 2015 Professional Publications, Inc. 44 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Wind Directionality Factor

represented as Kd • accounts for reduced probability of • extreme winds in any specific direction • peak pressure coefficient occurring for any specific wind direction • determined from ASCE/SEI7 Table 26.6‐1 • for building structures, Kd= 0.85

44

(45)

© 2015 Professional Publications, Inc. 45 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Wind Velocity Pressure

• qz = wind velocity pressure at an arbitrary height z • found using ASCE/SEI7 Eq. 28.3‐1 • velocity pressure varies as velocity pressure exposure coefficient varies with height  above ground

45

2 2 mi/hr ,lbf/ft 0.00256 z zt d z qK K K V Kz = velocity pressure exposure coefficient Kzt = topographic factor Kd = directionality factor V = basic wind speed

(46)

© 2015 Professional Publications, Inc. 46

STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Example: Wind Velocity Pressure

Example 7.25

(47)

© 2015 Professional Publications, Inc. 47

STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Example: Wind Velocity Pressure

(48)

© 2015 Professional Publications, Inc. 48

STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Example: Wind Velocity Pressure

(49)

© 2015 Professional Publications, Inc. 49

STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Example: Wind Velocity Pressure

(50)

© 2015 Professional Publications, Inc. 50 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Gust Effect Factor

represented by Gfaccounts for loading effects in direction of wind (along‐wind loading effects) caused  by dynamic amplification in flexible structures, and for interaction between structure  and wind turbulence • for rigid structures, Gf = 0.85 • alternatively, Gfcalculated using procedure summarized in ASCE/SEI7 Sec. 26.9.5

50

(51)

© 2015 Professional Publications, Inc. 51 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Internal Pressure Coefficients

• (GCpi) = combination of gust effect  factor and internal pressure  coefficient • values of (GCpi) tabulated in  ASCE/SEI7Table 26.11‐1 for all three  enclosure classifications Table 7.14 Values of External Pressure Coefficients

51

(52)

© 2015 Professional Publications, Inc. 52 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Internal Pressure Coefficients

• pi= pressure acting on internal  surfaces  • found from second term of  ASCE/SEI7 Eq. 28.4‐1 • positive acting toward surface,  negative acting away from surface (consider both cases to determine  worst case) Table 7.14 Values of External Pressure Coefficients

52

i h pi p  q GC

(53)

© 2015 Professional Publications, Inc. 53 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

External Pressure Coefficients 

• Local turbulence at building corners and roof eaves produces local increases in wind  pressures. • To account for this, envelope procedure subdivides building surface into distinct  zones • 8 zones for transverse wind loads • 12 zones for longitudinal wind loads • external pressure coefficients tabulated for each zone

53

(54)

© 2015 Professional Publications, Inc. 54 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

External Pressure Coefficients 

• (GCpf) = combination of gust effect factor and external pressure coefficient • values of (GCpf) tabulated in ASCE/SEI7 Fig. 28.4‐1 • values given for two load cases • case A: wind acting transversely • case B: wind acting longitudinally

54

(55)

© 2015 Professional Publications, Inc. 55 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

External Pressure Coefficients

Table 7.15 External Pressure Coefficients for Load Case A

55

Figure 7.33 Load Case A and  Load Case B (partial figure)

(56)

© 2015 Professional Publications, Inc. 56 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

External Pressure Coefficients

Table 7.16 External Pressure Coefficients for Load Case B

56

Figure 7.33 Load Case A and  Load Case B (partial figure) Adapted with permission from Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures, Fig. 28.4‐1,  copyright © 2010, by the American Society of Civil Engineers

(57)

© 2015 Professional Publications, Inc. 57 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

External Pressure Coefficients

pressure acting on external surfaces,  external pressure coefficients given for  two zones on each wall and roof surface • end zone width: given by ASCE/SEI7 

Fig. 28.4‐1, Note 9 as 2a where a is  lesser of • acannot be less than either of • interior zone given by ASCE/SEI7       Fig. 28.4‐1 • pressures act normal to wall and roof  surfaces • (+) toward the surface and (‐) away  from the surface – consider both cases

57

ASCE/SEI7 Eq. 28.4‐1

(58)

© 2015 Professional Publications, Inc. 58 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Minimum Design Wind Loads

minimum design wind loads for enclosed or partially enclosed buildings  (ASCE/SEI7 Sec. 27.1.5; shown in Fig. C27.4‐1)  • refer to minimum total load resisted by MWFRS (not minimum wind pressures) • given in pressures to be applicable to various building geometries • net pressure on windward wall areas ≥ 16 lbf/ft2 • net pressure on windward roof areas ≥ 8 lbf/ft2 (projected onto vertical plane normal to wind direction) • applied simultaneously to roof and walls as applicable • applied as separate load case in addition to normal load cases specified

58

(59)

© 2015 Professional Publications, Inc. 59

STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Minimum Design Wind Loads

Fig. 7.31 Minimum Design Wind Loads

(60)

© 2015 Professional Publications, Inc. 60 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Design Wind Load Cases

• in envelope procedure, building designed for all wind directions • Consider each corner of building as windward corner. • Consider wind acting in both the transverse and longitudinal direction. • eight basic load cases (4 windward corners × 2 wind directions = 8 cases)

60

(61)

© 2015 Professional Publications, Inc. 61 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Design Wind Load Cases

• External and internal pressures must be considered for each of these load cases. • 16 combinations should be considered. (8 basic load cases × 2 internal pressure directions = 16 combinations) • If building symmetrical about an axis, only two corners need be investigated. (8 basic load cases) • If building symmetrical about two axes, only one corner need be investigated. (4 basic load cases)

61

(62)

© 2015 Professional Publications, Inc. 62 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Design Wind Load Cases

• When torsion must be considered, each load case needs to be modified per  ASCE/SEI7 Fig. 28.4‐1, Note 5. • Torsion need not be considered when any the following conditions apply. • one‐story building with h < 30 ft • two or fewer stories with light frame construction • two or fewer stories with flexible diaphragms

62

(63)

© 2015 Professional Publications, Inc. 63

STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Summary of MWFRS Wind Design Procedures

ASCE/SEI7 provides several MWFRS step‐by‐step procedures.

63

table procedure type applies to

ASCE/SEI7 Table 27.2‐1 directional procedure enclosed, partially enclosed, and open  buildings of all heights

ASCE/SEI7 Table 27.5‐1 directional procedure enclosed, simple diaphragm buildings  with h < 160 ft

ASCE/SEI7 Table 28.2‐1 envelope procedure low‐rise buildings

ASCE/SEI7 Table 28.5‐1 envelope procedure simple diaphragm low‐rise buildings ASCE/SEI7 Table 29.1‐1 envelope procedure rooftop equipment and other structures

(64)

© 2015 Professional Publications, Inc. 64 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Envelope Procedure (MWFRS)

• defined in ASCE/SEI7 Sec. 28.4.1 • applicable to low‐rise buildings meeting following requirements: • must be regular shape (ASCE/SEI7 Sec. 26.2) without irregularities, such as  projections or indentations • must not have response characteristics making it subject to dynamic effects  from vortex shedding, or instability from galloping or flutter • must not have site location where channeling effects or buffeting in wake of  upwind obstructions require special consideration • simplified design wind pressure

64

 

h pf pi pq GCGC ASCE/SEI7 Eq. 28.4‐1

(65)

© 2015 Professional Publications, Inc. 65 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Envelope Procedure (MWFRS)

The following information must be  derived to determine wind loads for  MWFRS using the envelope procedure. • risk category   • basic wind speed • exposure category • velocity pressure exposure coefficient • topographic factor • directionality factor • enclosure classification • internal pressure coefficient • wind velocity pressure • external pressure coefficient • internal wind pressure • external wind pressure • combined internal/external wind  pressure • minimum applicable design loads

65

(66)

© 2015 Professional Publications, Inc. 66 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Envelope Procedure (MWFRS)

• wind pressures applied to each building corner in turn (ASCE/SEI7 Fig. 28.4‐1) • torsional effects evaluated as necessary • procedure simplified by combining gust factor with pressure coefficient (treat  combination as single factor)

66

(67)

© 2015 Professional Publications, Inc. 67

STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Example: Envelope Procedure (MWFRS)

Example 7.26

(68)

© 2015 Professional Publications, Inc. 68

STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Example: Envelope Procedure (MWFRS)

Example 7.26

(69)

© 2015 Professional Publications, Inc. 69

STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Example: Envelope Procedure (MWFRS)

(70)

© 2015 Professional Publications, Inc. 70

STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Example: Envelope Procedure (MWFRS)

(71)

© 2015 Professional Publications, Inc. 71

STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Example: Envelope Procedure (MWFRS)

(72)

© 2015 Professional Publications, Inc. 72 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Summary of C&C Wind Design Procedures

ASCE/SEI7 provides several step‐by‐step C&C wind design procedures.

72

table applies to

ASCE/SEI7 Table 30.4‐1 enclosed, partially enclosed, and open buildings of all heights ASCE/SEI7 Table 30.5‐1 enclosed low‐rise buildings (simplified method)

ASCE/SEI7 Table 30.6‐1 enclosed and partially enclosed buildings, h > 60 ft ASCE/SEI7 Table 30.7‐1 enclosed buildings, h ≤ 160 ft.

ASCE/SEI7 Table 30.8‐1 open buildings ASCE/SEI7 Table 30.9‐1 parapets

(73)

© 2015 Professional Publications, Inc. 73 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Envelope Procedure (C&C)

• defined in ASCE/SEI7 Sec. 30.4 • applicable to enclosed and partially buildings that meet at least one of the following  requirements: • low‐rise building • mean roof height h ≤ 60 ft • building with flat roofs, gable roofs, multispan gable roofs, hip roofs, monoslope roofs, stepped roofs, or sawtooth roofs

73

(74)

© 2015 Professional Publications, Inc. 74 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Envelope Procedure (C&C)

The following information must be  derived to determine wind loads for  components and cladding using the  envelope procedure. • risk category   • basic wind speed • exposure category • velocity pressure exposure coefficient • topographic factor • wind directionality factor • enclosure classification • internal pressure coefficient • wind velocity pressure • external pressure coefficient • internal wind pressure • external wind pressure • combined internal/external wind  pressure • minimum design wind loads • effective wind area

74

(75)

© 2015 Professional Publications, Inc. 75 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Envelope Procedure (C&C)

• procedure simplified by combining  gust factor with pressure coefficient  and treating combination as single  factor • design wind pressure given by  ASCE/SEI7 Eq. 30.4‐1

75

(76)

© 2015 Professional Publications, Inc. 76 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Velocity Pressure Exposure Coefficients (C&C)

represented by Kz • reflects change in wind speed with  height and exposure category • given in ASCE/SEI7 30.3‐1  • for values of height not listed in    table, Kz can be calculated by linear  interpolation Table 7.17 Velocity Pressure Exposure Coefficients  for Components and Cladding Systems

76

(77)

© 2015 Professional Publications, Inc. 77 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

External Pressure Coefficients (C&C)

• (GCp) = combination of gust effect factor and external pressure coefficient • pressure acting on external surfaces obtained from ASCE/SEI7 Eq. 30.4‐1 • (GCp) values for walls tabulated in ASCE/SEI7 Fig. 30.4‐1 • (GCp) values for roofs tabulated in ASCE/SEI7 Fig. 30.4‐2 through Fig. 30.4‐7

77

(78)

© 2015 Professional Publications, Inc. 78 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

External Pressure Coefficients (C&C)

• building surface divided into 5 distinct  zones for design • roofs divided into 3 zones for  design: end zone, interior zone,  corner zone • walls divided into 2 zones for  design: end zone and interior  zone • pressures act normal to wall and roof  surfaces; positive for external  pressure, negative for internal  pressure Figure 7.34 Components and Cladding  External Pressure Zones

78

(79)

© 2015 Professional Publications, Inc. 79 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

External Pressure Coefficients (C&C)

• ASCE/SEI7 Fig. 30.4‐1 Note 6: end  zone width (5) and eave zone width  (2) are lesser value of a • acannot be less than either of  • ASCE/SEI7 Fig. 30.4‐1 Note 5: (GCp) values reduced by 10% for walls where  building roof slope ≤ 10° Figure 7.34 Components and Cladding  External Pressure Zones

79

(80)

© 2015 Professional Publications, Inc. 80 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Minimum Design Wind Loads (C&C)

minimum design wind loads for components and cladding (ASCE/SEI7 Sec. 30.2.2) net pressure of 16 lbf/ft2 applied in either direction normal to the surface

80

(81)

© 2015 Professional Publications, Inc. 81 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Effective Wind Area

• effective wind area defined in ASCE/SEI7 Sec. 26.2 as l = element span length and be = effective tributary width • for cladding fasteners, A ≤ area tributary to individual fastenerPer ASCE/SEI7 Sec. 30.2.3, C&C elements where A 700 ft2 may be designed using  main wind force‐resisting systems methods.

81

(82)

© 2015 Professional Publications, Inc. 82 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Effective Wind Area

• Local turbulence may occur over small areas and at geometric irregularities of  buildings (ridges, corners, etc.), and can cause higher wind loads on those areas. • components and cladding designed for higher wind pressures than main force wind‐ resisting systems to account for local turbulence • effective wind area, A, used to determine external pressure coefficient, GCp • accounts for decreasing probability of elevated local loads with increasing loaded  area

82

(83)

© 2015 Professional Publications, Inc. 83

STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Example: Envelope Procedure (C&C)

Example 7.27

(84)

© 2015 Professional Publications, Inc. 84

STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Example: Envelope Procedure (C&C)

Example 7.27

(85)

© 2015 Professional Publications, Inc. 85

STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Example: Envelope Procedure (C&C)

(86)

© 2015 Professional Publications, Inc. 86

STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Example: Envelope Procedure (C&C)

(87)

© 2015 Professional Publications, Inc. 87

STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Example: Envelope Procedure (C&C)

(88)

© 2015 Professional Publications, Inc. 88

STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Example: Envelope Procedure (C&C)

(89)

© 2015 Professional Publications, Inc. 89 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

IBC Alternate Procedure

IBC alternate all‐heights wind design provisions • also known as the “IBC alternate procedure” • specified in IBC Sec. 1609.6 • simplified version of directional design method (ASCE/SEI7 Sec. 27.4)

89

(90)

© 2015 Professional Publications, Inc. 90 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

IBC Alternate Procedure

may be used to determine wind effects  on regularly shaped structures that meet  all conditions given • h≤ 75 ft • either least‐height‐to‐width ratio  ≤ 4 or fundamental frequency of  vibration ≥ 1 Hz • structure not sensitive to  dynamic effects • structure not located on site for  which channeling effects or  buffeting in wake of upwind  obstructions warrant special  consideration • structure can be classified as  simple diaphragm building per  ASCE/SEI7 Sec. 26.2 • no structural separations

90

(91)

© 2015 Professional Publications, Inc. 91 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

IBC Alternate Procedure

The following information must be  derived to determine wind loads using  the IBC alternate procedure. • velocity pressure exposure coefficient • topographic factor • wind stagnation pressure • net‐pressure coefficient • design wind pressure

91

(92)

© 2015 Professional Publications, Inc. 92 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Velocity Pressure Exposure Coefficient (IBC)

• wind speed increases with height and exposure category (B  C  D) • velocity pressure exposure coefficient, Kz, determined from ASCE/SEI7Table 27.3‐1 • based on exposure category • windward wall: Kz based on actual height above ground level for each floor of  building • leeward walls, side walls, roofs: Kz = Kh • evaluated at mean roof height only • constant value over height of building

92

(93)

© 2015 Professional Publications, Inc. 93 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Wind Stagnation Pressure

basic wind speed may be converted to  stagnation pressure, qs, at standard  height of 33 ft Table 7.18 Wind Stagnation Pressure

93

2 2 ,lbf/ft 0.00256 s qV

(94)

© 2015 Professional Publications, Inc. 94 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Net‐Pressure Coefficient

net‐pressure coefficientrepresented as Cnet • equation given in IBC Sec. 1609.6.2 • equation adds internal and external  pressures; appropriate for simple  diaphragm buildings where internal  pressures cancel out • wind directionality factor and gust  effect factor taken as constants

94

(95)

© 2015 Professional Publications, Inc. 95

STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Net‐Pressure Coefficient

• net pressure coefficient expression  reduces to

values of Cnetare provided in IBC Table  1609.6.2 (given for enclosed and partially  enclosed buildings; and for windward  walls, leeward walls, side walls, and  roofs of varying slopes)

95

(96)

© 2015 Professional Publications, Inc. 96

STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Design Wind Pressure

• calculated from IBC Eq. 16‐35

values of Pnet applicable for both  MWFRS and C&C • IBC Sec. 1609.6.3 requires minimum  values of PnetMWFRS: Pnet ≥ 16 lbf/ft2 multiplied by  area of building projected on plane  normal to wind direction

C&C: Pnet≥ 16 lbf/ft2 acting normal to  surface in either direction

(97)

© 2015 Professional Publications, Inc. 97 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Design Wind Pressure

• IBC alternate method does not account for turbulence at wall corners or roof ridge  and eaves. • leeward and side walls: wind pressure is constant over the surface • windward walls: wind pressure varies with height (since Kz varies with height) • roof: separate coefficients are given for the windward and leeward portions

97

(98)

© 2015 Professional Publications, Inc. 98 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

IBC Alternate Procedure (MWFRS)

The following information must be  derived to determine wind loads for main  wind force‐resisting systems using the IBC  alternate procedure. • risk category • basic wind speed • exposure category • velocity pressure exposure coefficients • topographic factor • net‐pressure coefficients at walls and  roofs • design wind pressure • minimum design wind pressure

98

(99)

© 2015 Professional Publications, Inc. 99

STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Example: IBC Alternate Procedure (MWFRS)

Example 7.28

(100)

© 2015 Professional Publications, Inc. 100

STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Example: IBC Alternate Procedure (MWFRS)

Example 7.28

(101)

© 2015 Professional Publications, Inc. 101

STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Example: IBC Alternate Procedure (MWFRS)

(102)

© 2015 Professional Publications, Inc. 102

STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Example: IBC Alternate Procedure (MWFRS)

(103)

© 2015 Professional Publications, Inc. 103

STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Example: IBC Alternate Procedure (MWFRS)

(104)

© 2015 Professional Publications, Inc. 104

STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Example: IBC Alternate Procedure (MWFRS)

(105)

© 2015 Professional Publications, Inc. 105

STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Example: IBC Alternate Procedure (MWFRS)

(106)

© 2015 Professional Publications, Inc. 106

STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Example: IBC Alternate Procedure (MWFRS)

(107)

© 2015 Professional Publications, Inc. 107 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Example: Minimum Wind Loads (IBC)

IBC alternate procedure calculations are  used to create a design load case for a  main wind force‐resisting system, as   shown. Does the design load case satisfy  the IBC minimum design wind load  requirements?

107

(108)

© 2015 Professional Publications, Inc. 108 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Example: Minimum Wind Loads (IBC)

IBC alternate procedure calculations are  used to create a design load case for a  main wind force‐resisting system, as   shown. Does the design load case satisfy  the IBC minimum design wind load  requirements? Per IBC Sec. 1609.6.3, the design wind  load for a MWFRS cannot be less than        16 lbf/ft2 on any plane normal to the  assumed wind direction. The assumed wind direction is left to  right, and the roof is parallel to this  direction. Since the roof is not normal to  the assumed wind direction, the  minimum design wind load requirements  are not applicable.

108

(109)

© 2015 Professional Publications, Inc. 109 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Example: Minimum Wind Loads (IBC)

The walls are perpendicular to the wind  direction, so the walls are normal to the  wind direction, so the minimum design  wind load requirements are applicable. The net design wind load on the walls is The minimum design wind load  requirements are met.

total net,windward net,leeward

2 2 2 2 lbf lbf 7.60 9.80 ft ft 17.40 lbf/ft 16 lbf/ft , OK PPP     

109

(110)

© 2015 Professional Publications, Inc. 110 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Learning Objectives

You have learned • simple approximations for  fundamental period of vibration of  typical structures • how to calculate wind loads using  methods from ASCE/SEI7 and IBC. • how to distribute wind loads to typical  building structures • how to navigate ASCE/SEI7 and IBC  design codes for wind loads • choose variables • use of tables and figures • apply minimum load limits • interpret of important text

110

(111)

© 2015 Professional Publications, Inc. 111 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

Lesson Overview

Chapter 7: Lateral Forces • Lateral‐Force Resisting Systems • Seismic Design • Wind Design

111

References

Related documents

To determine the effect low-rise building geometry such as of roof pitch, eave height, building orientation, roof overhang and soffit, and attached garage, along with building