STRC17 Lateral Forces Wind Loads 0716

Structural Engineering Exam Review Course

Lateral Forces: Wind Loads

Wind Loads Structural Engineering Review Course

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Lateral Forces: Wind Loads

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

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Learning Objectives You will learn • simple approximations for  fundamental period of vibration of  typical structures

• how to navigate ASCE/SEI7 and IBC  design codes for wind loads

• how to calculate wind loads using  methods from ASCE/SEI7 and IBC.

• use of tables and figures

• how to distribute wind loads to typical  building structures

• choose variables • apply minimum load limits • interpret of important text

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Prerequisite Knowledge and Skills You should already be familiar with • layout of ASCE/SEI7 and IBC • load application by tributary areas

• typical LFRS (braced frames, moment  frames, shear walls, etc.) • typical building components (braces,  beams, trusses, etc.)

• linear interpolation • calculating weighted averages

• roof types (flat, gable, hip, etc.)

• common terms for wind loading (ex: windward, leeward, etc.)

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

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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

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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.

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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.

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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

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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).

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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

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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).

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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.

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Enclosure Classification open building  area of each wall is at least 80% openings

Figure 7.32 Building Openings

A0  0.8 Ag

Ao = total area of openings in a wall  receiving positive external pressure Ag = gross area of wall in which Ao is  identified

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Enclosure Classification partially enclosed building  Figure 7.32 Building Openings

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

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Enclosure Classification enclosed building  • does not comply with requirements  for open or partially enclosed  buildings

Figure 7.32 Building Openings

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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

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

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Example: Low‐Rise Buildings Does the enclosed building shown qualify  as a low‐rise building per ASCE/SEI7  requirements?

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Example: Low‐Rise Buildings The building is enclosed, so it fulfills the  enclosure requirement for a low‐rise  building. Find the mean roof height.

80 ft  52 ft   160 ft  64 ft  240 ft  60 ft   60 ft, OK 

The building fulfills the first mean roof  height requirement.

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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.

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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

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Fundamental Period of Vibration method 2 From ASCE/SEI7 Eq. 12.8‐7 and Table 12.8‐2,

hn  structural height

ASCE/SEI7 Sec. 11.2

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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)  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

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Wind Load Parameters The following parameters are used in one  or more procedures to determine wind  loads.

• wind directionality factor • wind velocity pressure • minimum design wind loads

• surface roughness category

• gust effect factor

• site exposure category • risk category and basic wind speed at location of structure • velocity pressure exposure coefficient

• enclosure classification • internal/external pressure coefficients • others for specific methods/situations

• topographic factor

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Surface Roughness Category surface roughness

Table 7.10 Surface Roughness Categories

• categories defined in ASCE/SEI7  Sec. 26.7.2 • accounts for geometric effects that  impede flow (more turbulence results  in a less streamlined airflow)

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Site Exposure Category site exposure category 

Table 7.11 Site Exposure Category

• defined in ASCE/SEI7 Sec. 26.7.3  • illustrated in Sec. C26.7 • accounts for surface roughness and  building height

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Risk Category & Basic Wind Speed Risk categories are defined in ASCE/SEI7  Table 1.5‐1. 

Table 7.12 Risk Category and Wind Speed Maps

Use wind speed maps to determine basic  wind speed. 

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Velocity Pressure Exposure Coefficient (MWFRS) • represented by Kz • reflects change in wind speed with  height and exposure category

Table 7.13 Velocity Pressure Exposure Coefficients For Main Wind Force‐Resisting Systems

• 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.

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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?

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

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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

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Topographic Factor • criteria represented by topographic multipliers, K1 , K2 , K3 (given in ASCE/SEI7  Fig. 26.8‐1) • topographic factor given by

ASCE/SEI7 Eq. 26.8‐1

• when topography effects need not be considered, Kzt = 1.0

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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

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Wind Velocity Pressure • qz = wind velocity pressure at an arbitrary height z • found using ASCE/SEI7 Eq. 28.3‐1 2 qz ,lbf/ft 2  0.00256 K z K zt K dVmi/hr

Kz = velocity pressure exposure coefficient Kzt = topographic factor Kd = directionality factor V = basic wind speed • velocity pressure varies as velocity pressure exposure coefficient varies with height  above ground STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

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Example: Wind Velocity Pressure Example 7.25

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Example: Wind Velocity Pressure

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Example: Wind Velocity Pressure

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Example: Wind Velocity Pressure

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Gust Effect Factor • represented by Gf • accounts 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, Gf calculated using procedure summarized in ASCE/SEI7 Sec. 26.9.5

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Internal Pressure Coefficients • (GCpi) = combination of gust effect  factor and internal pressure  coefficient

Table 7.14 Values of External Pressure Coefficients

• values of (GCpi) tabulated in  ASCE/SEI7Table 26.11‐1 for all three  enclosure classifications

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Internal Pressure Coefficients • pi = pressure acting on internal  surfaces 

Table 7.14 Values of External Pressure Coefficients

• found from second term of  ASCE/SEI7 Eq. 28.4‐1 pi   qh  GC pi 

• positive acting toward surface,  negative acting away from surface (consider both cases to determine  worst case)

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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

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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

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External Pressure Coefficients Figure 7.33 Load Case A and  Load Case B (partial figure) Table 7.15 External Pressure Coefficients for Load Case A

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External Pressure Coefficients Figure 7.33 Load Case A and  Load Case B (partial figure) Table 7.16 External Pressure Coefficients for Load Case B

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

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External Pressure Coefficients pressure acting on external surfaces, 

• a cannot be less than either of

ASCE/SEI7 Eq. 28.4‐1

external pressure coefficients given for  two zones on each wall and roof surface

• interior zone given by ASCE/SEI7       Fig. 28.4‐1

• end zone width: given by ASCE/SEI7  Fig. 28.4‐1, Note 9 as 2a where a is  lesser of

• pressures act normal to wall and roof  surfaces • (+) toward the surface and (‐) away  from the surface – consider both cases

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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 STRC ©2015 Professional Publications, Inc.

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Minimum Design Wind Loads Fig. 7.31 Minimum Design Wind Loads

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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)

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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)

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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