Lateral load resistance of rigid frame structural system in tall buildings

Abstract

This thesis include a literature study on concepts in lateral stability systems in tall buildings. Features of different lateral stiffness systems are compared in the study, with focus on the application of rigid frame building system in tall buildings.

The rigid frame building system comprises beams and columns connected with rigid or semi-rigid joints, transferring moment between them. The degree of stiffness of the joints between columns and beams directly affect the stiffness of the building. Rigid frame buildings have an upper height range of about 25 stories. The economic height of rigid frame buildings is in most cases limited by the building systems difficulty to control lateral drift. Rigid frame buildings have only columns in the plane, making the placement of openings, walls and windows very flexible. While not being a popular building system for tall buildings today, many tall buildings comprise rigid frames in addition to other building system for added lateral stability and robustness.

A case study is conducted in this study on the subject of a fictional 30 story building in Finnish conditions, with characteristic wind- and snow load values and combina- tions. Focus is set on the member stiffness properties needed for fulfilling regular drift index criteria as well as characteristic peak along-wind acceleration values and global stability. The impact of changing degree of fixity in the beam-column joints as well as changing axial stiffness in the columns were also studied. Different frame alternatives are analyzed in an iterative fashion using FEM-computation.

The result of the case study provide information on what properties the elements in a rigid frame building must possess in order to pass general serviceability acceptance criteria in Finland. It also illustrates some of the difficulties involved in designing a rigid frame tall building in Finnish conditions.

Additionally it is found that the reliability of rigid steel joints, especially bolted such,is hard to verify. Rotational stiffness of bolted steel joints are mostly obtained by experimental data. This becomes important in the rigid frame building system because its stability relies on the rigidity of these joints. Welded joints are more favourable in a rigid frame because of their rotational stiffness.

En ramförstyvad byggnad består av pelare och balkar som är momentstyvt fästa i varandra. Ramförstyvade byggnader har i allmänhet en ekonomisk höjd på runt 25 våningar. Lateral utböjning i byggnaden på grund av skjuvkrafter är den vanligas- te begränsande faktorn i höga byggnader med ramförstyvning. I och med att en ramförstyvad byggnad bara har pelare i planet finns det möjlighet att placera öppningar, väggar och fönster relativt fritt. När det kommer till höga byggnader är enbart ramförstyvning ett ovanligt byggnadssystem, men många höga byggnader använder ramförstyvning som tilläggsförstyvning tillsammans med ett annat förstyvningssystem för ökad robusthet i byggnaden.

En litteraturstudie i höga byggnaders förstyvning utförs i detta examensarbete. I studi- en jämförs olika förstyvningssystem. Olika former av ramförstyvning behandlas också via exempel.

En fallstudie som behandlar ett 30-våningshus med endast ramkonstruktion som förstyvning utförs i detta examensarbete. Byggnadens pelares och balkars egenska- per ändrades och krav på vilka egenskaper som krävs för att uppfylla olika bruk- gränstillstånd under finska förhållanden undersöktes. Mest fokus sätts vid att stude- ra byggnadens totala nedböjning och stabilitet. Inverkan av minskad fogstyvhet un- dersöks också i fallstudien, samt inverkan av minskad axialstyvhet hos pelare.

Resultatet i fallstudien ger information om vilken minimistyvhet som krävs hos pelare och balkar för att fullfölja krav som sätts på höga byggnader i finska förhållanden. Fallstudien visade också på en del utmaningar som finns vid design av en byggnad med endast ramförstyvning.

I studien diskuterades också pelar-balkfogar i stål. Problematiken med bultade fo- gars momentstyvhets pålitlighet togs upp, samt det faktum att de flesta bultade pelar- balkfogars mekaniska egenskaper långt grundar sig på experimentell data. Detta har stor betydelse för ramförstyvade byggnader i och med att infästningarnas styvhet är direkt kopplad till byggnadens stabilitet.