A Parametric Study on the Design of Multi-Storey Steel Buildings

Abstract

Buildings must withstand external loads by presenting limited displacements in order to ensure safety, stability, and functionality. This study focuses on the horizontal load bearing systems of multi-story steel buildings in consideration of lateral displacements. Seven different horizontal load-bearing systems were designed for an eleven-story steel building located in Bursa. The analysis of structures was performed applying same seismic parameter and capacity limits for all. The design procedure was conducted in accordance with current regulations of “Design, Calculation and Construction of Steel Structures-2016” and “Turkish Building Earthquake Code-2018”. Fundamental model designed as moment resistant frames in both principal directions. Subsequently, vertical concentric braces were then added in six different configurations, varying in stiffness and layout, to explain their effect on lateral displacements. All models were designed as high ductile according to linear capacity-based analysis method. In this way, progress in horizontal displacement performances of the building under seismic and wind loads was examined using different vertical bracing systems and locations.

Keywords

• Multi-story steel buildings
• horizontal loads
• top displacement
• inter story drift
• moment frame
• concentrically braced frame

Çok Katlı Çelik Binaların Tasarımına İlişkin Parametrik Bir Çalışma

Öz

Binalar, güvenlik, stabilite ve işlevselliği sağlamak için dış yükler altında sınırlı yer değiştirmeler yapmalıdır. Bu çalışma, çok katlı çelik yapıların yatay yükleri taşıyan sistemlerindeki yanal yer değiştirmelerin detaylı olarak incelenmesini amaçlamaktadır. Bursa'da bulunan on bir katlı bir çelik bina için yedi farklı yatay taşıyıcı sistem tasarlanmıştır. Yapıların analizi, sistemler genelinde aynı sismik parametre ve kapasite sınırları uygulanarak gerçekleştirilmiştir. Tasarım prosedürü, “Çelik Yapıların Tasarım, Hesap ve Yapımı-2016” ve “Türk Bina Deprem Yönetmeliği-2018” güncel yönetmeliklerine uygun olarak yürütülmüştür. Temel model her iki asal yönde moment çerçevesi olarak tasarlanmış, ardından yanal yer değiştirmeler üzerindeki etkilerini açıklamak için rijitlik ve yerleşim açısından değişen altı farklı konfigürasyonda düşey eşmerkezi çaprazlar eklenmiştir. Tüm modeller kapasite analiz yöntemine göre yüksek sünek olarak tasarlanmıştır. Bu şekilde, farklı düşey çapraz sistemleri ve konumları kullanılarak binanın sismik ve rüzgar yükleri altında yatay yer değiştirme performanslarındaki değişim incelenmiştir.

Anahtar Kelimeler

• çok katlı çelik binalar
• yatay yükler
• tepe deplasmanı
• göreli kat ötelemesi
• moment çerçevesi
• merkezi çaprazlı çerçeve

References

1. [1] Turkish Building Earthquake Code, TBDY-2018, 2018.
2. [2] Design, Calculation and Construction of Steel Structures-2016, ÇYTHYEDY,2016
3. [3] G. L. Griffis, “Serviceability Limit States Under Wind Load”, Engineering Journal, vol. 30, no. 1, pp.1-16, Mar, 1993, DOI: 10.62913/engj.v30i1.606.
4. [4] B. S. Smith, Alex Coull, “Design Criteria” in Tall Building Structures Analysis and Design, United States: John Wiley & Sons, Inc.,1991, ch.2, sec. 2.5, pp. 13.
5. [5] Specification for Structural Steel Buildings. ANSI/AISC 360-22, 2022.
6. [6] ETABS (ver. 21.0.1) [Computer Software], “Integrated software for structural analysis and design program”, Computers and Structures Inc., Berkeley, California.
7. [7] Design Loads for Buildings, TS-498, 2021.
8. [8] Actions on Structures – Part 1-4: General Actions- Wind Actions, TS EN 1991-1-4, 2007.

9. [9] Turkey Earthquake Hazard Maps, Disaster and Emergency Management Presidency,2018. “https://tdth.afad.gov.tr/”
10. [10] R. Hamburger, J. Malley, “Seismic Design of Steel Special Moment Frames: A Guide for Practicing Engineers” in NHRP Seismic Design Technical Brief No. 2, Gaithersburg, MD, USA, 2016. DOI: 10.6028/nist.gcr.16-917-41
11. [11] M. Bruneau, C. M. Uang, R. Sabelli, “Design of Ductile Moment Resisting Frames” in Ductile Design of Steel Structures, McGraw Hill Professional, 1998, ch. 8, pp. 352.
12. [12] M. Bruneau, C. M. Uang, R. Sabelli, “Design of Ductile Concentrically Braced Frames” in Ductile Design of Steel Structures, McGraw Hill Professional, 1998, ch. 9, pp. 503.
13. [13] R. Sabelli, C. W. Roeder, J. F. Hajjar, “Seismic Design of Steel Special Concentrically Braced Frames Systems: A Guide for Practicing Engineers” in NHRP Seismic Design Technical Brief No. 8, Gaithersburg, MD, USA, 2013.