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S D RC L -R STRUCTURES Convention...6/2/2017 3 References •Design and Detailing of Low‐Rise...

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6/2/2017 1 June 2, 2017 Mike Mota, PhD, PE, F.ACI, F. ASCE, F.SEI SEAoA 51st Anniversary Convention and Conference SEISMIC DESIGN AND DETAILING OF RC LOW-RISE STRUCTURES About the Speaker Mike Mota, PhD, PE, F.ACI, F.ASCE, F.SEI VP of Engineering at CRSI Voting Member of ACI 318, 318B and 318R Member of ASCE7 (2016) Member of STRUCTURE Editorial Board Formerly Regional Engineer with PCA
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  • 6/2/2017

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    June 2, 2017

    Mike Mota, PhD, PE, F.ACI, F. ASCE, F.SEISEAoA 51st Anniversary Convention and Conference

    SEISMIC DESIGN ANDDETAILING OF RC

    LOW-RISESTRUCTURES

    About the Speaker•Mike Mota, PhD, PE, F.ACI, F.ASCE, F.SEI

    • VP of Engineering at CRSI• Voting Member of ACI 318, 318B and 318R• Member of ASCE‐7 (2016)• Member of STRUCTURE Editorial Board• Formerly Regional Engineer with PCA

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    Objectives

    General Guidelines for 

    Overall EconomyJoints of Special Moment Frames Diaphragms

    Footings in Areas of High Seismic 

    Risk

    References

    •Design Guide for Economical Reinforced Concrete Structures, CRSI, 2016

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    References

    •Design and Detailing of Low‐Rise Reinforced Concrete Buildings, CRSI, 2017 • Available soon

    www.crsi.org

    References

    •Building Code Requirements for Structural Concrete,     ACI 318‐14, 2014

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    General Guidelines for Overall Economy

    •Cost• Scheduling

    Three Elements of Structure Cost

    Floor systems Columns and bearing wallsLateral force‐resisting 

    systems

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    Structure Cost versus Building Height

    Main Component Costs

    Formwork Concrete Reinforcing steel

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    Main Component Costs

    50%

    30%

    20%

    U.S. National Average of In‐place Costs

    Formwork

    Concrete

    Reinforcing Steel

    Cost‐Effective Design

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    Cost‐Effective Design

    Elements of Economy – Formwork

    • Select one framing system and use it throughout the structure wherever possible

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    Elements of Economy – Formwork

    • Use standard shaped forms

    Elements of Economy – Formwork

    • Use floor framing systems of minimum depth with a constant elevation for the bottom surface

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    Elements of Economy – Formwork

    • Orient one‐way structural members to span in the same direction throughout the entire structure

    Elements of Economy – Formwork

    • Arrange columns in a regular pattern• Use a consistent column size

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    Elements of Economy – Formwork

    • Specify time when forms may be stripped from self‐supporting members

    • Specify strength of concrete when forms may be stripped from other members

    • Use high early strength concrete

    Elements of Economy – Formwork

    • Use predetermined construction joints

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    Elements of Economy –Reinforcement

    • Use Grade 60 reinforcing bars in floor systems

    Elements of Economy –Reinforcement

    • Use the largest bar size possible

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    Elements of Economy –Reinforcement

    • Use straight bars wherever possible• Use repetitive bar sizes and lengths

    Elements of Economy –Reinforcement

    • Use stock length bars

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    Elements of Economy –Reinforcement

    • Use ACI standard bar bend types

    Elements of Economy –Reinforcement

    • Use the appropriate splice in the appropriate situation

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    Elements of Economy –Reinforcement

    • Use the appropriate splice in the appropriate situation

    Elements of Economy –Reinforcement

    • Draw details to scale to ensure that reinforcing bars will fit within the section

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    Elements of Economy –Reinforcement

    • Draw details to scale to ensure that reinforcing bars will fit within the section

    Elements of Economy -Concrete• Use moderate‐strength concrete for floor systems

    • 4,000 to 5,000 psi compressive strength

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    Elements of Economy -Concrete• Specify few mix designs

    • Limit coarse aggregate size to ¾ inch

    Elements of Economy -Concrete• Use high‐strength concrete in columns

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    Elements of Economy -Concrete• Use high‐performance concrete where required

    • Long‐term mechanical properties

    • Durability in severe environments

    • High early strength

    Joints of Special 

    Moment Frames

    •Overview•Preliminary Joint Size

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    Shear Strength

    20forjointsconfinedonall4faces15forjointsconfinedon3facesor2oppositefaces12forallothercases

    Shear Strength

    • Free‐body diagram of interior column

    ℓ, , /2

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    Shear Strength

    • Free‐body diagram of interior joint

    1.25

    1.25

    Shear Strength

    •Amount of longitudinal reinforcement in beams framing into the joint has a direct impact on the magnitude of 

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    Preliminary Joint Size

    •Conservative to assume is equal to zero 

    1.25 1.25

    Preliminary Joint Size

    •Define• /• /

    1.25

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    21

    Preliminary Joint Size

    •Assume• ≅ 0.9• Grade 60 reinforcement

    67.5

    Preliminary Joint Size

    •Assume• Normalweight concrete• 4,000psi

    0.054

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    Preliminary Joint Size

    •Assume•Width of beam  width of column •

    ,

    ⁄12 10015 8020 60

    Preliminary Joint Size

    •Reinforcement range• Minimum  0.0033• Maximum  0.0181

    • Tension‐controlled section

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    Preliminary Joint Size

    •Reinforcement range• ACI 18.6.3.2

    • /2• /2 (approx.)

    • 0.01• Helps alleviate congestion

    Preliminary Joint Size

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    Diaphragms •Design•Detailing

    CHOOSE CONCRETE: For Life • www.crs i .org

    Diaphragms

    • Diaphragm in‐plane forces

    • Diaphragm transfer forces

    • Connection forces between diaphragm and vertical elements of the LFRS

    • Forces from bracing vertical or sloped building elements

    • Diaphragm out‐of‐plane forces

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    Diaphragms

    • Analysis methods (ACI 12.4.2.4)• Rigid diaphragm model• Flexible diaphragm model• Bounding analysis• FEM• Strut‐and‐tie model

    Diaphragms

    •Rigid diaphragm model

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    Rigid Diaphragm Model

    • Reactions in walls A, B, and C known from analysis• Determine  and  from equilibrium• Includes eccentricity

    Rigid Diaphragm Model

    ℓ ℓ ℓ2

    2 ℓ ℓ ℓ3 ℓ

    ℓ ℓ ℓ ℓ ℓ

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    Rigid Diaphragm Model

    •Chord forces• ,

    • ≅ 0.95• It is inherently assumed that diaphragm behavior follows classical flexural theory

    Rigid Diaphragm Model

    • Large openings• Seismic forces

    • Loads on top and bottom diaphragm segments proportional to area

    • Wind forces• Loads based on lengths (in‐plane stiffness)

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    Rigid Diaphragm Model

    • Large openings• Diaphragm segments are idealized as beams that are fixed at each end

    Rigid Diaphragm Model

    • Large openings• Chord forces

    • For other than openings centered in the diaphragm, it is conservative to use a total tensile force equal to

    ,0.95

    ,0.95

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    Rigid Diaphragm Model

    •Chord reinforcement

    0.90

    Rigid Diaphragm Model

    • Shear transfer reinforcement• Transfer unit shear forces from diaphragm to• vertical elements of the LFRS• any collectors

  • 6/2/2017

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    Rigid Diaphragm Model

    • Shear transfer reinforcement• Wall B

    /

    0.75

    Rigid Diaphragm Model

    • Shear transfer reinforcement• Wall A

    • Shear transfer depends on width of collector• Collector same width as wall

    • Collector wider than wall

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    Rigid Diaphragm Model

    • Shear transfer reinforcement• Wall A

    • Collector same width as wall /

    0.75

    Rigid Diaphragm Model

    • Shear transfer reinforcement• Wall A

    • Collector wider than wall• Uniform shear along wall plus a portion of the total collector force

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    Rigid Diaphragm Model

    • Shear transfer reinforcement• Dowel bars must also be designed for any out‐of‐plane wind and seismic forces 

    Collectors

    • Portion of slab• Beam

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    Collectors

    Collectors

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    Footings • Traditional Design Methods•Proposed Design Method

    Traditional Design Methods

    •Base area of footing• Service load combinations• Allowable soil bearing capacity 

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    Traditional Design Methods

    •Base area of footing• Service load combinations• Allowable soil bearing capacity 

    Traditional Design Methods

    • Strength design load combinations• Flexural strength• Shear strength

  • 6/2/2017

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    ASCE/SEI 7‐16

    • Section 12.13• Strength‐level design (12.13.5)• Service‐level design  (12.13.6)

    ASCE/SEI 7‐16

    • Strength‐level design• Base area of footing• Strength‐design load combinations of ASCE/SEI 2.3

    • 1.4• 1.2 1.6 0.5 or or• 1.2 1.6 or or or0.5• 1.2 1.0 0.5 or or• 1.2 1.0 0.2• 0.9 1.0• 0.9 1.0

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    ASCE/SEI 7‐16

    • Strength‐level design• Design soil bearing strength 

    • resistance factor per ASCE/SEI Table 12.13‐1

    Direction and Type of Resistance Resistance Factors, 

    Vertical ResistanceCompression (bearing) 0.45Pile friction 0.45Lateral ResistanceLateral bearing pressure 0.50Sliding (friction or cohesion) 0.85

    ASCE/SEI 7‐16

    • Strength‐level design• Nominal soil bearing strength 

    • Presumptive load‐bearing values• Geotechnical site investigations• In‐situ testing of prototype foundations

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    ASCE/SEI 7‐16

    • Strength‐level design• Overturning effects permitted to be reduced by 25%• ELFP is used• Not inverted pendulum or cantilevered column type structure

    ,

    ASCE/SEI 7‐16

    • Strength‐level design• Elastic soil response

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    ASCE/SEI 7‐16

    • Strength‐level design• Elastic soil response

    ASCE/SEI 7‐16

    • Strength‐level design• Inelastic soil response

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    ASCE/SEI 7‐16

    • Earthquake effects  are less than those that would be expected during a design‐basis earthquake

    ASCE/SEI 7‐16

    • Some inelastic behavior is allowed in the footing regardless if strength‐level or service‐level load combinations are used

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    ASCE/SEI 7‐16

    • Foundations designed in this way… …may possibly be damaged during a 

    seismic event…may not perform as intended during  subsequent seismic events

    ASCE/SEI 7‐16

    • Furthermore… …inspecting foundations after an earthquake can be very expensive or impossible

    …repairing foundations can also be costly and may not be feasible

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    Proposed Method

    • Buildings assigned to SDC D, E, or F• Determine factored load effects using strength design load combinations in ASCE/SEI 2.3 with seismic load effects including overstrength in ASCE/SEI 12.4.3

    • 1.4• 1.2 1.6 0.5 or or• 1.2 1.6 or or or0.5• 1.2 1.0 0.5 or or• (1.2 0.2 Ω 0.2• 0.9 1.0• (0.9 0.2 Ω

    Proposed Method

    •Buildings assigned to SDC D, E, or F• Determine base area of footing using  , and 

    • Elastic soil response• Inelastic soil response

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    Proposed Method

    • Lateral Loads• Ω••

    • 0.85(ASCE/SEI Table 12.13.1)

    Proposed Method

    • Flexural strength• Shear strength• Interface strength

    • 1.4• 1.2 1.6 0.5 or or• 1.2 1.6 or or or0.5• 1.2 1.0 0.5 or or• (1.2 0.2 Ω 0.2• 0.9 1.0• (0.9 0.2 Ω


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