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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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6

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

ℓ

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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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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

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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

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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