Example

196 downloads 175 Views 211KB Size Report
Example: Analysis of Reinforced Concrete Floor. 1 / 9. Typical Reinforced Concrete Building. Cast-in-place reinforced concrete structures have monolithic slab ...
CE 331, Fall 2010 

Example: Analysis of Reinforced Concrete Floor 

1 / 9 

beam web

Beam Spacing

bw h

tslab

A

slab

Beam Spacing

slab span

Beam Span

Beam Spacing

Beam Spacing

Beam Spacing

A

Column Spacing

Column Spacing

Column Spacing

Section A‐A:  Slab & Beam Elevation 

Beam Spacing

Typical Reinforced Concrete Building  Cast‐in‐place reinforced concrete structures have monolithic slab to beam and beam to column  connections.  Monolithic comes from the Greek words mono (one) and lithos (stone).   Consequences of monolithic construction include:  • beam‐to‐column connections transfer moment making reinforced concrete frames  highly indeterminate, and  • the deck slab and the beam are one piece of concrete, making the beams “T‐shaped”     A typical reinforced concrete floor system is shown in the sketches below.    Exterior Span Interior Span Exterior Span  

             Plan View of Floor System 

           

Column Spacing

Column Spacing Ln

Ln (clear span)

Column Spacing

 

Ln

slab beam web

column

     

           Elevation View    It’s important to have a clear picture in one’s mind of the concrete structure represented by the  2D sketches above.  The orthographic views on the following page of the same floor system are  intended to help in this regard.       

CE 331, Fall 2010 

Example: Analysis of Reinforced Concrete Floor 

  Isometric View of Reinforced Concrete Floor System 

2 / 9 

 

 

 

  Cut‐away showing beam dimensions   

CE 331, Fall 2010 

Example: Analysis of Reinforced Concrete Floor 

3 / 9 

Placement of Reinforcement  Steel reinforcement is placed in the tension zones of reinforced concrete beams, as indicated  by the crack patterns shown below.     

-'ve M steel +'ve M steel

  Reinforcement in Tensile Zones 

 

  Factored Moments due to Dead + Live Loads (Mu)  Because concrete frames are highly indeterminate, the moments due to factored dead and live  loads are typically calculated with the aid of a computer program.  Alternatively, designers  often use the American Concrete Institute (ACI) moment coefficients (shown below) which  represent the envelope of moments due to dead load plus various live load span load patterns.  wu L2n 14 Mu

wu L2n 10

ACI Moment Coefficients   

 

 

CE 331, Fall 2010 

Example: Analysis of Reinforced Concrete Floor 

4 / 9 

Example.  Check the flexural strength in the office building indicated below at three locations:  1. a one‐foot‐wide section of slab  2. the middle of an exterior span of an interior beam   3. at the interior support of an exterior span of an interior beam   

1

4 @ 12 ft

1

2

3

2

3

3 @ 29 ft Col. Size = 24” x 24”  t_slab = 5 in  h = 16 in  b_w = 13 in 

f'c = 4000 psi  fy = 60,000 psi    unit wt of conc. = 150 pcf wSD = 10 psf  wLL = 40 psf 

Slab Reinforcement:  #4 @ 15”    Beam Reinforcement:  Midspan:  3 #7 bars  Support:   8 #6 bars  #3 stirrups 

1.  One‐foot‐wide strip of slab  εc = 0.003

12” 

0.85f'c  a



c



t_slab 

As

εs

As 

Strain Distribution  in the Concrete 

fs Stresses 

T  Forces 

CE 331, Fall 2010 

Example: Analysis of Reinforced Concrete Floor 

5 / 9 

Calc. Mu:  Super‐imposed Dead  Load 

wSDL = (SDL)(tributary width) = (0.010ksf)(1ft) = 0.010klf 

Self‐weight 

wsw = (unit_wt) (width)(depth) = (0.150kcf)(1ft)(5in/12in/ft) = 0.0625klf 

Live load 

wL = (LL)(tributary width) = (0.040ksf)(1ft) = 0.040klf 

Factored load 

wu = 1.2(wsw + wSDL) + 1.6(wL) = 1.2(0.0625klf + 0.010klf) + 1.6(0.040klf) = 0.151klf 

Moment due to factored  Mu = (1/Mcoef)(wu)(Ln)2  loads   

Mcoef = 10,  max. moment for continuous beam, [FE Ref. pg. 144] 

Clear span 

Ln =beam spacing – width of beam web = 12ft – 13in/12in/ft = 10.92ft 

 

Mu = (1/10)(0.151klf)(10.92ft)2, 

 Mu = 1.80kft

Calc. φMn:  Calc. depth of stress block from ΣFH: C = T Æ 0.85 f’c a b = As fy

(Assume steel yields)

Calculate the area of steel in a one‐foot wide strip of slab:       As of one #4 bar = 0.20 in2 [FE Ref. pg 144]  2 in 2 1bar 12 in   As in a  1 ft − wide strip = (0.20 in / bar )( in ) = 0 . 160 1 ‐ ft  strip 1 ft − wide strip 15 0.85 (4ksi) a (12in) = (0.160 in2)(60ksi), 

a = 0.235in 

Calc. effective depth, d  cover = 0.75in, [ACI Clear Cover Reqt’s:  Concrete not exposed to weather, Slabs, No 11 bar and  smaller]  d = h – cover – φbar/2 = 5in – 0.75in – 0.50in / 2,     Calc. strain in steel,  0.003 ε s + 0.003 = a / β1 d



  β1 = 0.85 for fc' = 4 ksi ε s + 0.003 0.003 0.235 in / 0.85

=

[FE Ref. pg. 145]    [FE Ref. pg. 144]   

4.00 in

   

• • •

εs > εy = 0.002, so steel yields as assumed  εs > 0.004 = min. for beams  [FE Ref. pg. 145]  εs = 0.90 since  s > 0.005  [FE Ref. pg. 145]   

d = 4.00in 

εs = 0.0404 

CE 331, Fall 2010 

Example: Analysis of Reinforced Concrete Floor 

6 / 9 

Calc.φMn  φMn = φ As fy (d – a/2) = (0.90)(0.160 in2)(60ksi)(4.00in – 0.235in/2) / 12in/ft     

φMn = 2.80k‐ft 

 

φMn = 2.80k‐ft  >  1.80k‐ft = Mu, OK 

2.  Midspan of exterior span:  T‐beam   

     Calc. Mu  Self‐weight of T‐beam:  The self‐weight of the T‐beam is equal to the unit weight of reinforced concrete  (typically 150 pcf) times the cross‐section area of the T‐beam.  The flange of the T‐beam extends half‐ way to the nearest beam on either side, which is typically equal to the beam spacing.  wsw = unit_wt  x  AT‐beam         AT‐beam = the area of the slab  +  the area of the beam web that extends below the slab        AT‐beam = (beam spacing x t_slab)  +  (h – t_slab) x bw   wsw  = (0.150kcf) [ 12ft x (5"/12in/ft)  +   (16in – 5in) x 13in x (1 ft2/144 in2)]= 0.899 klf    wSD = (wSD)(beam spacing) = (0.010ksf)(12') = 0.120 klf  wL = (wL)(beam spacing) = (0.040ksf)(12') = 0.480 klf    wu = 1.2 (wsw + wSD)  +  1.6 wL  wu = 1.2 (0.899 klf  +  0.120 klf)  +  1.6 (0.480 klf)  = 1.991 klf    Mu = wu Ln2 / 14   (moment coefficient for exterior span, midspan)            Ln = clear span = column spacing – width of column = 29ft – 2ft = 27ft  Mu  =103.7 k‐ft  Mu = (1.991 klf) (27 ft)2 / 14    

 

CE 331, Fall 2010 

Example: Analysis of Reinforced Concrete Floor 

7 / 9 

Calc. φMn:  effective flange width, b_f:  [FE Reference, pg 146]  b_f = minimum of:             clear span / 4                 16 t_slab + b_w            beam spacing                                              27' (12"/') / 4 = 81"         16(5") + 13" = 93"        12' x 12'/" = 144"  b_f = 81"  Calc. stress resultants  bf

εc = 0.003

t

0.85f'c Cf

aweb c

Cw

d εs

bw

fs

T

Assume the compression block does not extend below the bottom of the flange (typical).  ΣFH:  C = T   0.85 f’c a b_f  = As fy     Assume steel yields       As = 3(0.60in2) = 1.80in2  0.85 (4 ksi) a (81”) = (1.80 in2) (60 ksi),  a = 0.392”  t, then  ΣFH:  C = T   0.85 f’c [(bf – bw) t  + bw a] = As fy     Assume steel yields  Solve equation above for a, and proceed as below, except:  when calculating φ Mn add the moment due to the compression in the flange  φ Mn = φ [As fy (d – a/2) + Cf (a/2 – t/2)],      where  Cf = 0.85 f’c t (bf – bw)   

 

a = 0.392” 

CE 331, Fall 2010 

Example: Analysis of Reinforced Concrete Floor 

8 / 9 

Calc. strain in steel   cover = 1.5in, [ACI Clear Cover Reqt’s:  Concrete not exposed to weather, Beams & columns]  0.003 0.003 + ε s = c d d = 16"−[1.5"+

3" 1 7 + " ] = 13.69" 8 28

a = β1c, β1 = 0.85 for f c' = 4 ksi 0.392" = 0.85 c,

c = 0.461"

0.003 0.003 + ε s = , ε s = 0.0861 0.461" 13.69" ∴ (1) steel has yeilded (ε s > ε y = 0.002) , as assumed (2) ε s > 0.004 ( ACI minfor beams), OK (3) φ = 0.90 (ε s >= 0.005) φ Mn = φ [As fy (d – a/2)]   φ Mn = 0.90 [(1.80in2)(60 ksi) (13.69” – 0.392”/2)] (1' / 12"), 

 

φMn = 109   >  104  = Mu, OK    k‐ft

 

k‐ft

3.  At Interior Side of Interior Support   The bottom of the web is in compression, everything above the neutral axis is cracked.  The top steel is  spread laterally across the flange (therefore it is always in one layer). 

bf

εs

t T

d c bw

.003

a

Cc

0.85f'c

Calc. Mu  Mu = wu Ln2 / 10   (moment coefficient for exterior span, interior support)  Mu  = 145.1 k‐ft        = (1.991 klf) (27 ft)2 / 11  

CE 331, Fall 2010 

Example: Analysis of Reinforced Concrete Floor 

9 / 9 

Calc. Mn  Calc. depth of stress block 

ΣFH:  C = T   0.85 f’c a bw  = As fy     (Assume steel yields)    As of one #6 bar = 0.44 in2     As = (8 bars)(0.44 in2 per bar) = 3.52 in2  0.85 (4 ksi) a (13”) = (3.52 in2) (60 ksi),    Calc. strain in steel. 

a = 4.778” 

0.003 0.003 + ε s = c d d = 16"−[1.5"+

3" 1 6 + " ] = 13.75" 8 28  

a = β1c, β1 = 0.85 for f c' = 4 ksi 4.778" = 0.85 c,

c = 5.621"

0.003 0.003 + ε s = , ε s = 0.00434 5.621" 13.75" ∴ steel has yeilded (ε s > ε y = 0.002) , as assumed &

 

φ  =  0.48 + 83(0.00434) = 0.840 &

ε s > 0.004 (OK )   Calc. φ Mn 

φ Mn = φ [As fy (d – a/2)]   φ Mn = 0.840 [(3.52in2)(60 ksi) (13.75” – 4.778”/2)] (1' / 12"),       

   

φMn = 168k‐ft  >  145k‐ft = Mu, OK