background image

Draft

DRAFT

Lecture Notes in:

STRUCTURAL ENGINEERING

Analysis and Design

Victor E. Saouma

Dept. of Civil Environmental and Architectural Engineering

University of Colorado, Boulder, CO 80309-0428

background image

Draft

3

PREFACE

Whereas there are numerous excellent textbooks covering Structural Analysis, or Structural
Design, I felt that there was a need for a single reference which

•

Provides a

succinct, yet rigorous

, coverage of Structural Engineering.

•

Combines

, as much as possible, Analysis with Design.

•

Presents numerous,

carefully selected, example problems

.

in a properly type set document.

As such, and given the reluctance of undergraduate students to go through extensive verbage

in order to capture a key concept, I have opted for an unusual format, one in which each key
idea is clearly distinguishable. In addition, such a format will hopefully foster group learning
among students who can easily reference misunderstood points.

Finally, whereas all problems have been taken from a variety of references, I have been

very careful in not only properly selecting them, but also in enhancing their solution through
appropriate figures and L

A

TEX typesetting macros.

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

Contents

I

ANALYSIS

29

1 A BRIEF HISTORY OF STRUCTURAL ARCHITECTURE

31

1.1

Before the Greeks

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

1.2

Greeks

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

1.3

Romans

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

1.4

The Medieval Period (477-1492)

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

1.5

The Renaissance

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

1.5.1

Leonardo da Vinci 1452-1519

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

1.5.2

Brunelleschi 1377-1446

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

1.5.3

Alberti 1404-1472

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

1.5.4

Palladio 1508-1580

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

1.5.5

Stevin

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

1.5.6

Galileo 1564-1642

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

1.6

Pre Modern Period, Seventeenth Century

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

1.6.1

Hooke, 1635-1703

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

1.6.2

Newton, 1642-1727

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

1.6.3

Bernoulli Family 1654-1782

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

1.6.4

Euler 1707-1783

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

1.7

The pre-Modern Period; Coulomb and Navier

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

1.8

The Modern Period (1857-Present)

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

1.8.1

Structures/Mechanics

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

1.8.2

Eiffel Tower

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

1.8.3

Sullivan 1856-1924

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

1.8.4

Roebling, 1806-1869

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

1.8.5

Maillart

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

1.8.6

Nervi, 1891-1979

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

1.8.7

Khan

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

1.8.8

et al.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

2 INTRODUCTION

55

2.1

Structural Engineering

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

2.2

Structures and their Surroundings

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

2.3

Architecture & Engineering

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

2.4

Architectural Design Process

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

2.5

Architectural Design

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

2.6

Structural Analysis

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

2.7

Structural Design

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

background image

Draft

CONTENTS

7

6 INTERNAL FORCES IN STRUCTURES

113

6.1

Design Sign Conventions

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

6.2

Load, Shear, Moment Relations

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

6.3

Moment Envelope

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

6.4

Examples

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

6.4.1

Beams

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

E 6-1 Simple Shear and Moment Diagram

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

E 6-2 Sketches of Shear and Moment Diagrams

. . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

6.4.2

Frames

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

E 6-3 Frame Shear and Moment Diagram

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

E 6-4 Frame Shear and Moment Diagram; Hydrostatic Load

. . . . . . . . . . . 123

E 6-5 Shear Moment Diagrams for Frame

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

E 6-6 Shear Moment Diagrams for Inclined Frame

. . . . . . . . . . . . . . . . . 127

6.4.3

3D Frame

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

E 6-7 3D Frame

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

6.5

Arches

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

7 ARCHES and CURVED STRUCTURES

131

7.1

Arches

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

7.1.1

Statically Determinate

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

E 7-1 Three Hinged Arch, Point Loads. (Gerstle 1974)

. . . . . . . . . . . . . . 134

E 7-2 Semi-Circular Arch, (Gerstle 1974)

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

7.1.2

Statically Indeterminate

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

E 7-3 Statically Indeterminate Arch, (Kinney 1957)

. . . . . . . . . . . . . . . . 137

7.2

Curved Space Structures

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140

E 7-4 Semi-Circular Box Girder, (Gerstle 1974)

. . . . . . . . . . . . . . . . . . 140

7.2.1

Theory

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142

7.2.1.1

Geometry

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142

7.2.1.2

Equilibrium

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143

E 7-5 Internal Forces in an Helicoidal Cantilevered Girder, (Gerstle 1974)

. . . 144

8 DEFLECTION of STRUCTRES; Geometric Methods

149

8.1

Flexural Deformation

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149

8.1.1

Curvature Equation

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149

8.1.2

Differential Equation of the Elastic Curve

. . . . . . . . . . . . . . . . . . 151

8.1.3

Moment Temperature Curvature Relation

. . . . . . . . . . . . . . . . . . 152

8.2

Flexural Deformations

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152

8.2.1

Direct Integration Method

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152

E 8-1 Double Integration

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152

8.2.2

Curvature Area Method (Moment Area)

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

8.2.2.1

First Moment Area Theorem

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

8.2.2.2

Second Moment Area Theorem

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

E 8-2 Moment Area, Cantilevered Beam

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

E 8-3 Moment Area, Simply Supported Beam

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

8.2.2.3

Maximum Deflection

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159

E 8-4 Maximum Deflection

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159

E 8-5 Frame Deflection

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161

E 8-6 Frame Subjected to Temperature Loading

. . . . . . . . . . . . . . . . . . 162

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

CONTENTS

9

11 APPROXIMATE FRAME ANALYSIS

227

11.1 Vertical Loads

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227

11.2 Horizontal Loads

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233

11.2.1 Portal Method

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234

E 11-1 Approximate Analysis of a Frame subjected to Vertical and Horizontal Loads

236

12 KINEMATIC INDETERMINANCY; STIFFNESS METHOD

253

12.1 Introduction

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253

12.1.1 Stiffness vs Flexibility

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253

12.1.2 Sign Convention

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254

12.2 Degrees of Freedom

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254

12.2.1 Methods of Analysis

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257

12.3 Kinematic Relations

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257

12.3.1 Force-Displacement Relations

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257

12.3.2 Fixed End Actions

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259

12.3.2.1 Uniformly Distributed Loads

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260

12.3.2.2 Concentrated Loads

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260

12.4 Slope Deflection; Direct Solution

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261

12.4.1 Slope Deflection Equations

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261

12.4.2 Procedure

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261

12.4.3 Algorithm

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262

12.4.4 Examples

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263

E 12-1 Propped Cantilever Beam, (Arbabi 1991)

. . . . . . . . . . . . . . . . . . 263

E 12-2 Two-Span Beam, Slope Deflection, (Arbabi 1991)

. . . . . . . . . . . . . . 264

E 12-3 Two-Span Beam, Slope Deflection, Initial Deflection, (Arbabi 1991)

. . . 265

E 12-4

dagger

Frames, Slope Deflection, (Arbabi 1991)

. . . . . . . . . . . . . . . 267

12.5 Moment Distribution; Indirect Solution

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269

12.5.1 Background

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269

12.5.1.1 Sign Convention

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269

12.5.1.2 Fixed-End Moments

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269

12.5.1.3 Stiffness Factor

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270

12.5.1.4 Distribution Factor (DF)

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270

12.5.1.5 Carry-Over Factor

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271

12.5.2 Procedure

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271

12.5.3 Algorithm

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272

12.5.4 Examples

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272

E 12-5 Continuous Beam, (Kinney 1957)

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272

E 12-6 Continuous Beam, Simplified Method, (Kinney 1957)

. . . . . . . . . . . . 275

E 12-7 Continuous Beam, Initial Settlement, (Kinney 1957)

. . . . . . . . . . . . 277

E 12-8 Frame, (Kinney 1957)

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278

E 12-9 Frame with Side Load, (Kinney 1957)

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283

E 12-10Moment Distribution on a Spread-Sheet

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285

13 DIRECT STIFFNESS METHOD

287

13.1 Introduction

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287

13.1.1 Structural Idealization

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287

13.1.2 Structural Discretization

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288

13.1.3 Coordinate Systems

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

CONTENTS

11

II

DESGIN

347

14 DESIGN PHILOSOPHIES of ACI and AISC CODES

349

14.1 Safety Provisions

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349

14.2 Working Stress Method

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350

14.3 Ultimate Strength Method

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351

14.3.1 The Normal Distribution

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351

14.3.2 Reliability Index

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352

14.3.3 Discussion

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354

14.4 Example

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357

E 14-1 LRFD vs ASD

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357

15 LOADS

359

15.1 Introduction

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359

15.2 Vertical Loads

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359

15.2.1 Dead Load

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360

15.2.2 Live Loads

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360

E 15-1 Live Load Reduction

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362

15.2.3 Snow

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363

15.3 Lateral Loads

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363

15.3.1 Wind

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363

E 15-2 Wind Load

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369

15.3.2 Earthquakes

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370

E 15-3 Earthquake Load on a Frame

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374

E 15-4 Earthquake Load on a Tall Building, (Schueller 1996)

. . . . . . . . . . . 375

15.4 Other Loads

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377

15.4.1 Hydrostatic and Earth

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377

E 15-5 Hydrostatic Load

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377

15.4.2 Thermal

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378

E 15-6 Thermal Expansion/Stress (Schueller 1996)

. . . . . . . . . . . . . . . . . 378

15.4.3 Bridge Loads

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379

15.4.4 Impact Load

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379

15.5 Other Important Considerations

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379

15.5.1 Load Combinations

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379

15.5.2 Load Placement

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380

15.5.3 Structural Response

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380

15.5.4 Tributary Areas

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380

16 STRUCTURAL MATERIALS

387

16.1 Steel

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387

16.1.1 Structural Steel

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387

16.1.2 Reinforcing Steel

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389

16.2 Aluminum

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392

16.3 Concrete

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392

16.4 Masonry

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394

16.5 Timber

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394

16.6 Steel Section Properties

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394

16.6.1 ASCII File with Steel Section Properties

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

CONTENTS

13

E 19-6 Design of a Column, (

?

)

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464

E 19-7 Column Design Using AISC Charts, (

?

)

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 465

20 BRACED ROLLED STEEL BEAMS

467

20.1 Review from Strength of Materials

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467

20.1.1 Flexure

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467

20.1.2 Shear

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 470

20.2 Nominal Strength

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 471

20.3 Flexural Design

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 471

20.3.1 Failure Modes and Classification of Steel Beams

. . . . . . . . . . . . . . 471

20.3.1.1 Compact Sections

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 472

20.3.1.2 Partially Compact Section

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473

20.3.1.3 Slender Section

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 474

20.3.2 Examples

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 475

E 20-1 Shape Factors, Rectangular Section

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 475

E 20-2 Shape Factors, T Section

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 475

E 20-3 Beam Design

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 477

20.4 Shear Design

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 479

20.5 Deflections

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 480

20.6 Complete Design Example

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 480

21 UNBRACED ROLLED STEEL BEAMS

483

21.1 Introduction

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 483

21.2 Background

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 483

21.3 AISC Equations

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484

21.3.1 Dividing values

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484

21.3.2 Governing Moments

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 485

21.4 Examples

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 486

21.4.1 Verification

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 486

E 21-1 Adequacy of an unbraced beam, (

?

)

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 486

E 21-2 Adequacy of an unbraced beam, II (

?

)

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 488

21.4.2 Design

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 489

E 21-3 Design of Laterally Unsupported Beam, (

?

)

. . . . . . . . . . . . . . . . . 490

21.5 Summary of AISC Governing Equations

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 495

22 Beam Columns, (Unedited)

497

22.1 Potential Modes of Failures

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 497

22.2 AISC Specifications

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 497

22.3 Examples

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 497

22.3.1 Verification

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 497

E 22-1 Verification, (

?

)

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 497

E 22-2 8.2, (

?

)

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 500

22.3.2 Design

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503

E 22-3 Design of Steel Beam-Column, (

?

)

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 505

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

CONTENTS

15

26.1.4 Tendon Configuration

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 546

26.1.5 Equivalent Load

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 546

26.1.6 Load Deformation

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 548

26.2 Flexural Stresses

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 548

E 26-1 Prestressed Concrete I Beam

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 550

26.3 Case Study: Walnut Lane Bridge

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 552

26.3.1 Cross-Section Properties

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 552

26.3.2 Prestressing

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 554

26.3.3 Loads

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 555

26.3.4 Flexural Stresses

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 555

27 COLUMNS

557

27.1 Introduction

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 557

27.1.1 Types of Columns

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 557

27.1.2 Possible Arrangement of Bars

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 558

27.2 Short Columns

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 558

27.2.1 Concentric Loading

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 558

27.2.2 Eccentric Columns

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 559

27.2.2.1 Balanced Condition

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 559

27.2.2.2 Tension Failure

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 562

27.2.2.3 Compression Failure

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 563

27.2.3 ACI Provisions

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 563

27.2.4 Interaction Diagrams

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 564

27.2.5 Design Charts

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 564

E 27-1 R/C Column,

c

known

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 564

E 27-2 R/C Column,

e

known

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 566

E 27-3 R/C Column, Using Design Charts

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 571

28 ELEMENTS of STRUCTURAL RELIABILITY

573

28.1 Introduction

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 573

28.2 Elements of Statistics

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 573

28.3 Distributions of Random Variables

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 575

28.3.1 Uniform Distribution

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 575

28.3.2 Normal Distribution

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 575

28.3.3 Lognormal Distribution

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 577

28.3.4 Beta Distribution

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 577

28.3.5 BiNormal distribution

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 577

28.4 Reliability Index

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 577

28.4.1 Performance Function Identification

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 577

28.4.2 Definitions

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 577

28.4.3 Mean and Standard Deviation of a Performance Function

. . . . . . . . . 578

28.4.3.1 Direct Integration

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 579

28.4.3.2 Monte Carlo Simulation

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 579

28.4.3.3 Point Estimate Method

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 582

28.4.3.4 Taylor’s Series-Finite Difference Estimation

. . . . . . . . . . . . 583

28.4.4 Overall System Reliability

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 584

28.4.5 Target Reliability Factors

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 584

28.5 Reliability Analysis

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 584

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

CONTENTS

17

33.3.2.1 Portal Method

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 639

E 33-1 Approximate Analysis of a Frame subjected to Vertical and Horizontal Loads

641

33.4 Lateral Deflections

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 651

33.4.1 Short Wall

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 653

33.4.2 Tall Wall

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 654

33.4.3 Walls and Lintel

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 654

33.4.4 Frames

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 655

33.4.5 Trussed Frame

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 656

33.4.6 Example of Transverse Deflection

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 657

33.4.7 Effect of Bracing Trusses

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 661

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

List of Figures

1.1

Hamurrabi’s Code

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

1.2

Archimed

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

1.3

Pantheon

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

1.4

From Vitruvius Ten Books on Architecture, (Vitruvius 1960)

. . . . . . . . . . . 34

1.5

Hagia Sophia

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

1.6

Florence’s Cathedral Dome

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

1.7

Palladio’s Villa Rotunda

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

1.8

Stevin

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

1.9

Galileo

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

1.10

Discourses Concerning Two New Sciences

, Cover Page

. . . . . . . . . . . . . . . 41

1.11 â€œGalileo’s Beamâ€

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

1.12 Experimental Set Up Used by Hooke

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

1.13 Isaac Newton

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

1.14

Philosophiae Naturalis Principia Mathematica

, Cover Page

. . . . . . . . . . . . 44

1.15 Leonhard Euler

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

1.16 Coulomb

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

1.17 Nervi’s Palazetto Dello Sport

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

2.1

Types of Forces in Structural Elements (1D)

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

2.2

Basic Aspects of Cable Systems

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

2.3

Basic Aspects of Arches

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

2.4

Types of Trusses

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

2.5

Variations in Post and Beams Configurations

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

2.6

Different Beam Types

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

2.7

Basic Forms of Frames

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

2.8

Examples of Air Supported Structures

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

2.9

Basic Forms of Shells

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

2.10 Sequence of Structural Engineering Courses

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

3.1

Types of Supports

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

3.2

Inclined Roller Support

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

3.3

Examples of Static Determinate and Indeterminate Structures

. . . . . . . . . . . 72

3.4

Geometric Instability Caused by Concurrent Reactions

. . . . . . . . . . . . . . . 74

4.1

Types of Trusses

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

4.2

Bridge Truss

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

4.3

A Statically Indeterminate Truss

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

4.4

X and Y Components of Truss Forces

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

background image

Draft

LIST OF FIGURES

21

9.2

Strain Energy Definition

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173

9.3

Deflection of Cantilever Beam

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174

9.4

Real and Virtual Forces

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176

9.5

Torsion Rotation Relations

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178

9.6

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181

9.7

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181

9.8

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182

9.9

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183

9.10

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184

9.11

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185

9.12

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186

9.13

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190

9.14

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191

9.15 *(correct 42.7 to 47.2)

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194

10.1 Statically Indeterminate 3 Cable Structure

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200

10.2 Propped Cantilever Beam

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201

10.3

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204

10.4

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205

10.5

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206

10.6

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207

10.7

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208

10.8

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209

10.9

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211

10.10

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213

10.11

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214

10.12

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215

10.13

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216

10.14

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218

10.15Definition of Flexibility Terms for a Rigid Frame

. . . . . . . . . . . . . . . . . . 220

10.16

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221

10.17

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223

11.1 Uniformly Loaded Beam and Frame with Free or Fixed Beam Restraint

. . . . . 228

11.2 Uniformly Loaded Frame, Approximate Location of Inflection Points

. . . . . . . 229

11.3 Approximate Analysis of Frames Subjected to Vertical Loads; Girder Moments

. 230

11.4 Approximate Analysis of Frames Subjected to Vertical Loads; Column Axial Forces

231

11.5 Approximate Analysis of Frames Subjected to Vertical Loads; Column Moments

232

11.6 Horizontal Force Acting on a Frame, Approximate Location of Inflection Points

. 233

11.7 Approximate Analysis of Frames Subjected to Lateral Loads; Column Shear

. . . 235

11.8 ***Approximate Analysis of Frames Subjected to Lateral Loads; Girder Moment

235

11.9 Approximate Analysis of Frames Subjected to Lateral Loads; Column Axial Force

236

11.10Example; Approximate Analysis of a Building

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237

11.11Free Body Diagram for the Approximate Analysis of a Frame Subjected to Vertical Loads

237

11.12Approximate Analysis of a Building; Moments Due to Vertical Loads

. . . . . . . 239

11.13Approximate Analysis of a Building; Shears Due to Vertical Loads

. . . . . . . . 241

11.14Approximate Analysis for Vertical Loads; Spread-Sheet Format

. . . . . . . . . . 242

11.15Approximate Analysis for Vertical Loads; Equations in Spread-Sheet

. . . . . . . 243

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

LIST OF FIGURES

23

15.13Load Life of a Structure, (Lin and Stotesbury 1981)

. . . . . . . . . . . . . . . . 381

15.14Concept of Tributary Areas for Structural Member Loading

. . . . . . . . . . . . 382

15.15One or Two Way actions in Slabs

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382

15.16Load Transfer in R/C Buildings

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384

15.17Two Way Actions

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385

15.18Example of Load Transfer

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386

16.1 Stress Strain Curves of Concrete and Steel

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388

16.2 Standard Rolled Sections

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388

16.3 Residual Stresses in Rolled Sections

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390

16.4 Residual Stresses in Welded Sections

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390

16.5 Influence of Residual Stress on Average Stress-Strain Curve of a Rolled Section

. 391

16.6 Concrete Stress-Strain curve

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393

16.7 Concrete microcracking

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393

16.8 W and C sections

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395

16.9 prefabricated Steel Joists

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407

17.1 Stress Concentration Around Circular Hole

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 410

17.2 Hole Sizes

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411

17.3 Effect of Staggered Holes on Net Area

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411

17.4 Gage Distances for an Angle

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412

17.5 Net and Gross Areas

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417

17.6 Tearing Failure Limit State

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 418

18.1 Stability of a Rigid Bar

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437

18.2 Stability of a Rigid Bar with Initial Imperfection

. . . . . . . . . . . . . . . . . . 439

18.3 Stability of a Two Rigid Bars System

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439

18.4 Two DOF Dynamic System

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441

18.5 Euler Column

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442

18.6 Simply Supported Beam Column; Differential Segment; Effect of Axial Force P

. 444

18.7 Solution of the Tanscendental Equation for the Buckling Load of a Fixed-Hinged Column

448

18.8 Column Effective Lengths

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 449

18.9 Frame Effective Lengths

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 449

18.10Column Effective Length in a Frame

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 450

18.11Standard Alignment Chart (AISC)

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451

18.12Inelastic Buckling

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452

18.13Euler Buckling, and SSRC Column Curve

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453

19.1 SSRC Column Curve and AISC Critical Stresses

. . . . . . . . . . . . . . . . . . 456

19.2

F

cr

versus

KL/r

According to LRFD, for Various

F

y

. . . . . . . . . . . . . . . . 459

20.1 Bending of a Beam

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 468

20.2 Stress distribution at different stages of loading

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 469

20.3 Stress-strain diagram for most structural steels

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 469

20.4 Flexural and Shear Stress Distribution in a Rectangular Beam

. . . . . . . . . . 470

20.5 Local (flange) Buckling; Flexural and Torsional Buckling Modes in a Rolled Section, (Lulea University)

472

20.6 W Section

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473

20.7 Nominal Moments for Compact and Partially Compact Sections

. . . . . . . . . . 474

20.8 AISC Requirements for Shear Design

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 479

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

LIST OF FIGURES

25

29.3 Deformation, Shear, Moment, and Axial Diagrams for Various Types of Portal Frames Subjected to Vertical and Horizontal Loads

589

29.4 Axial and Flexural Stresses

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 590

29.5 Design of a Statically Indeterminate Arch

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 591

29.6 Normal and Shear Forces

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 594

30.1 Eiffel Tower (Billington and Mark 1983)

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 603

30.2 Eiffel Tower Idealization, (Billington and Mark 1983)

. . . . . . . . . . . . . . . . 605

30.3 Eiffel Tower, Dead Load Idealization; (Billington and Mark 1983)

. . . . . . . . . 605

30.4 Eiffel Tower, Wind Load Idealization; (Billington and Mark 1983)

. . . . . . . . . 606

30.5 Eiffel Tower, Wind Loads, (Billington and Mark 1983)

. . . . . . . . . . . . . . . 607

30.6 Eiffel Tower, Reactions; (Billington and Mark 1983)

. . . . . . . . . . . . . . . . 607

30.7 Eiffel Tower, Internal Gravity Forces; (Billington and Mark 1983)

. . . . . . . . . 609

30.8 Eiffel Tower, Horizontal Reactions; (Billington and Mark 1983)

. . . . . . . . . . 609

30.9 Eiffel Tower, Internal Wind Forces; (Billington and Mark 1983)

. . . . . . . . . . 610

31.1 Cable Structure Subjected to

p

(

x

)

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 612

31.2 Longitudinal and Plan Elevation of the George Washington Bridge

. . . . . . . . 614

31.3 Truck Load

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 615

31.4 Dead and Live Loads

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 616

31.5 Location of Cable Reactions

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 617

31.6 Vertical Reactions in Columns Due to Central Span Load

. . . . . . . . . . . . . 617

31.7 Cable Reactions in Side Span

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 618

31.8 Cable Stresses

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 619

31.9 Deck Idealization, Shear and Moment Diagrams

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 620

32.1 Magazzini Generali; Overall Dimensions, (Billington and Mark 1983)

. . . . . . . 622

32.2 Magazzini Generali; Support System, (Billington and Mark 1983)

. . . . . . . . . 622

32.3 Magazzini Generali; Loads (Billington and Mark 1983)

. . . . . . . . . . . . . . . 623

32.4 Magazzini Generali; Beam Reactions, (Billington and Mark 1983)

. . . . . . . . . 623

32.5 Magazzini Generali; Shear and Moment Diagrams (Billington and Mark 1983)

. . 624

32.6 Magazzini Generali; Internal Moment, (Billington and Mark 1983)

. . . . . . . . 624

32.7 Magazzini Generali; Similarities Between The Frame Shape and its Moment Diagram, (Billington and Mark 1983)

625

32.8 Magazzini Generali; Equilibrium of Forces at the Beam Support, (Billington and Mark 1983)

625

32.9 Magazzini Generali; Effect of Lateral Supports, (Billington and Mark 1983)

. . . 626

33.1 Flexible, Rigid, and Semi-Flexible Joints

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 627

33.2 Deformation of Flexible and Rigid Frames Subjected to Vertical and Horizontal Loads, (Lin and Stotesbury 1981)

628

33.3 Deformation, Shear, Moment, and Axial Diagrams for Various Types of Portal Frames Subjected to Vertical and Horizontal Loads

629

33.4 Axial and Flexural Stresses

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 630

33.5 Design of a Shear Wall Subsystem, (Lin and Stotesbury 1981)

. . . . . . . . . . . 632

33.6 Trussed Shear Wall

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 634

33.7 Design Example of a Tubular Structure, (Lin and Stotesbury 1981)

. . . . . . . . 635

33.8 A Basic Portal Frame, (Lin and Stotesbury 1981)

. . . . . . . . . . . . . . . . . . 636

33.9 Approximate Analysis of Frames Subjected to Vertical Loads; Girder Moments

. 637

33.10Approximate Analysis of Frames Subjected to Vertical Loads; Column Axial Forces

638

33.11Approximate Analysis of Frames Subjected to Vertical Loads; Column Moments

638

33.12Approximate Analysis of Frames Subjected to Lateral Loads; Column Shear

. . . 640

33.13***Approximate Analysis of Frames Subjected to Lateral Loads; Girder Moment

640

33.14Approximate Analysis of Frames Subjected to Lateral Loads; Column Axial Force

641

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

List of Tables

3.1

Equations of Equilibrium

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

4.1

Static Determinacy and Stability of Trusses

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

8.1

Conjugate Beam Boundary Conditions

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165

9.1

Possible Combinations of Real and Hypothetical Formulations

. . . . . . . . . . . 175

9.2

k

Factors for Torsion

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180

9.3

Summary of Expressions for the Internal Strain Energy and External Work

. . . 198

10.1 Table of

Z

L

0

g

1

(

x

)

g

2

(

x

)

dx

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203

10.2

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215

10.3 Displacement Computations for a Rectangular Frame

. . . . . . . . . . . . . . . 219

11.1 Columns Combined Approximate Vertical and Horizontal Loads

. . . . . . . . . 250

11.2 Girders Combined Approximate Vertical and Horizontal Loads

. . . . . . . . . . 251

12.1 Stiffness vs Flexibility Methods

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253

12.2 Degrees of Freedom of Different Structure Types Systems

. . . . . . . . . . . . . 255

13.1 Example of Nodal Definition

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288

13.2 Example of Element Definition

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288

13.3 Example of Group Number

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289

13.4 Degrees of Freedom of Different Structure Types Systems

. . . . . . . . . . . . . 293

14.1 Allowable Stresses for Steel and Concrete

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351

14.2 Selected

β

values for Steel and Concrete Structures

. . . . . . . . . . . . . . . . . 355

14.3 Strength Reduction Factors, Î¦

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355

15.1 Unit Weight of Materials

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360

15.2 Weights of Building Materials

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361

15.3 Average Gross Dead Load in Buildings

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361

15.4 Minimum Uniformly Distributed Live Loads, (UBC 1995)

. . . . . . . . . . . . . 362

15.5 Wind Velocity Variation above Ground

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366

15.6

C

e

Coefficients for Wind Load, (UBC 1995)

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367

15.7 Wind Pressure Coefficients

C

q

, (UBC 1995)

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367

15.8 Importance Factors for Wind and Earthquake Load, (UBC 1995)

. . . . . . . . . 368

15.9 Approximate Design Wind Pressure

p

for Ordinary Wind Force Resisting Building Structures

368

15.10

Z

Factors for Different Seismic Zones, ubc

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372

background image

Draft

Part I

ANALYSIS

background image

Draft

Chapter 1

A BRIEF HISTORY OF
STRUCTURAL ARCHITECTURE

If I have been able to see a little farther than some others,
it was because I stood on the shoulders of giants

.

Sir Isaac Newton

1

More than any other engineering discipline, Architecture/Mechanics/Structures is the proud

outcome of a of a long and distinguished history. Our profession, second oldest, would be better
appreciated if we were to develop a sense of our evolution.

1.1

Before the Greeks

2

Throughout antiquity, structural engineering existing as an art rather than a science. No

record exists of any rational consideration, either as to the strength of structural members or
as to the behavior of structural materials. The builders were guided by rules of thumbs and
experience, which were passed from generation to generation, guarded by secrets of the guild,
and seldom supplemented by new knowledge. Despite this, structures erected before Galileo are
by modern standards quite phenomenal (pyramids, Via Appia, aqueducs, Colisseums, Gothic
cathedrals to name a few).

3

The first structural engineer in history seems to have been

Imhotep

, one of only two com-

moners to be deified. He was the builder of the step pyramid of Sakkara about 3,000 B.C., and
yielded great influence over ancient Egypt.

4

Hamurrabi’s code in Babylonia (1750 BC) included among its 282 laws penalties for those

“architects†whose houses collapsed, Fig.

1.1

.

1.2

Greeks

5

The greek philosopher

Pythagoras

(born around 582 B.C.) founded his famous school, which

was primarily a secret religious society, at Crotona in southern Italy. At his school he allowed

background image

Draft

1.3 Romans

33

            

Figure 1.2: Archimed

conqueror of Syracuse.

1.3

Romans

10

Science made much less progress under the Romans than under the Greeks. The Romans

apparently were more practical, and were not as interested in abstract thinking though they
were excellent fighters and builders.

11

As the roman empire expanded, the Romans built great roads (some of them still in use)

such as the Via Appia, Cassia, Aurelia; Also they built great bridges (such as the third of a
mile bridge over the Rhine built by Caesars), and stadium (Colliseum).

12

One of the most notable Roman construction was the

Pantheon

, Fig.

1.3

It is the best-

Figure 1.3: Pantheon

preserved major edifice of ancient Rome and one of the most significant buildings in architectural
history. In shape it is an immense cylinder concealing eight piers, topped with a dome and
fronted by a rectangular colonnaded porch. The great vaulted dome is 43 m (142 ft) in diameter,
and the entire structure is lighted through one aperture, called an

oculus

, in the center of the

dome. The Pantheon was erected by the Roman emperor Hadrian between AD 118 and 128.

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

Chapter 2

INTRODUCTION

2.1

Structural Engineering

1

Structural engineers are responsible for the detailed analysis and design of:

Architectural structures:

Buildings, houses, factories. They must work in close cooperation

with an architect who will ultimately be responsible for the design.

Civil Infrastructures:

Bridges, dams, pipelines, offshore structures. They work with trans-

portation, hydraulic, nuclear and other engineers. For those structures they play the
leading role.

Aerospace, Mechanical, Naval structures:

aeroplanes, spacecrafts, cars, ships, submarines

to ensure the structural safety of those important structures.

2.2

Structures and their Surroundings

2

Structural design is affected by various environmental constraints:

1. Major movements: For example, elevator shafts are usually shear walls good at resisting

lateral load (wind, earthquake).

2. Sound and structure interact:

•

A

dome

roof will concentrate the sound

•

A

dish

roof will diffuse the sound

3. Natural light:

•

A flat roof in a building may not provide adequate light.

•

A Folded plate will provide adequate lighting (analysis more complex).

•

A bearing and shear wall building may not have enough openings for daylight.

•

A Frame design will allow more light in (analysis more complex).

4. Conduits for cables (electric, telephone, computer), HVAC ducts, may dictate type of

floor system.

5. Net clearance between columns (unobstructed surface) will dictate type of framing.

background image

Draft

2.6 Structural Analysis

57

2.6

Structural Analysis

12

Given an

existing

structure subjected to a certain load determine internal forces (axial,

shear, flexural, torsional; or stresses), deflections, and verify that no unstable failure can occur.

13

Thus the basic structural requirements are:

Strength:

stresses should not exceed critical values:

σ < Ïƒ

f

Stiffness:

deflections should be controlled: âˆ†

<

∆

max

Stability:

buckling or cracking should also be prevented

2.7

Structural Design

14

Given a set of forces,

dimension

the structural element.

Steel/wood Structures

Select appropriate section.

Reinforced Concrete:

Determine dimensions of the element and internal reinforcement (num-

ber and sizes of reinforcing bars).

15

For

new structures

,

iterative

process between analysis and design. A preliminary design is

made using

rules of thumbs

(best known to Engineers with design experience) and analyzed.

Following design, we check for

Serviceability:

deflections, crack widths under the applied load. Compare with acceptable

values specified in the design code.

Failure:

and compare the failure load with the applied load times the appropriate factors of

safety.

If the design is found not to be acceptable, then it must be modified and reanalyzed.

16

For

existing structures rehabilitation

, or verification of an old infrastructure, analysis is

the most important component.

17

In summary, analysis is always required.

2.8

Load Transfer Elements

18

From Strength of Materials, Fig.

2.1

Axial:

cables, truss elements, arches, membrane, shells

Flexural:

Beams, frames, grids, plates

Torsional:

Grids, 3D frames

Shear:

Frames, grids, shear walls.

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

Chapter 3

EQUILIBRIUM & REACTIONS

To every action there is an equal and opposite reaction.

Newton’s third law of motion

3.1

Introduction

1

In the analysis of structures (hand calculations), it is often easier (but not always necessary)

to start by determining the reactions.

2

Once the reactions are determined, internal forces are determined next; finally, deformations

(deflections and rotations) are determined last

1

.

3

Reactions are necessary to determine

foundation load

.

4

Depending on the type of structures, there can be different types of support conditions, Fig.

3.1

.

Roller:

provides a restraint in only one direction in a 2D structure, in 3D structures a roller

may provide restraint in one or two directions. A roller will allow rotation.

Hinge:

allows rotation but no displacements.

Fixed Support:

will prevent rotation and displacements in all directions.

3.2

Equilibrium

5

Reactions are determined from the appropriate equations of static equilibrium.

6

Summation of forces and moments,

in a static system

must be equal to zero

2

.

1

This is the sequence of operations in the

flexibility

method which lends itself to hand calculation. In the

stiffness

method, we determine displacements firsts, then internal forces and reactions. This method is most

suitable to computer implementation.

2

In a dynamic system Î£

F

=

ma

where

m

is the mass and

a

is the acceleration.

background image

Draft

3.3 Equations of Conditions

71

Structure Type

Equations

Beam, no axial forces

Σ

F

y

Σ

M

z

2D Truss, Frame, Beam

Σ

F

x

Σ

F

y

Σ

M

z

Grid

Σ

F

z

Σ

M

x

Σ

M

y

3D Truss, Frame

Σ

F

x

Σ

F

y

Σ

F

z

Σ

M

x

Σ

M

y

Σ

M

z

Alternate Set

Beams, no axial Force

Σ

M

A

z

Σ

M

B

z

2 D Truss, Frame, Beam

Σ

F

x

Σ

M

A

z

Σ

M

B

z

Σ

M

A

z

Σ

M

B

z

Σ

M

C

z

Table 3.1: Equations of Equilibrium

3. The right hand side of the equation should be zero

If your reaction is negative, then it will be in a direction opposite from the one assumed.

16

Summation of all external forces (including reactions) is not necessarily zero (except at hinges

and at points outside the structure).

17

Summation of external forces is equal and

opposite

to the internal ones. Thus the net

force/moment is equal to zero.

18

The external forces give rise to the (non-zero) shear and moment diagram.

3.3

Equations of Conditions

19

If a structure has an

internal hinge

(which may connect two or more substructures), then

this will provide an additional equation (Σ

M

= 0 at the hinge) which can be exploited to

determine the reactions.

20

Those equations are often exploited in trusses (where each connection is a hinge) to determine

reactions.

21

In an

inclined roller

support with

S

x

and

S

y

horizontal and vertical projection, then the

reaction R would have, Fig.

3.2

.

R

x

R

y

=

S

y

S

x

(3.3)

3.4

Static Determinacy

22

In statically determinate structures, reactions depend only on the geometry, boundary con-

ditions and loads.

23

If the reactions can not be determined simply from the equations of static equilibrium (and

equations of conditions if present), then the reactions of the structure are said to be

statically

indeterminate

.

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

3.4 Static Determinacy

73

A rigid plate is supported by two aluminum cables and a steel one. Determine the force in

each cable

5

.

If the rigid plate supports a load P, determine the stress in each of the three cables.

Solution:

1. We have three unknowns and only two independent equations of equilibrium. Hence the

problem is statically indeterminate to the first degree.

Σ

M

z

= 0;

⇒

P

left

Al

=

P

right

Al

Σ

F

y

= 0;

⇒

2

P

Al

+

P

St

=

P

Thus we effectively have two unknowns and one equation.

2. We need to have a third equation to solve for the three unknowns. This will be de-

rived from the

compatibility of the displacements

in all three cables, i.e. all three

displacements must be equal:

σ

=

P
A

ε

=

∆

L

L

ε

=

σ

E










⇒

∆

L

=

P L

AE

P

Al

L

E

Al

A

Al

|

{z

}

∆

Al

=

P

St

L

E

St

A

St

|

{z

}

∆

St

⇒

P

Al

P

St

=

(

EA

)

Al

(

EA

)

St

or

−

(

EA

)

St

P

Al

+ (

EA

)

Al

P

St

= 0

3. Solution of this system of two equations with two unknowns yield:

"

2

1

−

(

EA

)

St

(

EA

)

Al

# (

P

Al

P

St

)

=

(

P

0

)

⇒

(

P

Al

P

St

)

=

"

2

1

−

(

EA

)

St

(

EA

)

Al

#

−

1

(

P

0

)

=

1

2(

EA

)

Al

+ (

EA

)

St

|

{z

}

Determinant

"

(

EA

)

Al

−

1

(

EA

)

St

2

# (

P

0

)

5

This example problem will be the only statically indeterminate problem analyzed in CVEN3525.

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

Chapter 4

TRUSSES

4.1

Introduction

4.1.1

Assumptions

1

Cables and trusses are 2D or 3D structures composed of an assemblage of simple one dimen-

sional components which transfer only

axial

forces along their axis.

2

Cables can carry only tensile forces, trusses can carry tensile and compressive forces.

3

Cables tend to be

flexible

, and hence, they tend to oscillate and therefore must be stiffened.

4

Trusses are extensively used for bridges, long span roofs, electric tower, space structures.

5

For trusses, it is assumed that

1. Bars are

pin-connected

2. Joints are frictionless hinges

1

.

3. Loads are applied at the

joints only

.

6

A truss would typically be composed of triangular elements with the bars on the

upper

chord

under compression and those along the

lower chord

under tension. Depending on the

orientation of the diagonals

, they can be under either tension or compression.

7

Fig.

4.1

illustrates some of the most common types of trusses.

8

It can be easily determined that in a Pratt truss, the diagonal members are under tension,

while in a Howe truss, they are in compression. Thus, the Pratt design is an excellent choice
for steel whose members are slender and long diagonal member being in tension are not prone
to buckling. The vertical members are less likely to buckle because they are shorter. On the
other hand the Howe truss is often preferred for for heavy timber trusses.

9

In a truss analysis or design, we seek to determine the internal force along each member, Fig.

4.2

1

In practice the bars are riveted, bolted, or welded directly to each other or to gusset plates, thus the bars

are not free to rotate and so-called

secondary bending moments

are developed at the bars. Another source

of secondary moments is the dead weight of the element.

background image

Draft

4.2 Trusses

83

4.1.2

Basic Relations

Sign Convention:

Tension positive, compression negative. On a truss the axial forces are

indicated as forces acting on the joints.

Stress-Force:

σ

=

P
A

Stress-Strain:

σ

=

Eε

Force-Displacement:

ε

=

∆

L

L

Equilibrium:

Σ

F

= 0

4.2

Trusses

4.2.1

Determinacy and Stability

10

Trusses are

statically determinate

when all the bar forces can be determined from the

equations of

statics

alone. Otherwise the truss is

statically indeterminate

.

11

A truss may be statically/externally determinate or indeterminate with respect to the reac-

tions (more than 3 or 6 reactions in 2D or 3D problems respectively).

12

A truss may be internally determinate or indeterminate, Table

4.1

.

13

If we refer to

j

as the number of joints,

R

the number of reactions and

m

the number of

members, then we would have a total of

m

+

R

unknowns and 2

j

(or 3

j

) equations of statics

(2D or 3D at each joint). If we do not have enough equations of statics then the problem is
indeterminate, if we have too many equations then the truss is unstable, Table

4.1

.

2D

3D

Static Indeterminacy

External

R >

3

R >

6

Internal

m

+

R >

2

j

m

+

R >

3

j

Unstable

m

+

R <

2

j

m

+

R <

3

j

Table 4.1: Static Determinacy and Stability of Trusses

14

If

m <

2

j

−

3 (in 2D) the truss is not internally stable, and it will not remain a rigid body

when it is detached from its supports. However, when attached to the supports, the truss will
be rigid.

15

Since each joint is pin-connected, we can apply Î£

M

= 0 at each one of them. Furthermore,

summation of forces applied on a joint must be equal to zero.

16

For 2D trusses the external equations of equilibrium which can be used to determine the

reactions are Î£

F

X

= 0, Î£

F

Y

= 0 and Î£

M

Z

= 0. For 3D trusses the available equations are

Σ

F

X

= 0, Î£

F

Y

= 0, Î£

F

Z

= 0 and Î£

M

X

= 0, Î£

M

Y

= 0, Î£

M

Z

= 0.

17

For a 2D truss we have 2 equations of equilibrium Î£

F

X

= 0 and Î£

F

Y

= 0 which can be

applied at each joint. For 3D trusses we would have three equations: Î£

F

X

= 0, Î£

F

Y

= 0 and

Σ

F

Z

= 0.

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

4.2 Trusses

85

Figure 4.4: X and Y Components of Truss Forces

23

In truss analysis, there is

no sign convention

. A member is

assumed

to be under tension

(or compression). If after analysis, the force is found to be negative, then this would imply that
the wrong assumption was made, and that the member should have been under compression
(or tension).

24

On a

free body diagram

, the internal forces are represented by arrow acting

on the joints

and not as end forces on the element itself. That is for tension, the arrow is pointing away from
the joint, and for compression toward the joint, Fig.

4.5

.

Figure 4.5: Sign Convention for Truss Element Forces

Example 4-1: Truss, Method of Joints

Using the method of joints, analyze the following truss

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

4.2 Trusses

87

Node B:

(+

-

) Î£

F

x

= 0;

⇒

F

BC

=

43

.

5

k

Tension

(+

6

) Î£

F

y

= 0;

⇒

F

BH

=

20

k

Tension

Node H:

(+

-

) Î£

F

x

= 0;

⇒

F

AH

x

−

F

HC

x

−

F

HG

x

= 0

43

.

5

−

24

√

24

2

+32

2

(

F

HC

)

−

24

√

24

2

+10

2

(

F

HG

) = 0

(+

6

) Î£

F

y

= 0;

⇒

F

AH

y

+

F

HC

y

−

12

−

F

HG

y

−

20 = 0

58 +

32

√

24

2

+32

2

(

F

HC

)

−

12

−

10

√

24

2

+10

2

(

F

HG

)

−

20 = 0

This can be most conveniently written as

"

0

.

6

0

.

921

−

0

.

8 0

.

385

# (

F

HC

F

HG

)

=

(

−

7

.

5

52

)

(4.2)

Solving we obtain

F

HC

=

−

7

.

5

k

Tension

F

HG

=

52

k

Compression

Node E:

Σ

F

y

= 0;

⇒

F

EF

y

= 62

⇒

F

EF

=

√

24

2

+32

2

32

(62)

= 77

.

5

k

Σ

F

x

= 0;

⇒

F

ED

=

F

EF

x

⇒

F

ED

=

24
32

(

F

EF

y

) =

24
32

(62) = 46

.

5

k

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

Chapter 5

CABLES

5.1

Funicular Polygons

1

A cable is a slender flexible member with zero or negligible flexural stiffness, thus it can only

transmit

tensile

forces

1

.

2

The tensile force at any point acts in the direction of the tangent to the cable (as any other

component will cause bending).

3

Its strength stems from its ability to undergo extensive changes in slope at the point of load

application.

4

Cables resist vertical forces by undergoing

sag

(

h

) and thus developing tensile forces. The

horizontal component of this force (

H

) is called

thrust

.

5

The distance between the cable supports is called the

chord

.

6

The sag to span ratio is denoted by

r

=

h

l

(5.1)

7

When a set of concentrated loads is applied to a cable of negligible weight, then the cable

deflects into a series of linear segments and the resulting shape is called the

funicular polygon

.

8

If a cable supports vertical forces only, then the horizontal component

H

of the cable tension

T

remains constant.

Example 5-1: Funicular Cable Structure

Determine the reactions and the tensions for the cable structure shown below.

1

Due to the zero flexural rigidity it will buckle under axial compressive forces.

background image

Draft

5.2 Uniform Load

99

=

H

cos

θ

B

=

51

0

.

999

= 51

.

03

k

(5.6-d)

T

CD

;

tan

θ

C

=

4

.

6

30

= 0

.

153

⇒

θ

C

= 8

.

7 deg

(5.6-e)

=

H

cos

θ

C

=

51

0

.

988

= 51

.

62

k

(5.6-f)

5.2

Uniform Load

5.2.1

qdx

; Parabola

9

Whereas the forces in a cable can be determined from statics alone, its configuration must

be derived from its deformation. Let us consider a cable with distributed load

p

(

x

)

per unit

horizontal projection

of the cable length

2

An infinitesimal portion of that cable can be

assumed to be a straight line, Fig.

31.1

and in the absence of any horizontal load we have

H

T+dT

T

H

V

V+dV

H

θ

θ

q(x)

dx

dy

ds

ds

L

x

V

q(x)

y

y(x)

dx

h

y’

x’

x

y

L/2

Figure 5.1: Cable Structure Subjected to

q

(

x

)

H

=constant. Summation of the vertical forces yields

(+

?

) Î£

F

y

= 0

⇒ âˆ’

V

+

qdx

+ (

V

+

dV

) = 0

(5.7-a)

dV

+

qdx

= 0

(5.7-b)

where

V

is the vertical component of the cable tension at

x

3

. Because the cable must be

tangent to

T

, we have

tan

θ

=

V

H

(5.8)

2

Thus neglecting the weight of the cable

3

Note that if the cable was subjected to its own weight then we would have

qds

instead of

pdx

.

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

5.2 Uniform Load

101

15

Combining Eq.

31.7

and

31.8

we obtain

y

=

4

hx

L

2

(

L

−

x

)

(5.18)

16

If we shift the origin to midspan, and reverse

y

, then

y

=

4

h

L

2

x

2

(5.19)

Thus the cable assumes a parabolic shape (as the moment diagram of the applied load).

17

The maximum tension occurs at the support where the vertical component is equal to

V

=

qL

2

and the horizontal one to

H

, thus

T

max

=

p

V

2

+

H

2

=

s

qL

2

2

+

H

2

=

H

s

1 +

qL/

2

H

2

(5.20)

Combining this with Eq.

31.8

we obtain

5

.

T

max

=

H

p

1 + 16

r

2

≈

H

(1 + 8

r

2

)

(5.21)

5.2.2

†

qds

; Catenary

18

Let us consider now the case where the cable is subjected to its own weight (plus ice and

wind if any). We would have to replace

qdx

by

qds

in Eq.

31.1-b

dV

+

qds

= 0

(5.22)

The differential equation for this new case will be derived exactly as before, but we substitute

qdx

by

qds

, thus Eq.

31.5

becomes

d

2

y

dx

2

=

−

q

H

ds

dx

(5.23)

19

But

ds

2

=

dx

2

+

dy

2

, hence:

d

2

y

dx

2

=

−

q

H

s

1 +

dy
dx

2

(5.24)

solution of this differential equation is considerably more complicated than for a parabola.

20

We let

dy/dx

=

p

, then

dp

dx

=

−

q

H

q

1 +

p

2

(5.25)

5

Recalling that (

a

+

b

)

n

=

a

n

+

na

n

−

1

b

+

n

(

n

−

1)

2!

a

n

−

2

b

2

+

·

or (1 +

b

)

n

= 1 +

nb

+

n

(

n

−

1)

b

2

2!

+

n

(

n

−

1)(

n

−

2)

b

3

3!

+

· Â· Â·

;

Thus for

b

2

<<

1,

√

1 +

b

= (1 +

b

)

1
2

≈

1 +

b

2

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

Chapter 6

INTERNAL FORCES IN
STRUCTURES

1

This chapter will start as a review of shear and moment diagrams which you have studied

in both

Statics

and

Strength of Materials

, and will proceed with the analysis of statically

determinate frames, arches and grids.

2

By the end of this lecture, you should be able to draw the shear, moment and torsion (when

applicable) diagrams for each member of a structure.

3

Those diagrams will subsequently be used for member design. For instance, for flexural

design, we will consider the section subjected to the highest moment, and make sure that the
internal moment is equal and opposite to the external one. For the ASD method, the basic
beam equation (derived in Strength of Materials)

σ

=

M C

I

, (where

M

would be the design

moment obtained from the moment diagram) would have to be satisfied.

4

Some of the examples first analyzed in chapter

3

(Reactions), will be revisited here. Later

on, we will determine the deflections of those same problems.

6.1

Design Sign Conventions

5

Before we (re)derive the Shear-Moment relations, let us

arbitrarily

define a sign convention.

6

The sign convention adopted here, is the one commonly used for design purposes

1

.

7

With reference to Fig.

6.1

2D:

Load

Positive along the beam’s local y axis (assuming a right hand side convention),

that is positive upward.

Axial:

tension positive.

Flexure

A positive moment is one which causes tension in the lower fibers, and com-

pression in the upper ones. Alternatively, moments are drawn on the compression
side (useful to keep in mind for frames).

1

Later on, in more advanced analysis courses we will use a different one.

background image

Draft

6.2 Load, Shear, Moment Relations

115

6.2

Load, Shear, Moment Relations

8

Let us (re)derive the basic relations between load, shear and moment. Considering an in-

finitesimal length

dx

of a beam subjected to a positive load

2

w

(

x

), Fig.

6.3

The infinitesimal

Figure 6.3: Free Body Diagram of an Infinitesimal Beam Segment

section must also be in equilibrium.

9

There are no axial forces, thus we only have two equations of equilibrium to satisfy Î£

F

y

= 0

and Î£

M

z

= 0.

10

Since

dx

is infinitesimally small, the small variation in load along it can be neglected, therefore

we assume

w

(

x

) to be constant along

dx

.

11

To denote that a small change in shear and moment occurs over the length

dx

of the element,

we add the differential quantities

dV

x

and

dM

x

to

V

x

and

M

x

on the right face.

12

Next considering the first equation of equilibrium

(+

6

) Î£

F

y

= 0

⇒

V

x

+

w

x

dx

−

(

V

x

+

dV

x

) = 0

or

dV

dx

=

w

(

x

)

(6.1)

The slope of the shear curve at any point along the axis of a member is given by
the load curve at that point.

13

Similarly

(+

) Î£

M

O

= 0

⇒

M

x

+

V

x

dx

−

w

x

dx

dx

2

−

(

M

x

+

dM

x

) = 0

Neglecting the

dx

2

term, this simplifies to

dM

dx

=

V

(

x

)

(6.2)

The slope of the moment curve at any point along the axis of a member is given by
the shear at that point.

2

In this derivation, as in all other ones we should assume all quantities to be positive.

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

6.4 Examples

117

Shear

Moment

Load

Shear

Positive Constant

Negative Constant

Positive Constant

Negative Constant

Negative Increasing Negative Decreasing

Negative Increasing Negative Decreasing

Positive Increasing Positive Decreasing

Positive Increasing Positive Decreasing

Figure 6.5: Slope Relations Between Load Intensity and Shear, or Between Shear and Moment

6.4

Examples

6.4.1

Beams

Example 6-1: Simple Shear and Moment Diagram

Draw the shear and moment diagram for the beam shown below

Solution:

The free body diagram is drawn below

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

6.4 Examples

119

Example 6-2: Sketches of Shear and Moment Diagrams

For each of the following examples, sketch the shear and moment diagrams.

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

6.4 Examples

121

Solution:

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

6.4 Examples

129

B-C

Σ

F

x

0

= 0

⇒

N

B

x

0

=

V

C

z

0

=

−

60kN

Σ

F

y

0

= 0

⇒

V

B

y

0

=

V

C

y

0

= +40kN

Σ

M

y

0

= 0

⇒

M

B

y

0

=

M

C

y

0

=

−

120kN.m

Σ

M

z

0

= 0

⇒

M

B

z

0

=

V

0

y

C

(4) = (40)(4) = +160kN.m

Σ

T

x

0

= 0

⇒

T

B

x

0

=

−

M

C

z

0

=

−

40kN.m

A-B

Σ

F

x

0

= 0

⇒

N

A

x

0

=

V

B

y

0

= +40kN

Σ

F

y

0

= 0

⇒

V

A

y

0

=

N

B

x

0

= +60kN

Σ

M

y

0

= 0

⇒

M

A

y

0

=

T

B

x

0

= +40kN.m

Σ

M

z

0

= 0

⇒

M

A

z

0

=

M

B

z

0

+

N

B

x

0

(4) = 160 + (60)(4) = +400kN.m

Σ

T

x

0

= 0

⇒

T

A

x

0

=

M

B

y

0

=

−

120kN.m

The interaction between axial forces

N

and shear

V

as well as between moments

M

and

torsion

T

is clearly highlighted by this example.

120 kN-m

20 kN/m

120 kN-m

40 kN

40 kN

120 kN-m

40 kN

40 kN

120 kN-m

40 kN

40 kN

C

B

120 kN-m

120 kN-m

40 kN

120 kN-m

40 kN

x’

y’

z’

x’

y’

120 kN-m

120 kN-m

x’

y’

60 kN

40 kN-m

40 kN-m

60 kN

160 kN-m

40 kN-m

60 kN

60 kN

60 kN

40 kN-m

60 kN

40 kN-m

40 kN-m

60 kN

40 kN-m

60 kN

160 kN-m

160 kN-m

40 kN-m

60 kN

60 kN

160 kN-m

400 kN-m

40 kN-m

z’

y’

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

Chapter 7

ARCHES and CURVED
STRUCTURES

1

This chapter will concentrate on the analysis of arches.

2

The concepts used are identical to the ones previously seen, however the major (and only)

difference is that equations will be written in polar coordinates.

3

Like cables, arches can be used to reduce the bending moment in long span structures. Es-

sentially, an arch can be considered as an inverted cable, and is transmits the load primarily
through axial compression, but can also resist flexure through its flexural rigidity.

4

A parabolic arch uniformly loaded will be loaded in compression only.

5

A semi-circular arch unifirmly loaded will have some flexural stresses in addition to the

compressive ones.

7.1

Arches

6

In order to optimize dead-load efficiency, long span structures should have their shapes ap-

proximate the coresponding moment diagram, hence an arch, suspended cable, or tendon con-
figuration in a prestressed concrete beam all are nearly parabolic, Fig.

7.1

.

7

Long span structures can be built using flat construction such as girders or trusses. However,

for spans in excess of 100 ft, it is often more economical to build a curved structure such as an
arch, suspended cable or thin shells.

8

Since the dawn of history, mankind has tried to span distances using arch construction.

Essentially this was because an arch required materials to resist compression only (such as
stone, masonary, bricks), and labour was not an issue.

9

The basic issues of static in arch design are illustrated in Fig.

7.2

where the vertical load is per

unit horizontal projection (such as an external load but not a self-weight). Due to symmetry,
the vertical reaction is simply

V

=

wL

2

, and there is no shear across the midspan of the arch

(nor a moment). Taking moment about the crown,

M

=

Hh

−

wL

2

L

2

−

L

4

= 0

(7.1)

background image

Draft

7.1 Arches

133

Solving for

H

H

=

wL

2

8

h

(7.2)

We recall that a similar equation was derived for arches., and

H

is analogous to the

C

−

T

forces in a beam, and

h

is the overall height of the arch, Since

h

is much larger than

d

,

H

will

be much smaller than

C

−

T

in a beam.

10

Since equilibrium requires

H

to remain constant across thee arch, a parabolic curve would

theoretically result in no moment on the arch section.

11

Three-hinged arches are statically determinate structures which shape can acomodate sup-

port settlements and thermal expansion without secondary internal stresses. They are also easy
to analyse through statics.

12

An arch carries the vertical load across the span through a combination of axial forces and

flexural ones. A well dimensioned arch will have a small to negligible moment, and relatively
high normal compressive stresses.

13

An arch is far more efficient than a beam, and possibly more economical and aesthetic than

a truss in carrying loads over long spans.

14

If the arch has only two hinges, Fig.

7.3

or if it has no hinges, then bending moments may

exist either at the crown or at the supports or at both places.

APPARENT LINE

OF PRESSURE WITH

ARCH BENDING 

EXCEPT AT THE BASE

h

h’

V

V

M

w

h

H’=wl  /8h’<

2

wl  /8h

2

H’

H’<H

APPARENT LINE OF

PRESSURE WITH

ARCH BENDING 

INCLUDING BASE

V

V

H’<H

M

w

h

L

crown

M

M

base

base

h’

H’<H

Figure 7.3: Two Hinged Arch, (Lin and Stotesbury 1981)

15

Since

H

varies inversely to the rise

h

, it is obvious that one should use as high a rise as

possible. For a combination of aesthetic and practical considerations, a span/rise ratio ranging
from 5 to 8 or perhaps as much as 12, is frequently used. However, as the ratio goes higher, we
may have buckling problems, and the section would then have a higher section depth, and the
arch advantage diminishes.

16

In a parabolic arch subjected to a uniform horizontal load there is no moment. However, in

practice an arch is not subjected to uniform horizontal load. First, the depth (and thus the
weight) of an arch is not usually constant, then due to the inclination of the arch the actual
self weight is not constant. Finally, live loads may act on portion of the arch, thus the line of
action will not necessarily follow the arch centroid. This last effect can be neglected if the live
load is small in comparison with the dead load.

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

7.1 Arches

135

Solving those four equations simultaneously we have:











140 26

.

25 0 0

0

1

0 1

1

0

1 0

80

60

0 0




























R

Ay

R

Ax

R

Cy

R

Cx


















=


















2

,

900

80
50

3

,

000


















⇒


















R

Ay

R

Ax

R

Cy

R

Cx


















=


















15

.

1

k

29

.

8

k

34

.

9

k

50

.

2

k


















(7.4)

We can check our results by considering the summation with respect to b from the right:

(+

) Î£

M

B

z

= 0;

−

(20)(20)

−

(50

.

2)(33

.

75) + (34

.

9)(60) = 0

√

(7.5)

Example 7-2: Semi-Circular Arch, (Gerstle 1974)

Determine the reactions of the three hinged statically determined semi-circular arch under

its own dead weight

w

(per unit arc length

s

, where

ds

=

rdθ

).

7.6

R cos

θ

R

A

B

C

R

A

B

θ

dP=wRd

θ

θ

r

θ

Figure 7.6: Semi-Circular three hinged arch

Solution:

I Reactions

The reactions can be determined by

integrating

the load over the entire struc-

ture

1. Vertical Reaction

is determined first:

(+

) Î£

M

A

= 0;

−

(

C

y

)(2

R

) +

Z

θ

=

Ï€

θ

=0

wRdθ

| {z }

dP

R

(1 + cos

θ

)

|

{z

}

moment arm

= 0

(7.6-a)

⇒

C

y

=

wR

2

Z

θ

=

Ï€

θ

=0

(1 + cos

θ

)

dθ

=

wR

2

[

θ

−

sin

θ

]

|

θ

=

Ï€

θ

=0

=

wR

2

[(

Ï€

−

sin

Ï€

)

−

(0

−

sin 0)]

=

Ï€

2

wR

(7.6-b)

2. Horizontal Reactions

are determined next

(+

) Î£

M

B

= 0;

−

(

C

x

)(

R

) + (

C

y

)(

R

)

−

Z

θ

=

Ï€

2

θ

=0

wRdθ

| {z }

dP

R

cos

θ

| {z }

moment arm

= 0

(7.7-a)

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

Chapter 8

DEFLECTION of STRUCTRES;
Geometric Methods

1

Deflections of structures must be determined in order to satisfy serviceability requirements

i.e. limit deflections under

service

loads to acceptable values (such as

∆

L

≤

360).

2

Later on, we will see that deflection calculations play an important role in the analysis of

statically indeterminate structures.

3

We shall focus on flexural deformation, however the end of this chapter will review axial and

torsional deformations as well.

4

Most of this chapter will be a

review

of subjects covered in

Strength of Materials

.

5

This chapter will examine deflections of structures based on geometric considerations. Later

on, we will present a more pwerful method based on energy considerations.

8.1

Flexural Deformation

8.1.1

Curvature Equation

6

Let us consider a segment (between point 1 and point 2), Fig.

8.1

of a beam subjected to

flexural loading.

7

The

slope

is denoted by

θ

, the change in slope per unit length is the

curvature

κ

, the

radius

of curvature

is

Ï

.

8

From

Strength of Materials

we have the following relations

ds

=

Ïdθ

⇒

dθ
ds

=

1

Ï

(8.1)

9

We also note by extension that âˆ†

s

=

Ï

∆

θ

10

As a first order approximation, and with

ds

≈

dx

and

dy
dx

=

θ

Eq.

8.1

becomes

κ

=

1

Ï

=

dθ

dx

=

d

2

y

dx

2

(8.2)

background image

Draft

8.1 Flexural Deformation

151

14

Thus the slope

θ

, curvature

κ

, radius of curvature

Ï

are related to the

y

displacement at a

point

x

along a flexural member by

κ

=

d

2

y

dx

2

1 +

dy
dx

2

3
2

(8.9)

15

If the displacements are very small, we will have

dy
dx

<<

1, thus Eq.

8.9

reduces to

κ

=

d

2

y

dx

2

=

1

Ï

(8.10)

8.1.2

Differential Equation of the Elastic Curve

16

Again with reference to Figure

8.1

a positive

dθ

at a positive

y

(upper fibers) will cause a

shortening

of the upper fibers

∆

u

=

−

y

∆

θ

(8.11)

17

This equation can be rewritten as

lim

∆

s

→

0

∆

u

∆

s

=

−

y

lim

∆

s

→

0

∆

θ

∆

s

(8.12)

and since âˆ†

s

≈

∆

x

du
dx

|{z}

ε

=

−

y

dθ

dx

(8.13)

Combining this with Eq.

8.10

1

Ï

=

κ

=

−

ε

y

(8.14)

This is the fundamental relationship between curvature (

κ

), elastic curve (

y

), and linear strain

(

ε

).

18

Note that so far we made no assumptions about material properties, i.e. it can be elastic or

inelastic.

19

For the elastic case:

ε

x

=

σ

E

σ

=

−

M y

I

)

ε

=

−

M y

EI

(8.15)

Combining this last equation with Eq.

8.14

yields

1

Ï

=

dθ

dx

=

d

2

y

dx

2

=

M

EI

(8.16)

This fundamental equation relates moment to curvature.

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

8.2 Flexural Deformations

153

Solution:

At:

0

≤

x

≤

2

L

3

1. Moment Equation

EI

d

2

y

dx

2

=

M

x

=

wL

3

x

−

5

18

wL

2

(8.22)

2. Integrate once

EI

dy
dx

=

wL

6

x

2

−

5

18

wL

2

x

+

C

1

(8.23)

However we have at

x

= 0,

dy
dx

= 0,

⇒

C

1

= 0

3. Integrate twice

EIy

=

wL

18

x

3

−

5

wL

2

36

x

2

+

C

2

(8.24)

Again we have at

x

= 0,

y

= 0,

⇒

C

2

= 0

At:

2

L

3

≤

x

≤

L

1. Moment equation

EI

d

2

y

dx

2

=

M

x

=

wL

3

x

−

5

18

wL

2

−

w

(

x

−

2

L

3

)(

x

−

2

L

3

2

)

(8.25)

2. Integrate once

EI

dy
dx

=

wL

6

x

2

−

5

18

wL

2

x

−

w

6

(

x

−

2

L

3

)

3

+

C

3

(8.26)

Applying the boundary condition at

x

=

2

L

3

, we must have

dy
dx

equal to the value

coming from the left,

⇒

C

3

= 0

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

8.2 Flexural Deformations

155

Figure 8.2: Moment Area Theorems

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

Chapter 9

ENERGY METHODS; Part I

9.1

Introduction

1

Energy methods are powerful techniques for both formulation (of the stiffness matrix of an

element

1

) and for the analysis (i.e. deflection) of structural problems.

2

We shall explore two techniques:

1. Real Work

2. Virtual Work (Virtual force)

9.2

Real Work

3

We start by revisiting the first law of thermodynamics:

The time-rate of change of the total energy (i.e., sum of the kinetic energy and the
internal energy) is equal to the sum of the rate of work done by the external forces
and the change of heat content per unit time.

d

dt

(

K

+

U

) =

W

e

+

H

(9.1)

where

K

is the kinetic energy,

U

the internal strain energy,

W

e

the external work, and

H

the

heat input to the system.

4

For an adiabatic system (no heat exchange) and if loads are applied in a quasi static manner

(no kinetic energy), the above relation simplifies to:

W

e

=

U

(9.2)

5

Simply stated, the first law stipulates that the external work must be equal to the internal

strain energy due to the external load.

1

More about this in

Matrix Structural Analysis

.

background image

Draft

9.2 Real Work

173

Figure 9.2: Strain Energy Definition

9.2.2

Internal Work

9

Considering an infinitesimal element from an arbitrary structure subjected to uniaxial state

of stress, the strain energy can be determined with reference to Fig.

9.2

The net force acting

on the element while deformation is taking place is

P

=

σ

x

dydz

. The element will undergo a

displacement

u

=

ε

x

dx

. Thus, for a linear elastic system, the strain energy density is

dU

=

1
2

σε

.

And the total strain energy will thus be

U

=

1
2

Z

Vol

ε Eε

|{z}

σ

d

Vol

(9.7)

10

When this relation is applied to various structural members it would yield:

Axial Members:

U

=

Z

Vol

εσ

2

d

Vol

σ

=

P
A

ε

=

P

AE

dV

=

Adx






















U

=

Z

L

0

P

2

2

AE

dx

(9.8)

Torsional Members:

U

=

1
2

Z

Vol

ε Eε

|{z}

σ

d

Vol

U

=

1
2

Z

Vol

γ

xy

Gγ

xy

| {z }

Ï„

xy

d

Vol

Ï„

xy

=

T r

J

γ

xy

=

Ï„

xy

G

d

Vol

=

rdθdrdx

J

=

Z

r

o

Z

2

Ï€

0

r

2

dθ dr


































































U

=

Z

L

0

T

2

2

GJ

dx

(9.9)

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

9.3 Virtual Work

175

9.3

Virtual Work

11

A severe limitation of the method of real work is that only deflection along the externally

applied load can be determined.

12

A more powerful method is the virtual work method.

13

The principle of Virtual Force (VF) relates

force

systems which satisfy the requirements of

equilibrium

, and

deformation

systems which satisfy the requirement of

compatibility

14

In any application the force system could either be the actual set of

external

loads

d

p

or

some

virtual

force system which happens to satisfy the condition of

equilibrium

δ

p

. This set

of external forces will induce internal actual forces

d

σ

or internal virtual forces

δ

σ

compatible

with the externally applied load.

15

Similarly the deformation could consist of either the actual joint deflections

d

u

and compati-

ble internal deformations

d

ε

of the structure, or some

virtual

external and internal deformation

δ

u

and

δ

ε

which satisfy the conditions of

compatibility

.

16

It is often simplest to assume that the

virtual load is a unit load

.

17

Thus we may have 4 possible combinations, Table

9.1

where:

d

corresponds to the actual,

Force

Deformation

IVW

Formulation

External

Internal

External

Internal

1

d

p

d

σ

d

u

d

ε

2

δ

p

δ

σ

d

u

d

ε

δU

∗

Flexibility

3

d

p

d

σ

δ

u

δ

ε

δU

Stiffness

4

δ

p

δ

σ

δ

u

δ

ε

Table 9.1: Possible Combinations of Real and Hypothetical Formulations

and

δ

(with an overbar) to the hypothetical values.

This table calls for the following observations

1. The second approach is the same one on which the method of virtual or unit load is based.

It is simpler to use than the third as a internal force distribution compatible with the
assumed virtual force can be easily obtained for statically determinate structures. This
approach will yield exact solutions for statically determinate structures.

2. The third approach is favored for statically indeterminate problems or in conjunction with

approximate solution. It requires a proper â€œguess†of a displacement shape and is the
basis of the stiffness method.

18

Let us consider an arbitrary structure and load it with both real and virtual loads in the

following sequence, Fig.

9.4

For the sake of simplicity, let us assume (or consider) that this

structure develops only axial stresses.

1. If we apply the virtual load, then

1
2

δP Î´

∆ =

1
2

Z

d

Vol

δσδεd

Vol

(9.12)

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

Chapter 10

STATIC INDETERMINANCY;
FLEXIBILITY METHOD

All the examples in this chapter are taken verbatim from White, Gergely and Sexmith

10.1

Introduction

1

A statically indeterminate structure has more unknowns than equations of equilibrium (and

equations of conditions if applicable).

2

The advantages of a statically indeterminate structures are:

1. Lower internal forces

2. Safety in redundancy, i.e. if a support or members fails, the structure can

redistribute

its

internal forces to accomodate the changing B.C. without resulting in a sudden failure.

3

Only disadvantage is that it is more complicated to analyse.

4

Analysis mehtods of statically indeterminate structures

must satisfy

three requirements

Equilibrium

Force-displacement

(or stress-strain) relations (linear elastic in this course).

Compatibility

of displacements (i.e. no discontinuity)

5

This can be achieved through two classes of solution

Force or Flexibility

method;

Displacement or Stiffness

method

6

The flexibility method is first illustrated by the following problem of a statically indeterminate

cable structure in which a rigid plate is supported by two aluminum cables and a steel one. We
seek to determine the force in each cable, Fig.

10.1

1. We have three unknowns and only two independent equations of equilibrium. Hence the

problem is statically indeterminate to the first degree.

background image

Draft

10.1 Introduction

201

6. We observe that the solution of this sproblem, contrarily to statically determinate ones,

depends on the elastic properties.

7

Another example is the propped cantiliver beam of length

L

, Fig.

10.2

x

x

f

BB

P

B

A

C

L/2

L/2

P

D

1

QL/2

PL/4

-

+

-

-

-PL

PL/2

-(1)L/2

Primary Structure Under Actual Load

Primary Structure Under Redundant Loading

Bending Moment Diagram

Figure 10.2: Propped Cantilever Beam

1. First we remove the roller support, and are left with the cantilever as a primary structure.

2. We then determine the deflection at point

B

due to the applied load

P

using the virtual

force method

1

.D

=

Z

δM

M

EI

dx

(10.6-a)

=

Z

L/

2

0

0

−

px

EI

dx

+

Z

L/

2

0

−

P L

2

+

P x

(

−

x

)

dx

(10.6-b)

=

1

EI

Z

L/

2

0

P L

2

x

+

P x

2

dx

(10.6-c)

=

1

EI

"

P Lx

2

4

+

P x

3

3

#

L/

2

0

(10.6-d)

=

5

48

P L

3

EI

(10.6-e)

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

10.3 Short-Cut for Displacement Evaluation

203

Note that

D

0

i

is the vector of initial displacements, which is usually zero unless we have

an initial displacement of the support (such as support settlement).

7. The reactions are then obtained by simply inverting the flexibility matrix.

9

Note that from Maxwell-Betti’s reciprocal theorem, the flexibility matrix [

f

] is always sym-

metric.

10.3

Short-Cut for Displacement Evaluation

10

Since deflections due to flexural effects must be determined numerous times in the flexibility

method, Table

10.1

may simplify some of the evaluation of the internal strain energy.

You are

strongly discouraged to use this table while still at school!

.

g

2

(

x

)

g

1

(

x

)

L

a

H

H

H

L

a

 

 

 

L

a

b

L

c

Lac

Lac

2

Lc

(

a

+

b

)

2

H

H

H

L

c

Lac

2

Lac

3

Lc

(2

a

+

b

)

6

L

c

Lac

2

Lac

6

Lc

(

a

+2

b

)

6

 

 

 

L

c

d

La

(

c

+

d

)

2

La

(2

c

+

d

)

6

La

(2

c

+

d

)+

Lb

(

c

+2

d

)

6

L

c

d e

La

(

c

+4

d

+

e

)

6

La

(

c

+2

d

)

6

La

(

c

+2

d

)+

Lb

(2

d

+

e

)

6

Table 10.1: Table of

Z

L

0

g

1

(

x

)

g

2

(

x

)

dx

10.4

Examples

Example 10-1: Steel Building Frame Analysis, (White et al. 1976)

A small, mass-produced industrial building, Fig.

10.3

is to be framed in structural steel

with a typical cross section as shown below. The engineer is considering three different designs
for the frame: (a) for poor or unknown soil conditions, the foundations for the frame may not
be able to develop any dependable horizontal forces at its bases. In this case the idealized
base conditions are a hinge at one of the bases and a roller at the other; (b) for excellent

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

10.4

Examples

219

D

δM

M

R

δM M dx

R

δM

M

EI

dx

AB

BC

CD

Total

f

11

A

A

A

A

+

h

3

3

+

Lh

2

+

h

3

3

+

2

h

3

3

EI

c

+

Lh

2

EI

b

f

12

A

A

 

 

 

+

h

2

L

2

+

L

2

h

2

0

+

h

2

L

2

EI

c

+

L

2

h

2

EI

b

f

13

A

A

−

h

2

2

−

Lh

−

h

2

2

−

h

2

EI

c

−

Lh

EI

b

f

21

 

 

 

A

A

+

h

2

L

2

+

L

2

h

2

0

+

h

2

L

2

EI

c

+

L

2

h

2

EI

b

f

22

 

 

 

 

 

 

+

L

2

h

+

L

3

3

0

+

L

2

h

EI

c

+

L

3

3

EI

b

f

23

 

 

 

−

hL

−

L

2

2

0

−

hL

EI

c

−

L

2

2

EI

b

f

31

A

A

−

h

2

2

−

Lh

−

h

2

2

−

h

2

EI

c

−

Lh

EI

b

f

32

 

 

 

−

hL

−

L

2

2

0

−

hL

EI

c

−

L

2

2

EI

b

f

33

+

h

+

L

+

h

+

2

h

EI

c

+

L

EI

b

D

1

Q

A

A

aaa

−

h

2

(2

h

+15

L

−

30)

6

+

Lh

(20

−

5

L

)

2

0

−

h

2

(2

h

+15

L

−

30)

6

EI

c

+

Lh

(20

−

5

L

)

2

EI

b

D

2

Q

 

 

 

aaa

−

Lh

(2

h

+10

L

−

20)

2

+

L

2

(30

−

10

L

)

6

0

−

Lh

(2

h

+10

L

−

20)

2

EI

c

+

L

2

(30

−

10

L

)

6

EI

b

D

3

Q

aaa

+

h

(2

h

+10

L

−

20)

2

−

L

(20

−

5

L

)

2

0

−

h

(2

h

+10

L

−

20)

2

EI

c

−

L

(20

−

5

L

)

2

EI

b

Table 10.3: Displacement Computations for a Rectangular Frame

Victor

Saouma

Structural

Engineering

background image

Draft

10.4 Examples

221

3. In the following discussion the contributions to displacements due to axial strain are denoted
with a single prime (

0

) and those due to curvature by a double prime (

00

).

4. Consider the axial strain first. A unit length of frame member shortens as a result of the
temperature decrease from 85

â—¦

F to 45

â—¦

F at the middepth of the member. The strain is therefore

α

∆

T

= (0

.

0000055)(40) = 0

.

00022

(10.56)

5. The effect of axial strain on the relative displacements needs little analysis. The horizontal
member shortens by an amount (0.00022)(20) = 0.0044 ft. The shortening of the vertical
members results in no relative displacement in the vertical direction 2. No rotation occurs.
6. We therefore have

D

0

1∆

=

−

0

.

0044 ft,

D

0

2∆

= 0, and

D

0

3∆

= 0

.

Figure 10.16:

7. The effect of curvature must also be considered. A frame element of length

dx

undergoes an

angular strain as a result of the temperature gradient as indicated in Figure

10.16

The change

in length at an extreme fiber is

=

α

∆

T dx

= 0

.

0000055(25)

dx

= 0

.

000138

dx

(10.57)

8. with the resulting real rotation of the cross section

dφ

=

/

0

.

5 = 0

.

000138

dx/

0

.

5 = 0

.

000276

dx

radians

(10.58)

9. The relative displacements of the primary structure at

D

are found by the virtual force

method.
10. A virtual force

δQ

is applied in the direction of the desired displacement and the resulting

moment diagram

δM

determined.

11. The virtual work equation

δQD

=

Z

δM dφ

(10.59)

is used to obtain each of the desired displacements

D

.

12. The results, which you should verify, are

D

00

1∆

=

0

.

0828

ft

(10.60-a)

D

00

2∆

=

0

.

1104

ft

(10.60-b)

D

00

3∆

=

−

0

.

01104

radians

(10.60-c)

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

10.4 Examples

223

with units in kips and feet.
21. A moment diagram may now be constructed, and other internal force quantities computed
from the now known values of the redundants. The redundants have been valuated separately
for effects of temperature and foundation settlement. These effects may be combined with those
due to loading using the principle of superposition.

Example 10-9: Braced Bent with Loads and Temperature Change, (White et al. 1976)

The truss shown in Figure

10.17

reperesents an internal braced bent in an enclosed shed,

with lateral loads of 20 kN at the panel points. A temperature drop of 30

â—¦

C may occur on

the outer members (members 1-2, 2-3, 3-4, 4-5, and 5-6). We wish to analyze the truss for the
loading and for the temperature effect.

Solution:

1. The first step in the analysis is the definition of the two redundants. The choice of forces
in diagonals 2-4 and 1-5 as redundants facilitates the computations because some of the load
effects are easy to analyze. Figure

??

-b shows the definition of

R

1

and

R

2

.

2. The computations are organized in tabular form in Table

10.4

The first column gives the

bar forces

P

in the primary structure caused by the actual loads. Forces are in kN. Column

2 gives the force in each bar caused by a unit load (1 kN) corresponding to release 1. These
are denoted

p

1

and also represent the bar force Â¯

q

1

/δQ

1

caused by a virtual force

δQ

1

applied

Figure 10.17:

at the same location. Column 3 lists the same quantity for a unit load and for a virtual force

δQ

2

applied at release 2. These three columns constitute a record of the truss analysis needed

for this problem.

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

10.4

Examples

225

D

1

Q

D

2

Q

f

11

f

21

f

12

f

22

D

1∆

D

2∆

P

p

1

p

2

L/EA

¯

q

1

P L/EA

¯

q

2

P L/EA

¯

q

1

p

1

L/EA

¯

q

2

p

2

L/EA

¯

qp

2

L/EA

¯

q

2

p

2

L/EA

∆

/

temp

¯

q

1

∆

/

¯

q

2

∆

/

multiply by

L

c

/EA

c

L

c

/EA

c

L

c

/EA

c

L

c

/EA

c

L

c

/EA

c

L

c

/EA

c

L

c

/EA

c

L

c

10

−

4

L

c

10

−

4

L

c

1-2

60.0

0

−

0.707

1

0

−

42.42

0

0

0

0.50

−

0.0003

0

2.12

2-3

20.00

−

0.707

0

1

−

14.14

0

0.50

0

0

0

−

0.0003

2.12

0

3-4

0

−

0.707

0

2

0

0

1.00

0

0

0

−

0.0003

2.12

0

4-5

0

−

0.707

0

1

0

0

0.50

0

0

0

−

0.0003

2.12

0

5-6

−

20.00

0

−

0.707

1

0

14.14

0

0

0

0.50

−

0.0003

0

2.12

6-1

40.00

0

−

0.707

2

0

−

56.56

0

0

0

1.00

0

0

0

2-5

20.00

−

0.707

−

0.707

2

−

28.28

−

28.28

1.00

1.00

1.00

1.00

0

0

0

1-5

0

0

1.00

2.828

0

0

0

0

0

2.83

0

0

0

2-6

−

56.56

0

1.00

2.828

0

−

160.00

0

0

0

2.83

0

0

0

2-4

0

1.00

0

2.828

0

0

2.83

0

0

0

0

0

0

3-5

−

28.28

1.00

0

2.838

−

80.00

0

2.83

0

0

0

0

0

0

−

122.42

−

273.12

8.66

1.00

1.00

8.66

6.36

4.24

Victor

Saouma

Structural

Engineering

background image

Draft

Chapter 11

APPROXIMATE FRAME
ANALYSIS

1

Despite the widespread availability of computers, approximate methods of analysis are justi-

fied by

1. Inherent assumption made regarding the validity of a linear elastic analysis

vis a vis

of

an ultimate failure design.

2. Ability of structures to redistribute internal forces.

3. Uncertainties in load and material properties

2

Vertical loads are treated separately from the horizontal ones.

3

We use the design sign convention for moments (+ve tension below), and for shear (ccw +ve).

4

Assume girders to be numbered from left to right.

5

In all free body diagrams assume positivee forces/moments, and take algeebraic sums.

6

The key to the approximate analysis method is our ability to sketch the deflected shape of a

structure and identify inflection points.

7

We begin by considering a uniformly loaded beam and frame. In each case we consider an

extreme end of the restraint: a) free or b) restrained. For the frame a relativly flexible or stiff
column would be analogous to a free or fixed restrain on the beam, Fig.

11.1

.

11.1

Vertical Loads

8

With reference to Fig.

11.1

we now consider an

intermediary

case as shown in Fig.

11.2

.

9

With the location of the inflection points identified, we may now determine all the reactions

and internal forces from statics.

10

If we now consider a multi-bay/multi-storey frame, the girders at each floor are assumed to

be continuous beams, and columns are assumed to resist the resulting unbalanced moments
from the girders, we may make the following assumptions

background image

Draft

11.1 Vertical Loads

229

   

   

0.5H

0.5H

0.1 L

0.1 L

Figure 11.2: Uniformly Loaded Frame, Approximate Location of Inflection Points

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

11.1 Vertical Loads

231

M

+

=

1
8

wL

2

s

=

w

1
8

(0

.

8)

2

L

2

= 0

.

08

wL

2

(11.1)

Maximum negative moment

at each end of the girder is given by, Fig.

33.9

M

lef t

=

M

rgt

=

−

w

2

(0

.

1

L

)

2

−

w

2

(0

.

8

L

)(0

.

1

L

) =

−

0

.

045

wL

2

(11.2)

Girder Shear

are obtained from the free body diagram, Fig.

33.10

V

rgt

i-1

V

lft

i

P

above

P

below

Figure 11.4: Approximate Analysis of Frames Subjected to Vertical Loads; Column Axial Forces

V

lf t

=

wL

2

V

rgt

=

−

wL

2

(11.3)

Column axial force

is obtained by summing all the girder shears to the axial force transmit-

ted by the column above it. Fig.

33.10

P

dwn

=

P

up

+

V

rgt

i

−

1

−

V

lf t

i

(11.4)

Column Moment

are obtained by considering the free body diagram of columns Fig.

33.11

M

top

=

M

bot

above

−

M

rgt

i

−

1

+

M

lf t

i

M

bot

=

−

M

top

(11.5)

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

11.2 Horizontal Loads

245

Horizontal Loads, Portal Method

1. Column Shears

V

5

=

15

(2)(3)

= 2

.

5

k

V

6

= 2(

V

5

) = (2)(2

.

5) = 5

k

V

7

= 2(

V

5

) = (2)(2

.

5) = 5

k

V

8

=

V

5

= 2

.

5

k

V

1

=

15+30

(2)(3)

= 7

.

5

k

V

2

= 2(

V

1

) = (2)(7

.

5) = 15

k

V

3

= 2(

V

1

) = (2)(2

.

5) = 15

k

V

4

=

V

1

= 7

.

5

k

2. Top Column Moments

M

top

5

=

V

1

H

5

2

=

(2

.

5)(14)

2

=

17

.

5

k.ft

M

bot

5

=

−

M

top

5

=

−

17

.

5

k.ft

M

top

6

=

V

6

H

6

2

=

(5)(14)

2

=

35

.

0

k.ft

M

bot

6

=

−

M

top

6

=

−

35

.

0

k.ft

M

top

7

=

V

up

7

H

7

2

=

(5)(14)

2

=

35

.

0

k.ft

M

bot

7

=

−

M

top

7

=

−

35

.

0

k.ft

M

top

8

=

V

up

8

H

8

2

=

(2

.

5)(14)

2

=

17

.

5

k.ft

M

bot

8

=

−

M

top

8

=

−

17

.

5

k.ft

3. Bottom Column Moments

M

top

1

=

V

dwn

1

H

1

2

=

(7

.

5)(16)

2

=

60

k.ft

M

bot

1

=

−

M

top

1

=

−

60

k.ft

M

top

2

=

V

dwn

2

H

2

2

=

(15)(16)

2

=

120

k.ft

M

bot

2

=

−

M

top

2

=

−

120

k.ft

M

top

3

=

V

dwn

3

H

3

2

=

(15)(16)

2

=

120

k.ft

M

bot

3

=

−

M

top

3

=

−

120

k.ft

M

top

4

=

V

dwn

4

H

4

2

=

(7

.

5)(16)

2

=

60

k.ft

M

bot

4

=

−

M

top

4

=

−

60

k.ft

4. Top Girder Moments

M

lf t

12

=

M

top

5

=

17

.

5

k.ft

M

rgt

12

=

−

M

lf t

12

=

−

17

.

5

k.ft

M

lf t

13

=

M

rgt

12

+

M

top

6

=

−

17

.

5 + 35 =

17

.

5

k.ft

M

rgt

13

=

−

M

lf t

13

=

−

17

.

5

k.ft

M

lf t

14

=

M

rgt

13

+

M

top

7

=

−

17

.

5 + 35 =

17

.

5

k.ft

M

rgt

14

=

−

M

lf t

14

=

−

17

.

5

k.ft

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

11.2 Horizontal Loads

247

6. Top Girder Shear

V

lf t

12

=

−

2

M

lf t

12

L

12

=

−

(2)(17

.

5)

20

=

−

1

.

75

k

V

rgt

12

= +

V

lf t

12

=

−

1

.

75

k

V

lf t

13

=

−

2

M

lf t

13

L

13

=

−

(2)(17

.

5)

30

=

−

1

.

17

k

V

rgt

13

= +

V

lf t

13

=

−

1

.

17

k

V

lf t

14

=

−

2

M

lf t

14

L

14

=

−

(2)(17

.

5)

24

=

−

1

.

46

k

V

rgt

14

= +

V

lf t

14

=

−

1

.

46

k

7. Bottom Girder Shear

V

lf t

9

=

−

2

M

lf t

12

L

9

=

−

(2)(77

.

5)

20

=

−

7

.

75

k

V

rgt

9

= +

V

lf t

9

=

−

7

.

75

k

V

lf t

10

=

−

2

M

lf t

10

L

10

=

−

(2)(77

.

5)

30

=

−

5

.

17

k

V

rgt

10

= +

V

lf t

10

=

−

5

.

17

k

V

lf t

11

=

−

2

M

lf t

11

L

11

=

−

(2)(77

.

5)

24

=

−

6

.

46

k

V

rgt

11

= +

V

lf t

11

=

−

6

.

46

k

8. Top Column Axial Forces (+ve tension, -ve compression)

P

5

=

−

V

lf t

12

=

−

(

−

1

.

75)

k

P

6

= +

V

rgt

12

−

V

lf t

13

=

−

1

.

75

−

(

−

1

.

17) =

−

0

.

58

k

P

7

= +

V

rgt

13

−

V

lf t

14

=

−

1

.

17

−

(

−

1

.

46) = 0

.

29

k

P

8

=

V

rgt

14

=

−

1

.

46

k

9. Bottom Column Axial Forces (+ve tension, -ve compression)

P

1

=

P

5

+

V

lf t

9

= 1

.

75

−

(

−

7

.

75)

= 9

.

5

k

P

2

=

P

6

+

V

rgt

10

+

V

lf t

9

=

−

0

.

58

−

7

.

75

−

(

−

5

.

17) =

−

3

.

16

k

P

3

=

P

7

+

V

rgt

11

+

V

lf t

10

= 0

.

29

−

5

.

17

−

(

−

6

.

46)

= 1

.

58

k

P

4

=

P

8

+

V

rgt

11

=

−

1

.

46

−

6

.

46

=

−

7

.

66

k

Design Parameters

On the basis of the two approximate analyses, vertical and lateral load,

we now seek the design parameters for the frame, Table

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

11.2 Horizontal Loads

249

Portal Method

PORTAL.XLS

Victor E. Saouma

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

[

[

[

[

[

[

[

[

[

[

[

[

[

[

[

[

[

[

[

[

[

[

[

[

[

[

[

[

[

[

[

[

[

[

[

[

[

[

[

[

[

[

[

[

[

[

[

[

[

[

[

[

[

[

[

[

[

[

[

[

[

[

[

[

[

[

[

[

[

[

\

\

\

\

\

\

\

\

\

\

\

\

\

\

\

\

\

\

\

\

\

\

\

\

\

\

\

\

\

\

\

\

\

\

\

\

\

\

\

\

\

\

\

\

\

\

\

\

\

\

\

\

\

\

\

\

\

\

\

\

\

\

\

\

\

\

\

\

\

\

\

\

\

\

\

\

\

\

\

\

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

]

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

^

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

`

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

c

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

f

f

f

f

f

f

f

f

f

f

f

f

f

f

f

f

f

f

f

f

f

f

f

f

f

f

f

f

f

f

f

f

f

f

f

f

f

f

f

f

f

f

f

f

f

f

f

f

f

f

f

f

f

f

f

f

f

f

f

f

f

f

f

f

f

f

f

f

f

f

f

f

f

f

f

f

f

f

f

f

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

j

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

q

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

r

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

u

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

v

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

y

y

y

y

y

y

y

y

y

y

y

y

y

y

y

y

y

y

y

y

y

y

y

y

y

y

y

y

y

y

y

y

y

y

y

y

y

y

y

y

y

y

y

y

y

y

y

y

y

y

y

y

y

y

y

y

y

y

y

y

y

y

y

y

y

y

y

y

y

y

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

z

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

{

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

}

}

}

}

}

}

}

}

}

}

}

}

}

}

}

}

}

}

}

}

}

}

}

}

}

}

}

}

}

}

}

}

}

}

}

}

}

}

}

}

}

}

}

}

}

}

}

}

}

}

}

}

}

}

}

}

}

}

}

}

}

}

}

}

}

}

}

}

}

}

}

}

}

}

}

}

}

}

}

}

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

~

















































































































































































































€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

€

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

‚

ƒ

ƒ

ƒ

ƒ

ƒ

ƒ

ƒ

ƒ

ƒ

ƒ

ƒ

ƒ

ƒ

ƒ

ƒ

ƒ

ƒ

ƒ

ƒ

ƒ

ƒ

ƒ

ƒ

ƒ

ƒ

ƒ

ƒ

ƒ

ƒ

ƒ

ƒ

ƒ

ƒ

ƒ

ƒ

ƒ

ƒ

ƒ

ƒ

ƒ

ƒ

ƒ

ƒ

ƒ

ƒ

ƒ

ƒ

ƒ

ƒ

ƒ

ƒ

ƒ

ƒ

ƒ

ƒ

ƒ

ƒ

ƒ

ƒ

ƒ

ƒ

ƒ

ƒ

ƒ

ƒ

ƒ

ƒ

ƒ

ƒ

ƒ

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

„

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

Â…

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

†

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

‡

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

‰

Š

Š

Š

Š

Š

Š

Š

Š

Š

Š

Š

Š

Š

Š

Š

Š

Š

Š

Š

Š

Š

Š

Š

Š

Š

Š

Š

Š

Š

Š

Š

Š

Š

Š

Š

Š

Š

Š

Š

Š

Š

Š

Š

Š

Š

Š

Š

Š

Š

Š

Š

Š

Š

Š

Š

Š

Š

Š

Š

Š

Š

Š

Š

Š

Š

Š

Š

Š

Š

Š

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

‹

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Œ

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

ÂŽ

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

“

“

“

“

“

“

“

“

“

“

“

”

”

”

”

”

”

”

”

”

”

”

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

–

–

–

–

–—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—˜

˜

˜

˜

˜

˜

˜

˜

˜

˜

˜

˜

˜

˜

˜

˜

˜

˜

˜

˜

˜

˜

˜

˜

˜

˜

™

™

™

™

™

™

™

™

™

™

™

š

š

š

š

š

š

š

š

š

š

š

š

š

š

š

š

š

š

š›

›

›

›

›

›

›

›

›

›

›

›

›

›

›

›

›

›

›

›œ

œ

œ

œ

œ

œ

œ

œ

œ

œ

œ

œ

œ

œ

œ

œ

œ

œ

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

ž

ž

ž

ž

ž

ž

ž

ž

ž

ž

ž

ž

ž

ž

ž

ž

ž

ž

ž

ž

ž

ž

ž

ž

žŸ

Ÿ

Ÿ

Ÿ

Ÿ

Ÿ

Ÿ

Ÿ

Ÿ

Ÿ

Ÿ

Ÿ

Ÿ

Ÿ

Ÿ

Ÿ

Ÿ

Ÿ

Ÿ

 

 

 

 

 

 

 

 

¡

¡

¡

¡

¡

¡

¡

¡

¡

¡

¡

¡

¡

¡

¡

¡

¡

¡

¡

¡

¡

¡

¡

¡

¡

¡

¢

¢

¢

¢

¢

¢

¢

¢

¢

¢

¢

£

£

£

£

£

£

£

£

£

£

£

£

£

£

£

£

£

£

£

£

£

£

£

£

£

£

£

£

¤

¤

¤

¤

¤¥

Â¥

Â¥

Â¥

Â¥

Â¥

Â¥

Â¥

Â¥

Â¥

Â¥

Â¥

Â¥

Â¥

Â¥

Â¥

Â¥

Â¥

Â¥

Â¥

Â¥

Â¥

Â¥

Â¥

Â¥

Â¥

¥¦

¦

¦

¦

¦

¦

¦

¦

¦

¦

¦

¦

¦

¦

¦

¦

¦

¦

¦

¦

¦

¦

¦

¦

¦

¦

§

§

§

§

§

§

§

§

§

§

§

¨

¨

¨

¨

¨

¨

¨

¨

¨

¨

¨

¨

¨

¨

¨

¨

¨

¨

¨

¨

¨

¨

¨

¨

¨

¨

¨

¨

©

©

©

©

©ª

ª

ª

ª

ª

ª

ª

ª

ª

ª

ª

ª

ª

ª

ª

ª

ª

ª

ª

ª

ª

ª

ª

ª

ª

ª

ª«

«

«

«

«

«

«

«

«

«

«

«

«

«

«

«

«

«

«

«

«

«

«

«

«

«

¬

¬

¬

¬

¬

¬

¬

¬

¬

¬

¬

­

­

­

­

­

­

­

­

­

­

­

®

®

®

®

®

®

®

®

®

®

®

®

®

®

®

®

®

®

®

®

®

®

®

®

®

®

®

®

¯

¯

¯

¯

¯°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°±

±

±

±

±

±

±

±

±

±

±

±

±

±

±

±

±

±

±

±

±

±

±

±

±

±

²

²

²

²

²

²

²

²

²

²

²

³

³

³

³

³

³

³

³

³

³

³

³

³

³

³

³

³

³

³

³

³

³

³

³

³

³

³

³

´

´

´

´

´µ

µ

µ

µ

µ

µ

µ

µ

µ

µ

µ

µ

µ

µ

µ

µ

µ

µ

µ

µ

µ

µ

µ

µ

µ

µ

µ¶

¶

¶

¶

¶

¶

¶

¶

¶

¶

¶

¶

¶

¶

¶

¶

¶

¶

¶

¶

¶

¶

¶

¶

¶

¶

·

·

·

·

·

·

·

·

·

·

·

¸

¸

¸

¸

¸

¸

¸

¸

¸

¸

¸

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

¹

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

º

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

»

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

¼

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

½

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

¿

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

À

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ä

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Ã…

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Æ

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

Ç

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

È

É

É

É

É

É

É

É

É

É

É

É

É

É

É

É

É

É

É

É

É

É

Ê

Ê

Ê

Ê

Ê

Ê

Ê

Ê

Ê

Ê

Ê

Ê

Ê

Ê

1
2
3
4
5
6
7
8
9

10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30

A

B

C

D

E

F

G

H

I

J

K

L

M

N

O

P

Q

R

S

PORTAL METHOD

# of Bays

3

L1

L2

L3

Ë

Ë

Ë

Ë

Ë

Ì

Ì

Ì

Ì

Ì

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

ÃŽ

ÃŽ

ÃŽ

ÃŽ

ÃŽ

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ñ

Ñ

Ñ

Ñ

Ñ

Ã’

Ã’

Ã’

Ã’

Ã’

Ó

Ó

Ó

Ó

Ó

Ô

Ô

Ô

Ô

Ô

Õ

Õ

Õ

Õ

Õ

Ö

Ö

Ö

Ö

Ö

×

×

×

×

×

Ø

Ø

Ø

Ø

Ø

Ù

Ù

Ù

Ù

Ù

Ú

Ú

Ú

Ú

Ú

Û

Û

Û

Û

Û

Ü

Ü

Ü

Ü

Ü

20

30

24

MOMENTS

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Ã

Þ

Þ

Þ

Þ

Þ

Þ

Þ

Þ

ß

ß

ß

ß

ß

ß

ß

ß

à

à

à

à

à

à

à

à

á

á

á

á

á

á

á

á

â

â

â

â

â

â

â

â

ã

ã

ã

ã

ã

ã

ã

ã

ä

ä

ä

ä

ä

ä

ä

ä

Ã¥

Ã¥

Ã¥

Ã¥

Ã¥

Ã¥

Ã¥

Ã¥

æ

æ

æ

æ

æ

æ

æ

æ

ç

ç

ç

ç

ç

ç

ç

ç

è

è

è

è

è

è

è

è

é

é

é

é

é

é

é

é

# of Storeys

2

Bay 1

Bay 2

Bay 3

ê

ê

ê

ê

ë

ë

ë

ë

ì

ì

ì

ì

í

í

í

í

î

î

î

î

ï

ï

ï

ï

ð

ð

ð

ð

ñ

ñ

ñ

ñ

ò

ò

ò

ò

ó

ó

ó

ó

ô

ô

ô

ô

õ

õ

õ

õ

ö

ö

ö

ö

÷

÷

÷

÷

ø

ø

ø

ø

ù

ù

ù

ù

ú

ú

ú

ú

û

û

û

û

Force

Shear

Col

Beam

Column

Beam

Column

Beam

Col

ü

ü

ü

ü

ý

ý

ý

ý

þ

þ

þ

þ

ÿ

ÿ

ÿ

ÿ

 

 

 

 

H

Lat.

Tot

Ext

Int

Lft

Rgt

    

Lft

Rgt

Lft

Rgt

=+H9

=-I8

=+J8+K9

=-M8

=+N8+O9

=-Q8

H1

14 15

=+C9

=+D9/(2*$F$2) =2*E9

=+E9*B9/2

=+F9*B9/2

=+K9

=+H9

=-H9

=-K9

=+K10

=+H10

=+H12-H10 =-I11

=+K12-K10+J11 =-M11

=+O12-O10+N11 =-Q11

H2

16 30

=SUM($C$9:C12) =+D12/(2*$F$2) =2*E12

=+E12*B12/2

=+F12*B12/2

=+K12

=+H12

=-H12

=-K12

=+K13

=+H13

SHEAR

Bay 1

Bay 2

Bay 3

Col

Beam

Column

Beam

Column

Beam

Col

 

 

 

 

!

!

!

!

"

"

"

"

#

#

#

#

Lft

Rgt

Lft

Rgt

Lft

Rgt

=-2*I8/I$3

=+I18

=-2*M8/M$3

=+M18

=-2*Q8/Q$3

=+Q18

$

$

$

$

=+E9

=+F9

=+F9

=+E9

=+H19

=+K19

=+O19

=+S19

=-2*I11/I$3 =+I21

=-2*M11/M$3

=+M21

=-2*Q11/Q$3

=+Q21

=+E12

=+F12

=+F12

=+E12

=+H22

=+K22

=+O22

=+S22

AXIAL  FORCE
Bay 1

Bay 2

Bay 3

%

%

%

%

&

&

&

&

'

'

'

'

(

(

(

(

)

)

)

)

*

*

*

*

+

+

+

+

,

,

,

,

-

-

-

-

.

.

.

.

/

/

/

/

0

0

0

0

Col

Beam

Column

Beam

Column

Beam

Col

1

1

1

1

2

2

2

2

3

3

3

3

4

4

4

4

5

5

5

5

0

0

0

=-I18

=+J18-M18

=+N18-Q18

=+R18

0

0

0

=+H28-I21

=+K28+J21-M21

=+O28+N21-Q21

=+S28+R21

6

6

6

6

6

6

6

6

6

6

6

6

6

6

6

6

6

6

6

6

6

6

6

6

6

6

6

6

6

6

6

6

6

6

6

6

6

6

6

6

6

6

6

6

6

6

6

6

6

6

6

6

6

6

6

6

6

6

6

6

6

6

6

7

7

7

7

7

7

7

7

7

7

7

7

7

7

7

7

7

7

7

7

7

7

7

7

7

7

7

7

7

7

7

7

7

7

7

7

7

7

7

7

7

7

7

7

7

7

7

7

7

7

7

7

7

7

7

7

7

7

7

7

7

7

7

8

8

8

8

8

8

8

8

8

8

8

8

8

8

8

8

8

8

8

8

8

8

8

8

8

8

8

8

8

8

8

8

8

8

8

8

8

8

8

8

8

8

8

8

8

8

8

8

8

8

8

8

8

8

8

8

8

8

8

8

8

8

8

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

:

:

:

:

:

:

:

:

:

:

:

:

:

:

:

:

:

:

:

:

:

:

:

:

:

:

:

:

:

:

:

:

:

:

:

:

:

:

:

:

:

:

:

:

:

:

:

:

:

:

:

:

:

:

:

:

:

:

:

:

:

:

:

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

Figure 11.19: Portal Method; Equations in Spread-Sheet

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

11.2 Horizontal Loads

251

Mem.

Vert.

Hor.

Design

Values

-ve Moment

9.00

77.50

86.50

9

+ve Moment

16.00

0.00

16.00

Shear

5.00

7.75

12.75

-ve Moment

20.20

77.50

97.70

10

+ve Moment

36.00

0.00

36.00

Shear

7.50

5.17

12.67

-ve Moment

13.0

77.50

90.50

11

+ve Moment

23.00

0.00

23.00

Shear

6.00

6.46

12.46

-ve Moment

4.50

17.50

22.00

12

+ve Moment

8.00

0.00

8.00

Shear

2.50

1.75

4.25

-ve Moment

10.10

17.50

27.60

13

+ve Moment

18.00

0.00

18.00

Shear

3.75

1.17

4.92

-ve Moment

6.50

17.50

24.00

14

+ve Moment

11.50

0.00

11.50

Shear

3.00

1.46

4.46

Table 11.2: Girders Combined Approximate Vertical and Horizontal Loads

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

Chapter 12

KINEMATIC
INDETERMINANCY; STIFFNESS
METHOD

12.1

Introduction

12.1.1

Stiffness vs Flexibility

1

There are two classes of structural analysis methods, Table

12.1

:

Flexibility:

where the primary unknown is a force, where equations of equilibrium are the

starting point, static indeterminancy occurs if there are more unknowns than equations,
and displacements of the entire structure (usually from virtual work) are used to write an
equation of compatibility of displacements in order to solve for the redundant forces.

Stiffness:

method is the counterpart of the flexibility one. Primary unknowns are displace-

ments, and we start from expressions for the forces written in terms of the displacements
(at the element level) and then apply the equations of equilibrium. The structure is con-
sidered to be

kinematically indeterminate

to the

n

th degree where

n

is the total number

of independent displacements. From the displacements, we then compute the internal
forces.

Flexibility

Stiffness

Primary Variable (d.o.f.)

Forces

Displacements

Indeterminancy

Static

Kinematic

Force-Displacement

Displacement(Force)/Structure

Force(Displacement)/Element

Governing Relations

Compatibility of displacement

Equilibrium

Methods of analysis

“Consistent Deformationâ€

Slope Deflection; Moment Distribution

Table 12.1: Stiffness vs Flexibility Methods

2

In the flexibility method, we started by releasing as many redundant forces as possible in

order to render the structure

statically determinate

, and this made it quite flexible. We then

background image

Draft

12.2 Degrees of Freedom

255

Figure 12.2: Independent Displacements

Type

Node 1

Node 2

1 Dimensional

{

p

}

F

y

1

,

M

z

2

F

y

3

,

M

z

4

Beam

{

δ

}

v

1

,

θ

2

v

3

,

θ

4

2 Dimensional

{

p

}

F

x

1

F

x

2

Truss

{

δ

}

u

1

u

2

{

p

}

F

x

1

,

F

y

2

,

M

z

3

F

x

4

,

F

y

5

,

M

z

6

Frame

{

δ

}

u

1

,

v

2

,

θ

3

u

4

,

v

5

,

θ

6

3 Dimensional

{

p

}

F

x

1

,

F

x

2

Truss

{

δ

}

u

1

,

u

2

{

p

}

F

x

1

,

F

y

2

,

F

y

3

,

F

x

7

,

F

y

8

,

F

y

9

,

T

x

4

M

y

5

,

M

z

6

T

x

10

M

y

11

,

M

z

12

Frame

{

δ

}

u

1

,

v

2

,

w

3

,

u

7

,

v

8

,

w

9

,

θ

4

,

θ

5

θ

6

θ

10

,

θ

11

θ

12

Table 12.2: Degrees of Freedom of Different Structure Types Systems

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

12.3 Kinematic Relations

257

12.2.1

Methods of Analysis

12

There are three methods for the stiffness based analysis of a structure

Slope Deflection:

(Mohr, 1892) Which results in a system of

n

linear equations with

n

un-

knowns, where

n

is the degree of kinematic indeterminancy (i.e. total number of inde-

pendent displacements/rotation).

Moment Distribution:

(Cross, 1930) which is an iterative method to solve for the

n

dis-

placements and corresponding internal forces in flexural structures.

Direct Stiffness method:

(Ëœ1960) which is a formal statement of the stiffness method and

cast in matrix form is by far the most powerful method of structural analysis.

The first two methods lend themselves to hand calculation, and the third to a computer based
analysis.

12.3

Kinematic Relations

12.3.1

Force-Displacement Relations

13

Whereas in the flexibility method we sought to obtain a displacement in terms of the forces

(through virtual work) for an entire structure, our starting point in the stiffness method is to
develop a set of relationship for the

force in terms of the displacements for a single element

.


















V

1

M

1

V

2

M

2


















=











− âˆ’ âˆ’ âˆ’
− âˆ’ âˆ’ âˆ’
− âˆ’ âˆ’ âˆ’
− âˆ’ âˆ’ âˆ’




























v

1

θ

1

v

2

θ

2


















(12.1)

14

We start from the differential equation of a beam, Fig.

12.4

in which we have all positive

known displacements, we have from strength of materials

M

=

−

EI

d

2

v

dx

2

=

M

1

−

V

1

x

+

m

(

x

)

(12.2)

where

m

(

x

) is the moment applied due to the applied load only. It is positive when counter-

clockwise.

15

Integrating twice

−

EIv

0

=

M

1

x

−

1
2

V

1

x

2

+

f

(

x

) +

C

1

(12.3)

−

EIv

=

1
2

M

1

x

2

−

1
6

V

1

x

3

+

g

(

x

) +

C

1

x

+

C

2

(12.4)

where

f

(

x

) =

R

m

(

x

)

dx

, and

g

(

x

) =

R

f

(

x

)

dx

.

16

Applying the boundary conditions at

x

= 0

v

0

=

θ

1

v

=

v

1

)

⇒

(

C

1

=

−

EIθ

1

C

2

=

−

EIv

1

(12.5)

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

12.5 Moment Distribution; Indirect Solution

277

Example 12-7: Continuous Beam, Initial Settlement, (Kinney 1957)

For the following beam find the moments at

A, B,

and

C

by moment distribution. The

support at

C

settles by 0.1 in. Use

E

= 30

,

000 k/in

2

.

Solution:

1. Fixed-end moments: Uniform load:

M

F

AB

=

wL

2

12

=

(5)(20

2

)

12

= +167

k.ft

(12.68-a)

M

F

BA

=

−

167

k.ft

(12.68-b)

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

12.5 Moment Distribution; Indirect Solution

279

Solution:

1. The first step is to perform the usual moment distribution. The reader should fully under-
stand that this balancing operation adjusts the internal moments at the ends of the members
by a series of corrections as the joints are considered to rotate, until Î£

M

= 0 at each joint.

The reader should also realize that

during this balancing operation no translation of any joint

is permitted

.

2. The fixed-end moments are

M

F

BC

=

(18)(12)(6

2

)

18

2

= +24

k.ft

(12.71-a)

M

F

CB

=

(18)(6)(12

2

)

18

2

=

−

48

k.ft

(12.71-b)

3. Moment distribution

Joint

A

B

C

D

Balance

CO

Member

AB

BA

BC

CB

CD

DC

K

10

10

20

20

15

15

DF

0

0.333

0.667

0.571

0.429

0

FEM

+24.0

-48.0

FEM

+

+13.7

?

+27.4

+20.6

-

+10.3

C

DC; BC

-6.3

-12.6

-25.1

-

?

-12.5

QQ

s

B

AB; CB

+

+3.6

?

+7.1

+5.4

-

+2.7

C

BC; DC

-0.6

-1.2

-2.4

-

?

-1.2

QQ

s

B

AB; CB

+

+0.3

?

+0.7

+0.5

-

+0.02

C

BC; DC

-0.1

-0.2

B

Total

-6.9

-13.9

+13.9

-26.5

+26.5

+13.2

4. The

final moments listed in the table are correct only if there is no translation of any joint

.

It is therefore necessary to determine whether or not, with the above moments existing, there
is any tendency for side lurch of the top of the frame.
5. If the frame is divided into three free bodies, the result will be as shown below.

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

12.5 Moment Distribution; Indirect Solution

281

62

Recalling that the fixed end moment is

M

F

= 6

EI

∆

L

2

= 6

EK

m

∆, where

K

m

=

I

L

2

=

K

L

we

can write

∆ =

M

F

AB

6

EK

m

=

M

F

DC

6

EK

m

(12.72-a)

⇒

M

F

AB

M

F

DC

=

K

AB

m

K

DC

m

=

10
15

(12.72-b)

63

These fixed-end moments could, for example, have the values of

−

10 and

−

15

k.ft

or

−

20 and

−

30, or

−

30 and

−

45, or any other combination so long as the above ratio is maintained. The

proper procedure is to choose values for these fixed-end moments of approximately the same
order of magnitude as the original fixed-end moments due to the real loads. This will result in
the same accuracy for the results of the balance for the side-sway correction that was realized
in the first balance for the real loads. Accordingly, it will be assumed that

P

, and the resulting

∆, are of such magnitudes as to result in the fixed-end moments shown below

8. Obviously, Î£

M

= 0 is not satisfied for joints B and C in this deflected frame. Therefore

these joints must rotate until equilibrium is reached. The effect of this rotation is determined
in the distribution below

Joint

A

B

C

D

Balance

CO

Member

AB

BA

BC

CB

CD

DC

K

10

10

20

20

15

15

DF

0

0.333

0.667

0.571

0.429

0

FEM

-30.0

-30.0

+

-45.0

?

-45.0

+

+12.9

?

+25.8

+19.2

-

+9.6

C

BC; DC

+2.8

+5.7

+11.4

-

?

+5.7

QQ

s

B

AB; CB

+

-1.6

?

-3.3

-2.4

-

-1.2

C

BC; DC

+0.2

+0.5

+1.1

-

?

+0.5

QQ

s

B

AB; CB

-0.3

-0.2

-

-0.1

C

Total

-27.0

-23.8

+23.8

+28.4

-28.4

-36.7

9. During the rotation of joints

B

and

C

, as represented by the above distribution,

the value

of

∆

has remained constant, with

P

varying in magnitude as required to maintain

∆.

10. It is now possible to determine the final value of

P

simply by adding the shears in the

columns. The shear in any member, without external loads applied along its length, is obtained
by adding the end moments algebraically and dividing by the length of the member. The final

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

Chapter 13

DIRECT STIFFNESS METHOD

13.1

Introduction

13.1.1

Structural Idealization

1

Prior to analysis, a structure must be idealized for a suitable mathematical representation.

Since it is practically impossible (and most often unnecessary) to model every single detail,
assumptions must be made. Hence, structural idealization is as much an art as a science.

Some

of the questions confronting the analyst include:

1. Two dimensional versus three dimensional; Should we model a single bay of a building,

or the entire structure?

2. Frame or truss, can we neglect flexural stiffness?

3. Rigid or semi-rigid connections (most important in steel structures)

4. Rigid supports or elastic foundations (are the foundations over solid rock, or over clay

which may consolidate over time)

5. Include or not secondary members (such as diagonal braces in a three dimensional anal-

ysis).

6. Include or not axial deformation (can we neglect the axial stiffness of a beam in a build-

ing?)

7. Cross sectional properties (what is the moment of inertia of a reinforced concrete beam?)

8. Neglect or not haunches (those are usually present in zones of high negative moments)

9. Linear or nonlinear analysis (linear analysis can not predict the peak or failure load, and

will underestimate the deformations).

10. Small or large deformations (In the analysis of a high rise building subjected to wind

load, the moments should be amplified by the product of the axial load times the lateral
deformation,

P

−

∆ effects).

11. Time dependent effects (such as creep, which is extremely important in prestressed con-

crete, or cable stayed concrete bridges).

background image

Draft

13.1 Introduction

289

(such as beam element), while element 2 has a code 2 (such as a truss element). Material group
1 would have different elastic/geometric properties than material group 2.

Group

Element

Material

No.

Type

Group

1

1

1

2

2

1

3

1

2

Table 13.3: Example of Group Number

6

From the analysis, we first obtain the nodal displacements, and then the element internal

forces. Those internal forces vary according to the element type. For a two dimensional frame,
those are the axial and shear forces, and moment at each node.

7

Hence, the need to define two coordinate systems (one for the entire structure, and one for

each element), and a sign convention become apparent.

13.1.3

Coordinate Systems

8

We should differentiate between 2 coordinate systems:

Global:

to describe the structure nodal coordinates. This system can be arbitrarily selected

provided it is a Right Hand Side (RHS) one, and we will associate with it upper case axis
labels,

X, Y, Z

, Fig.

13.1

or 1,2,3 (running indeces within a computer program).

Local:

system is associated with each element and is used to describe the element internal

forces. We will associate with it lower case axis labels,

x, y, z

(or 1,2,3), Fig.

13.2

.

9

The

x

-axis is assumed to be along the member, and the direction is chosen such that it points

from the 1st node to the 2nd node, Fig.

13.2

.

10

Two dimensional structures will be defined in the X-Y plane.

13.1.4

Sign Convention

11

The sign convention in structural analysis is completely different than the one previously

adopted in structural analysis/design, Fig.

13.3

(where we focused mostly on flexure and defined

a positive moment as one causing â€œtension belowâ€. This would be awkward to program!).

12

In matrix structural analysis the sign convention adopted is consistent with the prevailing

coordinate system. Hence, we define a positive moment as one which is counter-clockwise, Fig.

13.3

13

Fig.

13.4

illustrates the sign convention associated with each type of element.

14

Fig.

13.4

also shows the geometric (upper left) and elastic material (upper right) properties

associated with each type of element.

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

13.1 Introduction

291

Figure 13.3: Sign Convention, Design and Analysis

Figure 13.4: Total Degrees of Freedom for various Type of Elements

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

13.1 Introduction

293

Type

Node 1

Node 2

[

k

]

[

K

]

(Local)

(Global)

1 Dimensional

{

p

}

F

y

1

,

M

z

2

F

y

3

,

M

z

4

Beam

4

×

4

4

×

4

{

δ

}

v

1

,

θ

2

v

3

,

θ

4

2 Dimensional

{

p

}

F

x

1

F

x

2

Truss

2

×

2

4

×

4

{

δ

}

u

1

u

2

{

p

}

F

x

1

,

F

y

2

,

M

z

3

F

x

4

,

F

y

5

,

M

z

6

Frame

6

×

6

6

×

6

{

δ

}

u

1

,

v

2

,

θ

3

u

4

,

v

5

,

θ

6

{

p

}

T

x

1

,

F

y

2

,

M

z

3

T

x

4

,

F

y

5

,

M

z

6

Grid

6

×

6

6

×

6

{

δ

}

θ

1

,

v

2

,

θ

3

θ

4

,

v

5

,

θ

6

3 Dimensional

{

p

}

F

x

1

,

F

x

2

Truss

2

×

2

6

×

6

{

δ

}

u

1

,

u

2

{

p

}

F

x

1

,

F

y

2

,

F

y

3

,

F

x

7

,

F

y

8

,

F

y

9

,

T

x

4

M

y

5

,

M

z

6

T

x

10

M

y

11

,

M

z

12

Frame

12

×

12

12

×

12

{

δ

}

u

1

,

v

2

,

w

3

,

u

7

,

v

8

,

w

9

,

θ

4

,

θ

5

θ

6

θ

10

,

θ

11

θ

12

Table 13.4: Degrees of Freedom of Different Structure Types Systems

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

13.2 Stiffness Matrices

295

13.2

Stiffness Matrices

13.2.1

Truss Element

22

From strength of materials, the force/displacement relation in axial members is

σ

=

E

Aσ

|{z}

P

=

AE

L

∆

|{z}

1

(13.1)

Hence, for a unit displacement, the applied force should be equal to

AE

L

. From statics, the force

at the other end must be equal and opposite.

23

The truss element (whether in 2D or 3D) has only one degree of freedom associated with

each node. Hence, from Eq.

13.1

we have

[

k

t

] =

AE

L





u

1

u

2

p

1

1

−

1

p

2

−

1

1





(13.2)

13.2.2

Beam Element

24

Using Equations

12.10

,

12.10

,

12.12

and

12.12

we can determine the forces associated with

each unit displacement.

[

k

b

] =











v

1

θ

1

v

2

θ

2

V

1

Eq.

12.12

(

v

1

= 1)

Eq.

12.12

(

θ

1

= 1)

Eq.

12.12

(

v

2

= 1)

Eq.

12.12

(

θ

2

= 1)

M

1

Eq.

12.10

(

v

1

= 1)

Eq.

12.10

(

θ

1

= 1)

Eq.

12.10

(

v

2

= 1)

Eq.

12.10

(

θ

2

= 1)

V

2

Eq.

12.12

(

v

1

= 1)

Eq.

12.12

(

θ

1

= 1)

Eq.

12.12

(

v

2

= 1)

Eq.

12.12

(

θ

2

= 1)

M

2

Eq.

12.10

(

v

1

= 1)

Eq.

12.10

(

θ

1

= 1)

Eq.

12.10

(

v

2

= 1)

Eq.

12.10

(

θ

2

= 1)











(13.3)

25

The stiffness matrix of the beam element (neglecting shear and axial deformation) will thus

be

[

k

b

] =



















v

1

θ

1

v

2

θ

2

V

1

12

EI

z

L

3

6

EI

z

L

2

−

12

EI

z

L

3

6

EI

z

L

2

M

1

6

EI

z

L

2

4

EI

z

L

−

6

EI

z

L

2

2

EI

z

L

V

2

−

12

EI

z

L

3

−

6

EI

z

L

2

12

EI

z

L

3

−

6

EI

z

L

2

M

2

6

EI

z

L

2

2

EI

z

L

−

6

EI

z

L

2

4

EI

z

L



















(13.4)

26

We note that this is identical to Eq.

12.14


















V

1

M

1

V

2

M

2


















=











v

1

θ

1

v

2

θ

2

V

1

12

EI

z

L

3

6

EI

z

L

2

−

12

EI

z

L

3

6

EI

z

L

2

M

1

6

EI

z

L

2

4

EI

z

L

−

6

EI

z

L

2

2

EI

z

L

V

2

−

12

EI

z

L

3

−

6

EI

z

L

2

12

EI

z

L

3

−

6

EI

z

L

2

M

2

6

EI

z

L

2

2

EI

z

L

−

6

EI

z

L

2

4

EI

z

L











|

{z

}

k

(

e

)


















v

1

θ

1

v

2

θ

2


















(13.5)

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

13.3 Direct Stiffness Method

297

Figure 13.7: Problem with 2 Global d.o.f.

θ

1

and

θ

2

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

13.3 Direct Stiffness Method

315

% Solve for the Displacements in meters and radians
Displacements=inv(Ktt)*P’
% Extract Kut
Kut=Kaug(4:9,1:3);
% Compute the Reactions and do not forget to add fixed end actions
Reactions=Kut*Displacements+FEA_Rest’
% Solve for the internal forces and do not forget to include the fixed end actions
dis_global(:,:,1)=[0,0,0,Displacements(1:3)’];
dis_global(:,:,2)=[Displacements(1:3)’,0,0,0];
for elem=1:2

dis_local=Gamma(:,:,elem)*dis_global(:,:,elem)’;
int_forces=k(:,:,elem)*dis_local+fea(1:6,elem)

end

function [k,K,Gamma]=stiff(EE,II,A,i,j)
% Determine the length
L=sqrt((j(2)-i(2))^2+(j(1)-i(1))^2);
% Compute the angle theta (carefull with vertical members!)
if(j(1)-i(1))~=0

alpha=atan((j(2)-i(2))/(j(1)-i(1)));

else

alpha=-pi/2;

end
% form rotation matrix Gamma
Gamma=[
cos(alpha)

sin(alpha)

0

0

0

0;

-sin(alpha) cos(alpha)

0

0

0

0;

0

0

1

0

0

0;

0

0

0

cos(alpha) sin(alpha) 0;

0

0

0 -sin(alpha) cos(alpha) 0;

0

0

0

0

0

1];

% form element stiffness matrix in local coordinate system
EI=EE*II;
EA=EE*A;
k=[EA/L,

0,

0, -EA/L,

0,

0;

0,

12*EI/L^3,

6*EI/L^2,

0, -12*EI/L^3,

6*EI/L^2;

0,

6*EI/L^2,

4*EI/L,

0,

-6*EI/L^2,

2*EI/L;

-EA/L,

0,

0,

EA/L,

0,

0;

0, -12*EI/L^3, -6*EI/L^2,

0,

12*EI/L^3, -6*EI/L^2;

0,

6*EI/L^2,

2*EI/L,

0,

-6*EI/L^2,

4*EI/L];

% Element stiffness matrix in global coordinate system
K=Gamma’*k*Gamma;

This simple proigram will produce the following results:

Displacements =

0.0010

-0.0050

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

13.3 Direct Stiffness Method

317

Figure 13.14: ID Values for Simple Beam

2. The

structure

stiffness matrix is assembled

K

=







1

2

−

3

−

4

1

12

EI/L

2

−

6

EI/L

2

−

12

EI/L

3

−

6

EI/L

2

2

−

6

EI/L

2

4

EI/L

6

EI/L

2

2

EI/L

−

3

−

12

EI/L

3

6

EI/L

2

12

EI/L

3

6

EI/L

2

−

4

−

6

EI/L

2

2

EI/L

6

EI/L

2

4

EI/L







3. The global matrix can be rewritten as










−

P

√

0

√

R

3

?

R

4

?










=







12

EI/L

2

−

6

EI/L

2

−

12

EI/L

3

−

6

EI/L

2

−

6

EI/L

2

4

EI/L

6

EI/L

2

2

EI/L

−

12

EI/L

3

6

EI/L

2

12

EI/L

3

6

EI/L

2

−

6

EI/L

2

2

EI/L

6

EI/L

2

4

EI/L
















∆

1

?

θ

2

?

∆

3

√

θ

4

√










4.

K

tt

is inverted (or actually decomposed) and stored in the same global matrix











L

3

/

3

EI

L

2

/

2

EI

−

12

EI/L

3

−

6

EI/L

2

L

2

/

2

EI

L/EI

6

EI/L

2

2

EI/L

−

12

EI/L

3

6

EI/L

2

12

EI/L

3

6

EI/L

2

−

6

EI/L

2

2

EI/L

6

EI/L

2

4

EI/L











5. Next we compute the equivalent load,

P

0

t

=

P

t

−

K

tu

∆

u

, and overwrite

P

t

by

P

0

t

P

t

−

K

tu

∆

u

=














−

P

0
0
0














−











L

3

/

3

EI

L

2

/

2

EI

−

12

EI/L

3

−

6

EI/L

2

L

2

/

2

EI

L/EI

6

EI/L

2

2

EI/L

−

12

EI/L

3

6

EI/L

2

12

EI/L

3

6

EI/L

2

−

6

EI/L

2

2

EI/L

6

EI/L

2

4

EI/L
























−

P

0
0
0














=














−

P

0
0
0














Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

13.3 Direct Stiffness Method

319

5. We compute the equivalent load,

P

0

t

=

P

t

−

K

tu

∆

u

, and overwrite

P

t

by

P

0

t

P

t

−

K

tu

∆

u

=














0

M

0
0














−











L

3

/

3

EI

−

L/

6

EI

6

EI/L

2

−

6

EI/L

2

−

L/

6

EI

L/

3

EI

6

EI/L

2

−

6

EI/L

2

6

EI/L

2

6

EI/L

2

12

EI/L

3

−

12

EI/L

3

−

6

EI/L

2

−

6

EI/L

2

−

12

EI/L

3

12

EI/L

3
























0

M

0
0














=














0

M

0
0














6. Solve for the displacements,

∆

t

=

K

−

1

tt

P

0

t

, and overwrite

P

t

by

∆

t














θ

1

θ

2

0
0














=











L

3

/

3

EI

−

L/

6

EI

6

EI/L

2

−

6

EI/L

2

−

L/

6

EI

L/

3

EI

6

EI/L

2

−

6

EI/L

2

6

EI/L

2

6

EI/L

2

12

EI/L

3

−

12

EI/L

3

−

6

EI/L

2

−

6

EI/L

2

−

12

EI/L

3

12

EI/L

3
























0

M

0
0














=


















−

M L/

6

EI

M L/

3

EI

0
0


















7. Solve for the reactions,

R

t

=

K

ut

∆

tt

+

K

uu

∆

u

, and overwrite

∆

u

by

R

u














−

M L/

6

EI

M L/

3

EI

R

1

R

2














=











L

3

/

3

EI

−

L/

6

EI

6

EI/L

2

−

6

EI/L

2

−

L/

6

EI

L/

3

EI

6

EI/L

2

−

6

EI/L

2

6

EI/L

2

6

EI/L

2

12

EI/L

3

−

12

EI/L

3

−

6

EI/L

2

−

6

EI/L

2

−

12

EI/L

3

12

EI/L

3




























−

M L/

6

EI

M L/

3

EI

0
0


















=


















−

M L/

6

EI

M L/

3

EI

M/L

−

M/L


















Cantilivered Beam/Initial Displacement and Concentrated Moment

1. The

element

stiffness matrix is

k

=







−

2

−

3

−

4

1

−

2

12

EI/L

3

6

EI/L

2

−

12

EI/L

3

6

EI/L

2

−

3

6

EI/L

2

4

EI/L

−

6

EI/L

2

2

EI/L

−

4

−

12

EI/L

3

−

6

EI/L

2

12

EI/L

3

−

6

EI/L

2

1

6

EI/L

2

2

EI/L

−

6

EI/L

2

4

EI/L







2. The

structure

stiffness matrix is assembled

K

=







1

−

2

−

3

−

4

1

4

EI/L

6

EI/L

2

2

EI/L

−

6

EI/L

2

−

2

6

EI/L

2

12

EI/L

3

6

EI/L

2

−

12

EI/L

3

−

3

2

EI/L

6

EI/L

2

4

EI/L

−

6

EI/L

2

−

4

−

6

EI/L

2

−

12

EI/L

3

−

6

EI/L

2

12

EI/L

3







3. The global matrix can be rewritten as










M

√

R

2

?

R

3

?

R

4

?










=







4

EI/L

6

EI/L

2

2

EI/L

−

6

EI/L

2

6

EI/L

2

12

EI/L

3

6

EI/L

2

−

12

EI/L

3

2

EI/L

6

EI/L

2

4

EI/L

−

6

EI/L

2

−

6

EI/L

2

−

12

EI/L

3

−

6

EI/L

2

12

EI/L

3
















θ

1

?

∆

2

√

θ

3

√

∆

4

√










Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

Chapter 14

DESIGN PHILOSOPHIES of ACI
and AISC CODES

14.1

Safety Provisions

1

Structures and structural members must always be designed to carry some reserve load above

what is expected under normal use. This is to account for

Variability in Resistance:

The

actual

strengths (resistance) of structural elements will dif-

fer from those

assumed

by the designer due to:

1. Variability in the strength of the material (greater variability in concrete strength

than in steel strength).

2. Differences between the actual dimensions and those specified (mostly in placement

of steel rebars in R/C).

3. Effect of simplifying assumptions made in the derivation of certain formulas.

Variability in Loadings:

All loadings are variable. There is a greater variation in the live

loads than in the dead loads. Some types of loadings are very difficult to quantify (wind,
earthquakes).

Consequences of Failure:

The consequence of a structural component failure must be care-

fully assessed. The collapse of a beam is likely to cause a localized failure. Alternatively
the failure of a column is likely to trigger the failure of the whole structure. Alternatively,
the failure of certain components can be preceded by warnings (such as excessive defor-
mation), whereas other are sudden and catastrophic. Finally, if no redistribution of load
is possible (as would be the case in a statically determinate structure), a higher safety
factor must be adopted.

2

The purpose of safety provisions is to limit the

probability of failure

and yet permit

economical structures.

3

The following items must be considered in determining safety provisions:

1. Seriousness of a failure, either to humans or goods.

background image

Draft

14.3 Ultimate Strength Method

351

σ < Ïƒ

all

=

σ

yld

F.S.

(14.1)

where

F.S.

is the factor of safety.

10

Major limitations of this method

1. An elastic analysis can not easily account for creep and shrinkage of concrete.

2. For concrete structures, stresses are not linearly proportional to strain beyond 0

.

45

f

0

c

.

3. Safety factors are not rigorously determined from a probabilistic approach, but are the

result of experience and judgment.

11

Allowable strengths are given in Table

14.1

.

Steel, AISC/ASD

Tension, Gross Area

F

t

= 0

.

6

F

y

Tension, Effective Net Area

∗

F

t

= 0

.

5

F

u

Bending

F

b

= 0

.

66

F

y

Shear

F

v

= 0

.

40

F

y

Concrete, ACI/WSD

Tension

0

Compression

0

.

45

f

0

c

∗

Effective net area will be defined in section

17.2.1.2

.

Table 14.1: Allowable Stresses for Steel and Concrete

14.3

Ultimate Strength Method

14.3.1

The Normal Distribution

12

The normal distribution has been found to be an excellent approximation to a large class of

distributions, and has some very desirable mathematical properties:

1.

f

(

x

) is symmetric with respect to the mean

µ

.

2.

f

(

x

) is a â€œbell curve†with inflection points at

x

=

µ

±

σ

.

3.

f

(

x

) is a valid

probability distribution function

as:

Z

∞

−∞

f

(

x

) = 1

(14.2)

4. The

probability

that

x

min

< x < x

max

is given by:

P

(

x

min

< x < x

max

) =

Z

x

max

x

min

f

(

x

)

dx

(14.3)

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

14.3 Ultimate Strength Method

353

Figure 14.3: Frequency Distributions of Load

Q

and Resistance

R

Failure would occur for negative values of

X

19

The

probability of failure

P

f

is equal to the ratio of the shaded area to the total area

under the curve in Fig.

14.4

.

Figure 14.4: Definition of Reliability Index

20

If

X

is assumed to follow a

Normal Distribution

than it has a mean value

X

=

ln

R
Q

m

and a standard deviation

σ

.

21

We define the

safety index

(or

reliability index

) as

β

=

X

σ

22

For standard distributions and for

β

= 3

.

5, it can be shown that the probability of failure is

P

f

=

1

9

,

091

or 1

.

1

×

10

−

4

. That is 1 in every 10,000 structural members designed with

β

= 3

.

5

will fail because of either excessive load or understrength sometime in its lifetime.

23

Reliability indices are a relative measure of the current condition and provide a qualitative

estimate of the structural performance.

24

Structures with relatively high reliable indices will be expected to perform well. If the value

is too low, then the structure may be classified as a hazard.

25

Target values for

β

are shown in Table

28.2

and in Fig.

28.3

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

Chapter 15

LOADS

15.1

Introduction

1

The main purpose of a structure is to transfer load from one point to another: bridge deck to

pier; slab to beam; beam to girder; girder to column; column to foundation; foundation to soil.

2

There can also be secondary loads such as thermal (in restrained structures), differential

settlement of foundations, P-Delta effects (additional moment caused by the product of the
vertical force and the lateral displacement caused by lateral load in a high rise building).

3

Loads are generally subdivided into two categories

Vertical Loads

or gravity load

1.

dead load

(DL)

2.

live load

(LL)

also included are snow loads.

Lateral Loads

which act horizontally on the structure

1.

Wind load

(WL)

2.

Earthquake load

(EL)

this also includes hydrostatic and earth loads.

4

This distinction is helpful not only to compute a structure’s load, but also to assign different

factor of safety to each one.

5

For a detailed coverage of loads, refer to the Universal Building Code (UBC), (UBC 1995).

15.2

Vertical Loads

6

For closely spaced identical loads (such as joist loads), it is customary to treat them as a

uniformly distributed load rather than as discrete loads, Fig.

15.1

background image

Draft

15.2 Vertical Loads

361

Material

lb

/

ft

2

Ceilings

Channel suspended system

1

Acoustical fiber tile

1

Floors

Steel deck

2-10

Concrete-plain 1 in.

12

Linoleum 1/4 in.

1

Hardwood

4

Roofs

Copper or tin

1-5

5 ply felt and gravel

6

Shingles asphalt

3

Clay tiles

9-14

Sheathing wood

3

Insulation 1 in. poured in place

2

Partitions

Clay tile 3 in.

17

Clay tile 10 in.

40

Gypsum Block 5 in.

14

Wood studs 2x4 (12-16 in. o.c.)

2

Plaster 1 in. cement

10

Plaster 1 in. gypsum

5

Walls

Bricks 4 in.

40

Bricks 12 in.

120

Hollow concrete block (heavy aggregate)
4 in.

30

8 in.

55

12 in.

80

Hollow concrete block (light aggregate)
4 in.

21

8 in.

38

12 in.

55

Table 15.2: Weights of Building Materials

Material

lb

/

ft

2

Timber

40-50

Steel

50-80

Reinforced concrete

100-150

Table 15.3: Average Gross Dead Load in Buildings

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

15.3 Lateral Loads

363

Floor

Roof

10

9

8

7

6

5

4

3

2

Total

Cumulative R (%)

8.48

16.96

25.44

33.92

42.4

51.32

59.8

60

60

60

Cumulative LL

20

80

80

80

80

80

80

80

80

80

740

Cumulative R

×

LL

18.3

66.4

59.6

52.9

46.08

38.9

32.2

32

32

32

410

The resulting design live load for the bottom column has been reduced from 740 Kips to

410 Kips .

5. The total dead load is

DL

= (10)(60) = 600 Kips, thus the total reduction in load is

740

−

410

740+600

×

100= 25% .

15.2.3

Snow

19

Roof snow load vary greatly depending on

geographic location and elevation

. They

range from 20 to 45 psf, Fig.

15.2

.

            

Figure 15.2: Snow Map of the United States, ubc

20

Snow loads are always given on the projected length or area on a slope, Fig.

15.3

.

21

The steeper the roof, the lower the snow retention. For snow loads greater than 20 psf and

roof pitches

α

more than 20

â—¦

the snow load

p

may be reduced by

R

= (

α

−

20)

p

40

−

0

.

5

(psf)

(15.2)

22

Other examples of loads acting on inclined surfaces are shown in Fig.

15.4

.

15.3

Lateral Loads

15.3.1

Wind

23

Wind load depend on:

velocity of the wind, shape of the building, height, geograph-

ical location, texture of the building surface and stiffness of the structure

.

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

Chapter 16

STRUCTURAL MATERIALS

1

Proper understanding of structural materials is essential to both structural analysis and to

structural design.

2

Characteristics of the most commonly used structural materials will be highlighted.

16.1

Steel

16.1.1

Structural Steel

3

Steel is an

alloy

of iron and carbon. Its properties can be greatly varied by altering the

carbon content (always less than 0.5%) or by adding other elements such as silicon, nickel,
manganese and copper.

4

Practically all grades of steel have a Young Modulus equal to

29,000 ksi

, density of 490

lb/cu ft, and a coefficient of thermal expansion equal to 0

.

65

×

10

−

5

/deg F.

5

The yield stress of steel can vary from 40 ksi to 250 ksi. Most commonly used structural steel

are

A36

(

σ

yld

= 36 ksi) and A572 (

σ

yld

= 50 ksi), Fig.

16.6

6

Structural steel can be rolled into a wide variety of shapes and sizes. Usually the most

desirable members are those which have a large section moduli (

S

) in proportion to their area

(

A

), Fig.

16.2

.

7

Steel can be bolted, riveted or welded.

8

Sections are designated by the shape of their cross section, their depth and their weight. For

example W 27

×

114 is a W section, 27 in. deep weighing 114 lb/ft.

9

Common sections are:

S

sections were the first ones rolled in America and have a slope on their inside flange surfaces

of 1 to 6.

W

or wide flange sections have a much smaller inner slope which facilitates connections and

rivetting. W sections constitute about 50% of the tonnage of rolled structural steel.

C

are channel sections

MC

Miscellaneous channel which can not be classified as a C shape by dimensions.

background image

Draft

16.1 Steel

389

HP

is a bearing pile section.

M

is a miscellaneous section.

L

are angle sections which may have equal or unequal sides.

WT

is a T section cut from a W section in two.

Properties of structural steel are tabulated in Table

16.1

.

ASTM
Desig.

Shapes Available

Use

σ

y

(ksi)

σ

u

(ksi)

A36

Shapes and bars

Riveted,

bolted,

welded; Buildings and
bridges

36 up through 8 in.

(32

above 8.)

A500

Cold formed welded and
seamless sections;

General

structural

purpose

Riveted,

welded or bolted;

Grade A: 33; Grade B: 42;
Grade C: 46

A501

Hot formed welded and
seamless sections;

Bolted and welded

36

A529

Plates and bars

1
2

in and

less thick;

Building frames and
trusses;

Bolted and

welded

42

A606

Hot and cold rolled sheets;

Atmospheric corrosion
resistant

45-50

A611

Cold rolled sheet in cut
lengths

Cold formed sections

Grade C 33; Grade D 40;
Grade E 80

A 709

Structural shapes, plates
and bars

Bridges

Grade 36: 36 (to 4 in.);
Grade 50: 50; Grade 100:
100 (to 2.5in.) and 90 (over
2.5 to 4 in.)

Table 16.1: Properties of Major Structural Steels

10

Rolled sections, Fig.

16.3

and welded ones, Fig

16.4

have

residual stresses

. Those originate

during the rolling or fabrication of a member. The member is hot just after rolling or welding,
it cools unevenly because of varying exposure. The area that cool first become stiffer, resist
contraction, and develop compressive stresses. The remaining regions continue to cool and
contract in the plastic condition and develop tensile stresses.

11

Due to those residual stresses, the stress-strain curve of a rolled section exhibits a non-linear

segment prior to the theoretical yielding, Fig.

16.5

This would have important implications

on the flexural and axial strength of beams and columns.

16.1.2

Reinforcing Steel

12

Steel is also used as reinforcing bars in concrete, Table

16.2

Those bars have a deformation

on their surface to increase the bond with concrete, and usually have a yield stress of 60 ksi

1

.

1

Stirrups which are used as vertical reinforcement to resist shear usually have a yield stress of only 40 ksi.

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

16.1 Steel

391

.

.

.

Maximum

residual

compressive

stress

no residual stress

Ideal coupon containing

Members with

residual stress

F

F

y

p

2

1

3

1

2

3

Average copressive strain

Average stress  P/A

Shaded portion indicates area
which has achieved a stress F

y

Figure 16.5: Influence of Residual Stress on Average Stress-Strain Curve of a Rolled Section

Bar Designation

Diameter

Area

Perimeter

Weight

(in.)

(

in

2

)

in

lb/ft

No. 2

2/8=0.250

0.05

0.79

0.167

No. 3

3/8=0.375

0.11

1.18

0.376

No. 4

4/8=0.500

0.20

1.57

0.668

No. 5

5/8=0.625

0.31

1.96

1.043

No. 6

6/8=0.750

0.44

2.36

1.5202

No. 7

7/8=0.875

0.60

2.75

2.044

No. 8

8/8=1.000

0.79

3.14

2.670

No. 9

9/8=1.128

1.00

3.54

3.400

No. 10

10/8=1.270

1.27

3.99

4.303

No. 11

11/8=1.410

1.56

4.43

5.313

No. 14

14/8=1.693

2.25

5.32

7.650

No. 18

18/8=2.257

4.00

7.09

13.60

Table 16.2: Properties of Reinforcing Bars

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

16.3 Concrete

393

or

E

= 33

γ

1

.

5

q

f

0

c

(16.2)

where both

f

0

c

and

E

are in psi and

γ

is in

lbs

/

ft

3

.

24

Typical concrete (compressive) strengths range from 3,000 to 6,000 psi; However

high

strength concrete

can go up to 14,000 psi.

25

All concrete fail at an ultimate strain of 0.003, Fig.

16.6

.

Figure 16.6: Concrete Stress-Strain curve

26

Pre-peak nonlinearity is caused by micro-cracking Fig.

16.7

.

ε

u

f’

c

.5f’

c

linear

non-linear

Figure 16.7: Concrete microcracking

27

The tensile strength of concrete

f

0

t

is about 10% of the compressive strength.

28

Density of normal weight concrete is 145

lbs

/

ft

3

and 100

lbs

/

ft

3

for lightweight concrete.

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

16.6 Steel Section Properties

401

Designation

A

d

t

w

b

f

t

f

bf

2

tf

hc

tw

I

x

S

x

r

x

I

y

S

y

r

y

Z

x

Z

y

J

in

2

in

in

in

in

in

4

in

3

in

in

4

in

3

in

in

3

in

3

in

4

WT 8.x 50.

14.7

8.48

0.585

10.425

0.985

0

12.1

76.8

11.4

2.28

93.10

17.90

2.51

20.70

27.40

3.85

WT 8.x 45.

13.1

8.38

0.525

10.365

0.875

0

13.5

67.2

10.1

2.27

81.30

15.70

2.49

18.10

24.00

2.72

WT 8.x 39.

11.3

8.26

0.455

10.295

0.760

0

15.6

56.9

8.6

2.24

69.20

13.40

2.47

15.30

20.50

1.78

WT 8.x 34.

9.8

8.16

0.395

10.235

0.665

0

18.0

48.6

7.4

2.22

59.50

11.60

2.46

13.00

17.70

1.19

WT 8.x 29.

8.4

8.22

0.430

7.120

0.715

0

16.5

48.7

7.8

2.41

21.60

6.06

1.60

13.80

9.43

1.10

WT 8.x 25.

7.4

8.13

0.380

7.070

0.630

0

18.7

42.3

6.8

2.40

18.60

5.26

1.59

12.00

8.16

0.76

WT 8.x 23.

6.6

8.06

0.345

7.035

0.565

0

20.6

37.8

6.1

2.39

16.40

4.67

1.57

10.80

7.23

0.65

WT 8.x 20.

5.9

8.01

0.305

6.995

0.505

0

23.3

33.1

5.3

2.37

14.40

4.12

1.57

9.43

6.37

0.40

WT 8.x 18.

5.3

7.93

0.295

6.985

0.430

0

24.1

30.6

5.1

2.41

12.20

3.50

1.52

8.93

5.42

0.27

WT 8.x 16.

4.6

7.94

0.275

5.525

0.440

0

25.8

27.4

4.6

2.45

6.20

2.24

1.17

8.27

3.52

0.23

WT 8.x 13.

3.8

7.84

0.250

5.500

0.345

0

28.4

23.5

4.1

2.47

4.80

1.74

1.12

8.12

2.74

0.13

WT 7.x365.

107.0

11.21

3.070

17.890

4.910

0

1.9

739.0

95.4

2.62

2360.00

264.00

4.69

211.00

408.00

714.00

WT 7.x333.

97.8

10.82

2.830

17.650

4.520

0

2.0

622.0

82.1

2.52

2080.00

236.00

4.62

182.00

365.00

555.00

WT 7.x303.

88.9

10.46

2.595

17.415

4.160

0

2.2

524.0

70.6

2.43

1840.00

211.00

4.55

157.00

326.00

430.00

WT 7.x275.

80.9

10.12

2.380

17.200

3.820

0

2.4

442.0

60.9

2.34

1630.00

189.00

4.49

136.00

292.00

331.00

WT 7.x250.

73.5

9.80

2.190

17.010

3.500

0

2.6

375.0

52.7

2.26

1440.00

169.00

4.43

117.00

261.00

255.00

WT 7.x228.

66.9

9.51

2.015

16.835

3.210

0

2.8

321.0

45.9

2.19

1280.00

152.00

4.38

102.00

234.00

196.00

WT 7.x213.

62.6

9.34

1.875

16.695

3.035

0

3.0

287.0

41.4

2.14

1180.00

141.00

4.34

91.70

217.00

164.00

WT 7.x199.

58.5

9.15

1.770

16.590

2.845

0

3.2

257.0

37.6

2.10

1090.00

131.00

4.31

82.90

201.00

135.00

WT 7.x185.

54.4

8.96

1.655

16.475

2.660

0

3.4

229.0

33.9

2.05

994.00

121.00

4.27

74.40

185.00

110.00

WT 7.x171.

50.3

8.77

1.540

16.360

2.470

0

3.7

203.0

30.4

2.01

903.00

110.00

4.24

66.20

169.00

88.30

WT 7.x156.

45.7

8.56

1.410

16.230

2.260

0

4.0

176.0

26.7

1.96

807.00

99.40

4.20

57.70

152.00

67.50

WT 7.x142.

41.6

8.37

1.290

16.110

2.070

0

4.4

153.0

23.5

1.92

722.00

89.70

4.17

50.40

137.00

51.80

WT 7.x129.

37.8

8.19

1.175

15.995

1.890

0

4.9

133.0

20.7

1.88

645.00

80.70

4.13

43.90

123.00

39.30

WT 7.x117.

34.2

8.02

1.070

15.890

1.720

0

5.3

116.0

18.2

1.84

576.00

72.50

4.10

38.20

110.00

29.60

WT 7.x106.

31.0

7.86

0.980

15.800

1.560

0

5.8

102.0

16.2

1.81

513.00

65.00

4.07

33.40

99.00

22.20

WT 7.x 97.

28.4

7.74

0.890

15.710

1.440

0

6.4

89.8

14.4

1.78

466.00

59.30

4.05

29.40

90.20

17.30

WT 7.x 88.

25.9

7.61

0.830

15.650

1.310

0

6.9

80.5

13.0

1.76

419.00

53.50

4.02

26.30

81.40

13.20

WT 7.x 80.

23.4

7.49

0.745

15.565

1.190

0

7.7

70.2

11.4

1.73

374.00

48.10

4.00

22.80

73.00

9.84

WT 7.x 73.

21.3

7.39

0.680

15.500

1.090

0

8.4

62.5

10.2

1.71

338.00

43.70

3.98

20.20

66.30

7.56

WT 7.x 66.

19.4

7.33

0.645

14.725

1.030

0

8.8

57.8

9.6

1.73

274.00

37.20

3.76

18.60

56.60

6.13

WT 7.x 60.

17.7

7.24

0.590

14.670

0.940

0

9.7

51.7

8.6

1.71

247.00

33.70

3.74

16.50

51.20

4.67

WT 7.x 55.

16.0

7.16

0.525

14.605

0.860

0

10.9

45.3

7.6

1.68

223.00

30.60

3.73

14.40

46.40

3.55

WT 7.x 50.

14.6

7.08

0.485

14.565

0.780

0

11.8

40.9

6.9

1.67

201.00

27.60

3.71

12.90

41.80

2.68

WT 7.x 45.

13.2

7.01

0.440

14.520

0.710

0

13.0

36.4

6.2

1.66

181.00

25.00

3.70

11.50

37.80

2.03

WT 7.x 41.

12.0

7.16

0.510

10.130

0.855

0

11.2

41.2

7.1

1.85

74.20

14.60

2.48

13.20

22.40

2.53

WT 7.x 37.

10.9

7.09

0.450

10.070

0.785

0

12.7

36.0

6.3

1.82

66.90

13.30

2.48

11.50

20.30

1.94

WT 7.x 34.

10.0

7.02

0.415

10.035

0.720

0

13.7

32.6

5.7

1.81

60.70

12.10

2.46

10.40

18.50

1.51

WT 7.x 31.

9.0

6.95

0.375

9.995

0.645

0

15.2

28.9

5.1

1.80

53.70

10.70

2.45

9.16

16.40

1.10

WT 7.x 27.

7.8

6.96

0.370

8.060

0.660

0

15.4

27.6

4.9

1.88

28.80

7.16

1.92

8.87

11.00

0.97

WT 7.x 24.

7.1

6.89

0.340

8.030

0.595

0

16.8

24.9

4.5

1.87

25.70

6.40

1.91

8.00

9.82

0.73

WT 7.x 22.

6.3

6.83

0.305

7.995

0.530

0

18.7

21.9

4.0

1.86

22.60

5.65

1.89

7.05

8.66

0.52

WT 7.x 19.

5.6

7.05

0.310

6.770

0.515

0

19.8

23.3

4.2

2.04

13.30

3.94

1.55

7.45

6.07

0.40

WT 7.x 17.

5.0

6.99

0.285

6.745

0.455

0

21.5

20.9

3.8

2.04

11.70

3.45

1.53

6.74

5.32

0.28

WT 7.x 15.

4.4

6.92

0.270

6.730

0.385

0

22.7

19.0

3.5

2.07

9.79

2.91

1.49

6.25

4.49

0.19

WT 7.x 13.

3.8

6.95

0.255

5.025

0.420

0

24.1

17.3

3.3

2.12

4.45

1.77

1.08

5.89

2.77

0.18

WT 7.x 11.

3.3

6.87

0.230

5.000

0.335

0

26.7

14.8

2.9

2.14

3.50

1.40

1.04

5.20

2.19

0.10

WT 6.x168.

49.4

8.41

1.775

13.385

2.955

0

2.7

190.0

31.2

1.96

593.00

88.60

3.47

68.40

137.00

120.00

WT 6.x153.

44.8

8.16

1.625

13.235

2.705

0

3.0

162.0

27.0

1.90

525.00

79.30

3.42

59.10

122.00

92.00

WT 6.x140.

41.0

7.93

1.530

13.140

2.470

0

3.2

141.0

24.1

1.86

469.00

71.30

3.38

51.90

110.00

70.90

WT 6.x126.

37.0

7.70

1.395

13.005

2.250

0

3.5

121.0

20.9

1.81

414.00

63.60

3.34

44.80

97.90

53.50

WT 6.x115.

33.9

7.53

1.285

12.895

2.070

0

3.8

106.0

18.5

1.77

371.00

57.50

3.31

39.40

88.40

41.60

WT 6.x105.

30.9

7.36

1.180

12.790

1.900

0

4.1

92.1

16.4

1.73

332.00

51.90

3.28

34.50

79.70

32.20

WT 6.x 95.

27.9

7.19

1.060

12.670

1.735

0

4.6

79.0

14.2

1.68

295.00

46.50

3.25

29.80

71.30

24.40

WT 6.x 85.

25.0

7.01

0.960

12.570

1.560

0

5.1

67.8

12.3

1.65

259.00

41.20

3.22

25.60

63.00

17.70

WT 6.x 76.

22.4

6.86

0.870

12.480

1.400

0

5.6

58.5

10.8

1.62

227.00

36.40

3.19

22.00

55.60

12.80

WT 6.x 68.

20.0

6.70

0.790

12.400

1.250

0

6.1

50.6

9.5

1.59

199.00

32.10

3.16

19.00

49.00

9.22

WT 6.x 60.

17.6

6.56

0.710

12.320

1.105

0

6.8

43.4

8.2

1.57

172.00

28.00

3.13

16.20

42.70

6.43

WT 6.x 53.

15.6

6.45

0.610

12.220

0.990

0

8.0

36.3

6.9

1.53

151.00

24.70

3.11

13.60

37.50

4.55

WT 6.x 48.

14.1

6.36

0.550

12.160

0.900

0

8.8

32.0

6.1

1.51

135.00

22.20

3.09

11.90

33.70

3.42

WT 6.x 44.

12.8

6.26

0.515

12.125

0.810

0

9.4

28.9

5.6

1.50

120.00

19.90

3.07

10.70

30.20

2.54

WT 6.x 40.

11.6

6.19

0.470

12.080

0.735

0

10.3

25.8

5.0

1.49

108.00

17.90

3.05

9.49

27.20

1.92

WT 6.x 36.

10.6

6.13

0.430

12.040

0.670

0

11.3

23.2

4.5

1.48

97.50

16.20

3.04

8.48

24.60

1.46

WT 6.x 33.

9.5

6.06

0.390

12.000

0.605

0

12.4

20.6

4.1

1.47

87.20

14.50

3.02

7.50

22.00

1.09

WT 6.x 29.

8.5

6.09

0.360

10.010

0.640

0

13.5

19.1

3.8

1.50

53.50

10.70

2.51

6.97

16.30

1.05

WT 6.x 27.

7.8

6.03

0.345

9.995

0.575

0

14.1

17.7

3.5

1.51

47.90

9.58

2.48

6.46

14.60

0.79

WT 6.x 25.

7.3

6.09

0.370

8.080

0.640

0

13.1

18.7

3.8

1.60

28.20

6.97

1.96

6.90

10.70

0.89

WT 6.x 23.

6.6

6.03

0.335

8.045

0.575

0

14.5

16.6

3.4

1.58

25.00

6.21

1.94

6.12

9.50

0.66

WT 6.x 20.

5.9

5.97

0.295

8.005

0.515

0

16.5

14.4

3.0

1.57

22.00

5.51

1.93

5.30

8.41

0.48

WT 6.x 18.

5.2

6.25

0.300

6.560

0.520

0

18.1

16.0

3.2

1.76

12.20

3.73

1.54

5.71

5.73

0.37

WT 6.x 15.

4.4

6.17

0.260

6.520

0.440

0

20.9

13.5

2.8

1.75

10.20

3.12

1.52

4.83

4.78

0.23

WT 6.x 13.

3.8

6.11

0.230

6.490

0.380

0

23.6

11.7

2.4

1.75

8.66

2.67

1.51

4.20

4.08

0.15

WT 6.x 11.

3.2

6.16

0.260

4.030

0.425

0

20.9

11.7

2.6

1.90

2.33

1.16

0.85

4.63

1.83

0.15

WT 6.x 10.

2.8

6.08

0.235

4.005

0.350

0

23.1

10.1

2.3

1.90

1.88

0.94

0.82

4.11

1.49

0.09

WT 6.x 8.

2.4

5.99

0.220

3.990

0.265

0

24.7

8.7

2.0

1.92

1.41

0.71

0.77

3.72

1.13

0.05

WT 6.x 7.

2.1

5.95

0.200

3.970

0.225

0

27.2

7.7

1.8

1.92

1.18

0.59

0.75

3.32

0.95

0.04

WT 5.x 56.

16.5

5.68

0.755

10.415

1.250

0

5.2

28.6

6.4

1.32

118.00

22.60

2.68

13.40

34.60

7.50

WT 5.x 50.

14.7

5.55

0.680

10.340

1.120

0

5.8

24.5

5.6

1.29

103.00

20.00

2.65

11.40

30.50

5.41

WT 5.x 44.

12.9

5.42

0.605

10.265

0.990

0

6.5

20.8

4.8

1.27

89.30

17.40

2.63

9.65

26.50

3.75

WT 5.x 39.

11.3

5.30

0.530

10.190

0.870

0

7.4

17.4

4.0

1.24

76.80

15.10

2.60

8.06

22.90

2.55

WT 5.x 34.

10.0

5.20

0.470

10.130

0.770

0

8.4

14.9

3.5

1.22

66.80

13.20

2.59

6.85

20.00

1.78

WT 5.x 30.

8.8

5.11

0.420

10.080

0.680

0

9.4

12.9

3.0

1.21

58.10

11.50

2.57

5.87

17.50

1.23

WT 5.x 27.

7.9

5.05

0.370

10.030

0.615

0

10.6

11.1

2.6

1.19

51.70

10.30

2.56

5.05

15.70

0.91

WT 5.x 25.

7.2

4.99

0.340

10.000

0.560

0

11.6

10.0

2.4

1.18

46.70

9.34

2.54

4.52

14.20

0.69

WT 5.x 23.

6.6

5.05

0.350

8.020

0.620

0

11.2

10.2

2.5

1.24

26.70

6.65

2.01

4.65

10.10

0.75

WT 5.x 20.

5.7

4.96

0.315

7.985

0.530

0

12.5

8.8

2.2

1.24

22.50

5.64

1.98

3.99

8.59

0.49

WT 5.x 17.

4.8

4.86

0.290

7.960

0.435

0

13.6

7.7

1.9

1.26

18.30

4.60

1.94

3.48

7.01

0.29

WT 5.x 15.

4.4

5.24

0.300

5.810

0.510

0

14.8

9.3

2.2

1.45

8.35

2.87

1.37

4.01

4.42

0.31

WT 5.x 13.

3.8

5.16

0.260

5.770

0.440

0

17.0

7.9

1.9

1.44

7.05

2.44

1.36

3.39

3.75

0.20

WT 5.x 11.

3.2

5.09

0.240

5.750

0.360

0

18.4

6.9

1.7

1.46

5.71

1.99

1.33

3.02

3.05

0.12

WT 5.x 10.

2.8

5.12

0.250

4.020

0.395

0

17.7

6.7

1.7

1.54

2.15

1.07

0.87

3.10

1.68

0.12

WT 5.x 9.

2.5

5.05

0.240

4.010

0.330

0

18.4

6.1

1.6

1.56

1.78

0.89

0.84

2.90

1.40

0.08

WT 5.x 8.

2.2

4.99

0.230

4.000

0.270

0

19.2

5.4

1.5

1.57

1.45

0.72

0.81

3.03

1.15

0.05

WT 5.x 6.

1.8

4.93

0.190

3.960

0.210

0

23.3

4.3

1.2

1.57

1.09

0.55

0.79

2.50

0.87

0.03

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

17.2 Geometric Considerations

411

HIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIH

HIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIH

HIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIH

HIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIH

HIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIH

HIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIH

HIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIH

HIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIH

HIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIH

HIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIH

HIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIH

HIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIH

HIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIH

HIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIH

HIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIH

HIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIH

HIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIH

HIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIH

HIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIH

HIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIH

HIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIH

HIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIH

HIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIH

HIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIH

HIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIHIH

JIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJ

JIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJ

JIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJ

JIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJ

JIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJ

JIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJ

JIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJ

JIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJ

JIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJ

JIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJ

JIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJ

JIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJ

JIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJ

JIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJ

JIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJ

JIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJ

JIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJ

JIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJ

JIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJ

JIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJ

JIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJ

JIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJ

JIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJ

JIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJ

JIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJ

KIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIK

KIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIK

KIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIK

KIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIK

KIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIK

KIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIK

KIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIK

KIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIK

KIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIK

KIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIK

KIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIK

KIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIK

KIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIK

KIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIK

KIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIK

KIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIK

KIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIK

KIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIK

KIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIK

KIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIK

KIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIK

KIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIK

KIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIKIK

LILILILILILILILILILILILILILILILILILILILILILIL

LILILILILILILILILILILILILILILILILILILILILILIL

LILILILILILILILILILILILILILILILILILILILILILIL

LILILILILILILILILILILILILILILILILILILILILILIL

LILILILILILILILILILILILILILILILILILILILILILIL

LILILILILILILILILILILILILILILILILILILILILILIL

LILILILILILILILILILILILILILILILILILILILILILIL

LILILILILILILILILILILILILILILILILILILILILILIL

LILILILILILILILILILILILILILILILILILILILILILIL

LILILILILILILILILILILILILILILILILILILILILILIL

LILILILILILILILILILILILILILILILILILILILILILIL

LILILILILILILILILILILILILILILILILILILILILILIL

LILILILILILILILILILILILILILILILILILILILILILIL

LILILILILILILILILILILILILILILILILILILILILILIL

LILILILILILILILILILILILILILILILILILILILILILIL

LILILILILILILILILILILILILILILILILILILILILILIL

LILILILILILILILILILILILILILILILILILILILILILIL

LILILILILILILILILILILILILILILILILILILILILILIL

LILILILILILILILILILILILILILILILILILILILILILIL

LILILILILILILILILILILILILILILILILILILILILILIL

LILILILILILILILILILILILILILILILILILILILILILIL

LILILILILILILILILILILILILILILILILILILILILILIL

LILILILILILILILILILILILILILILILILILILILILILIL

Effective hole size

Bolt size

Hole size

D

D + 

D + 

16

1

8

1

Figure 17.2: Hole Sizes

17

Accordingly, for a plate of width

w

and thickness

t

, and with a single hole which accomodates

a bolt of diameter

D

, the net area would be

A

n

=

wt

−

D

+

1
8

t

(17.2)

18

Whenever there is a need for more than two rivets or bolts, the holes are not aligned but

rather

staggered

. Thus there is more than one potential failure line which can be used to

determine the net area.

19

For staggered holes, we define the net are in terms of, Fig.

17.3

,

Figure 17.3: Effect of Staggered Holes on Net Area

pitch

s

, longitudinal center to center spacing between two consecutive holes.

gage

g

, transverse center to center spacing between two adjacent holes.

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

17.2 Geometric Considerations

413

Leg

8

7

6

5

4

3

1
2

3

2

1
2

2

1

3
4

1

1
2

1

3
8

1

1
4

1

g

4

1
2

4

3

1
2

3

2

1
2

2

1

3
4

1

3
8

1

1
8

1

7
8

7
8

3
4

5
8

g

1

3

2

1
2

2

1
4

2

g

2

3

3

2

1
2

1

3
4

Table 17.1: Usual Gage Lengths

g

,

g

1

,

g

2

Solution:

We consider various paths:

A

−

D

:

h

12

−

2

15
16

+

1

16

i

(0

.

25)

= 2

.

50

in

2

(17.5-a)

A

−

B

−

D

:

h

12

−

3

15
16

+

1

16

+

(2

.

125)

2

4(2

.

5)

+

(2

.

125)

2

4(4)

i

(0

.

25) = 2

.

43

in

2

(17.5-b)

A

−

B

−

C

:

h

12

−

3

15
16

+

1

16

+

(2

.

125)

2

4(2

.

5)

+

(1

.

875)

2

4(4)

i

(0

.

25) = 2

.

4

in

2

(17.5-c)

Thus path A-B-C controls.

Example 17-2: Net Area, Angle

Determine the net area

A

n

for the angle shown below if

15
16

in. diameter holes are used.

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

17.2 Geometric Considerations

415

Type of members

Minimum Number

Special

A

e

of Fasteners/line

Requirements

Fastened Rolled Sections

Members having all cross sectional elements

connected to transmit tensile force

1 (or welds)

A

n

W, M, or S shapes with flange widths not less

than 2/3 the depth, and structural tees cut

from these shapes, provided the connection is

to the flanges. Bolted or riveted connections

shall have no fewer than three fasteners per

line in the direction of stress

3 (or welds)

b

d

≥

0

.

67

0

.

9

A

n

W, M, or S not meeting above conditions,

structural tees cut from these shapes and

all other shapes, including built-up cross-

sections. Bolted or riveted connections shall

have no fewer than three fasteners per line in

the direction of stress

3 (or welds)

0

.

85

A

n

Structural tees cut from W, M, or S con-

nected at flanges only

3 (or welds)

b

d

≥

0

.

67

0

.

9

A

n

All members with bolted or riveted connec-

tions having only two fasteners per line in the

direction of stress

2

0

.

75

A

n

Welded Plates

Welds

l >

2

w

A

g

Welds

2

w > l >

1

.

5

w

0

.

87

A

g

Welds

l/w.

1

0

.

75

A

g

b

Flange width;

d

section depth;

l

Weld length;

w

Plate width;

Table 17.2: Effective Net Area

A

e

for Bolted and Welded Connections

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

17.3 LRFD Design of Tension Members

417

where

Φ

t

=

resistance factor relating to tensile strength

T

n

=

nominal strength of a tension member

T

u

=

factored load on a tension member

30

From Table

14.3

Φ

t

is 0.75 and 0.9 for fracture and yielding failure respectively.

17.3.1

Tension Failure

31

The design strength Î¦

t

T

n

is the smaller of that based on, Fig.

17.5

1.

Yielding in the gross section:

We can not allow yielding of the gross section, because

this will result in unacceptable elongation of the entire member.

Φ

t

T

n

= Î¦

t

F

y

A

g

= 0

.

90

F

y

A

g

(17.12)

or

2.

Fracture in the net section:

Yielding is locally allowed, because

A

e

is applicable only

on a small portion of the element. Local excessive elongation is allowed, however fracture
must be prevented. This mode of failure usually occurs if there is insufficient distance
behind the pin.

Φ

t

T

n

= Î¦

t

F

u

A

e

= 0

.

75

F

u

A

e

(17.13)

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o o

o o

o

0.75F A    

0.9F A

0.75F A    

u e

u e

y g

Figure 17.5: Net and Gross Areas

17.3.2

Block Shear Failure

32

For bolted connections,

tearing failure

may occur and control the strength of the tension

member.

33

For instance, with reference to Fig.

17.6

the angle tension member attached to the

gusset

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

Chapter 18

COLUMN STABILITY

18.1

Introduction; Discrete Rigid Bars

18.1.1

Single Bar System

1

Let us begin by considering a rigid bar connected to the support by a spring and axially

loaded at the other end, Fig.

18.1

Taking moments about point

A

:

M

M

M

M

M

M

M

M

M

N

N

N

N

N

N

N

N

N

O

O

O

O

O

O

O

O

O

O

O

O

O

O

O

O

O

O

O

O

O

O

O

O

O

O

O

O

O

O

O

O

O

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

QRQRQRQRQRQ

QRQRQRQRQRQ

QRQRQRQRQRQ

QRQRQRQRQRQ

SRSRSRSRSRS

SRSRSRSRSRS

SRSRSRSRSRS

SRSRSRSRSRS

TRTRTRTRT

TRTRTRTRT

TRTRTRTRT

TRTRTRTRT

TRTRTRTRT

TRTRTRTRT

TRTRTRTRT

TRTRTRTRT

TRTRTRTRT

TRTRTRTRT

TRTRTRTRT

TRTRTRTRT

TRTRTRTRT

TRTRTRTRT

TRTRTRTRT

TRTRTRTRT

TRTRTRTRT

TRTRTRTRT

TRTRTRTRT

TRTRTRTRT

TRTRTRTRT

TRTRTRTRT

TRTRTRTRT

TRTRTRTRT

TRTRTRTRT

TRTRTRTRT

TRTRTRTRT

TRTRTRTRT

TRTRTRTRT

TRTRTRTRT

TRTRTRTRT

TRTRTRTRT

TRTRTRTRT

TRTRTRTRT

TRTRTRTRT

URURURURU

URURURURU

URURURURU

URURURURU

URURURURU

URURURURU

URURURURU

URURURURU

URURURURU

URURURURU

URURURURU

URURURURU

URURURURU

URURURURU

URURURURU

URURURURU

URURURURU

URURURURU

URURURURU

URURURURU

URURURURU

URURURURU

URURURURU

URURURURU

URURURURU

URURURURU

URURURURU

URURURURU

URURURURU

URURURURU

URURURURU

URURURURU

URURURURU

URURURURU

URURURURU

VRVRVRVRV

VRVRVRVRV

VRVRVRVRV

VRVRVRVRV

WRWRWRWRW

WRWRWRWRW

WRWRWRWRW

WRWRWRWRW

P

B

k

A

B

P

∆

θ

A

θ

P

Stable Equilibrium

Neutral Equilibrium

Unstable Equilibrium

(stable)

L

L

k

sin

θ

θ

L

k

XYXYX

XYXYX

XYXYX

ZYZYZ

ZYZYZ

ZYZYZ

[Y[Y[

[Y[Y[

[Y[Y[

\Y\Y\

\Y\Y\

\Y\Y\

]Y]Y]

]Y]Y]

]Y]Y]

^Y^Y^

^Y^Y^

^Y^Y^

Stable

Neutral

Unstable

Figure 18.1: Stability of a Rigid Bar

Σ

M

A

=

P

∆

−

kθ

= 0

(18.1-a)

∆ =

Lθ

for small rotation

(18.1-b)

P Î¸L

−

kθ

= 0

(18.1-c)

(

P

−

k

L

) = 0

(18.1-d)

background image

Draft

18.1 Introduction; Discrete Rigid Bars

439

θ

0

θ

0

θ

0

_`_`_`_`_`_

_`_`_`_`_`_

_`_`_`_`_`_

_`_`_`_`_`_

_`_`_`_`_`_

_`_`_`_`_`_

_`_`_`_`_`_

_`_`_`_`_`_

_`_`_`_`_`_

_`_`_`_`_`_

_`_`_`_`_`_

_`_`_`_`_`_

_`_`_`_`_`_

_`_`_`_`_`_

_`_`_`_`_`_

_`_`_`_`_`_

_`_`_`_`_`_

_`_`_`_`_`_

_`_`_`_`_`_

_`_`_`_`_`_

_`_`_`_`_`_

_`_`_`_`_`_

_`_`_`_`_`_

_`_`_`_`_`_

_`_`_`_`_`_

_`_`_`_`_`_

_`_`_`_`_`_

_`_`_`_`_`_

_`_`_`_`_`_

_`_`_`_`_`_

_`_`_`_`_`_

_`_`_`_`_`_

_`_`_`_`_`_

_`_`_`_`_`_

_`_`_`_`_`_

a`a`a`a`a

a`a`a`a`a

a`a`a`a`a

a`a`a`a`a

a`a`a`a`a

a`a`a`a`a

a`a`a`a`a

a`a`a`a`a

a`a`a`a`a

a`a`a`a`a

a`a`a`a`a

a`a`a`a`a

a`a`a`a`a

a`a`a`a`a

a`a`a`a`a

a`a`a`a`a

a`a`a`a`a

a`a`a`a`a

a`a`a`a`a

a`a`a`a`a

a`a`a`a`a

a`a`a`a`a

a`a`a`a`a

a`a`a`a`a

a`a`a`a`a

a`a`a`a`a

a`a`a`a`a

a`a`a`a`a

a`a`a`a`a

a`a`a`a`a

a`a`a`a`a

a`a`a`a`a

a`a`a`a`a

a`a`a`a`a

a`a`a`a`a

b`b`b`b`b

b`b`b`b`b

b`b`b`b`b

c`c`c`c`c

c`c`c`c`c

c`c`c`c`c

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

L

B

P

∆

θ

A

θ

P

Perfect System

L

(1-

θ

)

L

k

k

k

Figure 18.2: Stability of a Rigid Bar with Initial Imperfection

θ

2

θ

1

k(    -   )

θ

2

θ

1

k(    -   )

θ

1

θ

2

θ

1

efefefe

efefefe

efefefe

efefefe

efefefe

efefefe

efefefe

efefefe

efefefe

efefefe

efefefe

efefefe

efefefe

efefefe

efefefe

efefefe

efefefe

efefefe

efefefe

efefefe

efefefe

efefefe

gfgfgfg

gfgfgfg

gfgfgfg

gfgfgfg

gfgfgfg

gfgfgfg

gfgfgfg

gfgfgfg

gfgfgfg

gfgfgfg

gfgfgfg

gfgfgfg

gfgfgfg

gfgfgfg

gfgfgfg

gfgfgfg

gfgfgfg

gfgfgfg

gfgfgfg

gfgfgfg

gfgfgfg

gfgfgfg

hfhfhfhfhfhfhfh

hfhfhfhfhfhfhfh

hfhfhfhfhfhfhfh

hfhfhfhfhfhfhfh

hfhfhfhfhfhfhfh

hfhfhfhfhfhfhfh

hfhfhfhfhfhfhfh

hfhfhfhfhfhfhfh

hfhfhfhfhfhfhfh

hfhfhfhfhfhfhfh

hfhfhfhfhfhfhfh

hfhfhfhfhfhfhfh

hfhfhfhfhfhfhfh

hfhfhfhfhfhfhfh

hfhfhfhfhfhfhfh

hfhfhfhfhfhfhfh

hfhfhfhfhfhfhfh

hfhfhfhfhfhfhfh

hfhfhfhfhfhfhfh

hfhfhfhfhfhfhfh

hfhfhfhfhfhfhfh

hfhfhfhfhfhfhfh

hfhfhfhfhfhfhfh

ififififififi

ififififififi

ififififififi

ififififififi

ififififififi

ififififififi

ififififififi

ififififififi

ififififififi

ififififififi

ififififififi

ififififififi

ififififififi

ififififififi

ififififififi

ififififififi

ififififififi

ififififififi

ififififififi

ififififififi

ififififififi

ififififififi

ififififififi

1

1.618

jfjfjfj

jfjfjfj

jfjfjfj

jfjfjfj

jfjfjfj

jfjfjfj

jfjfjfj

jfjfjfj

jfjfjfj

jfjfjfj

jfjfjfj

jfjfjfj

jfjfjfj

jfjfjfj

jfjfjfj

jfjfjfj

jfjfjfj

jfjfjfj

jfjfjfj

jfjfjfj

jfjfjfj

jfjfjfj

kfkfkfk

kfkfkfk

kfkfkfk

kfkfkfk

kfkfkfk

kfkfkfk

kfkfkfk

kfkfkfk

kfkfkfk

kfkfkfk

kfkfkfk

kfkfkfk

kfkfkfk

kfkfkfk

kfkfkfk

kfkfkfk

kfkfkfk

kfkfkfk

kfkfkfk

kfkfkfk

kfkfkfk

kfkfkfk

l

l

l

l

l

l

l

l

l

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

nfnfnfnfnfnfn

nfnfnfnfnfnfn

nfnfnfnfnfnfn

nfnfnfnfnfnfn

nfnfnfnfnfnfn

nfnfnfnfnfnfn

nfnfnfnfnfnfn

nfnfnfnfnfnfn

nfnfnfnfnfnfn

nfnfnfnfnfnfn

nfnfnfnfnfnfn

nfnfnfnfnfnfn

nfnfnfnfnfnfn

nfnfnfnfnfnfn

nfnfnfnfnfnfn

nfnfnfnfnfnfn

nfnfnfnfnfnfn

nfnfnfnfnfnfn

nfnfnfnfnfnfn

nfnfnfnfnfnfn

nfnfnfnfnfnfn

nfnfnfnfnfnfn

ofofofofofofo

ofofofofofofo

ofofofofofofo

ofofofofofofo

ofofofofofofo

ofofofofofofo

ofofofofofofo

ofofofofofofo

ofofofofofofo

ofofofofofofo

ofofofofofofo

ofofofofofofo

ofofofofofofo

ofofofofofofo

ofofofofofofo

ofofofofofofo

ofofofofofofo

ofofofofofofo

ofofofofofofo

ofofofofofofo

ofofofofofofo

ofofofofofofo

p

p

p

p

p

p

p

p

p

qfqfqfq

qfqfqfq

qfqfqfq

qfqfqfq

qfqfqfq

qfqfqfq

qfqfqfq

qfqfqfq

qfqfqfq

qfqfqfq

qfqfqfq

qfqfqfq

qfqfqfq

qfqfqfq

qfqfqfq

qfqfqfq

qfqfqfq

qfqfqfq

qfqfqfq

qfqfqfq

qfqfqfq

qfqfqfq

rfrfrfr

rfrfrfr

rfrfrfr

rfrfrfr

rfrfrfr

rfrfrfr

rfrfrfr

rfrfrfr

rfrfrfr

rfrfrfr

rfrfrfr

rfrfrfr

rfrfrfr

rfrfrfr

rfrfrfr

rfrfrfr

rfrfrfr

rfrfrfr

rfrfrfr

rfrfrfr

rfrfrfr

rfrfrfr

sfsfsfs

sfsfsfs

sfsfsfs

sfsfsfs

sfsfsfs

sfsfsfs

sfsfsfs

sfsfsfs

sfsfsfs

sfsfsfs

sfsfsfs

sfsfsfs

sfsfsfs

sfsfsfs

sfsfsfs

sfsfsfs

sfsfsfs

sfsfsfs

sfsfsfs

sfsfsfs

sfsfsfs

sfsfsfs

sfsfsfs

tftftft

tftftft

tftftft

tftftft

tftftft

tftftft

tftftft

tftftft

tftftft

tftftft

tftftft

tftftft

tftftft

tftftft

tftftft

tftftft

tftftft

tftftft

tftftft

tftftft

tftftft

tftftft

tftftft

ufufufufufufu

ufufufufufufu

ufufufufufufu

ufufufufufufu

ufufufufufufu

ufufufufufufu

ufufufufufufu

ufufufufufufu

ufufufufufufu

ufufufufufufu

ufufufufufufu

ufufufufufufu

ufufufufufufu

ufufufufufufu

ufufufufufufu

ufufufufufufu

ufufufufufufu

ufufufufufufu

ufufufufufufu

ufufufufufufu

ufufufufufufu

ufufufufufufu

ufufufufufufu

vfvfvfvfvfvfv

vfvfvfvfvfvfv

vfvfvfvfvfvfv

vfvfvfvfvfvfv

vfvfvfvfvfvfv

vfvfvfvfvfvfv

vfvfvfvfvfvfv

vfvfvfvfvfvfv

vfvfvfvfvfvfv

vfvfvfvfvfvfv

vfvfvfvfvfvfv

vfvfvfvfvfvfv

vfvfvfvfvfvfv

vfvfvfvfvfvfv

vfvfvfvfvfvfv

vfvfvfvfvfvfv

vfvfvfvfvfvfv

vfvfvfvfvfvfv

vfvfvfvfvfvfv

vfvfvfvfvfvfv

vfvfvfvfvfvfv

vfvfvfvfvfvfv

vfvfvfvfvfvfv

wfwfwfw

wfwfwfw

wfwfwfw

wfwfwfw

wfwfwfw

wfwfwfw

wfwfwfw

wfwfwfw

wfwfwfw

wfwfwfw

wfwfwfw

wfwfwfw

wfwfwfw

wfwfwfw

wfwfwfw

wfwfwfw

wfwfwfw

wfwfwfw

wfwfwfw

wfwfwfw

wfwfwfw

wfwfwfw

xfxfxfx

xfxfxfx

xfxfxfx

xfxfxfx

xfxfxfx

xfxfxfx

xfxfxfx

xfxfxfx

xfxfxfx

xfxfxfx

xfxfxfx

xfxfxfx

xfxfxfx

xfxfxfx

xfxfxfx

xfxfxfx

xfxfxfx

xfxfxfx

xfxfxfx

xfxfxfx

xfxfxfx

xfxfxfx

yfy

yfy

yfy

yfy

yfy

yfy

yfy

yfy

yfy

yfy

yfy

yfy

yfy

yfy

yfy

yfy

yfy

yfy

yfy

yfy

yfy

yfy

yfy

zfz

zfz

zfz

zfz

zfz

zfz

zfz

zfz

zfz

zfz

zfz

zfz

zfz

zfz

zfz

zfz

zfz

zfz

zfz

zfz

zfz

zfz

zfz

L

k

L

k

A

B

C

P

C

A

B

P

P

θ

2

B

k

θ

1

L

B

C

1

.618

P

L

P

P

P

P

Figure 18.3: Stability of a Two Rigid Bars System

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

18.1 Introduction; Discrete Rigid Bars

441

"

1

−

√

5

2

−

1

−

1

1

−

−

1

−

√

5

2

# (

θ

1

θ

2

)

=

(

0
0

)

(18.12-c)

"

−

0

.

618

−

1

−

1

−

1

.

618

# (

θ

1

θ

2

)

=

(

0
0

)

(18.12-d)

we now arbitrarily set

θ

1

= 1, then

θ

2

=

−

1

/

1

.

618 =

−

0

.

618, thus the second eigenmode is

(

θ

1

θ

2

)

=

(

1

−

0

.

618

)

(18.13)

18.1.3

‡

Analogy with Free Vibration

12

The problem just considered bears great ressemblence with the vibration of a two degree of

freedom mass spring system, Fig.

18.4

.

m = m

1

2

m = 2m

1

k  = k

u

2

1

u

1

u

u

2

u

2

k u 

2

k(u  -u  ) 

2

1

2m u 

2

..

 m u 

1

..

k u 

1

{|{

{|{

{|{

{|{

{|{

{|{

{|{

{|{

{|{

{|{

{|{

{|{

{|{

{|{

{|{

{|{

{|{

{|{

}|}

}|}

}|}

}|}

}|}

}|}

}|}

}|}

}|}

}|}

}|}

}|}

}|}

}|}

}|}

}|}

}|}

}|}

~|~

~|~

~|~

~|~

~|~

~|~

~|~

~|~

~|~

~|~

~|~

~|~

~|~

~|~

~|~

~|~

~|~

~|~

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

|

k  = k

2

k  = k

3

Figure 18.4: Two DOF Dynamic System

13

Each mass is subjected to an inertial force equals to the mass times the acceleration, and

the spring force:

2

m

¨

u

2

+

k

u

2

+

k

(

u

2

−

u

1

) = 0

(18.14-a)

m

¨

u

1

+

k

u

1

+

k

9

u

2

−

u

1

0 = 0

(18.14-b)

or in matrix form

"

m

0

0

2

m

#

|

{z

}

M

(

¨

u

1

¨

u

2

)

|

{z

}

¨

U

+

"

2

k

−

k

−

k

2

k

#

|

{z

}

K

(

u

1

u

2

)

|

{z

}

U

(18.15)

14

The characteristic equation is

|

K

−

λ

M

|

where

λ

=

ω

2

, and

ω

is the natural frequency.

2

h

−

λ

−

h

−

h

2

h

−

2

λ

= 0

(18.16)

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

Chapter 19

STEEL COMPRESSION
MEMBERS

1

This chapter will cover the elementary analysis and design of steel column according to the

LRFD provisions.

19.1

AISC Equations

2

By introducing a

slenderness parameter

λ

c

(not to be confused with the slenderness ratio)

defined as

λ

2

c

=

F

y

F

Euler

cr

=

F

y

Ï€

2

E

KL

rmin

2

(19.1-a)

λ

c

=

KL

r

min

s

F

y

Ï€

2

E

(19.1-b)

Hence, this parameter accounts for both the slenderness ratio as well as steel material prop-

erties. This new parameter is a more suitable one than the slenderness ratio (which was a
delimeter for elastic buckling) for the inelastic buckling.

3

Equation

18.53

becomes

F

cr

F

y

= 1

−

λ

2

c

4

for

λ

c

≤

√

2

(19.2)

4

When

λ

c

>

√

2, then Euler equation applies

F

cr

F

y

=

1

λ

2

c

for

λ

c

≥

√

2

(19.3)

Hence the first equation is based on inelastic buckling (with gross yielding as a limiting case),
and the second one on elastic buckling. The two curves are tangent to each other.

5

The above equations are valid for concentrically straight members.

background image

Draft

19.1 AISC Equations

457

Kl

r

min

λ

c

φ

c

F

cr

Kl

r

min

λ

c

φ

c

F

cr

Kl

r

min

λ

c

φ

c

F

cr

Kl

r

min

λ

c

φ

c

F

cr

Kl

r

min

λ

c

φ

c

F

cr

1

0.01

30.60

41

0.46

28.01

81

0.91

21.66

121

1.36

14.16

161

1.81

8.23

2

0.02

30.59

42

0.47

27.89

82

0.92

21.48

122

1.37

13.98

162

1.82

8.13

3

0.03

30.59

43

0.48

27.76

83

0.93

21.29

123

1.38

13.80

163

1.83

8.03

4

0.04

30.57

44

0.49

27.63

84

0.94

21.11

124

1.39

13.62

164

1.84

7.93

5

0.06

30.56

45

0.50

27.51

85

0.95

20.92

125

1.40

13.44

165

1.85

7.84

6

0.07

30.54

46

0.52

27.37

86

0.96

20.73

126

1.41

13.27

166

1.86

7.74

7

0.08

30.52

47

0.53

27.24

87

0.98

20.54

127

1.42

13.09

167

1.87

7.65

8

0.09

30.50

48

0.54

27.10

88

0.99

20.35

128

1.44

12.92

168

1.88

7.56

9

0.10

30.47

49

0.55

26.97

89

1.00

20.17

129

1.45

12.74

169

1.90

7.47

10

0.11

30.44

50

0.56

26.83

90

1.01

19.98

130

1.46

12.57

170

1.91

7.38

11

0.12

30.41

51

0.57

26.68

91

1.02

19.79

131

1.47

12.40

171

1.92

7.30

12

0.13

30.37

52

0.58

26.54

92

1.03

19.60

132

1.48

12.23

172

1.93

7.21

13

0.15

30.33

53

0.59

26.39

93

1.04

19.41

133

1.49

12.06

173

1.94

7.13

14

0.16

30.29

54

0.61

26.25

94

1.05

19.22

134

1.50

11.88

174

1.95

7.05

15

0.17

30.24

55

0.62

26.10

95

1.07

19.03

135

1.51

11.71

175

1.96

6.97

16

0.18

30.19

56

0.63

25.94

96

1.08

18.84

136

1.53

11.54

176

1.97

6.89

17

0.19

30.14

57

0.64

25.79

97

1.09

18.65

137

1.54

11.37

177

1.99

6.81

18

0.20

30.08

58

0.65

25.63

98

1.10

18.46

138

1.55

11.20

178

2.00

6.73

19

0.21

30.02

59

0.66

25.48

99

1.11

18.27

139

1.56

11.04

179

2.01

6.66

20

0.22

29.96

60

0.67

25.32

100

1.12

18.08

140

1.57

10.89

180

2.02

6.59

21

0.24

29.90

61

0.68

25.16

101

1.13

17.89

141

1.58

10.73

181

2.03

6.51

22

0.25

29.83

62

0.70

24.99

102

1.14

17.70

142

1.59

10.58

182

2.04

6.44

23

0.26

29.76

63

0.71

24.83

103

1.16

17.51

143

1.60

10.43

183

2.05

6.37

24

0.27

29.69

64

0.72

24.66

104

1.17

17.32

144

1.61

10.29

184

2.06

6.30

25

0.28

29.61

65

0.73

24.50

105

1.18

17.13

145

1.63

10.15

185

2.07

6.23

26

0.29

29.53

66

0.74

24.33

106

1.19

16.94

146

1.64

10.01

186

2.09

6.17

27

0.30

29.45

67

0.75

24.16

107

1.20

16.75

147

1.65

9.87

187

2.10

6.10

28

0.31

29.36

68

0.76

23.99

108

1.21

16.56

148

1.66

9.74

188

2.11

6.04

29

0.33

29.27

69

0.77

23.82

109

1.22

16.37

149

1.67

9.61

189

2.12

5.97

30

0.34

29.18

70

0.79

23.64

110

1.23

16.18

150

1.68

9.48

190

2.13

5.91

31

0.35

29.09

71

0.80

23.47

111

1.24

16.00

151

1.69

9.36

191

2.14

5.85

32

0.36

28.99

72

0.81

23.29

112

1.26

15.81

152

1.70

9.23

192

2.15

5.79

33

0.37

28.90

73

0.82

23.11

113

1.27

15.62

153

1.72

9.11

193

2.16

5.73

34

0.38

28.79

74

0.83

22.94

114

1.28

15.44

154

1.73

9.00

194

2.18

5.67

35

0.39

28.69

75

0.84

22.76

115

1.29

15.25

155

1.74

8.88

195

2.19

5.61

36

0.40

28.58

76

0.85

22.58

116

1.30

15.07

156

1.75

8.77

196

2.20

5.55

37

0.41

28.47

77

0.86

22.40

117

1.31

14.88

157

1.76

8.66

197

2.21

5.50

38

0.43

28.36

78

0.87

22.21

118

1.32

14.70

158

1.77

8.55

198

2.22

5.44

39

0.44

28.25

79

0.89

22.03

119

1.33

14.52

159

1.78

8.44

199

2.23

5.39

40

0.45

28.13

80

0.90

21.85

120

1.35

14.34

160

1.79

8.33

200

2.24

5.33

Table 19.1: Design Stress

φF

cr

for

F

y

=36 ksi in Terms of

KL

r

min

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

Chapter 20

BRACED ROLLED STEEL BEAMS

1

This chapter deals with the behavior and design of

laterally supported

steel beams accord-

ing to the LRFD provisions.

2

If a beam is not laterally supported, we will have a failure mode governed by lateral torsional

buckling.

3

By the end of this lecture you should be able to select the most efficient section (light weight

with adequate strength) for a given bending moment and also be able to determine the flexural
strength of a given beam.

20.1

Review from Strength of Materials

20.1.1

Flexure

4

Fig.

20.1

shows portion of an originally straight beam which has been bent to the radius

Ï

by end couples

M

, thus the segment is subjected to pure bending. It is assumed that plane

cross-sections normal to the length of the unbent beam remain plane after the beam is bent.
Therefore, considering the cross-sections

AB

and

CD

a unit distance apart, the similar sectors

Oab

and

bcd

give

ε

=

y
Ï

(20.1)

where

y

is measured from the axis of rotation (neutral axis). Thus strains are proportional to

the distance from the neutral axis.

5

The corresponding variation in stress over the cross-section is given by the stress-strain dia-

gram of the material rotated 90

o

from the conventional orientation, provided the strain axis

ε

is scaled with the distance

y

(Fig.

20.1

). The bending moment

M

is given by

M

=

Z

yσdA

(20.2)

where

dA

is an differential area a distance

y

(Fig.

20.1

from the neutral axis. Thus the moment

M

can be determined if the stress-strain relation is known.

background image

Draft

20.1 Review from Strength of Materials

469

Figure 20.2: Stress distribution at different stages of loading

Elastic Region

Plastic Region

Stress

Strain

ε

F

F

y

Figure 20.3: Stress-strain diagram for most structural steels

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

20.2 Nominal Strength

471

F

2

=

Z

A

(

M

+

dM

)

y

I

dA

(20.8-c)

Ï„ bdx

=

F

2

−

F

1

(20.8-d)

=

Z

A

dM y

I

dA

(20.8-e)

Ï„

=

dM

dx

1

Ib

 Z

A

ydA

(20.8-f)

(20.8-g)

substituting

V

=

dM/dx

we now obtain

Ï„

=

V Q

Ib

Q

=

R

A

ydA

(20.9)

this is the shear formula, and

Q

is the first moment of the area.

12

For a rectangular beam, we will have a parabolic shear stress distribution.

13

For a W section, it can be easily shown that about 95% of the shear force is carried by the

web, and that the average shear stress is within 10% of the actual maximum shear stress.

20.2

Nominal Strength

The strength requirement for beams in load and resistance factor design is stated as

φ

b

M

n

≥

M

u

(20.10)

where:

φ

b

strength reduction factor; for flexure 0

.

90

M

n

nominal moment strength

M

u

factored service load moment.

14

The equations given in this chapter are valid for flexural members with the following kinds

of cross section and loading:

1. Doubly symmetric (such as W sections) and loaded in Plane of symmetry

2. Singly symmetric (channels and angles) loaded in plane of symmetry or through the shear

center parallel to the web

1

.

20.3

Flexural Design

20.3.1

Failure Modes and Classification of Steel Beams

15

The strength of flexural members is limited by:

Plastic Hinge:

at a particular cross section.

1

More about shear centers in

Mechanics of Materials II

.

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

20.3 Flexural Design

473

19

The nominal strength

M

n

for laterally stable compact sections according to LRFD is

M

n

=

M

p

(20.12)

where:

M

p

plastic moment strength =

ZF

y

Z

plastic section modulus

F

y

specified minimum yield strength

20

Note that section properties, including

Z

values are tabulated in Section

16.6

.

20.3.1.2

Partially Compact Section

21

If the width to thickness ratios of the compression elements exceed the

λ

p

values mentioned

in Eq.

20.11

but do not exceed the following

λ

r

, the section is partially compact and we can

have local buckling.

Flange:

λ

p

<

b

f

2

t

f

≤

λ

r

λ

p

=

65

√

F

y

λ

r

=

141

√

F

y

−

F

r

Web:

λ

p

<

h

c

t

w

≤

λ

r

λ

p

=

640

√

F

y

λ

r

=

970

√

F

y

(20.13)

where, Fig.

20.6

:

F

y

specified minimum yield stress in

ksi

b

f

width of the flange

t

f

thickness of the flange

h

c

unsupported height of the web which is twice the distance from the neutral axis
to the inside face of the compression flange less the fillet or corner radius.

t

w

thickness of the web.

F

r

residual stress = 10

.

0 ksi for rolled sections and 16

.

5 ksi for welded sections.

Figure 20.6: W Section

22

The nominal strength of partially compact sections according to LRFD is, Fig.

20.7

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

Chapter 21

UNBRACED ROLLED STEEL
BEAMS

21.1

Introduction

1

In a previous chapter we have examined the behavior of laterally supported beams. Under

those conditions, the potential modes of failures were either the formation of a plastic hinge (if
the section is compact), or local buckling of the flange or the web (partially compact section).

2

Rarely are the compression flange of beams entirely free of all restraint, and in general there

are two types of lateral supports:

1. Continuous lateral support by embedment of the compression flange in a concrete slab.

2. Lateral support at intervals through cross beams, cross frames, ties, or struts.

3

Now that the beam is not laterally supported, we ought to consider a third potential mode

of failure, lateral torsional buckling.

21.2

Background

4

Whereas it is beyond the scope of this course to derive the governing differential equation

for flexural torsional buckling (which is covered in either

Mechanics of Materials II

or in

Steel

Structures

), we shall review some related topics in order to understand the AISC equations

later on

5

There are two types of torsion:

Saint-Venant’s torsion:

or pure torsion (torsion is constant throughout the length) where it

is assumed that the cross-sectional plane prior to the application of torsion remains plane,
and only rotation occurs.

Warping torsion:

out of plane effects arise when the flanges are laterally displaced during

twisting. Compression flange will bend in one direction laterally while its tension flange
will bend in another. In this case part of the torque is resisted by bending and the rest
by Saint-Venant’s torsion.

background image

Draft

21.3 AISC Equations

485

X

1

=

Ï€

S

x

s

EGJA

2

(21.4-a)

X

2

= 4

C

w

I

y

S

x

GJ

2

(21.4-b)

are not really physical properties but a combination of cross-sectional ones which simplifies

the writing of Eq.

21.3

Those values are tabulated in the AISC manual.

9

The flexural efficiency of the member increases when

X

1

decreases and/or

X

2

increases.

21.3.2

Governing Moments

1.

L

b

< L

p

: â€œvery short†Plastic hinge

M

n

=

M

p

=

Z

x

F

y

(21.5)

2.

L

p

< L

b

< L

r

: â€œshort†inelastic lateral torsional buckling

M

n

=

C

b

"

M

p

−

(

M

p

−

M

r

)

 

L

b

−

L

p

L

r

−

L

p

!#

≤

M

p

(21.6)

and

C

b

= 1

.

75 + 1

.

05

M

1

M

2

+ 0

.

3

M

1

M

2

2

≤

2

.

3

(21.7)

where

M

1

is the smaller and

M

2

is the larger end moment

in the unbraced segment

M

1

M

2

is negative when the moments cause single curvature (i.e. one of them is clockwise,
the other counterclockwise), hence the most severe loading case with constant

M

gives

C

b

= 1

.

75

−

1

.

05 + 0

.

3 = 1

.

0.

M

r

is the moment strength available for service load when extreme fiber reach the yield

stress

F

y

;

M

r

= (

F

y

−

F

r

)

S

x

(21.8)

3.

L

r

< L

b

“long†elastic lateral torsional buckling, and the critical moment is the same as

in Eq.

21.2

M

cr

=

C

b

Ï€

L

b

s

Ï€E

L

b

2

C

w

I

y

+

EI

y

GJ

≤

C

b

M

r

and

M

p

(21.9)

or if expressed in terms of

X

1

and

X

2

M

cr

=

C

b

S

x

X

1

√

2

L

b

r

y

v

u

u

u

t

1 +

X

2

1

X

2

2

L

b

r

y

2

≤

C

b

M

r

(21.10)

10

Fig.

21.2

summarizes the governing equations.

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

Chapter 22

Beam Columns, (Unedited)

UNEDITED

Examples taken from

Structural Steel Design; LRFD

, by T. Burns, Delmar Publishers,

1995

22.1

Potential Modes of Failures

22.2

AISC Specifications

P

u

φ

c

P

n

+

8
9

 

M

ux

φ

b

M

nx

+

M

uy

φ

b

M

ny

!

≤

1

.

0 if

P

u

φ

c

P

n

≥

.

20

P

u

2

φ

c

P

n

+

M

ux

φ

b

M

nx

≤

1

.

0 if

P

u

φ

c

P

n

≤

.

20

(22.1)

22.3

Examples

22.3.1

Verification

Example 22-1: Verification, (?)

A W 12

×

120 is used to support the loads and moments as shown below, and is not subjected

to sidesway. Determine if the member is adequate and if the factored bending moment occurs
about the weak axis. The column is assumed to be perfectly pinned (

K

= 1

.

0) in both the

strong and weak directions and no bracing is supplied. Steel is A36 and assumed

C

b

= 1

.

0.

background image

Draft

22.3 Examples

499

be developed or whether buckling behavior controls the bending behavior. The values for

L

p

and

L

r

can be calculated using Eq. 6-1 and 6-2 respectively or they can be found in

the beam section of the LRFD manual. In either case these values for a W 12

×

120 are:

L

p

= 13

ft

L

r

= 75

.

5

ft

5. Since our unbraced length falls between these two values, the beam will be controlled

by inelastic buckling, and the nominal moment capacity

M

n

can be calculated from Eq.

6-5. Using this equation we must first calculate the plastic and elastic moment capacity
values,

M

p

and

M

r

.

M

p

=

F

y

Z

x

= (36)

ksi

(186)

in

3

ft

(12)

in

= 558

k.ft

M

r

= (

F

yw

−

10)

ksi

S

x

(36

−

10)

ksi

(163)

in

3

= 353

.

2

k.ft

6. Using Eq. 6-5 (assuming

C

b

is equal to 1.0) we find:

M

n

=

C

b

[

M

p

−

(

M

p

−

M

r

)]

l

b

−

L

p

L

r

−

L

p

M

n

= 1

.

0[558

−

(558

−

453

.

2)]

k.ft

(15

−

13)

ft

(75

.

5

−

15)

ft

= 551

.

4

k.ft

7. Therefore the design moment capacity is as follows:

φ

b

M

n

= 0

.

90(551

.

4)

k.ft

= 496

.

3

k.ft

8. Now consider the effects of moment magnification on this section. Based on the alternative

method and since the member is not subjected to sidesway (

M

lt

= 0)

M

u

=

B

1

M

nt

B

1

=

C

m

1

−

Pu

Pe

C

m

=

.

60

−

.

4

M

1

M

2

C

m

=

.

60

−

.

4

−

50

50

= 1

.

0

P

u

= 400

k

P

e

=

Ï€

2

EA

g

Kl

r

2

(Euler’s Buckling Load Equation)

P

e

=

Ï€

2

(29

,

000

ksi

)(35

.

3

in

2

)

32

.

67

2

= 9

,

456

k

9. Therefore, calculating the

B

1

magnifier we find:

B

1

=

1

1

−

(400)

k

(9

,

456)

k

= 1

.

044

Calculating the amplified moment as follows:

M

u

=

B

1

M

nt

M

u

= 1

.

044(50)

k.ft

= 52

.

2

k.ft

Therefore the adequacy of the section is calculated from Eq. as follows:

P

u

φ

c

P

n

+

8
9

M

u

x

φ

b

M

n

x

≤

1

.

0

94000

k

(907

.

6)

k

+

8
9

(52

.

2)

k.ft

(496

.

3)

k.ft

=

.

53

<

1

.

0

√

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

Chapter 23

STEEL CONNECTIONS

23.1

Bolted Connections

1

Bolted connections, Fig.

23.1

are increasingly used instead of rivets (too labor intensive) and

more often than welds (may cause secondary cracks if not properly performed).

23.1.1

Types of Bolts

2

Most common high strength bolts are the A325 and A490.

3

A325 is made from heat-treated medium carbon steel, min.

F

b

y

≈

81

−

92 ksi,

F

b

u

= 120 ksi

4

A490 is a higher strength manufactured from an alloy of steel, min.

F

b

y

≈

115

−

130 ksi, and

F

b

u

= 150 ksi

5

Most common diameters are 3/4â€, 7/8†for building constructions; 7/8†and 1†for bridges,

Table

23.1

.

Bolt Diameter (in.)

Nominal Area (in

2

)

5/8

0.3068

3/4

0.4418

7/8

0.6013

1

0.7854

1 1/8

0.9940

1 1/4

1.2272

Table 23.1: Nominal Areas of Standard Bolts

23.1.2

Types of Bolted Connections

6

There are two types of bolted connections:

Bearing type

which transmits the load by a combination of shear and bearing on the bolt,

Fig.

23.2

.

background image

Draft

23.1 Bolted Connections

509

Slip-critical

transmits load by friction, Fig.

23.3

In addition of providing adequate at ulti-

mate load, it must not slip during service loads.

€R€

€R€

€R€

€R€

€R€

€R€

ÂRÂ

ÂRÂ

ÂRÂ

ÂRÂ

ÂRÂ

ÂRÂ

P

‚R‚

‚R‚

‚R‚

ƒRƒ

ƒRƒ

ƒRƒ

P

P

P

P

„R„

„R„

„R„

Â…RÂ…

Â…RÂ…

Â…RÂ…

†R†

†R†

†R†

†R†

†R†

‡R‡

‡R‡

‡R‡

‡R‡

‡R‡

P

P

P

P

P

Figure 23.2: Stress Transfer by Shear and Bearing in a Bolted Connection

µ

T

µ

T

µ

T

P

P

T

T

T

T

P=

High-strength bolt

P

P

Figure 23.3: Stress Transfer in a Friction Type Bolted Connection

7

Possible failure modes (or â€œlimit statesâ€) which may control the strength of a bolted connec-

tion are shown in Fig.

23.4

.

23.1.3

Nominal Strength of Individual Bolts

Tensile Strength

The nominal strength

R

n

of one fastener in tension is

R

n

=

F

b

u

A

n

(23.1)

where

F

b

u

is the tensile strength of the bolt, and

A

n

the area through the threaded portion,

also known as â€œtensile stress areaâ€. The ratio of the tensile stress area to the gross area

A

g

ranges from 0.75 to 0.79.

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

Chapter 24

REINFORCED CONCRETE
BEAMS; Part I

24.1

Introduction

1

Recalling that concrete has a tensile strength (

f

0

t

) about one tenth its compressive strength

(

f

0

c

), concrete by itself is a very poor material for flexural members.

2

To provide tensile resistance to concrete beams, a reinforcement must be added. Steel is

almost universally used as reinforcement (longitudinal or as fibers), but in poorer countries
other indigenous materials have been used (such as bamboos).

3

The following lectures will focus exclusively on the flexural design and analysis of reinforced

concrete rectangular sections. Other concerns, such as shear, torsion, cracking, and deflections
are left for subsequent ones.

4

Design of reinforced concrete structures is governed in most cases by the

Building Code

Requirements for Reinforced Concrete

, of the American Concrete Institute (ACI-318). Some of

the most relevant provisions of this code are enclosed in this set of notes.

5

We will focus on determining the amount of flexural (that is longitudinal) reinforcement

required at a

given section

. For that section, the moment which should be considered for

design is the one obtained from the

moment envelope

at that particular point.

24.1.1

Notation

6

In R/C design, it is customary to use the following notation

background image

Draft

24.2 Cracked Section, Ultimate Strength Design Method

519

24.1.4

Basic Relations and Assumptions

13

In developing a design/analysis method for reinforced concrete, the following

basic relations

will be used:

1. Equilibrium: of forces and moment at the cross section. 1) Î£

F

x

= 0 or Tension in the

reinforcement = Compression in concrete; and 2) Î£

M

= 0 or external moment (that is the

one obtained from the moment envelope) equal and opposite to the internal one (tension
in steel and compression of the concrete).

2. Material Stress Strain: We recall that all normal strength concrete have a failure strain

u

=

.

003 in compression irrespective of

f

0

c

.

14

Basic

assumptions

used:

Compatibility of Displacements:

Perfect bond between steel and concrete (no slip). Note

that those two materials do also have very close coefficients of thermal expansion under
normal temperature.

Plane section remain plane

⇒

strain is proportional to distance from neutral axis.

24.1.5

ACI Code

15

The ACI code is based on limit strength, or Î¦

M

n

≥

M

u

thus a similar design philosophy

is used as the one adopted by the LRFD method of the AISC code,

ACI-318: 8.1.1; 9.3.1;

9.3.2

16

The required strength is based on (

ACI-318: 9.2

)

U

= 1

.

4

D

+ 1

.

7

L

= 0

.

75(1

.

4

D

+ 1

.

7

L

+ 1

.

7

W

)

(24.1)

17

We should consider the behaviors of a reinforced concrete section under increasing load:

1. Section uncracked

2. Section cracked, elastic

3. Section cracked, limit state

The second analysis gives rise to the Working Stress Design (WSD) method (to be covered in
Structural Engineering II), and the third one to the Ultimate Strength Design (USD) method.

24.2

Cracked Section, Ultimate Strength Design Method

24.2.1

Equivalent Stress Block

18

In determining the limit state moment of a cross section, we consider Fig.

24.1

Whereas

the strain distribution is linear (

ACI-318 10.2.2

), the stress distribution is non-linear because

the stress-strain curve of concrete is itself non-linear beyond 0

.

5

f

0

c

.

19

Thus we have two alternatives to investigate the moment carrying capacity of the section,

ACI-318: 10.2.6

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

24.2 Cracked Section, Ultimate Strength Design Method

521

24

We have two equations and three unknowns (

α

,

β

1

, and

β

). Thus we need to use test data

to solve this problem

1

. From

experimental tests

, the following relations are obtained

f

0

c

(ppsi)

<

4,000

5,000

6,000

7,000

8,000

α

.72

.68

.64

.60

.56

β

.425

.400

.375

.350

.325

β

1

.85

.80

.75

.70

.65

Thus we have a general equation for

β

1

(

ACI-318 10.2.7.3

):

β

1

=

.

85

if

f

0

c

≤

4

,

000

=

.

85

−

(

.

05)(

f

0

c

−

4

,

000)

1

1

,

000

if 4

,

000

< f

0

c

<

8

,

000

(24.2)

Figure 24.2: Whitney Stress Block

24.2.2

Balanced Steel Ratio

25

Next we seek to determine the

balanced steel ratio

Ï

b

such that failure occurs by simulta-

neous yielding of the steel

f

s

=

f

y

and crushing of the concrete

ε

c

= 0

.

003,

ACI-318: 10.3.2

We will separately consider the two failure possibilities:

Tension Failure:

we stipulate that the steel stress is equal to

f

y

:

Ï

=

A

s

bd

A

s

f

y

=

.

85

f

0

c

ab

=

.

85

f

0

c

bβ

1

c

)

⇒

c

=

Ïf

y

0

.

85

f

0

c

β

1

d

(24.3)

Compression Failure:

where the concrete strain is equal to the ultimate strain; From the

strain diagram

ε

c

= 0

.

003

c

d

=

.

003

.

003+

ε

s

)

⇒

c

=

.

003

f

s

E

s

+

.

003

d

(24.4)

1

This approach is often used in Structural Engineering. Perform an analytical derivation, if the number of

unknowns then exceeds the number of equations, use experimental data.

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

25.1 T Beams, (ACI 8.10)

531

d

h

f

b

c

ε

s

A

s

f

y

a=

β

1

c

.85f’

c

ε

u

Figure 25.3: T Beam Strain and Stress Diagram

=                                      +

A

s

A

sf

A

s

-A

sf

Figure 25.4: Decomposition of Steel Reinforcement for T Beams

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

25.1 T Beams, (ACI 8.10)

533

Solution:

1. Check requirements for isolated T sections

(a)

b

e

= 30

in

should not exceed 4

b

w

= 4(14) = 56

in

√

(b)

h

f

≥

b

u

2

⇒

7

≥

14

2

√

2. Assume Rectangular section

a

=

(12

.

48)(50)

(0

.

85)(3)(30)

= 8

.

16

in

> h

f

3. For a T section

A

sf

=

.

85

f

0

c

h

f

(

b

−

b

w

)

f

y

=

(

.

85)(3)(7)(30

−

14)

50

= 5

.

71

in

2

Ï

f

=

5

.

71

(14)(36)

=

.

0113

A

sw

= 12

.

48

−

5

.

71 = 6

.

77

in

2

Ï

w

=

12

.

48

(14)(36)

=

.

025

Ï

b

=

.

85

β

1

f

0

c

f

y

87

87+

f

y

= (

.

85)(

.

85)

3

50

87

87+50

=

.

0275

4. Maximum permissible ratio

Ï

max

=

.

75(

Ï

b

+

Ï

f

)

=

.

75(

.

0275 +

.

0113) =

.

029

> Ï

w

√

5. The design moment is then obtained from

M

n

1

= (5

.

71)(50)(36

−

7
2

) = 9

,

280

k.in

a

=

(6

.

77)(50)

(

.

85)(3)(14)

= 9

.

48

in

M

n

2

= (6

.

77)(50)(36

−

9

.

48

2

) = 10

,

580

k.in

M

d

= (

.

9)(9

,

280 + 10

,

580) = 17

,

890

k.in

→

17

,

900

k.in

Example 25-2: T Beam; Moment Capacity II

Determine the moment capacity of the following section, assume flange dimensions to satisfy

ACI requirements;

A

s

= 6#10 = 7

.

59

in

2

;

f

0

c

= 3 ksi;

f

y

=60 ksi.

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

25.1 T Beams, (ACI 8.10)

535

20"

3"

11"

47"

Solution:

1. Determine effective flange width:

1
2

(

b

−

b

w

)

≤

8

h

f

16

h

f

+

b

w

= (16)(3) + 11 = 59

in

L

4

=

24

4

12

= 72

in

Center Line spacing

= 47

in


















b

= 47

in

2. Assume

a

= 3

in

A

s

=

M

d

φf

y

(

d

−

a

2

)

=

6

,

400

0

.

9)(60)(20

−

3
2

)

= 6

.

40

in

2

a

=

A

s

f

y

(

.

85)

f

0

c

b

=

(6

.

4)(60)

(

.

85)(3)(47)

= 3

.

20

in

> h

f

3. Thus a T beam analysis is required.

A

sf

=

.

85

f

0

c

(

b

−

b

w

)

h

f

f

y

=

(

.

85)(3)(47

−

11)(3)

60

= 4

.

58

in

2

M

d

1

=

φA

sf

f

y

(

d

−

h

f

2

) = (

.

90)(4

.

58)(60)(20

−

3
2

) = 4

,

570

k.in

M

d

2

=

M

d

−

M

d

1

= 6

,

400

−

4

,

570 = 1

,

830

k.in

4. Now, this is similar to the design of a rectangular section. Assume

a

=

d

5

=

20

5

= 4

.

in

A

s

−

A

sf

=

1

,

830

(

.

90)(60)

20

−

4
2

= 1

.

88

in

2

5. check

a

=

1

.

88)(60)

(

.

85)(3)(11)

= 4

.

02

in

≈

4

.

00

A

s

= 4

.

58 + 1

.

88 = 6

.

46

in

2

Ï

w

=

6

.

46

(11)(20)

=

.

0294

Ï

f

=

4

.

58

(11)(20)

=

.

0208

Ï

b

= (

.

85)(

.

85)

3

60

 

87

87+60

=

.

0214

Ï

max

=

.

75(

.

0214 +

.

0208) =

.

0316

> Ï

w

√

6. Note that 6.46

in

2

(T beam) is close to

A

s

= 6

.

40

in

2

if rectangular section was assumed.

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

Chapter 26

PRESTRESSED CONCRETE

26.1

Introduction

1

Beams with longer spans are architecturally more appealing than those with short ones.

However, for a reinforced concrete beam to span long distances, it would have to have to be
relatively deep (and at some point the self weight may become too large relative to the live
load), or higher grade steel and concrete must be used.

2

However, if we were to use a steel with

f

y

much higher than

≈

60 ksi in reinforced concrete

(R/C), then to take full advantage of this higher yield stress while maintaining full bond between
concrete and steel, will result in unacceptably wide crack widths. Large crack widths will in
turn result in corrosion of the rebars and poor protection against fire.

3

One way to control the concrete cracking and reduce the tensile stresses in a beam is to

prestress the beam by applying an initial state of stress which is opposite to the one which will
be induced by the load.

4

For a simply supported beam, we would then seek to apply an initial tensile stress at the

top and compressive stress at the bottom. In prestressed concrete (P/C) this can be achieved
through prestressing of a tendon placed below the elastic neutral axis.

5

Main advantages of P/C: Economy, deflection & crack control, durability, fatigue strength,

longer spans.

6

There two type of Prestressed Concrete beams:

Pretensioning:

Steel is first stressed, concrete is then poured around the stressed bars. When

enough concrete strength has been reached the steel restraints are released, Fig.

26.1

.

Postensioning:

Concrete is first poured, then when enough strength has been reached a steel

cable is passed thru a hollow core inside and stressed, Fig.

26.2

.

26.1.1

Materials

7

P/C beams usually have higher compressive strength than R/C. Prestressed beams can have

f

0

c

as high as 8,000 psi.

8

The importance of high yield stress for the steel is illustrated by the following simple example.

background image

Draft

26.1 Introduction

545

If we consider the following:

1. An unstressed steel cable of length

l

s

2. A concrete beam of length

l

c

3. Prestress the beam with the cable, resulting in a stressed length of concrete and steel

equal to

l

0

s

=

l

0

c

.

4. Due to shrinkage and creep, there will be a change in length

∆

l

c

= (

ε

sh

+

ε

cr

)

l

c

(26.1)

we want to make sure that this amout of deformation is substantially smaller than the
stretch of the steel (for prestressing to be effective).

5. Assuming ordinary steel:

f

s

= 30

ksi

,

E

s

= 29

,

000

ksi

,

ε

s

=

30

29

,

000

= 1

.

03

×

10

−

3

in

/

in

6. The total steel elongation is

ε

s

l

s

= 1

.

03

×

10

−

3

l

s

7. The creep and shrinkage strains are about

ε

cr

+

ε

sh

'

.

9

×

10

−

3

8. The residual stres which is left in the steel after creep and shrinkage took place is thus

(1

.

03

−

.

90)

×

10

−

3

(29

×

10

3

) = 4

ksi

(26.2)

Thus the total loss is

30

−

4

30

= 87% which is unacceptably too high.

9. Alternatively if initial stress was 150

ksi

after losses we would be left with 124

ksi

or a

17% loss.

10. Note that the actual loss is (

.

90

×

10

−

3

)(29

×

10

3

) = 26

ksi

in each case

9

Having shown that losses would be too high for low strength steel, we will use

Strands

usually composed of 7 wires. Grade 250 or 270 ksi, Fig.

26.3

.

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

‘

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

Â’

“

“

“

“

“

“

“

“

“

“

“

“

“

“

“

“

“

“

“

“

“

“

“

“

“

“

“

“

“

“

“

“

“

“

“

“

“

“

“

“

“

“

“

“

“

“

“

“

“

“

“

“

“

“

“

“

“

“

“

“

“

“

“

“

“

“

”

”

”

”

”

”

”

”

”

”

”

”

”

”

”

”

”

”

”

”

”

”

”

”

”

”

”

”

”

”

”

”

”

”

”

”

”

”

”

”

”

”

”

”

”

”

”

”

”

”

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

˜

˜

˜

˜

˜

˜

˜

˜

˜

˜

˜

˜

˜

˜

˜

˜

˜

˜

˜

˜

˜

˜

˜

˜

˜

˜

˜

˜

˜

˜

˜

˜

˜

˜

˜

˜

˜

˜

˜

˜

˜

˜

˜

˜

˜

˜

˜

˜

˜

˜

™

™

™

™

™

™

™

™

™

™

™

™

™

™

™

™

™

™

™

™

™

™

™

™

™

™

™

™

™

™

™

™

™

™

™

™

™

™

™

™

™

™

™

™

™

™

™

™

™

™

š

š

š

š

š

š

š

š

š

š

š

š

š

š

š

š

š

š

š

š

š

š

š

š

š

š

š

š

š

š

š

š

š

š

š

š

š

š

š

š

š

š

š

š

š

š

š

š

š

š

š

š

š

š

š

š

š

š

š

š

š

š

š

š

š

š

›

›

›

›

›

›

›

›

›

›

›

›

›

›

›

›

›

›

›

›

›

›

›

›

›

›

›

›

›

›

›

›

›

›

›

›

›

›

›

›

›

›

›

›

›

›

›

›

›

›

›

›

›

›

›

›

›

›

›

›

œ

œ

œ

œ

œ

œ

œ

œ

œ

œ

œ

œ

œ

œ

œ

œ

œ

œ

œ

œ

œ

œ

œ

œ

œ

œ

œ

œ

œ

œ

œ

œ

œ

œ

œ

œ

œ

œ

œ

œ

œ

œ

œ

œ

œ

œ

œ

œ

œ

œ

œ

œ

œ

œ

œ

œ

œ

œ

œ

œ

œ

œ

œ

œ

œ

œ

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Â

Figure 26.3: 7 Wire Prestressing Tendon

Tendon

have diameters ranging from 1/2 to 1 3/8 of an inch. Grade 145 or 160 ksi.

Wires

come in bundles of 8 to 52.

Note that yield stress is not well defined for steel used in prestressed concrete, usually we take
1% strain as effective yield.

10

Steel relaxation is the reduction in stress at constant strain (as opposed to creep which

is reduction of strain at constant stress) occrs. Relaxation occurs indefinitely and produces

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

26.1 Introduction

547

Q

P

P

h/2

h/3

2Q

P

P

h/2

h/3

2Q

P

P

2h/3

P

P

h/2

ž|ž|ž

ž|ž|ž

ž|ž|ž

ž|ž|ž

ž|ž|ž

Ÿ|Ÿ|Ÿ

Ÿ|Ÿ|Ÿ

Ÿ|Ÿ|Ÿ

Ÿ|Ÿ|Ÿ

Ÿ|Ÿ|Ÿ

 | 

 | 

 | 

 | 

 | 

¡|¡

¡|¡

¡|¡

¡|¡

¡|¡

¢|¢

¢|¢

¢|¢

¢|¢

¢|¢

£|£

£|£

£|£

£|£

£|£

¤|¤|¤

¤|¤|¤

¤|¤|¤

¤|¤|¤

¤|¤|¤

Â¥|Â¥|Â¥

Â¥|Â¥|Â¥

Â¥|Â¥|Â¥

Â¥|Â¥|Â¥

Â¥|Â¥|Â¥

¦|¦

¦|¦

¦|¦

¦|¦

¦|¦

§|§

§|§

§|§

§|§

§|§

¨|¨

¨|¨

¨|¨

¨|¨

¨|¨

¨|¨

©|©

©|©

©|©

©|©

©|©

©|©

ª|ª

ª|ª

ª|ª

ª|ª

ª|ª

«|«

«|«

«|«

«|«

«|«

¬|¬|¬

¬|¬|¬

¬|¬|¬

¬|¬|¬

¬|¬|¬

­|­

­|­

­|­

­|­

­|­

®|®|®

®|®|®

®|®|®

®|®|®

®|®|®

¯|¯

¯|¯

¯|¯

¯|¯

¯|¯

°|°|°

°|°|°

°|°|°

°|°|°

°|°|°

±|±

±|±

±|±

±|±

±|±

²|²|²

²|²|²

²|²|²

²|²|²

²|²|²

³|³

³|³

³|³

³|³

³|³

´|´|´

´|´|´

´|´|´

´|´|´

´|´|´

´|´|´

µ|µ

µ|µ

µ|µ

µ|µ

µ|µ

µ|µ

¶|¶|¶

¶|¶|¶

¶|¶|¶

¶|¶|¶

¶|¶|¶

·|·

·|·

·|·

·|·

·|·

¸|¸|¸

¸|¸|¸

¸|¸|¸

¸|¸|¸

¸|¸|¸

¸|¸|¸

¹|¹|¹

¹|¹|¹

¹|¹|¹

¹|¹|¹

¹|¹|¹

¹|¹|¹

º|º|º|º|º|º|º

º|º|º|º|º|º|º

º|º|º|º|º|º|º

º|º|º|º|º|º|º

º|º|º|º|º|º|º

»|»|»|»|»|»|»

»|»|»|»|»|»|»

»|»|»|»|»|»|»

»|»|»|»|»|»|»

»|»|»|»|»|»|»

¼|¼|¼|¼|¼|¼|¼

¼|¼|¼|¼|¼|¼|¼

¼|¼|¼|¼|¼|¼|¼

¼|¼|¼|¼|¼|¼|¼

¼|¼|¼|¼|¼|¼|¼

½|½|½|½|½|½|½

½|½|½|½|½|½|½

½|½|½|½|½|½|½

½|½|½|½|½|½|½

½|½|½|½|½|½|½

¾|¾

¾|¾

¾|¾

¾|¾

¾|¾

¿|¿

¿|¿

¿|¿

¿|¿

¿|¿

W

h

f’

f

f

y

fc

c

c

f  =f

c t

2fc

2f

2fc

0

2f  =2f

t

c

c

2fc

0

0

2fc

2f  =2f

t

c

2fc

0

2fc

f

fc

c

c

c

f

f

0

2fc

f  =f

c

t

c

f

fc

c

fc

c

c

c

f

f

f

+

+

+

+

+

+

=

=

=

=

=

=

0

0

Midspan

Ends

Midspan

Q

Ends

f

Figure 26.4: Alternative Schemes for Prestressing a Rectangular Concrete Beam, (Nilson 1978)

P sin

θ

P sin

θ

P cos

θ

P cos

θ

P

P cos

θ

P cos

θ

P sin

θ

P sin

θ

P cos

θ

P sin

θ

P

2

P sin

θ

P sin

θ

P cos

θ

M

P cos

θ

P sin

θ

P sin

θ

P cos

θ

P sin

θ

P

θ

θ

P

P

e

P

P

P

P e

P e

e

P

θ

M

P

P

None

P

P

P

2

None

P

P

(a)

(b)

(d)

(f)

(g)

(e)

P

(c)

 

Equivalent  load  on  concrete  from  tendon Moment  from  prestressing

Member

Figure 26.5: Determination of Equivalent Loads

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

26.2 Flexural Stresses

549

4.

P

e

and

M

0

+

M

DL

+

M

LL

f

1

=

−

P

e

A

c

1

−

ec

1

r

2

−

M

0

+

M

DL

+

M

LL

S

1

f

2

=

−

P

e

A

c

1 +

ec

2

r

2

+

M

0

+

M

DL

+

M

LL

S

2

(26.7)

The internal stress distribution at each one of those four stages is illustrated by Fig.

26.7

.

S

2

Mo

+

S

2

ÀÃÀÃÀÃÀÃÀÃÀ

ÀÃÀÃÀÃÀÃÀÃÀ

ÀÃÀÃÀÃÀÃÀÃÀ

ÀÃÀÃÀÃÀÃÀÃÀ

ÀÃÀÃÀÃÀÃÀÃÀ

ÀÃÀÃÀÃÀÃÀÃÀ

ÀÃÀÃÀÃÀÃÀÃÀ

ÀÃÀÃÀÃÀÃÀÃÀ

ÀÃÀÃÀÃÀÃÀÃÀ

ÀÃÀÃÀÃÀÃÀÃÀ

ÀÃÀÃÀÃÀÃÀÃÀ

ÀÃÀÃÀÃÀÃÀÃÀ

ÀÃÀÃÀÃÀÃÀÃÀ

ÀÃÀÃÀÃÀÃÀÃÀ

ÀÃÀÃÀÃÀÃÀÃÀ

ÀÃÀÃÀÃÀÃÀÃÀ

ÂÃÂÃÂÃÂÃÂÃÂ

ÂÃÂÃÂÃÂÃÂÃÂ

ÂÃÂÃÂÃÂÃÂÃÂ

ÂÃÂÃÂÃÂÃÂÃÂ

ÂÃÂÃÂÃÂÃÂÃÂ

ÂÃÂÃÂÃÂÃÂÃÂ

ÂÃÂÃÂÃÂÃÂÃÂ

ÂÃÂÃÂÃÂÃÂÃÂ

ÂÃÂÃÂÃÂÃÂÃÂ

ÂÃÂÃÂÃÂÃÂÃÂ

ÂÃÂÃÂÃÂÃÂÃÂ

ÂÃÂÃÂÃÂÃÂÃÂ

ÂÃÂÃÂÃÂÃÂÃÂ

ÂÃÂÃÂÃÂÃÂÃÂ

ÂÃÂÃÂÃÂÃÂÃÂ

ÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃ

ÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃ

ÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃ

ÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃ

ÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃ

ÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃ

ÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃ

ÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃ

ÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃ

ÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃ

ÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃ

ÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃ

ÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃ

ÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃ

ÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃ

ÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃ

ÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄ

ÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄ

ÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄ

ÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄ

ÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄ

ÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄ

ÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄ

ÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄ

ÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄ

ÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄ

ÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄ

ÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄ

ÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄ

ÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄ

ÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄÃÄ

Ã…ÃÃ…ÃÃ…ÃÃ…ÃÃ…ÃÃ…

Ã…ÃÃ…ÃÃ…ÃÃ…ÃÃ…ÃÃ…

Ã…ÃÃ…ÃÃ…ÃÃ…ÃÃ…ÃÃ…

Ã…ÃÃ…ÃÃ…ÃÃ…ÃÃ…ÃÃ…

Ã…ÃÃ…ÃÃ…ÃÃ…ÃÃ…ÃÃ…

Ã…ÃÃ…ÃÃ…ÃÃ…ÃÃ…ÃÃ…

Ã…ÃÃ…ÃÃ…ÃÃ…ÃÃ…ÃÃ…

Ã…ÃÃ…ÃÃ…ÃÃ…ÃÃ…ÃÃ…

Ã…ÃÃ…ÃÃ…ÃÃ…ÃÃ…ÃÃ…

Ã…ÃÃ…ÃÃ…ÃÃ…ÃÃ…ÃÃ…

Ã…ÃÃ…ÃÃ…ÃÃ…ÃÃ…ÃÃ…

Ã…ÃÃ…ÃÃ…ÃÃ…ÃÃ…ÃÃ…

Ã…ÃÃ…ÃÃ…ÃÃ…ÃÃ…ÃÃ…

Ã…ÃÃ…ÃÃ…ÃÃ…ÃÃ…ÃÃ…

Ã…ÃÃ…ÃÃ…ÃÃ…ÃÃ…ÃÃ…

Ã…ÃÃ…ÃÃ…ÃÃ…ÃÃ…ÃÃ…

ÆÃÆÃÆÃÆÃÆÃÆ

ÆÃÆÃÆÃÆÃÆÃÆ

ÆÃÆÃÆÃÆÃÆÃÆ

ÆÃÆÃÆÃÆÃÆÃÆ

ÆÃÆÃÆÃÆÃÆÃÆ

ÆÃÆÃÆÃÆÃÆÃÆ

ÆÃÆÃÆÃÆÃÆÃÆ

ÆÃÆÃÆÃÆÃÆÃÆ

ÆÃÆÃÆÃÆÃÆÃÆ

ÆÃÆÃÆÃÆÃÆÃÆ

ÆÃÆÃÆÃÆÃÆÃÆ

ÆÃÆÃÆÃÆÃÆÃÆ

ÆÃÆÃÆÃÆÃÆÃÆ

ÆÃÆÃÆÃÆÃÆÃÆ

ÆÃÆÃÆÃÆÃÆÃÆ

ÇÃÇÃÇÃÇÃÇÃÇÃÇÃÇÃÇ

ÇÃÇÃÇÃÇÃÇÃÇÃÇÃÇÃÇ

ÇÃÇÃÇÃÇÃÇÃÇÃÇÃÇÃÇ

ÇÃÇÃÇÃÇÃÇÃÇÃÇÃÇÃÇ

ÇÃÇÃÇÃÇÃÇÃÇÃÇÃÇÃÇ

ÇÃÇÃÇÃÇÃÇÃÇÃÇÃÇÃÇ

ÇÃÇÃÇÃÇÃÇÃÇÃÇÃÇÃÇ

ÇÃÇÃÇÃÇÃÇÃÇÃÇÃÇÃÇ

ÇÃÇÃÇÃÇÃÇÃÇÃÇÃÇÃÇ

ÇÃÇÃÇÃÇÃÇÃÇÃÇÃÇÃÇ

ÇÃÇÃÇÃÇÃÇÃÇÃÇÃÇÃÇ

ÇÃÇÃÇÃÇÃÇÃÇÃÇÃÇÃÇ

ÇÃÇÃÇÃÇÃÇÃÇÃÇÃÇÃÇ

ÇÃÇÃÇÃÇÃÇÃÇÃÇÃÇÃÇ

ÇÃÇÃÇÃÇÃÇÃÇÃÇÃÇÃÇ

ÇÃÇÃÇÃÇÃÇÃÇÃÇÃÇÃÇ

ÈÃÈÃÈÃÈÃÈÃÈÃÈÃÈÃÈ

ÈÃÈÃÈÃÈÃÈÃÈÃÈÃÈÃÈ

ÈÃÈÃÈÃÈÃÈÃÈÃÈÃÈÃÈ

ÈÃÈÃÈÃÈÃÈÃÈÃÈÃÈÃÈ

ÈÃÈÃÈÃÈÃÈÃÈÃÈÃÈÃÈ

ÈÃÈÃÈÃÈÃÈÃÈÃÈÃÈÃÈ

ÈÃÈÃÈÃÈÃÈÃÈÃÈÃÈÃÈ

ÈÃÈÃÈÃÈÃÈÃÈÃÈÃÈÃÈ

ÈÃÈÃÈÃÈÃÈÃÈÃÈÃÈÃÈ

ÈÃÈÃÈÃÈÃÈÃÈÃÈÃÈÃÈ

ÈÃÈÃÈÃÈÃÈÃÈÃÈÃÈÃÈ

ÈÃÈÃÈÃÈÃÈÃÈÃÈÃÈÃÈ

ÈÃÈÃÈÃÈÃÈÃÈÃÈÃÈÃÈ

ÈÃÈÃÈÃÈÃÈÃÈÃÈÃÈÃÈ

ÈÃÈÃÈÃÈÃÈÃÈÃÈÃÈÃÈ

ÉÃÉÃÉ

ÉÃÉÃÉ

ÉÃÉÃÉ

ÉÃÉÃÉ

ÉÃÉÃÉ

ÉÃÉÃÉ

ÉÃÉÃÉ

ÉÃÉÃÉ

ÉÃÉÃÉ

ÉÃÉÃÉ

ÉÃÉÃÉ

ÉÃÉÃÉ

ÉÃÉÃÉ

ÉÃÉÃÉ

ÉÃÉÃÉ

ÊÃÊÃÊ

ÊÃÊÃÊ

ÊÃÊÃÊ

ÊÃÊÃÊ

ÊÃÊÃÊ

ÊÃÊÃÊ

ÊÃÊÃÊ

ÊÃÊÃÊ

ÊÃÊÃÊ

ÊÃÊÃÊ

ÊÃÊÃÊ

ÊÃÊÃÊ

ÊÃÊÃÊ

ÊÃÊÃÊ

ÊÃÊÃÊ

ËÃËÃËÃËÃËÃË

ËÃËÃËÃËÃËÃË

ËÃËÃËÃËÃËÃË

ËÃËÃËÃËÃËÃË

ËÃËÃËÃËÃËÃË

ËÃËÃËÃËÃËÃË

ËÃËÃËÃËÃËÃË

ËÃËÃËÃËÃËÃË

ËÃËÃËÃËÃËÃË

ËÃËÃËÃËÃËÃË

ËÃËÃËÃËÃËÃË

ËÃËÃËÃËÃËÃË

ËÃËÃËÃËÃËÃË

ËÃËÃËÃËÃËÃË

ËÃËÃËÃËÃËÃË

ÃŒÃÃŒÃÃŒÃÃŒÃÃŒÃÃŒ

ÃŒÃÃŒÃÃŒÃÃŒÃÃŒÃÃŒ

ÃŒÃÃŒÃÃŒÃÃŒÃÃŒÃÃŒ

ÃŒÃÃŒÃÃŒÃÃŒÃÃŒÃÃŒ

ÃŒÃÃŒÃÃŒÃÃŒÃÃŒÃÃŒ

ÃŒÃÃŒÃÃŒÃÃŒÃÃŒÃÃŒ

ÃŒÃÃŒÃÃŒÃÃŒÃÃŒÃÃŒ

ÃŒÃÃŒÃÃŒÃÃŒÃÃŒÃÃŒ

ÃŒÃÃŒÃÃŒÃÃŒÃÃŒÃÃŒ

ÃŒÃÃŒÃÃŒÃÃŒÃÃŒÃÃŒ

ÃŒÃÃŒÃÃŒÃÃŒÃÃŒÃÃŒ

ÃŒÃÃŒÃÃŒÃÃŒÃÃŒÃÃŒ

ÃŒÃÃŒÃÃŒÃÃŒÃÃŒÃÃŒ

ÃŒÃÃŒÃÃŒÃÃŒÃÃŒÃÃŒ

ÃŒÃÃŒÃÃŒÃÃŒÃÃŒÃÃŒ

ÃÃÃ

ÃÃÃ

ÃÃÃ

ÃÃÃ

ÃÃÃ

ÃÃÃ

ÃÃÃ

ÃÃÃ

ÃÃÃ

ÃÃÃ

ÃÃÃ

ÃÃÃ

ÃÃÃ

ÃÃÃ

ÃÃÃ

ÃŽÃÃŽ

ÃŽÃÃŽ

ÃŽÃÃŽ

ÃŽÃÃŽ

ÃŽÃÃŽ

ÃŽÃÃŽ

ÃŽÃÃŽ

ÃŽÃÃŽ

ÃŽÃÃŽ

ÃŽÃÃŽ

ÃŽÃÃŽ

ÃŽÃÃŽ

ÃŽÃÃŽ

ÃŽÃÃŽ

ÃŽÃÃŽ

ÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃ

ÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃ

ÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃ

ÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃ

ÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃ

ÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃ

ÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃ

ÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃ

ÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃ

ÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃ

ÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃ

ÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃ

ÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃ

ÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃ

ÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃ

ÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃ

ÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃ

ÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃÃ

ÑÃÑÃÑÃÑÃÑ

ÑÃÑÃÑÃÑÃÑ

ÑÃÑÃÑÃÑÃÑ

ÑÃÑÃÑÃÑÃÑ

ÑÃÑÃÑÃÑÃÑ

ÑÃÑÃÑÃÑÃÑ

ÑÃÑÃÑÃÑÃÑ

ÑÃÑÃÑÃÑÃÑ

Ã’ÃÃ’ÃÃ’ÃÃ’

Ã’ÃÃ’ÃÃ’ÃÃ’

Ã’ÃÃ’ÃÃ’ÃÃ’

Ã’ÃÃ’ÃÃ’ÃÃ’

Ã’ÃÃ’ÃÃ’ÃÃ’

Ã’ÃÃ’ÃÃ’ÃÃ’

Ã’ÃÃ’ÃÃ’ÃÃ’

ÓÃÓÃÓÃÓÃÓÃÓÃÓÃÓÃÓ

ÓÃÓÃÓÃÓÃÓÃÓÃÓÃÓÃÓ

ÓÃÓÃÓÃÓÃÓÃÓÃÓÃÓÃÓ

ÓÃÓÃÓÃÓÃÓÃÓÃÓÃÓÃÓ

ÓÃÓÃÓÃÓÃÓÃÓÃÓÃÓÃÓ

ÓÃÓÃÓÃÓÃÓÃÓÃÓÃÓÃÓ

ÓÃÓÃÓÃÓÃÓÃÓÃÓÃÓÃÓ

ÓÃÓÃÓÃÓÃÓÃÓÃÓÃÓÃÓ

ÓÃÓÃÓÃÓÃÓÃÓÃÓÃÓÃÓ

ÓÃÓÃÓÃÓÃÓÃÓÃÓÃÓÃÓ

ÓÃÓÃÓÃÓÃÓÃÓÃÓÃÓÃÓ

ÓÃÓÃÓÃÓÃÓÃÓÃÓÃÓÃÓ

ÓÃÓÃÓÃÓÃÓÃÓÃÓÃÓÃÓ

ÓÃÓÃÓÃÓÃÓÃÓÃÓÃÓÃÓ

ÓÃÓÃÓÃÓÃÓÃÓÃÓÃÓÃÓ

ÔÃÔÃÔÃÔÃÔÃÔÃÔÃÔÃÔ

ÔÃÔÃÔÃÔÃÔÃÔÃÔÃÔÃÔ

ÔÃÔÃÔÃÔÃÔÃÔÃÔÃÔÃÔ

ÔÃÔÃÔÃÔÃÔÃÔÃÔÃÔÃÔ

ÔÃÔÃÔÃÔÃÔÃÔÃÔÃÔÃÔ

ÔÃÔÃÔÃÔÃÔÃÔÃÔÃÔÃÔ

ÔÃÔÃÔÃÔÃÔÃÔÃÔÃÔÃÔ

ÔÃÔÃÔÃÔÃÔÃÔÃÔÃÔÃÔ

ÔÃÔÃÔÃÔÃÔÃÔÃÔÃÔÃÔ

ÔÃÔÃÔÃÔÃÔÃÔÃÔÃÔÃÔ

ÔÃÔÃÔÃÔÃÔÃÔÃÔÃÔÃÔ

ÔÃÔÃÔÃÔÃÔÃÔÃÔÃÔÃÔ

ÔÃÔÃÔÃÔÃÔÃÔÃÔÃÔÃÔ

ÔÃÔÃÔÃÔÃÔÃÔÃÔÃÔÃÔ

ÔÃÔÃÔÃÔÃÔÃÔÃÔÃÔÃÔ

e

c

2

c

1

Pi e c

Ic

2

Stage 1

Stage 2

Stage 4

r

e c

2

)

2

( 1 +

P i
Ac

Mo

+

S

2

r

e c

2

)

2

( 1 +

P i
Ac

P i
Ac

P i
Ac

Pi e c

1

Ic

P i
Ac

( 1 - 

r

e c

2

1

)

r

e c

2

)

2

( 1 +

P i
Ac

P i
Ac

( 1 - 

r

e c

2

1

) - Mo

S

1

- Mo

S

1

( 1 - 

r

e c

2

1

)

P i
Ac

Ac

P e

- Mo

S

( 1 - 

r

e c

2

1

)

-  Md + Ml

S

-

S

1

Mt

Ac

P e ( 1 - 

r

e c

2

1

)

Md + Ml

S

+

+ Mt

r

e c

2

)

2

( 1 +

Ac

P e

r

e c

2

)

2

( 1 +

Ac

P e

Mo

+

S

2

2

1

1

Figure 26.7: Flexural Stress Distribution for a Beam with Variable Eccentricity; Maximum
Moment Section and Support Section, (Nilson 1978)

17

Those (service) flexural stresses must be below those specified by the ACI code (where the

subscripts

c

,

t

,

i

and

s

refer to compression, tension, initial and service respectively):

f

ci

permitted concrete compression stress at initial stage

.

60

f

0

ci

f

ti

permitted concrete tensile stress at initial stage

<

3

q

f

0

ci

f

cs

permitted concrete compressive stress at service stage

.

45

f

0

c

f

ts

permitted concrete tensile stress at initial stage

6

p

f

0

c

or 12

p

f

0

c

Note that

f

ts

can reach 12

p

f

0

c

only if appropriate deflection analysis is done, because section

would be cracked.

18

Based on the above, we identify two types of prestressing:

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

26.2 Flexural Stresses

551

M

0

=

(

.

183)(40)

2

8

= 36

.

6

k.ft

(26.9-b)

The flexural stresses will thus be equal to:

f

w

0

1

,

2

=

∓

M

0

S

1

,

2

=

∓

(36

.

6)(12

,

000)

1

,

000

=

∓

439

psi

(26.10)

f

1

=

−

P

i

A

c

1

−

ec

1

r

2

−

M

0

S

1

(26.11-a)

=

−

83

−

439 =

−

522

psi

(26.11-b)

f

ti

= 3

q

f

0

c

= +190

√

(26.11-c)

f

2

=

−

P

i

A

c

1 +

ec

2

r

2

+

M

0

S

2

(26.11-d)

=

−

1

,

837 + 439 =

−

1

,

398

psi

(26.11-e)

f

ci

=

.

6

f

0

c

=

−

2

,

400

√

(26.11-f)

3.

P

e

and

M

0

. If we have 15% losses, then the effective force

P

e

is equal to (1

−

0

.

15)169 =

144

k

f

1

=

−

P

e

A

c

1

−

ec

1

r

2

−

M

0

S

1

(26.12-a)

=

−

144

,

000

176

1

−

(5

.

19)(12)

68

.

2

−

439

(26.12-b)

=

−

71

−

439 =

−

510

psi

(26.12-c)

f

2

=

−

P

e

A

c

1 +

ec

2

r

2

+

M

0

S

2

(26.12-d)

=

−

144

,

000

176

1 +

(5

.

19)(12)

68

.

2

+ 439

(26.12-e)

=

−

1

,

561 + 439 =

−

1

,

122

psi

(26.12-f)

note that

−

71 and

−

1

,

561 are respectively equal to (0

.

85)(

−

83) and (0

.

85)(

−

1

,

837)

respectively.

4.

P

e

and

M

0

+

M

DL

+

M

LL

M

DL

+

M

LL

=

(0

.

55)(40)

2

8

= 110

k.ft

(26.13)

and corresponding stresses

f

1

,

2

=

∓

(110)(12

,

000)

1

,

000

=

∓

1

,

320

psi

(26.14)

Thus,

f

1

=

−

P

e

A

c

1

−

ec

1

r

2

−

M

0

+

M

DL

+

M

LL

S

1

(26.15-a)

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

26.3 Case Study: Walnut Lane Bridge

553

80 ft

CENTER

LINE

ELEVATION  OF  BEAM  HALF

9.25’

44 ’

9.25’

BEAM  CROSS  SECTIONS

TRANSVERSE  DIAPHRAGMS

ROAD

SIDEWALK

CROSS - SECTION  OF  BRIDGE

CROSS - SECTION OF  BEAM

6’-7"

3’-3"

7"

10"

3"

6    "

3    "

7"

1/2
1/2

30"

52"

10"

7"

TRANSVERSE  DIAPHRAGM

SLOTS  FOR  CABLES

Figure 26.8: Walnut Lane Bridge, Plan View

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

Chapter 27

COLUMNS

27.1

Introduction

1

Columns resist a combination of axial

P

and flexural load

M

, (or

M

=

P e

for eccentrically

applied load).

27.1.1

Types of Columns

Types of columns, Fig.

27.1

Tied column

Spiral column

Composite column

Pipe column

tie steel

main longitudinal steel reinforcement

Figure 27.1: Types of columns

2

Lateral reinforcement, Fig.

27.2

1. Restrains longitudinal steel from outward buckling

2. Restrains Poisson’s expansion of concrete

3. Acts as shear reinforcement for horizontal (wind & earthquake) load

4. Provide ductility

very important to resist earthquake load.

background image

Draft

27.2 Short Columns

559

5

note:

1. 0.85 is obtained also from test data

2. Matches with beam theory using rect. stress block

3. Provides an adequate factor of safety

27.2.2

Eccentric Columns

5

Sources of flexure, Fig.

27.4

M

L

M

R

P

e

Figure 27.4: Sources of Bending

1. Unsymmetric moments

M

L

6

=

M

R

2. uncertainty of loads (must assume a minimum eccentricity)

3. unsymmetrical reinforcement

6

Types of Failure, Fig.

27.5

1. large eccentricity of load

⇒

failure by yielding of steel

2. small eccentricity of load

⇒

failure by crushing of concrete

3. balanced condition

7

Assumptions

A

0

s

=

A

s

;

Ï

=

A

s

bd

=

A

0

s

bd

=

f

0

s

=

f

y

27.2.2.1

Balanced Condition

8

There is one specific eccentricity

e

b

=

M

P

such that failure will be triggered by simultaneous

1. steel yielding

2. concrete crushing

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

27.2 Short Columns

561

A f

s s

ε

s

A f

s

’

s

d

d’

h/2

A’

A

s

s

b

ε

’

s

a

e

e’

0.85f’

c

P

n

c

A f

s s

c

ε

s

c

A f

s

A f

s

’

y

y

Figure 27.6: Strain and Stress Diagram of a R/C Column

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

27.2 Short Columns

571

error=0.1805
a= 20.7445
iter= 2
c=24.4053
epsi_sc=0.0015
f_sc=44.2224
f_sc=40
M_n=1.6860e+04
P_n=1.4789e+03
epsi_s=-4.1859e-04
f_s=12.1392

Failure by Tension
e=24
error=1
a=10
iter=0
iter=1
c=11.7647
epsi_sc=-6.0000e-
f_sc=-1.7400
P_n_1=504.5712
P_n_2=381.9376
a_new=7.5954
error=-0.3166
a=7.5954
iter=2
c=8.9358
epsi_sc=-0.0010
f_sc=-29.8336
P_n_1=294.2857
P_n_2=312.6867
a_new=7.9562
error=0.0453
a=7.9562
iter=2
P_n_1=294.2857

Example 27-3: R/C Column, Using Design Charts

Design the reinforcement for a column with

h

= 20

in

,

b

= 12

in

,

d

0

= 2

.

5

in

,

f

0

c

= 4

,

000

psi

,

f

y

= 60

,

000

psi

, to support

P

DL

= 56

k

,

P

LL

= 72

k

,

M

DL

= 88

k.ft

,

M

LL

= 75

k.ft

,

Solution:

1. Ultimate loads

P

u

= (1

.

4)(56) + (1

.

7)(72) = 201

k

⇒

P

n

=

201

0

.

7

= 287

k

M

u

= (1

.

4)(88) + (1

.

7)(75) = 251

k.ft

⇒

M

n

=

251

0

.

7

= 358

k.ft

(27.26)

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

Chapter 28

ELEMENTS of STRUCTURAL
RELIABILITY

28.1

Introduction

1

Traditionally, evaluations of structural adequacy have been expressed by safety factors

SF

=

C

D

, where

C

is the

capacity

(i.e. strength) and

D

is the demand (i.e. load). Whereas this

evaluation is quite simple to understand, it suffers from many limitations: it 1) treats all loads
equally; 2) does not differentiate between capacity and demands respective uncertainties; 3) is
restricted to service loads; and last but not least 4) does not allow comparison of relative reli-
abilities among different structures for different performance modes. Another major deficiency
is that all parameters are assigned a single value in an analysis which is then

deterministic

.

2

Another approach, a

probabilistic

one, extends the factor of safety concept to explicitly in-

corporate uncertainties in the parameters. The uncertainties are quantified through statistical
analysis of existing data or judgmentally assigned.

3

This chapter will thus develop a procedure which will enable the Engineer to perform a

reliability

based analysis of a structure, which will ultimately yield a

reliability index

. This is

turn is a â€œuniversal†indicator on the adequacy of a structure, and can be used as a metric to
1) assess the health of a structure, and 2) compare different structures targeted for possible
remediation.

28.2

Elements of Statistics

4

Elementary statistics formulaes will be reviewed, as they are needed to properly understand

structural reliability.

5

When a set of

N

values

x

i

is clustered around a particular one, then it may be useful to

characterize the set by a few numbers that are related to its

moments

(the sums of integer

powers of the values):

Mean:

estimates the value around which the data clusters.

µ

=

1

N

N

X

i

=1

x

i

(28.1)

background image

Draft

28.3 Distributions of Random Variables

575

Skewness:

characterizes the degree of asymmetry of a distribution around its mean. It is

defined in a non-dimensional value. A positive one signifies a distribution with an asym-
metric tail extending out toward more positive

x

Skew =

1

N

Σ

N

i

=1

x

i

−

µ

σ

3

(28.8)

Kurtosis:

is a nondimensional quantity which measures the â€œflatness†or â€œpeakedness†of a

distribution. It is normalized with respect to the curvature of a normal distribution.
Hence a negative value would result from a distribution resembling a loaf of bread, while
a positive one would be induced by a sharp peak:

Kurt =

1

N

Σ

N

i

=1

x

i

−

µ

σ

4

−

3

(28.9)

the

−

3 term makes the value zero for a normal distribution.

6

The expected value (or mean), standard deviation and coefficient of variation are interdepen-

dent: knowing any two, we can determine the third.

28.3

Distributions of Random Variables

7

Distribution of variables can be mathematically represented.

28.3.1

Uniform Distribution

8

Uniform distribution implies that any value between

x

min

and

x

max

is equaly likely to occur.

28.3.2

Normal Distribution

9

The general normal (or Gauss) distribution is given by, Fig.

28.1

:

φ

(

x

) =

1

√

2

πσ

e

−

1
2

[

x

−

µ

σ

]

2

(28.10)

10

A normal distribution

N

(

µ, Ïƒ

2

) can be normalized by defining

y

=

x

−

µ

σ

(28.11)

and

y

would have a distribution

N

(0

,

1):

φ

(

y

) =

1

√

2

Ï€

e

−

y

2

2

(28.12)

11

The normal distribution has been found to be an excellent approximation to a large class of

distributions, and has some very desirable mathematical properties:

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

28.4 Reliability Index

577

28.3.3

Lognormal Distribution

12

A random variable is lognormally distributed if the natural logarithm of the variable is

normally distributed.

13

It provides a reasonable shape when the coefficient of variation is large.

28.3.4

Beta Distribution

14

Beta distributions are very flexible and can assume a variety of shapes including the normal

and uniform distributions as special cases.

15

On the other hand, the beta distribution requires four parameters.

16

Beta distributions are selected when a particular shape for the probability density function

is desired.

28.3.5

BiNormal distribution

28.4

Reliability Index

28.4.1

Performance Function Identification

17

Designating

F

the capacity to demand ratio

C/D

(or

performance function

), in general

F

is a function of one or more variables

x

i

which describe the geometry, material, loads, and

boundary conditions

F

=

F

(

x

i

)

(28.17)

and thus

F

is in turn a random variable with its own probability distribution function, Fig.

28.2

.

18

A performance function evaluation typically require a structural analysis, this may range

from a simple calculation to a detailled finite element study.

28.4.2

Definitions

19

Reliability indices,

β

are used as a relative measure of the reliability or confidence in the

ability of a structure to perform its function in a satisfactory manner. In other words they are
a measure of the performance function.

20

Probabilistic methods are used to systematically evaluate uncertainties in parameters that

affect structural performance, and there is a relation between the reliability index and risk.

21

Reliability index is defined in terms of the performance function capacity

C

, and the applied

load or demand

D

. It is assumed that both

C

and

D

are

random variables

.

22

The

safety margin

is defined as

Y

=

C

−

D

. Failure would occur if

Y <

0 Next,

C

and

D

can be combined and the result expressed logarithmically, Fig.

28.2

.

X

= ln

C

D

(28.18)

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

28.4 Reliability Index

579

30

The objective is to determine the mean and standard deviation of the performance function

defined in terms of

C/D

.

31

Those two parameters, in turn, will later be required to compute the reliability index.

28.4.3.1

Direct Integration

32

Given a function random variable

x

, the mean value of the function is obtained by integrating

the function over the probability distribution function of the random variable

µ

[

F

(

x

)] =

Z

∞

−∞

g

(

x

)

f

(

x

)

dx

(28.21)

33

For more than one variable,

µ

[

F

(

x

)] =

Z

∞

−∞

Z

∞

−∞

· Â· Â·

Z

∞

−∞

F

(

x

1

, x

2

,

· Â· Â·

, x

n

)

F

(

x

1

, x

2

,

· Â· Â·

, x

n

)

dx

1

dx

2

· Â· Â·

dx

n

(28.22)

34

Note that in practice, the function

F

(

x

) is very rarely available for practical problems, and

hence this method is seldom used.

28.4.3.2

Monte Carlo Simulation

35

The performance function is evaluated for many possible values of the random variables.

36

Assuming that all variables have a normal distribution, then this is done through the following

algorithm

1. initialize random number generators

2. Perform

n

analysis, for each one:

(a) For each variable, determine a random number for the given distribution

(b) Transform the random number

(c) Analyse

(d) Determine the performance function, and store the results

3. From all the analyses, determine the mean and the standard deviation, compute the

reliability index.

4. Count the number of analyses,

n

f

which performance function indicate failure, the likeli-

hood of structural failure will be

p

(

f

) =

n

f

/n

.

37

A sample program (all subroutines are taken from (Press, Flannery, Teukolvsky and Vetterling

1988) which generates

n

normally distributed data points, and then analyze the results, deter-

mines mean and standard deviation, and sort them (for histogram plotting), is shown below:

program nice
parameter(ns=100000)
real x(ns), mean, sd
write(*,*)’enter mean, standard-deviation and n â€™
read(*,*)mean,sd,n

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

28.4 Reliability Index

581

ix3=mod(ia3*ix3+ic3,m3)
j=1+(97*ix3)/m3
if(j.gt.97.or.j.lt.1)pause
ran1=r(j)
r(j)=(float(ix1)+float(ix2)*rm2)*rm1
return
end

c-----------------------------------------------------------------------------

subroutine moment(data,n,ave,adev,sdev,var,skew,curt)

c given array of data of length N, returns the mean AVE, average
c

deviation ADEV, standard deviation SDEV, variance VAR, skewness SKEW,

c

and kurtosis CURT

dimension data(n)
if(n.le.1)pause â€™n must be at least 2’
s=0.
do 11 j=1,n

s=s+data(j)

11

continue
ave=s/n
adev=0.
var=0.
skew=0.
curt=0.
do 12 j=1,n

s=data(j)-ave
adev=adev+abs(s)
p=s*s
var=var+p
p=p*s
skew=skew+p
p=p*s
curt=curt+p

12

continue
adev=adev/n
var=var/(n-1)
sdev=sqrt(var)
if(var.ne.0.)then

skew=skew/(n*sdev**3)
curt=curt/(n*var**2)-3.

else

pause â€™no skew or kurtosis when zero variance’

endif
return
end

c------------------------------------------------------------------------------

subroutine sort(n,ra)
dimension ra(n)
l=n/2+1
ir=n

10

continue

if(l.gt.1)then

l=l-1
rra=ra(l)

else

rra=ra(ir)
ra(ir)=ra(1)
ir=ir-1
if(ir.eq.1)then

ra(1)=rra

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

28.4 Reliability Index

583

42

This is accomplished by limiting ourselves to all possible combinations of

µ

i

±

σ

i

.

43

For each analysis we determine SFF, as well as its logarithm.

44

Mean and standard deviation of the logarithmic values are then determined from the 2

n

analyses, and then

β

is the ratio of the mean to the standard deviation.

28.4.3.4

Taylor’s Series-Finite Difference Estimation

45

In the previous method, we have cut down the number of deterministic analyses to 2

n

, in the

following method, we reduce it even further to 2

n

+ 1, (US Army Corps of Engineers 1992, US

Army Corps of Engineers 1993, Bryant, Brokaw and Mlakar 1993).

46

This simplified approach starts with the first order Taylor series expansion of Eq.

28.17

about the mean and limited to linear terms, (Benjamin and Cornell 1970).

µ

F

=

F

(

µ

i

)

(28.23)

where

µ

i

is the mean for all random variables.

47

For independent random variables, the variance can be approximated by

V ar

(

F

) =

σ

2

F

=

X

∂F

∂x

i

σ

i

2

(28.24-a)

∂F

∂x

i

≈

F

+

i

−

F

−

i

2

σ

i

(28.24-b)

F

+

i

=

F

(

µ

1

,

· Â· Â·

, Âµ

i

+

σ

i

,

· Â· Â·

, Âµ

n

)

(28.24-c)

F

−

i

=

F

(

µ

1

,

· Â· Â·

, Âµ

i

−

σ

i

,

· Â· Â·

, Âµ

n

)

(28.24-d)

where

σ

i

are the standard deviations of the variables. Hence,

σ

F

=

X

 

F

+

i

−

F

−

i

2

!

(28.25)

Finally, the reliability index is given by

β

=

ln

µ

F

σ

F

(28.26)

48

The procedure can be summarized as follows:

1. Perform an initial analysis in which all variables are set equal to their mean value. This

analysis provides the mean

µ

.

2. Perform 2

n

analysis, in which all variables are set equal to their mean values, except

variable

i

, which assumes a value equal to

µ

i

+

σ

i

, and then

µ

i

−

σ

i

.

3. For each pair of analysis in which variable

x

i

is modified, determine

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

28.5 Reliability Analysis

585

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

β

10

0

10

1

10

2

10

3

10

4

10

5

10

6

10

7

1/(Probability of Failure)

Probability of Failure in terms of 

β

Good

Hazardous

Unsatisfactory

Poor

Below Average

Above Average

Figure 28.3: Probability of Failure in terms of

β

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

Chapter 29

DESIGN II

29.1

Frames

29.1.1

Beam Column Connections

1

The connection between the beam and the column can be, Fig.

33.1

:

θ

b

θ

c

θ

b

θ

c

θ

b

θ

c

=

θ

b

θ

c

=

θ

b

θ

c

=

θ

θ

θ

θ

b

b

c

c

M=K(

-

)

s

s

Flexible

Rigid

Semi-Flexible

Figure 29.1: Flexible, Rigid, and Semi-Flexible Joints

Flexible

that is a hinge which can transfer forces only. In this case we really have cantiliver

action only. In a flexible connection the column and beam end moments are both equal
to zero,

M

col

=

M

beam

= 0. The end rotation are not equal,

θ

col

6

=

θ

beam

.

Rigid:

The connection is such that

θ

beam

=

θ

col

and moment can be transmitted through the

connection. In a rigid connection, the end moments and rotations are equal (unless there
is an externally applied moment at the node),

M

col

=

M

beam

6

= 0,

θ

col

=

θ

beam

.

Semi-Rigid:

The end moments are equal and not equal to zero, but the rotation are different.

θ

beam

6

=

θ

col

,

M

col

=

M

beam

6

= 0. Furthermore, the difference in rotation is resisted by

the spring

M

spring

=

K

spring

(

θ

col

−

θ

beam

).

29.1.2

Behavior of Simple Frames

2

For vertical load across the beam rigid connection will reduce the maximum moment in the

beam (at the expense of a negative moment at the ends which will in turn be transferred to

background image

Draft

29.1 Frames

589

w

P

w/2

-w/2

w/2

-w/2

w/2

-w/2

w/2

M’

M’

M’/L

-M’/L

M’/L

-M’/L

a

b

h

L

c

d

e

f

g

h

i

j

k

l

p

M

w/2

w/2

M’

-M’/L

p

-M’/L

p

w/2

-w/2

M/h

-M/h

p/2

p/2

-M/L

w/2

-w/2

0.36M/h

-0.36M/h

-M/L

p/2

p/2

-w/2

0.68M/h

-0.5M’/L

p/2

p/2

M

M

w/2

w/2

w/2

w/2

M

M

M/h

w/2

w/2

M’/2

M’/2

p/2

M/L

-M/L

0.4M

0.4M

0.64M

0.4M/h

w/2

w/2

M’/2

p/2

-M’/L

M’/L

0.55M

0.45M

M’/4

M’/4

M’/4

0.68M/h

p/2

w/2

w/2

M’/2L

-M’/2L

POST AND BEAM STRUCTURE

SIMPLE BENT FRAME

THREE-HINGE PORTAL

THREE-HINGE PORTAL

TWO-HINGE FRAME

RIGID FRAME

-0.68M/h

M’/4

0.45M

M’/2

Deformation

Shear

Moment

Axial

Frame Type

W=wL,  M=wL/8,  M’=Ph

2

Figure 29.3: Deformation, Shear, Moment, and Axial Diagrams for Various Types of Portal
Frames Subjected to Vertical and Horizontal Loads

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

29.1 Frames

591

29.1.4

Design of a Statically Indeterminate Arch

Adapted from (Kinney 1957)

Design a two-hinged, solid welded-steel arch rib for a hangar. The moment of inertia of the

rib is to vary as necessary. The span, center to center of hinges, is to be 200 ft. Ribs are to be
placed 35 ft center to center, with a rise of 35 ft. Roof deck, purlins and rib will be assumed to
weight 25 lb/ft

2

on roof surface, and snow will be assumed at 40 lb/ft

2

of this surface. Twenty

purlins will be equally spaced around the rib.

Figure 29.5: Design of a Statically Indeterminate Arch

1. The center line of the rib will be taken as the segment of a circle. By computation the

radius of this circle is found to be 160.357 ft, and the length of the

arc AB

to be 107.984

ft.

2. For the analysis the arc

AB

will be considered to be divided into ten segments, each with

a length of 10.798 ft. Thus a concentrated load is applied to the rib by the purlins framing
at the center of each segment. (The numbered segments are indicated in Fig.

??

.

3. Since the total dead and snow load is 65 lb/ft

2

of roof surface, the value of each concen-

trated force will be

P

= 10

.

798

×

35

×

65 = 24

.

565

k

(29.8)

4. The computations necessary to evaluate the coodinates of the centers of the various seg-

ments, referred to the hinge at

A

, are shown in Table

29.1

Also shown are the values of

∆

x

, the horizontal projection of the distance between the centers of the several segments.

5. If experience is lacking and the designing engineer is therefore at a loss as to the initial

assumptions regarding the sectional variation along the rib, it is recommended that the

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

29.1 Frames

593

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

Shear

M

to

M

simple

Segment

x

y

=

δM

right

∆

x

increment

beam

M Î´M

δM M

(ft)

(ft

·

k)

(k)

(ft)

(ft

·

k)

(ft

·

k)

A

0.0

0.0

245.650

1

4.275

3.29

221.085

4.275

1,050

1,050

3,500

10.9

2

13.149

9.44

196.520

8.874

1,962

3,010

28,400

89.2

3

22.416

14.98

171.955

9.267

1,821

4,830

72,400

224.4

4

32.034

19.88

147.390

9.618

1,654

6,490

129,100

395.4

5

41.960

24.13

122.825

9.926

1,463

7,950

191,800

582.2

6

52.149

27.69

98.260

10.189

1,251

9,200

254,800

767.0

7

62.557

30.57

73.695

10.408

1,023

10,220

312,400

934.4

8

73.134

32.73

49.130

10.577

779

11,000

360,000

1,071.4

9

83.831

34.18

24.565

10.697

526

11,530

394,100

1,168.4

10

94.601

34.91

0.000

10.770

265

11,790

411,600

1,218.6

Crown

100.00

35.00

5.399

0

11,790

P

2,158,100

6,461.9

Table 29.2: Calculation of Horizontal Force

M

simple

Total

M

Segment

y

beam

H

A

y

at segment

(ft)

(ft

·

k)

(ft

·

k)

(ft

·

k)

A

0

1

3.29

1,050

–1,100

–50

2

9.44

3,010

–3,150

–140

3

14.98

4,830

–5,000

–170

4

19.88

6,490

–6,640

–150

5

24.13

7,950

–8,060

–110

6

27.69

9,200

–9,250

–50

7

30.57

10,220

–10,210

+10

8

32.73

11,000

–10,930

+70

9

34.18

11,530

–11,420

+110

10

34.19

11,790

–11,660

+130

Crown

35.00

11,790

–11,690

+100

Table 29.3: Moment at the Centers of the Ribs

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

29.1 Frames

595

Segment

V

(k)

V

cos

α

−

H

sin

α

=

S

(k)

V

sin

α

+

H

cos

α

=

N

(k)

A

245.6

192

-208

= -16

153

+ 261

= 414

1

221.1

177

-199

= -22

132

+268

= 400

2

196.5

165

-181

= -16

106

+281

= 387

3

172.0

150

-162

= -12

83

+292

= 375

4

147.4

133

-142

= -9

62

+303

= 365

5

122.8

114

-121

= -7

44

+311

= 355

6

98.3

94

-100

= -6

29

+319

= 348

7

73.7

72

-78

= -6

17

+325

= 342

8

49.1

48

-56

= -8

8

+329

= 337

9

24.6

244

-34

= -10

2

+332

= 334

10

0.0

0

-11

= -11

0

+334

= 334

Crown

+334

= 334

Table 29.4: Values of Normal and Shear Forces

3 to the crown is made to vary linerarly. The adequacies of the sections thus determined
for the centers of the several segments are checked in Table

29.5

.

17. It is necessary to recompute the value of

H

A

because the rib now has a varying moment

of inertia. Equation

29.11

must be altered to include the

I

of each segment and is now

written as

H

A

=

−

P

M Î´M /I

P

δM M /I

(29.14)

18. The revised value for

H

A

is easily determined as shown in Table

29.6

Note that the

values in column (2) are found by dividing the values of

M Î´M

for the corresponding

segments in column (8) of Table

29.2

by the total

I

for each segment as shown in Table

29.5

The values in column (3) of Table

29.6

are found in a similar manner from the

values in column (9) of Table

29.2

The simple beam moments in column (5) of Table

29.6

are taken directly from column (7) of Table

29.2

.

19. Thus the revised

H

A

is

H

A

=

−

2

P

M Î´M /I

2

P

δM M /I

=

−

f rac

2

×

1

,

010

.

852

×

3

.

0192 =

−

334

.

81

k

(29.15)

20. The revised values for the axial thrust

N

at the centers of the various segments are

computed in Table

29.7

.

21. The sections previously designed at the centers of the segments are checked for adequacy

in Table

29.8

From this table it appears that all sections of the rib are satisfactory.

This cannot be definitely concluded, however, until the secondary stresses caused by the
deflection of the rib are investigated.

29.1.5

Temperature Changes in an Arch

Adapted from (Kinney 1957)

Determine the effects of rib shortening and temperature changes in the arch rib of Fig.

29.5

.

Consider a temperature drop of 100

â—¦

F.

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

Chapter 30

Case Study I: EIFFEL TOWER

Adapted from (Billington and Mark 1983)

30.1

Materials, & Geometry

1

The tower was built out of wrought iron, less expensive than steel,and Eiffel had more ex-

pereince with this material, Fig.

30.1

            

Figure 30.1: Eiffel Tower (Billington and Mark 1983)

background image

Draft

30.2 Loads

605

Width

Location

Height

Width/2

Estimated

Actual

dy
dx

β

Support

0

164

328

.333

18.4

o

First platform

186

108

216

240

.270

15.1

o

second platform

380

62

123

110

.205

11.6

o

Intermediate platform

644

20

40

.115

6.6

o

Top platform

906

1

2

.0264

1.5

o

Top

984

0

0

0.000

0

o

4

The tower is supported by four inclined supports, each with a cross section of 800

in

2

. An

idealization of the tower is shown in Fig.

30.2

.

ACTUAL

CONTINUOUS

CONNECTION

ACTUAL

POINTS OF

CONNECTION

CONTINUOUS

CONNECTION

IDEALIZED

Figure 30.2: Eiffel Tower Idealization, (Billington and Mark 1983)

30.2

Loads

5

The total weight of the tower is 18

,

800

k

.

6

The dead load is not uniformly distributed, and is approximated as follows, Fig.

30.3

:

            

Figure 30.3: Eiffel Tower, Dead Load Idealization; (Billington and Mark 1983)

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

Chapter 31

Case Study II: GEORGE
WASHINGTON BRIDGE

31.1

Theory

1

Whereas the forces in a cable can be determined from statics alone, its configuration must

be derived from its deformation. Let us consider a cable with distributed load

p

(

x

)

per unit

horizontal projection

of the cable length (thus neglecting the weight of the cable). An

infinitesimal portion of that cable can be assumed to be a straight line, Fig.

31.1

and in the

absence of any horizontal load we have

H

=constant. Summation of the vertical forces yields

(+

?

) Î£

F

y

= 0

⇒ âˆ’

V

+

wdx

+ (

V

+

dV

) = 0

(31.1-a)

dV

+

wdx

= 0

(31.1-b)

where

V

is the vertical component of the cable tension at

x

(Note that if the cable was

subjected to its own weight then we would have

wds

instead of

wdx

). Because the cable must

be tangent to

T

, we have

tan

θ

=

V

H

(31.2)

Substituting into Eq.

31.1-b

yields

d

(

H

tan

θ

) +

wdx

= 0

⇒ âˆ’

d

dx

(

H

tan

θ

) =

w

(31.3)

2

But

H

is constant (no horizontal load is applied), thus, this last equation can be rewritten as

−

H

d

dx

(tan

θ

) =

w

(31.4)

3

Written in terms of the vertical displacement

v

, tan

θ

=

dv
dx

which when substituted in Eq.

31.4

yields the

governing equation for cables

−

Hv

00

=

w

(31.5)

4

For a cable subjected to a uniform load

w

, we can determine its shape by double integration

of Eq.

31.5

−

Hv

0

=

wx

+

C

1

(31.6-a)

background image

Draft

31.1 Theory

613

−

Hv

=

wx

2

2

+

C

1

x

+

C

2

(31.6-b)

and the constants of integrations

C

1

and

C

2

can be obtained from the boundary conditions:

v

= 0 at

x

= 0 and at

x

=

L

⇒

C

2

= 0 and

C

1

=

−

wL

2

. Thus

v

=

w

2

H

x

(

L

−

x

)

(31.7)

This equation gives the shape

v

(

x

) in terms of the horizontal force

H

,

5

Since the maximum sag

h

occurs at midspan (

x

=

L

2

) we can solve for the horizontal force

H

=

wL

2

8

h

(31.8)

we note the analogy with the maximum moment in a simply supported uniformly loaded beam

M

=

Hh

=

wL

2

8

. Furthermore, this relation clearly shows that the horizontal force is inversely

proportional to the sag

h

, as

h

&

H

%

. Finally, we can rewrite this equation as

r

def

=

h

L

(31.9-a)

wL

H

=

8

r

(31.9-b)

6

Eliminating

H

from Eq.

31.7

and

31.8

we obtain

v

= 4

h

 

−

x

2

L

2

+

x

L

!

(31.10)

Thus the cable assumes a parabolic shape (as the moment diagram of the applied load).

7

Whereas the horizontal force

H

is constant throughout the cable, the tension

T

is not. The

maximum tension occurs at the support where the vertical component is equal to

V

=

wL

2

and

the horizontal one to

H

, thus

T

max =

p

V

2

+

H

2

=

s

wL

2

2

+

H

2

=

H

s

1 +

wL/

2

H

2

(31.11)

Combining this with Eq.

31.8

we obtain

1

.

T

max =

H

p

1 + 16

r

2

≈

H

(1 + 8

r

2

)

(31.12)

8

Had we assumed a uniform load

w

per length of cable

(rather than horizontal projection),

the equation would have been one of a catenary

2

.

v

=

H

w

cosh

w

H

L

2

−

x

+

h

(31.13)

The cable between transmission towers is a good example of a catenary.

1

Recalling that (

a

+

b

)

n

=

a

n

+

na

n

−

1

b

+

n

(

n

−

1)

2!

a

n

−

2

b

2

+

·

or (1 +

b

)

n

= 1 +

nb

+

n

(

n

−

1)

b

2

2!

+

n

(

n

−

1)(

n

−

2)

b

3

3!

+

· Â· Â·

;

Thus for

b

2

<<

1,

√

1 +

b

= (1 +

b

)

1
2

≈

1 +

b

2

2

Derivation of this equation is beyond the scope of this course.

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

Chapter 32

Case Study III: MAGAZINI
GENERALI

Adapted from (Billington and Mark 1983)

32.1

Geometry

1

This sotrage house, built by Maillart in Chiasso in 1924, provides a good example of the

mariage between aesthetic and engineering.

2

The most strking feature of the Magazini Generali is not the structure itself, but rather the

shape of its internal supporting frames, Fig.

32.1

.

3

The frame can be idealized as a simply supported beam hung from two cantilever column

supports. Whereas the beam itself is a simple structural idealization, the overhang is designed
in such a way as to minimize the net moment to be transmitted to the supports (foundations),
Fig.

32.2

.

32.2

Loads

4

The load applied on the frame is from the weights of the roof slab, and the frame itself. Given

the space between adjacent frames is 14.7 ft, and that the roof load is 98

psf

, and that the

total frame weight is 13.6 kips, the total uniform load becomes, Fig.

32.3

:

q

roof

= (98)

psf

(14

.

7)

ft

= 1

.

4

k/ft

(32.1-a)

q

f rame

=

(13

.

6)

k

(63

.

6)

ft

= 0

.

2

k/ft

(32.1-b)

q

total

= 1

.

4 + 0

.

2 = 1.6

k/ft

(32.1-c)

background image

Draft

32.3 Reactions

623

ROOF

q        = 1.4 k/ft

FRAME

 +  q          = 0.2 k/ft

ROOF

q        = 1.4 k/ft

FRAME

q         = 1.6 k/ft

TOTAL

 +  q          = 0.2 k/ft

Figure 32.3: Magazzini Generali; Loads (Billington and Mark 1983)

32.3

Reactions

5

Reactions for the beam are determined first taking advantage of symmetry, Fig.

32.4

:

W

= (1

.

6)

k/ft

(63

.

6)

ft

= 102

k

(32.2-a)

R

=

W

2

=

102

2

= 51

k

(32.2-b)

We note that these reactions are provided by the internal shear forces.

63.6 ft

51 k

51 k

TOTAL

q         = 1.6 k/ft

Figure 32.4: Magazzini Generali; Beam Reactions, (Billington and Mark 1983)

32.4

Forces

6

The internal forces are pimarily the shear and moments. Those can be easily determined for

a simply supported uniformly loaded beam. The shear varies linearly from 51 kip to -51 kip
with zero at the center, and the moment diagram is parabolic with the maximum moment at
the center, Fig.

32.5

equal to:

M

max

=

qL

2

8

=

(1

.

6)

k/ft

(63

.

6)

ft

2

8

= 808

k.ft

(32.3)

7

The externally induced moment at midspan must be resisted by an equal and opposite internal

moment. This can be achieved through a combination of compressive force on the upper fibers,
and tensile ones on the lower. Thus the net axial force is zero, however there is a net internal
couple, Fig.

32.6

.

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

Chapter 33

BUILDING STRUCTURES

33.1

Introduction

33.1.1

Beam Column Connections

1

The connection between the beam and the column can be, Fig.

33.1

:

θ

b

θ

c

θ

b

θ

c

θ

b

θ

c

=

θ

b

θ

c

=

θ

b

θ

c

=

θ

θ

θ

θ

b

b

c

c

M=K(

-

)

s

s

Flexible

Rigid

Semi-Flexible

Figure 33.1: Flexible, Rigid, and Semi-Flexible Joints

Flexible

that is a hinge which can transfer forces only. In this case we really have cantiliver

action only. In a flexible connection the column and beam end moments are both equal
to zero,

M

col

=

M

beam

= 0. The end rotation are not equal,

θ

col

6

=

θ

beam

.

Rigid:

The connection is such that

θ

beam

=

θ

col

and moment can be transmitted through the

connection. In a rigid connection, the end moments and rotations are equal (unless there
is an externally applied moment at the node),

M

col

=

M

beam

6

= 0,

θ

col

=

θ

beam

.

Semi-Rigid:

The end moments are equal and not equal to zero, but the rotation are different.

θ

beam

6

=

θ

col

,

M

col

=

M

beam

6

= 0. Furthermore, the difference in rotation is resisted by

the spring

M

spring

=

K

spring

(

θ

col

−

θ

beam

).

33.1.2

Behavior of Simple Frames

2

For vertical load across the beam rigid connection will reduce the maximum moment in the

beam (at the expense of a negative moment at the ends which will in turn be transferred to

background image

Draft

33.1 Introduction

629

w

P

w/2

-w/2

w/2

-w/2

w/2

-w/2

w/2

M’

M’

M’/L

-M’/L

M’/L

-M’/L

a

b

h

L

c

d

e

f

g

h

i

j

k

l

p

M

w/2

w/2

M’

-M’/L

p

-M’/L

p

w/2

-w/2

M/h

-M/h

p/2

p/2

-M/L

w/2

-w/2

0.36M/h

-0.36M/h

-M/L

p/2

p/2

-w/2

0.68M/h

-0.5M’/L

p/2

p/2

M

M

w/2

w/2

w/2

w/2

M

M

M/h

w/2

w/2

M’/2

M’/2

p/2

M/L

-M/L

0.4M

0.4M

0.64M

0.4M/h

w/2

w/2

M’/2

p/2

-M’/L

M’/L

0.55M

0.45M

M’/4

M’/4

M’/4

0.68M/h

p/2

w/2

w/2

M’/2L

-M’/2L

POST AND BEAM STRUCTURE

SIMPLE BENT FRAME

THREE-HINGE PORTAL

THREE-HINGE PORTAL

TWO-HINGE FRAME

RIGID FRAME

-0.68M/h

M’/4

0.45M

M’/2

Deformation

Shear

Moment

Axial

Frame Type

W=wL,  M=wL/8,  M’=Ph

2

Figure 33.3: Deformation, Shear, Moment, and Axial Diagrams for Various Types of Portal
Frames Subjected to Vertical and Horizontal Loads

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

33.2 Buildings Structures

631

33.2

Buildings Structures

11

There are three primary types of building systems:

Wall Subsytem:

in which very rigid walls made up of solid masonry, paneled or braced timber,

or steel trusses constitute a rigid subsystem. This is only adequate for small rise buildings.

Vertical Shafts:

made up of four solid or trussed walls forming a tubular space structure. The

tubular structure may be interior (housing elevators, staircases) and/or exterior. Most
efficient for very high rise buildings.

Rigid Frame:

which consists of linear vertical components (columns) rigidly connected to stiff

horizontal ones (beams and girders). This is not a very efficient structural form to resist
lateral (wind/earthquake) loads.

33.2.1

Wall Subsystems

12

Whereas exterior wall provide enclosure and interior ones separation, both of them can also

have a structural role in trnsfering vertical and horizontal loads.

13

Walls are constructed out of masonry, timber concrete or steel.

14

If the wall is braced by floors, then it can provide an excellent resitance to horizontal load

in the plane of the wall (but not orthogonal to it).

15

When shear-walls subsytems are used, it is best if the center of orthogonal shear resistance

is close to the centroid of lateral loads as applied. If this is not the case, then there will be
torsional design problems.

33.2.1.1

Example: Concrete Shear Wall

From (Lin and Stotesbury 1981)

16

We consider a reinforced concrete wall 20 ft wide, 1 ft thick, and 120 ft high with a vertical

load of 400 k acting on it at the base. As a result of wind, we assume a uniform horizontal
force of 0.8 kip/ft of vertical height acting on the wall. It is required to compute the flexural
stresses and the shearing stresses in the wall to resist the wind load, Fig.

33.5

.

1. Maximum shear force and bending moment at the base

V

max

=

wL

= (0

.

8)

k.ft

(120)

ft

= 96

k

(33.8-a)

M

max

=

wL

2

2

=

(0

.

8)

k.ft

(120)

2

ft

2

2

= 5

,

760

k.ft

(33.8-b)

2. The resulting eccentricity is

e

Actual

=

M

P

=

(5

,

760)

k.ft

(400)

k

= 14

.

4

ft

(33.9)

3. The critical eccentricity is

e

cr

=

L

6

=

(20)

ft

6

= 3

.

3

ft

< e

Actual

N.G.

(33.10)

thus there will be tension at the base.

Victor Saouma

Structural Engineering

background image

Draft

33.2 Buildings Structures

633

9. The compressive stress of 740 psi can easily be sustained by concrete, as to the tensile

stress of 460 psi, it would have to be resisted by some steel reinforcement.

10. Given that those stresses are

service

stresses and not factored ones, we adopt the WSD

approach, and use an allowable stress of 20 ksi, which in turn will be increased by 4

/

3 for

seismic and wind load,

σ

all

=

4
3

(20) = 26

.

7

ksi

(33.16)

11. The stress distribution is linear, compression at one end, and tension at the other. The

length of the tension area is given by (similar triangles)

x

460

=

20

460 + 740

⇒

x

=

460

460 + 740

(20) = 7

.

7

ft

(33.17)

12. The total tensile force inside this triangular stress block is

T

=

1
2

(460)

ksi

(7

.

7

×

12)

in

(12)

in

| {z }

width

= 250

k

(33.18)

13. The total amount of steel reinforcement needed is

A

s

=

(250)

k

(26

.

7)

ksi

= 9

.

4

in

2

(33.19)

This amount of reinforcement should be provided at both ends of the wall since the wind
or eartquake can act in any direction. In addition, the foundations should be designed to
resist tensile uplift forces (possibly using piles).

33.2.1.2

Example: Trussed Shear Wall

From (Lin and Stotesbury 1981)

17

We consider the same problem previously analysed, but use a trussed shear wall instead of

a concrete one, Fig.

33.6

.

1. Using the maximum moment of 5

,

760 kip-ft (Eq.

33.8-b

), we can compute the compression

and tension in the columns for a lever arm of 20 ft.

F

=

±

(5

,

760)

k.ft

(20)

ft

=

±

288

k

(33.20)

2. If we now add the effect of the 400 kip vertical load, the forces would be

C

=

−

(400)

k

2

−

288 =

−

488

k

(33.21-a)

T

=

−

(400)

k

2

+ 288 = 88

k

(33.21-b)

3. The force in the diagonal which must resist a base shear of 96 kip is (similar triangles)

F

96

=

p

(20)

2

+ (24)

2

20

⇒

F

=

p

(20)

2

+ (24)

2

20

(96) = 154

k

(33.22)

4. The design could be modified to have no tensile forces in the columns by increasing the

width of the base (currently at 20 ft).

Victor Saouma

Structural Engineering


Document Outline