earthquake engineering

67
Architect's and Engineer's Meet at Patiala 27 th  Aug. 2007 Dr. Hardeep Singh Rai Professor and Head, Civil Engg. Dept. Guru Nanak Dev Engg. College - Ludhiana Essentials of Earthquake Engineering for Architects and Engineers

Upload: hardeep-rai

Post on 06-May-2015

9.227 views

Category:

Technology


3 download

DESCRIPTION

Essentials of Earthquake Engineering for Architects and Engineers

TRANSCRIPT

Page 1: Earthquake Engineering

Architect's and Engineer's Meet at Patiala27th Aug. 2007 

Dr. Hardeep Singh RaiProfessor and Head, Civil Engg. Dept.

Guru Nanak Dev Engg. College ­ Ludhiana

Essentials of Earthquake Engineering for Architects and 

Engineers

Page 2: Earthquake Engineering

Agenda:

● Vulnerable environment● Govt's role● Professional's role● Planning● Design● Construction

Page 3: Earthquake Engineering

India

● One of the most disaster prone countries● 85% area is vulnerable to one or multiple 

disasters● 57% area is in high seismic zone

Page 4: Earthquake Engineering

Govt's contribution

● Prepration of standards● IS 1893: Criteria for Earthquake Resistant 

Design of Structures– 1962:  `Recommendations for Earthquake 

Resistant Design of Structures'– Revised in 1966, 1970, 1975, 1984

● 2002: (Part 1) General provisions and Buildings;  2005 (4) Industrial Structures Including Stack Like Structures

Page 5: Earthquake Engineering

Govt's contribution (contd.)

● Part 2: Liquid Retaining Tanks – Elevated and Ground Supported

● Part 3: Bridges and Retaining Walls● Part 5: Dams and Embankments● IS 4326:1993  Earthquake Resistant Design 

and Construction of Buildings ­ Code of  Practice

Page 6: Earthquake Engineering

Govt's contribution (contd.)

● IS 13828:1993  Improving Earthquake Resistance of Low Strength Masonry Buildings – Guidelines

● IS 13920:1993  Ductile Detailing of Reinforced Concrete Structures Subjected to Seismic Forces – Code of Practice

●  IS 13935:1993  Repair and Seismic Strengthening of Buildings – Guidelines

Page 7: Earthquake Engineering

IS: 4326 Eq. Res. D&C bldgs CP

● General Principles:– Lightness– Continuity of constrction– Projecting and suspended parts– Configuration– Strength in various directions– Foundations– Ductility– Damage to non­structural parts– Fire safety

Page 8: Earthquake Engineering

Affect of Architectural Features on Bld during EQ

Size of the Building

Page 9: Earthquake Engineering

Affect of Architectural Features on Bld during EQ

 * If we have a poor configuration to start with, all the engineer can do is to provide a band­aid – improve  a  basically  poor  solution  as  best  as he  can.  Conversely,  if  we  start­off  with  a good  configuration  and  reasonable  framing system, even a poor engineer cannot harm its ultimate performance too much.

­­ Henry Degenkolb

Page 10: Earthquake Engineering

Affect of Architectural Features on Bld during EQ

Horizontal layout of the  building

Page 11: Earthquake Engineering

Affect of Architectural Features on Bld during EQ Vertical layout of buildings

Page 12: Earthquake Engineering

Affect of Architectural Features on Bld during EQ Adjacency of Buildings

Page 13: Earthquake Engineering
Page 14: Earthquake Engineering
Page 15: Earthquake Engineering
Page 16: Earthquake Engineering

What are the Seismic Effects on Structure

Horizontal and Vertical Shaking

Page 17: Earthquake Engineering
Page 18: Earthquake Engineering

Affect of Architectural Features on Bld during EQ

Suggestions●Architectural  features  detrimental  to  EQ  response  of  building should be avoided. If not they must be minimised

●In  case  irregular  features  included  in  building  higher  level  of engineering efforts is required in structural design

●Decision made at the planning stage on building configuration are very important

●Building  with  simple  architectural  feature  will  always  behave better during EQ

Page 19: Earthquake Engineering

How building twists during Earthquake

Contd………

Page 20: Earthquake Engineering

Severity of ground shaking at a given location during an earthquake can be minor, moderate and strong. 

Relatively speaking, minor shaking occurs frequently, moderate shaking occasionally and strong shaking rarely.

 For instance, on average annually about 800 earthquakes of magnitude 5.0­5.9 occur in the world while the number is only about 18 for magnitude range 7.0­7.9

Seismic Design Philosophy for Building

Page 21: Earthquake Engineering

Seismic Design Philosophy for Building

•  Don’t  attempt  to  make  EQ  proof  building  (Bld.  Will  be  too robust and too expensive)

• Engineering intention shall be to make EQ resistant building

Page 22: Earthquake Engineering

Earthquake Design PhilosophySeismic Design Philosophy for Building

Page 23: Earthquake Engineering

Earthquake Resistant Design

Seismic Design Philosophy for Building

Page 24: Earthquake Engineering

Acceptable Damage:Ductility

Seismic Design Philosophy for Building

Page 25: Earthquake Engineering

Behaviour of Wall• Masonary Bld. Most vulnerable under EQ shaking(Brittle Structure)

• Wall is most vulnerable component of the Bld due to horizontal force (EQ)

•  Wall  offers  greater  resistance  if  pushed along its length (Strong Direction)

• Wall topples easily if pushed in a direction perpendicular to its plan(Weak Direction)

Behaviour of Brick Masonary Houses during EQ

Page 26: Earthquake Engineering

Behaviour of Wall• All walls if joined properly to the adjacent wall ensures good seismic performance

•  Walls  loaded  in  weak  direction  take advantage  of  the  good  lateral  resistance offered in their strong direction

•  Walls  need  to  be  tied  to  the  roof  and foundation to reserve their overall integrity 

Behaviour of Brick Masonary Houses during EQ

Page 27: Earthquake Engineering

Box Action in Masonary Bld.• Separate block can oscillate  independently   and  even  hammer  each  other  (If  too  close during EQ)

• Adequate gap required betn such blocks

•  Gap  not  necessary  if  horizontal  projections in Bld are small

•  An  integrally  connected  inclined  stair  case slab acts like a cross brace betn floors 

• It transfers large horizontal forces at the roof and  the  lower  level  (Area  of  Potential Damage)

Simple Structural Configuration required for Masonary Building

Page 28: Earthquake Engineering

Protection of Opening in Walls

Vertical Band necessary in Masonary Building

•Most common damage observed after an EQ is  diagonal  X­cracking  of  wall  pier,  inclined cracks  at  corners  of  doors  and  window opening.

•  A  square  opening  become  rhombus  during EQ Shaking

• The corners that come closer develop cracks, Cracks are bigger when  the opening sizes are large

•Steel bars provided all around the opening restrict cracks (corner)

Page 29: Earthquake Engineering

EQ Resistant Design of Building

Seismic Design Philosophy for Building

Page 30: Earthquake Engineering

Strength Hierarchy

Effect of Earth Quake on RC Building

• If this strategy adopted in design & beam detailing done properly 

­  Building  as  a  whole  can  deform  by  large  amount  despite progressive damage caused due  to consequent yielding of beams ­  If columns are made weaker, it suffer local damage at the top and bottom of a particular storey

•  This  localised  damaged  can  lead  to collapse of building

Page 31: Earthquake Engineering

Reinforcement and Seismic Damage

How do Beams in RC Bld resist EQ

• Long straight  bars (longitudinal bars) placed along its length

•  Closed  loop  of  small  diameter  steel  bars  (Stirrups)  placed  vertical  at regular intervals along its length

Page 32: Earthquake Engineering

Reinforcement and Seismic Damage

How do Beams in RC Bld resist EQ

•  Two basic types of failure in beams:­

a) Flexural (Bending) failure 

b)  Shear failure 

Page 33: Earthquake Engineering

Reinforcement and Seismic Damage

How do Beams in RC Bld resist EQ

• FLEXURAL (BENDING) FAILURE

•  Beam can fail in two ways 

a) Brittle failure (b) Ductile failure

•  Brittle Failure:­

 Relatively more steel is present on the  tension  face,  concrete crushes in compression which is undesirable

Page 34: Earthquake Engineering

Reinforcement and Seismic Damage

How do Beams in RC Bld resist EQ

• Ductile Failure:­

 Relatively  less steel  is present on the  tension  face,  steel  yield  first and the re distribution occurs in the beam  until  eventually  concrete crushes  in  compression,  is desirable

•   Characterised  with  many  vertical cracks starting from the stretched beam face and going towards its mid depth

Page 35: Earthquake Engineering

Reinforcement and Seismic Damage

How do Beams in RC Bld resist EQ

• SHEAR FAILURE:­­

  ­  A  shear  crack,  inclined  at  45 degree  to  the horizontal,  develops at mid depth near  the support and grows towards  the  top and bottom face

­  Closed loop stirrups are provided to avoid such shearing action

­  Shear damage occurs when area of shear stirrup is insufficient 

­ A Brittle failure, must be avoided

Page 36: Earthquake Engineering

Stirrup helps beam in three ways

How do Beams in RC Bld resist EQ

• It  carries  the  vertical  shear  force,  thereby  resist  diagonal  shear crack

• It protect the concrete from buldging outwards due to flexure

• It  prevents  the  buckling  of  compressed  longitudinal  bars  due  to flexure

Page 37: Earthquake Engineering

Longitudinal bars

How do Beams in RC Bld resist EQ

• Provided  to  resist  flexural  cracking  on  the  side  of  the  beam  that stretches 

• Requires on both faces at the ends and on the bottom face at mid length

Page 38: Earthquake Engineering

Longitudinal bars

How do Beams in RC Bld resist EQ

• As per ductile detailing code:­­

­ At least two bars shall go through the full length of the beam at the top as well as the bottom of the beam

­  At  the  end  of  the  beams,  the  amount  of  steel  provided  at  the bottom is at least half that at the top 

Page 39: Earthquake Engineering

Requirements related to stirrups in RC Beams

How do Beams in RC Bld resist EQ

•  Φof Stirrups – 6 mm minimum

•  oΦ f Stirrups – 8 mm , if beam>5m.

•  Both ends of a vertical stirrups should be bent into 135 degree hook and extend sufficiently beyond  this hook  to  ensure that  stirrups  does  not  open  out  in  an earthquake

Page 40: Earthquake Engineering

Requirements related to stirrups in RC Beams

How do Beams in RC Bld resist EQ

• Max. spacing of stirrups is less than half the depth of beam

• For  a  length  twice  the  depth  of  beam from the face of the column, the spacing should not be more  than one fourth the depth of beam

Page 41: Earthquake Engineering

Requirements related to stirrups in RC Beams

How do Beams in RC Bld resist EQ

• At  the  location  of  the  lap,  the  bars transfer large forces from one to another

•  Laps of the longitudinal bars are:­

a) Made away from the face of col.

b) Not made at locations where they are likely  to  stretch  by  large  amounts  and yield (eg. Bottom bars at mid length of the beam)

•  At the location of laps, vertical stirrups should be provided at closer spacing

Page 42: Earthquake Engineering

Possible EQ Damage

How do Columns in RC Bld resist EQ

• Column can sustain 2 type of damage:­

a)  Axial  Flexural  (Combined  Comp.   Bending) failure

b)  Shear  Failure  (Brittle  Damage)  & must be avoided by providing transverse ties at closer spacing

• Minimum  width  of  the  column  =  300 mm,  and  if  the  unsupported  length  of column  <4  meter  and  beam  length<  5 m., width up to 200 mm is allowed

Page 43: Earthquake Engineering

Possible EQ DamageHow do Columns in RC Bld resist EQ

• Purpose of horizontal ties 

a) Carry horizontal  shear  force  induced by  EQ  and  thereby  to  resist  diagonal shear crack

  b)   Hold  together  the vertical bars  and prevent them from buckling

  c)  Contain  the  concrete  in  the  column within the closed loops

• The ends of the ties must be bent as 135 degree. The length of the ties

beyond hook bend must be atleast 10d of steel bar ( close ties) but not less than 75 mm.

Page 44: Earthquake Engineering

Possible EQ Damage

How do Columns in RC Bld resist EQ

• In  column  where  spacing  between  the corner bar exceeds 300 mm

  “Additional  links  with  180  hook  ends for  ties  to  be  effective  in  holding  the concrete  in  its place and  to prevent  the buckling of vertical bars”

Page 45: Earthquake Engineering

EQ behaviour of Joints

How do Beam Column Joins in RC bld Resist EQ

• Column  beam  joint  have  limited force carrying capacity when forces larger  than  these are applied during EQ, joints are severely damaged

•  Repairing damage joints is difficult, so damage must be avoided

•  Under EQ shaking, the beam adjoining a joint are subjected to moments in the same direction

Page 46: Earthquake Engineering

EQ behaviour of Joints

How do Beam Column Joins in RC bld Resist EQ

Under these moments, the top bar in the beam­column  joint  are  pulled  in  one direction &  the bottom one  in opposite direction.

The forces are balanced by bond stress developed between concrete and steel in the joint region

If there is insufficient grip of concrete on steel bars in such circumstances, the bar slip inside the joint region, the beam loose their capacity to carry load 

Page 47: Earthquake Engineering

EQ behaviour of Joints

How do Beam Column Joins in RC bld Resist EQ

      Under  this  pull­  push  forces  at top  and  bottom  ends  joint  undergo geometric distortion

    One  diagonal  length  of  the  joint elongates  and  the  other  compresses.  If the  column  cross­  sectional  size  is insufficient,  the  concrete  in  the  joint develops diagonal cracks

Page 48: Earthquake Engineering

EQ behaviour of Joints

How do Beam Column Joins in RC bld Resist EQ

   Problem  of  diagonal  cracking  & crushing of concrete  in  the  joint  region can be controlled by

a) Providing large column size

b) Providing closely spaced closed loop steel  ties  around  column  bars  in  joint region

 Ties  hold  together  the  concrete  in  the joint and also resist shear force.

Page 49: Earthquake Engineering

How do Beam Column Joins in RC bld Resist EQ

Page 50: Earthquake Engineering

How do Beam Column Joins in RC bld Resist EQ

Anchorage  of  beam  bars  in exterior joints

Anchorage  of  beam  bars  in interior joints

Page 51: Earthquake Engineering

Why are Soft storey building vulnerable in EQ

Page 52: Earthquake Engineering

Why are Soft storey building vulnerable in EQ

Page 53: Earthquake Engineering

Why are Soft storey building vulnerable in EQ

Page 54: Earthquake Engineering

Why are Soft storey building vulnerable in EQ

Page 55: Earthquake Engineering

Short Column Behaviour

Why are Short Columns more Damaged During EQ

  Bld  resting on  sloped ground consisting of  short &   long column, when shakes, all column move horizontally by  the  same amount  along  with  floor  slab  at  a  particular level

  Short  column  effect  also occurs  in  columns  that  support mezzanine  floor  or  loft  slabs  that are  added  in  between  two  regular floors.

Page 56: Earthquake Engineering

Short Column Behaviour

Why are Short Columns more Damaged During EQ

   A tall column & a short column of same cross section move horizontally by same amount during EQ

     Short  column  is  stiffer  than  long column(Stiffness  of  column  means resistance to the deformation)

  Larger is the stiffness, larger is the force required to deform it

Page 57: Earthquake Engineering

Short Column Behaviour

Why are Short Columns more Damaged During EQ

  If a short column is not adequately designed for such large force, it can suffer significant damage during EQ

  Short  column  attracts  several  times  larger  force  and suffer more damage as compare to taller ones.  

  This  behaviour  of  short column  is  called  short  column effect  and  often  the damage  is in  the  form  of  X  –shaped cracking (Shear Failure)

 

Page 58: Earthquake Engineering

Short Column Behaviour

Why are Short Columns more Damaged During EQ

  Special Confining reinforcement is to  be  provided  over  the  full  height  of column  that  are  likely  to  sustain    short column effect

 Special  confining  reinforcement must  extend  beyond  the  short  column into  the  column  vertically  above  and below by certain distance

Page 59: Earthquake Engineering

The Solution

Why are Short Columns more Damaged During EQ

  In  new  building,  short  column  effect  should  be avoided to the extent possible during Architectural design itself 

For short columns in the existing building retrofit solutions can  be  employed  to  avoid  damage  in  future Earth Quake

The  retrofit  solution  should  be  designed  by  a  Qualified structural Engineer with requisite background

Page 60: Earthquake Engineering

Why EQ effects are to be reduced

How to reduce EQ effects on Buildings

  Lifeline structures like hospitals etc are remain to be functional in the aftermath of EQ

Special  techniques are  required  to design such life  line structures which usually cost more than normal bld do

Two basic technology are

a) Base isolation device

b) Seismic Dampers

Page 61: Earthquake Engineering

Why EQ effects are to be reduced

How to reduce EQ effects on Buildings

a) Base isolation device

­ Idea behind base isolation is to detach (isolate) the buildings from the ground in such a way that EQ motions are not transmitted up through the building or at least reduced

b) Seismic Dampers

­  Special  devices  introduced  in  the  building  to  absorb  the energy provided by the ground motion to the building 

Page 62: Earthquake Engineering

How to reduce EQ effects on Building 

• Over 1000 blds across the world have been equipped with seismic base isolation

Base isolation in real buildings

• In  India  base  isolation  technique  was first  demonstrated  after  1993  Killari EQ

• Two single storey bld (one school and another  shopping  complex  bld)  were built with rubber base isolators resting on hard ground

• The four storey bhuj hospital bld was built    with  base  isolation  technique after 2001 bhuj EQ

Page 63: Earthquake Engineering

How to reduce EQ effects on Building 

Seismic Dampers• Another  approach  for  controlling  seismic 

damage  in  bld  is  by  installing  seismic dampers  in  place  of  structural  elements such as diagonal braces

• These  dampers  act  like  hydraulic  shock absorbers  and absorbs part  of  the  seismic energy  transmitted  through  them,  thus damps the motion of the building

Page 64: Earthquake Engineering

Resource MaterialEERI, (1999), Lessons Learnt Over Time – Learning from 

Earthquakes Series: Volume II Innovative Recovery in India, Earthquake Engineering Research Institute, Oakland (CA), USA; also available at http://www.nicee.org/readings/EERI_Report.htm.

Hanson,R.D., and Soong,T.T., (2001), Seismic Design with Supplemental Energy Dissipation Devices, Earthquake Engineering Research Institute, Oakland (CA), USA.

Skinner,R.I., Robinson,W.H., and McVerry,G.H., (1999), An Introduction to Seismic Isolation, John Wiley & Sons, New York.

IITK & BMTPC Earthquake Tips; available at http://www.nicee.org/

Page 65: Earthquake Engineering

For a Building to Perform well in an Earthquake it should have Six main attributes

● Lightness● Simple and Regular Configuration● Adequate Lateral strength● Stiffness● Continuity of Construction● Ductility

Page 66: Earthquake Engineering

Contact:

● Email:– hardeep . rai @ gmail . com– hsrai @ gndec . ac . in– hs @ raiandrai . com– hsrai @ yahoo . com– hsrai @ grex . org– hsrai @ gmx . net

Page 67: Earthquake Engineering

                 Thank you.