Civil Engineering - Made Easy · Columns with Uniaxial Bending 252 12 10 Interaction Charts as...

33
Comprehensive Theory with Solved Examples and Practice Questions Reinforced Cement Concrete & Pre-stressed Concrete Civil Engineering Publications

Transcript of Civil Engineering - Made Easy · Columns with Uniaxial Bending 252 12 10 Interaction Charts as...

Comprehensive Theory

with Solved Examples and Practice Questions

Reinforced Cement Concrete& Pre-stressed Concrete

Civil Engineering

Publications

MADE EASY Publications

Corporate Office: 44-A/4, Kalu Sarai (Near Hauz Khas Metro Station), New Delhi-110016E-mail: [email protected]: 011-45124660, 8860378007

Visit us at: www.madeeasypublications.org

Reinforced Cement Concrete & Pre-stressed Concrete© Copyright, by MADE EASY Publications.All rights are reserved. No part of this publication may be reproduced, stored in or introduced into a retrieval system, or transmitted in any form or by any means (electronic, mechanical, photo-copying, recording or otherwise), without the prior written permission of the above mentioned publisher of this book.

First Edition: 2014Reprint: 2015Second Edition (Revised and Updated): 2016

© All rights reserved by MADE EASY PUBLICATIONS. No part of this book may be reproduced or utilized in any form without the written permission from the publisher.

Publications

This book was motivated by the desire to further the evolution of a

concise book on RCC and Pre-stressed Concrete. Keeping in focus the

importance of this subject in GATE and ESE, we have done a proper study

and thereafter developed the content of the book accordingly. This edition

has an expanded discussion of all relevant topics in the subject.

Initially, we compiled the perceptions of our students on their problems in GATE

and ESE while dealing with the questions from this subject. We identified

their various problems like- lack of fundamentals of the subject, difficulty in

solving simple solutions, shortage of a complete study package, etc. These

strengthened our determination to present a complete edition of RCC and Pre-stressed Concrete textbook.

The book addresses all the requirements of the students, i.e. comprehensive coverage of theory, fundamental

concepts, objective type problems and conventional problems, articulated in a lucid language. The concise

presentation will help the readers grasp the concepts with clarity and apply them with ease to solve problems

quickly. The books not only covers the entire syllabus of GATE and ESE, but also addresses the need of many other

competitive examinations. Topics like ‘Basic Design Concepts, Working Stress Method (WSM) of Design, Analysis

and Design by LSM, Doubly Reinforced Beam Design by LSM, Design for Shear in Reinforced Concrete, Design

for Bond Reinforced Concrete, Design for Torsion in Reinforced Concrete, Analysis and Design of Flanged Beams

by LSM, Limit State of Serviceability, Two Way Slab Design, Design of Compression Members and Columns, Design

of Reinforced Concrete Shallow Foundation, Prestressed Concrete, Masonry Design working stress methods and

limit state methods, pre-stress concrete’, are given full coverage in line with our research on their importance in

competitive examinations.

We have put in our sincere efforts to present elaborate solutions for various problems, different problem solving

methodology, some useful quick techniques to save time while attempting MCQs without compromising the accuracy

of answers. A summary of important points to remember is added at the end of each topic. For the convenience

of readers, points to remember are specifically highlighted in the form of a note- both in theory as well as solved

examples. At the end of each chapter, sets of practice question are given with their keys, that will allow the readers

to evaluate their understanding of the topics and sharpen their problem solving skills.

Our team has made their best efforts to remove all possible errors of any kind. Nonetheless, we would highly

appreciate and acknowledge if you find and share with us any printing, calculation and conceptual error.

It is impossible to thank all the individuals who helped us, but we would like to sincerely thank all the co-authors,

editors and reviewers for putting in their efforts to publish this book. We also express our thanks to MADE EASY

publications for completing and publishing the book on time.

With Best Wishes

B. Singh

CMD, MADE EASY

Preface

Chapter 1 Introduction ��������������������������������������������������������� 1 1�1 Introduction ���������������������������������������������������������������������� 1

1�2 Types of Concrete ����������������������������������������������������������� 1

1�3 Importance of Design Codes in the Design of

Structures �������������������������������������������������������������������������� 2

1�4 Characteristic Strength of Concrete ������������������������� 3

1�5 Grade of Concrete ����������������������������������������������������������� 4

1�6 Concrete Mix Design ����������������������������������������������������� 4

1�7 Steps Involved in Mix Design of Concrete as per IS

Recommendation ����������������������������������������������������������� 5

1�8 Behaviour of Concrete under Uniaxial

Compression ��������������������������������������������������������������������� 8

1�9 Behaviour of Concrete in Tension ����������������������������� 9

1�10 Modulus of Elasticity and Poisson’s Ratio of

Concrete ���������������������������������������������������������������������������10

1�11 Effect of Duration of Loading on Stress Strain

Curve ���������������������������������������������������������������������������������11

1�12 Creep of Concrete ���������������������������������������������������������11

1�13 Compressive Strength of Concrete in the Design

of Structures �������������������������������������������������������������������12

Chapter 2Basic Design Concepts �����������������������������������13 2�1 Introduction ��������������������������������������������������������������������13

2�2 Necessity of Designing Reinforced Concrete

Structures ������������������������������������������������������������������������13

2�3 Hydraulic and Non-Hydraulic Cements ��������������������� 14

2�4 Tests on Cement ������������������������������������������������������������14

2�5 Methods to Increase the Durability of Concrete

against Chemical Attack ���������������������������������������������15

2�6 Design Philosophies for the Design of Reinforced

Concrete Structures �����������������������������������������������������15

2�7 Load and Resistance Factor Design������������������������18

2�8 IS 456: 2000 Recommendations for ����������������������19

2�9 Various types of Young’s Modulus of Elasticity of

Concrete (Ec) �������������������������������������������������������������������22

2�10 Properties of Reinforcement and its use in

Reinforced Concrete Structures�������������������������������23

2�11 Cover Requirements as per IS 456: 2000 ������������������� 25

2�12 Spacing of Reinforcement �����������������������������������������25

2�13 Other Important Considerations in Reinforced

Concrete ���������������������������������������������������������������������������25

2�14 Major Reasons of Structure Failure �������������������������27

2�15 List of Major Indian Standard (IS) Codes Relating

to Reinforced Concrete �����������������������������������������������27

2�16 Major Challenges for a Structural Designer ���������������������28

Objective Brain Teasers �������������������������������������������������28

Chapter 3Working Stress Method of Design ���������� 30 3�1 Introduction ��������������������������������������������������������������������30

3�2 Proceeding from Bending Moments to Flexural

Stresses �����������������������������������������������������������������������������30

3�3 Analysis of Composite/Non-homogeneous

Sections ����������������������������������������������������������������������������30

(iv)

Reinforced Cement Concrete & Pre-stressed Concrete

Contents

3�4 Stress-strain Distribution �������������������������������������������30

3�5 Transformed Section ���������������������������������������������������31

3�6 Modular Ratio �����������������������������������������������������������������32

3�7 Transformed Area of Reinforcement-

Tension Steel�������������������������������������������������������������������33

3�8 Transformed Area of Reinforcement-Compression

Steel �����������������������������������������������������������������������������������33

3�9 Cracking Moment ���������������������������������������������������������33

3�10 Behaviour of Reinforced Concrete in Flexure ��������������������������33

3�11 Location of Reinforcing Bars in Beam Section����35

3�12 Usefulness of Concrete in Tension Side ���������������������� 35

3�13 Permissible Stresses in Concrete and Steel ���������35

3�14 Assumptions in the analysis of beams by working

stress method (at service loads) ������������������������������36

3�15 Design of Reinforced Concrete Structures ����������������������37

3�16 Singly Reinforced Sections ����������������������������������������37

3�17 Doubly Reinforced Beam Section ���������������������������40

3�18 Singly Reinforced Flanged Section �������������������������42

3�19 Doubly Reinforced Flanged Section ����������������������43

3�20 Limitations of WSM of Design ����������������������������������43

Objective Brain Teasers �������������������������������������������������55

Conventional Practice Questions �������������������������������56

Chapter 4Analysis and Design by Limit State Method (LSM) ����������������������������������������������������57 4�1 Introduction ��������������������������������������������������������������������57

4�2 Analysis of Beams by LSM ������������������������������������������57

4�3 Assumptions in the Analysis Design by LSM ������57

4�4 Analysis of Singly Reinforced Sections������������������60

4�5 Requirements of Flexural Design ����������������������������74

4�6 Deflection Control by Limiting the

Span/Depth Ratio ���������������������������������������������������������77

4�7 Selection of Member Sizes ����������������������������������������78

4�8 Design of Reinforced Concrete Rectangular

Beams ��������������������������������������������������������������������������������79

4�9 Reinforcement Arrangement in Different

Types of Beams ��������������������������������������������������������������82

4�10 Comparison between WSM and LSM of Design ���� 84

4�11 Slabs as Rectangular Beams ��������������������������������������96

4�12 Transverse Moments in One Way Slabs ��������������������� 96

Objective Brain Teasers ���������������������������������������������� 105

Conventional Practice Questions ���������������������������� 108

Chapter 5Design of Doubly Reinforced Beam by Limit State Method ������������������������������������� 109 5�1 Introduction ������������������������������������������������������������ 109

5�2 Doubly Reinforced Beam Section ������������������������ 109

5�3 Hanger Bars v/s Compression Reinforcement ������109

5�4 Analysis of Doubly Reinforced Rectangular

Beam Sections������������������������������������������������������������� 110

5�5 Limiting Moment of Resistance ���������������������������� 111

5�6 Balanced Doubly Reinforced Sections ���������������������111

5�7 Design of Doubly Reinforced Rectangular

Beam Section �������������������������������������������������������������� 112

5�8 Design Steps for a Given Factored Moment (Mu) �����114

5�9 Deflection Control in Doubly Reinforced Beams ������114

Objective Brain Teasers ���������������������������������������������� 124

Conventional Practice Questions ���������������������������� 125

Chapter 6Design for Shear in Reinforced Concrete ��126 6�1 Introduction ����������������������������������������������������������������� 126

6�2 Shear in Reinforced Concrete �������������������������������� 126

6�3 Shear Stress Distribution in Rectangular

Homogeneous Section �������������������������������������������� 127

6�4 Combined Effect of Bending Stress and

Shear Stress in a Beam ��������������������������������������������� 130

6�5 Shear Transfer Mechanism ������������������������������������� 131

6�6 Nominal Shear Stress ������������������������������������������������ 132

6�7 Critical Sections for Shear ��������������������������������������� 133

6�8 Design Shear Strength of Concrete without

Shear Reinforcement ������������������������������������������������ 134

6�9 Shear Strength of Concrete with Shear

Reinforcement ������������������������������������������������������������ 135

6�10 Minimum Shear Reinforcement ��������������������������� 138

6�11 Maximum Spacing of Shear Reinforcement ���� 139

6�12 Steps for Shear Reinforcement Design���������������������139

(v)

6�13 Shear Connectors in Members Subjected

to Flexure ���������������������������������������������������������������������� 139

Objective Brain Teasers ���������������������������������������������� 151

Conventional Practice Questions ���������������������������� 153

Chapter 7Design for Bond in Reinforced Concrete ����154 7�1 Introduction ����������������������������������������������������������������� 154

7�2 Bond in Reinforced Concrete ��������������������������������� 154

7�3 Mechanism of Force Transfer ��������������������������������� 154

7�4 Bond Stress������������������������������������������������������������������� 155

7�5 Various Types of Bond ���������������������������������������������� 155

7�6 Flexural Bond��������������������������������������������������������������� 155

7�7 Anchorage/Development Bond ��������������������������� 156

7�8 Development Length ����������������������������������������������� 157

7�9 Mechanisms of Bond Failure ���������������������������������� 159

7�10 Factors affecting the Bond Strength ������������������� 159

7�11 Bends, Hooks and Mech� Anchorages ����������������������159

7�12 Anchoring Bars in Tension �������������������������������������� 160

7�13 Anchoring Bars in Compression ��������������������������� 160

7�14 Mechanical Devices for Anchorages ������������������� 160

7�15 Anchoring Shear Reinforcement �������������������������� 160

7�16 Reinforcement Splicing ������������������������������������������� 161

Objective Brain Teasers ���������������������������������������������� 162

Conventional Practice Questions ���������������������������� 164

Chapter 8Design for Torsion in Reinforced Concrete ������������������������������������165 8�1 Introduction ����������������������������������������������������������������� 165

8�2 Design for Torsion ������������������������������������������������������ 165

8�3 Mechanism of Torsion in Reinforced

Concrete Structures �������������������������������������������������� 165

8�4 Plain Concrete Subjected to Torsion ������������������� 167

8�5 Torsionally Reinforced Concrete Subjected

to Torsion ���������������������������������������������������������������������� 168

8�6 Analysis for Torsion ���������������������������������������������������� 169

8�7 Torsional Reinforcement ����������������������������������������� 169

8�8 IS 456: 2000 Provisions for the Design of

Reinforcement in Members Subjected to Torsion ����170

8�9 Design for Torsion as per Working Stress Method ����171

8�10 Design for Torsion as per Limit State Method �������173

Objective Brain Teasers ���������������������������������������������� 184

Conventional Practice Questions ���������������������������� 185

Chapter 9Analysis and Design of Flanged Beams by LSM ����������������������������� 186 9�1 Introduction ����������������������������������������������������������������� 186

9�2 Flanged Beams ����������������������������������������������������������� 186

9�3 Effective Width of Flange ���������������������������������������� 187

9�4 Compressive Stress Distribution in the Flange �����188

9�5 Analysis of Flanged Beams Sections (by Limit

State Method) ������������������������������������������������������������� 188

9�6 Derivation of the Expression to Determine ‘yf’ ������195

9�7 Types of Analysis Problems ������������������������������������ 195

9�8 Integral Action of Slab and Beam ������������������������ 195

9�9 Design of Flanged Beam Sections (by Limit State

Method) ������������������������������������������������������������������������� 196

Objective Brain Teasers ���������������������������������������������� 203

Conventional Practice Questions ���������������������������� 204

Chapter 10Limit State of Serviceability-Deflection and Cracking �������������������������������������������������� 205 10�1 Introduction ����������������������������������������������������������������� 205

10�2 The Limit States of Serviceability-Deflection

and Cracking���������������������������������������������������������������� 205

10�3 Limit State of Serviceability: Deflection ��������������������������206

10�4 Limit State of Serviceability: Cracking ����������������������212

10�5 Other Limit States of Serviceability ��������������������� 213

Objective Brain Teasers ���������������������������������������������� 214

Chapter 11Two Way Slab Design ���������������������������������� 215 11�1 Introduction ����������������������������������������������������������������� 215

11�2 One Way v/s Two Way Slabs ����������������������������������� 215

11�3 Dealing with Torsion in Two Way Slabs ��������������������217

11�4 Wall-Supported and Column/Beam

Supported Slabs �������������������������������������������������������� 218

(vi)

11�5 Design of Wall-supported (or Rigid Beam

Supported) Two-Way Slabs ������������������������������������ 218

11�6 Thickness of Slabs ������������������������������������������������� 218

11�7 Analysis of Two Way Slabs��������������������������������������� 219

11�8 Shear in Two Way Uniformly Loaded Slabs ������� 224

Objective Brain Teasers ���������������������������������������������� 235

Conventional Practice Questions ���������������������������� 236

Chapter 12Design of Compression Members/Columns ���������������������������������������237 12�1 Introduction ����������������������������������������������������������������� 237

12�2 Compression Member/Column in a Structure �����237

12�3 Classification of Columns ���������������������������������������� 237

12�4 Shear Consideration in Columns �������������������������� 240

12�5 IS 456: 2000 Recommendations for the

Design of Columns ���������������������������������������������������� 240

12�6 Design of Short Columns under Axial

Compression ���������������������������������������������������������������� 243

12�7 Design of short columns with Axial Load and

Uniaxial Bending �������������������������������������������������������� 250

12�8 Failure Modes in Eccentric Compression �����������������251

12�9 Design Strength of Axially Loaded Short

Columns with Uniaxial Bending ������������������������� 252

12�10 Interaction Charts as Analysis Aids ������������������� 253

12�11 Design Aids as Non-dimensional Interaction

Diagrams ��������������������������������������������������������������������� 254

12�12 Design Charts of SP-16 ������������������������������������������ 254

12�13 Design of Short Columns under Axial

Compression and Biaxial Bending ��������������������� 255

12�14 Interaction Surface �������������������������������������������������� 255

12�15 IS 456: 2000 Procedure for the Design of

Columns with Axial Load and Bi-axial Bending �256

12�16 Design Steps for the Design of Column with

Axial Load and Bi-axial Bending ������������������������� 256

12�17 Design of Long/Slender Columns ���������������������� 260

12�18 Analysis of Slender/Long Columns ������������������� 261

12�19 Provisions for the Design of Slender

Columns as per IS 456: 2000 �������������������������������� 261

12�20 Limitations of Design Charts of SP-16 ��������������������264

Objective Brain Teasers �������������������������������������������� 269

Conventional Practice Questions�������������������������� 271

Chapter 13Design of Reinforced Concrete Shallow Foundations ��������������������������������� 272 13�1 Introduction��������������������������������������������������������������� 272

13�2 Footings ���������������������������������������������������������������������� 272

13�3 Footing as a Structural Element ������������������������� 272

13�4 Types of Footings ����������������������������������������������������� 273

13�5 Distribution of Soil Pressure under Isolated

Footings ���������������������������������������������������������������������� 277

13�6 Footing Design: General Requirements and

Codal (IS 456 : 2000) Provisions �������������������������� 280

13�7 Plain Concrete Footings ���������������������������������������� 286

13�8 Design of Rectangular Isolated Footing ����������������������288

13�9 Design of Sloped Isolated Footing �������������������� 291

13�10 Design of Circular Isolated Footing of

Uniform Thickness ��������������������������������������������������� 292

13�11 Design of Wall ����������������������������������������������������������� 293

13�12 Design of Combined Footings ���������������������������� 311

13�13 Soil Pressure Distribution in Combined Footing ����311

13�14 Geometric Design of Combined Footings ������ 311

13�15 Design Aspects of Two Column Combined

Footing ������������������������������������������������������������������������ 311

13�16 Combined Footing of Beam-Slab ���������������������� 311

Objective Brain Teasers �������������������������������������������� 318

Conventional Practice Questions�������������������������� 320

Chapter 14Prestressed Concrete ��������������������������������� 321 14�1 Introduction ��������������������������������������������������������������� 321

14�2 Need of High Strength Concrete in

Prestressing ���������������������������������������������������������������� 321

14�3 Need of High Tensile Steel in Prestressing ������ 322

14�4 Relative Comparison of Prestressed and

Reinforced Concrete Beam ����������������������������������� 322

14�5 Terminologies ������������������������������������������������������������ 322

(vii)

14�6 Advantages of Prestressed Concrete �����������������������324

14�7 Design of High Strength Concrete Mixes ��������������������325

14�8 High Tensile Steel ����������������������������������������������������� 326

14�9 Cover Requirements in Prestressed Concrete

Members ��������������������������������������������������������������������� 327

14�10 Protection of Prestressing Steel �������������������������� 327

14�11 Prestressing System ������������������������������������������������� 327

14�12 Tensioning Devices �������������������������������������������������� 327

14�13 Pre-tensioning and Post-tensioning Systems �����328

14�14 Assumptions in the Analysis and Design of

Prestressed Concrete Members �������������������������� 330

14�15 Analysis of Prestress ������������������������������������������������ 331

14�16 Prestress Pressure Distribution in Beams ���������������������336

14�17 Effect of Loading on Stresses in Tendons �������� 337

14�18 Prestressed Beam with Parabolic

Tendon Profile ����������������������������������������������������������� 338

14�19 P-line or Pressure Line �������������������������������������������� 339

14�20 The Concept of Load Balancing �������������������������� 344

14�21 Tendon Stresses: Effect of Loading on

Tensile Stresses in Tendons ����������������������������������� 347

14�22 Stresses in Beam at Different Stages of

Loading ������������������������������������������������������������������������ 349

14�23 Prestress Losses3 ������������������������������������������������������ 350

14�24 Cracking Moment ���������������������������������������������������� 358

14�25 Design of Prestressed Concrete Beam

Members ��������������������������������������������������������������������� 360

Objective Brain Teasers �������������������������������������������� 377

Appendix-A ����������������������������������������������������������������������������� 380

Masonry Design

Introduction ������������������������������������������������������������������ 380

Masonry Reinforcement ������������������������������������������� 383

Effective Height of Walls ������������������������������������������� 384

Effective Length of Walls ������������������������������������������� 385

Appendix-B .............................................................386

Objective Brain Teasers������������������������������������������������ 386

nnnn

(viii)