In the current study, punching behavior of Reinforced concrete (RC) isolated footings was experimentally and numerically investigated. The experimental program consisted of four half-scale RC isolated footing specimens. The test matrix was proposed to show effect of footing area, reinforcement mesh ratio, adding internal longitudinal reinforcement bars and stirrups on the punching response of RC isolated footings. Footings area varied from 1200×1200 mm2 to 1500×1500 mm2 while the mesh reinforcement ratio was in the range from 0.36 to 0.45%. On the other hand, a 3D non-linear finite element model was constructed using ABAQUS/standard program and verified against the experimental program. The numerical results agreed well with the experimental records. The validated numerical model was used to study effect of concrete compressive strength; longitudinal reinforcement bars ratio and stirrups concentration along one or two directions on the ultimate load, deflection, stiffness and failure patterns of RC isolated footings. Results concluded that adding longitudinal reinforcement bars did not significantly affect the punching response of RC isolated footings even high steel ratios were used. On the contrary, as the stirrups ratio increased, the ultimate load of RC isolated footings increased. Footing with stirrups ratio of 1.5% had ultimate load equal to 1331 kN, 19.6% higher than the bare footing. Moreover, adding stirrups along two directions with lower ratio (0.5 and 0.7%) significantly enhanced the ultimate load of RC isolated footings compared to their counterparts with higher stirrups ratio (1.0 and 1.5%).
This paper introduced three new strengthening systems for isolated footings: BFRP wrapping system, CFRP wrapping system, and steel jacketing system. The proposed systems are more practical than the current traditional methods, which involves installing many dowel bars and splicing reinforcing steels to join new and old concrete segments. In the proposed three new systems, BFRP wraps, CFRP wraps, or steel jackets are installed on the exterior surface of the enlarged footing, with construction adhesive or a few steel dowels being applied to the contact surfaces. To investigate the effectiveness of three systems, forty-four models were constructed in ABAQUS, with different parameters being considered. All footings investigated failed in punching shear, including original and retrofitted footings. According to FEA results and parametric studies, the three strengthening systems were capable of improving the punching shear resistance of footings. By introducing a new factor η, the punching shear equation in Eurocode 2 was modified to predict the punching shear resistances of the strengthened footings. A linear formula was developed to present the relationship between the new factor η and the investigated parameters.
Luevanos-Rojas, Arnulfo;Lopez-Chavarria, Sandra;Medina-Elizondo, Manuel
Geomechanics and Engineering
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v.14
no.1
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pp.51-60
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2018
The foundations are classified into shallow and deep, which have important differences: in terms of geometry, the behavior of the soil, its structural functionality, and its constructive systems. The shallow foundations may be of various types according to their function; isolated footings, combined footings, strip footings, and slabs foundation. The isolated footings are of the type rectangular, square and circular. The combined footing may be rectangular, trapezoidal or T-shaped in plan. This paper presents a new model for T-shaped combined footings to obtain the most economical contact surface on the soil (optimal dimensioning) to support an axial load and moment in two directions to each column. The new model considers the soil real pressure, i.e., the pressure varies linearly. The classical model uses the technique of test and error, i.e., a dimension is proposed, and subsequently, the equation of the biaxial bending is used to obtain the stresses acting on each vertex of the T-shaped combined footing, which must meet the conditions following: The minimum stress should be equal or greater than zero, and maximum stress must be equal or less than the allowable capacity that can withstand the soil. To illustrate the validity of the new model, numerical examples are presented to obtain the minimum area of the contact surface on the soil for T-shaped combined footings subjected to an axial load and moments in two directions applied to each column.
The importance of considering soil-structure interaction effect in the analysis and design of RC frame buildings is increasingly recognized but still not penetrated to the grass root level owing to various complexities involved. It is well established fact that the soil-structure interaction effect considerably influence the design of multi-storey buildings subjected to lateral seismic loads. The shear walls are often provided in such buildings to increase the lateral stability to resist seismic lateral loads. In the present work, the linear soil-structure analysis of a G+5 storey RC shear wall building frame resting on isolated column footings and supported by deformable soil is presented. The finite element modelling and analysis is carried out using ANSYS software under normal loads as well as under seismic loads. Various load combinations are considered as per IS-1893 (Part-1):2002. The interaction analysis is carried out with and without shear wall to investigate the effect of inclusion of shear wall on the total and differential settlements in the footings due to deformations in the soil mass. The frame and soil mass both are considered to behave in linear elastic manner. It is observed that the soil-structure interaction effect causes significant total and differential settlements in the footings. Maximum total settlement in footings occurs under vertical loads and inner footings settle more than outer footings creating a saucer shaped settlement profile of the footings. Each combination of seismic loads causes maximum differential settlement in one or more footings. Presence of shear wall decreases pulling/pushing effect of seismic forces on footings resulting in more stability to the structures.
In general, the numerous classical approaches available in the literature can anticipate the settlement of shallow foundations. As long as the footings are not in close proximity to other subsurface buildings, the findings achieved using these methods are legitimate and acceptable. However, due to increased urbanisation and land scarcity, footings are frequently built close together. As a result, these footings' settlement behaviour differs from those of isolated footings. A simpler approach for assessing the settlement behaviour of two square or rectangular footings placed in close proximity is presented in this work. A Parametric study has been carried out to examine the interference effect on the settlement of these footings placed in close vicinity on the surface of a homogeneous, isotropic and elastic soil medium. The interaction factors are examined by varying the different aspect ratios (L/B), clear spacing ratio (S/B) and intensity of loading on the right footing with respect to the left footing. Further, variation of the settlement ratio (δ/B) with respect to embedment depth ratio Df/B is examined. For square and rectangular footings, the interference settlement profile is also investigated by varying the clear spacing ratio (S/B) and the degree of loading. The results were compared to 3D finite element analysis and experimental data that were available.
Vela-Moreno, Victor Bonifacio;Luevanos-Rojas, Arnulfo;Lopez-Chavarria, Sandra;Medina-Elizondo, Manuel;Sandoval-Rivas, Ricardo;Martinez-Aguilar, Carmela
Structural Engineering and Mechanics
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v.84
no.4
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pp.561-573
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2022
This paper presents a new model to obtain the minimum area of the contact surface for rectangular isolated footings, considering that the contact surface works partially to compression (a part of the contact surface of the footing is subjected to compression and the other is not in compression or tension). The methodology is developed by integration to obtain the axial load "P", moment around the X axis "Mx" and moment around the Y axis "My". This document presents the simplified and precise equations of the four possible cases of footing subjected to uniaxial bending and five possible cases of footing subjected to biaxial bending. The current model considers the contact area of the footing that works totally in compression, and other models consider the contact area that works partially under compression and these are developed by very complex iterative processes. Numerical examples are presented to obtain the minimum area of rectangular footings under an axial load and moments in two directions, and the results are compared with those of other authors. The results show that the new model presents smaller areas than the other authors presented.
The soil-structure interaction effect significantly influences the design of multi-storey buildings subjected to lateral seismic loads. The shear walls are often provided in such buildings to increase the lateral stability to resist seismic loads. In the present work, the nonlinear soil-structure analysis of a G+5 storey RC shear wall building frame having isolated column footings and founded on deformable soil is presented. The nonlinear seismic FE analysis is carried out using ANSYS software for the building with and without shear walls to investigate the effect of inclusion of shear wall on the moments in the footings due to differential settlement of soil mass. The frame is considered to behave in linear elastic manner, whereas, soil mass to behave in nonlinear manner. It is found that the interaction effect causes significant variation in the moments in the footings. The comparison of non-interaction and interaction analyses suggests that the presence of shear wall causes significant decrease in bending moments in most of the footings but the interaction effect causes restoration of the bending moments to a great extent. A comparison is made between linear and nonlinear analyses to draw some important conclusions.
This paper presents the design of reinforced concrete circular footings subjected to axial load and bending in two directions using a new model. The new model considers the soil real pressure acting on contact surface of the circular footings and these are different, with a linear variation in the contact area, these pressures are presented in terms of the axial load, moments around the axis "X" and the axis "Y". The classical model takes into account only the maximum pressure of the soil for design of footings and it is considered uniform at all points of contact area. Also, a comparison is presented in terms of the materials used (steel and concrete) between the two models shown in table, being greater the classical model with respect the new model. Therefore, the new model is the most appropriate, since it is more economic and also is adjusted to real conditions.
Lopez-Chavarria, Sandra;Luevanos-Rojas, Arnulfo;Medina-Elizondo, Manuel;Sandoval-Rivas, Ricardo;Velazquez-Santillan, Francisco
Advances in Computational Design
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v.4
no.3
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pp.273-294
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2019
In this paper is presented the minimum cost (optimal design) for reinforced concrete circular isolated footings based on an analytic model. This model considers a load and two moments in directions of the X and Y axes, and the pressure has a variation linear, these are the effects that act on the footing. The minimum cost (optimal design) and the Maple program are shown in Flowcharts. Two numerical experiments are shown to obtain the minimum cost design of the two materials that are used for a circular footing supporting an axial load and moments in two directions in accordance to the code of the ACI (American Concrete Institute), and it is compared against the current design (uniform pressure). Also, the same examples are developed through the normal procedure to verify the minimum cost (optimal design) presented in this document, i.e., the equations of moment, bending shear and punching shear are used to check the thickness, and after, the steel areas of the footing are obtained, and it is compared against the current design (uniform pressure). Results section show that the optimal design is more accurate and more economical than to any other model. Therefore, it is concluded that the optimized design model presented in this paper should be used to obtain the minimum cost design for the circular isolated footings.
In this study, two extreme cases of compatibility of the horizontal displacements between the foundation and soil are considered, for which the pressure and settlements of the isolated footings and member end actions in structural elements are obtained using the three dimensional models and numerical experiments. The first case considered is complete slip between foundation and soil, termed as the un-coupled analysis. In the second case of analysis, termed as the coupled analysis, complete welding is assumed of joints between the foundation and soil elements. The model and the corresponding computer program developed simulate these two extreme states of compatibility giving insight into the variation of horizontal displacements and horizontal stresses and their intricacies, for evaluation of the influence of using the interface elements in soil-structure interaction analysis of three dimensional multiscale structures supported by isolated footings.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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