Manual for Design of Reinforced Concrete Building Structures to EC2 - ICE, CONCRETE

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The Institution of Structural Engineers
The Institution of Civil Engineers
MARCH 2000
Manual for the design
of reinforced concrete
building structures to EC2
Published for the Institution of Structural Engineers
Constitution
D J Lee
CBE BScTech DIC FEng FIStructE FICE
Chairman,
(until April 1995)
(previously G Maunsell & Partners)
R S Narayanan
BE(Hons) MSc DIC FEng FIStructE
Chairman,
(from May 1995)
(S B Tietz & Partners)
ProfessorAW Beeby
BSc(Eng) PhD CEng MIStructE MICE
(University of Leeds)
PG Cobb
CEng MICE
(Sir Robert McAlpine & Sons Ltd)
R F D Povey
CEng FIStructE
(Mitchell McFarlane & Partners)
S S Ray
BSc CEng FICE
(Robert Benaim & Associates)
R T Whittle
MACEng MICE
(Ove Arup & Partners)
K R Wilson
MACEng MICE
(G Maunsell & Partners)
R J W Milne
BSc,
Secretary to the Task Grou
p
(The Institution of Structural Engineers)
Editorial Panel
The final version was prepared by an Editorial Panel consisting of:
R S Narayanan,
Chairman
K R Wilson
R J W Milne,
Secretary
Published by SETO, 11 Upper Belgrave Street, London SW1X 8BH
ISBN 1 874266 52 2
©2000 The Institution of Structural Engineers
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2
IStructE EC2 (Concrete) Design Manual
Contents
Foreword
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11
1.1 Aims of the Manual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11
1.2 Eurocode system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11
1.3 Scope of the Manual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12
1.4 Contents of the Manual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12
2 General principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13
2.1 General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13
2.2 Stability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13
2.3 Robustness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13
2.4 Movement joints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14
2.5 Fire resistance and durability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14
3 Design principles – reinforced concrete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16
3.1 Loading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16
3.2 Limit states . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16
3.2.1 Ultimate limit state . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16
3.2.2 Serviceability limit states . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16
3.3 Material and design stresses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17
4 Initial design – reinforced concrete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18
4.2 Loads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18
4.3 Material properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19
4.4 Structural form and framing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19
4.5 Fire resistance and durability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19
4.6 Stiffness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19
4.7 Sizing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21
4.7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21
4.7.2 Loading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21
4.7.3 Width of beams and ribs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21
4.7.4 Sizes and reinforcement of columns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21
4.7.5 Walls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22
4.7.6 Shear in flat slabs at columns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .23
4.7.7 Adequacy of chosen sections to accommodate the reinforcement . . . . . . . .23
4.7.7.1 Bending moments and shear forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .23
4.7.7.2 Provision of reinforcement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .24
4.8 The next steps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25
4.9 Reinforcement estimates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25
5 Final design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27
5.1.1 Checking of all information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27
5.1.2 Preparation of a list of design data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .28
5.1.3 Amendment of drawings as a basis for final calculations . . . . . . . . . . . . . .28
5.1.4 Final design calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .28
IStructE EC2 (Concrete) Design Manual
3
5.2 Slabs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .29
5.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .29
5.2.2 Fire resistance and durability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .29
5.2.2.1 Fire resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .29
5.2.2.2 Durability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .30
5.2.3 Bending moments and shear forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31
5.2.3.1 General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31
5.2.3.2 One-way spanning slabs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32
5.2.3.3 Two-way spanning slabs on linear supports . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32
5.2.3.4 Flat slabs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32
5.2.4 Section design – solid slabs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37
5.2.4.1 Bending . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37
5.2.4.2 Shear . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39
5.2.4.3 Openings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .42
5.2.5 Span/effective depth ratios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .42
5.2.6 Section design – ribbed and coffered slabs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .42
5.2.6.1 Bending . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .42
5.2.6.2 Span/effective depth ratios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .42
5.2.6.3 Shear . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .44
5.2.6.4 Beam strips in ribbed and coffered slabs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .44
5.2.7 Notes on the use of precast floors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .44
5.3 Structural frames . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .45
5.3.1 Division into subframes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .45
5.3.2 Elastic analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .45
5.3.3 Redistribution of moments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .45
5.3.4 Design shear forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .46
5.4 Beams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .46
5.4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .46
5.4.2 Fire resistance and durability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .47
5.4.2.1 Fire resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .47
5.4.2.2 Durability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .48
5.4.3 Bending moments and shear forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .48
5.4.4 Section design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49
5.4.4.1 Bending . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49
5.4.4.2 Minimum and maximum amounts of reinforcement . . . . . . . . . . . .52
5.4.4.3 Shear . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .55
5.4.5 Span/effective depth ratios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .57
5.5 Columns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .57
5.5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .57
5.5.2 Slenderness, fire resistance and durability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .58
5.5.2.1 Slenderness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .58
5.5.2.2 Fire resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .58
5.5.2.3 Durability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .58
5.5.3 Axial loads and moments – non-slender columns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .60
5.5.4 Axial loads and moments – slender columns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .60
5.5.4.1 General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .60
5.5.4.2 Calculation of first-order moments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .61
5.5.4.3 Calculation of the ultimate deflection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .62
5.5.5 Section design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .64
5.5.6 Reinforcement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .64
4
IStructE EC2 (Concrete) Design Manual
5.6 Walls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .64
5.6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .64
5.6.2 Slenderness, fire resistance and durability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .66
5.6.2.1 Slenderness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .66
5.6.2.2 Fire resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .66
5.6.2.3 Durability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .66
5.6.3 Axial load and moments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .68
5.6.3.1 In-plane bending . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .68
5.6.3.2 Bending at right-angles to the walls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .68
5.6.3.3 Slender walls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .68
5.6.4 Section design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .68
5.6.4.1 Walls not subject to significant bending at right-
angles to the wall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .68
5.6.4.2 Intersecting walls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .69
5.6.5 Reinforcement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .69
5.6.6 Openings in shear and core walls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .69
5.7 Staircases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .70
5.7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .70
5.7.2 Fire resistance, durability and concrete grades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .70
5.7.3 Bending moments and shear forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .70
5.7.4 Effective spans . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .70
5.7.4.1 Stairs spanning between beams or walls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .70
5.7.4.2 Stairs spanning between landing slabs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .70
5.7.4.3 Stair with open wells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .71
5.7.5 Span/effective depth ratios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .71
5.7.6 Section design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .71
5.8 Design of non-suspended ground floor slabs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .72
5.9 Guidance for the design of basement walls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .72
5.9.1 General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .72
5.9.2 Bending moments and shear forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .73
5.9.3 Section design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .73
5.9.4 Foundation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .73
5.9.5 Reinforcement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .73
5.10 Foundations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .73
5.10.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .73
5.10.2 Durability and cover . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .74
5.10.3 Types of foundation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .74
5.10.4 Plan area of foundations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .74
5.10.5 Design of spread footings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .75
5.10.5.1 Axially loaded unreinforced pad footings . . . . . . . . . . . . . . . . . . .75
5.10.5.2 Axially loaded reinforced pad footings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .75
5.10.5.3 Eccentrically loaded footings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .76
5.10.6 Design of other footings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .76
5.10.6.1 Strip footings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .76
5.10.6.2 Combined footings and balanced footings . . . . . . . . . . . . . . . . . . .76
5.10.7 Reinforcement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .76
5.10.8 Design of rafts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .77
5.10.9 Design of pile caps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .77
5.10.10 Reinforcement in pile caps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .78
5.11 Robustness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .78
IStructE EC2 (Concrete) Design Manual
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