14
1 Dr. Qaiser Iqbal (UET Peshawar) Example 2Part B Determine the required wall thickness and flexural  steel at the bottom of  the stem.  Use f  c= 4000 lb/in 2  and fy = 60 k/in 2  Check shear at bottom of  stem The most critical section for shear occurs at the bottom of  the stem.  Since there are no stirrups, the concrete must be sufficient to resist  this shear force (i.e., we neglect any shear resistance provided by the flexural  steel). Combining with Equation and solving produces d  6.79 in This steel  area will need to be added to the computed flexural steel area. Evaluate flexural  stresses at base of  stem and design flexural  steel.  Using Equation 9.13 

10 - Design of Wall Footing

Embed Size (px)

Citation preview

7/23/2019 10 - Design of Wall Footing

http://slidepdf.com/reader/full/10-design-of-wall-footing 1/14

1  Dr. Qaiser Iqbal (UET Peshawar) 

Example 2‐Part B 

Determine the required wall thickness and flexural steel at the bottom of  the 

stem. Use f ̕c= 4000 lb/in2 and fy = 60 k/in

Check shear at bottom of  stem 

The most critical section for shear occurs at the bottom of  the stem. Since there 

are no stirrups, the concrete must be sufficient to resist this shear force (i.e., we 

neglect any shear resistance provided by the flexural steel). 

Combining with Equation  and solving produces d  ≥ 6.79 in 

This steel area will need to be added to the computed flexural steel area. 

Evaluate flexural stresses at base of  stem and design flexural steel. Using Equation 

9.13 

7/23/2019 10 - Design of Wall Footing

http://slidepdf.com/reader/full/10-design-of-wall-footing 2/14

2  Dr. Qaiser Iqbal (UET Peshawar) 

Per Table 1 (previous lecture), the steel ratio must be no greater than 0.0214, and 

preferably between about 0.0100 and 0.0143. The minimum acceptable steel area 

is (0.0012)(11)(12) = 0.16 in2/ft. Therefore, the computed steel ratio is acceptable. 

The total required vertical steel area,  As is 0.561 + 0.143 = 0.704 in2/ft. 

Use #7 bars at 9 in C/C 

This steel area is sufficient to provide both flexural reinforcement and the normal 

force required for shear transfer. 

Design remainder of  stem steel 

We will use a tapered stem, with a thickness of  8 in (d  = 4.5 in) at the top and 11 

in (d  = 7.5 in) at the bottom. The steel at the bottom of  the stem will be spaced at 

9 inches on center, but at some height we will cut off  every other bar, leaving 

steel at 18 inches on center. The maximum permissible steel spacing is 3T or 18 

in, whichever is less [ACI 7 .6.5), so we cannot cut off  any more bars. 

7/23/2019 10 - Design of Wall Footing

http://slidepdf.com/reader/full/10-design-of-wall-footing 3/14

3  Dr. Qaiser Iqbal (UET Peshawar) 

Compute ρ at the top and bottom of  the stem for each steel spacing using 

Equation 9.12, then use Equations 9.10 and 9.11 with φ= 0.9 to determine the 

corresponding moment capacities. 

Sample computation: 

The factored moment and nominal moment capacities along the height of  the 

stem are shown in Figure 1. We use this diagram to determine the cutoff  location, 

which is one development length higher than the intersection of  the #7 @ 18‐in 

curve with the factored moment curve. In other words, this intersection is where 

the wider steel spacing provides enough flexural capacity, but we need to extend 

the steel one development length past this point to provide sufficient anchorage. 

7/23/2019 10 - Design of Wall Footing

http://slidepdf.com/reader/full/10-design-of-wall-footing 4/14

4  Dr. Qaiser Iqbal (UET Peshawar) 

Figure 1: Factored moments and flexural capacity along stem for Example 2 

Per Equation 9.14 the required development length l d  is: 

C= clear cover 

Ktr = 0 for spread footings 

db = dia of  the bar 

Based on this information use the following steel in the stem: 

7/23/2019 10 - Design of Wall Footing

http://slidepdf.com/reader/full/10-design-of-wall-footing 5/14

5  Dr. Qaiser Iqbal (UET Peshawar) 

Vertical steel: 

Masonry Stems 

The design of  masonry stems is similar to that for concrete stems. However, masonry is a 

slightly different material, and has some unique design provisions and code requirements. 

Therefore we will not consider that as a part of  this course for those interested in further 

reading see Schneider and Dickey (1987) for more information. 

Footing 

Regardless of  the material used for the stem, the footing is almost always made of  reinforced 

concrete. The structural design process for this footing is slightly different than that for columns 

or non‐retaining walls, as described in Chapter 9, because the loading from retaining walls is 

different. 

The minimum required footing thickness, T, may be governed by the required development 

length of  the vertical steel from the stem. This steel normally has a standard 90° hook, as 

shown in Figure 2, which requires a footing thickness of  at least: 

7/23/2019 10 - Design of Wall Footing

http://slidepdf.com/reader/full/10-design-of-wall-footing 6/14

6  Dr. Qaiser Iqbal (UET Peshawar) 

The total footing thickness, T, should be a multiple of  100 mm or 3 in, and never less than 300 

mm or 12 in. The required development length for hooked bars made of  grade 60 (metric grade 

420) steel is [ACI 12.5]: 

(top English, bottom SI) 

The development length computed from Equation may be modified by the following factors 

[ACI 12.5.3]1: 

  For standard reinforcing bars with yield strength other than 60,000 lb/in2: fy/60,000 

  For metric reinforcing bars with yield strength other than 420 lb/in2 :fy/420 

  With at least 50 mm (2 in) of  cover beyond the end of  the hook: 0.7 

Next we design the heel extension, which is the portion of  the footing beneath the backfill. The 

shear and flexural stresses in this portion of  the footing are due to the weight of  the backfill soil 

immediately above the footing plus the weight of  the footing heel extension. 

We ignore the bearing pressure acting along the bottom of  the heel extension, which is 

conservative. Thus, the heel extension is designed as a cantilever beam, as shown in Figure 2. 

There is no need to develop shear and moment diagrams for the footing. Simply compute the factored shear and moment along a vertical plane immediately below the back of  the wall and 

use this information to check the shear capacity of  the footing and to select the required 

flexural reinforcement. Since the weight of  the backfill is a dead load, use a load factor of  1.4. 

7/23/2019 10 - Design of Wall Footing

http://slidepdf.com/reader/full/10-design-of-wall-footing 7/14

7  Dr. Qaiser Iqbal (UET Peshawar) 

The flexural analysis may be performed using Equation 9.13 with the effective depth obtained 

from the anchorage analysis. The steel area must satisfy the minimum and maximum steel 

requirements described earlier in this section. The reinforcing steel should be placed 70 mm (3 

in) from the top of  the footing, and should extend to 70 mm (3 in) from the end. The shear 

analysis should be based on Equations 9.2 and 9.9. 

The toe extension also is designed as a cantilever beam. However, it bends in the opposite 

direction (i.e., concave upward). so the flexural steel must be near the bottom. In this case, the 

load is due the bearing pressure acting on the bottom of  the footing and the weight of  the 

footing toe extension. For conservatism and simplicity, we ignore any soil that may be present 

above this part of  the footing. Since this bearing pressure is primarily due to the lateral earth 

pressure acting on the stem, use a load factor of  1. 7. 

The footing also should have longitudinal steel. A steel ratio of  0.0015 to 0.0020 is normally 

appropriate. There is no need to do a longitudinal flexure analysis. 

Figure 2: Loading for design of  heel and toe extensions. 

7/23/2019 10 - Design of Wall Footing

http://slidepdf.com/reader/full/10-design-of-wall-footing 8/14

8  Dr. Qaiser Iqbal (UET Peshawar) 

Example 2‐Part C 

Anchorage of  vertical steel from stem 

This analysis must be based on the footing concrete, which is cast separately from that in the 

stem. Use  fc'= 3000 lb/in2 and fy= 60,000 lb/in

T ≥ d + db/2 + 3 = 20.5 in 

The shear analysis controls the required footing thickness, so use T  = 21 in (a multiple of  

3 in), d  = T 

‐3 in ‐ d b /2

 = 21 ‐ 3 ‐ 0.5 = 17.5 in. Although this is larger than the 15 inch thickness 

used in the external stability analysis, there is no need to redo that analysis. 

7/23/2019 10 - Design of Wall Footing

http://slidepdf.com/reader/full/10-design-of-wall-footing 9/14

9  Dr. Qaiser Iqbal (UET Peshawar) 

Heel extension‐flexure 

Use #8 bars at 9 in OC (As /b = 1.05 in2/ft) 

Note: This is the same spacing as the vertical stem steel, which will avoid interference problems 

and facilitate tying the steel together 

Longitudinal steel (per discussion in Chapter 9): 

 A, = 0.0018A, = (0.0018)(21 in)(8.5 ft)(l2 in/ft) = 3.86 in2 

Use 14 #5 bars (As= 4.34 in2 ). 

7/23/2019 10 - Design of Wall Footing

http://slidepdf.com/reader/full/10-design-of-wall-footing 10/14

10  Dr. Qaiser Iqbal (UET Peshawar) 

Final design: 

The final design is shown in Figure 3 

Figure 3: Loading design for Example 2 

DRAINAGE AND WATERPROOFING 

The discussion on the effect of  groundwater on loads acting on the wall demonstrated the 

impact of  groundwater on lateral earth pressures. Because groundwater increases earth 

7/23/2019 10 - Design of Wall Footing

http://slidepdf.com/reader/full/10-design-of-wall-footing 11/14

11  Dr. Qaiser Iqbal (UET Peshawar) 

pressures so dramatically, engineers provide a means of  drainage whenever possible to prevent 

the groundwater table from building up behind the wall. Two types of  drains are commonly 

used: weep holes

 and  perforated 

  pipe

 drains.

 Both are shown in Figure 4. It is also helpful to 

include a means of  intercepting water and bringing it to the drain. 

Figure 4: Methods of  draining the soil behind retaining walls: (a) weep holes; (b) perforated pipe drains 

In addition to control ground water it is also important to control the migration of  moisture 

through the wall. This is especially important on basement walls because excessive moisture 

inside basements can be both nuisance and a health hazard. Even in exterior walls, excessive 

moisture migration can be an aesthetic problem. These materials may be categorized as follows 

(Meyers, 1996): 

• Damp‐proofing is the treatment of  the wall surface to retard dampness or water penetration 

under nonhydrostatic conditions. These methods are used when the wall is always above the 

groundwater table, but the adjacent soil may be subject to moisture from rainfall, irrigation, 

capillary rise, or other sources. 

7/23/2019 10 - Design of Wall Footing

http://slidepdf.com/reader/full/10-design-of-wall-footing 12/14

12  Dr. Qaiser Iqbal (UET Peshawar) 

• Waterproofing is the treatment of  the wall surface to prevent passage of  water under 

intermittent or full hydrostatic pressure conditions. These methods are used when the wall is 

occasionally or permanently below the groundwater table. 

Damp‐proofing methods include: 

• Thin bituminous coatings 

• Thin cementitious coatings 

• Acrylic latex coatings 

• 6‐mil polyethylene sheets 

Waterproofing methods are more expensive, and more effective. They include: 

• Bituminous membranes, which consist of  multiple layers of  mopped‐on bituminous material 

(i.e., asphalt or coal tar) with alternating layers of  reinforcing fabric or felt. The final product is 

similar to built‐up roofing. 

• Liquid‐applied elastometric waterproofing, which consists of  special chemicals applied to the 

wall. 

• Sheet‐applied elastometric waterproofing, which are prefabricated sheets applied to the wall. 

• Cementitious waterproofing that consists of  several coats of  a special mortar. 

• Bentonite clay panels 

• Troweled on mixtures of  bentonite clay and a binding agent 

Alternatively, special admixtures may be used with the concrete in the wall to make it more 

impervious. This method is sometimes called integral  waterproofing. However, its success 

depends on the absence of  significant cracks, which is difficult to achieve. In addition, this 

method requires special waterstops, which are plastic or rubber strips, at construction  joints, 

such as that between the stem and the footing. 

7/23/2019 10 - Design of Wall Footing

http://slidepdf.com/reader/full/10-design-of-wall-footing 13/14

13  Dr. Qaiser Iqbal (UET Peshawar) 

AVOIDANCE OF FROST HEAVE PROBLEMS 

Concrete is a relatively poor insulator of  heat, so retaining walls located in areas with frost 

heave problems may be damaged as a result of  the formation of  ice lenses behind the wall. In 

some cases, ice lenses have caused retaining walls to move so far out of  position that they 

became unusable. 

Reduce frost heave problems by using all of  the following preventive measures: 

• Incorporate good drainage details in the design to avoid the buildup of  free water behind the 

wall. Deep perforated drainage pipes are usually a better choice than weep holes because they 

are less likely to become blocked by frozen water. 

• Use non frost‐susceptible soil for the portion of  the backfill immediately behind the wall. This 

zone should extend horizontally behind the wall for a distance equal to the depth of  frost 

penetration in that locality. 

Even with these precautions, engineers working in cold climates often design retaining walls 

with an additional 5 to 10 kPa (100‐200 lb/ft2) surcharge pressure acting on the ground surface. 

The resulting lateral earth pressure from this surcharge results in a stronger wall design that is 

better able to resist frost heave. 

SUMMARY 

Major Points 

1. Cantilever retaining walls are the most common type of  earth retaining structure. 

2. Cantilever retaining walls must satisfy two major requirements: external  stability  (to avoid 

failure in the soil) and internal  stability  (to avoid failure in the structure). 

3. External stability requirements include the following: 

• Sliding 

• Overturning 

• Resultant in middle third 

• Bearing capacity 

7/23/2019 10 - Design of Wall Footing

http://slidepdf.com/reader/full/10-design-of-wall-footing 14/14

14  Dr. Qaiser Iqbal (UET Peshawar) 

• Deep‐seated shear 

• Settlement 

4. Internal stability requirements are satisfied by providing a structural design that satisfies the 

following requirements: 

• Sufficient flexural strength in the stem 

• Sufficient shear strength in the stem 

• Adequate connection between the stem and the footing 

• Sufficient anchorage of  the stem steel into the footing 

• Sufficient flexural strength in the footing 

5. Walls also must have proper drainage and water proofing details. 

6. In regions with cold climates, walls must be protected against frost heave problems.