24
SEISMIC DESIGN POLICY MANUAL FOR HIGHWAY BRIDGES Version 1.0 December 2013

Seismic Design Policy 1.0new - Mississippi

  • Upload
    others

  • View
    0

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Seismic Design Policy 1.0new - Mississippi

  

SEISMICDESIGNPOLICYMANUALFOR

HIGHWAYBRIDGES

Version1.0December2013

Page 2: Seismic Design Policy 1.0new - Mississippi

SeismicDesignPolicyManualforHighwayBridges 

 

MDOT Bridge Division Seismic Design Manual (Version 1.0)    Page | 2   

TableofContents

1.0  General .......................................................................................................................... 3 

2.0  Software for Seismic Analysis and Design ...................................................................... 4 

3.0  MDOT Modifications to AASHTO Guide Specifications for LRFD Seismic Bridge Design .. 6 

3.1  Definitions .................................................................................................................. 6 

3.2  Earthquake Resisting Systems (ERS) Requirements for SDCs C and D ....................... 6 

3.3  Seismic Ground Shaking Hazard .............................................................................. 11 

3.4  Selection of Seismic Design Category (SDC) ............................................................. 11 

3.5  Temporary and Staged Construction ....................................................................... 16 

3.6  Load and Resistance Factors .................................................................................... 16 

3.7  Selection of Analysis Procedure to Determine Seismic Demand .............................. 16 

3.8  Local Displacement Capacity for SDCs B and C ........................................................ 16 

3.9  End Bents.................................................................................................................. 17 

3.10  Foundation – General .............................................................................................. 17 

3.11  Foundation – Spread Footing ................................................................................... 17 

3.12  Foundation – Pile Foundations and Drilled Shafts ................................................... 18 

3.13  Analytical Procedures ............................................................................................... 18 

3.14  Procedure 3: Nonlinear Time History Method ......................................................... 18 

3.15  Foundation Rocking ................................................................................................. 18 

3.16  Drilled Shafts ............................................................................................................ 18 

3.17  Longitudinal Direction Requirements ...................................................................... 19 

3.18  Liquefaction Design Requirements .......................................................................... 19 

3.19  Reinforcing Steel ...................................................................................................... 19 

3.20  Concrete Modeling ................................................................................................... 19 

3.21  Splicing of Longitudinal Reinforcement in Columns Subject to Ductility Demands for 

SDCs C and D ............................................................................................................ 19 

3.22  Requirements for Capacity Protected Members ...................................................... 20 

3.23  Joint Shear Design .................................................................................................... 20 

4.0  Computer Analysis Verification .................................................................................... 24 

FiguresFigure 3.2‐1 Permissible Earthquake‐Resisting Systems (ERSs) ...................................................... 8 

Figure 3.2‐2 Permissible Earthquake‐Resisting Elements (EREs) .................................................... 9 

Figure 3.2‑3 Permissible Earthquake‑Resisting Elements That Require Owner’s Approval ........ 10 

Figure 3.23‐1 Joint Shear Principal Stress Diagrams ..................................................................... 21 

Page 3: Seismic Design Policy 1.0new - Mississippi

SeismicDesignPolicyManualforHighwayBridges 

 

MDOT Bridge Division Seismic Design Manual (Version 1.0)    Page | 3   

1.0 General

Seismic design of new bridges shall conform to AASHTO Guide Specifications for LRFD 

Seismic Bridge Design except for as modified by Sections 2 and 3. For nonconventional 

bridges, bridges that are deemed critical or essential, or bridges that fall outside the 

scope of the Guide Specifications for any other reasons, project specific design 

requirements shall be developed and submitted to the MDOT Director of Structures, 

State Bridge Engineer for approval. 

 

The importance classifications for all highway bridges in Mississippi are classified as 

“Normal” except for special major bridges. Special major bridges fitting the 

classifications of either “Critical” or “Essential” will be so designated by the MDOT 

Director of Structures, State Bridge Engineer. The performance object for “normal” 

bridges is life safety. Bridges designed in accordance with AASHTO Guide Specifications 

are intended to achieve the life safety performance goals. 

 

The AASHTO Guide Specifications for LRFD Seismic Bridge Design employs a 

performance‐based approach to seismic design.  This design approach requires the 

structure system and its individual components be designed to have enough capacity to 

withstand the deformations imposed by the design earthquake. 

 

Displacement based design is used instead of the traditional force based design 

approach to overcome the drawbacks of the latter design approach which: 

Does not directly address the inelastic nature of a structural system. 

Requires the use of a somewhat arbitrary force‐reduction factor. 

Provides little insight into actual structural behavior. 

Does not provide a consistent level of protection against reaching a specified 

limit state. 

Page 4: Seismic Design Policy 1.0new - Mississippi

SeismicDesignPolicyManualforHighwayBridges 

 

MDOT Bridge Division Seismic Design Manual (Version 1.0)    Page | 4   

2.0 SoftwareforSeismicAnalysisandDesign

The following software is typically used by MDOT for seismic analysis and design: 

 

LPILE: 

o Soil‐structure interaction 

o Pile/Shaft design 

o Laterally loaded piles and shafts 

 

CSiBridge: 

o General purpose structural analysis software with steel design, concrete 

design, AASHTO LRFD analysis and design, seismic response spectrum 

analysis, sectional analysis of reinforced concrete members, pushover 

analysis, time history analysis, staged construction… 

 

RC‐PIER: 

o Analysis and design of reinforced concrete bridge substructures and 

foundations.  Bent design for multi‐column and hammerhead piers, bent 

caps, rectangular or circular columns, footings and drilled shafts.   

o Considers slenderness effects through optional P‐delta analysis or moment‐

magnification. 

o Plastic hinging moment in columns can be considered in the pier cap design. 

o Generates pile forces in pile‐supported footings due to plastic hinging. 

 

In addition to the above mentioned software packages, the following programs can be 

used to aid in the seismic evaluation of a bridge.  This previous list and the following list 

are not intended to be all inclusive. 

 

WINSEISAB 

o Seismic response analysis of bridges 

 

CAPP 

o Pushover capacity of bridges 

 

Response 2000: (http://www.ecf.utoronto.ca/~bentz/home.shtml) 

o Section analysis of reinforced/prestressed concrete members 

o Modified compression field theory 

Page 5: Seismic Design Policy 1.0new - Mississippi

SeismicDesignPolicyManualforHighwayBridges 

 

MDOT Bridge Division Seismic Design Manual (Version 1.0)    Page | 5   

o Concrete model does not account for confinement effects (confinement 

effects can be included by user‐specific input of the concrete stress‐strain 

behavior) 

o Can store templates for many different sections 

 

CONSEC: (http://www.structware.com) 

o Section analysis of reinforced concrete and structural steel sections 

o Confining effects may be included for concrete sections 

o Voids may be modeled 

 

XTRACT: 

o Section analysis of reinforced/prestressed concrete, steel, and composite 

members 

o Templates for common structural shapes 

Page 6: Seismic Design Policy 1.0new - Mississippi

SeismicDesignPolicyManualforHighwayBridges 

 

MDOT Bridge Division Seismic Design Manual (Version 1.0)    Page | 6   

3.0 MDOTModificationstoAASHTOGuideSpecificationsforLRFDSeismicBridgeDesignMDOT amendments to the AASHTO Guide Specifications for LRFD Seismic Bridge 

Design are as follows: 

 

3.1 Definitions

Guide Specifications Article 2.1 – Add the following definitions: 

Owner – Person or agency having jurisdiction over the bridge. For MDOT 

projects, regardless of delivery method, the term “Owner” in the Guide 

Specifications shall be the MDOT Director of Structures, State Bridge Engineer 

or/and the MDOT Geotechnical Engineer. 

 

3.2 EarthquakeResistingSystems(ERS)RequirementsforSDCsCandD

Guide Specifications Article 3.3 – MDOT Global Seismic Design Strategies:  

Type  1  –  Ductile  Substructure  with  Essentially  Elastic  Superstructure.  This category is permissible. 

 

Type  2  –  Essentially  Elastic  Substructure  with  a  Ductile  Superstructure.  This category is not permissible. 

 

Type  3  –  Elastic  Superstructure  and  Substructure  with  a  Fusing  Mechanism Between the Two. This category is permissible with MDOT Director of Structures, State Bridge Engineer’s approval. 

 Type  3  ERS may  be  considered  only  if  Type  1  strategy  is  not  suitable  and  Type  3 strategy  has  been  deemed  necessary  for  accommodating  seismic  loads.  Isolation bearings shall be designed per the requirement of the AASHTO Guide Specifications for Seismic Isolation. The use of isolation bearings shall be approved by the MDOT Director of Structures, State Bridge Engineer. 

 MDOT  preferences  and  limitations  on  the  use  of  ERS  and  Earthquake  Resisting Elements (ERE) are presented below.  MDOT prefers to design the bridge without any contribution from the end bents in the ERS.  This ensures that in the event end bent resistance becomes ineffective, the bridge will still be able to resist the earthquake forces and displacements. In such a situation, the end bents provide an  increased margin of safety against collapse.   The use of the end bents  in  the ERS  requires approval  from  the MDOT Director of Structures, State Bridge Engineer.   

Page 7: Seismic Design Policy 1.0new - Mississippi

SeismicDesignPolicyManualforHighwayBridges 

 

MDOT Bridge Division Seismic Design Manual (Version 1.0)    Page | 7   

 Instances exists where the use of the end bent foundation and/or passive pressure of the backfill will be appropriate such as continuous bridges with integral or semi‐integral end bents or  instances where the shear keys and/or anchor bolts are not designed to fuse due to the seismic loading. The design objective when end bents are relied on to resist  either  longitudinal  or  transverse  loads  is  either  to minimize  column  sizes  or reduce the ductility demand on the columns.    Even though the end bents are not assumed to provide energy dissipation during the design event,  the end bent  foundation  capacity  should be  greater  than  the demand allowed by any connection of the superstructure to substructure  including shear keys, anchor bolts, bearings and backwall to cap (capacity protected). The horizontal design connection  force  shall  be  addressed  from  the  point  of  application  through  the substructure and  into the  foundation elements.  If each bearing supporting the bridge superstructure  is an elastomeric bearing,  there may be no  fully  restrained directions due to the  flexibility of the bearings.   However, the  forces transmitted through these bearings to substructure and foundation elements should be determined in accordance with  this  Article  and  with  Article  14.6.3  of  the  AASHTO  LRFD  Bridge  Design Specifications. 

ERSs 1 and 3 in Figure 3.2‐1 represent typical conditions for MDOT bridges.  These ERSs are permissible and preferred.  ERSs 2 and 4 include the use of isolation bearings which is atypical  for MDOT bridges and  requires approval  from MDOT.   ERS 5  includes  the resistance from the end bent including passive soil pressure.  MDOT prefers to exclude the  end  bent  resistance  unless  an  integral  end  bent  is  employed.    This  approach requires  approval  from  MDOT.    ERS  6  is  permissible  but  not  preferred;  MDOT frequently uses a bridge type with a multi‐span continuous unit(s) followed by a longer simple  span  and  then  a multi‐span  continuous  unit(s).    This  bridge  configuration  is permissible.  If this configuration is used, the effects of the joints closed (compression model) as well as the joints open (tension model) shall be considered.    ERE Types 3, 5, 6, 9, 10 and 13 in Figure 3.2‐2 are atypical details for MDOT bridges and require  approval  from MDOT.   ERE Types 1, 2, 7, 8,  and 12  represent  the preferred options for MDOT bridges. ERE Type 4 is not permissible.  ERE Types 11 and 14 include the resistance of the end bents in the ERS; therefore, these types require approval from MDOT.  The ERE Type 8 shown in Figure 3.2‐3 is permissible.  For ERSs and EREs  requiring approval,  the MDOT Director of Structures, State Bridge Engineer’s  approval  is  required  regardless  of  contracting  method  (i.e.,  approval authority is not transferred to other entities).  

Page 8: Seismic Design Policy 1.0new - Mississippi

SeismicDesignPolicyManualforHighwayBridges 

 

MDOT Bridge Division Seismic Design Manual (Version 1.0)    Page | 8   

FIGURE 3.2‐1 PERMISSIBLE EARTHQUAKE‐RESISTING SYSTEMS (ERSS) (GUIDE SPECIFICATION FIGURE 3.3‐1A) 

     

Page 9: Seismic Design Policy 1.0new - Mississippi

SeismicDesignPolicyManualforHighwayBridges 

 

MDOT Bridge Division Seismic Design Manual (Version 1.0)    Page | 9   

FIGURE 3.2‐2 PERMISSIBLE EARTHQUAKE‐RESISTING ELEMENTS (ERES) (GUIDE SPECIFICATION FIGURE 3.3‐1B) 

   

Page 10: Seismic Design Policy 1.0new - Mississippi

SeismicDesignPolicyManualforHighwayBridges 

 

MDOT Bridge Division Seismic Design Manual (Version 1.0)    Page | 10   

 

FIGURE 3.2‑3 PERMISSIBLE EARTHQUAKE‑RESISTING ELEMENTS THAT REQUIRE OWNER’S APPROVAL(GUIDE SPECIFICATION FIGURE 3.3‐2) 

Page 11: Seismic Design Policy 1.0new - Mississippi

SeismicDesignPolicyManualforHighwayBridges 

 

MDOT Bridge Division Seismic Design Manual (Version 1.0)    Page | 11   

3.3 SeismicGroundShakingHazard

Guide Specifications Article 3.4 – For bridges that are considered critical or essential or normal  bridges  with  a  Site  Class  F,  the  seismic  ground  shaking  hazard  shall  be determined based on the MDOT Geotechnical Engineer recommendations. 

 3.4 SelectionofSeismicDesignCategory(SDC)

Guide Specifications Article 3.5 ‐ The following maps depict the Seismic Design Category for bridges  in Mississippi  for different  site  classifications.    The maps  are based on  1‐second  period  design  response  spectrum  accelerations  for  the  7%  probability  of exceedance in 75 years.  

     

Page 12: Seismic Design Policy 1.0new - Mississippi

SeismicDesignPolicyManualforHighwayBridges 

 

MDOT Bridge Division Seismic Design Manual (Version 1.0)    Page | 12   

                                   

SiteClass“B”

Page 13: Seismic Design Policy 1.0new - Mississippi

SeismicDesignPolicyManualforHighwayBridges 

 

MDOT Bridge Division Seismic Design Manual (Version 1.0)    Page | 13   

                                 

SiteClass“C”

Page 14: Seismic Design Policy 1.0new - Mississippi

SeismicDesignPolicyManualforHighwayBridges 

 

MDOT Bridge Division Seismic Design Manual (Version 1.0)    Page | 14   

                                          

SiteClass“D”

Page 15: Seismic Design Policy 1.0new - Mississippi

SeismicDesignPolicyManualforHighwayBridges 

 

MDOT Bridge Division Seismic Design Manual (Version 1.0)    Page | 15   

   

         

SiteClass“E”

Page 16: Seismic Design Policy 1.0new - Mississippi

SeismicDesignPolicyManualforHighwayBridges 

 

MDOT Bridge Division Seismic Design Manual (Version 1.0)    Page | 16   

3.5 TemporaryandStagedConstruction

Guide Specifications Article 3.6 – For bridges  that are designed  for a  reduced seismic demand,  the contract plans shall either  include a statement  that clearly  indicates  that the bridge was designed  as  temporary using  a  reduced  seismic demand or  show  the Acceleration Response Spectrum (ARS) used for design. 

 3.6 LoadandResistanceFactors

Guide Specifications Article 3.7 – Use load factors of 1.0 for all permanent loads. Use a load  factor of 0  for  live  load unless  the bridge  is  located  in a  large metropolitan area where  there  is  a  high  probability  of  large  live  load  being  on  the  bridge  during  an earthquake. The inclusion of live load in the load combination should be discussed with MDOT on a case‐by‐case basis.  If  live  load  is  included  it should be without  impact and the  inertia  effects  of  live  loads  need  not  be  included  in  the  seismic  analysis. Unless otherwise noted, all ϕ factors shall be taken as 1.0.  The  effect  of  scour  on  the  soil  surrounding  the  substructure  of  bridges  needs  to  be taken  into  consideration.    Scour  is  treated  as  an  extreme  event  in  the  AASHTO Specifications.  Typically,  two  extreme  events  are  not  considered  simultaneously.  However, since the timing of a seismic event is not predictable, the effect of long term scour in conjunction with the design seismic event should be discussed with MDOT on a case‐by‐case basis. 

 3.7 SelectionofAnalysisProceduretoDetermineSeismicDemand

Guide Specifications Article 4.2 – Analysis Procedures:  

Procedure 1 (Equivalent Static Analysis) shall not be used.  

Procedure 2 (Elastic Dynamic Analysis) shall be used for all “regular” bridges with two through six spans and “not regular” bridges with two or more spans in SDCs B, C, or D. 

 

Procedure 3 (Nonlinear Time History) shall only be used with MDOT Director of Structures, State Bridge Engineer’s approval. 

 3.8 LocalDisplacementCapacityforSDCsBandC

Guide Specifications Article 4.8 – Push‐over analysis is not required for SDCs B and C.  If the  displacement  demand  is  greater  than  the  implicit  capacity,  the  designer  may reevaluate the capacity based on a push‐over analysis.  In lieu of a push‐over analysis for SDC B bridges, the SDC C implicit equation may be used along with SDC C detailing. The pushover analysis typically results in a larger capacity.  

Page 17: Seismic Design Policy 1.0new - Mississippi

SeismicDesignPolicyManualforHighwayBridges 

 

MDOT Bridge Division Seismic Design Manual (Version 1.0)    Page | 17   

Implicit equations were developed primarily for determining capacities of bridges with single and multi‐column reinforced concrete bents.   They are also applicable  for bents comprising single or multiple drilled shaft columns or prestressed‐concrete pile bents in which  plastic  hinging may  occur  below  ground  such  that  the  clear  height  dimension would begin at the point of fixity in the soil.  The implicit equations can also be used for steel  pile  bents.    The  results  of  the  equations will  be  conservative  and  a  push‐over analysis can be performed  if demand exceeds capacity. For different bent types, Guide Specifications  Article  4.8.2  (push‐over  analysis)  shall  be  used.    This  includes  the following  bent  types:  columns  founded  on  oversized  drilled  shafts,  when  steel construction casing is used, and bents with struts at mid‐height.   The  implicit  displacement  capacity  equations  generally  correspond  to  a  limit  state  of initiation  of  concrete  cover  spalling  for  SDC  B  and  an  equivalent  column  member ductility of 3 or less for SDC C.  Where  in‐ground hinging  is used  in the ERE, the demand displacement shall be  limited to the capacity for SDC B or the methods and limits for SDC D. 

 3.9 EndBents

Guide Specifications Article 5.2 – For  typical MDOT bridges with seat‐type end bents, MDOT’s  preference  is  to  not  include  the  end  bent  contribution  in  the  earthquake‐resisting system.   With MDOT Director of Structures, State Bridge Engineer's approval, the  end  bent  and wingwalls may  be  considered  and  designed  as  part  of  earthquake resisting system (ERS)  in the  longitudinal direction of a straight bridge with  little or no skew  and with  a  continuous  deck.  The wingwall  resistance  shall  be  governed  by  the wingwall capacity or the applicable soil resistance.  

 3.10 Foundation–General

Guide  Specifications  Article  5.3.1  –  The  use  of  spread  footings  for MDOT  bridges  is atypical. MDOT prefers to model pile or shaft  foundations with an estimated depth to fixity or p‐y curves.   Soil springs with secant stiffness may be used to provide a better representation based on p‐y curves for the foundation and soil.  Bi‐linear springs may be used  in  the  pushover  analysis  if  there  is  particular  concern with  depth  of  the  plastic hinge and effective depth of  fixity. The  required  foundation modeling method  (FMM) and  the  requirements  for  estimation  of  foundation  springs  for  spread  footings,  pile foundations,  and  drilled  shafts  shall  be  based  on  the MDOT Geotechnical  Engineer’s recommendations.  

3.11 Foundation–SpreadFooting

Guide  Specifications  Article  5.3.2  –  The  use  of  spread  footings  for MDOT  bridges  is atypical  and  requires  approval  by  the  MDOT  Director  of  Structures,  State  Bridge Engineer. 

 

Page 18: Seismic Design Policy 1.0new - Mississippi

SeismicDesignPolicyManualforHighwayBridges 

 

MDOT Bridge Division Seismic Design Manual (Version 1.0)    Page | 18   

3.12 Foundation–PileFoundationsandDrilledShafts

Guide  Specifications  Articles  5.3.3  and  5.3.4  –  Group  reduction  factors  should  be considered  in the response to seismic  loading.   Section 10 of the AASHTO LRFD Bridge Design Specifications provides guidance on the determination of group reduction factors for horizontal loading. 

 3.13 AnalyticalProcedures

Guide Specifications Article 5.4 – Procedure 2: Elastic Dynamic Analysis (EDA) shall be used to estimate the demand displacements for all typical MDOT bridges.   

 3.14 Procedure3:NonlinearTimeHistoryMethod

Guide Specifications Article 5.4.4 – Procedure 3: Nonlinear Time History Method is only used with  approval by  the MDOT Director of  Structures,  State Bridge  Engineer.    This type of analysis should be considered for  irregular bridges, critical or essential bridges, SDC D bridges or cases in which seismic isolation is included. The time histories of input acceleration  used  to  describe  the  earthquake  loads  shall  be  selected  in  consultation with  the MDOT  Geotechnical  Engineer  and  the MDOT  Director  of  Structures,  State Bridge Engineer. 

 3.15 FoundationRocking

Guide Specifications Article 6.3.9 – Foundation rocking shall not be used for the design of MDOT bridges. 

 3.16 DrilledShafts

Guide Specifications Article C6.5 –  It  is cautioned  that  the scaling  factor  for diameter effects  should  not  be  used  blindly  without  a  sound mechanistic  basis.  A  significant amount of pile  load  test data have been accumulated within  the offshore  industry on large diameter driven steel pipe piles including tests on 5 ft (1.5 m) piles. The diameter effects  for  offshore  piles  have  either  been  concluded  not  valid  or  considered insignificant within  the offshore  industry.  Juirnarongrit and Ashford  (2005) performed vibration tests and  lateral  load tests on drilled shafts ranging from 16  in (0.4 m) to 4 ft (1.2 m)  installed  in dense weakly  cemented  sand. Data  from  the  tests  for each  shaft 

diameter were used to back‑calculate p‐y curves. Their analyses indicate that the shaft diameter has  insignificant effect on the p‐y curves at the displacement  level below the ultimate soil resistance. Beyond this range, the ultimate soil resistance increased as the shaft diameter increased. It has been found that the pile diameter effect depend on the pile  head  moment‐to‐shear  ratio  and  the  distribution  of  soil  modulus  with  depth (Pender,  2004).  For MDOT bridges,  the  scale  factor  for p‐y  curves  for  large diameter shafts  shall  not  be  used  unless  approved  by  the MDOT  Geotechnical  Engineer  and MDOT Director of Structures, State Bridge Engineer. 

 

Page 19: Seismic Design Policy 1.0new - Mississippi

SeismicDesignPolicyManualforHighwayBridges 

 

MDOT Bridge Division Seismic Design Manual (Version 1.0)    Page | 19   

3.17 LongitudinalDirectionRequirements

Guide  Specifications  Article  6.7.1  –  Typical  MDOT  bridges  employ  seat‐type  (free‐standing) end bents.   The  seismic design of  the  these end bents  should  consider  the transfer of  seismic  forces  from  the bridge  superstructure  to  the end bents as well as force imparted on the end bent due to earthquake‐induced active earth pressures.   

 3.18 LiquefactionDesignRequirements

Guide  Specifications  Article  6.8  –  For  bridge  sites  where  liquefaction  occurs  at  the bridge  foundations,  the bridge should be analyzed  for a non‐liquefied condition and a liquefied  condition  unless  ground  modification  will  be  performed  to  mitigate  the liquefaction.   The  liquefied  soil parameters  shall be based on  the MDOT Geotechnical Engineer’s recommendation. 

 3.19 ReinforcingSteel

Guide Specifications Article 8.4.1 – The Guide  Specification  requires  the use of A706 reinforcing for SDC D structures in areas where hinging is expected. In lieu of restricting the column bars to A706 material, permit the use of either of the following for column longitudinal bars:  

1. A615 reinforcing with a maximum yield strength of 78 ksi, or 2. A706 reinforcing 

 This means  that  a  lower  over‐strength  factor,  λmo,  of  1.2 may  be  used,  but  that  the reduced ultimate tensile strain, εsuR, corresponding to A 615 steel must also be used  in the moment curvature analysis. The net effect will be a  reduced over‐strength plastic shear,  but without  the  added  displacement  capacity  achieved  from  the  use  of  A706 transverse steel. (See Sections 8.4.2 and 8.5 of the Guide Specification).  The reduced ultimate tensile strain for steel, εsuR, shall be used instead of the theoretical maximum, εsu.  Guide  Specifications  Article  8.4.3  –  Where  in‐ground  hinging  is  anticipated  for  a prestressed concrete pile bent as part of the ERS, the ultimate prestress strain limit shall be reduced to 0.015.   

 3.20 ConcreteModeling

Guide Specifications Article 8.4.4 – Where  in‐ground plastic hinging  is part of the ERS, the confined concrete core shall be limited to a maximum compressive strain of 0.008.  

 3.21 SplicingofLongitudinalReinforcementinColumnsSubjecttoDuctilityDemands

forSDCsCandD

 

Page 20: Seismic Design Policy 1.0new - Mississippi

SeismicDesignPolicyManualforHighwayBridges 

 

MDOT Bridge Division Seismic Design Manual (Version 1.0)    Page | 20   

Guide Specifications Article 8.8.3 – The  splicing of  longitudinal column  reinforcement outside the plastic hinging region shall be accomplished using mechanical couplers that are  capable  of  developing  a  minimum  tensile  strength  of  85  ksi.  Splices  shall  be staggered at  least 2  ft.  lap  splices  shall not be used. The design engineer  shall clearly identify the locations where splices in longitudinal column reinforcement are permitted on the plans.  

 3.22 RequirementsforCapacityProtectedMembers

Guide Specifications Article 8.9 – For SDCs C and D where  in‑ground hinging  is part of ERS, the confined concrete core should be limited to a maximum compressive strain of 0.008 and the member ductility demand shall be limited to 4.   Bridges shall be analyzed and designed for the non‐liquefied condition and the liquefied condition  in  accordance  with  Article  6.8.  The  capacity  protected members  shall  be designed in accordance with the requirements of Article 4.11.   MDOT may  elect  to  use  capacity  protected  oversized  pile  shafts  to  preclude  hinging underground.    If  this approach  is  taken, oversized pile  shafts  shall be designed  for an expected nominal moment capacity, Mne, at any  location along the shaft, that  is, equal to  1.25  times moment  demand  generated  in  the  shaft  by  the  overstrength  column plastic hinge moment and associated shear force at the base of the column. The safety factor of 1.25 may be reduced to 1.0 in the liquefied condition with the MDOT Director of Structures and State Bridge Engineer’s approval.  Design moments  below  ground  for  non‐oversized  drilled  shafts may  be  determined using the nonlinear static procedure (pushover analysis) by pushing them laterally to the displacement demand obtained from an elastic response spectrum analysis. The point of maximum moment  shall  be  identified  based  on  the moment  diagram.  The  expected plastic hinge zone shall extend 3 diameters (3D) above and below the point of maximum 

moment.  The plastic hinge  zone  shall be designated  as  the  “no‑splice”  zone  and  the transverse steel for shear and confinement shall be provided accordingly. 

 3.23 JointShearDesign

Guide  Specifications  Article  8.13.1  –  Bent  caps/footings  and  the  moment  resisting connection with the column shall be designed to resist seismic forces as an essentially elastic element.   Additional  guidance  on  joint  design  may  be  found  in  the  following:  

1. Priestley, M. J. N, et al, Seismic Design and Retrofit of Bridges, 1996, Wiley and Sons, pages 348‐388. 

2. Sritharan,  Sri,  Improved  Seismic  Design  Procedure  for  Concrete  Bridge  Joints, ASCE Journal of Structural Engineering, September, 2005, pages 1334‐1344. 

Page 21: Seismic Design Policy 1.0new - Mississippi

SeismicDesignPolicyManualforHighwayBridges 

 

MDOT Bridge Division Seismic Design Manual (Version 1.0)    Page | 21   

 

Guide Specifications Article 8.13.2 – Moment‑resisting  joints shall be proportioned so that the principal stresses satisfy the requirements of the following equations.  Refer to Figure 3.23‐1  for  joint shear principal stress diagrams. The permissible principal stress levels shall be established using the expected concrete strength.   

FIGURE 3.23‐1 JOINT SHEAR PRINCIPAL STRESS DIAGRAMS  

Page 22: Seismic Design Policy 1.0new - Mississippi

SeismicDesignPolicyManualforHighwayBridges 

 

MDOT Bridge Division Seismic Design Manual (Version 1.0)    Page | 22   

For principal compression, pc: 

0.25   (8.13.2‐1) 

For principal tension, pt: 

0.38 ′   (8.13.2‐2) 

In which: 

    (8.13.2‐3) 

 

    (8.13.2‐4) 

Where: fh = Average axial horizontal stress (ksi) fv = Average axial vertical stress (ksi) vih = Average joint shear stress (ksi) 

 If either criterion  is not met, the member size (column and/or cap) must be  increased until  the  limits are met. Typically,  it  is preferable  to  increase only  the cap dimensions since changing the column dimensions would necessitate recalculating the plastic shear and the displacement capacity. 

 The  average horizontal  axial  stress  is based on  the mean  axial  force  at  the  center of joint, including the effects of prestress.  For most projects, fh can be taken as zero due to lack of prestress in the cap. 

 

Where: Pb  =  Beam  axial  force  at  the  center  of  the  joint  including  the  effects  of prestressing (kips) Bcap = Bent cap width (in) Ds = Depth of superstructure at the bent cap for integral joints under longitudinal response  and  depth  of  cap  beam  for  nonintegral  bent  caps  and  integral  joint under transverse response (in) 

 In the vertical direction, the average axial vertical stress  in the  joint  is provided by the axial  force  in  the  column, Pc. Assuming  a 45°  spread  away  from  the boundary of  the 

column to a plane at mid‑depth of the bent cap, the average axial stress is calculated by the following equation: 

 

   

Page 23: Seismic Design Policy 1.0new - Mississippi

SeismicDesignPolicyManualforHighwayBridges 

 

MDOT Bridge Division Seismic Design Manual (Version 1.0)    Page | 23   

Where: Pc = Column axial force including the effects of overturning (kips) Beff = Effective width of joint (in) 

Dc = Diameter or cross‑sectional dimension of column parallel to bent cap (in)  

The  average  axial  stress  in  the  joint,  fv,  shall  be modified  if  the  cap  beam  does  not extend  beyond  the  column  exterior  face  greater  than  half  the  bent  cap  depth  by modifying Ds in the equation above to be 0.5Ds+ the cantilever length if less than 0.5Ds.   As  an  alternate  to  the  average  joint  stress,  vjv,  given  in  the Guide  Specifications  Eq. 8.13.2‐7,  the  average  joint  shear  stress,  vjh,  can  be  approximated with  the  following equation with adequate accuracy:  

 

Where: 

M = The column overstrength moment, Mpo (kip‑in) 

Dc = Diameter or cross‑sectional dimension of column in the direction of loading (in) hb = The distance  from c.g. of  tensile  force  to c.g. of compressive  force on  the section (in) This moment arm may be approximated by Db. Beff = Effective width of joint (in)  

The effective width of  joint, Beff, depends on the shape of the column framing  into the joint and is determined using the following equations. 

 

For circular columns: 

√2  

For rectangular columns: 

 

 For transverse response, the effective width will be the smaller of the value given by the above equations or the cap beam width.   Guide Specifications Article 8.13.5 – The Guide Specifications do not specifically address knee joints for non‐integral bent caps.  Refer to Sritharan (2005) for additional guidance on joint proportioning for knee joints of non‐integral bent caps. 

      

Page 24: Seismic Design Policy 1.0new - Mississippi

SeismicDesignPolicyManualforHighwayBridges 

 

MDOT Bridge Division Seismic Design Manual (Version 1.0)    Page | 24   

4.0 ComputerAnalysisVerification

 The computer results will be verified to ensure accuracy and correctness. The designer should use the following procedures for model verification:  

Using graphics  to check  the orientation of all nodes, members, supports,  joint, and  member  releases.  Make  sure  that  all  the  structural  components  and connections correctly model the actual structure.  

Check dead load reactions with hand calculations. The difference should be less than 5 percent. 

 

Calculate fundamental and subsequent modes by hand and compare results with computer results. 

 

Check the mode shapes and verify that structure movements are reasonable.  

Increase the number of modes to obtain 90 percent or more mass participation in  each  direction.  CSiBridge  directly  calculates  the  percentage  of  mass participation.  

Check  the  distribution  of  lateral  forces.  Are  they  consistent  with  column stiffness?  Do  small  changes  in  stiffness  of  certain  columns  give  predictable results?