Earthquake Engineering


Published on

Essentials of Earthquake Engineering for Architects and Engineers

Published in: Technology, Business
No Downloads
Total views
On SlideShare
From Embeds
Number of Embeds
Embeds 0
No embeds

No notes for slide

Earthquake Engineering

  1. 1. Essentials of Earthquake  Engineering for Architects and  Engineers Architect's and Engineer's Meet at Patiala 27th Aug. 2007  Dr. Hardeep Singh Rai Professor and Head, Civil Engg. Dept. Guru Nanak Dev Engg. College ­ Ludhiana
  2. 2. Agenda: Vulnerable environment ● Govt's role ● Professional's role ● Planning ● Design ● Construction ●
  3. 3. India One of the most disaster prone countries ● 85% area is vulnerable to one or multiple  ● disasters 57% area is in high seismic zone ●
  4. 4. Govt's contribution Prepration of standards ● IS 1893: Criteria for Earthquake Resistant  ● Design of Structures 1962:  `Recommendations for Earthquake  – Resistant Design of Structures' Revised in 1966, 1970, 1975, 1984 – 2002: (Part 1) General provisions and  ● Buildings;  2005 (4) Industrial Structures  Including Stack Like Structures
  5. 5. Govt's contribution (contd.) Part 2: Liquid Retaining Tanks – Elevated  ● and Ground Supported Part 3: Bridges and Retaining Walls ● Part 5: Dams and Embankments ● IS 4326:1993  Earthquake Resistant Design  ● and Construction of Buildings ­ Code of   Practice
  6. 6. Govt's contribution (contd.) IS 13828:1993  Improving Earthquake  ● Resistance of Low Strength Masonry  Buildings – Guidelines IS 13920:1993  Ductile Detailing of  ● Reinforced Concrete Structures Subjected to  Seismic Forces – Code of Practice  IS 13935:1993  Repair and Seismic  ● Strengthening of Buildings – Guidelines
  7. 7. IS: 4326 Eq. Res. D&C bldgs CP General Principles: ● Lightness – Continuity of constrction – Projecting and suspended parts – Configuration – Strength in various directions – Foundations – Ductility – Damage to non­structural parts – Fire safety –
  8. 8. Affect of Architectural Features on Bld during EQ Size of the Building 
  9. 9. Affect of Architectural Features on Bld during EQ  * If we have a poor configuration to start with, all  the engineer can do is to provide a band­aid –  improve  a  basically  poor  solution  as  best  as  he  can.  Conversely,  if  we  start­off  with  a  good  configuration  and  reasonable  framing  system, even a poor engineer cannot harm its  ultimate performance too much. ­­ Henry Degenkolb
  10. 10. Affect of Architectural Features on Bld during EQ Horizontal layout of the  building 
  11. 11. Affect of Architectural Features on Bld during EQ Vertical layout of buildings 
  12. 12. Affect of Architectural Features on Bld during EQ Adjacency of Buildings 
  13. 13. What are the Seismic Effects on Structure Horizontal and Vertical Shaking 
  14. 14. Affect of Architectural Features on Bld during EQ Suggestions  Architectural  features  detrimental  to  EQ  response  of  building  ● should be avoided. If not they must be minimised In  case  irregular  features  included  in  building  higher  level  of  ● engineering efforts is required in structural design Decision made at the planning stage on building configuration are  ● very important Building  with  simple  architectural  feature  will  always  behave  ● better during EQ
  15. 15. How building twists during Earthquake Contd………
  16. 16. Seismic Design Philosophy for Building Severity of ground shaking at a given location  during an earthquake can be minor, moderate and  strong.  Relatively speaking, minor shaking occurs  frequently, moderate shaking occasionally and  strong shaking rarely.  For instance, on average annually about 800  earthquakes of magnitude 5.0­5.9 occur in the world  while the number is only about 18 for magnitude  range 7.0­7.9
  17. 17. Seismic Design Philosophy for Building •  Don’t  attempt  to  make  EQ  proof  building  (Bld.  Will  be  too  robust and too expensive) • Engineering intention shall be to make EQ resistant building
  18. 18. Seismic Design Philosophy for Building Earthquake Design Philosophy 
  19. 19. Seismic Design Philosophy for Building Earthquake Resistant Design 
  20. 20. Seismic Design Philosophy for Building Acceptable Damage:Ductility 
  21. 21. Behaviour of Brick Masonary Houses during EQ Behaviour of Wall  • Masonary Bld. Most vulnerable under EQ  shaking(Brittle Structure) • Wall is most vulnerable component of the  Bld due to horizontal force (EQ) •  Wall  offers  greater  resistance  if  pushed  along its length (Strong Direction) • Wall topples easily if pushed in a direction  perpendicular to its plan(Weak Direction)
  22. 22. Behaviour of Brick Masonary Houses during EQ Behaviour of Wall  • All walls if joined properly to the adjacent  wall ensures good seismic performance •  Walls  loaded  in  weak  direction  take  advantage  of  the  good  lateral  resistance  offered in their strong direction •  Walls  need  to  be  tied  to  the  roof  and  foundation to reserve their overall integrity 
  23. 23. Simple Structural Configuration required for Masonary  Building Box Action in Masonary Bld.  •  Separate  block  can  oscillate  independently    and  even  hammer  each  other  (If  too  close  during EQ) • Adequate gap required betn such blocks •  Gap  not  necessary  if  horizontal  projections  in Bld are small •  An  integrally  connected  inclined  stair  case  slab acts like a cross brace betn floors  • It transfers large horizontal forces at the roof  and  the  lower  level  (Area  of  Potential  Damage)
  24. 24. Vertical Band necessary in Masonary Building Protection of Opening in Walls  •Most common damage observed after an EQ  is  diagonal  X­cracking  of  wall  pier,  inclined  cracks  at  corners  of  doors  and  window  opening. •  A  square  opening  become  rhombus  during  EQ Shaking • The corners that come closer develop cracks,  Cracks  are  bigger  when  the opening  sizes  are  large •Steel bars provided all around the opening  restrict cracks (corner)
  25. 25. Seismic Design Philosophy for Building EQ Resistant Design of Building 
  26. 26. Effect of Earth Quake on RC Building Strength Hierarchy  • If this strategy adopted in design & beam detailing done properly  ­  Building  as  a  whole  can  deform  by  large  amount  despite  progressive  damage  caused  due  to  consequent  yielding  of  beams ­  If  columns are made weaker, it suffer local damage at the top and bottom  of a particular storey •  This  localised  damaged  can  lead  to  collapse of building
  27. 27. How do Beams in RC Bld resist EQ Reinforcement and Seismic Damage  • Long straight  bars (longitudinal bars) placed along its length •  Closed  loop  of  small  diameter  steel  bars  (Stirrups)  placed  vertical  at  regular intervals along its length
  28. 28. How do Beams in RC Bld resist EQ Reinforcement and Seismic Damage  •  Two basic types of failure in beams:­ a) Flexural (Bending) failure  b)  Shear failure 
  29. 29. How do Beams in RC Bld resist EQ Reinforcement and Seismic Damage  • FLEXURAL (BENDING) FAILURE •  Beam can fail in two ways  a) Brittle failure (b) Ductile failure •  Brittle Failure:­  Relatively more steel is present on  the  tension  face,  concrete  crushes in compression which is  undesirable
  30. 30. How do Beams in RC Bld resist EQ Reinforcement and Seismic Damage  • Ductile Failure:­  Relatively less steel is present on  the  tension  face,  steel  yield  first  and the re distribution occurs in the  beam  until  eventually  concrete  crushes  in  compression,  is  desirable •   Characterised  with  many  vertical  cracks starting from the stretched beam  face and going towards its mid depth
  31. 31. How do Beams in RC Bld resist EQ Reinforcement and Seismic Damage  • SHEAR FAILURE:­­   ­  A  shear  crack,  inclined  at  45  degree  to  the  horizontal,  develops  at mid depth near the support and  grows  towards  the  top  and  bottom  face ­  Closed loop stirrups are provided  to avoid such shearing action ­  Shear damage occurs when area  of shear stirrup is insufficient  ­ A Brittle failure, must be avoided
  32. 32. How do Beams in RC Bld resist EQ Stirrup helps beam in three ways  • It  carries  the  vertical  shear  force,  thereby  resist  diagonal  shear  crack • It protect the concrete from buldging outwards due to flexure • It  prevents  the  buckling  of  compressed  longitudinal  bars  due  to  flexure
  33. 33. How do Beams in RC Bld resist EQ Longitudinal bars  • Provided  to  resist  flexural  cracking  on  the  side  of  the  beam  that  stretches  • Requires on both faces at the ends and on the bottom face at mid  length
  34. 34. How do Beams in RC Bld resist EQ Longitudinal bars  • As per ductile detailing code:­­ ­ At least two bars shall go through the full length of the beam at  the top as well as the bottom of the beam ­  At  the  end  of  the  beams,  the  amount  of  steel  provided  at  the  bottom is at least half that at the top 
  35. 35. How do Beams in RC Bld resist EQ Requirements related to stirrups in RC Beams  • Φof Stirrups – 6 mm minimum   • Φ o f Stirrups – 8 mm , if beam>5m. •   Both ends  of a vertical stirrups should  be bent into 135 degree hook and extend  sufficiently  beyond  this  hook  to  ensure  that  stirrups  does  not  open  out  in  an  earthquake
  36. 36. How do Beams in RC Bld resist EQ Requirements related to stirrups in RC Beams  • Max. spacing of stirrups is less than half  the depth of beam • For  a  length  twice  the  depth  of  beam  from the face of the column, the spacing  should not be more than one fourth the  depth of beam
  37. 37. How do Beams in RC Bld resist EQ Requirements related to stirrups in RC Beams  • At  the  location  of  the  lap,  the  bars  transfer large forces from one to another •  Laps of the longitudinal bars are:­ a) Made away from the face of col. b) Not made at locations where they are  likely  to  stretch  by  large  amounts  and  yield (eg. Bottom bars at mid length of  the beam) •  At the location of laps, vertical stirrups should be provided at closer  spacing
  38. 38. How do Columns in RC Bld resist EQ Possible EQ Damage  • Column can sustain 2 type of damage:­ a)  Axial  Flexural  (Combined  Comp.    Bending) failure b)  Shear  Failure  (Brittle  Damage)  &  must be avoided by providing transverse  ties at closer spacing • Minimum  width  of  the  column  =  300  mm,  and  if  the  unsupported  length  of  column  <4  meter  and  beam  length<  5  m., width up to 200 mm is allowed
  39. 39. How do Columns in RC Bld resist EQ Possible EQ Damage  • Purpose of horizontal ties  a) Carry  horizontal  shear force induced  by  EQ  and  thereby  to  resist  diagonal  shear crack   b)    Hold  together  the  vertical  bars  and  prevent them from buckling   c)  Contain  the  concrete  in  the  column  within the closed loops • The ends of the ties must be bent as 135  degree. The length of the ties beyond hook bend must be atleast 10d of steel bar ( close ties) but  not less than 75 mm.
  40. 40. How do Columns in RC Bld resist EQ Possible EQ Damage  • In  column  where  spacing  between  the  corner bar exceeds 300 mm   “Additional  links  with  180  hook  ends  for  ties  to  be  effective  in  holding  the  concrete in  its  place  and  to  prevent  the  buckling of vertical bars”
  41. 41. How do Beam Column Joins in RC bld Resist EQ EQ behaviour of Joints  • Column  beam  joint  have  limited  force carrying capacity when forces  larger  than  these  are  applied  during  EQ, joints are severely damaged •  Repairing damage joints is difficult,  so damage must be avoided •  Under EQ shaking, the beam adjoining a joint are subjected to  moments in the same direction
  42. 42. How do Beam Column Joins in RC bld Resist EQ EQ behaviour of Joints  Under these moments, the top bar in the  beam­column  joint  are  pulled  in  one  direction  &  the bottom  one  in  opposite  direction. The forces are balanced by bond stress  developed between concrete and steel in  the joint region If there is insufficient grip of concrete  on steel bars in such circumstances, the  bar slip inside the joint region, the beam  loose their capacity to carry load 
  43. 43. How do Beam Column Joins in RC bld Resist EQ EQ behaviour of Joints        Under  this  pull­  push  forces  at  top  and  bottom  ends  joint  undergo  geometric distortion     One  diagonal  length  of  the  joint  elongates  and  the  other  compresses.  If  the  column  cross­  sectional  size  is  insufficient,  the  concrete  in  the  joint  develops diagonal cracks
  44. 44. How do Beam Column Joins in RC bld Resist EQ EQ behaviour of Joints     Problem  of  diagonal  cracking  &  crushing  of  concrete  in  the  joint  region  can be controlled by a) Providing large column size b) Providing closely spaced closed loop  steel  ties  around  column  bars  in  joint  region  Ties  hold  together  the  concrete  in  the  joint and also resist shear force.
  45. 45. How do Beam Column Joins in RC bld Resist EQ
  46. 46. How do Beam Column Joins in RC bld Resist EQ  Anchorage  of  beam  bars  in  exterior joints  Anchorage  of  beam  bars  in  interior joints
  47. 47. Why are Soft storey building vulnerable in EQ
  48. 48. Why are Soft storey building vulnerable in EQ
  49. 49. Why are Soft storey building vulnerable in EQ
  50. 50. Why are Soft storey building vulnerable in EQ
  51. 51. Why are Short Columns more Damaged During EQ Short Column Behaviour    Bld  resting  on  sloped  ground  consisting  of  short  &    long  column,  when  shakes,  all  column  move  horizontally  by  the  same  amount  along  with  floor  slab  at  a  particular  level   Short  column  effect  also  occurs  in  columns  that  support  mezzanine  floor  or  loft  slabs  that  are  added  in  between  two  regular  floors.
  52. 52. Why are Short Columns more Damaged During EQ Short Column Behaviour     A tall column & a short column of  same cross section move horizontally by  same amount during EQ      Short  column  is  stiffer  than  long  column(Stiffness  of  column  means  resistance to the deformation)   Larger is the stiffness, larger is the  force required to deform it
  53. 53. Why are Short Columns more Damaged During EQ Short Column Behaviour    If a short column is not adequately designed for such  large force, it can suffer significant damage during EQ   Short  column  attracts  several  times  larger  force  and  suffer more damage as compare to taller ones.     This  behaviour  of  short  column  is  called  short  column  effect  and  often  the  damage  is  in  the  form  of  X  –shaped  cracking (Shear Failure)  
  54. 54. Why are Short Columns more Damaged During EQ Short Column Behaviour    Special Confining reinforcement is  to  be  provided  over  the  full  height  of  column  that  are  likely  to  sustain    short  column effect  Special  confining  reinforcement  must  extend  beyond  the  short  column  into  the  column  vertically  above  and  below by certain distance
  55. 55. Why are Short Columns more Damaged During EQ The Solution    In  new  building,  short  column  effect  should  be  avoided to the extent possible during Architectural design  itself  For short columns in the existing building retrofit solutions  can  be  employed  to  avoid  damage  in  future  Earth Quake The  retrofit  solution  should  be  designed  by  a  Qualified  structural Engineer with requisite background
  56. 56. How to reduce EQ effects on Buildings Why EQ effects are to be reduced   Lifeline structures like hospitals etc are remain to be functional    in the aftermath of EQ Special  techniques are  required to design such life line structures  which usually cost more than normal bld do Two basic technology are a) Base isolation device b) Seismic Dampers
  57. 57. How to reduce EQ effects on Buildings Why EQ effects are to be reduced  a) Base isolation device ­ Idea behind base isolation is to detach (isolate) the buildings  from the ground in such a way that EQ motions are not transmitted  up through the building or at least reduced b) Seismic Dampers ­  Special  devices  introduced  in  the  building  to  absorb  the  energy provided by the ground motion to the building 
  58. 58. How to reduce EQ effects on Building  Base isolation in real buildings  • Over 1000 blds across the world have been equipped with seismic  base isolation • In  India  base  isolation  technique  was  first  demonstrated  after  1993  Killari  EQ • Two single storey bld (one school and  another  shopping  complex  bld)  were  built with rubber base isolators resting  on hard ground • The four storey bhuj hospital bld was  built    with  base  isolation  technique  after 2001 bhuj EQ
  59. 59. How to reduce EQ effects on Building  Seismic Dampers  • Another  approach  for  controlling  seismic  damage  in  bld  is  by  installing  seismic  dampers  in  place  of  structural  elements  such as diagonal braces • These  dampers  act  like  hydraulic  shock  absorbers  and  absorbs  part  of  the  seismic  energy  transmitted  through  them,  thus  damps the motion of the building
  60. 60. Resource Material EERI, (1999), Lessons Learnt Over Time – Learning from  Earthquakes Series: Volume II Innovative Recovery in India,  Earthquake Engineering Research Institute, Oakland (CA), USA;  also available at Hanson,R.D., and Soong,T.T., (2001), Seismic Design with  Supplemental Energy Dissipation Devices, Earthquake  Engineering Research Institute, Oakland (CA), USA. Skinner,R.I., Robinson,W.H., and McVerry,G.H., (1999), An  Introduction to Seismic Isolation, John Wiley & Sons, New  York. IITK & BMTPC Earthquake Tips; available at
  61. 61. For a Building to Perform well  in an Earthquake it should  have Six main attributes Lightness ● Simple and Regular Configuration ● Adequate Lateral strength ● Stiffness ● Continuity of Construction ● Ductility ●
  62. 62. Contact: Email: ● hardeep . rai @ gmail . com – hsrai @ gndec . ac . in – hs @ raiandrai . com – hsrai @ yahoo . com – hsrai @ grex . org – hsrai @ gmx . net –
  63. 63.                  Thank you.