CIV3294: Structural Design

Question 1

A universal column 100UC14.8 of Grade 300PLUS is under combined compression force N* =100 kN and bending moment (Mx *) about is major x-axis. The bending moment Mx * is the product of N* and the load eccentricity (e) which is 150mm. The column length L=5000 mm. The effective length factor ke=1.0 and section constant ab= 0. Assume FLR is provided.

Calculate the design column section capacity about x-axis (φNsx), design column member capacity about x-axis (φNcx), and design bending moment capacity about x-axis (φMsx).

Is the universal column 100UC14.8 of Grade 300PLUS adequate under the combined action? If yes, how much can you increase the load eccentricity (e) before the failure of the column occurs? If no, how much should you reduce the the load eccentricity (e) to avoid the failure of the column?

Question 3

A thick steel plate is connected to a pair of Grade 300,  125× 125× 10EA (equal angle) section through a line of M20 bolts as shown in Figure 2. The pair of equal angles is subjected to total tensile force P in kN. The connection can be arranged so that the angles are one side of the thick plate as in Figure 2 (i) or on both sides as in Figure 2 (ii). A cross-section of the equal angle section is also shown in Figure 2.

Determine the maximum force P that the angles can take for each of the cases shown in Figures 2 (i) and (ii).

Question 4

A tension member made of hot-rolled parallel flange channel (PFC) carrying a design tensile force of 300 kN is connected to a column through a gusset plate as shown in Figure 3. The angle between the PFC and horizontal axis is assumed to be 600.

(a) Determine the minimum size of a Grade 300 PFC section required for the tension member.

(b) Determine the minimum number of M20- 8.8/S bolts required for the connection by checking shear only. Assume threads of bolt intercepting the shear plane. Spacing between the bolts is less than 300 mm. (Note: the number of bolts shown in the diagram may be changed).

(c) Determine the minimum size of the weld required for connecting the gusset plate to the column. Use E48XX rodand SP welds, and assume the cross-section of the gusset plate is 180 mm× 45mm.

Question 5

Given a reinforced beam section as shown in Fig. 4, calculate the maximum design bending moment (You do not need to check pmin). The compressive strength of concrete fc’=32 MPa, steel yielding strength fsy = 500 MPa and steel modulus Es = 200 GPa. Take nominal area = 450 mm2 for each N24 bar and 110 mm2 for each N12 bar.

Question 6

A  short reinforced concrete column with a  section  shown in Fig.  5 is  subjected to axial compression and bending about they-y axis (two bars at top are in compression while four bars at bottom are in tension). Calculate the ultimate axial force capacity Nu and bending moment capacity Mu at points A and C in the capacity line. Take the concrete compressive strength f’c = 32 MPa, yield stress of steel fsy  = 550 MPa and steel modulus Es  = 200,000 MPa. All bars are Y28 with a nominal area = 620 mm2  each.

Question 7

The reinforced concrete beam shown in Figure 6 is to carry a factored design shear force V* = 550 kN. Check if the section dimensions are adequate for shear and if more than minimum shear reinforcement is required at the most critical section for shear. If yes, calculate the required spacing of Y12 stirrups (two legs with a total area of 220 mm2) at the most critical section for shear. Assume angle of compression strut θv = 45o. Take overall depth D = 870 mm, Ast = 4960 mm2, effective web width bv = 300 mm, concrete compressive strength f’c = 20 MPa, and steel yielding strength fsy,f = 500 MPa.

Question 10

Consider the wall which is at the ground floor level of an apartment building with a tiled roof and supports two higher concrete slabs (Fig. 9). The factored load on the top of the ground floor wallis 170 kN per metre comprising 100 kN/m from above and 70 kN/m from the first floorslab. The ground floorslabis on fill and isolated from the wall. The wall material is clay masonry, fully bedded with M3 mortar (noraking) and the brick strength is f’uc  of 20 MPa.

(i)  Calculating the basic compressive capacity F0.

(ii) Calculating the design compressive force Fd  acting on the ground floor wall. (iii)Using the simple rules, check the design Fd < kF0.

(iv)Using the refined rules, check the design

(a) Calculating the eccentricities e1 given that the other eccentricity is zero. (b) Calculating Sr  and k.

(c) Compare the results of simple rules and refined rules.