Week 1Design, what is it? The process of taking an idea to something constructible.

Creating documentation.

Engineering design (5% calculation, 95% context), strength and durability need to besatisfied. The general sequence is as follows:

1. Idea2. Concept design – a design that is sufficient to communicate that the

designers correctly conceive the idea. Concept design must have sufficientdetail in order to tender and produce the detail design by a D&C contractorto avoid variations

3. Tender design if design and construct ­ sufficient detail has to be producedto get reliable information (quotes, prices etc) from contractors.

4. Detailed design

B&B Belt and braces approach: using more than 1 method to make sure something is safeE.g. 2 types of waterproofing. Back up system needed as waterproofing is alwaysless effective than initial planned.

PSD Plans, Sections & Details

Conservatism (Proj H FLload)

Designing conservatively can have many long term benefits in a project. Project Hwas designed conservatively, and as a consequence when the machine loads duringconstruction were found to be significantly larger than had originally been advised,the built structure was re­checked for these loads and did not have to be modifiedsaving a large amount of time and money.

Flat Arch Design Used when excavation is near the ground surface (i.e. minimal depth of coverbetween arch and ground surface above). Inherently risky as little support isprovided by natural arch shape. Sets cannot be used for long spans, main arch ofOHCP flat arch design. Support provided by anchors and mesh reinforced shotcrete.

Roadheader Tracked machine with cutting head. Rotates anti­clockwise. Suitable for irregularshapes. How far road headers advance depends on the their size . They advancebetween 15 m^3/hr to 40 m^3/hr.

Alpine roadheader = boom for cutting head moves up and down the face. Uses aconveyor system which is made from fibre reinforced rubber. This type of conveyorcan change direction, it is more flexible than other conveyors used.

Mitsui ­ head rotated on the end of the beam

Headings To excavate a cabin initial headings have to be undertaken, followed by bulkexcavation. Initial headings done by a road header. Height of initial heading around5m for installation of anchor and to accommodate bulk excavation equipment.

Crown Anchors Rock anchors into the crown of a tunnel to support the rock and prevent collapse.

Half Column (SplitColumn)

Split columns will perform better than corbels as corbels have complex internalstresses that are often not well designed for. Split columns are simpler to design andbuild. Form by pouring one column, putting polystyrene at joint, pouring secondcolumn against polystyrene and then dissolving the polystyrene.

Corbel Structural piece that jutting from a column  to carry a superincumbent weight.

High Cost RoadheaderExcavation

● Road Header ­ Approximatley $220/m3● Used for initial headings due to its versatility.

Low Cost Bulk Excavation ● Excavators & Dozers ­ Approximatley $85/m3● Used for lower excavations.

Span/depth of cover ratio The span refers to the span of the tunnel crown and the depth is the distancebetween the top of the crown and the surface. You need some thickness over thecrown to set up a stable rock beam or rock slab over the tunnel.

Engagement of structureagainst excavation face +an example of the way inwhich a minor  aspect (egarchitectural) can havesuch an enormous impacton D+C

Use of rockface to support structure. Avoid this at all costs.e.g. Column shortening due to increased load as structure gets bigger may cause theconcrete to crack (similar effect caused by  column settlement)

Aspects of Reinf Concretedetailing and fixing fromTextbook on Blackboard.(2013)

The three bar trick: using three bars instead of two to continue reinforcement about ajoint, ensuring ductility. As we have loss of effective cover in the corner due toopening forces bars are terminated in the compression zone.

Wall­Slab

Staircase (top)

Staircase (bottom)

Week 2TBM Tunnel boring machine. Suitable for long driven tunnels, long set up. Stuck with

shape of cutting head, only able to do long radius turn. Suitable for hardrock and softground tunnelling. The cutting shield rotates under hard pressure (the cutting shieldis located behind the cutting head.) and pulverizes the rock. Rotation comes from acollection of hydraulic motors that are rotating a gear against a rack (flat or circularplate with teeth on it).

The pulverized excavation product passed through the openings in the cutting faceand drops down to be picked up by orge / screw conveyor.

         Types of TBMS dependent on type of soil being excavated:1.       Slurry Machine:  soils of varying hardness. Excavated soil is mixed

with slurry to create positive face pressure to sustain excavation.Closed machine – soil removal involves pumping soil mixed withslurry to plant located outside tunnel that separates slurry frommuch allowing recirculation

Advantages

∙         Higher advance rates∙         Continuous operations∙         Less rock damage∙         Less support requirements∙         Uniform tunnel characteristics∙         Greater work safety∙         Potential for remote, automated operation

Disadvantages

∙         Fixed circular geometry∙         Limited flexibility to extreme geological conditions∙         Longer mobilisation costs∙         Higher capital costs

TBM in hard rock –method of forwardmovement

         There appear to be multiple ways that this works, but for the most part the grippers areattached to hydraulic rams and are extended against the side walls of the tunnel. Topropel the TBM forward, additional hydraulic rams move the grippers back towardsthe rear of the TBM body. For soft ground TBMs, however the forward movement isprovided by rams pushing against the concrete segments.

grippers Grippers are needed for hard rock TBMs to grip onto the inner walls of the tunnel.This ensures that the the TBM does not move backwards when pressure is applied, ithas  to move forwards. Soft rock TBMs do not have grippers because they wouldsink into the ground ­ could not get a grip

Grippers are usually located about 15 metres from the cutting head.

Bends in tunneling are achieved by manipulating grippers. (e.g. only putting gripperson the right side)

 rate of excavation TBM 250m/Week, Roadheader up to about 20m^3/hour

 crown support Crown Support – (the high risk area for designer and constructor)● Principles● Rock Bolt Types (Bar, Cable, Fibreglass, Swellex)● Anchorage (Mech, Grouted, Chemical)

At the crown there is much more potential of rock fall. Natural arch helps determinethe crown support arrangement.

miscellaneous crownsupport systems

Crown Support with Rock bolts penetrate right up to above the natural arch and intothe supporting zone. For moderately fractured rock.

Crown Support with bolts not penetrated into supporting zone. For highly fracturedrock.

rock bolts Rock bolts are used to support an excavation wall or for crown support in a tunnel.Grout is often wrapped around the bolt to provide adhesion and reduce corrosion ofrock bolts. When drilling a hole upwards into the crown a whole lot of water comesout , this is a problem that can be addressed by the use of grout.

A grout tube is wrapped around the bolt, passed through a hole in  the washer andthen the tube is filled with grout. A resin bag can be used instead of grout. The

whole rock bolt is often not wrapped with grout, the grout is only used above thenatural arch, in the supporting zone. You don't want the grout  to engage withsupporting rock in supported zone, too much tension in supported zone.

Rock bolts are not used for soft crown tunnels, only used in hard rock.

extent of collapse to anatural arch

If an opening with a curved roof is excavated in a jointed rock mass a natural arch isformed at some depth into the rock, above the ceiling of the opening. The formationof the arch is a result of stress redistribution in the rock as the opening is formed. Therock in the arch is subjected primarily to compressive stresses. The distance betweenthe ceiling and the lower boundary of the natural arch depends on the type of groundin which the opening is excavated and the span of the opening.

supported zone &supporting zone

Supported zone:● The zone of rock below the natural arch● The size of the supported zone will increase with decreasing rock quality● You do not want to grout the supported zone, so that loads can be properly

transferred by the anchors into the supporting zone. The ungrouted lengthof the anchor is called the ‘free length’

Supporting zone:

● The zone of rock above the natural arch● Anchors should be grouted into the supporting zone● It is the responsibility of the geotechnical engineer to estimate the location

of the natural arch based on the rock strength, in order to nominate thecorrect anchor length, free length and grouted length.

grouted anchor Typical installation procedure for a grouted anchor:1. Drill a hole of the required diameter (typically 75­100mm)2. Wrap a grout tube around the bolt. This tube will pass through a hole in the

washer3. Insert rock bolt into hole4. Pump grout down the tube to fill hole from top down5. Tension test bolt after curing

Grout provides adhesion and also corrosion protection ­ spacers are used to ensurethat the bolt stays in the centre of the hole

Grout the supporting area.

          You do not want grout in the supported zone – there should be grout in  the bondlength in the load carrying strata

          A plastic sheath can be used in the supported zone, where the bolt is covered ingrease, to disengage the bolt

chemical anchor 1. Push a resin grout bag up the hole2. Push rock bolt through the bag and rotate rock bolt

Resin can attain full strength in as little as 8 seconds and is not affected by waterunlike grout.

mechanical anchor Similar to ‘dynabolt’: metal rod with an expansion shell at the end which is activatedand expands when the bolt is tightened by installation drill. Considered temporary asthey corrode quickly unlike grouted bolts. Don’t provide dowel action due to air gapbetween bolt and drill hole therefore lack of transverse shear resistance.

Swellex Bolt The  most popular type of mechanical anchor. (swellex nail) For temporary supportMade out of sheet metal. Provides good temporary friction to outside of the hole andworks in pullout and transverse shear

1.   Drill hole into rock2.   Push swellex bolt (nail) into hole3.   Water or grout is pushed into bolt ‘fold’4.   Due to pressure bolt expands to the periphery of the hole

dome washer

Domed washer allows the rock bolt to be effective at a range of angles by ensuringthat the anchor nut stays in contact with the anchor plate.

mesh reinforced shotcrete When anchors secure mesh in the crown and shotcrete is then applied on top.

temporary support Anchoring using rock bolts is considered temporary support, although it can last upto 100 years.

permanent support Insitu reinforced concrete lining is the only support method considered ‘permanent’,ifthis method is required it can often be cost prohibitive.

waterproofing in railtunnels

Rail industry insists on cast insitu reinforced concrete tunnel for waterproofing. Thisis expensive and prohibits future development. Waterproofing should not benecessary for rail tunnels.It is a waste to require waterproofing for tunnels given that when the trains are aboveground and it rains they get wet and operate fine. So why should there be a need forthe tunnels to be waterproofed, all that is needed is a sufficient drainage system inthe tunnel to prevent buildup of water.

The lining of a rail tunnel driven in rock, should, in principle, be no different from thelining of a road tunnel. I.e. economically, it involves rock bolting and mesh reinforcedshotcrete, without excessive concern about occasional seepage through the meshreinforced shotcrete lining in the Crown.

crown collapse wheretunnel gradient vsbedding slope createsreducing thicknesswedge (long sectionalview)

The planes of weakness in the bedding can cause wedges to drop out of the crownand kill whoever is underneath. Solutions are to tap them out safely with aroadheader, or to rockbolt+mesh+shotcrete them.

Set(eg250UC) Installation of sets provides added crown support.  Sets are encapsulated inshotcrete or fibrecrete(has mild steel flecks which increase the tensile strength). Thecrown is excavated roughly, shotcrete is used to fill in the gaps so that the sets canbe put in place (the gaps between the sets and rock is filled with shotcrete). Weldedsteel, hardwood timber packing to apply mutual support to the sets.  Sets normallyhave legs. Sets are usually 200 or 250 UC.

leg supported /(springline (notmentioned in class – willexplain week 3))supported

Refers to whether arch is supported at a springline or at its base.

W Strap A W Strap is commonly used when additional support is required in conjunction withrock bolts. These steel straps are pulled into the rock surface by the bolts and tend toconform to major irregularities in the rock. They provide large surface confinement toany loose rock that may form between installed rock bolts.

Week 3Canopy Tube ­ IN EXAM! Canopy tubes can be used to excavate when cut and cover is not an option or rock

bolt do not provide enough support in the low rock quality area (i.e. portal zone)

Typical installation procedure:1. Excavate small initial section (about 2m)2. Install canopy tubes to max 15m length (thick wall CHS steel tubes with a

slight incline above the crown of the tunnel)3. Excavate 1m beneath the canopy tubes. Canopy tubes will act as a

cantilever to support the load of the soil above.4. Install a set (usually with legs). By driving in hardwood packers the set will

be able to support the canopy tubes.5. Repeat 3 and 4 until the end of the canopy tube. The length of the canopy

tube zone can be increased by driving a second tube below the end of thefirst ­ this is the reason for the incline of the tube  above the tunnel crown.

Portal Issues1. Terrain (favourable / unfavourable)2. Geology3. Additional Crown Support requirements – eg pipe canopy Services – gas,

electricity, stormwater drainage, water, sewage ,property issues4. Construction access

The possible location of portals is an important factor in determining a tunnelalignment (both vertical alignment and horizontal alignment). Other issues include:

1. Entry and Exit points2. Availability of suitable portal (see M5 and Lane Cove examples) Terrain /

Geology – (eg M5 Bardwell Park)3. Obstacles – eg river, creek4. Gradients (affect ventilation system) – (road max 6­8%) Ventilation facilities5. Drainage6. Property issues7. Politics

portal zone The zone at the beginning and end of a tunnel. The portal zone is generally the mostproblematic area with two main problems:

1. Quality of rock/soil2. Depth of rock/soil ­ limited rock cover

Generally the prefered construction method is cut and cover. If this is not an optiondue to the surrounding conditions, canopy tubes can be used.

cut & cover method ● When the entire tunnel is excavated as a long trench with strutting acrossthe trench, the tunnel is installed and the trench covered in again. TheEastern Distributor was constructed with this method.

● Trench is excavated and then roofed over with an overhead support system.

● Water control can be a significant issue.● Soft ground – need to install diaphragm walls or CFA walls– generally to

support use strutting or anchors.● Anchoring can be difficult in a cut and cover job due to legal issues with

putting an anchor across private property boundaries.● Bexley road used ‘cover and cut’ method

driven tunnel zone ● The section of the tunnel that connects the two portal zones.● The driven zone requires repetitive engineering compared to the portal zone● Generally has a better span­cover ratio compared to the portal zone.

Issues for cross­sectional size and shape:● Future usage (Road – Rail – fluid etc etc)● Excavation Machine to be used ­ depends on availability of machines – RH

quick to mobilise TBM takes > 1 year Geology (affects Geotechnicalseparation)

● Consider DOUBLE DECKER CROSS SECTION● Ventilation requirement (natural relief or mechanical)● Ventilation system ­ Fire Smoke exhaust system

crown support (in heavilyjointed rock – inmoderately jointed rock)

Heavily Jointed rock­ beam is formed through tensioned rock bolts which created an artificial arch nearthe ceiling ­ the loose rock near the ceiling required support from mesh and shotcrete

Moderately jointed rock­ Rock bolts are placed through to the natural arch providing a supported andsupporting zone ­ the loose rock near the ceiling required support from mesh andshotcrete­ can use untensioned rock bolts­ typical Sydney situation­ lower risk and cheaper than heavily jointed situation

grouted bolt/anchor Grout is often wrapped around  bolts to provide adhesion and reduce corrosion.When drilling a hole upwards into the crown a whole lot of water comes out , this isa problem that can be addressed by the use of grout.

A grout tube is wrapped around the bolt, passed through a hole in  the washer andthen the tube is filled with grout. A resin bag can be used instead of grout. Thewhole rock bolt is often not wrapped with grout, the grout is only used above thenatural arch, in the supporting zone. You don't want the grout  to engage withsupporting rock in supported zone, too much tension in supported zone.

mechanical bolt/anchor, Description already above

swellex bolt Short term support consisting of a hollow nail­like anchor that is inserted in acollapsed state. After insertion the nail is pumped with water at high pressure, whichexpands the bolt and fills the hole, providing frictional resistance.

springline Point at which an arch begins to curve (i.e. the point where the wall meets thecrown).

haunch Thickening at the corner of the crown to improve strength.

tensionedanchor/untensionedanchor

Provide a means of pre­stressing all or a portion of a foundation. This minimizesundesirable deformation/settlements. Tensioning transfers load from the elementinto the grout and then on to the surrounding rock mass.

Untensioned rock bolts allow the loose rock to relax which will put tension on therock bolt

 dome washer See week 2.

ventilation Three main types of ventilation:1. Longitudinal ventilation ­ no ducts just tunnel with jet fans

2. Semi transverse(partly ducted) ventilation ­ One of supply/exhaust is in theduct and the other is with traffic in the tunnel.

3. (fully) transverse (fully ducted) ventilation ­ Both supply and exhaust airare in ducts. eg. supply air under the tunnel in risers and exhaust from thetop ­ most expensive

4. Natural ventilation ­ the fourth ‘often forgotten’ type of ventilation oftenused in rural tunnels. This method will still require a smoke extractionsystem.

Other issues:● Air Quality In the tunnel – CO – Nox – Particulates Air Intake location● Exhaust stack Outlet ­ location ­size ­shape –height In Tunnel Cleansing● In Stack cleansing

short circuiting inlongitudinally ventilatedcompartments

Occurs when the exhaust and inlet are placed too close to each other, resulting infresh air being drawn through the exhaust again. To counteract this, ducts take theexhaust and inlet far away from the actual ventilation stack in opposite directions.

Waterproofingconstruction joint

Types of waterproofing:

1. Central water stop foil2. Back stopping foil3. Water bar

hydrophyllic water bar Swells when it takes in water. Available in many cross­sectional  types.● Harbord lift shaft example ­ forgot to put in the water bar during

construction. Some of concrete was chipped away to install water bar andthen filled with high strength mortar which eventually failed/crumbledaway.

rearguard waterstop A piece of plastic that is cast against the soil­exposed face of a concrete joint toprevent water from entering.

centre water stop A piece of plastic that is cast into the centre of a concrete joint to prevent water fromentering.

Week 4

TBM (see week 2)

Assembly area (gallery) Area used to assemble TBM machine near entrance to tunnel

Initial tunnel excavation Use of simple machinery to get the tunnel started so that a TBM can take over

Conveyor Carries spoil (excavated earth) out from the head of the TBM to the rear of the TBMwhere it may be transported away by trucks.

Cassette The system where extra belt material is provided in the conveyor system so that whenthe TBM continues forward the conveyor can expand freely without having to be slackat any time. Belts used in the NSST had belts up to 2.1km using a cassette & splices.

Soft ground TBM  A soft ground TBM requires support of the tunnel face while the tunnel is beingconstructed. This is usually provided by a slurry being mixed with the spoil andproviding pressure against the tunnel face. This is then removed .

The tunnel is lined with concrete segments that are placed within the TBM shield. TheTBM uses hydraulic jacks against these segments to propel itself forward. Thepressure of each jack may be varied to change the orientation of the TBM.

Both TBMs (EPB and SPB) are working in potentially saturated soil. The pressure infront compartment reduces the loss of groundwater from surrounding ground into thetunnel. This is significant as subsidence (depression of soil) at surface, and loss inbearing capacity may occur as a result. Limiting groundwater loss = limitingsubsidence.

Remote controlled TBMwith slurry used for spoilremoval(microtunnelling)

 This TBM is small and laser controlled. It operates very similarly to large soft groundTBMs with the exception that the hydraulic jack is attached at the beginning of thetunnel and not to the TBM itself. Concrete pipes are inserted at the beginning of thetunnel and pushed again the existing pipes to propel the TBM forward.

Earth pressure balancedTBM

 Earth pressure Balance Machine (EPB): closed machine used for softer fairly cohesivesoils. Suitable for varying soil composition. Positive face pressure created by theexcavated ground kept under pressure in the chamber by controlling removal throughrotation of screw conveyor. Much removed by conveyor belt/skips

Gripper  On each side of a TBM, the gripper system allows the machine to move forward by“gripping” onto the side walls of the tunnel and pushing the machine ahead. Like acaterpillar!Forward movement for hard rock TBMs

Precast concrete segmentlining

 Precast concrete segments are transported through the tunnel and installed inside theTBM shield. The segments are bolted together. See illustration above.

Forward movement for large tunnels (>1.8m diameter) eg. EPBM

Jacked pipe liner The entire pipe is jacked from the main shaft. New concrete sections are lowered downthe shaft and the main jack pushes against the new section of the pipe. Using thrust

cylinders the TBM advances half the length of a pipe section. Also section inter jackscan be used which allow it to act like a caterpillar.

Forward movement for smaller tunnels (<1.8m diameter) eg. SPBS

Entry shaft  The entry shaft is a hole that is often lined with concrete. The jacking rig is at thebottom of the shaft and pipes are lowered into it for jacking to advance the microTBM.

Exit shaft The exit shaft is where the micro TBM will emerge and be lifted out.

Direction change shaft As lasers are used to direct micro TBMs, they can only move in relatively straightlines. Every direction change requires a new laser level and therefore a new shaft.

Ventilation The basic requirement for a road tunnel ventilation system is to provide a supply of airto the tunnel to dilute vehicle emissions to a standard set by an authority.Fully ducted is most effective.

Compartment A part of a tunnel that has its own air supply and its own exhaust system. Maximumlength of a ventilation compartment in a road tunnel should be about 1.2km. eg. M5 ­ 3.5km of tunnel should have 3 compartments (3 exhaust stacks and 3 intakes)

Limited length  Acceptable compartment length = 1.2km ( Compartment length need to be longenough to prevent pollution build up)

Dilution  Reducing the concentration of a chemical●    CO and NOx (before improvement in vehicle emission controls)● Particulate control, mircofine particles from fuel combustion (esp.

commercial diesel vehicles)

Air velocity limitations induct/tunnel

 M5 tunnel = 36km/hr (10m/s)

Supply of fresh air is measured as a volumetric rate of flow (m3/s)Relationship is Q=AV

Maximum air velocity is up to 10 m/s in longitudinal system and is significantly greaterin a ducted system (transverse or semi transverse).  This provides the necessary Qvalue to dilute the air

Ventilation design for fire  This is mostly designed as smoke removal.

In­tunnel ventilationsystem

External system Exhaust stacks, air intakes and the fans in those facilitiesMain aspect of external systems is the exhaust stack heightEngineers want exhaust stacks to be as high as possible to get exhaust air into reliabledispersing airways. There is much debate as to whether this is an appropriate measureof exhausting pollutants into the air.

Exhaust shaft  The purpose of an exhaust shaft/stack is to remove exhaust from tunnel

Intake facility Fresh air sucked into tunnel using large fans at intake facility, often located away fromtunnel

Ducting to avoid shortcircuiting aroundexhaust/intake shaft area

This ducting takes the exhaust and intakes, which may be very close to each other,further away from each other to prevent short circuiting.

Rail tunnel ventilation There is generally no requirement for ventilation of a rail tunnel to control air quality.There is however, a need for a ducted fire product extraction system which is able totarget a particular location.Ventilation Design Factors:­ Allowable concentration of pollutants­ Traffic densities

­ Cross­sectional Area­ Gradient­ Fleet condition mix

Fluid tunnel ventilation

PIARC (World Authorityestablishing designstandards for urbantunnels)

PIARC created the "Road Tunnel Committee" (1957) to address the range of aspectsconcerned in the use of road tunnels, such as geometry, equipment and itsmaintenance, operation, safety and environment. Since then, this committee hasproduced technical recommendations across all of these various fields.

Week 5Retaining structures Structures used to hold back excavation.

General scenarios● Retained cut● Retained fill

Design checks required● Anti rotation● Anti slide● Ground support

Types of retaining wall structures

Toe retaining wall:● Option 1: use a shutter when pouring slab so that you don’t build all the way

to the rock face & can put in a drain. The drainage pipe MUST be below theconstruction joint ­ don’t want water to seep through construction joint andcorrode reinforcement.

● Option 2: If option 1 is not possible build a nib so that drainage pipe will stillbe below the construction joint

● You would not usually use foil or a water bar in this situation (externalretaining wall) as you are ONLY trying to prevent corrosion of reinforcementnot seepage into excavation.

● Downturn ­ Can be used to resist sliding. Easier to excavate a downturn at thetoe than at the base of a wall.

Heel retaining wall construction● Can be used for fill only.● Weight of soil above heel provides extra stability.

Reinforced Earth● Load from potential wedge is resisted by the tieback system● Soil acts like a gravity wall

Keystone wall● Prefabricated concrete sections that slot into each other ­ resists force by

dead load● Usually build at an angle of 1 in 10 to prevent tilting past the vertical.

Crib wall● Cells are built up log cabin style from precast concrete or timber and filled with

soil.● Usually build at an angle of 1 in 10 to prevent tilting past the vertical.● Can reach back 1200, 900 or 750mm

Gabions● Retaining wall made of cages filled with stone and tied together with wire.● Don’t bother with plastic coating as it will get damaged ­ prefered option is a

galvanized cage.● Mobilisation means that cages will move a bit before they ‘settle’.

Decision diagram Know where each type differs from the others in terms of drainage, general method ofdesign etc.

Diaphragm wallconstruction

 No limit to construction depth due to the absence of fixed connection(cable­connection) Cable connected clam lowered down for construction in softground. Good for use in congested areas as they can be installed with little space anda minimal loss of support to existing structures. Slots excavated and retaining wallsthen formed in the slots. Reo cage and slurry fed into slot, then concrete poured frombottom up displacing slurry. Tremie pipe used to get concrete pour below slurry

Piling (general info fromblackboard & class ­ not atriggerword)

Function∙       Resist vertical loads – by end bearing or friction∙       Resist lateral loads – bending

Types of piles∙       Driven/Displacement piles don’t remove soil from the hole but displaces it

laterally creating additional compaction around the pile and improving skinfriction. E.g. driven, end bearing.

o   Timber – problems with borer attack and rotting – join by steel collar.o   Steel – may be corrosion protected e.g. Teflon coated – join by

welding.o   Precast concrete – good all round performance – join by cast in screw

joint.o   All end bearing driven piles are installed to a “set”

∙       Bored/Non­displacement piles extract soil which is removed and becomes spoil.Large diameter (bored) piles are non­displacement piles E.g. CFA.

o   Standard bored pile – end bearing (auger hole, case if necessary toprevent collapse, remove auger, insert reinforcing cage, fill withconcrete)

o   Groutcrete pile – end bearing or laterally loaded when used incontiguous pile wall. (auger hole, feed concrete through auger shaftas auger is extracted, add minimal reinforcement through wetconcrete)

o   Franki pile (expanded base) – see below.∙       Excavated (non displacement – unlimited depth) – barette∙       Screw (displacement) – Atlas pile (e.g. eastern distributor parkway – tension

capacity to resist uplift)∙       Steel sheet piles – Most common in temporary structures but cost effective in

permanent structures. Driven to suit required functions e.g. princes highwaycoffer dams.

Driving and extracting equipment∙ Drop hammer∙ Diesel hammer∙ Compressed air/hydraulic hammer∙ Vibratory∙ Guide frame

 Miscellaneouss aspects∙ Raking∙ Socketing∙ End anchoring

Calculations∙ Lateral pressure distribution – cohesive/non cohesive soils∙ Lateral load capacity

Load bearing testing∙ Generally difficult – done after construction of a pile to test load bearing

capacity∙ For static load testing you need to drive three piles to test one – this is a lot of

work!!

Pacific highway example – building a road over esturine clay● Option 1 preloading – preloading would take up to 2 years to achieve

settlement of clays● Option 2 lime pile – lime piles such moisture from clay deposit to accelerate

settlement● Option 3 – wick drain – will improve flow rate & accelerate settlement

Franki Pile Collection          Franki pile (extended base): uses a pinned pile joint which pre­stresses the pile sectionstogether. Franki piles can be constructed in practically all soil conditions. Shownbelow:

         Displacement piles eg, Atlas piles(not often used) – auger hole to required depth,deliver concrete prior to removal of auger to fill hole.

o         Displacement piles don’t remove soil from the hole but displaces itlaterally creating additional compaction around causing more friction.

o        Atlas piles have deep resistance to pull­out○ Atlas pile shown below:

         Non­displacement piles extract soil which is removed and becomes spoil. Large diameterbased piles are non­displacement piles

o        CFA (continuous flight auger) – non­displacement pile, has augerflights entire way up shaft, auger continues to spin so any collapsingmaterial is caught, comparable with diaphragm wall as concretefollows auger up (like concrete follows bentonite slurry)

o    If you need to go deeper than CFA, revert to diaphragm wall whichhas a range as deep as necessary

Antiguous bored piles & groutcrete walls – series of piles installed close enoughtogether to form a structurally stable wall. Not waterproof. Put in grounds which haveno or negligible groundwater issues. Have retaining anchors or soft ground anchorsinstalled a third of height from base.

○ CFA/Groutcrete shown below:

         Barrette Foundations – rectangular section piles designed to take high vertical loads.They consist of one piece of diaphragm wall.

         Secant piles – series of piles installed to overlap and form structurally stable waterproofwall. Non­reinforced piles might be every 2nd one until chalk­like consistency isreached, and alternate piles have reinforcement cage put in.

         Sheet pile walls are virtually water proof and provide temp/perm application.         Diaphragm walls – waterproof cast­in­situ walls. There is no limit for diaphragm

excavation rig.

         Vibropile – Ground is excavated using high pressure water jets. Granular material in formof crushed stone or sand is introduced once a probe has reached its desired depth. Thematerial is compacted to form a column as probe is progressively withdrawn. Diametergenerally 0.8 – 1.2m

Toe failure warning ●  Overturning moment about the toe

● The centre of moment is taken about the point of the toe

● Stabilising moment must be sufficiently in excess of overturning

moment

● This is to ensure theres an adequate safety factor against

overturning.

Difference in depth ofexcavation for CFA vsDiaphragm Wall

 Diaphragm wall construction can be to limitless depths due to lack of fixedconnection

Rock FaceRetention/Stabilization(Teaching Assignment) –IN EXAM

See Teaching Assignment Week 6

Inseparability of design &construction

 In a really basic sense, good design can reduce construction difficulty, save money,reduce problems.

Options (Teaching Covered later in this document.

Assignment) Illustrations

Drainage Required behind non­permeable walls to allow water to escape. Generous amounts ofgranular backfill can prevent lateral loading of retaining structure from undrainedmaterial. Very important for retaining wall structures to avoid buildup of pore waterpressures in addition to soil pressure ­ this puts a much larger load on the retainingstructure.

Types of drainage:● Drain coil ­ very common ­ can get formed joints but often not done ­ can be

washed out by water under pressure if access to pipes permitted duringconstruction.

● Slotted PVC ­ generally the better solution as you can get a plumbers eel upto clear it. 90mm PVC (standard size) is not prefered as it is thin and easy todamage when walked over. 100mm is prefered but does not come in ‘slotted’form ­ slots need to be cut manually.

● Atlantis Drainage Cell ­ has to be wrapped in geofabric to keep out gravel.● Strip drain ­ cannot be cleaned out, may use if there is insufficient space for a

pipe, around $3.50/m ­ similar price to cordrain.

● Cordrain ­ comes in sheets 25­30m long, sheet can be used behind shotcrete,costs about $12/m2 ­ quite expensive.

Anchorage  Anchors used to provide strength and support wall●  Rock Anchors●  Soil Nails / Soft Ground Anchors●  Friction system–straps,mesh,fabric,grid●  Deadman●  Soldier piles (eg Blues Pt Rd) t

Cost

Constructability

Analysis

Rotating the situation to

improve understanding.

Week 6Piling particularlyDiaphragm Wall

Diaphragm walls can be used effectively as piles as they may start at about450 mm thickness and go up to anything you want. In this case they need tobe founded on competent ground.

In the case of the airport tunnel, the diaphragm walls DO NOT need to goto rock/competent ground, they go to a depth such that the structure canresist buoyancy. To resist buoyancy you can rely on weight and frictionbetween diaphragm walls and surrounding soil.

CFA pile(contiguous,secant)

 Need to auger to required depth into soil, then fill hole with reinforcedconcrete while auger is being pulled out – ideally groutcrete since it is so fineyou can pour it then drop a reo cage down.CFA Piles are most suited for use in sands with load capacity developed inboth adhesion and end bearing. Also can be used in rock, but not weak claySecant is when the circles overlap in plan, and contiguous is when the circlesare separate and the soil/rock spans between the piles

M5 Cooks RiverExample

Decision: To build a bridge or a tunnel?∙       Tunnel was 34 million more expensive∙       Light poles for a bridge would intrude into the airspace envelope –

would require closing one runway of the airport to raise airspaceenvelope however it was not in the interest of the airport to cooperate.

∙       As a result – had to go with a tunnel.

Coffer Dam∙       Usually built out of a sheet pile wall allowing temporary evacuation of

water where construction is to take place.∙       Need to put in strutting from one sheet pile wall to the next – usually

steel CHS. Wailers are attached to the inside of a sheet pile wall tosupport strutting.

∙       Coffer dam for cooks river built in 3 stages – couldn’t do all 3 at once inorder to allow flow of river and access for fishing boats etc. Can do itin any order. Possible steps:

o   Step 1: Install coffer dam 2 and place roof slab (1) & diaphragmwalls (5)

o   Step 2: install coffer dams 1 and 3, excavate eastbound tunnel(3) and westbound tunnel (4) through from 1 to 3 and placeroad pavement slab

Princes Hwy/NSRcrossing accident (toefailure) example

●  7 circular coffer dams across cooks river– shape has naturaladvantage for lateral water loading – reducing the need for strutting.

● Main failure was next to river – attempted to engage bottom of sheetpiles in rock with sufficient strutting to resist lateral loading of soil. Aminimum distance x between the SPW toe and the tunnel was specifiedto ensure that the amount of rock in front of SPW would satisfy toerestraint. Toe collapsed, flooding excavation with water and mud.

● This demonstrates the need for belt and braces, one solution wouldhave been to use a rock anchor to hold back toe of SPW

Teaching Assignment– How to approachdesign to simplifyconstruction & reduceconstruction time/cost.

Avoidance of front face reinforcement,70 degree wedge failure line (supported/supporting zones)Analysis:

∙ Load assessment∙ Structural element design (struct shotcrete)

∙ Anchor design (anchor tensile strength, grout/rock interface cylinder)Improving negative moment capacityEffective depth concrete controlShotcrete strength and durability assumptions.

SOLUTIONS

1. Piled wall, sheetpiling,The wall was already excavated, making this not an option. If it had not beenexcavated already, the cost of piling and proximity to housing was prohibitive.

2. CFM (core fill masonry) wallExpensive solution, the contractor that quoted this found it cost too much andscarpered.

3. Gabion cagesThe wall was too high to feasibly use gabion cages.

4. Attached mesh with vegetation.Not strong enough to withstand the lateral loads: this option can only be usedfor relatively shallow slopes.

5. Concrete (in situ and precast)Too expensive. All precast elements would be different sizes, which is notideal for precasting.

6. Anchored soldier postThis is when steel sections are bolted into the face and infill panels used toretain (often seen along railways). This option was too expensive.

6. ShotcreteThis option was taken. Structural (with reinforcing bars) and nonstructural(with mesh only) shotcrete was used. The non­structural shotcrete was usedfor the bottom of the rock face while structural shotcrete was used to retainthe soft ground at the top.

AnchorsA shear anchor (short stubby anchor) was used at the bottom of the structuralshotcrete to prevent the shotcrete from sliding down and therefore creating apin support (the reduced stiffness of the non­structural shotcrete belowstopped bending moments transferring as a continuous slab). An additionalrock anchor was inserted just below a sewer pipe into the supporting zone ofthe rock (behind the failure plane). These two anchors created enough lateralsupport to resist the lateral load from the soil. The shear anchor was anchoredback into the supporting zone to prevent the overall rock wall from sliding.

ReinforcementThe cantilever action of the shotcrete is resisted by vertical primaryreinforcement laid on the face of the wall. The simply supported action isresisted by the horizontal primary reinforcement. This would best be laid onthe front face of the shotcrete, but would be tied to nothing. Instead, it is laidagainst the backface and moment redistribution used to turn that simplysupported action back into a vertical cantilever action.

Week 7/8Stormwater drainage Design stuff to a particular storm. Don’t need to be conservative as the

consequences are not great.

SW = Storm WaterOSD = On site detentionSSR = Site Storage Requirement

General SW design process:● Adopt a general strategy – channel or pipe flow● Get authority ARI and IDF (Intensity, Frequency, Duration) table● Adopt a pit and pipe layout● Determine discharges at each system inlet (see CPAA manual pg.50 design

discharge)● Determine pipe sizes for each reach (see CPAA manual pg.50 drain design) –

includes energy line (water level in system for design storm) – confirm thatenergy line is below surface at all inlets – i.e. check that system has freeboardat all inlets for design storm

● Select pipe class to suit short term and long term load – use CPAA tables orCPAA pipe selection programme

● Select pit sizes to suit pipes● Select grate sizes and K&G inlets to suit traffic load and inlet capacity● Design OSD.

Stormwater pit to be located at a point of change of direction (corner)water to be contained in roadwayPit and pipe system to withstand a big storm.Storm Duration = Time for droplet of water to pass from one end of thecatchment to the other.

Hydrological­Hydraulic­Construction/Structural

Method to design drainage:Hydrological considerations­ basically weather conditions e.g. floodingHow much water ponds or infiltrates after a storm? How much water isdelivered from a catchment into a system?

Hydraulics­ what happens to the water when it gets into the system.use software such as DRAINS or 12D  to designpipes/culverts/drains/pits/overland flow paths. You can then run the “designstorm” eg 100 ARI (average recurrence interval) and see how the systemworks. Adjust the system until it works.Structural design involves selection of pipes to suit external loading includingconstruction vehicle and long term vehicle loading for roads.Construction stage is the highest risk because the machines are heavy.. youcarry out structural design for pit/pipe system for this stage.Lastly you present the design using plans, long sections and cross sections.Typically an ARI comes from the council = 1% AEP (Annual Exceedance

Probability)

Site grading Determines which areas of the site are going to go into which catchments.Fall arrows are used to show where water is going in a pit system.A site should be graded such that if all the pits are overflowing, water willdrain onto a road or some other pit network rather than into the building.Grading is generally at 5% for parking and at max 12% for long range driving

Site grading (CallalaBayexample/Parramatta rdexample)

Need to shape or grade the car park area so the surface drains Parramattaroad’s existing stormwater drainage system. Within this grading design youhave to make sure the paved area meets the edge of the building slab withapprox 100 mm of free board (external part of a site to be a suitable depthbelow the building slab so water doesn’t go into the building. in this case we’re150 mm below).There are standards for max gradings for car parks eg 5% lateral grade (AS2890) which dictates how to grade the site.Detention is also required. OSD (onsite stormwater detention) is designed inaccordance with Council standards.SW drainage should be designed such that within the outcome of the designstorm, all the rainfall that falls on the roof and car park should be within thepits and pipes (DRAINS ensures this). Parramatta road is the back up drain.

Trench gradingmethods

Sand Bags (2 per length of pipe), Cradles, Bedding Contouring (‘raked sandbed’)

C, A, I pipe types Rational method for estimating peak flow rate∙ Q (flow rate) = 2.78*C*I*A∙ Q is the maximum flow rate in I/s.∙ C is the coefficient of runoff. This is the fraction of rainfall that

becomes runoff. Its value depends on the characteristics of thecatchment e.g. paved city areas, forests etc. During a rainstorm theactual rainfall coefficient increases as the soil becomes saturated.

∙ A is the catchment area in hectares.∙ I is the rainfall intensity in mm/hr for the selected recurrence

interval with duration equal to the catchments time of concentration(tc)

Pipe types∙ Pipe Types – RRJ, FJ, FRC, PVC, Poly, CSP∙       RRJ = rubber ring joint / spigot socket joint. Rubber Ring Joint (RRJ)

pipes are recommended for storm water drainage systems, althoughFlush Joint (FJ) pipes can also be used dependent on requirements ofthe client / asset owner. Rubber Ring Joints provide concrete pipeswith a high degree of flexibility to accommodate ground settlement oralignment adjustments.

∙ FJ = flush joint pipe ­ provides an interlocking joint which allows for

a small degree of flexibility in the pipeline alignment.∙ FRC = fiber reinforced concrete pipes that are used in storm water

applications. Relatively lightweight pipes are advantages in terms ofease of transportation and installation.

∙ PVC = plastic pipe often used in sewage and drainage∙ Poly = polyethylene (PE) pipes. Can be supplied in straight lengths

or coils reducing the need for joints and fittings. Used in sewage, watersupply, drainage and irrigation.

∙ CSP = Corrugated Steel Pipe often used in drainage systems andstorm water detention and retention systems. Lightweight incomparison to concrete. Sinusoidal corrugations are efficient.

∙       Pipe class: Class 2 (2 tonnes/m^3), Class 4 (4 tonnes/m^3). Class 4more common, but more expensive. Short term loading of [pipes duringconstruction is biggest concern therefore better pipe class paysdividends during construction loading.

● Sewer pipes: Generally PVC or clay due to resilience to pollutants

Method of lay Lay concrete pavement on top of gravel. Overexcavate rock and then poursand or gravel on top, then pour concrete. Otherwise concrete is wasted.Over­excavating the rock is done so that it is possible to grade the site usingsand/gravel.Excavation, Bedding, Lay Pipe, Backfill, Compact

Stormwater DetentionDesign

Councils require detention systems to control discharge from newly developed

sites. The image shows a Pit/Tank with orifice. Discharge is controlled by head andrate of inflow into the system. Councils will impose a ‘maximum allowabledischarge’ and ‘minimum storage requirement’. Generally thepost­development discharge rate is required to be less than thepre­development rate. Designing a system to operate at maximum headresults in inefficiency for all cases except where max head occurs.

High early discharge● Create a chamber around the orifice of a tank by building a weir - this

will make the system more efficient as the orifice will reach the designdischarge much sooner. Flap valve allows water into HED chamberfrom OSD when HED chamber is low. Flap closes and water will befrom inflow pipes/over the weir if HED is full. We want rainfall to gostraight into the HED chamber when the tank is full.

● Surcharge - overflowing of water. This is often through grates in the topof the tank or pit.

● Want to cause the post development discharge rate to not greater thanthe predevelopment discharge rate for the same storm.

● 3 overflows required: one into main detention tank, one into thedownstream pit and surcharge through the top of the tank.

● Grates also required for maintenance and rescue

Rainwater

● Must be from roof only, all other water runs into the HED● Overflows into the HED via a pipe or spillway● BASIX (building sustainability index) analysis gives rainwater catchment

requirements

Documentation Last stage of design: as well as layout, it is helpful to give a pit and pipe tablefor scheduling purposes in which pits are designated by letter name and pipesare designated by the pits they span between. A schematic diagram ofstormwater flow is also helpful.

Pits Necessary when catchment wants to discharge into pipe system or a pipedirection change is required. Maximum distance between pits determined bylocal councils. Generally specification governs by cleaning requirements

Backfill Reinforced concrete pipes on a granular bed (recycled concrete) with pits at

regular intervals. Drain coils with polyester socks keep silt out. Geofabricplayer placed over granular material providing free draining support ofconcrete pits and preventing pipe work floating away in a storm. Lateralsupport prevents pipes deformation under surface loading.

Rouse hill case study(8m deep RC SewerPipe cracking –inadequate class,unsuitable backfill)

 Pipes cracked at 12 o’clock and 6 o’clock internally, and 3 o’clock and 9o’clock externally. Cheap pipe class chosen requiring better quality backfillmaterial around pipe sidewalls to prevent cracking. Rounded aggregate used ­poorly graded providing stable volume but not stable shape therefore no goodas backfill material supporting pipes under load (i.e. it will move and crack thepipe when loaded)

Haunch support  Well compacted, larger, angular backfill material providing lateral and verticalsupport to the pipe structure and will resistance deformations in the pipe.

Rubber ring (RRJ) =Spigot socket joint

 Weber’s preference in ring joints!

Flush joint  FJ = cheaper than a RRJ, but must be flat, settlement over time isunpredictable and can damage pipes with this connection

Energy Line Must be below the surface level at all inlets. Spike in energy line recognised

by DRAINS, whereas the previous solution to this problem was to increasedownstream pipe diameter

StormwaterInfrastructure

Ideally lay the pipe from the downstream end first, 2 access points arerequired for cleaning and for safety

Subsoil drain in trench  These are perforated pipes that are laid in trenches t protect the road formations bydraining the majority of the water away from the road structure as well as interceptinggroundwater which would otherwise affect the structure. Where possible, it isdesirable to place the drains as near as practicable to the edge of the structure (eitherpavement or a road)

Callala Bay Example See above

Parramatta RdExample

See above

DRAINS software Split System: Half detention and half retention, excellent environmentalsolutionLevel terms ­ RL: Raised Level, FFL: Finished Floor Level, NSL: NaturalSurface Level, IL: Invert Level

Week 9Site Grading ∙       Determines which areas of the site are going to go into which

catchments.∙       Fall arrows are used to show where water is going in a pit system.∙       A site should be graded such that if all the pits are overflowing, water

will drain onto a road or some other pit network rather than into thebuilding.

Grade at 5% for parkingGrade at 12% max for long range driving pathsGrade at up to 20% for short drives (e.g. driveways, parking structures)

HECRAS applicationand example

Hydraulic Engineering Centres River Analysis System: Flood Analysis SoftwarePackage. Good modelling system for open channel flow. Allows you to performone­dimensional steady flow, unsteady flow, sediment transport/mobile bedcomputations and water temperature modelling

Teaching assignment ­drainage example

Must be able to draw grading contours on a site.

General principles of site grading:1. Runoff must flow (gravitate) to a collection point or a relief point.

2. The site should have an overland flow path for relief when pits andpipes fail (may need an easement)

3. Earthworks volumes ..... my approach has been to achieve a balanceddesign with minimal costs involved in transportation of spoil to or from the site

4. Pipe gradients ­ I would not like to put my name to gradients any lessthan we have now ­ they are already at or below accepted minimal gradientsfor residential and commercial piped drainage systems

5. Pipe cover ­ at the upper end of pipe runs, structural cover to pipes isarguably less than minimum required and the management of the site during theconstruction phase will involve avoiding construction traffic over shallow pipesuntil such time as pavement is constructed and cured.

6. AS2890 (offstreet parking) compliance in terms of lateral andlongitudinal surface gradients See extracts from AS2890 relating to drivewaygradients, parking bay longitudinal fall, parking bay cross fall

7. Maximum ponding level – set by council.... Perhaps 200mm inimportant carpark area – up to perhaps 500mm is less important areas

8. The underlying general need to incorporate an engineered drainagesystem into the development.

Week 10pavements Paving machine used to pave concrete, has a strip width of about 3 m.

Layered structure with layers increasing in load bearing capacity closer tosurface. Surface stresses of wheel loads distributed over a broad area suchthat load bearing capacity of material isn’t exceeded.Key properties: Interparticle friction, interlock, resistance to change inproperties in moist environmentPavement design is an accumulation of ESA’s over design life

flexible pavement Types of flexible pavement:● Asphaltic concrete: naturally porous surface, avoids aquaplaning.

(open grade 20mm stone). Economical, traffic loading early, not goodfor short radius turns, high maintenance requirements, driver friendly(low noise, good colour). Base and subbase layers are compacted, withthe surface laid with paving machine and compaction using smoothdrum steel roller. Traffic loading can be early after laying. Composedof coarse aggregate, fine aggregate, bitumen. These materials aremixed and delivered to site at 180 degrees.

● Bituminous seal (chip seal): most prolific pavement tile in Australia.Stone chips pressed/rolled and sprayed with bitumen. Cheapest option,poor in hot weather, high maintenance and driver friendly. Mostcommon in Australia (rare in Sydney though). Base and subbasecompacted, bituminous primer and tack coat sprayed from truckmounted kettle, stone shippings spread then rolled using rubber tyredroller, slow traffic okay after laying and loose material must bebroomed off after several days of curing.

● Segmented paver/concrete paver blocks: subgrade preparation isimportant, mortar bed and mesh reinforcement is a good option. (sandis not a good option despite the manufacturers specifications, use atleast a mortar bed). Lateral confinement is needed as the paver blockhave a tendency to rock. Lock up to prevent rotation, achieved bytessellating the pavers. Perforated or lattice pavers are often used incar park areas. Low maintenance costs, failure is not obvious.Appropriate for traffic speeds up to 70km/hr, no jointing issues, easymaintenance, trafficked immediately after laying.

Recomendations for preparation of subgrade:

rigid pavement Types of Rigid Pavement:● Reinforced concrete with joint (best option): high cost, trafficked

after curing period, good resistance to short radius turns, lowmaintenance cost, less driver friendly, affected by high temperatures.Subbase and base compacted, concrete laid using paving machine (orconventional pour), difficult to cure properly. Jointing it expensive andan important consideration

● Reinforced without joints: A very porous layer is needed below theconcrete and expected to last at least 30 years

● Unreinforced

Typical CRCP section

Transverse and longitudinal contraction joints can be used.  This allows forshrinkage to occur at the locations of your choice.

Reason for joints in rigid pavements: makes movement happen where you wantit, means of transferring shear from one site to the other. (Aggregate interlock:measure of shear transfer)

Saw cuts used to induce shrinkage cracks (about 5 hours following concretepour). Sealant bead used at the cut to prevent moisture infiltration to subgradesupport. Gap is required to be narrow enough for traffic shear load to betransferred from slab to slab by particle interlockSealants are also used to prevent dirt filling up the thermal expansion gaps, andwill take the shear transverse across the crack

Curing agent used to hold moisture in concrete, the topping is grooved to allowfor friction for traffic, which in turn prevents aquaplaning

Joints Joints designed in a way to prevent moisture. (Joints sealed)­ These divide pavement into suitable lengths for construction purposes. Alsoallows for differential movement between abutting structures such as bridgesand intersections. Purpose to control cracking due to restrained contraction,warping, loading and temperature.­ Spacing between unreinforced joints is 5m spacing, reinforced joints 10­15m(12m is ideal as reinforcing mesh comes in 6 sqm sheets)­ Load transfer across joints is done by aggregate interlock, a mechanicaldevice (such as a dowel), skewed joints, randomized joints, key slabs andthickened edges

­ Dowel joints: Galvanized steel bar painted with bond breaker to avoid bondingto concrete ensuring dowel free to move. Improves shear transfer and willalways create a greater joint width to allow for thermal expansion­ Isolation joint: provides no shear transfer, therefore must seek beam actionfrom thickened edge either side of joint­ Contraction Joint: deals with transverse loading­ Construction Joint: placed during construction due to unexpected halt in workor temporary delay etc.

3 main families ofhighway surface

Full depth asphalt, deep strength asphalt, concrete ­ all have unbound baselayers, followed by a bound final surface

thickness design Involves the use of graphs as shown below, for flexible pavements and rigidpavements.

Flexible Pavements

Simple chart is more to do with relationship between cover to a given layer,rather than thickness of layer.

Know the strength of the subgrade (CBR – California Bearing Ratio) for agiven traffic load (Design Traffic ESAs) related to number of axle repetitions.

ESA = equivalent standard axle. Approximately 9­10 tonnes.

To put it in perspective, approx. 5000 Toyota Yaris = 1 ESA (or 9 tonne)

EXAMPLE:

10 000ESA/day and a design life of 10yrs = 10 x 365

Design traffic = ESA x Design Life = 10 000 x 10 x 365 ESA

Rigid Pavement

Start with Axle Load – load in tonnes (t)

● Single wheel axle● Dual wheel axle● Dual dual wheel axle

Statistics on the mix of vehicles on pavements are converted to a net ESAcount. This chart uses the number of axle repetitions per day.

Always be conservative – use the statutory load limits, 30 & above axlerepetitions and conservative design soaked subgrade CBR – to get thepavement thickness. It is very costly to fix pavements

EXAMPLE: for a load limit of 8.5t dual wheel axle, at 30 & above axlerepetitions,

● a conservative thickness would be given by a CBR = 2% = 190mm● a non conservative would be CBR = 10% & above = 175mm.

Reasons for variableperformance

Inadequate thickness, jointing issues, embankment stability, inadequatespecification, failure to achieve specified quality, other

DGB Densely graded base

DGS Densely graded subbase

bituminous seal As above under ‘flexible pavements’

asphaltic concrete AC20 = Asphaltic concrete, 20 mm maximum stone size, minimum of 35mmthickness

collaroy pavement This was a preparation for a rigid pavement. In residential, concrete poursneed to be done by hand.

25Mpa concrete to be chuted from a back of a truck. Water is added to thisprocess, such that the resultant concrete has a strength of less than 25MPa.

Unexplained pavement failure – saw cut joint together with cut (every 2/3)mesh wires to provide a line of weakness in mesh, but instead the crackhappened a foot away from the joint. What Weber thinks it was: that theconcrete was pumped instead of chuted as it was originally planned. To do withconcrete strength.

rundle mall High­pressure water spray was used to clean paving. This caused erosion ofthe sand subbase and washed out jointing sand.

Week 11pavement teachingassignment

pavements design with ‘in situ’ modification of subgrade as a cost saving,environmentally appropriate measure. Refer to Weber’s solutions for calcs.

Post tensionedconcrete

the practical construction aspects of post­tensioned work, approximateSpan/depth ratios for RC and PT work. (Harbord project was used asexample) PT Drawing in general ­ indicating duct drape, precamber being aproblem in the design/construction process

Week 12environmentalengineering

What is environmental engineering?●        The integration of science and engineering principles to improve the

natural environment (air, water and land resources).●        Civil engineer – typically considers air, water and soil●        Environmental planner – assesses a proposal for compliance with

environmental laws, puts together EIS, runs community meetings,considers ‘everything’ as the environment incl. flora, fauna, noise,traffic etc.

●        Governments – environmental departments, land & environment council●        Investment banks – basis for business, carbon tax to become an

emissions trading scheme.

What is an environmental project?● Generally water engineering● Can be tunnel ventilation (air quality)

Environmental planning act NSW ­ assesses impact of a planned project andconsequently approves/rejects itDECCW ­ Department of Environment Conservation Climate Change andWaterEIS ­ Environmental Impact Statement (including flora, fauna, noise both longterm and construction, visual, traffic, community, construction method, heritage,etc

SEE ­ Statement of environmental effectsREF ­ Report on environmental factorsThese are the required documents for environmental planning act

Project No 1,4,8,9,11 Project 1:● General environmental planning. Environmental planning act NSW ­

assesses impact of a planned project and consequentlyapproves/rejects it. EA. EIS. SEE & REF

● DECCW – Department of Environment, Conservation, ClimateChange and Water

● EA = Environmental assessment● EIS = Environmental impact statement●  SEE = Statement of environmental Effects● REF = Report on environmental factors

Project 4: Stormwater detention facility●  Stormwater detention has an environmental basis – prevents discharge

of water from an impervious site at high velocity, therefore preventingenvironmental damage. Discharge should be no worse than the unbuiltsite.

Project 8: Erosion sediment control measures – Roseville Development● Owner applied for residential subdivision into 11 councils, project went

to land and environment council was approved● Water quality facilities: GPT, littoral zone (below)● Use of silt fences● Conflict between removing ground cover for fire safety and adding

ground cover to prevent erosion.● Up to 50 trees had to be removed to build the water quality facility – a

facility that probably wasn’t required anyway – is this actuallyenvironmentally sustainable?

● Environmentally appropriate open drain: geotechnical fabric with roughrocks placed over the top and planted with vegetation in the drain.

● Construction stage protection of trees – timber tied around trunk● Crib wall used to retain internal road embankment: invited moisture &

growth of tree roots much more than an RC retaining wall.● Standard subdivisional road construction has significant impact on

trees.

Project 9: Hornsby development

Project 11: South Creek Nutrient Offset Scheme● Sand filter, constructed wetland, UV lamp water disinfectant● Sydney Water Corporation pays penalties to DEC for licence to pollute

● DEC funds design of schemed to reduce pollution● Types of engineering involved: water catchment/collection/storage,

reuse pumping and reticulation, nutrient extraction, pathogen removal● Resist chemical methods and promote natural methods

Nutrient reductionschemes

When fencing is used to protect the riparian zone. This prevents issues withthe river bank and algal growth. By preventing animals from being in theriparian zone unwanted nutrients are not introduced into the river.Fencing/nutrient catcher can also be used to prevent waste from marketgardens entering the river system.

Offsets carbon offset is a form of trading that funds projects that reduce greenhouseemissions. Carbon offsets are voluntary. People and businesses buy them toreduce their carbon footprint or build up their green image. Carbon offsets cancounteract specific activities like air travel and driving.

License to pollute licenses given to companies allowing them to emit a certain amount of carbonemissions, etc..

Site Remediation returning a site to its pre­pollutant condition

Rattle Rack Designed to stop muck leaving a construction site on wheels of a vehicle

Penalties for exceedinglicensed levels ofpollution

Fines may apply for exceeding the limits put in place by the government.

environmental audits evaluations intended to identify environmental compliance and managementsystems. Corrective actions required will be brought to ones attention.Green Star Building ­ gradually being replaced by NABERS rating (NationalAustralian Built Environment Rating System)

water quality facility water treatment area, important to make sure that the water quality ismaintained.

GPT Gross Pollutant Trap (steel rack traps collect material down to a drink cansize)

littoral zone The littoral zone is the part of a sea, lake or river that is close to the shore. Incoastal environments the littoral zone extends from the high water mark,which is rarely inundated, to shoreline areas that are permanently submerged.

macrophyte plants(reeds, baumea)

A macrophyte is an aquatic plant that grows in or near water.A decline in a macrophyte population may indicate water quality problems.Such problems may be the result of excessive turbidity, herbicides, orsalinization. Conversely, overly high nutrient levels may create anoverabundance of macrophytes.

Sediment pond A temporary pond built on a construction site to capture eroded or disturbedsoil that is washed off during rain storms.  Protects  the water quality of anearby stream, river, lake, or bay.

detention pond Excavated area installed on, or adjacent to, tributaries of rivers, streams, lakesor bays which  protect against flooding. A detention pond can also preventdownstream erosion by storing water for a limited period of a time.

Inception Pond Used to control nutrient run off into water systems

nutrient uptake Nutrient uptake depends largely on water flow from the substrate to the rootsand then up to the shoots.  Roots do not intentionally grow towards a nutrientsource. For nutrient uptake to occur, the individual nutrient ion must be inposition adjacent to the root. Positioning of the nutrient ion can occur by:

Root Interception

The root can "bump into" the ion as it grows through the soil.

Mass FlowThe soluble fraction of nutrients present in soil solution (water) and not held onthe soil fractions flow to the root as water is taken up.

Diffusion

Nutrients such as phosphorus and potassium move to the root by diffusion. Thenutrient uptake creates a gradient for the nutrient to diffuse through the soilsolution from a zone of high concentration to the depleted solution adjacent tothe root.

construction phasemeasures

Protection of treesensure there are stormwater drainage channels.

long term measures

civil engineeringdesigns sensitive tolocal environment

alternative road cross sectioncrib wall

Timber engineering ● Timber is a very economical and environmentally sustainable materialin low rise construction

● Termite attack, shape stability and structural defects (knots) are thekey issues with timber.  Structural defects make timber difficult toclassify.

● High joist: multi­laminated finger joint. Made of timber that wouldotherwise go to waste. 200,250 or 300 mm depth. 50 to 90 mm flangewidth.

● AS1720 describes equations for timber strength.

● k1 factor is important & unique to timber ­ accounts for creepbehaviour (roughly 0.95 for a short term load and 0.65 for a long termload) creep is not only a deflection issue but also a strength reductionissue.

EWP (Engineeredwood products)

● Includes LVL, Hyspan, HyJoist (timber I beam)  and GluLam (earlyversion of hyspan)

● Engineered timber generally negates shape stability and and structuraldefects of raw timber.

● Usually made from plantation timber.

LVL ● Generic name for laminated veneer lumber● Ply manufactured beams

High Joist ● Excellent product, using material that may have otherwise been waste.It is multi­laminated and finger­jointed

● High rigidity ratios and capacity ratios● I section

Hyspan ● Multi­laminated timber beam produced by Carter Holt Harvey (CHH)● Design bending stress 16MPa● Characteristic strength of timber used to manufacture hyspan 48MPa● The difference between these stresses is explained by the

characteristic stress is severely reduced by k factors and phi factors.This is very conservative ­ appropriate for a variable material.

● Rectangular cross section● Know how to use single page hyspan table:

Moment > design bending stress = 16MPa > I > beam size

Strength Group There are a broad collection of parameters that relate to timber, we will limitthis to:

● Fx ­ Stress Grade (x = working fibre stress) e.g. F7 has 7 Mpa tensilestrength

● SD ­ Seasoned strength group● S ­ Unseasoned strength Group● MGPx ­ Machine graded pine (x = Modulus of Elasticity parallel to

grain) A common pine timber would be MGP 10. A good quality pinetimber would be MGP20.

Approaches to timberdesign

● A­First PrinciplesBased on f = M/Z (Note the influence of k1 (duration of load) apartfrom 11 other factorsCan use AS1720 3.2 to find design moment capacity for a beam

● B.­Span TablesParticularly Carter Holt Harvey (CHH)

● C.­DesignITSoftware for Hyspan, Hyjoist and other NON­Engineered Softwoodand HardwoodCan compare hyspan and hybeam to natural timberRLW ­ tributary areaWill give you a list of options with rigidity ratios (>1 means rigidityexceeds required rigidity) and capacity ratios (>1 means that designfactor of safety exceeds minimum required design factor of safety).Generally aim for RR = 1.5, and usually corresponding CR will be fine.

Castlecrag project ● Uses HyJoist, very cost effective, heavily reliant on glue, veryimportant to keep this product out of the weather as EWP willgenerally start to delaminate if too much water is absorbed ­ shouldprovide tarpaulin protection during construction.

● Builders tend to get stud walls designed by stud manufacturers ­ studswere spaced too far apart and buckled.

● Uses a combination of timber and steel ­ mostly architectural.● Timber fits in between upper and lower flanges of steel I beams ­

illustrations of how to do this in designIT● Might choose a PFC rather than UB so you can get a clean face.● SHS posts used where there are substantial loads.

CRANE ENGINEERING

Key Issues for toaddress at thebeginning of a project

Why have a crane on a building site?● Speed of loading & unloading construction materials● Reduction of workplace lifting injuries

Where do you locate a crane?● Site Location (Dense urban area, or rural space?)● Construction Zone● Traffic planning● Hoarding● Lifting platforms● What is the heaviest lift?● Who hires the crane● What was budgeted for in the tender and what size of crane does this

money buy?● Where is the crane located● Entry and exit of crane● Length of jib required● What space is available in the building for a crane penetration?● Building tie needed?● tower crane foundations● Does the crane need to go on top of a building? Need to determine if

the building has enough capacity. (Existing live load of building,structural drawings and any modifications to the structure)

● Does the crane need to be climbed during construction?● cranes can be located in lift shafts, may need to lock in position as the

crane moves and could hit the lift shaft walls. Have to be careful whenusing the collars (locking in place) as the crane can buckle. May need

to add additional support.

Types of Cranes ● Hammer head crane● Luffing jib crane● mobile cranes● Diesel or electric

Fixed to building orFree

building ties may need to be used. If there are tight tolerances of movements inthe shaft of the crane, then it will have to be tied to the building. If the craneextends too high, then the crane should be tied in to continue loading, howeverthis requires a lot of thought into loading paths.

Slewing Jib moves back and forth (i.e. rotates in 360 degrees). Generally cannotfreestand a hammerhead crane tall enough in the city.

Luffing Jib moves up and down, useful for high buildings or in restricted spaces wherethere isn’t much room to move around.

Why are more cranesnot remotely operated

Larger cranes need operators to see what is happening on site. It is easier tosee what is going on if the operator is in place. For smaller jobs remoteoperation is ok. If 2 cranes are in close proximity, at least one crane needs acabin.

Base Design (Inservice/ Out of Service)

Types of Foundations for Cranes:● concrete pad in ground: more common, very cheap, can be designed

for any soil conditions

● ballasted base

● Rock anchors: used if you have good ground conditions and there is notmuch room for concrete pad. 2 to 3 times more expensive thanconcrete base solution.

Tables of loading requirements, load factors and load combination requirementsanalyzed.  (AS1418)

Crane manufacturers provide tech information including crane reactions. Needto check load combinations used, wind loads, backward stability and loadfactors used. (use Euro Code or FEM)

Crane Phases:● Erection Phase: installation

● In Service: when in use. Long jib length can cause issues for in servicephase, large overturning moment.

● Out of Service: when the operator stops for the day and goes home.

The wind effect is important to take into consideration. For highertower cranes, the base moment out of service is much greater than themoment in service, based on the assumption the crane can only operateup to certain wind speeds and when wind speeds exceed this value thecrane must become out of service.

When using a crane on top of a building it is very difficult to determine if thebuilding is strong enough.

Quaint Load Units Be aware of different units in the manufacturer's tech information.

Decanewton (DaN) = 10N is commonly used in Europe.

Mast Attached to the base and gives the crane its height. main supporting tower ofthe crane, made of steel truss sections which are connected together duringinstallation.

Climbing Tower Section lifted by the crane and attached to gantry beam. Hydraulic jacks raisethe crane to create space for a new section which is then inserted. Thisprocess is repeated when height is required.

Slew Ring Part of the crane that lets the base of the crane stay still and the top move.Self erecting tower cranes have the slew ring at the bottom.

Jib the part of the crane that holds the load. (working arm)

Counter Jib/ Crane SelfClimb

Used when a crane self climbs. It balances the crane.For self climb to occur a zero moment is required at the slew ring.Can’t be done in windy conditions.

Accident Investigations bolts often fail in the first few threads in the nut, they fly off with little to nowarning.Need to be careful when arranging lifting setup.Need to ensure good communication between crane operators.

Legal Issues You can erect a crane over someone else’s property.You cannot lift a load across someone else’s property as there is OH&S andlegal issues.

How to self climb acrane

Key concept: Need to introduce zero moment by holding a crane section at thecorrect radius. As there is not much holding the top of the crane to the bottomthis can be dangerous.

Hydraulic rams push the top of the crane up, and a new crane section held in agantry is slid in beneath the top. Hydraulic rams are then contracted andclimbing can continue.

MARINE ENGINEERING

Influence of marineenvironment on civileng design andconstruction

● Corrosive environment, large loads, unforgiving, catastrophicconsequences.

● Need to design for some corrosion ­ generally assume that theprotective coating will not last the life of the structure.

● Generally limited to 4 materials: metal, concrete, timber & plastic.● Concrete spalling leads to corrosion of steel.● Need to design for splash zone, submerged zone and buried zone ­

each zone has different properties.General Rules

● Avoid thick concrete sections, use a minimum 50MPa, DON’Tprestress, use a small number of large diameter bars

● Marine Structures Code: AS4997 specifies Coatings and SacrificialSystems for marine environments

Concrete (in general) ● Has a design life of 50 years, however sometimes it will only last for 10years. Older marine structures tend to last longer than modern onesdue to use of high early strength concrete, however this form has highlevels of shrinkage and cracking allowing corrosion of reo.

● Concrete is a ‘sponge’ and absorbs moisture & chloride ions.● Modern cements are generally developed for highrise applications.● Need at least 50MPa concrete in a marine application.● Can coat concrete with silane to prevent chloride ion ingress.● Avoid prestressed concrete as it can fail without warning.● Requires intricate compaction and specialised detailing● Extra strengthening when corrosion occurs is done with carbon fibres

strips

Underwater concreteplacement

Underwater concrete placement is achieved using a tremie pipe. Pipe placedto the bottom of the pour and concrete pumped through, as concrete is denserthan water the water is displaced. Concrete is over pumped to remove theaffected concrete at the water/concrete junction.

Underwater reinforcedconcrete (reoprotection)

●  Key to good reinforced concrete design is good quality concrete (50+MPa) and plenty of cover and reinforcement (75mm cover), want toprevent cracking

●  Prestressed concrete is avoided in the marine environment as it canfail without warning

● Stainless steel reinforcement – good strategy, but very expensive● Fiberglass reinforcement (V­Rod) – an extruded composite material,

lightweight, no steel eliminating corrosion, however large cost

Structural steelprotection (coatings,

● Densowrap ­ Protection providing flexibility and corrosion resistance● HDPE Sleeves ­ used to protect steel tube piles

paint types etc) ● Pore blocking admixtures, Zinc anodes, Stainless Steel Reo● Trilaminate polyethylene● Epoxy painted pile● Paint● Stainless steel & aluminum (reduce need for a protective coating)

Preferred pile types Steel Pile● As concrete piles are prone to cracking which leads to corrosion of the

reinforcement. Steel piles are trilaminate encased, with a 20 year life,abrasion and corrosion resistant.

● High moment capacity● Durable● Might require a driving shoe to prevent buckling● Pile depth is dependant on depth of water, strength of rock below,

hammer size available and pile size

When using timber piles a borer­resistant timber such as turpentine ispreferred.

Piledriving over water(stabilising theplatform)

Method of pile driving1. Pitch pile (move the pile to vertical position)2. Vibrate pile down with a hydraulic hammer3. Drive pile to set with a hydraulic hammer

Platform is usually stabilised with a water ballast system where water ispumped between tanks to keep the barge level and stable. A jack up barge canalso be used to isolate the platform from tidal influences, however this methodrequires 1­2 days to move locations.

Piledriving in soft rock ● Dependant on the type of rock

Pile socketing in hardrock (canister drill)

Kurilpa Bridge example:● Foundations required between operating freeway and bikeway● Falsework system used to support piling rig● Required piling with a canister drill due to very high strength rock

Method of piling with a canister drill:1. Pile screwed a small distance into rock2. Cannister drill inserted through hollow centre of pile3. Hole is drilled to required depth and spoil is removed4. Tremie pipe inserted into hole, and pile is filled with concrete.5. Overflow concrete at the top of the pile to ensure that all compromised

concrete is removed.

Tension Piles ● Tension capacity is based on shaft adhesion between the reinforcedconcrete & sidewalls of shaft

● Classic mooring dolphin will have raked piles as it is subject to bothinward and outward loads and the piles are subjected to tension andcompression. Lots of impact absorption techniques are put in place

● Cannister drilling often used to get the necessary embedment/shaftadhesion.

Why socket in rock? Socketing in rock provides additional lateral capacity (stops toe failure of thepile through the rock) and additional tensile capacity through shaft adhesion.The process involves drilling a hole in rock and inserting pile into rock.

Milsons Point Example ● No land access, busy waterway, high wake● Solution: off site fabrication, complete work during the night or early

morning● Piles driven into sandstone● Vrod employed in topping slabs in later wharves ­ extruded composite

material with no steel component so that it cannot corrode.● HDPE sleeves on steel tubes● Hydraulic platform not a pontoon● Vertical support piles, braced by a triangulated prefabricated truss

Brisbane SewageTreatment Plant

● Dry coffer dam● Sheets installed with vibrator, pump water out, excavate soft sediments,

drive piles, cast concrete, remove sheet pile walls.

Yarra Sewer Crossing ● Wet coffer dam construction (water is not pumped out) wall retainssoft mud so the river bed could be excavated without soft sedimentsimmediately collapsing into the excavation.

Iron Cove Bridge ● Piles driven into sandstone● Each pile cap is sitting on 10­12 steel tubes, where some of the piles

were raked to provide horizontal support● Precast the entire concrete cell, with welded plates to attach piles to

the cell. Very strict tolerances allowed for and very high strengthconcrete used. Once lifted on, the gaps were sealed up by divers andgrout pumps

Gladstone MaterialsOffloading Facility

● RO­RO ­ roll on roll off● LO­LO ­ load on load off● PAS ­ potential acid sulfate soils, need to be treated with lime● Started with dredging to allow ships to get into the facility (suction

dredge & excavator dredge)● Excavated PAS soils and replaced with rock ­ located on barges in

bundaberg that were towed 180km to meet deadlines● Combi wall used with M85 ties onto anchor wall● SPW driven from water rather than land ­ unusual but this allowed

machinery to be out of the way so that other work could go on● Fenders welded directly onto king piles, welding made difficult due to

tidal range.● RORO dolphins ­ all steel, no paint protection, 6mm corrosion

allowance, prefabricated.

Prestressed and Post­Tensioned Concrete

Post tensioned

concrete

General principles:

Key idea is to introduce internal forces to counteract loading. The beam/slab hastensioned strands positioned in the beam/slab section so as to induce a negative(hogging) moment. This counteracts the design load, resulting in a small positivemoment with lower compressive stress than would be the case in convectionalreinforced concrete thus resulting in a thinner required depth of slab.

Uses High­rise buildings, multi storey car parks, transport infrastructure, stay cablebridge, balanced cantilever bridges, incrementally launched bridges, bridge widening,LNG/LPG tanks, strengthening of pipes and reservoirs

Box girder cantilever

launched bridge

How is stressing steel installed for launching? (all negative moment)

How is each successive box connected to the previous set of boxed?

Boxes are held together by compression.

How is stressing steel set up, after set down (with positive moment

induced?

General notes

● During launching the launching nose provides support at the next pier● Tendons are stressed twice, once during launching and once at the final

location.

Partial prestress Full prestress - designing prestress that no cracking will ever occur.Partial prestress - stressing to 70% of the balance load such some tensile stress willoccur at service load but the crack width is limited by the prestress.It is not economic or particularly useful to fully prestress everything, so partialprestressing is usually used.

Installation sequence

including early

stressing (when) and

After 24 hours an approximate insitu strength of 7MPa is achieved. 25% of thestressing force is applied to prevent shrinkage cracking as the the smallcompression locks up any cracks.

final stressing (when) After 4-7 days (may be as low as 2 days), an insitu strength of approximately22MPa is achieved and the rest of the stress is applied.

Prestressed Steel tensioned before casting concrete, individual wires, concrete bonds with wireproviding anchorage development, tensioned cables cut when concrete reachesappropriate strength placing a compression force in the element, used mainly in precastmember construction

Post­Tensioned Tensioned after setting of concrete, tendons in bundles, ducts  pressure grouted toprotect against corrosion and bond with the concrete, hydraulic jacks are used to stressthe tendons

Advantages General rule is to induce internal forces to balance out the external loading forces

Improved service load behaviour, efficient use of high strength material, reduced overallstructural cost, improved recovery from overload due to crack control, larger spans(more slender), fatigue resistance, improved strength in shear and torsion, reduced floorto floor height, deflection control, early formwork stripping, reduced materials handling,economy in column and footing design

Disadvantages Lots of Quality Assurance required, with additional operation for grouting. Veryexpensive, about half the cost of PT is labour (much more intensive than reinforcement),however this will be  balanced out by the advantages of PT and the decrease inreinforcement costs

Costs PT: $1000/tonne of 12.7mm strandsReinforcement: $1800­$2000/tonneMore PT is required, but you are getting about 3.5 times the strength with PT

 Breakeven point for PT vs RC is about a 7m span

Economy factors: Post tensioning, reinforcement, concrete, formwork (most expensivepart), speed of construction, foundation costs, façade costsEconomical design factors: Partial prestressing, selection of column grid, formworklayout, construction joint design, simplicity in detailing, anchorage reinforcement, L/Dratios, Load balancing, terminate tendons wherever possible, finite element analysis

Strands Consists of 6­7 wires wrapped around each otherUsually 12.7 or 15.2 diameter

Tendons Can be single strand or multistrand (up to 55 strands)

Live (jacking end)hardware

● Stressing block ­ a block with holes through it through which the strands pass.The wedges lock into this block

● Wedges ­ small tubes that go over the strand. When the strand tries to pullback into the concrete the wedges are driven into the stressing block and holdthe strand in tension.

● Anchorage guide ­ the solid piece of steel that is cast into the side of themember and holds the stressing block

● Recess former ­ a piece of plastic that creates a hole that the anchorage sits in.It is pulled out after casting and before tensioning. May also be used to createa top stressing pocket if the side of the member is not accessible. The recess isfilled in afterwards for corrosion protection.

Grout tube A tube connected to the anchorage for pumping of grout to fill duct.

Antiburst reinforcement The compressive forces placed on the concrete are concentrated at the anchorage andmay tend to make the concrete expand out laterally (poisson’s ratio). A helical antiburstreinforcement is wrapped around the anchorage to prevent this from happening.

Bonded Lubricated strands in duct grouted after tensioning (grouted in Australia and Asiaaccording to Standards)Advantages of bonding: Higher flexural capacity, excellent crack distribution, goodcorrosion resistance, flexibility for later cutting of penetrations (fix with carbon fibre),easier demolition requires an additional operation for grouting, more labourintensive, overall material cost is generally less as you don’t need as much normalreinforcement.

Unbonded Overseas, particularly in America the duct is not grouted leaving tendonsunbounded. This can be a problem during demolition and any buildingmodifications as the tendons remain live and will fail dramatically if cut.

Unbonded tendons are typically used in bridges in Australia. The bridge code, AS5100,does not require tendons to be bonded. They are good as they can be easily installedand replaced during and after construction.

No duct: sheathed and greased strandsDucted: Waxed or greased strands sheathed and cement grouted

Dead End/Live End Dead: no stressing, onions to bond effectively to the concrete and transfer the load intothe concreteLive: stressing end, if span is more than 30m you will most likely have 2 live ends

General design procedure 1. Initial sizing: Architect to dictate the column spacing2. Choose load to balance, usually 70% to 100% of dead load. If the live load is really

large, we pattern the loading and balance out about 25% of live load

3. Perform calculation to determine the prestressing force

4. Check the ultimate capacity of the section, where the loading code will give youthese factors

5. Check service stressesa. At transfer: when we lock off the strands, i.e. after the first stress.

Only SW, meaning too much load will crack the slabb. At full service load: No factors on the loads, just what the structure is

experiencing. The generally are limits to these stresses6. Check shear strength: either beam shear or punching shear7. Check deflections (perform iterations)8. Structural detailing: i.e. think about the PT in 3D

Span/Depth Ratio ∙       Flat Plate (3kPa): L/D = 45, with an end bay at 39, simple span 34∙       Flat Slab (3kPa): L/D = 52, with an end bay at 46 (i.e. 10­12% thinner than flat plate)∙       Banded Slab (3kPa): L/D = 27, with an end bay at 23, simple span 20Slab between bands ­ L/D = 56(52), end bay 44(42) (brackets for bw<25%Ls)

Types of PT slabs ∙         Flat Plate: excellent for head height issues, very common, the internal ceilinggenerally fixed directly to concrete

∙         Flat Slab: Different to flat plate as it has drop panels, higher negative momentcapacity, provides the smallest floor­to­floor depth.

∙         Banded Slab: Very common, bands provide excellent anchorage to fit PT, thereforethe concrete only spans between beam to beam, tend to just paint the ceiling

∙         Specialised banded high­rise slab: Spans 12­20m, dictated by the architect,requires intermediate perpendicular bands to traditional bands

Flying formwork Formwork that is built in prefabricated sections and lifted out of the side of the buildingand raised to the next level after final stressing.

Axial Compression ∙       Less than 1.4MPa – to less to be able to control cracking∙       1.4 to 2.4MPa – generally accepted range∙       2.4 to 3.5MPa – upper limit check shortening∙       Above 3.5MPa – excessive shortening

Support Rigidity If the supports are rigid, the prestressing force is moved straight into the columns, notinto the beam resulting in massive cracks around the column. Therefore the column aredesigned to offer limited restraint to allow the slab to shorten effectively.If necessary, isolate the restraining elements e.g. the lift shaft with a corbel or splitcolumn

Stressing All strands are stressed to 85% of their ultimate tensile stressInitial stress at 7MPa (24 hours)Final stress at 22MPa (4 to 7 days usually)

Movement Joints The spacing is generally 50-70m in PT slabs. Compared to a conventional RC slabthat requires movement joints spaced at 10-15m only about 1/5 of the numberof joints are required for a PT slab.

Prestressing Contractor Generally in Sydney and Melbourne, the PT contractor will be a design and construct.Consulting engineers tend not to detail the PT and will leave it to be dealt with on site,so its more economical for a PT company to C+C themselves.When designing PT, the centrelines, high and low points are fixed, with the duct drapedbetween these.

Demolition Bonded tendons similar to RC, may be demolished by hammering concrete offslab. Care must be taken with transfer beams which may deflect upwards if toomuch load is removed.

PT drawings Bold tendons are typical, other tendons are ‘linked’ to parallel tendons.