Hochbauten mit bewehrtem Ziegelmauerwerk

Hochbauten mit bewehrtem Ziegelmauerwerk Vorentwurfs-Überlegungen D. J. Woodland, Mid-East Region, Structural Clay Products Institute, Pittsburgh, U...
Author: Manfred Beutel
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Hochbauten mit bewehrtem Ziegelmauerwerk Vorentwurfs-Überlegungen D.

J.

Woodland, Mid-East Region, Structural Clay Products Institute, Pittsburgh, USA

Kurzfassung Die Mid-East Region der SCPI ( ~ Structural Clay Products Institute) macht sich zur Aufgabe, die Ingenieurbüros durch Studien über die Durchführbarkeit von geplanten Ziegelgebauden zu unterstützen. Diese Dienstleistung beginnt normalerweise auf der Ebene der Vorentwürfe des Architekten und schlieBt Beratungen über Deckensysteme und über die vorlaufige Festlegung tragender Wande unte r Angabe etwaiger groBer Óffnungen ein. Als nachster Schritt wird eine allgemeine statische Berechnllng des Geballdes aufgestellt, die sowohl Eigen- und Nutzlast berücksichtigt aIs auch horizontale Windbelastung und sich mêiglicherweise darallS ergebende Torsion. Darliber hinaus werden Duktilitat und Katastrophenbelastungen untersucht. Verbindungsdetails werden zusammen mit einem Kostenvoranschlag flir das Mauerwerk dem Architekten zur Vorbereitung der Ausschreibung zur VerfLigung gestellt. Nahere Angaben dieser Dienstleistung werdm anhand eines zwanzigstêickigen Wohnhauses beschrieben, das in Columbus, Ohio (USA), erstellt werden soll. Das Grundsystem besteht aus 12 Zoll dicken, bewehrten, tragenden Ziegelwanden - aIs Windscheiben gedacht - mit einem 8 Zoll dicken Deckensystem aus Stahlbeton mit Hohlkcrpern. Die Spannweite betragt 22 FuB. Mehrere hoch belastete, bewehrte Ziegelbalken bzw. wandartige Trager, die bis zu 2 Geschosse hoch sind, tragen die Wande über groBen Óffnungen im ErdgeschoB. Die nichttragende AuBenverkleidung aus Mauerwerk wird im zweiten Stockwerk durch einen Sturz aus bewehrtem Ziegelwerk abgefangen, der seinerseits durch bewehrte Ziegelstlitzen getragen wird. Die beiden obersten Stockwerke springen liber die darunter liegende AuBenflache aus Mauerwerk hervor, so daB ein T ei l der Wand aus vorgefertigtem Mauerwerk erstellt wird.

Preliminary Design Considerations for High-Rise Engineered Brick Masonry Buildings The Mid East Region of SCPI has a policy of assisting design professionals by conducting feasibility studies on proposed masonry structures. This service generally takes place at the architect' s sketch level and includes consultation on floor systems, tentative location of the major load-bearing walls with indication of any large openings in the same. The next step is to make a general structural analysis of the building that incll1des dead and live loads, lateralloading for wind and any resulting torsion, structural ductility, and catastrophic loading. COlmection details are supplied along with an estimated masonry cost for use by the architect in the preparation of his budget. The details of this service are illustrated by reference to a 20 story apartment building proposed for Columbus, Ohio U. S. A. The basic structural system will be 12 inch thick reinforced brick bearing shear walls with an 8 inch hollow core pre cast concrete fIoor system spanning 22 feet. Several heavily loaded reinforced brick deep beams or girders 2 stories in height will carry the walls across large openings on the ground fIoor. The nonbearing exterior masonry envelope is supported at the 2nd fIoor level by a reinforced brick transfer girder which in turn is supported by reinforced brick columns. The top floor and a half projects out past the face of the wall below so that part of the wall will be built, of prefabricated brick masonry.

Einleitung Das Betrel1ungsgebiet der MESCPI (Mid-Eastern Region of the Structural Clay Products Institute) besteht aus den Staaten Ohio, M ichigan, Western Pennsylvania und West Virginia, ein Marktgebiet von 351260 Quadratkilometern mit einer Bevêilkerung von 25500000 Menschen (Volkszahlung 1970). 50

Considérations préliminaires à I' étude d'immeubles-tour en maçonnerie de briques renforcée La Mid East Region de SCPI poursuit une politique d'aide aux professionnels par l' étude préli minaire de structures de maçonnerie. Cette étude se fait normalement sur base du croquis de l' architecte et co mprend les conseils sur les systemes de planchers ainsi que les choix possibles des principaux murs porteurs avec une indication de toutes les grandes ouvertures qu'ils peuvent comporter. Le stade suivant consiste à effectuer une analyse générale de la structure de I'immeuble comprenant le poids mort et les charges mobiles, la sollicitation latérale due au vent et la torsion qui en résulte, les déformations et la charge limite. Les détails supplémentaires ainsi qu'ne esti mation du cout sont fournis, ces chiffres étant destinés à l' archi tecte pour préparer son budget. Le présent article explique les détails de ce service en prenant comme exemple un immeuble d' appartements de 19 étages dont la construction est envisagée à Colombus, Ohio, (O. S. A.) . Le systeme structural de base sera constitué essentiellement par des murs porteurs en maçOlmerie ar mée de 30 centi metres d' épaisseur. Les planchers préfabriqués sont en éléments de béton avec noyau creux de 200 millimetres et couvrant une portée de 6,70 metres. Plusieurs pOlltreS ou longerons en maçonnerie armée, avec hauteur de 2 niveal1x, porteront les murs au-dessus des grandes ouvertures du rez-de-chaussée. L' enveloppe extérieure de maçonnerie non portante repose au niveau du premier étage sur une poutre de chainage en maçonnerie armée qui repose à son tour sur des colonnes en maçOlUlerie armée. L'immeuble est couronné par un étage et demi en saillie par rapport à la façade des étages inférieurs. Cette partie sera construi te en panneaux de briques préfabriqués.

MESCPI ist mit den praktischen Ausführungen des industriellen Fêirderungsprogramms beauftragt; sie sind geplant, um die Verwendung des Ziegelmauerwerks in der Ballindustrie zu erweitern. Sie operiert nahe des Verkaufsorts, und ihre direkte Aufgabe besteht darin, aktue!1.e technische Information

über Ziegelbausysteme innerhalb der vielen Sektoren der Bauindustrie zu verbreiten, insbesondere bei Konstruktionsingenieuren, Ziegelproduktehandlern, Bauunternehmern sowie Bauaufsichtsbeamten. D ie praktische Betreuung eines so groBen Gebietes durch eine begrenzte Anzahl von Bauleitungspersonal fordert die Entwicklung eines Beraternetzes ais Informationsquelle in den H al1ptstadten des Gebietes. Diese Vertreter berichten an das in Canton, Ohio, gelegene Zentralbüro der MESCPI - ebenso arrangieren sie personliche Besuche durch einen Stabsingenieur. Statistisch gesehen reist ein solchei Stabsingenieur insgesamt ca. 30 000 Meilen (48270 Kilometer) pro Jahr, bei 100 Übernachtungen. Anfragen nach technischem Service werden im allge meinen innerhalb von 72 Stunden erledigt. Diese Art von D ienstleistung wird durch die Vervollstandigung des zwischenstaatlichen SchnellstraBensystems moglich gemacht. Ausbildungsprogramm über bewebrte Ziegelmauerkonstruktion Ais MESCPI im Jahre 1964 damit begarul, das Programm " moderne tragende Ziegelwand" (Contemporary Bearing Wall) durchzuführen, war es notwendig, für das Ingenieurpersonal einen intensiven Ausbildungsplan über bewehrtes Ziegelmauerwerk einzuleiten. Dieses Ziel wurde durch Hunderte von Vortragen, Seminaren und Zusammenkünften erreicht, die von Architekten, Ingenieuren und Bauunternehmern besucht wurden. Das " neue" Konzept für die Verwendung raumtrennender, tragender Mauern in Verbindung mit einem geeigneten Deckensystem (meist eine vorgefertigte Betondecke mit einer Spannweite von 22 bis 32 FuB - 6,7 bis 10 Meter), das ais bauliches Hilfssystem für vi ele Bauarten verwendet werden kann, wurde einerseits theoretisch erklart und andererseits an Beispielen fertiggestellter Bauwerke erlautert. Das Ingenieurausbildungsprogramm wird in Form eines Seminars auf die besonderen Bedürfnisse der Bauflrmen zugeschnitten. Das KOllstruktionssystem eines zwanzigstockigen W ohnhauses mit bewehrtem Ziegelmal1erwerk wird für Anschauungszwecke zugrunde gelegt. Die ortlichen Baurichtlinien ("SCPI-Code - Building Code Requirements for Engineered Brick M asonry" - "Baurichtlinien für das bewehrte Ziegelmauerwerk") und andere T exte und Unterlagen werden verwendet. Die Übung schlieBt mit Diskussionen über Güteüberwachung des bewehrten Ziegelmauerwerks ab. Werul moglich, ist ein ortlicher Ziegelhersteller anwesend, um Fragen zur Baustellenpraxis zu beantworten. Diese Art von Berufsausbildung verschafft MESCPI Eintritt in die Büros der führenden Architekten und Ingenieure. Die Folge ist, daB das Ingenieurpersonal haufig gebeten wird, an Vorbesprechungen über wichtige Bal1programme teilzunehmen. V orentwurfsservice Einzelheiten über die V orentwurfsdienstleistungen der MESCPI werden anhand eines zwanzigstockigen W olmhauses erlautert, das in Columbus, Ohio, gebaut wird. Der Architekt erhielt seinen Auftrag von eillem gemeinnützigen Unternehmer, dessen Wunsch es war, zusatzliehe Wohnungen für altere Lel1te in der Innenstadt zu bauen. Der Bauplatz wurde zusammen mit einem Plan für W ohneinheiten von 1- l1nd 2-ZimmerAppartements ausgewahlt. Die Bal1kosten wurden aufgestellt, l1nd es liegt nun am Architekten, einen ausführliehen Entwurf anzufertigen. Ein Ortsplan, ein typischer GrundriB (Abb. 1) und ein AufriB- sind bereits fertiggestellt worden, bevor MESCPI in Sachen Dienstleistungen angesprochen wurde. Die erste Besprechl1ng wurde mit einer kurzen Dia-VorfUhrung für die Mitglieder des Entwurfsteams über ahnliche Gebau dearten (Abb'. 2, 3) eroffnet. Die Plane wurden dann nach der Abstandverteilung der lasttragenden inneren Windseheiben fUr das 8-Zo11- (20 cm) mit Hohlkern vorgefertigte Deckensystem verwendet. Es hat eine Spannweite von 22 Fl1B (6,7 Meter). Ais Dicke fUr die Wande nimmt man 12 Zoll (36 em) bewehrten Ziegel an (Abb. 4).

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Abb. 1 : Typischer GeschoBgrundriB lür ein 20geschossiges Appartementhaus. Fig. 1: Typical Iloor plan lor 20 story apartmen!.

Abb. 2 : Zwei 20geschossige Appartementgebiiude aus bewehrtem Mauerwerk. Fig . 2 : Two 20 story apartments bui lt 01 reinlorced masonry in Pittsbourgh, Pa. Tasso G. Katselas, architect. Floor system is orecast concrete I lat slabs.

Abb. 3 : EIIgeschossiges A ppartementhaus in Columbus (Ohio) aus ca . 20 cm starkem bewehrtem Mauerwerk und vorgelertigten Betondecken. Fig. 3: 11 story apartment building, bui lt in Columbus (Ohio) , 01 8 inch nonreinlorced brick masonry. Floor system is 8 inch holl ow core precast concrete spanning 22 ft . George J . Kontogiannis, architec!.

Einige architektonische Entscheidungen muBten bezUglich der Anordnung der Badezimmer gemacht werden, namlich so, daB die notwendigen Rohrschlitze parallel zu den Rohrleitungen angebracht wurden l1nd somit das Problem des Streekens der Betonplanken beseitigte. Das erste Stockwerk wird Tagesund Gesellschaftsraume enthalten. Zur Zeit der ersten Konferenz war die genaue Verteilung der Raume noch nicht be51

Eigenlasten-Schwergewicht 60 Pfund /FuB2 Boden: 8 Zoll vorgefertigt 2 PfW1d/FuB2 Feinputzbelag 2 Pfund /FuB2 gespritzte Decke 2 Pfund /FuB2 Teppichbelag 66 Pfund/FuB2 Total 60 Pfund /FuB2 Dach: 8 Zoll vorgefertigt 5 Pfund /FuB2 Isolierung 5 PfundfFuB2 Dachdeckung 10 pfund /FuB2 Ausstattung 80 PfundfFuB2 Total 15 PfundfFuB2 Innere Trennwande 2.3.4. Seitenlasten 2.3.4.1. Windlast (25-Pfund-Zone) 20 PfllndfFlIB2 0- 30 FuB 25 PhmdfFlIB2 30- 50 FuB 30 PflllldfFuB2 50-100 FuB 40 PfllndfFuB2 100- plus 2.3.4.2. Torsion Nicht erforderlich nach den Ohio- bzw. ColumbusBaubestimmungen. Gebrauch von 5% Konstruktionslange gegen ausmittige Last 2.3.4.3. Biegsamkeit Nicht erforderlich nach den Ohio- bzw. Columb usBaubestimmungen. Seismische Bestimmungen Zone I sind anzuwenden 2.4. Zusammengesetzte Last (d. h. Biegung und Drucklast) wie von OBC verlangt 2.4.1. Standfestigkeit Einsturzmoment derselbe Wert oder kleiner aIs zwei Drittel der Eigenlast 2.4.2. Maximale Spannung Eigenlast + reduzierte Nutzlast + Windlast oder Eigenlast + Nutzlast = oder weniger ais Windlastf3 2.4.3. Fundamentkonstruktion Eigenlast + redllzierte NlItzlast oder Eigenlast + N lItzlast, vorallsgesetzt, daS (Eigenlast + Nutzlast) f3 groBer ist ais die Windlast oder Eigenlast + Nutzlast + Windlast, vorallsgesetzt, daB (Eigenlast = NlItzlast) f3 kleiner ist aIs die Windlast 2.4.4. Katastrophenlast N ach OBC nicht edorderlich . Es ist eine Angelegenheit der Konstruktionsbeurteilllng. 2.4.4.1. Tragende Mauern 720 Pfund fFlIB2 seitlich eingetragen 2.4.4.2. Erhohte Spannllngen im bewehrten Ziegelmauerwerk Die zusammengesetzte Last (d. h. Biegung + Drllcklast) ist Ilicht in den SCPI-Baurichtlinien angegeben. Eigenlast + Nutzlastf3 + zusammengesetzte Last Stahlzugspannung f = 0,90 f, max. 54000 PfundfZoll2 s Streckgrenze Drucklast des Mauerwerks f = 0,85 f

2.3.3.

Abb. 4: Delail der Slurz· und Brüslungsau sbildung aus bewehrlem Mauerwerk. Fig. 4: Delail 01 window head. Buill on reinlorced brick masonry.

karult. Es wurde vereinbart, daB man groBe bffnuugeu in deu Windscheiben vorzusehen hatte, wobei die Unge der bffnung 50% der gesamten Wandlange oder 12 FuB (3,6 Meter) nicht überschreiten sollte. Kellerraume waren nicht vorgesehen. Es w ird elektrische Heizung geplant. Ein Satz Bauplane wurde dem MESCPI für eine Voruntersuchung überreicht.

MESCPI-Vorentwurfskriterien Ein Teil der zur Zeit vom MESCPI verwendeten normalen Vorkonstruktionskriterien ist wie folgt: OH 7211 Zwanzigstockiges Wohnhaus aus bewehrtem Ziegelwerk Columbus,Ohio Architekt 1. Anzuwendende Baubestimmungen 1.1. Stadt Columbus, Ohio 1.2. Ohio-Baubestimmungen 1.3. SCPI-Baurichtlinien "Baurichtlinien erforderlich fLir das bewehrte Ziegelmauerwerk, 1969" 2. Konstruktionsprogramm 2.1. Bauart zwanzigstockiges W ohnhaus Gruppe "H"-Zweckverwendung 2.2. Typ I - feuerbestandig Brandschutzklassenwerte fLir Wande und Boden l1ach 2.2.1. OBC (Baubestimmungen von Ohio) Belastul1g 2.3. 2.3.1. N utzlasten-Sch wergewicht Boden 40 Pfund /FuB2 Dach (Schneelast) 25 Pfund /FuB2 Korridore 40 Pfund /FuB2 1. Stock (offentliche Raume) 100 Pfund /Fu!3 2 80 Pfund /FuB2 Treppen N utzlast-Red uzierung 2.3.2. Dach 0% B oden 50% ma x. 52

In

Schllbspannung

111

keine Erhohung der Spannung

Baustatische Analyse In der Hochbaukonstruktion neigen die Wind- bzw. seismischen Krafte dazu, die Schwerkrafte zu übertreffen. Daher wird die Seitenlastbestandigkeit des Gebaudes sofort überpriift. Es steht fest, daB die Windscheiben, die senkrecht zu der langen Achse des Gebaudes liegen, hohere, vom Wind entstandene Spalillungen aufweisen: die parallel zu der langen Achse des Gebaudes laufenden Windscheiben zeigen dagegen hohere seismisch verursachte Spannungen. In beiden Fallen laBt sich daraus kein Problem ableiten, da die SparulUngen von der Eigenlast bzw. Nutzlast mit einem angemessenen Sicherheitsbeiwert irgendwelche Zugspannungen aufheben. Die erhohten SchubsparulUngen, die aus der angenonunenen 5% -Exzentrizitat der Seitenlast herrühren, werden berechnet, und werul diese mit den direkten Spannungen zusammengesetzt werden, fmdet man, daB diese noch im zugelassenen Spannungsbereich der Baubestimmungen liegen. Das waagerechte Bewehrungseisen wird in die Mortelfugen eingesetzt, wahrend die senkrechte Armierung in den VerpreBmortelkem von oben nach unten

Die gebrauchliche Losung der MESCPI bestcht darin, die tragende Mauer iiber der Óffnung aIs einen Balken mit groBer Bauhohe zu konstruieren. In diesem bcsondercn Fali erhalt man eine Spalmweite von 18 FuB (Mittenabstand der Auflagen) und cine Hohe von 2 Stockwerken + 2 FuB, d. h. eine Hohe von 19 FuR. Die baustatische Analyse von Balken mit groBer Ballhohe wird nach den Stahlbetonabmessungsmcthoden durchgeflihrt. Beim Bewehrungsplan wird der schwcre Bewehrungsstahl in das 16 Zoll breite Balkenprofil eingelegt. D ie erforderliche Schubbewehrung wird durch Einsatz von BLigeln im Balkenprofil und von senkrechten Stahlstaben in den oberen Wanden erreicht. Die Windlasten w urden Zl1 diesem Zeitpunkt nicht berLicksichtigt. Kostenvoranschlag Zum Vorentwurfsservice der MESCPI gehort auch der Kostenvoranschlag fiir das Mauerwerk. Beim Appartementwohnhaus von Columbus ging dieser vom Vorentwurf aus, indem man die Einzelpreise auf der Basis einer Einheitskostenberechnung festsetzte. AnschlieRend wurden die Kosten pro QuadratfuR anteilmaRig fUr das gesamte Gebaude geschatzt. Anhand dieser Information wird ein Kostenvoranschlag flir das M auerwerk aufgestellt. Es ist zu bcachtcn, daR der Preis einer 12-Zoll-Ziegelwand nur um 10% hoher liegt aIs der einer 8-Zo11-Ziegelwand.

Abb. 5 : AuBenansicht des Turtle-Creek-Appartementhauses (Pa.) , mit 12 Zoll dicken, bewehrten Ziegelwii nden wie Abb. 10. Die AuBenwiinde sind nichttra gend . Beachtenswert die vo rgelertigten Beton-Spann -Triiger. Fig. 5: Exterior view 01 Turlle Creek, Pa. Apts. 12 inch reinlorced brick walls as per Fig. 10. Exterior wall sa re non-bearing. Note precast co ncrete spandrel beams. Law rence and Anthony Wolle, architecIs.

Abb. 6: Bohrkern aus dem Turtle-Creek -Apparlemenlhaus. Bea chlenswerl isl der guie Verbund von Ziegel und Belon . Fig. 6 : Core drilling Irom Turlle Creek Apls. NOle bond 01 graul lo brick.

eingelegt wird. Flir die Bewehrung sowie die VerpreBmortel wird das Bocksystem angewandt (Abb . 5, 6). Die Katastrophenbelastung (Punkt 2.4.4.1.) wird an eine am oberen Teil des Ge baudes tragende AuBenwand eingetragen und mit zusatzlicher Senkrechtarmierung versehen. Unterzüge aus bewehrtem Ziegelmauerwerk Die nichttragende AuBenwand wird auf Formanderungsllnterschiede (Warmedehnung und Kriechen) geprlift. Die Wand wird durch einen Durchlauflibertragungstrager (Unterzlige) aus bewehrtem Ziegelmauerwerk bis in die Hohe des zweiten Stockwerks getragen und durch bewehrte Ziegelsaulen auf die Decken aufgesetzt. Senkrechte Delmungsfugen werden vorgesehcn. Die Lasteintragung des Tragers wird auf 14 kpds/FllB2 gcschatzt. Die baulichen Dimensionen des Tragers sind: 5 FuB hoch, 16 Zoll breit; sie haben eine Spannweite von 18 FuB. Die Schubspannungen im Trager sind hoch; daher werden Bligel im VcrpreBmortelkern eingcsetzt. Die Armierung flir das positive bzw. negative Biegemo ment wird kalkulicrt, Zur Zeit gibt es kein Handbuch mit Hinweisen auf Bewehrungszeichnungen fLir ein bewehrtes M auerwerk. Der Bewehrungsplan beruht auf den SCPI-Baurichtlinien und auf den personlichen Notizen des Verfassers. Es ist zu beachten, daS nur gerade Bewehrungsstabe verwendet werden. Das steht im Gcgensatz zu der Armierungspraxis fiir den Stahlbetonbau. Anw endung von Balken mit groBer Bauhohe in den Windscheiben Der EinfluB groBer Óffnungcn in den tragcnden Windscheiben wurde untersucht. Die Belastung bctragt ca. 70 kpds /FuB2.

o

Meinung eines Bauunternehmers Ein qualifizierter Bauunternehmer, der i.iber groRe Erfahrung bezLiglich des bewchrten Mauerwerks verfLigt, wurde in einem Intcrview nach sciner M einllng Liber die praktischen Aspekte des Vorkonstruktionskonzeptes befragt. Besondere Aufmerksamkeit wurde del11 Bewehrungsplan fUr den Übertragungstrager und fUr die Balken mit groRer Bauhohe gewahrt, um di e BaudurchfLihrung so einfach und wirtschaftlich wie mogli ch zu machen. D ie geschatzten Wandkosten wurden iibcrprlift. Der Bauunternehmer machte einige wichtige Bemerkungen iiber den Bau von iiberstehenden oberen Wanden des Gcbaudes ohne weitgehende Verwendung von Geriisten. Seiner M ei1lll11g nach sollten diese Wande vorgefertigt sein; in der Tat erwahnte cr, daR cr ein Versuchsbauwcrk crstellen wlirde, um deren Durchfi.ihrbarkeit zu prlifen ; ebenso um das dafiir besonders erforderli che Montagegerat auszuarbeiten. SchluBfolgerungen Informationen iiber di e bauliche Durchflihrbarkeit, typische Einzelheiten des Bewehrungsplans, den geschatzten Kostenvoranschlag und die Empfehll1ng, daB die Wandc der oberen Stockwcrke vorgefertigt sein sollten, wurden al1sdri.icklich dem Architekten zur Verwendl1ng liberreicht. Das bewehrte Mauerwerksverfahren wird jetzt mit dem alternativen Stahlfachwerk bzw. Betonbau verglichen.

Preliminary design considerations for high-rise engineered Brick Masonry Buildings Introduction The service area of the Mid-East Region of the Structural Clay Products Institute (M.E. S.C.P.1.); consists of the statcs of Ohio, Michigan, Western Perlllsylvania, and West Virginia. This is a marketing area of 142,000 sq. miles (351,260 sq. kilo meters) with a popl1lation of 25,500,000 persons by 1970 cenSl1s. M . E. S. C. P. L is charged with the rcsponsibility of the practical execution of the indl1stry pro ll1otional programs that are planned to extend the use of brick masonry in the bl1ilding industry. It fllnctions dose to the point of sale, and its direct mission is the diffusion of up to date technical information on day l11asonry systems of construction to the many segments of the construction indl1stry. These indude design professionals, d ay prodl1cts dealers, mason contractors, and the building code officials.

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The practical manage ment of the large geographical area with the limited engineering staff necessitated the development of a system of agents that served as listening posts in the principal cities of the region. These agents wo uld report good leads for technical service to the central office of M . E. S. C. P. I. located in Canton, Ohio. The agents would also make arrangements for a p ersonal visit by a staff engineer. Statistically, th e staff engineer would travei approximately 30,000 miles (48,270 kilo meters) per yea r with 100 overnights. Any request for technical service was generally h onored within 72 hours. This type of service was made possible by the completion of the high-speed interstate highway system. Educational Program on Engineered Brick Masonry In 1964 when M .E.S .C.P. I. began to execute the Contemporary Brick Bearing Wall program, it was necessary for the engineering staff to conduct an intensive educational program on engineered brick masonry. This effort was primarily accomplished by hundreds of lectures, seminars and meetings at which time the architects, engineers, and contractors were invited to attend . The " new" concept of using loadbearing space defining waIls in conjunction with a suitable floor system usually a precast concrete type with a span of 22 to 32 ft. (6.7 to 10 meters) as the structural sub-system on many building types was explained as so theory and illustrated by examples of buildings that had been co mpleted. Today the engineering educational program is of the " InHouse" type of private seminar or training exerci se that is tailored to the particular needs of a professional firmo The structural design of a 20 story reinforced brick bearing waIl apartment building is used for the presentation. The local building code, S. C. P. I. Code, Building Code Requirements for Engineered Brick Masonry, and other texts and documents are used to show how to find the needed üúormation. The exercise is concluded by so me di scussions on quality control and reinforced brick masonry. If possible, a local mason contractor is in attendance to answer questions of fidd practice. This type of professional training puts M . E. S. C. P. I. in the offices of the leading architects and engineers. As a result the engineering staff is often asked to participate in thc preliminary design discussions on important building programs. Preliminary Design Service The details of the preliminary design service of M . E. S. C. P. I. wiU be explained by reference to a 20 story apartment building that is proposed for construction in Columblls, Ohio. The architect has received his commission from a non-profit owner that is desirous of providing additional inner-city housing for the elderly. The building site has been selected along with a schedule of living units in terms of 1 and 2 bedroom apartments. The construction blldget has been set and it is IIp to the architect to develop a feasible design considering the many parameters. A site plan, typical floor plan, (Fig. 1) and an elevation have been prepared by the time that M .E.S.C.P.I. is contacted for service. The conference opens with a brief slide presentation to the members of the design team on similar types of bllildings (Fig. 2,3). The plans are then examined for the spacing of the loadbearing interior shear walls using an 8 inch (20 em.) hollow cored preeast concrete floor system spanning 22 ft. (6.7 meters) without topping. The walls are assllmed to be 12 ineh (36 cm.) reinforced brick. Some architectural deeisions had to be made relative to the arrangement of the bathroo ms so that the reqllired pipe chase wo uld be loeated parallel to the span and thus eliminate the problem of headering the concrete planks. The first floor will contain the public roo ms for recreation and lounge areas. At the time of the first conference, the exact layout of the spaces had not been made, so it was agreed that large openings in the shear walls would be provided. The length of the opening wOllId not exeeed 50% of the walllength or 12 feet (3.6 meters). 54

There was to be no below grollnd space. Eleetrie heating would be llsed. A set of pIans was provided to M. E. S. C. P. I. for a preliminary study. M. E. S. C. P. I. Preliminary Design Criteria A portion of the standard preliminary design cri teria that is current!y used by M. E. S. C. P. I. is asfollows: OH 7211 20 Story ReÍnforced Brick Apartment Building Columbus, Ohio Architect 1. Applicable Building Codes

1.1. 1.2. 1.3.

City of Columbus, Ohio Ohio Building Code S. e. P. I. Code, "Building Code RequiremeIlts for Engineered Brick Masonry, 1969"

2. Design Program 2.1. Building Type 20 story apartment building Group " H " Occupancy T ype I - Fireproof 2.2. Fire ratings for walls and floors as per OBC 2.2.1. Loading 2.3. Li ve Loads - Gra vity 2.3.1. 40 psf. Floor 25 psf. Roof (snow) 40 psf. Corridors 100 psf. 1st Floar (pl1blic rooms) 80 psf. Stairs Live Load Reduction 2.3.2. Roof 0% lnax. Floar 50% Dead Loads - Gravity 2.3.3. 60 psf. Floor: 8 inch precast 2 psf. skim topping 2 psf. spray ceiling 2 psf. carpeting 66 psf. Total 60 psf. Roof: 8 inch precast 5 psf. insulation 5 psf. roofmg 10 psf. equipment 80psf. T otal 15 psf. Interior partitions 2.3.4. Lateral Loads 2.3.4.1. Wind (25 Ib. zone) 20 psf. 0-30 ft. 25 psf. 30- 50 fr. 30 psf. 50-100 ft . 40 psf. 100-plus 2.3.4.2. T orsion This is not required by OBC or Coll1mbus Codes. Use 5% of bl1ilding length far eccentricity 2.3.4.3. Dl1ctility This is not required by ORC ar Columbus Codes. Use seismic Z one I 2.4. Combined Loading As required by OBC 2.4.1. Stability O verturning moment equal or less than 2/3 D . L. Mom. 2.4.2. M axi mum Stress D. L. + R. L. L. + wind or D. L. + L. L. equal or less Wind /3 2.4.3. FOl1ndation Design D. L. + R. L. L. or D. L. + L. L. providing that (D. L. + L. L.)/3 is greater th an Wind or D. L. + L. L. + Wind providing (D . L. = L. L.) /3 is less than Wind 2.4.4. Catastrophic Loading This is not required by OBe. It is incll1ded as a matter of engineering jl1dgement 2.4.4.1. Bearing Walls 720 psf. applied latera ll y.

2.4.4.2. Increased stresses in reinforced brick masonry There is no provision for C. L. in the S. C. P. r. Codc D. L. + L. L. /3 + C. L. Steel tensile stress f = 0.90 f. max. 54,000 psi. s yield Masonry Compression f = 0.85 f' m

Shea r

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no increase in stress

Structural Analysis In the high-rise building, the wind or seismic forces tend to predominate over the gravity forces; consequently the lateral force resistance of the building is immediately checked. It is found that the shear walls that are perpendicular to the long axis of the building will have the higher stresses due to wind action; the shear walls that are parallel to the long axis of the building are found to have the higher stresses due to seismic action. In either case this is found to present no problem since the dead load and live load stresses will suppress any tensile stresses with an adequate safety factor. The increased shears in the shear walls induced by the assumed 5% eccentricity of lateralloading (2.3.4.2.) are computed and w hen combined with the direct shears are found to be within the code allowance. The horizontal steel is placed in the mortar joints, and the vertical steel is placed in the grout core from the top down. The reinforcing and grouting to be done by the high-lift method (Fig. 5, 6). Catastrophic loading (Item 2.4.4.1.) is applied to an exterior bearing wall at the top of the building and additional vertical reinforcing steel provided. Reinforced Brick Transfer Girder Exterior non-bearing masonry wall is checked for differential move ment (thermal expansion and creep). The wall will be carried on a continuous reinforced brick transfer girder at the 2nd floor level and by reinforced brick columns to th e ground. Vertical expansion joints will be provided. Estimated load on girder is 14 kpds per foot. The architectural dimensions of the girder are height 5 ft., width 16 inches, and a span of 18 feet. The shearing stresses in the girder are high, so stirrups will be placed in the grout core. The required positive and negative moment reinforcing steel is calculated. A t the present ti me there is no manual of standard practice for the detailing of RBM elements. The detailing is based on the S. C. P. I. Code and private notes of the author. Note that only straight bars are used. This is in contrast to the detailing practice for reinforced concrete.

Deep Beam in Shear Walls The influence of large openings in the loadbearing shear walls was studied. The loading is approximately 70 kpds per foot. The standard M. E. S. C. P . r. solution is to design the bearing wall above the opening as a deep beam. In this particular case wiU have a span of 18 feet (center to center of the supports) and a height of 2 stories plus 2 feet or 19 feet. The analysis of the deep beam is made in accordance with a method that is used for concrete. The detailing places the heavy reinforcing steel in the 16 inch wide beam section. The required web reinforcing is in the form of stirrups in the beam section and vertical steel rods in the walls above. No consideration was given to the wind forces at this time. Budget Estimate Another feature of the M. E. S. C. P. I. preliminary design service is the estimation of the masonry cost for the structure. On the Columbus apartment building, this was done fram the tenta tive details by pricing up the items on a unit cost basis, and then prajecting the sq . ft. cost over the entire building . From this information a budget price for the masonry work is prepared. Note that the 12 inch reinforced brick wall is only 10% more than the 8 inch brick wall. Comments of Mason Contractor A competent masonry contractor with extensive experience in engineered brick was interviewed for his comments on the practical aspects of the preliminary design concept. Particular study was given to the detailing of the reinforced transfer girder and the deep beams for simplicity and economy of construction. The estimated wall cost were checked. The mason contractor made some valuable C011lments on how to build the overhanging top walls of the building without the use of extensive scaffolding. It is his thinking that these walls should be prefabricated; in fact he indicated that he would build a fuU size 11l0ck up to test the feasibility, and to work out the special rigging needed for erection. Conclusion The information on structural feasibility, typical details, estimated budget price, and the recommendation that the top floor walls be prefabricated was formally transmitted to the architect for his evaluation. The reinforced brick masonry system will now be compared to the steel frame or concrete options.

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