design of pile cap

د / مؤمن السيد عبد الرؤف

جامعة األزهر–كلية الهندسة بقنا

1

Design of pile cap

فى هذه الطريقة يتم تصميم الهامة كقاعدة مفردة معرضة لردود أفعال مركزة من الخوازيق بدال من

جهد التربة

Steps of Design:

1- Where:

Pw=Working load of the column,

Qall =Allowable bearing capacity of the pile.

2- Draw pile cap and get Dimension:

Assuming that:

-Thickness of PC = 10 cm

-Take S= Smin, where:

Smin = 3xD→ for friction piles, Smin = 2.5xD → for bearing piles,

Smax = 6xD

-Take side distance (e) = (1:1.5) D, where D= diameter of the pile

A pile cap can be drawing as shown in figure (3-3)

Figure (3-3) Pile cap dimension

Where:

L=2(S+e)

B=S+2e

3- Determine the pile working load

a) For concentrically loaded pile cap: رأسى متمركز على الهامة لحم

Q

Pw 1.15 piles No.

all

pile No.of

mn)1.1Pw(colu Pw(pile)



2

b) For eccentrically loaded pile cap: متمركز على الهامة ررأسى غي لحم

4-Determine the ultimate pile load

Pu (pile) =1.5 Pw (pile)

5-Design of flexure

The critical section of moment is taken at the face of column as shown in

figure (3-4), where d is the depth of pile cap.

Figure (3-4) The critical section for moment

= مجموع حاصل رد الفعل عند كل وجه العمود(عندالقطاعين المماسين ل)يؤخذ عزم االنحناء

اع الحرجبعد مركز الخازوق عن القط* خازوق

Mu1 = Pu1xa+Pu4 x a

Mu2 = Pu1xb+Pu2 x b + Pu3xb

Where:

Mu1= the ultimate bending moment at sec 1-1

Mu2= the ultimate bending moment at sec 2-2

22vy

y Mx.

x

.M

N

V- P

Xy



3

Pu1= the ultimate load for pile number 1




6-Calculate the pile cap depth

Once calculation the bending moment the pile cap depth can be determined

as follow:

By taking C1=5 , get d1,d2 then choose the biggest value.

Check d>dmin,

dmin =1.5D+10 cm , or (dmin =2D) where D= pile diameter

Take t= d+ cover , cover>700 mm

حيث يتم حساب العمق لكل اتجاه على حدة ثم يؤخذ العمق األكبر مع أخذ غطاء ال يقل عن 7 سم.

7-Check of shear (one way shear)

The critical section of shear is located at d/2 from face of column, where d is

the depth of pile cap.

ف عمق الهامة مع مراعاة األتى:القطاع الحرج للقص يقع على مسافة نص

يتم احتساب كامل قيمة رد الفعل للخازوق عندما يقع الخازوق بالكامل خارج القطاع الحرج -1

للقص

يتم تجاهل رد فعل الخازوق عندما يقع الخازوق بالكامل داخل القطاع الحرج للقص -2

فى حالة وجود جزء من الخازوق خارج القطاع الحرج للقص يتم احتساب هذا الجزء فقط من -3

(3-5كما هو موضح بشكل ) الخازوقمساحة وذلك كنسبة من الخازوق عند حساب قوى القص



4

Figure (3-5) Effect of pile location on shear forces

Figure (3-6) The critical section for one way shear

The shear forces for the pile cap shown in figure (3-6) can be determined as

follow:

Qsh1-1=qu1+qu4 1-1 مجموع احمال الخوزازيق خارج القطاع

Qsh2-2=zero صفر 2-2مجموع احمال الخوزازيق خارج القطاع =

B.d

1-Qsh1 1-qsh1



5

Where:

fcu =the concrete compressive strength.

γc =1.5

If q sh1-1 ˂ qcu safe

If qsh 1-1 > qcu un safe, increase the depth

:كالتالى تقريبيا الخازوق يقع داخل القطاع الحرج يتم حساب قوى القص فى حالة جزء من

العمود ومركز الخازوق جهفى حالة ما يكون القطاع الحرج يقع على مسافة أكبر من المسافة بين و

ه العمود ومركز الخازوقفى حالة ما يكون القطاع الحرج يقع على مسافة أقل من المسافة بين وج

/ القطر الكلى للخازوق من القطر الجزء المؤثر فى القصأى أن معامل التخفيض = طول

Where:

Fr = reduction factor

D=pile diameter

X= المسافة بين محور الخازوق والقطاع الحرج

D

D/2)(X Fr

rsh F x Q uP

D

X)(D/2 Fr



6

8-Check punching (two way shear)

The critical section of punching is located at d/2 from each side of column as

shown in figure (3-7).

Figure (3-7) The critical section for punching

العمود من كل ناحية مكونا مساحة جهيقع القطاع الحرج للثقب على بعد نصف عمق الهامة من و

الحمل الثاقب عبارة عن القص يكون( و3-7للقص الثاقب حول العمود كما هو موضح بالشكل )

: مطروحا منه ردود أفعال الخوازيق داخل القطاع الحرج وذلك كالتالى األقصى للعمود

Qup=Pcu - ∑ Pu(pile)

Where:

qp=punching stress

Pcu =column ultimate load الحمل األقصى للعمود

Pu= pile ultimate load رد فعل الخازوق خارج القطاع الحرج

U=perimeter of critical section

The allowable punching stress (qcup) is giving as the least value of the

following:

U.d

q

upp

Q



7

Where:

qcup=the punching shear strength provided by concrete( allowable),

a,b=the ratio of long side to short side of column,

α=4for interior column,3 for edge column ,2 for corner column,

fcu =the concrete compressive strength.

If qp ˂ qcup safe

If qp>qcup un safe, increase the depth

كالتالى :ا داخل القطاع الحرج للتثقيب فيتم حساب قوى الثقب بالنسبة للخوازيق التى يقع جزء منه

Qup=Pcu - λx No .of piles in critical section x pile load ultimate,

As shown in figure (3-7)

8-Reinforcement of the Cap Pile:

The area of steel can be determined as follow:

As 1-1= → As1 /m = As 1-1/B

Check : As 1-1> As min= (0.6/fy)x B x d

As2-2= →=As2/m = As2-2/L

Check: As2-2 > As min= (0.6/fy)x L x d

j.d.fy

1-1Mu

j.d.fy

2-2Mu

pile theof area gross

pile theof area hatched



8

9-Details of reinforcement

يكون تسليح الهامة فى هذه الطريقة من التصميم مماثال لتسليح القواعدالمسلحة )سواء منفصلة أو

(. 3-8وذلك كماهو موضح بشكل ) قاعدة جار( مشتركة أو

Figure (3-8) Details of reinforcement for pile cap

ويراعى فى تسليح الهامة األتى :

سم. 60يجب أن يمتد حديد تسليح الخازوق فى الهامة لمسافة ال تقل عن -1

أسياخ فى 5% من مساحة مقطع الهامة بما اليقل عن 1أن تسلح الهامة بشبكة علوية تمثل يمكن - 2

االتجاهين.

Problem (3-2)

Design and give complete reinforcement detailing for a pile cap, knowing

that column dimension = 0.6×0. 6 m, column working load = 2000 KN

Pile diameter = 0.4 m, Pile working load =500 KN, fcu = 30 N/mm² , fy =

360 N/mm².

Solution

= 1.15x2000/500=4.6, take 5 piles Q

Pw 1.15 piles No.

all



9

Assume S= 3D (pile diameter) = 3x0.4= 1.2 m

e=1.25xD=1.25x0.4=0.5m→ L= B= 1.2+2x0.5=2.2m

= 1.1x2000/5=440kN

Pu (pile)=1.5x440=660kN

Mu1-1=Mu2-2 =Mu

Mu= No. of piles xPu xa , a=(1.2-0.6)/2= 0.3m

Mu=2x660x0.3=396 kN.m

d=5√ (396x106/30x2200) =387.3 mm ≈40cm

dmin =1.5D+10 cm =1.5x0.4+0.1=0.7m

Take d=70 cm , t=d+10 = 80 cm

pile N.o.of

mn)1.1Pw(colu Pw(pile)



10

Check shear:

يمكن حساب القص سم من وش العمود فعلى ذلك 35لى بعد حيث أن القطاع الحرج للقص يقع ع

كالتالى :

Qsh=2x247.5=495kN

qsh = 495x103/(2200x700)=0.321 N/mm²

qcu =0.16√(30/1.5)=0.715N/mm²

qsh˂qcu ok

D

X)-Pu(D/2 (pile)Qsh

B.d

Qsh qsh

.5kN472375.0660 0.4

0.05)-/24.660(0 x



11

Check punching:

The pile number 5 and four hatched area is located inside the critical

punching area:

Qup=Pcu - ∑ Pu(pile) - λx No .of piles in critical section x pile load ultimate

Qup=1.5x2000 -660- 4x 0.43x660=1204.8KN

U=(0.6+0.7)x2=2.6 m=2600mm

qp=1204.8x10³/(2600x700)=0.662N/mm²

The allowable punching stress (qcup) is giving as the least value of the

following:

1-qcup= 0.316√(30/1.5)=1.41N/mm²˂1.6 N/mm²

Uxd

q

upp

Q



12

2-qcup= 0.136(0.5+0.6/0.6)√(30/1.5)=2.12 N/mm²

3- qcup=0.8(0.2+(4x0.7/2.6)√(30/1.5)=4.57N/mm²

qcup=1.41N/mm², 0.662˂1.41→ qp˂ qcup safe

Reinforcement of the pile cap

نظرا ألن الهامة متماثلة من االتجاهين يتم حساب التسليح التجاه واحد فقط

As= C1=5→ j=0.826

As=396x106/(0.826x700x360)=1902.5mm²/2.2m

As min= (0.6/fy) x B x d= (0.6/360)x2200x700=2566.6 mm²

Take As= As min=2566.6mm²/2.2m

As/m=2566.6/2.2=1166.6mm²/m=11.66cm²/m, take 6ϕ16/m

f d j

M

y

u

design of pile cap

Engineering