Appendix F: Structural Design Criteria · EM 1110‐2‐2100 Stability Analysis of Concrete...

272
Fargo Moorhead Metropolitan Area Design Documentation Report Flood Risk Management Project Reach 4 Diversion Channel and Rush River Inlet/Drop Structure Appendix F: Structural Design & Criteria 97% FTR_FMM_R4_Appendix_F_Structural.docx Appendix F: Structural Design & Criteria Fargo Moorhead Metropolitan Area Flood Risk Management Project Reach 4 Diversion Channel and Rush River Inlet/Drop Structure Engineering and Design Phase P2# 370365 Doc Version: POST FTR Submittal 14 November 2013

Transcript of Appendix F: Structural Design Criteria · EM 1110‐2‐2100 Stability Analysis of Concrete...

Fargo Moorhead Metropolitan Area     Design Documentation Report Flood Risk Management Project  Reach 4 Diversion Channel and Rush River Inlet/Drop Structure     Appendix F: Structural Design & Criteria 

97% FTR_FMM_R4_Appendix_F_Structural.docx   

                                                                                                        

 

AppendixF:StructuralDesign&Criteria 

FargoMoorheadMetropolitanAreaFloodRiskManagementProject

 

Reach4DiversionChannelandRushRiver

Inlet/DropStructure 

EngineeringandDesignPhase

 

 

 

 

 

P2# 370365 

Doc Version: POST FTR Submittal

14 November 2013

Fargo Moorhead Metropolitan Area     Design Documentation Report Flood Risk Management Project  Reach 4 Diversion Channel and Rush River Inlet/Drop Structure     Appendix F: Structural Design & Criteria 

97% FTR_FMM_R4_Appendix_F_Structural.docx   

 

 

This page is intentionally left blank 

Fargo Moorhead Metropolitan Area     Design Documentation Report Flood Risk Management Project  Reach 4 Diversion Channel and Rush River Inlet/Drop Structure     Appendix F: Structural Design & Criteria 

97% FTR_FMM_R4_Appendix_F_Structural.docx  F‐i of F‐iii 

AppendixF:StructuralDesign&CriteriaTable of Contents 

F.1  Structural Design ................................................................................................................................... 1 

F.2  Structural Description ........................................................................................................................... 1 

F.3  References ............................................................................................................................................ 1 

F.4  Alternatives Considered for Preliminary Engineering Report ............................................................... 1 

F.4.1  Headwall Alternative ..................................................................................................................... 2 

F.4.2  Flared End Sections Alternative .................................................................................................... 2 

F.4.3  Rock Weir Alternative ................................................................................................................... 2 

F.4.4  Design Alternative for Design and Construction ........................................................................... 3 

F.5  Structural Design Criteria ...................................................................................................................... 3 

F.5.1  Reinforced Concrete ..................................................................................................................... 3 

F.5.2  Reinforcing Steel ........................................................................................................................... 3 

F.5.3  Material Properties ....................................................................................................................... 3 

F.5.4  Load and Strength Reduction Factors for Concrete Design .......................................................... 4 

F.6  Inlet Headwall Design ........................................................................................................................... 4 

F.6.1  Design Loads ................................................................................................................................. 5 

F.6.2  Water Loads .................................................................................................................................. 6 

F.6.3  Soil Loads ...................................................................................................................................... 6 

F.6.4  Self Weight .................................................................................................................................... 7 

F.6.5  Uplift ............................................................................................................................................. 7 

F.7  Inlet Headwall Concrete Analysis and Design ....................................................................................... 7 

F.7.1  Stem Reinforcement ..................................................................................................................... 7 

F.7.2  Footing Reinforcement ................................................................................................................. 7 

F.8  Inlet Headwall Trash Rack Design ......................................................................................................... 7 

F.9  Reinforced Concrete Pipe Design.......................................................................................................... 8 

F.9.1  Hydraulic Requirements ................................................................................................................ 8 

F.9.2  Soil Loads ...................................................................................................................................... 8 

F.9.3  Concrete Strength Design ............................................................................................................. 8 

Fargo Moorhead Metropolitan Area     Design Documentation Report Flood Risk Management Project  Reach 4 Diversion Channel and Rush River Inlet/Drop Structure     Appendix F: Structural Design & Criteria 

97% FTR_FMM_R4_Appendix_F_Structural.docx  F‐ii of F‐iii 

F.9.4  Concrete Pipe Camber .................................................................................................................. 8 

F.10 Outlet Pipe Box Design.......................................................................................................................... 9 

F.10.1  Design Loads ............................................................................................................................. 9 

F.10.2  Pipe Box Sizing .......................................................................................................................... 9 

F.10.3  Water Loads .............................................................................................................................. 9 

F.10.4  Soil Loads ................................................................................................................................ 10 

F.10.5  Self Weight .............................................................................................................................. 10 

F.10.6  Uplift ....................................................................................................................................... 10 

F.10.7  Pipe Box Concrete Analysis & Design ...................................................................................... 10 

F.10.8  Grating Design ......................................................................................................................... 10 

F.11 Outlet Impact Basin Design ................................................................................................................. 11 

F.11.1  Design Loads ........................................................................................................................... 11 

F.11.2  Impact Basin Sizing .................................................................................................................. 11 

F.11.3  Self Weight .............................................................................................................................. 11 

F.11.4  Water Loads ............................................................................................................................ 11 

F.11.5  Soil Loads ................................................................................................................................ 12 

F.11.6  Uplift ....................................................................................................................................... 12 

F.12 Outlet Impact Basin Concrete Design and Analysis ............................................................................ 12 

F.12.1  Reinforcement Design ............................................................................................................. 12 

F.13 Sheet Pile Wall Design ........................................................................................................................ 12 

F.13.1  Design Loads ........................................................................................................................... 12 

F.13.2  Soil Loads ................................................................................................................................ 13 

F.13.3  Water Loads ............................................................................................................................ 13 

F.13.4  Wall Sizing ............................................................................................................................... 13 

F.14 Attachments ........................................................................................................................................ 15 

 

TABLES 

Table F. 1: Load Case Summary…………..……………………………………………………………………………….…………………5 

Table F. 2: Sheet Pile Load Case Summary..………………….………………………………..…………………………………….11 

Table F.3: Embedment Factors of Safety.………………………………………………….………………………………………….12 

Fargo Moorhead Metropolitan Area     Design Documentation Report Flood Risk Management Project  Reach 4 Diversion Channel and Rush River Inlet/Drop Structure     Appendix F: Structural Design & Criteria 

97% FTR_FMM_R4_Appendix_F_Structural.docx  F‐iii of F‐iii 

Table F.4: Required Section Moduli….……………………………………………………………………………………………………13 

 

ATTACHMENTS 

Attachment F ‐ 1: Inlet Headwall Pipe Section Stability Calculations 

Attachment F ‐ 2: Inlet Headwall Typical Section Stability Calculations 

Attachment F ‐ 3: Inlet Headwall Wing Wall Section Stability Calculations 

Attachment F ‐ 4: Inlet Headwall Pipe Section Reinforcement Design 

Attachment F ‐ 5: Inlet Headwall Typical Section Reinforcement Design 

Attachment F ‐ 6: Inlet Headwall Wing Wall Section Reinforcement Design 

Attachment F ‐ 7: Reinforced Concrete Pipe Design Calculations 

Attachment F ‐ 8: Sizing of Outlet Impact Basin Calculations 

Attachment F ‐ 9: Inlet Headwall Trash Rack Design 

Attachment F ‐ 10: Impact Basin Pipe Box Design 

Attachment F ‐ 11: Impact Basin Design 

Attachment F ‐ 12: Sheet Pile Wall CWALSHT Design 

Fargo Moorhead Metropolitan Area     Design Documentation Report Flood Risk Management Project    Reach 4 Pipe Drop Structure     Appendix F: Structural Design & Criteria 

97% FTR_FMM_R4_Appendix_F_Structural.docx  Page F‐1 of F‐15 

AppendixF:StructuralDesign&Criteria

F.1     STRUCTURAL DESIGN 

The structural design follows guidelines laid out in the “Fargo‐Moorhead Metropolitan Area Flood Risk Management Project: Project Design Guidelines” along with applicable Corps guidelines and industry standards. Design assumptions and methodology are presented in the following sections. 

F.2    Structural Description 

The layout of this design consists of 615 linear feet of 72 inch diameter reinforced concrete pipe (three 

72 inch pipes side by side).  All 615 feet of pipe would need to be Class IV.  The inlet structure consists of 

a headwall, wing walls and a slab with a trash rack. The impact basin was sized and required a minimum 

width, W, of approximately 14 feet per pipe. A width of 16 feet was used for the design. The energy 

associated with the pipe flow is dissipated by an internal hanging baffle wall approximately sixteen feet 

away from where the three 72 inch pipes enter the impact basin. The impact basin outlet structure will 

be constructed with a headwall and extended boxed concrete section allowing for flap gates with the 

three 72 inch pipes coming through, a 21 foot‐4 inch long stilling basin, internal hanging baffle wall and 

an end sill.  

F.3    References 

The following design guides and computer programs will be used to design the drainage structure: 

EM 1110‐2‐2104  Strength Design of Reinforced Concrete Hydraulic Structures 

EM 1110‐2‐2100  Stability Analysis of Concrete Structures 

EM 1110‐2‐2502  Retaining and Floodwalls 

EM 1110‐2‐2105  Design of Hydraulic Steel Structures 

EM 1110‐2‐3104  Structural and Architectural Design of Pumping Stations 

EM 1110‐2‐2902  Conduits, Culverts and Pipes 

ACI 318‐11    Building Code Requirements for Structural Concrete 

USBR      Hydraulic Design of Stilling Basin for Pipe or Channel Outlets 

Guideline    Project Design Guidelines Engineering and Design Phase: Fargo‐ Moorhead Metropolitan Area Flood Risk Management Project 

AISC      Steel Construction Manual 13th Edition (2005) 

F.4 Alternatives Considered for Preliminary Engineering Report 

Moore Engineering, under contract with the non‐federal sponsor, modeled the local drainage and 

provided a draft memorandum with recommendations for types, sizes, and locations of local drainage 

features and drop structures along the diversion channel for Reach 4. This includes station 325+00 to 

Fargo Moorhead Metropolitan Area     Design Documentation Report Flood Risk Management Project    Reach 4 Pipe Drop Structure     Appendix F: Structural Design & Criteria 

97% FTR_FMM_R4_Appendix_F_Structural.docx  Page F‐2 of F‐15 

521+00 along the overall project alignment.  The drainage structure will be located at station 492+20. 

According to the memorandum, the flow computed by Moore Engineering for the Reach 4 inlet is 

approximately 520 cubic feet per second (cfs).  A dual 72 inch pipe drop structure resulted in an increase 

in the water surface elevation for the 1% Rush River event due to breakout flow from adjacent river 

systems. Therefore, the report recommends a 20ft wide weir structure to achieve minimal change in the 

water surface elevation.  

Further hydraulic analyses done by MVP showed that a triple 72 inch pipe drop structure would serve as 

an adequate drainage structure. Three alternatives were considered; two incorporated the three 72 inch 

pipes and the other is a rock weir structure. Each of the two alternatives for the drop pipe structure 

included an impact basin at the outlet end of the structure. The three alternatives that were considered 

are referred to as the Headwall Alternative, Flared End Sections Alternative and Rock Weir Alternative. 

Each alternative is described below.  

F.4.1 Headwall Alternative 

The Headwall Alternative is conceptually based on the local drainage structure designed for Reach 1 of 

this project.  The layout of this design consists of 738 linear feet of 72 inch diameter reinforced concrete 

pipe (three 72 inch pipes side by side).  All 738 feet of pipe would need to be Class IV.  The inlet 

structure consists of a headwall, wing walls and a slab with a trash rack. For the conceptual design, the 

impact basin was sized and required a minimum width, W, of approximately 14 feet per pipe. A width of 

16 feet was used for the conceptual design. The energy associated with the pipe flow is dissipated by an 

internal hanging baffle wall approximately six feet‐ten inches away from where water flowing though 

the pipes enters the impact basin headwall.  The impact basin outlet structure would consist of a 

headwall with the three 72” pipes coming through, flap gates at the end of each pipe, a 21 foot‐8 inch 

long stilling basin and an end sill. The drain plan and profile can be found in the structural drawings 

sheet S‐100. The preliminary estimated construction cost of the Headwall Alternative is $1,368,151 

including prime contractor profit. 

F.4.2 Flared End Sections Alternative 

The Flared End Sections Alternative looks to greatly reduce the size of the inlet structure. The layout of 

this design consists of 810 linear feet of 72 inch diameter reinforced concrete pipe.  Approximately 590 

feet of pipe would need to be Class IV and 220 feet of pipe would need to be Class V because the soil 

height above the pipe exceeds 11 feet.  This design requires three precast concrete flared end sections 

for the inlet structure. Each section will have its own trash rack. The Flared End Sections Alternative will 

consist of the same outlet structure as described in the Headwall Alternative.  The energy associated 

with the pipe flow is dissipated by an internal hanging baffle wall approximately six feet‐ten inches away 

from where the three 72 inch pipes enter the impact basin headwall.  The preliminary estimated 

construction cost of the Flared End Sections Alternative is $873,504, including prime contractor profit. 

F.4.3 Rock Weir Alternative 

The Rock Weir Alternative is the least expensive of the three alternatives. The preliminary estimated construction cost is $504,170, including prime contractor profit. The layout of this design consists of a 

Fargo Moorhead Metropolitan Area     Design Documentation Report Flood Risk Management Project    Reach 4 Pipe Drop Structure     Appendix F: Structural Design & Criteria 

97% FTR_FMM_R4_Appendix_F_Structural.docx  Page F‐3 of F‐15 

rock weir having a slope of 1:20 and a 20 foot crest width. Rock will be 30 inches of R‐400 riprap for the entire structure. 

F.4.4 Design Alternative for Design and Construction 

With three viable design alternatives being considered the PDT and Local Sponsors gathered to discuss the engineering merits of each alternative.  The Rock Weir Alternative is by far the cheapest of the three alternatives; however, concerns of having a hole in the system that may cause backflow problems may prevent this alternative from moving forward. Both the Headwall Alternative and Flared End Sections Alternative have the advantage of being able to close the system using flap gates. The size of the inlet in the Headwall Alternative may be reduced by using flared end sections presented in the Flared End Sections Alternative. The precast sections for the Flared End Sections Alternative will accomplish the same goal, requiring less concrete to construct. The final decision regarding the alternatives presented was a joint decision between the Corps of Engineers and the Local Sponsor Team. It was decided that the Headwall Alternative is the better option of the three. This alternative allows for a larger trash screen that will reduce the potential of flooding from blocked inlets. A reduced headwall size at the inlet was suggested to cut down costs.   Originally, the Headwall Alternative consisted of 738 linear feet of 72 inch diameter Class IV RCP.  This alternative was modified after the decision was made to lower the EMB at the drainage structure. Lowering the EMB decreased the pipe length required. The actual design of the Headwall Alternative includes all features discussed in F.4.1, but has 615 linear feet of Class IV RCP instead of 738 linear feet. 

F.5 Structural Design Criteria 

The design of all structural components follows applicable Corps guidelines and industry standards. 

Structural design of the local drainage structure is in accordance with EM 1110‐2‐2104 and EM 1110‐2‐

2105 for reinforced concrete and structural steel, respectively. A single load factor of 1.7 plus a hydraulic 

factor of 1.3 are used for reinforced concrete design. Structural design for non‐hydraulic concrete 

structures is in accordance with ACI 318‐11. The design of structural steel components is in accordance 

with AISC Steel Construction Manual 13th Edition. Designs will be practices and principles that have 

proved to be safe and efficient.  

F.5.1 Reinforced Concrete 

All reinforced concrete shall have a minimum 28 day compressive strength of 4,000 psi. 

F.5.2 Reinforcing Steel 

Steel reinforcing shall adhere to the requirements of ASTM 615 Grade 60 steel, with a yield strength of 

60,000psi. The minimum amount of flexural steel reinforcement should not be less than that required 

for shrinkage and temperature in accordance with EM 1110‐2‐2104. The maximum amount of flexural 

reinforcement will be 0.25ρb. 

F.5.3 Material Properties 

Below is a list of material properties used in design: 

Fargo Moorhead Metropolitan Area     Design Documentation Report Flood Risk Management Project    Reach 4 Pipe Drop Structure     Appendix F: Structural Design & Criteria 

97% FTR_FMM_R4_Appendix_F_Structural.docx  Page F‐4 of F‐15 

Water: 62.5 pcf 

Concrete: 150 pcf 

Reinforcing Steel: 60 ksi 

Frost Free Select Granular Fill: c=o, Φ=32deg; =125 pcf  Structural Compacted Backfill: c=o, Φ=31deg; =120 pcf 

F.5.4 Load and Strength Reduction Factors for Concrete Design 

A single load factor of 1.7 dead and live load factor shall be used along with a hydraulic load factor of 1.3 in accordance with EM 1110‐2‐2104. Combining these two load factors result in a total load factor of 2.21. Overstress factors are permitted for unusual and extreme load cases. Strength reduction factors shall be used to design members subjected to bending, combined bending and axial, and shear. Reduction factors for bending and shear are 0.9 and 0.85, respectively. 

F.6 Inlet Headwall Design 

In some areas the EMBs will be subject to differential head conditions for the most significant diversion 

discharges. Therefore it is likely that a portion of the EMBs will act as levees. There are minimum 

vegetation management zone requirements for the levee portion.  For Reach 4, the levee will be 

embedded in the EMB so no separate stability analyses will be required for the levee.  

 

Figure 1: Inlet Headwall Typical Cross Section  

 

Fargo Moorhead Metropolitan Area     Design Documentation Report Flood Risk Management Project    Reach 4 Pipe Drop Structure     Appendix F: Structural Design & Criteria 

97% FTR_FMM_R4_Appendix_F_Structural.docx  Page F‐5 of F‐15 

 

Figure 2: Inlet Headwall Cross Section at Pipe 

F.6.1 Design Loads 

Preliminary analysis and design was performed using the guidance outlined in the “Project Design Guidelines Document” dated 9 March 2012. Three load cases were considered for the design of three cross sections: typical section (Figure 1), pipe section (Figure 2) and wing wall section (Figure 3). Table F.1 shows these load cases.  

Table F.1: Inlet Headwall Load Case Summary 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

*Note: Load Case 4 only applies to the wing wall cross section. 

Load Case 

Usual/UnusualLoad Factor 

Hydraulic Factor 

Load Case Name 

1  Usual 1.7  1.3  Empty Ditch 

Case 

2  Usual 1.7  1.3  Full Ditch 

Case 

3  Unusual 1.7  1.3  Lagging Soil 

Case 

4*  Unusual 1.7  1.3  Inundated 

Case 

Fargo Moorhead Metropolitan Area     Design Documentation Report Flood Risk Management Project    Reach 4 Pipe Drop Structure     Appendix F: Structural Design & Criteria 

97% FTR_FMM_R4_Appendix_F_Structural.docx  Page F‐6 of F‐15 

 

 

Figure 3: Inlet Headwall Wing Wall Section 

F.6.2 Water Loads 

Water applies both a lateral and vertical load on the wall. The vertical forces are from the weight of the water on top of the footing. Lateral forces are from hydrostatic pressures on the stem and footing. For the usual load cases, water was placed at the existing ground elevation (EL. 890) or at ½ ft above the top of the footing elevation (EL. 887). For load case 3, water was placed at the top of the wall (EL. 894.5) on the driving side and two feet lower on the toe side to simulate a lagging effect of the water draining form the soil. For load case 4, water was placed at the top of the wall (EL. 894.5) on both sides of the wing wall which causes the wing wall section to be inundated. 

F.6.3 Soil Loads 

Soil loads are applied laterally and vertically. The weight of the soil acts vertically on the footing of the wall and the soil pressure acts laterally on the stem and footing. The soil is assumed to be sloping to the top of wall having a 1 on 4 slope on the heel of the wall. Soil on the toe side is assumed to be at the top of the footing. Horizontal earth pressure coefficients were calculated referencing EM 1110‐2502, making use of the at‐rest earth pressure Equation 3‐10 along with the strength mobilization factor (SMF). 

Fargo Moorhead Metropolitan Area     Design Documentation Report Flood Risk Management Project    Reach 4 Pipe Drop Structure     Appendix F: Structural Design & Criteria 

97% FTR_FMM_R4_Appendix_F_Structural.docx  Page F‐7 of F‐15 

F.6.4 Self Weight 

This includes the weight of the concrete headwall structure. The weight of the wall applies a vertical force on the soil. 

F.6.5 Uplift  

Uplift forces are accounted for in each load case. 

F.7 Inlet Headwall Concrete Analysis and Design 

The design and analysis of the inlet headwall was broken into three components: stem, heel and toe for three different cross sections. The stem is 1.5 foot thick for all sections. The first cross section is a typical section of the wall with toe and heel dimensions of six foot and 8 foot, respectively. The second cross section is for the pipe and trash rack having the same heel dimension and an 8 foot toe dimension. The third section is for the wing walls extending from the headwall. Its dimensions are 6 foot for both the heel and toe. Reinforcement calculations were performed following applicable guidelines, EMs and standards by checking both flexure and shear.  Reinforced concrete is designed in accordance with load factors presented in Section F.5.4. Temperature and shrinkage steel was determined based on the requirements presented in EM 1110‐2‐2104. 

F.7.1 Stem Reinforcement 

The stem was designed as a cantilever beam, fixed at the point where the base and stem connect.  Design moments were analyzed at the base of the stem, where the moment would be greatest. Load Case 1 was determined to be the worst case. 

F.7.2 Footing Reinforcement 

The footing was analyzed in two parts: the heel and the toe. The footing thickness was driven by stability requirements and is to be 24 inches thick. Each load case was considered in designing each of the cross sections; the worst case for each element was used for design. Top flexural steel reinforcement for the footing was determined by analyzing the heel as a cantilever beam, fixed at the point where the heel and stem connect. Bottom flexural steel reinforcement for the footing was determined by analyzing the toe as a cantilever beam, fixed at the point where the toe and stem connect. 

F.8 Inlet Headwall Trash Rack Design  

The trash rack was designed to be completely submerged with a 5‐ft head differential to account for 

debris backup in accordance with EM 1110‐2‐3104. Solid rectangular beams of hot dipped, galvanized 

steel make up the trash rack. There are a total of 12 trash rack sections; each section consists of seven, 

9.3 foot long simply supported beams with six inches of clear space. Beams are 0.625 inches wide and 4 

inches deep. The deflection under the unusual loading condition for these beams was calculated as 

0.492 inches; this would be equivalent to L/227. Because large deflections will not adversely affect the 

performance of the trash rack, accepting the large deflections is more desirable than increasing the 

beams cross‐sectional areas or adding a support beam. 

Fargo Moorhead Metropolitan Area     Design Documentation Report Flood Risk Management Project    Reach 4 Pipe Drop Structure     Appendix F: Structural Design & Criteria 

97% FTR_FMM_R4_Appendix_F_Structural.docx  Page F‐8 of F‐15 

F.9 Reinforced Concrete Pipe Design 

F.9.1 Hydraulic Requirements 

Hydraulics sized the pipes to handle 520 cfs. The invert of the pipes at the inlet headwall is 886.5. The 

pipes will run through the excavated material berm and down the slope of the main channel until they 

reach the outlet impact basin at EL. 874.003. The pipes have a total length of 204.5 feet per pipe. All 

sections of the pipe will be Class IV Reinforced Concrete Pipe (RCP). 

F.9.2 Soil Loads 

Geotechnical investigations have shown that with the weight of the Excavated Material Berm (EMB) 

there will be significant settlement of the soil. To limit the loading on the pipes and the amount of 

settlement beneath the pipes, the EMB will be constructed approximately six feet above existing 

ground. With a nine foot EMB height above existing ground, geotechnical investigations estimate a 12 

inch total settlement with two to six inches of total settlement occurring beneath the reinforced 

concrete pipes. 

F.9.3 Concrete Strength Design 

The reinforced concrete pipe was classed using EM 1110‐2‐2902. The maximum soil column anticipated above the pipe is approximately 6 feet. Based on preliminary loading analysis, all reinforced concrete pipes will need to be Class IV. A further look into extra loading due to mowing equipment did not require any length of the pipe to be Class V.  

F.10 CONCRETE PIPE CAMBER 

The purpose of cambering the pipes would be to get the final flow line of the pipes to settle near the 

design flow line when the pipes reach final settlement. The slope of the pipes is approximately 7%. The 

pipe settlement‐rebound profile has been predicted as shown below in Figure 4. Pipe bedding will not 

be used on this project so low strength concrete material will be used to fill the void beneath the set 

pipe and ground for strength. 

Two conditions were considered in determining whether the pipes of the structure should be cambered: 

(1) In order to maintain sufficient velocities for pipe cleanout (determined by the hydraulic engineer), 

the slope needs to be at least 0.2%, and (2) the rotational deflection of the pipe joints is not to exceed 1 

degree. Points selected for settlement analysis represented points of greatest anticipated curvature due 

to embankment and diversion features. The deflection criterion was applied directly to these points 

rather than looking at each individual pipe segments. The above criteria were met without the need to 

camber the pipes. Thus, cambering of the pipes isn’t necessary. 

Fargo Moorhead Metropolitan Area     Design Documentation Report Flood Risk Management Project    Reach 4 Pipe Drop Structure     Appendix F: Structural Design & Criteria 

97% FTR_FMM_R4_Appendix_F_Structural.docx  Page F‐9 of F‐15 

 

Figure 4: Pipe Settlement Results 

F.11 Outlet Pipe Box Design 

F.11.1 Design Loads 

Analysis and design was performed using the guidance outlined in the “Project Design Guidelines Document,” dated 9 March 2012 (hereafter referred to as the ‘Project Guidelines’). 

F.11.2 Pipe Box Sizing 

The dimensions of the pipe box are based on the 72 inch RCP and the flap gate that is needed to fit over the end of the pipe. Wall and footing thickness were specified based on the capacities needed by concrete to resist applied loadings. The box is 10 feet by 11 feet 4 inches. There are three pipes; therefore, there will be three pipe box structures centered behind the three impact basins that are side by side. 

F.11.3 Water Loads 

Water applies both a lateral and vertical load on the wall. The vertical forces are from the weight of the water on top of the footing. Lateral forces are from hydrostatic pressures on the wall and footing.  

Fargo Moorhead Metropolitan Area     Design Documentation Report Flood Risk Management Project    Reach 4 Pipe Drop Structure     Appendix F: Structural Design & Criteria 

97% FTR_FMM_R4_Appendix_F_Structural.docx  Page F‐10 of F‐15 

F.11.4 Soil Loads 

Soil loads are applied both laterally and vertically to the walls. The soil is assumed to be sloping to the top of wall (TOW) with a 1 on 7 channel slope. Soil pressures were calculated assuming an at‐rest condition because the box is constrained with equal soil pressure on all sides.  

F.11.5 Self Weight 

The weight of the box applies a vertical force on the soil. 

F.11.6 Uplift 

Uplift of the structure is not a concern. There will not be a difference in water heights across the structure because water is able to enter the structure at grade. 

F.11.7 Pipe Box Concrete Analysis & Design 

The design and analysis of the pipe box was broken into two parts: wall and footing. The front wall with the pipe cut out hole was considered for load effects. The pressure at the base of the wall per foot of wall width was calculated and was the load that went into Engineering Monograph No. 27 as the Ps. A plate fixed on three sides and free at the top was considered for design. The interior and exterior moment and reactions along the x‐axis at the lower portion of the wall and edge were calculated to determine the wall thickness requirement. A 12 inch thick wall was required and three inches of concrete cover for the rebar was used. Reinforcement calculations were performed per applicable guidance by checking for both flexure and shear. Reinforced concrete is designed in accordance with load factors and resistance factors presented in ACI 318‐11. To simplify the design, all loading is conservatively assumed to be live load making it subject to a 2.21 load factor (1.7 x 1.3). Temperature and shrinkage steel was determined based on EM 1110‐2‐2104.  The shear and moment demand on the wall was analyzed at the base of the wall where the moment would be greatest. The wall thickness was adequate for the shear loading; reinforcement was controlled by flexural design. For ease of construction, temperature and shrinkage steel was specified to match that needed for flexure.  The footing reinforcement consists of the same rebar required for the wall. 

F.11.8 Grating Design 

The grating was designed for a live load of 250 pounds per square foot. The live load was estimated from an 8,000 pound tractor mower having one tire on the top of the grating. The grating is to be flat with ¾” by 1/8” steel bars spaced no farther than 11/16” on center.  Grating will be divided into four 23.5” sections that will span the entire width of the box. There is a W8x13 steel beam designed to support the grating and the live load that has been designed to reduce the unsupported length of the grating to four feet. The W8x13 beam is connected into the walls of the concrete box with a shear bolt connection. Two ¾” bolts are being bolted through the web of the beam; four manufacturer wedge anchor bolts are being used for the double angle connection to the concrete. On average, the manufacturer specifications for ½” diameter wedge anchor bolts show a minimum shear capacity of 9.38 kips. Analysis showed that the factored shear load requirement is 6.5 kips. Specifying four wedge anchor bolts will provide 37.5 kips of resistance. 

Fargo Moorhead Metropolitan Area     Design Documentation Report Flood Risk Management Project    Reach 4 Pipe Drop Structure     Appendix F: Structural Design & Criteria 

97% FTR_FMM_R4_Appendix_F_Structural.docx  Page F‐11 of F‐15 

F.12 Outlet Impact Basin Design 

 

 

Figure 5: Outlet Impact Basin 

F.12.1 Design Loads 

Preliminary analysis and design was performed using the guidance outlined in the “Project Design Guidelines Document” dated 9 March 2012. Two load cases were considered for the design and are presented in Attachment F.11. Each load case includes hydraulic load factors as specified in the Project Guidelines. 

F.12.2 Impact Basin Sizing 

Dimensions of the outlet impact basin are based on the “Hydraulic Design of Stilling Basin for Pipe or Channel Outlets” by the Bureau of Reclamation. Dimensions of the impact basin are all based on the hydraulic width. The design width of the impact basin is 16 feet. Since there are three pipes, there will essentially be three basins side by side for a total width of 55 feet. The total length of the structure, including the stilling basin, is 50 feet. The basin is 15 feet tall.  

F.12.3 Self Weight 

This includes the weight of the impact basin outlet structure. The total weight of the structure is 1202.6 kips. 

F.12.4 Water Loads 

The force of the water on the baffle wall is based on a design “n” of 0.013, a maximum flow of 173.33 cfs (per pipe), a flow area of 6.23 ft2, and a flow velocity of 27.75 feet per second. Given the density of water, flow area and flow velocity at the outlet, the total force expected to hit the baffle wall is 9.3 kips. This load was input into the STAAD model over a 13.5 ft by 2 ft area, equaling 0.346ksf. 

Fargo Moorhead Metropolitan Area     Design Documentation Report Flood Risk Management Project    Reach 4 Pipe Drop Structure     Appendix F: Structural Design & Criteria 

97% FTR_FMM_R4_Appendix_F_Structural.docx  Page F‐12 of F‐15 

F.12.5 Soil Loads 

Soil pressures are a function of depth of soil and water. Horizontal earth pressure coefficients and surcharge pressures were applied using appropriate load factors. The earth pressure coefficient was calculated referencing EM 1110‐2502, making use of the at‐rest earth pressure Equation 3‐10 along with the strength mobilization factor (SMF). Internal ice loads are not considered because they act in the opposing direction from the soil and water loads. External ice loads do not act directly on the impact basin due to the channel elevation around the structure.  Soil pressures were determined and applied to plate elements in STAAD. This can be seen in the structural attachment F‐11. 

F.12.6 Uplift 

Uplift pressures where accounted for in the stability analysis of the impact basin. 

F.13 Outlet Impact Basin Concrete Design and Analysis 

The concrete impact basin is 55 feet wide, 50 feet long (including stilling basin) and 15 feet tall. The 

structure will be bearing on five feet of select granular fill that will be compacted beneath the structure.  

With the weight of the structure and the limited time the structure could be underwater load bearing is 

not a concern on these clay soils. Due to the extreme length to height ratio (3.3:1), there is no concern 

of the structure overturning.  The structure is not closed or able to trap air, so with the little 

displacement the structure will have in the soil compared to its weight floatation is not a concern.  The 

sliding stability is the only concern that was checked considering two load cases. The first load case 

assumes all pipes are flowing full and impact forces on the baffle wall are included. Uplift is assumed to 

act on both the impact basin slab and the stilling basin slab. The second load case assumes all pipes are 

empty, and no impact force acting on the baffle walls. The sliding stability check assumed the entire 

structure needed to move including the stilling basin; the key on the end of the stilling basin is not 

considered structural. 

F.13.1 Reinforcement Design 

The wall thickness of the impact baffle wall is 16 inches in accordance with the standards set by USBR. This thickness proved to be adequate based on STAAD results. The wall thickness of the impact basin is 18 inches based on the same standards. Based on the maximum moments and shear stresses given by the STAAD model, the baffle wall requires #5 @ 12” on center each way on each face. Basin walls and footing requires #5 @ 8” on center each way on each face. 

F.14    Sheet Pile Wall Design 

F.14.1 Design Loads 

Three separate load cases were considered for the design of the sheet pile wall. Each load case was analyzed considering a drained and an undrained condition; a total of six cases were analyzed. Since 

Fargo Moorhead Metropolitan Area     Design Documentation Report Flood Risk Management Project    Reach 4 Pipe Drop Structure     Appendix F: Structural Design & Criteria 

97% FTR_FMM_R4_Appendix_F_Structural.docx  Page F‐13 of F‐15 

greater flow does not affect the sheet pile wall as it does the rest of the drain structure, separate criteria were used to determine the usual, unusual, and extreme events. . A usual loading condition is considered to be the situation where three feet or less of erosion has occurred. An unusual case is when five feet of erosion has occurred, and the extreme case is when all fill on the dredged side of the wall has eroded. The wall is approximately six and a half feet above the channel and completely backfilled on the retained side in each case. In each case a slope of 7:1 was assumed to exist between the top of the fill and the bottom of the channel on the dredged side. Factors of safety associated with each case are governed by Table 5‐1 of EM 1110‐2‐2504. The soil is fine grained and the sheet pile wall is modeled as a retaining wall. The Q‐Case is the undrained case while the S‐Case represents the drained case. A summary of the load cases can be seen in Table F.2. 

Table F.2: Sheet Pile Load Case Summary 

 

Load Case  Load Condition Factor of Safety 

1  Usual (S‐Case)  1.50 

2  Unusual (S‐Case)  1.25 

3  Extreme (S‐Case)  1.10 

4  Usual (Q‐Case)  2.00 

5  Unusual (Q‐Case)  1.75 

6  Extreme (Q‐Case)  1.50 

 

F.14.2 Soil Loads 

The wall was modeled as being placed completely in clay from the Brenna Formation. In each case, a single layer of saturated clay with a unit weight of 106 pounds per cubic foot was used, which is representative of the Brenna formation in which the wall will be placed. The clay was modeled with a friction angle of 19 degrees and cohesion of 50 pounds per square foot in the drained case, and a friction angle of 0 degrees and cohesion of 575 pounds per square foot in the undrained case. A minimum wall friction angle of 54 percent of the friction angle of the soil was used as the wall friction angle, as specified in EM 1110‐2‐2504. Drained and undrained soil conditions were considered for each loading condition. 

F.14.3 Water Loads 

Water was modeled to the top of the wall on the retained side and at the bottom of the ditch on the dredged side in each case. The effects of seepage under the wall were automatically calculated by the program CWALSHT. 

F.14.4 Wall Sizing 

The sheet pile wall was designed using the USACE program CWALSHT. For constructability, only readily available sections of z‐shaped sheet pile wall were considered. Further, designs were limited to a maximum ratio of three feet of buried pile to one foot of exposed pile. Since the exposed length was 6.5 feet, the embedded length was first assumed to be 19.5 feet. Factors of safety were not meet with only a 19.5 foot embedment. Keeping in mind that this type of sheet piling normally comes in lengths with multiples of five, a 23.5 foot embedment depth was assumed for design; this requires an overall length 

Fargo Moorhead Metropolitan Area     Design Documentation Report Flood Risk Management Project    Reach 4 Pipe Drop Structure     Appendix F: Structural Design & Criteria 

97% FTR_FMM_R4_Appendix_F_Structural.docx  Page F‐14 of F‐15 

of sheet pile of 30 feet. Increasing the depth to 23.5 feet met all factor of safety requirements for all load cases.   Piling was assumed to be A572 grade steel with 50 ksi yield strength. Using the strength limitations and factors of safety specified by EM 1110‐2‐2504, a PZC 13 section with 23.5 feet buried and 6.5 foot exposed was found to be sufficient under all loading conditions. Embedment was checked based on factors of safety published in table 5‐1 of EM 1110‐2‐2504. Bending and shear strength were checked using strength reduction factors of 50% and 67% respectively, as required by EM 1110‐2‐2504, paragraph 6‐3a.  Embedment Factors of Safety were determined by CWALSHT for each case using the fixed surface method, which generally gives less conservative answers than the sweep search method. In each case, the active factor of safety was taken to be one based on EM 1110‐2‐2504 paragraph 5‐2d. The passive factors of safety were required to meet the criteria for stability described in Table F.2. Table F.3 below shows the factors of safety for embedment for each case with an embedment length of 30 feet. Note that the wall would not need to be embedded to retain the soil in the usual and unusual, undrained case because of the high cohesion. In each case, the factor of safety was adequate. 

Table F.3: Embedment Factors of Safety  

   Usual  Unusual  Extreme 

Drained     (S‐Case) 

9.60  7.40  1.33 

Undrained (Q‐Case) 

No Embedment 

7.20  5.11 

 After the embedment length was determined to be sufficient, the maximum moments were taken from the output of CWALSHT. The section was assumed to be an A572 grade steel PZC section with yield strength of 50 ksi as described above. The maximum applied moments and minimum section modulus needed to adequately resist each moment are shown below in Table F.4. The values for strength reduction factors and allowable stress increase factors are taken from paragraph 6‐3a of EM 1110‐2‐2504. 

Table F.4: Required Section Moduli 

  

Applied Moment (k‐in) 

Yield Stress (ksi) 

Strength Reduction Factor 

Allowable Stress Increase 

Allowable Stress (ksi)  

Minimum Section Modulus (in3) 

Drained 

Usual  137.76  50  0.5  1  25  5.51 

Unusual  139.55  50  0.5  1.33  33.25  4.20 

Extreme  318.5  50  0.5  1.75  43.75  7.28 

Undrained 

Usual                   

Unusual  199.25  50  0.5  1.33  33.25  5.99 

Extreme  234.55  50  0.5  1.75  43.75  5.36 

 

Fargo Moorhead Metropolitan Area     Design Documentation Report Flood Risk Management Project    Reach 4 Pipe Drop Structure     Appendix F: Structural Design & Criteria 

97% FTR_FMM_R4_Appendix_F_Structural.docx  Page F‐15 of F‐15 

A PZC 13 sheet pile has a section modulus of 24.2 in³, which easily satisfies the minimum section modulus in each case. Thus, a PZC 13 will be specified for design. 

F.15 Attachments 

Attachment F ‐ 1: Inlet Headwall Pipe Section Stability Calculations 

Attachment F ‐ 2: Inlet Headwall Typical Section Stability Calculations 

Attachment F ‐ 3: Inlet Headwall Wing Wall Section Stability Calculations 

Attachment F ‐ 4: Inlet Headwall Pipe Section Reinforcement Design 

Attachment F ‐ 5: Inlet Headwall Typical Section Reinforcement Design 

Attachment F ‐ 6: Inlet Headwall Wing Wall Section Reinforcement Design 

Attachment F ‐ 7: Reinforced Concrete Pipe Design Calculations 

Attachment F ‐ 8: Sizing of Outlet Impact Basin Calculations 

Attachment F ‐ 9: Inlet Headwall Trash Rack Design 

Attachment F ‐ 10: Impact Basin Pipe Box Design 

Attachment F ‐ 11: Impact Basin Design 

Attachment F ‐ 12: Sheet Pile Wall CWALSHT Design 

 

 

 

 

 

 

 

 

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Pipe Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Inlet Headwall Design: Pipe Section

Project Description

Reach 4 pipe drop structure inlet design for the Fargo Moorhead Metro project. The inlet will consist ofa concrete headwall and base slab, a trash rack for debris and three 7'‐2" openings in the headwall forRCPs.

 Units: kips 1000lbf pcflbf

ft3

lb lbf lbf lb psflbf

ft2

 Material Properties:

Unit weight of water γw 62.4pcf

Unit weight of concrete γc 150pcf

Reinforcing Steel fy 60000psi

Strength of Concrete fc 4000psi

Unit weight of soil, saturated γs 120pcf

Unit weight of soil, compacted γbf 115pcf

Unit weight of soil, bouyant γb γs γw 57.6 pcf

The drain will likely be constructed on alluvium, which in the Red River Valley typically occurs as a clayof low or high plasticity. The alluvium  will behave differently in short  and  long‐term  loading conditionsdue to its low permeability.

Undrained shear strength

Cohesion cu 900psf

Phi ϕu 0deg

Drained Shear Strength

Cohesion cd 0psf

Phi ϕ 31deg

Unit weight, select granular fill γF 125pcf

Cohesion  cF 0psf

Attachment F-1 1 of 27

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Pipe Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Phi ϕF 32deg

 Inputs:

Existing Ground Elevation GR 890ft

Top of Wall Elevation TOW 894.5ft

Top of Footing Elevation TOF 886.5ft

Bottom of Footing Elevation BOF 884.5ft

Water Elevation Water 887ft

Stem Thickness THstem 1.5ft

Toe Length Toe 8ft

Heel Length Heel 8ft

Total Length of Footing B Toe Heel THstem 17.5 ft

EMB Slope EMBs1

4

Slope angle θ atan EMBs 14.036 deg

Strength Mobilization Factor SMF2

3 <‐‐EM 1110‐2‐2502

Developed angle of internal friction ϕd atan SMF tan ϕ( )( ) 21.83 deg <‐‐EM 1110‐2‐2502

 References:U.S. Army Corps of Engineers. (29 September 1989), EM 1110‐2‐2502, Retaining andFlood Walls

U.S. Army Corps of Engineers. (1 December 2005), EM 1110‐2‐2100, StabilityAnalysis of Concrete Structures

U.S. Army Corps of Engineers (February 2012), Project Design Guidelines, FMM AreaFlood Risk Management Project, Engineering and Design Phase, Version 1. St. Paul,MN

Attachment F-1 2 of 27

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Pipe Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

 Factors of Safety Requirements (EM 1110‐2‐2100 & EM 1110‐2‐2502):

Loading 

Condition

Minimum 

Sliding FS

Minimum 

Flotation FS

Minimum Bearing 

Capacity FS

Minimum Base Area 

in Compression

Usual  1.5 1.3 3 100%

Unusual 1.3 1.2 2 75%

Extreme 1.1 1.1 > 1 Resultant within Base

 Load Case 1

Assumptions:     1. Sloping Backfill     2. Empty Ditch (water equal on both sides at EL. 887.0)     3. Usual Condition

The loading on the strcture consists of the structure dead load, the weight of the soil above the heel, theweight of the water above the toe, lateral earth pressures & water pressures equal on both sides.

1. Determine Critical Slip Plane angle

The soil above the heel of the retaining wall slopes up at a 1V:4H for 8 feet (horizontally), then flattensout (no slope) for 50 feet and then slopes down at a 1V:7H. It is assumed that the critical slip planeintersects the flat surface.

Attachment F-1 3 of 27

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Pipe Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Prove the assumption, that the critical slip plane intersects the flat surface, by trial and error.

Angle Delta Shown above

Δ atanHeel tan θ( ) TOW BOF( )

50ft

13.496 deg

Limiting angle Angle90 90deg

Assuming the critical plane intersects the flat surface, angle theta now becomes zero. With no verticalsurcharge, coefficients one and two below are calculated using Eqs. 3‐26 and 3‐27 from EM1110‐2‐2502.

Slope of the flat surface θplane atan 0( ) 0 deg

Coeffecient 1(Eq. 3‐26 EM 1110‐2‐2502)

c1 2 tan ϕd 0.801

Coefficient 2(Eq. 3‐27 EM 1110‐2‐2502)

c2 1 tan ϕd tan θplane tan θplane

tan ϕd 1

Critical Slip‐Plane Angle(Eq. 3‐25 EM 1110‐2‐2502)

α atanc1 c1

24 c2

2

55.915 deg

Does the critical slip plane intersect the flat surface?

Checkangle "Yes" Δ α Angle90if

"No, check another surface" otherwise

"Yes"

Attachment F-1 4 of 27

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Pipe Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

2. Calculate Water Pressures.

Height of water above footing Hw 0 Water TOFif

Water TOF( )( ) otherwise

0.5 ft

ww Hw Toe γw 0.25kip

ft

Weight of Water

AwToe

24 ft

Water pressures are computed using the line of creep method from EM 1110‐2‐2502. The seepage pathis assumed to start at the top of the soil and ends at Point E.

Length from B to C LBC TOF BOF 2 ft

Length from C to D LCD B 17.5 ft

Length from D to E LDE Water BOF( ) 2.5 ft

Ls LBC LCD LDE 22 ftSeepage path

Change in water elevation Δh Water Water 0 ft

PB Water TOF( ) γw 31.2 psfPressure at B

PC Water BOF( )Δh LBC

Ls

γw 156 psfPressure at C

PD Water BOF( )Δh LBC LCD

Ls

γw 156 psfPressure at D

PE 0psi <‐‐End of Creep, tail waterPressure at E

3. Calculate Water Loads and Moment Arms about O.

Load at C wc1

2PB PC TOF BOF( ) 0.187

kip

ft

AcTOF BOF( )

3

2 PB PC PB PC

0.778 ft

Attachment F-1 5 of 27

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Pipe Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

wd1

2PD Water BOF( ) 0.195

kip

ft

Load at D

Ad1

3TOF BOF( ) 0.667 ft

wb1

2PB Water TOF( ) 7.8 10

3

kip

ft

Load at B

Ab1

3Water TOF( ) TOF BOF( ) 2.167 ft

we 0kip

ft <‐‐End of Creep, tail water

Load at E

Ae 0ft <‐‐End of Creep, tail water

4. Calculate Lateral Pressure Coefficient

Pressure Coefficient above saturationlevel (Equation 3‐14 EM 1110‐2‐2502)

K1

cos ϕd 2

1sin ϕd sin ϕd θplane

cos θplane

20.458

Pressure Coefficient forfill below the saturationlevel (EM 1110‐2‐2502)

Kb

1 tan ϕd cot α( ) 1 tan ϕd tan α( )

1tan α( )

tan α( ) tan θplane 1

γs

γb

0.458

5. Calculate Lateral Driving Force

**Since there is soil above and below the water table, three pressures and computed and thenconverted to forces.

Unit weight accounting for seepage (EM 1110‐2‐2502)

γprime

Heel tan θ( ) TOW BOF( )[ ] γs PD Heel tan θ( ) TOW Water( )[ ] γbf

Water BOF76.6 pcf

Soil Pressure 1 P1 K1 γbf TOW Water( ) Heel tan θ( )[ ] 0.5 ksf

Soil Force 1 F1 .5 P1 TOW Water( ) Heel tan θ( )[ ] 2.376kip

ft

a1 Water BOF( )1

3Heel tan θ( ) TOW Water( )[ ]

Soil Arm 1

Attachment F-1 6 of 27

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Pipe Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

a1 5.667 ft

P2 P1 γprime Kb Water BOF( ) 0.588 ksfSoil Pressure 2

F2 P1 Water BOF( ) 1.251kip

ft

Soil Force 2

Soil Arm 2 a2Water BOF

21.25 ft

F31

2P2 P1 Water BOF( ) 0.11

kip

ft

Soil Force 3

Soil Arm 3 a3Water BOF

30.833 ft

Resultant Force Pa F1 F2 F3 3.736kip

ft

Pah Pa cos θplane 3.736kip

ft

Horizontal Force

Ah

F1 a1 F2 a2 F3 a3

F1 F2 F34.047 ft

Pv Pa sin θplane 0kip

ft

Vertical Force

Av B 17.5 ft

6. Calculate Structure and Soil Weights and Moments Arms about O.

Section 1 w1 Heel TOW Water( ) γbf Heel Water TOF( ) γs 7.38kip

ft

A1 Toe THstemHeel

2 13.5 ft

Section 2 w21

2Heel Heel tan θ( )( ) γbf 0.92

kip

ft

A2 Toe THstem2

3Heel 14.833 ft

Section 3 w3 THstem TOW TOF( ) γc 1.8kip

ft

A3 ToeTHstem

2 8.75 ft

Attachment F-1 7 of 27

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Pipe Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Section 4 w4 B TOF BOF( ) γc 5.25kip

ft

A4B

28.75 ft

7. Calculate Lateral soil force on resisting side.

At Rest Coefficient(Eq. 3‐4 EM 1110‐2‐2502) Ko 1 sin ϕ( ) 0.485

Unit weight accounting for buoyancy (EM 1110‐2‐2502) γprime

PB γs TOF BOF( ) PC

TOF BOF( )57.6 pcf

Po1

2Ko γprime TOF BOF( )

2 0.056

kip

ft

Horizontal Force

Ao TOF BOF( )1

3 0.667 ft

8. Calculate Uplift Force.

Uplift Force U PC B 2.73kip

ft

AuB

28.75 ft

9. Check Overturning about O.

Sum of Vertical Forces Vv w1 w2 w3 w4 ww U 12.87kip

ft

MR w1 A1 w2 A2 w3 A3 w4 A4

ww Aw U Au Pah Ah Po Ao

wc Ac wd Ad wb Ab

137.025 kipSum of All Moments

Resultant Location(Eq. 4‐1 EM 1110‐2502)

XR

MR

Vv10.647 ft

Resultant Ratio(Eq. 4‐2 EM 1110‐2‐2502)

RR

XR

B0.608

Base Compression Check CheckBase "Ok" .667 RR .333if

"Not Ok" otherwise

"Ok"

Attachment F-1 8 of 27

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Pipe Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Overturning Moment Mo Pah Ah U Au wd Ad 39.137 kip

Mr w1 A1 w2 A2 w3 A3 w4 A4

wc Ac Po Ao wb Ab

175.164 kipResisting Moment

Factor of Safety FSo

Mr

Mo4.476

Factor of Safety Check CheckFS "Ok" round FSo 1 2if

"Not Ok" otherwise

"Ok"

10. Check Slidng using EM1110‐2‐2502 "Single Wedge Analysis".

Slip angle β 0

cF 0 psfShear strength of foundation

ϕF 32 degPhi angle for foundation

LCD 17.5 ftLength of Sliding Plane

Vertical Forces ΣV w1 w2 w3 w4 ww U 12.87kip

ft

ΣH Pah wd wc Po wb 3.68kip

ft

Horizontal Forces

Tslide ΣH cos β( ) ΣV sin β( ) 3.68kip

ft

Parallel Resultant(Fig. 4‐11 EM 1110‐‐2502)

Nslide ΣV cos β( ) ΣH sin β( ) 12.87kip

ft

Normal Resultant(Fig. 4‐11 EM 1110‐‐2502)

FSs

Nslide tan ϕF cF LCD

Tslide2.185

Factor of Safety(Eq. 4‐12 EM 1110‐2‐2502)

CheckFS "Ok" round FSs 1 1.5if

"Not Ok" otherwise

"Ok"Factor of Safety Check

Attachment F-1 9 of 27

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Pipe Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

11. Check Bearing Capacity.

Angle of Wall Friction(Fig. 5‐1 EM 1110‐2‐2502)

δ atanTslide

Nslide

15.96 deg

Eccentricity of Resultant eB

2XR 1.897 ft

Effective Width of Base Bprime B 2e 21.294 ft

Effective Overburden Stress(Eq. 5‐8a EM 1110‐2‐2502)

qo γb TOF BOF( ) 115.2 psf

Bearing Capacity Factors for strip load

Nq exp π tan ϕF tan 45degϕF

2

2

23.177Eq. 5‐3a EM 1110‐2‐2502

Eq. 5‐3b EM 1110‐2‐2502 Nc Nq 1 cot ϕF 35.49

Eq. 5‐3d EM 1110‐2‐2502 Nγ Nq 1 tan 1.4 ϕF 22.022

Embedment Factors

ξcd 1 0.2TOF BOF( )

Bprimetan 45deg

ϕF

2

1.034Eq. 5‐4a EM 1110‐2‐2502

Eq. 5‐4c EM 1110‐2‐2502 ξqd 1 0.1TOF BOF( )

Bprimetan 45deg

ϕF

2

1.017

Eq. 5‐4c EM 1110‐2‐2502 ξγd ξqd 1.017

Inclination Factors

ξqi 1δ

90deg

2

0.677Eq. 5‐5a EM 1110‐2‐2502

Eq. 5‐5a EM 1110‐2‐2502 ξci ξqi 0.677

Eq. 5‐5b EM 1110‐2‐2502 ξγi 1δ

ϕF

2

0.251

Attachment F-1 10 of 27

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Pipe Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

**Base Tilt and Ground Slope Factors are al equal to 1 since there is not a base tilt nor sloped groundover the toe.

Ultimate Bearing Capacity (Eq. 5‐2 EM 1110‐2‐2502):

Q Bprime ξcd ξci cd Nc ξqd ξqi qo Nqξγd ξγi γb Bprime Nγ

2

112.619kip

ft

Factor of Safety(Eq. 5‐1 EM 1110‐2502)

FSBQ

Nslide8.751

Factor of Safety Check CheckFS "Ok" round FSB 1 3if

"Not Ok" otherwise

"Ok"

12. Check Flotation Criteria.

Factor of Safety(Eq. 3‐2 EM 1110‐2100)

FSF

w1 w2 w3 w4 ww

U5.714

FSCheck "Ok" FSF 1.3if

"Not Ok" otherwise

"Ok"

Attachment F-1 11 of 27

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Pipe Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

 Load Case 2

Assumptions:     1. Sloping Backfill     2. Full Ditch (water equal on both sides at EL. 890)     3. Usual Condition

The loading on the strcture consists of the structure dead load, the weight of the soil above the heel, theweight of the water above the toe, lateral earth pressures & water pressures equal on both sides.

1. Determine Critical Slip angle

Critical Slip‐Plane Angle(Eq. 3‐25 EM 1110‐2‐2502)

α 55.915 deg <‐‐See Load Case 1 above

2. Calculate Water Pressures.

Height of water above footing Hw GR TOF 3.5 ft

ww Hw Toe γw 1.747kip

ft

Weight of Water

AwToe

24 ft

Attachment F-1 12 of 27

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Pipe Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Water pressures are computed using the line of creep method from EM 1110‐2‐2502. The seepage pathis assumed to start at the top of the soil and ends at Point E.

Length from B to C LBC TOF BOF 2 ft

Length from C to D LCD B 17.5 ft

Length from D to E LDE GR BOF( ) 5.5 ft

Ls LBC LCD LDE 25 ftSeepage path

Change in water elevation Δh GR GR 0 ft

PB GR TOF( ) γw 0.218 ksfPressure at B

PC GR BOF( )Δh LBC

Ls

γw 0.343 ksfPressure at C

PD GR BOF( )Δh LBC LCD

Ls

γw 0.343 ksfPressure at D

PE 0ksf <‐‐End of Creep, tail waterPressure at E

3. Calculate Water Loads and Moment Arms about O.

wc1

2PB PC TOF BOF( ) 0.562

kip

ft

Load at C

AcTOF BOF( )

3

2 PB PC PB PC

0.926 ft

wd1

2PD GR BOF( ) 0.944

kip

ft

Load at D

Ad1

3GR BOF( ) 1.833 ft

wb1

2PB GR TOF( ) 0.382

kip

ft

Load at B

Ab1

3GR TOF( ) TOF BOF( ) 3.167 ft

we 0kip

ft <‐‐End of Creep, tail water

Load at E

Attachment F-1 13 of 27

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Pipe Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Ae 0ft <‐‐End of Creep, tail water

4. Calculate Lateral Pressure Coefficients

Pressure Coefficient(Appendix H EM 1110‐2‐2502)

K1 0.458 <‐‐See Load Case 1 above

Pressure Coefficient forfill below the saturationlevel (EM 1110‐2‐2502)

Kb 0.458 <‐‐See Load Case 1 above

5. Calculate Driving Lateral Force

**Since there is soil above and below the water table, three pressures and computed and thenconverted to forces.

Unit weight accounting for seepage (EM 1110‐2‐2502)

γprime

Heel tan θ( ) TOW BOF( )[ ] γs PD Heel tan θ( ) TOW GR( )[ ] γbf

GR BOF63.509 pcf

Soil Pressure 1 P1 K1 γbf TOW GR( ) Heel tan θ( )[ ] 0.342 ksf

Soil Force 1 F1 .5 P1 TOW GR( ) Heel tan θ( )[ ] 1.112kip

ft

a1 GR BOF( )1

3Heel tan θ( ) TOW GR( )[ ] 7.667 ft

Soil Arm 1

P2 P1 γprime Kb GR BOF( ) 0.502 ksfSoil Pressure 2

F2 P1 GR BOF( ) 1.882kip

ft

Soil Force 2

Soil Arm 2 a2GR BOF

22.75 ft

F31

2P2 P1 GR BOF( ) 0.44

kip

ft

Soil Force 3

Soil Arm 3 a3GR BOF

31.833 ft

Pa F1 F2 F3 3.435kip

ft

Resultant Force

Attachment F-1 14 of 27

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Pipe Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Pah Pa cos θplane 3.435kip

ft

Horizontal Force

Ah

F1 a1 F2 a2 F3 a3

F1 F2 F34.225 ft

Active Force Arm

Active Vertical Force Pv Pah sin θplane 0kip

ft

Av B 17.5 ft

6. Calculate Structure and Soil Weights and Moments Arms about O.

Section 1 w1 Heel GR TOF( ) γs 3.36kip

ft

A1 Toe THstemHeel

2 13.5 ft

Section 2 w2 Heel TOW GR( ) γbf 4.14kip

ft

A2 Toe THstem1

2Heel 13.5 ft

w31

2Heel Heel tan θ( )( ) γbf 0.92

kip

ft

Section 3

A3 Toe THstem2

3Heel 14.833 ft

w4 THstem TOW TOF( ) γc 1.8kip

ft

Section 4

A4 ToeTHstem

2 8.75 ft

Section 5 w5 B TOF BOF( ) γc 5.25kip

ft

A5B

28.75 ft

Attachment F-1 15 of 27

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Pipe Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

7. Calculate Soil Force on Resisting Side.

Ko 1 sin ϕ( ) 0.485At Rest Coefficient(Eq. 3‐4 EM 1110‐2‐2502)

Unit weight accounting for buoyancy (EM 1110‐2‐2502)

γprime

GR BOF( ) γs PD GR BOF( )

57.6 pcf

Horizontal Force Po1

2Ko γprime TOF BOF( )

2 0.056

kip

ft

Ao TOF BOF( )1

3 0.667 ft

8. Calculate Uplift Force.

Uplift ForceU PC B 6.006

kip

ft

AuB

28.75 ft

9. Check Overturning about O.

Sum of Vertical Forces Vv w1 w2 w3 w4 w5 ww U 11.211kip

ft

MR w1 A1 w2 A2 w3 A3 w4 A4

ww Aw U Au Pah Ah Po Ao

wc Ac wd Ad w5 A5 wb Ab

116.546 kipSum of All Moments

Resultant Location(Eq. 4‐1 EM 1110‐2502) XR

MR

Vv10.396 ft

Resultant Ratio(Eq. 4‐2 EM 1110‐2‐2502) RR

XR

B0.594

Base Compression Check CheckBase "Ok" .667 RR .333if

"Not Ok" otherwise

"Ok"

Overturning Moment Mo Pah Ah U Au wd Ad 68.794 kip

Attachment F-1 16 of 27

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Pipe Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Mr w1 A1 w2 A2 w3 A3 w4 A4

wc Ac Po Ao w5 A5 ww Aw wb Ab

185.341 kipResisting Moment

Factor of Safety FSo

Mr

Mo2.694

Factor of Safety Check CheckFS "Ok" round FSo 1 2if

"Not Ok" otherwise

"Ok"

10. Check Slidng using EM1110‐2‐2502 "Single Wedge Analysis".

Slip angle β 0

cF 0 psfShear strength of foundation

ϕF 32 degPhi angle for foundation

LCD 17.5 ftLength of Sliding Plane

Vertical Forces ΣV w1 w2 w3 w4 w5 ww U 11.211kip

ft

ΣH Pah wd wc Po wb 3.379kip

ft

Horizontal Forces

Parallel Resultant(Fig. 4‐11 EM 1110‐‐2502)

Tslide ΣH cos β( ) ΣV sin β( ) 3.379kip

ft

Normal Resultant(Fig. 4‐11 EM 1110‐‐2502)

Nslide ΣV cos β( ) ΣH sin β( ) 11.211kip

ft

Factor of Safety(Eq. 4‐12 EM 1110‐2‐2502) FSs

Nslide tan ϕF cF LCD

Tslide2.073

CheckFS "Ok" round FSs 1 1.5if

"Not Ok" otherwise

"Ok"Factor of Safety Check

11. Check Bearing Capacity.

Angle of Wall Friction(Fig. 5‐1 EM 1110‐2‐2502)

δ atanTslide

Nslide

16.772 deg

Attachment F-1 17 of 27

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Pipe Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Eccentricity of Resultant eB

2XR 1.646 ft

Effective Width of Base Bprime B 2e 20.791 ft

Effective Overburden Stress(Eq. 5‐8a EM 1110‐2‐2502)

qo γb TOF BOF( ) 0.115 ksf

Bearing Capacity Factors for strip load

Nq exp π tan ϕF tan 45degϕF

2

2

23.177Eq. 5‐3a EM 1110‐2‐2502

Eq. 5‐3b EM 1110‐2‐2502 Nc Nq 1 cot ϕF 35.49

Eq. 5‐3d EM 1110‐2‐2502Nγ Nq 1 tan 1.4 ϕF 22.022

Embedment Factors

Eq. 5‐4a EM 1110‐2‐2502 ξcd 1 0.2TOF BOF( )

Bprimetan 45deg

ϕF

2

1.035

Eq. 5‐4c EM 1110‐2‐2502ξqd 1 0.1

TOF BOF( )

Bprimetan 45deg

ϕF

2

1.017

Eq. 5‐4c EM 1110‐2‐2502ξγd ξqd 1.017

Inclination Factors

ξqi 1δ

90deg

2

0.662Eq. 5‐5a EM 1110‐2‐2502

Eq. 5‐5a EM 1110‐2‐2502 ξci ξqi 0.662

Eq. 5‐5b EM 1110‐2‐2502 ξγi 1δ

ϕF

2

0.226

**Base Tilt and Ground Slope Factors are al equal to 1 since there is not a base tilt nor sloped groundover the toe.

Attachment F-1 18 of 27

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Pipe Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Ultimate Bearing Capacity (Eq. 5‐2 EM 1110‐2‐2502):

Q Bprime ξcd ξci cd Nc ξqd ξqi qo Nqξγd ξγi γb Bprime Nγ

2

100.554kip

ft

Factor of Safety(Eq. 5‐1 EM 1110‐2502)

FSBQ

Nslide8.969

Factor of Safety Check CheckFS "Ok" round FSB 1 3if

"Not Ok" otherwise

"Ok"

12. Check Flotation Criteria.

Factor of Safety(Eq. 3‐2 EM 1110‐2100)

FSF

w1 w2 w3 w4 w5 ww

U2.867

FSCheck "Ok" FSF 1.5if

"Not Ok" otherwise

"Ok"

Attachment F-1 19 of 27

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Pipe Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

 Load Case 3

Assumptions:     1. Sloping Backfill     2. Lagging soil (Water at EL. 894.5 on Heel side; EL. 892.5 on Toe Side)     3. Unusual Condition

The loading on the strcture consists of the structure dead load, the weight of the soil above the heel, theweight of the water above the toe, lateral earth pressures & unequal water pressures.

1. Determine Critical Slip angle

Critical Slip‐Plane Angle(Eq. 3‐25 EM 1110‐2‐2502)

α 55.915 deg <‐‐See Load Case 1

2. Calculate Water Pressures.

Height of water above footing Hw TOW 2ft( ) TOF[ ] 6 ft

ww Hw Toe γw 2.995kip

ft

Weight of Water

AwToe

24 ft

Attachment F-1 20 of 27

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Pipe Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Water pressures are computed using the line of creep method from EM 1110‐2‐2502. The seepage pathis assumed to start at the top of the soil and ends at Point E.

Length from B to C LBC TOF BOF 2 ft

Length from C to D LCD B 17.5 ft

Length from D to E LDE TOW BOF( ) 10 ft

Ls LBC LCD LDE 29.5 ftSeepage path

Change in water elevation Δh TOW 2ft( ) TOW 2 ft

PB TOW 2ft( ) TOF[ ] γw 0.3744 ksfPressure at B

Pressure at C PC TOW 2ft( ) BOF[ ]Δh LBC

Ls

γw 0.5077 ksf

PD TOW 2ft( ) BOF[ ]Δh LBC LCD

Ls

γw 0.5817 ksfPressure at D

3. Calculate Water Loads and Moment Arms about O.

Load at C wc1

2TOF BOF( ) PB PC 0.882

kip

ft

AcTOF BOF( )

3

2PB PC PB PC

0.95 ft

wd1

2PD TOW BOF( ) 2.908

kip

ft

Load at D

Ad1

3TOW BOF( ) 3.333 ft

wb1

2PB TOW 2ft( ) TOF[ ] 1.123

kip

ft

Load at B

Ab TOF BOF( )1

3TOW 2ft( ) TOF[ ] 4 ft

Load at E we 0kip

ft <‐‐End of Creep, tail water

Attachment F-1 21 of 27

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Pipe Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Ae 0ft 0 <‐‐End of Creep, tail water

4. Calculate Lateral Pressure Coefficient

Pressure Coefficient(Appendix H EM 1110‐2‐2502) K1 0.458 <‐‐See Load Case 1

Pressure Coefficient forfill below the saturationlevel (EM 1110‐2‐2502)

Kb 0.458 <‐‐See Load Case 1

5. Calculate Lateral Force

**Since there is soil above and below the water table, three pressures and computed and thenconverted to forces.

Unit weight accounting for seepage (EM 1110‐2‐2502)

γprime

Heel tan θ( ) TOW BOF( )[ ] γs PD Heel tan θ( )( ) γbf

TOW BOF62.831 pcf

Soil Pressure 1 P1 K1 γbf Heel tan θ( )( ) 0.105 ksf

Soil Force 1 F1 .5 P1 Heel tan θ( )( ) 0.105kip

ft

a1 TOW BOF( )1

3Heel tan θ( )( )( ) 10.667 ft

Soil Arm 1

P2 P1 γprime Kb TOW BOF( ) 0.393 ksfSoil Pressure 2

F2 P1 TOW BOF( ) 1.053kip

ft

Soil Force 2

Soil Arm 2 a2TOW BOF

25 ft

F31

2P2 P1 TOW BOF( ) 1.438

kip

ft

Soil Force 3

Soil Arm 3 a3TOW BOF

33.333 ft

Pa F1 F2 F3 2.597kip

ft

Active Horizontal Force

Attachment F-1 22 of 27

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Pipe Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Pah Pa cos θplane 2.597kip

ft

Ah

F1 a1 F2 a2 F3 a3

F1 F2 F34.307 ft

Active Force Arm

Active Vertical Force Pv Pa sin θplane 0kip

ft

Av B 17.5 ft

6. Calculate Structure and Soil Weights and Moments Arms about O.

Section 1 w1 Heel TOW TOF( ) γs 7.68kip

ft

A1 Toe THstemHeel

2 13.5 ft

w21

2Heel Heel tan θ( )( ) γbf 0.92

kip

ft

Section 2

A2 Toe THstem2

3Heel 14.833 ft

w3 THstem TOW TOF( ) γc 1.8kip

ft

Section 3

A3 ToeTHstem

2 8.75 ft

Section 4 w4 B TOF BOF( ) γc 5.25kip

ft

A4B

28.75 ft

7. Calculate Soil Force on Resisting Side.

At Rest Coefficient(Eq. 3‐4 EM 1110‐2‐2502)

Ko 1 sin ϕ( ) 0.485

Unit weight accounting for seepage (EM 1110‐2‐2502) γprime

PB γs TOF BOF( ) PC

TOF BOF( )53.369 pcf

Attachment F-1 23 of 27

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Pipe Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Horizontal Force Po1

2Ko γprime TOF BOF( )

2 0.052

kip

ft

Ao TOF BOF( )1

3 0.667 ft

8. Calculate Uplift Force.

Uplift ForceU PC B

1

2PD PC B 9.532

kip

ft

Au

PC BB

2

1

2PD PC B

B

3

PC B1

2PD PC B

8.552 ft

9. Check Overturning about O.

Sum of Vertical Forces Vv w1 w2 w3 w4 ww U 9.113kip

ft

MR w1 A1 w2 A2 w3 A3 w4 A4

ww Aw U Au Pah Ah Po Ao

wc Ac wd Ad wb Ab

93.967 kipSum of All Moments

Resultant Location(Eq. 4‐1 EM 1110‐2502) XR

MR

Vv10.311 ft

Resultant Ratio(Eq. 4‐2 EM 1110‐2‐2502) RR

XR

B0.589

Base Compression Check CheckBase "Ok" .667 RR .333if

"Not Ok" otherwise

"Ok"

Overturning Moment Mo Pah Ah U Au wd Ad 102.393 kip

Mr w1 A1 w2 A2 w3 A3 w4 A4

wc Ac Po Ao ww Aw wb Ab

196.36 kipResisting Moment

Factor of Safety FSo

Mr

Mo1.918

Attachment F-1 24 of 27

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Pipe Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Factor of Safety Check CheckFS "Ok" round FSo 1 1.5if

"Not Ok" otherwise

"Ok"

10. Check Slidng using EM1110‐2‐2502 "Single Wedge Analysis".

Slip angle β 0

cF 0 psfShear strength of foundation

ϕF 32 degPhi angle for foundation

LCD 17.5 ftLength of Sliding Plane

Vertical Forces ΣV w1 w2 w3 w4 ww U 9.113kip

ft

ΣH Pah wd wc Po wb 3.448kip

ft

Horizontal Forces

Parallel Resultant(Fig. 4‐11 EM 1110‐‐2502) Tslide ΣH cos β( ) ΣV sin β( ) 3.448

kip

ft

Normal Resultant(Fig. 4‐11 EM 1110‐‐2502) Nslide ΣV cos β( ) ΣH sin β( ) 9.113

kip

ft

Factor of Safety(Eq. 4‐12 EM 1110‐2‐2502)

FSs

Nslide tan ϕF cF LCD

Tslide1.651

CheckFS "Ok" round FSs 2 1.33if

"Not Ok" otherwise

"Ok"Factor of Safety Check

11. Check Bearing Capacity.

Angle of Wall Friction(Fig. 5‐1 EM 1110‐2‐2502) δ atan

Tslide

Nslide

20.726 deg

Eccentricity of Resultant eB

2XR 1.561 ft

Effective Width of Base Bprime B 2e 20.622 ft

Effective Overburden Stress(Eq. 5‐8a EM 1110‐2‐2502)

qo γb TOF BOF( ) 0.115 ksf

Attachment F-1 25 of 27

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Pipe Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Bearing Capacity Factors for strip load

Nq exp π tan ϕF tan 45degϕF

2

2

23.177Eq. 5‐3a EM 1110‐2‐2502

Eq. 5‐3b EM 1110‐2‐2502 Nc Nq 1 cot ϕF 35.49

Eq. 5‐3d EM 1110‐2‐2502 Nγ Nq 1 tan 1.4 ϕF 22.022

Embedment Factors

Eq. 5‐4a EM 1110‐2‐2502 ξcd 1 0.2TOF BOF( )

Bprimetan 45deg

ϕF

2

1.035

Eq. 5‐4c EM 1110‐2‐2502ξqd 1 0.1

TOF BOF( )

Bprimetan 45deg

ϕF

2

1.017

Eq. 5‐4c EM 1110‐2‐2502 ξγd ξqd 1.017

Inclination Factors

ξqi 1δ

90deg

2

0.592Eq. 5‐5a EM 1110‐2‐2502

Eq. 5‐5a EM 1110‐2‐2502 ξci ξqi 0.592

Eq. 5‐5b EM 1110‐2‐2502 ξγi 1δ

ϕF

2

0.124

**Base Tilt and Ground Slope Factors are al equal to 1 since there is not a base tilt nor sloped groundover the toe.

Ultimate Bearing Capacity (Eq. 5‐2 EM 1110‐2‐2502):

Q Bprime ξcd ξci cd Nc ξqd ξqi qo Nqξγd ξγi γb Bprime Nγ

2

67.256kip

ft

Factor of Safety(Eq. 5‐1 EM 1110‐2502) FSB

Q

Nslide7.38

Attachment F-1 26 of 27

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Pipe Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Factor of Safety Check CheckFS "Ok" round FSB 1 2if

"Not Ok" otherwise

"Ok"

12. Check Flotation Criteria.

Factor of Safety(Eq. 3‐2 EM 1110‐2100) FSF

w1 w2 w3 w4 ww

U1.956

FSCheck "Ok" FSF 1.2if

"Not Ok" otherwise

"Ok"

Attachment F-1 27 of 27

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Typical Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Inlet Headwall Design: Typical Section

Project Description

Reach 4 pipe drop structure inlet design for the Fargo Moorhead Metro project. The inlet will consist ofa concrete headwall and base slab, a trash rack for debris and three 7'‐2" openings in the headwall forRCPs.

 Units: kips 1000lbf pcflbf

ft3

lb lbf lbf lb psflbf

ft2

 Material Properties:

Unit weight of water γw 62.4pcf

Unit weight of concrete γc 150pcf

Reinforcing Steel fy 60000psi

Strength of Concrete fc 4000psi

Unit weight of soil, saturated γs 120pcf

Unit weight of soil, compacted γbf 115pcf

Unit weight of soil, bouyant γb γs γw 57.6 pcf

The drain will likely be constructed on alluvium, which in the Red River Valley typically occurs as a clayof low or high plasticity. The alluvium  will behave differently in short  and  long‐term  loading conditionsdue to its low permeability.

Undrained shear strength

Cohesion cu 900psf

Phi ϕu 0deg

Drained Shear Strength

Cohesion cd 0psf

Phi ϕ 31deg

Unit weight, select granular fill γF 125pcf

Cohesion  cF 0psf

Attachment F-2 1 of 27

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Typical Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Phi ϕF 32deg

 Inputs:

Existing Ground Elevation GR 890ft

Top of Wall Elevation TOW 894.5ft

Top of Footing Elevation TOF 886.5ft

Bottom of Footing Elevation BOF 884.5ft

Water Elevation Water 887ft

Stem Thickness THstem 1.5ft

Toe Length Toe 6ft

Heel Length Heel 8ft

Total Length of Footing B Toe Heel THstem 15.5 ft

EMB Slope EMBs1

4

EMB Slope angle θ atan EMBs 14.036 deg

Strength Mobilization Factor SMF2

3 <‐‐EM 1110‐2‐2502

Developed angle of internal friction ϕd atan SMF tan ϕ( )( ) 21.83 deg <‐‐EM 1110‐2‐2502

 References:U.S. Army Corps of Engineers. (29 September 1989), EM 1110‐2‐2502, Retaining andFlood Walls

U.S. Army Corps of Engineers. (1 December 2005), EM 1110‐2‐2100, StabilityAnalysis of Concrete Structures

U.S. Army Corps of Engineers (February 2012), Project Design Guidelines, FMM AreaFlood Risk Management Project, Engineering and Design Phase, Version 1. St. Paul,MN

Attachment F-2 2 of 27

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Typical Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

 Factors of Safety Requirements (EM 1110‐2‐2100 & EM 1110‐2‐2502):

Loading 

Condition

Minimum 

Sliding FS

Minimum 

Flotation FS

Minimum Bearing 

Capacity FS

Minimum Base Area 

in Compression

Usual  1.5 1.3 3 100%

Unusual 1.3 1.2 2 75%

Extreme 1.1 1.1 > 1 Resultant within Base

 Load Case 1

Assumptions:     1. Sloping Backfill     2. Empty Ditch (water equal on both sides at EL. 887.0)     3. Usual Condition

The loading on the strcture consists of the structure dead load, the weight of the soil above the heel, theweight of the water above the toe, lateral earth pressures & water pressures equal on both sides.

1. Determine Critical Slip angle

The soil above the heel of the retaining wall slopes up at a 1V:4H for 8 feet (horizontally), then flattensout (no slope) for 50 feet and then slopes down at a 1V:7H. It is assumed that the critical slip planeintersects the flat surface.

Attachment F-2 3 of 27

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Typical Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Prove the assumption, that the critical slip plane intersects the flat surface, by trial and error.

Angle Delta Shown above

Δ atanHeel tan θ( ) TOW BOF( )

50ft

13.496 deg

Limiting angle Angle90 90deg

Assuming the critical plane intersects the flat surface, angle theta now becomes zero. With no verticalsurcharge, coefficients one and two below are calculated using Eqs. 3‐26 and 3‐27 from EM1110‐2‐2502.

Slope of the flat surface θplane atan 0( ) 0 deg

Coeffecient 1(Eq. 3‐26 EM 1110‐2‐2502)

c1 2 tan ϕd 0.801

Coefficient 2(Eq. 3‐27 EM 1110‐2‐2502)

c2 1 tan ϕd tan θplane tan θplane

tan ϕd 1

Critical Slip‐Plane Angle(Eq. 3‐25 EM 1110‐2‐2502)

α atanc1 c1

24 c2

2

55.915 deg

Does the critical slip plane intersect the flat surface?

Checkangle "Yes, continue analysis" Δ α Angle90if

"No, check another surface" otherwise

"Yes, continue analysis"

Attachment F-2 4 of 27

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Typical Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

2. Calculate Water Pressures.

Height of water above footing Hw 0 Water TOFif

Water TOF( )( ) otherwise

0.5 ft

ww Hw Toe γw 0.187kip

ft

Weight of Water

AwToe

23 ft

Water pressures are computed using the line of creep method from EM 1110‐2‐2502. The seepage pathis assumed to start at the top of the soil and ends at Point E.

Length from B to C LBC TOF BOF 2 ft

Length from C to D LCD B 15.5 ft

Length from D to E LDE Water BOF( ) 2.5 ft

Ls LBC LCD LDE 20 ftSeepage path

Change in water elevation Δh Water Water 0 ft

PB Water TOF( ) γw 31.2 psfPressure at B

PC Water BOF( )Δh LBC

Ls

γw 156 psfPressure at C

PD Water BOF( )Δh LBC LCD

Ls

γw 156 psfPressure at D

PE 0psi <‐‐End of Creep, tail waterPressure at E

3. Calculate Water Loads and Moment Arms about O.

Load at C wc1

2PB PC TOF BOF( ) 0.187

kip

ft

AcTOF BOF( )

3

2 PB PC PB PC

0.778 ft

Attachment F-2 5 of 27

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Typical Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

wd1

2PD Water BOF( ) 0.195

kip

ft

Load at D

Ad1

3TOF BOF( ) 0.667 ft

wb1

2PB Water TOF( ) 7.8 10

3

kip

ft

Load at B

Ab1

3Water TOF( ) TOF BOF( ) 2.167 ft

we 0kip

ft <‐‐End of Creep, tail water

Load at E

Ae 0ft <‐‐End of Creep, tail water

4. Calculate Lateral Pressure Coefficient

Pressure Coefficient above saturationlevel (Equation 3‐14 EM 1110‐2‐2502)

K1

cos ϕd 2

1sin ϕd sin ϕd θplane

cos θplane

20.458

Pressure Coefficient forfill below the saturationlevel (EM 1110‐2‐2502)

Kb

1 tan ϕd cot α( ) 1 tan ϕd tan α( )

1tan α( )

tan α( ) tan θplane 1

γs

γb

0.458

5. Calculate Lateral Driving Force

**Since there is soil above and below the water table, three pressures and computed and thenconverted to forces.

Unit weight accounting for seepage (EM 1110‐2‐2502)

γprime

Heel tan θ( ) TOW BOF( )[ ] γs PD Heel tan θ( ) TOW Water( )[ ] γbf

Water BOF76.6 pcf

Soil Pressure 1 P1 K1 γbf TOW Water( ) Heel tan θ( )[ ] 0.5 ksf

Soil Force 1 F1 .5 P1 TOW Water( ) Heel tan θ( )[ ] 2.376kip

ft

a1 Water BOF( )1

3Heel tan θ( ) TOW Water( )[ ]

Soil Arm 1

a1 5.667 ft

Attachment F-2 6 of 27

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Typical Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

P2 P1 γprime Kb Water BOF( ) 0.588 ksfSoil Pressure 2

F2 P1 Water BOF( ) 1.251kip

ft

Soil Force 2

Soil Arm 2 a2Water BOF

21.25 ft

F31

2P2 P1 Water BOF( ) 0.11

kip

ft

Soil Force 3

Soil Arm 3 a3Water BOF

30.833 ft

Resultant Force Pa F1 F2 F3 3.736kip

ft

Horizontal Force Pah Pa cos θplane 3.736kip

ft

Ah

F1 a1 F2 a2 F3 a3

F1 F2 F34.047 ft

Pv Pa sin θplane 0kip

ft

Vertical Force

Av B 15.5 ft

6. Calculate Structure and Soil Weights and Moments Arms about O.

Section 1 w1 Heel TOW Water( ) γbf Heel Water TOF( ) γs 7.38kip

ft

A1 Toe THstemHeel

2 11.5 ft

Section 2 w21

2Heel Heel tan θ( )( ) γbf 0.92

kip

ft

A2 Toe THstem2

3Heel 12.833 ft

Section 3 w3 THstem TOW TOF( ) γc 1.8kip

ft

A3 ToeTHstem

2 6.75 ft

Attachment F-2 7 of 27

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Typical Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Section 4 w4 B TOF BOF( ) γc 4.65kip

ft

A4B

27.75 ft

7. Calculate Soil Force on Resisting Side.

At Rest Coefficient(Eq. 3‐4 EM 1110‐2‐2502)

Ko 1 sin ϕ( ) 0.485

Unit weight accounting for buyoant condition (EM 1110‐2‐2502) γprime

PB γs TOF BOF( ) PC

TOF BOF( )57.6 pcf

Po1

2Ko γprime TOF BOF( )

2 0.056

kip

ft

Horizontal Force

Ao TOF BOF( )1

3 0.667 ft

8. Calculate Uplift Force.

Uplift Force U PC B 2.418kip

ft

AuB

27.75 ft

9. Check Overturning about O.

Sum of Vertical Forces Vv w1 w2 w3 w4 ww U 12.519kip

ft

MR w1 A1 w2 A2 w3 A3 w4 A4

ww Aw U Au Pah Ah Po Ao

wc Ac wd Ad wb Ab

111.637 kipSum of All Moments

Resultant Location(Eq. 4‐1 EM 1110‐2502) XR

MR

Vv8.917 ft

Resultant Ratio(Eq. 4‐2 EM 1110‐2‐2502) RR

XR

B0.575

Base Compression Check CheckBase "Ok" .667 RR .333if

"Not Ok" otherwise

"Ok"

Attachment F-2 8 of 27

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Typical Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Overturning Moment Mo Pah Ah U Au wd Ad 33.989 kip

Mr w1 A1 w2 A2 w3 A3 w4 A4

wc Ac Po Ao ww Aw wb Ab

145.626 kipResisting Moment

Factor of Safety FSo

Mr

Mo4.285

Factor of Safety Check CheckFS "Ok" round FSo 1 2if

"Not Ok" otherwise

"Ok"

10. Check Slidng using EM1110‐2‐2502 "Single Wedge Analysis".

Slip angle β 0

cF 0 psfShear strength of foundation

ϕF 32 degPhi angle for foundation

LCD 15.5 ftLength of Sliding Plane

Vertical Forces ΣV w1 w2 w3 w4 ww U 12.519kip

ft

ΣH Pah wd wc Po wb 3.68kip

ft

Horizontal Forces

Tslide ΣH cos β( ) ΣV sin β( ) 3.68kip

ft

Parallel Resultant

Nslide ΣV cos β( ) ΣH sin β( ) 12.519kip

ft

Normal Resultant

FSs

Nslide tan ϕF cF LCD

Tslide2.126

Factor of Safety(Eq. 4‐6 EM1110‐2‐2502)

CheckFS "Ok" round FSs 1 1.5if

"Not Ok" otherwise

"Ok"Factor of Safety Check

Attachment F-2 9 of 27

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Typical Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

11. Check Bearing Capacity.

Angle of Wall Friction(Fig. 5‐1 EM 1110‐2‐2502)

δ atanTslide

Nslide

16.383 deg

Eccentricity of Resultant eB

2XR 1.167 ft

Effective Width of Base Bprime B 2e 17.834 ft

Effective Overburden Stress(Eq. 5‐8a EM 1110‐2‐2502)

qo γb TOF BOF( ) 115.2 psf

Bearing Capacity Factors for strip load

Nq exp π tan ϕF tan 45degϕF

2

2

23.177Eq. 5‐3a EM 1110‐2‐2502

Eq. 5‐3b EM 1110‐2‐2502 Nc Nq 1 cot ϕF 35.49

Eq. 5‐3d EM 1110‐2‐2502 Nγ Nq 1 tan 1.4 ϕF 22.022

Embedment Factors

ξcd 1 0.2TOF BOF( )

Bprimetan 45deg

ϕF

2

1.04Eq. 5‐4a EM 1110‐2‐2502

Eq. 5‐4c EM 1110‐2‐2502 ξqd 1 0.1TOF BOF( )

Bprimetan 45deg

ϕF

2

1.02

Eq. 5‐4c EM 1110‐2‐2502 ξγd ξqd 1.02

Inclination Factors

ξqi 1δ

90deg

2

0.669Eq. 5‐5a EM 1110‐2‐2502

Eq. 5‐5a EM 1110‐2‐2502 ξci ξqi 0.669

ξγi 1δ

ϕF

2

0.238Eq. 5‐5b EM 1110‐2‐2502

**Base Tilt and Ground Slope Factors are al equal to 1 since there is not a base tilt nor sloped groundover the toe.

Attachment F-2 10 of 27

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Typical Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Ultimate Bearing Capacity (Eq. 5‐2 EM 1110‐2‐2502):

Q Bprime ξcd ξci cd Nc ξqd ξqi qo Nqξγd ξγi γb Bprime Nγ

2

81.526kip

ft

Factor of Safety(Eq. 5‐1 EM 1110‐2502)

FSBQ

Nslide6.512

Factor of Safety Check CheckFS "Ok" round FSB 1 3if

"Not Ok" otherwise

"Ok"

12. Check Flotation Criteria.

Factor of Safety(Eq. 3‐2 EM 1110‐2100)

FSF

w1 w2 w3 w4 ww

U6.178

FSCheck "Ok" FSF 1.3if

"Not Ok" otherwise

"Ok"

Attachment F-2 11 of 27

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Typical Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

 Load Case 2

Assumptions:     1. Sloping Backfill     2. Full Ditch (water equal on both sides at EL. 890)     3. Usual Condition

The loading on the strcture consists of the structure dead load, the weight of the soil above the heel, theweight of the water above the toe, lateral earth pressures & water pressures equal on both sides.

1. Determine Critical Slip angle

Critical Slip‐Plane Angle(Eq. 3‐25 EM 1110‐2‐2502)

α 55.915 deg <‐‐See Load Case 1 above

2. Calculate Water Pressures.

Height of water above footing Hw GR TOF 3.5 ft

ww Hw Toe γw 1.31kip

ft

Weight of Water

AwToe

23 ft

Attachment F-2 12 of 27

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Typical Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Water pressures are computed using the line of creep method from EM 1110‐2‐2502. The seepage pathis assumed to start at the top of the soil and ends at Point E.

Length from B to C LBC TOF BOF 2 ft

Length from C to D LCD B 15.5 ft

Length from D to E LDE GR BOF( ) 5.5 ft

Ls LBC LCD LDE 23 ftSeepage path

Change in water elevation Δh GR GR 0 ft

PB GR TOF( ) γw 0.218 ksfPressure at B

PC GR BOF( )Δh LBC

Ls

γw 0.343 ksfPressure at C

PD GR BOF( )Δh LBC LCD

Ls

γw 0.343 ksfPressure at D

PE 0ksf <‐‐End of Creep, tail waterPressure at E

3. Calculate Water Loads and Moment Arms about O.

Load at C wc1

2PB PC TOF BOF( ) 0.562

kip

ft

AcTOF BOF( )

3

2 PB PC PB PC

0.926 ft

wd1

2PD GR BOF( ) 0.944

kip

ft

Load at D

Ad1

3GR BOF( ) 1.833 ft

wb1

2PB GR TOF( ) 0.382

kip

ft

Load at B

Ab1

3GR TOF( ) TOF BOF( ) 3.167 ft

Attachment F-2 13 of 27

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Typical Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

we 0kip

ft <‐‐End of Creep, tail water

Load at E

Ae 0ft <‐‐End of Creep, tail water

4. Calculate Lateral Pressure Coefficients

Pressure Coefficient(Appendix H EM 1110‐2‐2502) K1 0.458 <‐‐See Load Case 1 above

Pressure Coefficient forfill below the saturationlevel (EM 1110‐2‐2502)

Kb 0.458 <‐‐See Load Case 1 above

5. Calculate Lateral Driving Force

**Since there is soil above and below the water table, three pressures and computed and thenconverted to forces.

Unit weight accounting for seepage (EM 1110‐2‐2502)

γprime

Heel tan θ( ) TOW BOF( )[ ] γs PD Heel tan θ( ) TOW GR( )[ ] γbf

GR BOF63.509 pcf

Soil Pressure 1 P1 K1 γbf TOW GR( ) Heel tan θ( )[ ] 0.342 ksf

Soil Force 1 F1 .5 P1 TOW GR( ) Heel tan θ( )[ ] 1.112kip

ft

a1 GR BOF( )1

3Heel tan θ( ) TOW GR( )[ ] 7.667 ft

Soil Arm 1

P2 P1 γprime Kb GR BOF( ) 0.502 ksfSoil Pressure 2

F2 P1 GR BOF( ) 1.882kip

ft

Soil Force 2

Soil Arm 2 a2GR BOF

22.75 ft

F31

2P2 P1 GR BOF( ) 0.44

kip

ft

Soil Force 3

Soil Arm 3 a3GR BOF

31.833 ft

Attachment F-2 14 of 27

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Typical Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Pa F1 F2 F3 3.435kip

ft

Resultant Force

Pah Pa cos θplane 3.435kip

ft

Horizontal Force

Ah

F1 a1 F2 a2 F3 a3

F1 F2 F34.225 ft

Active Force Arm

Active Vertical Force Pv Pa sin θ( ) 0.833kip

ft

Av B 15.5 ft

6. Calculate Structure and Soil Weights and Moments Arms about O.

Section 1 w1 Heel GR TOF( ) γs 3.36kip

ft

A1 Toe THstemHeel

2 11.5 ft

Section 2 w2 Heel TOW GR( ) γbf 4.14kip

ft

A2 Toe THstem1

2Heel 11.5 ft

w31

2Heel Heel tan θ( )( ) γbf 0.92

kip

ft

Section 3

A3 Toe THstem2

3Heel 12.833 ft

w4 THstem TOW TOF( ) γc 1.8kip

ft

Section 4

A4 ToeTHstem

2 6.75 ft

Section 5 w5 B TOF BOF( ) γc 4.65kip

ft

Attachment F-2 15 of 27

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Typical Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

A5B

27.75 ft

7. Calculate Soil Force on Resisting Side.

At Rest Coefficient(Eq. 3‐4 EM 1110‐2‐2502)

Ko 1 sin ϕ( ) 0.485

Unit weight accounting for seepage (EM 1110‐2‐2502)

γprime

GR BOF( ) γs PD GR BOF( )

57.6 pcf

Horizontal Force Po1

2Ko γprime TOF BOF( )

2 0.056

kip

ft

Ao TOF BOF( )1

3 0.667 ft

8. Calculate Uplift Force.

Uplift ForceU PC B 5.32

kip

ft

AuB

27.75 ft

9. Check Overturning about O.

Sum of Vertical Forces Vv w1 w2 w3 w4 w5 ww U 10.861kip

ft

MR w1 A1 w2 A2 w3 A3 w4 A4

ww Aw U Au Pah Ah Po Ao

wc Ac wd Ad w5 A5 wb Ab

94.474 kipSum of All Moments

Resultant Location(Eq. 4‐1 EM 1110‐2502) XR

MR

Vv8.699 ft

Resultant Ratio(Eq. 4‐2 EM 1110‐2‐2502)

RR

XR

B0.561

Base Compression Check CheckBase "Ok" .667 RR .333if

"Not Ok" otherwise

"Ok"

Attachment F-2 16 of 27

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Typical Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Overturning Moment Mo Pah Ah U Au wd Ad 57.469 kip

Mr w1 A1 w2 A2 w3 A3 w4 A4

wc Ac Po Ao w5 A5 ww Aw wb Ab

151.943 kipResisting Moment

Factor of Safety FSo

Mr

Mo2.644

Factor of Safety Check CheckFS "Ok" round FSo 1 2if

"Not Ok" otherwise

"Ok"

10. Check Slidng using EM1110‐2‐2502 "Single Wedge Analysis".

Slip angle β 0

cF 0 psfShear strength of foundation

ϕF 32 degPhi angle for foundation

LCD 15.5 ftLength of Sliding Plane

Vertical Forces ΣV w1 w2 w3 w4 w5 ww U 10.861kip

ft

ΣH Pah wd wc Po wb 3.379kip

ft

Horizontal Forces

Parallel Resultant(Fig. 4‐11 EM 1110‐‐2502)

Tslide ΣH cos β( ) ΣV sin β( ) 3.379kip

ft

Normal Resultant(Fig. 4‐11 EM 1110‐‐2502)

Nslide ΣV cos β( ) ΣH sin β( ) 10.861kip

ft

Factor of Safety(Eq. 4‐12 EM 1110‐2‐2502)

FSs

Nslide tan ϕF cF LCD

Tslide2.009

CheckFS "Ok" round FSs 1 1.5if

"Not Ok" otherwise

"Ok"Factor of Safety Check

Attachment F-2 17 of 27

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Typical Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

11. Check Bearing Capacity.

Angle of Wall Friction(Fig. 5‐1 EM 1110‐2‐2502)

δ atanTslide

Nslide

17.281 deg

Eccentricity of Resultant eB

2XR 0.949 ft

Effective Width of Base Bprime B 2e 17.397 ft

Effective Overburden Stress(Eq. 5‐8a EM 1110‐2‐2502)

qo γb TOF BOF( ) 0.115 ksf

Bearing Capacity Factors for strip load

Nq exp π tan ϕF tan 45degϕF

2

2

23.177Eq. 5‐3a EM 1110‐2‐2502

Eq. 5‐3b EM 1110‐2‐2502 Nc Nq 1 cot ϕF 35.49

Nγ Nq 1 tan 1.4 ϕF 22.022Eq. 5‐3d EM 1110‐2‐2502

Embedment Factors

ξcd 1 0.2TOF BOF( )

Bprimetan 45deg

ϕF

2

1.041Eq. 5‐4a EM 1110‐2‐2502

ξqd 1 0.1TOF BOF( )

Bprimetan 45deg

ϕF

2

1.021Eq. 5‐4c EM 1110‐2‐2502

ξγd ξqd 1.021Eq. 5‐4c EM 1110‐2‐2502

Inclination Factors

ξqi 1δ

90deg

2

0.653Eq. 5‐5a EM 1110‐2‐2502

Eq. 5‐5a EM 1110‐2‐2502 ξci ξqi 0.653

Eq. 5‐5b EM 1110‐2‐2502 ξγi 1δ

ϕF

2

0.212

Attachment F-2 18 of 27

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Typical Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

**Base Tilt and Ground Slope Factors are al equal to 1 since there is not a base tilt nor sloped groundover the toe.

Ultimate Bearing Capacity (Eq. 5‐2 EM 1110‐2‐2502):

Q Bprime ξcd ξci cd Nc ξqd ξqi qo Nqξγd ξγi γb Bprime Nγ

2

72.41kip

ft

Factor of Safety(Eq. 5‐1 EM 1110‐2502)

FSBQ

Nslide6.667

Factor of Safety Check CheckFS "Ok" round FSB 1 3if

"Not Ok" otherwise

"Ok"

12. Check Flotation Criteria.

Factor of Safety(Eq. 3‐2 EM 1110‐2100)

FSF

w1 w2 w3 w4 w5 ww

U3.042

FSCheck "Ok" FSF 1.3if

"Not Ok" otherwise

"Ok"

Attachment F-2 19 of 27

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Typical Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

 Load Case 3

Assumptions:     1. Sloping Backfill     2. Lagging soil (Water at EL. 894.5 on Heel side; EL. 892.5 on Toe Side)     3. Unusual Condition

The loading on the strcture consists of the structure dead load, the weight of the soil above the heel, theweight of the water above the toe, lateral earth pressures & unequal water pressures.

1. Determine Critical Slip angle

Critical Slip‐Plane Angle(Eq. 3‐25 EM 1110‐2‐2502)

α 55.915 deg

2. Calculate Water Pressures.

Height of water above footing Hw TOW 2ft( ) TOF[ ] 6 ft

ww Hw Toe γw 2.246kip

ft

Weight of Water

AwToe

23 ft

Attachment F-2 20 of 27

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Typical Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Water pressures are computed using the line of creep method from EM 1110‐2‐2502. The seepage pathis assumed to start at the top of the soil and ends at Point E.

Length from B to C LBC TOF BOF 2 ft

Length from C to D LCD B 15.5 ft

Length from D to E LDE TOW BOF( ) 10 ft

Ls LBC LCD LDE 27.5 ftSeepage path

Change in water elevation Δh TOW 2ft( ) TOW 2 ft

Pressure at B PB TOW 2ft( ) TOF[ ] γw 0.3744 ksf

Pressure at C PC TOW 2ft( ) BOF[ ]Δh LBC

Ls

γw 0.5083 ksf

PD TOW 2ft( ) BOF[ ]Δh LBC LCD

Ls

γw 0.5786 ksfPressure at D

3. Calculate Water Loads and Moment Arms about O.

Load at C wc1

2TOF BOF( ) PB PC 0.883

kip

ft

AcTOF BOF( )

3

2PB PC PB PC

0.949 ft

wd1

2PD TOW BOF( ) 2.893

kip

ft

Load at D

Ad1

3TOW BOF( ) 3.333 ft

wb1

2PB TOW 2ft( ) TOF[ ] 1.123

kip

ft

Load at B

Ab TOF BOF( )1

3TOW 2ft( ) TOF[ ] 4 ft

Attachment F-2 21 of 27

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Typical Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Load at E we1

2TOW TOF( ) PE 0

kip

ft

Ae1

3TOW TOF( ) TOF BOF( ) 4.667 ft

4. Calculate Lateral Pressure Coefficient

Pressure Coefficient(Appendix H EM 1110‐2‐2502)

K1 0.458 <‐‐See Load Case 1 above

Pressure Coefficient forfill below the saturationlevel (EM 1110‐2‐2502)

Kb 0.458 <‐‐See Load Case 1 above

5. Calculate Lateral Force

**Since there is soil above and below the water table, three pressures and computed and thenconverted to forces.

Unit weight accounting for seepage (EM 1110‐2‐2502)

γprime

Heel tan θ( ) TOW BOF( )[ ] γs PD Heel tan θ( )( ) γbf

TOW BOF63.138 pcf

Soil Pressure 1 P1 K1 γbf Heel tan θ( )( ) 0.105 ksf

Soil Force 1 F1 .5 P1 Heel tan θ( )( ) 0.105kip

ft

a1 TOW BOF( )1

3Heel tan θ( )( )( ) 10.667 ft

Soil Arm 1

P2 P1 γprime Kb TOW BOF( ) 0.394 ksfSoil Pressure 2

F2 P1 TOW BOF( ) 1.053kip

ft

Soil Force 2

Soil Arm 2 a2TOW BOF

25 ft

F31

2P2 P1 TOW BOF( ) 1.446

kip

ft

Soil Force 3

Attachment F-2 22 of 27

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Typical Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Soil Arm 3 a3TOW BOF

33.333 ft

Pa F1 F2 F3 2.604kip

ft

Resultant Force

Pah Pa cos θplane 2.604kip

ft

Horizontal Force

Ah

F1 a1 F2 a2 F3 a3

F1 F2 F34.304 ft

Active Force Arm

Pv Pa sin θplane 0kip

ft

Active Vertical Force

Av B 15.5 ft

6. Calculate Structure and Soil Weights and Moments Arms about O.

Section 1 w1 Heel TOW TOF( ) γs 7.68kip

ft

A1 Toe THstemHeel

2 11.5 ft

w21

2Heel Heel tan θ( )( ) γbf 0.92

kip

ft

Section 2

A2 Toe THstem2

3Heel 12.833 ft

w3 THstem TOW TOF( ) γc 1.8kip

ft

Section 3

A3 ToeTHstem

2 6.75 ft

Section 4 w4 B TOF BOF( ) γc 4.65kip

ft

7. Calculate Soil Force on Resisting Side.

At Rest Coefficient(Eq. 3‐4 EM 1110‐2‐2502)

Ko 1 sin ϕ( ) 0.485

Unit weight accounting for seepage (EM 1110‐2‐2502)

γprime

PB γs TOF BOF( ) PC

TOF BOF( )53.062 pcf

Attachment F-2 23 of 27

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Typical Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Horizontal Force Po1

2Ko γprime TOF BOF( )

2 0.051

kip

ft

Ao TOF BOF( )1

3 0.667 ft

8. Calculate Uplift Force.

Uplift ForceU PC B

1

2PD PC B 8.423

kip

ft

Au

PC BB

2

1

2PD PC B

B

3

PC B1

2PD PC B

7.583 ft

9. Check Overturning about O.

Sum of Vertical Forces Vv w1 w2 w3 w4 ww U 8.873kip

ft

MR w1 A1 w2 A2 w3 A3 w4 A4

ww Aw U Au Pah Ah Po Ao

wc Ac wd Ad wb Ab

71.044 kipSum of All Moments

Resultant Location(Eq. 4‐1 EM 1110‐2502)

XR

MR

Vv8.007 ft

Resultant Ratio(Eq. 4‐2 EM 1110‐2‐2502)

RR

XR

B0.517

Base Compression Check CheckBase "Ok" .667 RR .333if

"Not Ok" otherwise

"Ok"

Overturning Moment Mo Pah Ah U Au wd Ad 84.724 kip

Mr w1 A1 w2 A2 w3 A3 w4 A4

wc Ac Po Ao ww Aw wb Ab

155.769 kipResisting Moment

Factor of Safety FSo

Mr

Mo1.839

Attachment F-2 24 of 27

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Typical Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Factor of Safety Check CheckFS "Ok" round FSo 1 1.5if

"Not Ok" otherwise

"Ok"

10. Check Slidng using EM1110‐2‐2502 "Single Wedge Analysis".

Slip angle β 0

cF 0 psfShear strength of foundation

ϕF 32 degPhi angle for foundation

LCD 15.5 ftLength of Sliding Plane

Vertical Forces ΣV w1 w2 w3 w4 ww U 8.873kip

ft

ΣH Pah wd wc Po wb 3.44kip

ft

Horizontal Forces

Parallel Resultant(Fig. 4‐11 EM 1110‐‐2502)

Tslide ΣH cos β( ) ΣV sin β( ) 3.44kip

ft

Normal Resultant(Fig. 4‐11 EM 1110‐‐2502)

Nslide ΣV cos β( ) ΣH sin β( ) 8.873kip

ft

FSs

Nslide tan ϕF cF LCD

Tslide1.612

Factor of Safety(Eq. 4‐12 EM 1110‐2‐2502)

CheckFS "Ok" round FSs 1 1.33if

"Not Ok" otherwise

"Ok"Factor of Safety Check

11. Check Bearing Capacity.

Angle of Wall Friction(Fig. 5‐1 EM 1110‐2‐2502)

δ atanTslide

Nslide

21.189 deg

Eccentricity of Resultant eB

2XR 0.257 ft

Effective Width of Base Bprime B 2e 16.014 ft

Effective Overburden Stress(Eq. 5‐8a EM 1110‐2‐2502) qo γb TOF BOF( ) 0.115 ksf

Attachment F-2 25 of 27

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Typical Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Bearing Capacity Factors for strip load

Nq exp π tan ϕF tan 45degϕF

2

2

23.177Eq. 5‐3a EM 1110‐2‐2502

Eq. 5‐3b EM 1110‐2‐2502 Nc Nq 1 cot ϕF 35.49

Nγ Nq 1 tan 1.4 ϕF 22.022Eq. 5‐3d EM 1110‐2‐2502

Embedment Factors

ξcd 1 0.2TOF BOF( )

Bprimetan 45deg

ϕF

2

1.045Eq. 5‐4a EM 1110‐2‐2502

Eq. 5‐4c EM 1110‐2‐2502 ξqd 1 0.1TOF BOF( )

Bprimetan 45deg

ϕF

2

1.023

Eq. 5‐4c EM 1110‐2‐2502 ξγd ξqd 1.023

Inclination Factors

ξqi 1δ

90deg

2

0.585Eq. 5‐5a EM 1110‐2‐2502

Eq. 5‐5a EM 1110‐2‐2502 ξci ξqi 0.585

Eq. 5‐5b EM 1110‐2‐2502 ξγi 1δ

ϕF

2

0.114

**Base Tilt and Ground Slope Factors are al equal to 1 since there is not a base tilt nor sloped groundover the toe.

Ultimate Bearing Capacity (Eq. 5‐2 EM 1110‐2‐2502):

Q Bprime ξcd ξci cd Nc ξqd ξqi qo Nqξγd ξγi γb Bprime Nγ

2

44.537kip

ft

Factor of Safety(Eq. 5‐1 EM 1110‐2502)

FSBQ

Nslide5.019

Attachment F-2 26 of 27

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Typical Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Factor of Safety Check CheckFS "Ok" round FSB 1 2if

"Not Ok" otherwise

"Ok"

12. Check Flotation Criteria.

Factor of Safety(Eq. 3‐2 EM 1110‐2100)

FSF

w1 w2 w3 w4 ww

U2.053

FSCheck "Ok" FSF 1.2if

"Not Ok" otherwise

"Ok"

Attachment F-2 27 of 27

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Wingwall Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Inlet Headwall Design: Wingwall Section

Project Description

Reach 4 pipe drop structure inlet design for the Fargo Moorhead Metro project. The inlet will consist ofa concrete headwall and base slab, a trash rack for debris and three 7'‐2" openings in the headwall forRCPs.

 Units: kips 1000lbf pcflbf

ft3

lb lbf lbf lb psflbf

ft2

 Material Properties:

Unit weight of water γw 62.4pcf

Unit weight of concrete γc 150pcf

Reinforcing Steel fy 60000psi

Strength of Concrete fc 4000psi

Unit weight of soil, saturated γs 120pcf

Unit weight of soil, compacted γbf 115pcf

Unit weight of soil, bouyant γb γs γw 57.6 pcf

The drain will likely be constructed on alluvium, which in the Red River Valley typically occurs as a clayof low or high plasticity. The alluvium  will behave differently in short  and  long‐term  loading conditionsdue to its low permeability.

Undrained shear strength

Cohesion cu 900psf

Phi ϕu 0deg

Drained Shear Strength

Cohesion cd 0psf

Phi ϕ 31deg

Unit weight, select granular fill γF 125pcf

Cohesion  cF 0psf

Attachment F-3 1 of 32

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Wingwall Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Phi ϕF 32deg

 Inputs:

Existing Ground Elevation GR 890ft

Top of Wall Elevation TOW 893ft

Top of Footing Elevation TOF 886.5ft

Bottom of Footing Elevation BOF 884.5ft

Water Elevation Water 887ft

Stem Thickness THstem 1.5ft

Toe Length Toe 6ft

Heel Length Heel 6ft

Total Length of Footing B Toe Heel THstem 13.5 ft

EMB Slope EMBs 0

Slope angle θ atan EMBs 0 deg

Strength Mobilization Factor SMF2

3 <‐‐EM 1110‐2‐2502

Developed angle of internal friction ϕd atan SMF tan ϕ( )( ) 21.83 deg <‐‐EM 1110‐2‐2502

 References:U.S. Army Corps of Engineers. (29 September 1989), EM 1110‐2‐2502, Retaining andFlood Walls

U.S. Army Corps of Engineers. (1 December 2005), EM 1110‐2‐2100, StabilityAnalysis of Concrete Structures

U.S. Army Corps of Engineers (February 2012), Project Design Guidelines, FMM AreaFlood Risk Management Project, Engineering and Design Phase, Version 1. St. Paul,MN

Attachment F-3 2 of 32

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Wingwall Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

 Factors of Safety Requirements (EM 1110‐2‐2100 & EM 1110‐2‐2502):

Loading 

Condition

Minimum 

Sliding FS

Minimum 

Flotation FS

Minimum Bearing 

Capacity FS

Minimum Base Area 

in Compression

Usual  1.5 1.3 3 100%

Unusual 1.3 1.2 2 75%

Extreme 1.1 1.1 > 1 Resultant within Base

General Note: Since the wingwall slopes down, causing the wall height to vary along it's length, adesign section is taken 1/3 of the distance down the wall. 

 Load Case 1

Assumptions:     1. Horizontal Backfill     2. Empty Ditch (water equal on both sides at EL. 887.0)     3. Usual Condition

The loading on the strcture consists of the structure dead load, the weight of the soil above the heel, theweight of the water above the toe, lateral earth pressures & water pressures equal on both sides.

Attachment F-3 3 of 32

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Wingwall Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

1. Determine Critical Slip Plane angle

Coeffecient 1(Eq. 3‐26 EM 1110‐2‐2502) c1 2 tan ϕd 0.801

Coefficient 2(Eq. 3‐27 EM 1110‐2‐2502) c2 1 tan ϕd tan θ( )

tan θ( )

tan ϕd 1

Critical Slip‐Plane Angle(Eq. 3‐25 EM 1110‐2‐2502) α atan

c1 c12

4 c2

2

55.915 deg

2. Calculate Water Pressures.

Height of water above footing Hw 0 Water TOFif

Water TOF( )( ) otherwise

0.5 ft

ww Hw Toe γw 0.187kip

ft

Weight of Water

AwToe

23 ft

Water pressures are computed using the line of creep method from EM 1110‐2‐2502. The seepage pathis assumed to start at the top of the soil and ends at Point E.

Length top of water to BOF L1 TOF BOF 2 ft

Length from C to D LCD B 13.5 ft

Length from D to E LDE Water BOF( ) 2.5 ft

Ls L1 LCD LDE 18 ftSeepage path

Change in water elevation Δh Water Water 0 ft

PB Water TOF( ) γw 31.2 psfPressure at B

PC Water BOF( )Δh L1

Ls

γw 156 psfPressure at C

Attachment F-3 4 of 32

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Wingwall Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

PD Water BOF( )Δh L1 LCD

Ls

γw 156 psfPressure at D

PE 0psi <‐‐End of Creep, tail waterPressure at E

3. Calculate Water Loads and Moment Arms about O.

Load at C wc1

2PB PC TOF BOF( ) 0.187

kip

ft

AcTOF BOF( )

3

2 PB PC PB PC

0.778 ft

wd1

2PD Water BOF( ) 0.195

kip

ft

Load at D

Ad1

3TOF BOF( ) 0.667 ft

wb1

2PB Water TOF( ) 7.8 10

3

kip

ft

Load at B

Ab1

3Water TOF( ) TOF BOF( ) 2.167 ft

we 0kip

ft <‐‐End of Creep, tail water

Load at E

Ae 0ft <‐‐End of Creep, tail water

4. Calculate Lateral Pressure Coefficient

Pressure Coefficient(Appendix H EM 1110‐2‐2502)

K1

1 tan ϕd cot α( ) 1 tan ϕd tan α( )

tan α( )

tan α( ) tan θ( ) 0.458

Pressure Coefficient forfill below the saturationlevel (EM 1110‐2‐2502)

Kb

1 tan ϕd cot α( ) 1 tan ϕd tan α( )

1tan α( )

tan α( ) tan θ( )1

γs

γb

0.458

Attachment F-3 5 of 32

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Wingwall Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

5. Calculate Lateral Force

**Since there is soil above and below the water table, three pressures and computed and thenconverted to forces.

Unit weight accounting for seepage (EM 1110‐2‐2502) γprime

TOW BOF( )( ) γs PD TOW Water( )( ) γbf

Water BOF69.6 pcf

Soil Pressure 1 P1 K1 γbf TOW Water( )( ) 0.316 ksf

Soil Force 1 F1 .5 P1 TOW Water( )( ) 0.948kip

ft

a1 Water BOF( )1

3TOW Water( )( )

Soil Arm 1

a1 4.5 ft

P2 P1 γprime Kb Water BOF( ) 0.396 ksfSoil Pressure 2

F2 P1 Water BOF( ) 0.79kip

ft

Soil Force 2

Soil Arm 2 a2Water BOF

21.25 ft

F31

2P2 P1 Water BOF( ) 0.1

kip

ft

Soil Force 3

Soil Arm 3 a3Water BOF

30.833 ft

Resultant Force Pa F1 F2 F3 1.837kip

ft

Pah Pa cos θ( ) 1.837kip

ft

Horizontal Force

Ah

F1 a1 F2 a2 F3 a3

F1 F2 F32.904 ft

Pv Pa sin θ( ) 0kip

ft

Vertical Force

Av B 13.5 ft

Attachment F-3 6 of 32

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Wingwall Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

6. Calculate Structure and Soil Weights and Moments Arms about O.

Section 1 w1 Heel TOW Water( ) γbf Heel Water TOF( ) γs 4.5kip

ft

A1 Toe THstemHeel

2 10.5 ft

Section 2 w21

2Heel Heel tan θ( )( ) γs 0

kip

ft

A2 Toe THstem2

3Heel 11.5 ft

Section 3 w3 THstem TOW TOF( ) γc 1.463kip

ft

A3 ToeTHstem

2 6.75 ft

Section 4 w4 B TOF BOF( ) γc 4.05kip

ft

A4B

26.75 ft

7. Calculate Soil Force on Resisting Side.

At Rest Coefficient(Eq. 3‐4 EM 1110‐2‐2502)

Ko 1 sin ϕ( ) 0.485

Unit weight accounting for buyoant condition (EM 1110‐2‐2502) γprime

PB γs TOF BOF( ) PC

TOF BOF( )57.6 pcf

Po1

2Ko γprime TOF BOF( )

2 0.056

kip

ft

Horizontal Force

Ao TOF BOF( )1

3 0.667 ft

Attachment F-3 7 of 32

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Wingwall Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

8. Calculate Uplift Force.

Uplift Force U PC B 2.106kip

ft

AuB

26.75 ft

9. Check Overturning about O.

Sum of Vertical Forces Vv w1 w2 w3 w4 ww U 8.094kip

ft

MR w1 A1 w2 A2 w3 A3 w4 A4

ww Aw U Au Pah Ah Po Ao

wc Ac wd Ad wb Ab

65.54 kipSum of All Moments

Resultant Location(Eq. 4‐1 EM 1110‐2‐2502) XR

MR

Vv8.098 ft

Resultant Ratio(Eq. 4‐2 EM 1110‐2‐2502) RR

XR

B0.6

Base Compression Check CheckBase "Ok" .667 RR .333if

"Not Ok" otherwise

"Ok"

Overturning Moment Mo Pah Ah U Au wd Ad 19.681 kip

Mr w1 A1 w2 A2 w3 A3 w4 A4

wc Ac Po Ao wb Ab

84.659 kipResisting Moment

Factor of Safety FSo

Mr

Mo4.302

Factor of Safety Check CheckFS "Ok" round FSo 1 2if

"Not Ok" otherwise

"Ok"

Attachment F-3 8 of 32

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Wingwall Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

10. Check Slidng using EM1110‐2‐2502 "Single Wedge Analysis".

Slip angle β 0

cF 0 psfShear strength of foundation

ϕF 32 degPhi angle for foundation

LCD 13.5 ftLength of Sliding Plane

Vertical Forces ΣV w1 w2 w3 w4 ww U 8.094kip

ft

ΣH Pah wd wc Po wb 1.781kip

ft

Horizontal Forces

Parallel Resultant(Fig. 4‐11 EM 1110‐2‐2502) Tslide ΣH cos β( ) ΣV sin β( ) 1.781

kip

ft

Normal Resultant(Fig. 4‐11 EM 1110‐2‐2502) Nslide ΣV cos β( ) ΣH sin β( ) 8.094

kip

ft

Factor of Safety(Eq. 4‐12 EM 1110‐2‐2502)

FSs

Nslide tan ϕF cF LCD

Tslide2.839

CheckFS "Ok" round FSs 1 1.5if

"Not Ok" otherwise

"Ok"Factor of Safety Check

11. Check Bearing Capacity.

Angle of Wall Friction(Fig. 5‐1 EM 1110‐2‐2502)

δ atanTslide

Nslide

12.413 deg

Eccentricity of Resultant eB

2XR 1.348 ft

Effective Width of Base Bprime B 2e 16.195 ft

Effective Overburden Stress(Eq. 5‐8a EM 1110‐2‐2502)

qo γb TOF BOF( ) 0.115 ksf

Bearing Capacity Factors for strip load

Nq exp π tan ϕF tan 45degϕF

2

2

23.177Eq. 5‐3a EM 1110‐2‐2502

Attachment F-3 9 of 32

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Wingwall Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Eq. 5‐3b EM 1110‐2‐2502 Nc Nq 1 cot ϕF 35.49

Eq. 5‐3d EM 1110‐2‐2502 Nγ Nq 1 tan 1.4 ϕF 22.022

Embedment Factors

ξcd 1 0.2TOF BOF( )

Bprimetan 45deg

ϕF

2

1.045Eq. 5‐4a EM 1110‐2‐2502

Eq. 5‐4c EM 1110‐2‐2502 ξqd 1 0.1TOF BOF( )

Bprimetan 45deg

ϕF

2

1.022

Eq. 5‐4c EM 1110‐2‐2502 ξγd ξqd 1.022

Inclination Factors

ξqi 1δ

90deg

2

0.743Eq. 5‐5a EM 1110‐2‐2502

Eq. 5‐5a EM 1110‐2‐2502 ξci ξqi 0.743

ξγi 1δ

ϕF

2

0.375Eq. 5‐5b EM 1110‐2‐2502

**Base Tilt and Ground Slope Factors are al equal to 1 since there is not a base tilt nor sloped groundover the toe.

Ultimate Bearing Capacity (Eq. 5‐2 EM 1110‐2‐2502):

Q Bprime ξcd ξci cd Nc ξqd ξqi qo Nqξγd ξγi γprime Bprime Nγ

2

96.568kip

ft

Factor of Safety(Eq. 5‐1 EM 1110‐2‐2502) FSB

Q

Nslide11.931

Factor of Safety Check CheckFS "Ok" round FSB 1 3if

"Not Ok" otherwise

"Ok"

Attachment F-3 10 of 32

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Wingwall Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

12. Check Flotation Criteria.

Factor of Safety(Eq. 3‐2 EM 1110‐2‐2100)

FSF

w1 w2 w3 w4 ww

U4.843

FSCheck "Ok" FSF 1.3if

"Not Ok" otherwise

"Ok"

 Load Case 2

Assumptions:     1. Horizontal Backfill     2. Full Ditch (water equal on both sides at EL. 890)     3. Usual Condition

The loading on the strcture consists of the structure dead load, the weight of the soil above the heel, theweight of the water above the toe, lateral earth pressures & water pressures equal on both sides.

1. Determine Critical Slip angle

Critical Slip‐Plane Angle(Eq. 3‐25 EM 1110‐2‐2502)

α 55.915 deg <‐‐See Load Case 1 above

Attachment F-3 11 of 32

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Wingwall Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

2. Calculate Water Pressures.

Height of water above footing Hw GR TOF 3.5 ft

Weight of Water ww Hw Toe γw 1.31kip

ft

AwToe

23 ft

Water pressures are computed using the line of creep method from EM 1110‐2‐2502. The seepage pathis assumed to start at the top of the soil and ends at Point E.

L1 TOF BOF 2 ftLength from top of water to BOF

Length from C to D LCD B 13.5 ft

Length from D to E LDE GR BOF( ) 5.5 ft

Ls L1 LCD LDE 21 ftSeepage path

Change in water elevation Δh GR GR 0 ft

PB GR TOF( ) γw 0.218 ksfPressure at B

PC GR BOF( )Δh L1

Ls

γw 0.343 ksfPressure at C

PD GR BOF( )Δh L1 LCD

Ls

γw 0.343 ksfPressure at D

PE 0ksf <‐‐End of Creep, tail waterPressure at E

3. Calculate Water Loads and Moment Arms about O.

Load at C wc1

2PB PC TOF BOF( ) 0.562

kip

ft

AcTOF BOF( )

3

2 PB PC PB PC

0.926 ft

Attachment F-3 12 of 32

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Wingwall Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

wd1

2PD GR BOF( ) 0.944

kip

ft

Load at D

Ad1

3GR BOF( ) 1.833 ft

wb1

2PB GR TOF( ) 0.382

kip

ft

Load at B

Ab1

3GR TOF( ) TOF BOF( ) 3.167 ft

we 0kip

ft <‐‐End of Creep, tail water

Load at E

Ae 0ft <‐‐End of Creep, tail water

4. Calculate Lateral Pressure Coefficients

Pressure Coefficient(Appendix H EM 1110‐2‐2502)

K1 0.458 <‐‐See Load Case 1 above

Pressure Coefficient forfill below the saturationlevel (EM 1110‐2‐2502)

Kb 0.458 <‐‐See Load Case 1 above

5. Calculate Lateral Driving Force

**Since there is soil above and below the water table, two pressures are computed and then convertedto forces.

Unit weight accounting for seepage (EM 1110‐2‐2502)

γprime

TOW BOF( )( ) γs PD TOW GR( )( ) γbf

GR BOF60.327 pcf

Soil Pressure 1 P1 K1 γbf TOW GR( )( ) 0.158 ksf

Soil Force 1 F1 .5 P1 TOW GR( )( ) 0.237kip

ft

a1 GR BOF( )1

3Heel tan θ( ) TOW GR( )[ ] 6.5 ft

Soil Arm 1

Attachment F-3 13 of 32

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Wingwall Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

P2 P1 γprime Kb GR BOF( ) 0.31 ksfSoil Pressure 2

F2 P1 GR BOF( ) 0.869kip

ft

Soil Force 2

Soil Arm 2 a2GR BOF

22.75 ft

F31

2P2 P1 GR BOF( ) 0.418

kip

ft

Soil Force 3

Soil Arm 3 a3GR BOF

31.833 ft

Pah F1 F2 F3 1.524kip

ft

Active Horizontal Force

Ah

F1 a1 F2 a2 F3 a3

F1 F2 F33.082 ft

Active Force Arm

Pv Pah sin θ( ) 0kip

ft

Av B 13.5 ft

6. Calculate Structure and Soil Weights and Moments Arms about O.

Section 1 w1 Heel GR TOF( ) γs 2.52kip

ft

A1 Toe THstemHeel

2 10.5 ft

Section 2 w2 Heel TOW GR( ) γbf 2.07kip

ft

A2 Toe THstem1

2Heel 10.5 ft

w31

2Heel Heel tan θ( )( ) γbf 0

kip

ft

Section 3

A3 Toe THstem2

3Heel 11.5 ft

w4 THstem TOW TOF( ) γc 1.463kip

ft

Section 4

Attachment F-3 14 of 32

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Wingwall Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

A4 ToeTHstem

2 6.75 ft

Section 5 w5 B TOF BOF( ) γc 4.05kip

ft

A5B

26.75 ft

7. Calculate Soil Force on Resisting Side.

Ko 1 sin ϕ( ) 0.485At Rest Coefficient(Eq. 3‐4 EM 1110‐2‐2502)

Unit weight accounting for seepage (EM 1110‐2‐2502) γprime

GR BOF( ) γs PD GR BOF( )

57.6 pcf

Horizontal Force Po1

2Ko γprime TOF BOF( )

2 0.056

kip

ft

Ao TOF BOF( )1

3 0.667 ft

8. Calculate Uplift Force.

Uplift ForceU PC B 4.633

kip

ft

AuB

26.75 ft

9. Check Overturning about O.

Sum of Vertical Forces Vv w1 w2 w3 w4 w5 ww U 6.78kip

ft

MR w1 A1 w2 A2 w3 A3 w4 A4

ww Aw U Au Pah Ah Po Ao

wc Ac wd Ad w5 A5 wb Ab

53.403 kipSum of All Moments

Resultant Location(Eq. 4‐1 EM 1110‐2502) XR

MR

Vv7.877 ft

Attachment F-3 15 of 32

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Wingwall Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Resultant Ratio(Eq. 4‐2 EM 1110‐2‐2502) RR

XR

B0.583

Base Compression Check CheckBase "Ok" .667 RR .333if

"Not Ok" otherwise

"Ok"

Overturning Moment Mo Pah Ah U Au wd Ad 37.7 kip

Mr w1 A1 w2 A2 w3 A3 w4 A4

wc Ac Po Ao w5 A5 ww Aw wb Ab

91.103 kipResisting Moment

Factor of Safety FSo

Mr

Mo2.417

Factor of Safety Check CheckFS "Ok" round FSo 1 2if

"Not Ok" otherwise

"Ok"

10. Check Slidng using EM1110‐2‐2502 "Single Wedge Analysis".

Slip angle β 0

cF 0 psfShear strength of foundation

ϕF 32 degPhi angle for foundation

LCD 13.5 ftLength of Sliding Plane

Vertical Forces ΣV w1 w2 w3 w4 w5 ww U 6.78kip

ft

ΣH Pah wd wc Po wb 1.468kip

ft

Horizontal Forces

Parallel Resultant(Fig. 4‐11 EM 1110‐2‐2502)

Tslide ΣH cos β( ) ΣV sin β( ) 1.468kip

ft

Normal Resultant(Fig. 4‐11 EM 1110‐2‐2502)

Nslide ΣV cos β( ) ΣH sin β( ) 6.78kip

ft

Attachment F-3 16 of 32

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Wingwall Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Factor of Safety(Eq. 4‐12 EM 1110‐2‐2502) FSs

Nslide tan ϕF cF LCD

Tslide2.886

CheckFS "Ok" round FSs 1 1.5if

"Not Ok" otherwise

"Ok"Factor of Safety Check

11. Check Bearing Capacity.

Angle of Wall Friction(Fig. 5‐1 EM 1110‐2‐2502)

δ atanTslide

Nslide

12.215 deg

Eccentricity of Resultant eB

2XR 1.127 ft

Effective Width of Base Bprime B 2e 15.754 ft

Effective Overburden Stress(Eq. 5‐8a EM 1110‐2‐2502)

qo γb TOF BOF( ) 0.115 ksf

Bearing Capacity Factors for strip load

Nq exp π tan ϕF tan 45degϕF

2

2

23.177Eq. 5‐3a EM 1110‐2‐2502

Eq. 5‐3b EM 1110‐2‐2502 Nc Nq 1 cot ϕF 35.49

Eq. 5‐3d EM 1110‐2‐2502 Nγ Nq 1 tan 1.4 ϕF 22.022

Embedment Factors

ξcd 1 0.2TOF BOF( )

Bprimetan 45deg

ϕF

2

1.046Eq. 5‐4a EM 1110‐2‐2502

Eq. 5‐4c EM 1110‐2‐2502 ξqd 1 0.1TOF BOF( )

Bprimetan 45deg

ϕF

2

1.023

Eq. 5‐4c EM 1110‐2‐2502 ξγd ξqd 1.023

Inclination Factors

ξqi 1δ

90deg

2

0.747Eq. 5‐5a EM 1110‐2‐2502

Attachment F-3 17 of 32

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Wingwall Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Eq. 5‐5a EM 1110‐2‐2502 ξci ξqi 0.747

ξγi 1δ

ϕF

2

0.382Eq. 5‐5b EM 1110‐2‐2502

**Base Tilt and Ground Slope Factors are al equal to 1 since there is not a base tilt nor sloped groundover the toe.

Ultimate Bearing Capacity (Eq. 5‐2 EM 1110‐2‐2502):

Q Bprime ξcd ξci cd Nc ξqd ξqi qo Nqξγd ξγi γprime Bprime Nγ

2

93.688kip

ft

Factor of Safety(Eq. 5‐1 EM 1110‐2‐2502)

FSBQ

Nslide13.819

Factor of Safety Check CheckFS "Ok" round FSB 1 3if

"Not Ok" otherwise

"Ok"

12. Check Flotation Criteria.

Factor of Safety(Eq. 3‐2 EM 1110‐2‐2100)

FSF

w1 w2 w3 w4 w5 ww

U2.463

FSCheck "Ok" FSF 1.5if

"Not Ok" otherwise

"Ok"

Attachment F-3 18 of 32

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Wingwall Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

 Load Case 3

Assumptions:     1. Horizontal Backfill     2. Lagging soil (Water at EL. 893.0 on Heel side; EL. 891.0 on Toe Side)     3. Unusual Condition

The loading on the strcture consists of the structure dead load, the weight of the soil above the heel, theweight of the water above the toe, lateral earth pressures & unequal water pressures.

1. Determine Critical Slip angle

Critical Slip‐Plane Angle(Eq. 3‐25 EM 1110‐2‐2502) α 55.915 deg

2. Calculate Water Pressures.

Height of water above footing Hw TOW 2ft( ) TOF[ ] 4.5 ft

ww Hw Toe γw 1.685kip

ft

Weight of Water

AwToe

23 ft

Attachment F-3 19 of 32

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Wingwall Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Water pressures are computed using the line of creep method from EM 1110‐2‐2502. The seepage pathis assumed to start at the top of the soil and ends at Point E.

Length from ground to C L1 TOF BOF 2 ft

Length from C to DLCD B 13.5 ft

Length from D to ELDE TOW BOF( ) 8.5 ft

Seepage path Ls L1 LCD LDE 24 ft

Change in water elevation Δh TOW 2ft( ) TOW 2 ft

Pressure at B PB TOW 2ft( ) TOF[ ] γw 0.2808 ksf

PC TOW 2ft( ) BOF[ ]Δh L1

Ls

γw 0.416 ksfPressure at C

Pressure at D PD TOW 2ft( ) BOF[ ]Δh L1 LCD

Ls

γw 0.486 ksf

3. Calculate Water Loads and Moment Arms about O.

wc1

2TOF BOF( ) PB PC 0.697

kip

ft

Load at C

AcTOF BOF( )

3

2PB PC PB PC

0.935 ft

wd1

2PD TOW BOF( ) 2.066

kip

ft

Load at D

Ad1

3TOW BOF( ) 2.833 ft

wb1

2PB TOW 2ft( ) TOF[ ] 0.632

kip

ft

Load at B

Ab TOF BOF( )1

3TOW 2ft( ) TOF[ ] 3.5 ft

Attachment F-3 20 of 32

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Wingwall Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

we 0kip

ft <‐‐End of Creep, tail water

Load at E

<‐‐End of Creep, tail waterAe 0ft

4. Calculate Lateral Pressure Coefficient

Pressure Coefficient(Appendix H EM 1110‐2‐2502) K1 0.458

Pressure Coefficient forfill below the saturationlevel (EM 1110‐2‐2502)

Kb 0.458

5. Calculate Lateral Force

**Since there is soil above and below the water table, three pressures and computed and thenconverted to forces.

Unit weight accounting for seepage (EM 1110‐2‐2502) γprime

TOW BOF( )( ) γs PD

TOW BOF62.8 pcf

Soil Pressure 1 P1 K1 γprime TOW BOF( ) 0.244 ksf

Soil Force 1 F1 .5 P1 TOW BOF( ) 1.039kip

ft

a11

3TOW BOF( ) 2.833 ft

Soil Arm 1

Pah F1 1.039kip

ft

Active Horizontal Force

Ah a1 2.833 ftActive Force Arm

Pv Pah sin θ( ) 0kip

ft

Av B 13.5 ft

6. Calculate Structure and Soil Weights and Moments Arms about O.

Section 1 w1 Heel TOW TOF( ) γs 4.68kip

ft

Attachment F-3 21 of 32

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Wingwall Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

A1 Toe THstemHeel

2 10.5 ft

w21

2Heel Heel tan θ( )( ) γs 0

kip

ft

Section 2

A2 Toe THstem2

3Heel 11.5 ft

w3 THstem TOW TOF( ) γc 1.463kip

ft

Section 3

A3 ToeTHstem

2 6.75 ft

Section 4 w4 B TOF BOF( ) γc 4.05kip

ft

A4B

26.75 ft

7. Calculate Soil Force on Resisting Side.

At Rest Coefficient(Eq. 3‐4 EM 1110‐2‐2502)

Ko 1 sin ϕ( ) 0.485

Unit weight accounting for seepage (EM 1110‐2‐2502) γprime

PB γs TOF BOF( ) PC

TOF BOF( )52.4 pcf

Horizontal Force Po1

2Ko γprime TOF BOF( )

2 0.051

kip

ft

Ao TOF BOF( )1

3 0.667 ft

8. Calculate Uplift Force.

Uplift ForceU PC B

1

2PD PC B 6.09

kip

ft

Au

PC BB

2

1

2PD PC B

B

3

PC B1

2PD PC B

6.575 ft

Attachment F-3 22 of 32

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Wingwall Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

9. Check Overturning about O.

Sum of Vertical Forces Vv w1 w2 w3 w4 ww U 5.787kip

ft

MR w1 A1 w2 A2 w3 A3 w4 A4

ww Aw U Au Pah Ah Po Ao

wc Ac wd Ad wb Ab

45.462 kipSum of All Moments

Resultant Location(Eq. 4‐1 EM 1110‐2502) XR

MR

Vv7.855 ft

Resultant Ratio(Eq. 4‐2 EM 1110‐2‐2502) RR

XR

B0.582

Base Compression Check CheckBase "Ok" .667 RR .333if

"Not Ok" otherwise

"Ok"

Overturning Moment Mo Pah Ah U Au wd Ad 48.838 kip

Mr w1 A1 w2 A2 w3 A3 w4 A4

wc Ac Po Ao ww Aw wb Ab

94.301 kipResisting Moment

Factor of Safety FSo

Mr

Mo1.931

Factor of Safety Check CheckFS "Ok" round FSo 1 1.5if

"Not Ok" otherwise

"Ok"

10. Check Slidng using EM1110‐2‐2502 "Single Wedge Analysis".

Slip angle β 0

cF 0 psfShear strength of foundation

ϕF 32 degPhi angle for foundation

LCD 13.5 ftLength of Sliding Plane

Attachment F-3 23 of 32

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Wingwall Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Vertical Forces ΣV w1 w2 w3 w4 ww U 5.787kip

ft

ΣH Pah wd wc Po wb 1.726kip

ft

Horizontal Forces

Parallel Resultant(Fig. 4‐11 EM 1110‐2‐2502)

Tslide ΣH cos β( ) ΣV sin β( ) 1.726kip

ft

Normal Resultant(Fig. 4‐11 EM 1110‐2‐2502)

Nslide ΣV cos β( ) ΣH sin β( ) 5.787kip

ft

Factor of Safety(Eq. 4‐12 EM 1110‐2‐2502) FSs

Nslide tan ϕF cF LCD

Tslide2.096

CheckFS "Ok" round FSs 1 1.33if

"Not Ok" otherwise

"Ok"Factor of Safety Check

11. Check Bearing Capacity.

Angle of Wall Friction(Fig. 5‐1 EM 1110‐2‐2502)

δ atanTslide

Nslide

16.604 deg

Eccentricity of Resultant eB

2XR 1.105 ft

Effective Width of Base Bprime B 2e 15.711 ft

Effective Overburden Stress(Eq. 5‐8a EM 1110‐2‐2502)

qo γb TOF BOF( ) 0.115 ksf

Bearing Capacity Factors for strip load

Nq exp π tan ϕF tan 45degϕF

2

2

23.177Eq. 5‐3a EM 1110‐2‐2502

Eq. 5‐3b EM 1110‐2‐2502 Nc Nq 1 cot ϕF 35.49

Eq. 5‐3d EM 1110‐2‐2502 Nγ Nq 1 tan 1.4 ϕF 22.022

Attachment F-3 24 of 32

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Wingwall Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Embedment Factors

ξcd 1 0.2TOF BOF( )

Bprimetan 45deg

ϕF

2

1.046Eq. 5‐4a EM 1110‐2‐2502

ξqd 1 0.1TOF BOF( )

Bprimetan 45deg

ϕF

2

1.023Eq. 5‐4c EM 1110‐2‐2502

ξγd ξqd 1.023Eq. 5‐4c EM 1110‐2‐2502

Inclination Factors

ξqi 1δ

90deg

2

0.665Eq. 5‐5a EM 1110‐2‐2502

Eq. 5‐5a EM 1110‐2‐2502 ξci ξqi 0.665

ξγi 1δ

ϕF

2

0.231Eq. 5‐5b EM 1110‐2‐2502

**Base Tilt and Ground Slope Factors are all equal to 1 since there is not a base tilt nor sloped groundover the toe.

Ultimate Bearing Capacity (Eq. 5‐2 EM 1110‐2‐2502):

Q Bprime ξcd ξci cd Nc ξqd ξqi qo Nqξγd ξγi γprime Bprime Nγ

2

62.264kip

ft

Factor of Safety(Eq. 5‐1 EM 1110‐2‐2502)

FSBQ

Nslide10.758

Factor of Safety Check CheckFS "Ok" round FSB 1 2if

"Not Ok" otherwise

"Ok"

12. Check Flotation Criteria.

Factor of Safety(Eq. 3‐2 EM 1110‐2‐2100) FSF

w1 w2 w3 w4 ww

U1.95

FSCheck "Ok" FSF 1.2if

"Not Ok" otherwise

"Ok"

Attachment F-3 25 of 32

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Wingwall Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

 Load Case 4

Assumptions:     1. Horizontal Backfill     2. Wall is completely submerged (water @ EL. 894.5) ‐ Flotation is the primary concern for this LC     3. Unusual Condition

The loading on the strcture consists of the structure dead load, the weight of the soil above the heel, theweight of the water above the toe, lateral earth pressures & water pressures equal on both sides.

1. Determine Critical Slip angle

Critical Slip‐Plane Angle(Eq. 3‐25 EM 1110‐2‐2502) α 55.915 deg

2. Calculate Water Pressures.

Height of water above footing Hw TOW 1.5ft( ) TOF 8 ft

ww Hw Toe γw 2.995kip

ft

Weight of Water

AwToe

23 ft

Attachment F-3 26 of 32

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Wingwall Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Water pressures are computed using the line of creep method from EM 1110‐2‐2502. The seepage pathis assumed to start at the top of the soil and ends at Point E.

Length from ground to C L1 TOF BOF 2 ft

Length from C to DLCD B 13.5 ft

Length from D to ELDE TOW 1.5ft( ) BOF[ ] 10 ft

Seepage path Ls L1 LCD LDE 25.5 ft

Change in water elevation Δh TOW 1.5ft( ) TOW 1.5ft( ) 0 ft

Pressure at B PB TOW 1.5ft( ) TOF[ ] γw 0.4992 ksf

PC TOW 1.5ft BOF( )Δh L1

Ls

γw 0.624 ksfPressure at C

Pressure at D PD TOW 1.5ft BOF( )Δh L1 LCD

Ls

γw 0.624 ksf

3. Calculate Water Loads and Moment Arms about O.

wc1

2TOF BOF( ) PB PC 1.123

kip

ft

Load at C

AcTOF BOF( )

3

2PB PC PB PC

0.963 ft

wd1

2PD 1.5ft TOW( ) BOF[ ] 3.12

kip

ft

Load at D

Ad1

3TOW 1.5ft( ) BOF[ ] 3.333 ft

wb1

2PB TOW 1.5ft TOF( ) 1.997

kip

ft

Load at B

Ab TOF BOF( )1

3TOW 1.5ft TOF( ) 4.667 ft

Attachment F-3 27 of 32

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Wingwall Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

we 0kip

ft <‐‐End of Creep, tail water

Load at E

<‐‐End of Creep, tail waterAe 0ft

4. Calculate Lateral Pressure Coefficient

Pressure Coefficient(Appendix H EM 1110‐2‐2502) K1 0.458

Pressure Coefficient forfill below the saturationlevel (EM 1110‐2‐2502)

Kb 0.458

5. Calculate Lateral Force

**Since there is soil above and below the water table, three pressures and computed and thenconverted to forces.

Unit weight accounting for seepage (EM 1110‐2‐2502) γprime

TOW 1.5ft( ) BOF[ ] γs PD

TOW 1.5ft( ) BOF57.6 pcf

Soil Pressure 1 P1 K1 γprime TOW BOF( ) 0.224 ksf

Soil Force 1 F1 .5 P1 TOW BOF( ) 0.953kip

ft

a11

3TOW BOF( ) 2.833 ft

Soil Arm 1

Pah F1 0.953kip

ft

Active Horizontal Force

Ah a1 2.833 ftActive Force Arm

Pv Pah sin θ( ) 0kip

ft

Av B 13.5 ft

6. Calculate Structure and Soil Weights and Moments Arms about O.

Section 1 w1 Heel TOW TOF( ) γs 4.68kip

ft

Attachment F-3 28 of 32

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Wingwall Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

A1 Toe THstemHeel

2 10.5 ft

w2 Heel THstem TOW 1.5ft( ) TOW[ ] γw 0.702kip

ft

Section 2(water weight)

A2 ToeHeel THstem

2

9.75 ft

w3 THstem TOW TOF( ) γc 1.463kip

ft

Section 3

A3 ToeTHstem

2 6.75 ft

Section 4 w4 B TOF BOF( ) γc 4.05kip

ft

A4B

26.75 ft

7. Calculate Soil Force on Resisting Side.

At Rest Coefficient(Eq. 3‐4 EM 1110‐2‐2502)

Ko 1 sin ϕ( ) 0.485

Unit weight accounting for seepage (EM 1110‐2‐2502) γprime

PB γs TOF BOF( ) PC

TOF BOF( )57.6 pcf

Horizontal Force Po1

2Ko γprime TOF BOF( )

2 0.056

kip

ft

Ao TOF BOF( )1

3 0.667 ft

8. Calculate Uplift Force.

Uplift ForceU PC B

1

2PD PC B 8.424

kip

ft

Au

PC BB

2

1

2PD PC B

B

3

PC B1

2PD PC B

6.75 ft

Attachment F-3 29 of 32

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Wingwall Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

9. Check Overturning about O.

Sum of Vertical Forces Vv w1 w2 w3 w4 ww U 5.466kip

ft

MR w1 A1 w2 A2 w3 A3 w4 A4

ww Aw U Au Pah Ah Po Ao

wc Ac wd Ad wb Ab

42.655 kipSum of All Moments

Resultant Location(Eq. 4‐1 EM 1110‐2‐2502) XR

MR

Vv7.804 ft

Resultant Ratio(Eq. 4‐2 EM 1110‐2‐2502) RR

XR

B0.578

Base Compression Check CheckBase "Ok" .667 RR .333if

"Not Ok" otherwise

"Ok"

Overturning Moment Mo Pah Ah U Au wd Ad 69.962 kip

Mr w1 A1 w2 A2 w3 A3 w4 A4

wc Ac Po Ao ww Aw wb Ab

112.617 kipResisting Moment

Factor of Safety FSo

Mr

Mo1.61

Factor of Safety Check CheckFS "Ok" round FSo 1 1.5if

"Not Ok" otherwise

"Ok"

10. Check Slidng using EM1110‐2‐2502 "Single Wedge Analysis".

Slip angle β 0

cF 0 psfShear strength of foundation

ϕF 32 degPhi angle for foundation

LCD 13.5 ftLength of Sliding Plane

Attachment F-3 30 of 32

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Wingwall Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Vertical Forces ΣV w1 w2 w3 w4 ww U 5.466kip

ft

ΣH Pah wd wc Po wb 0.897kip

ft

Horizontal Forces

Parallel Resultant(Fig. 4‐11 EM 1110‐2‐2502)

Tslide ΣH cos β( ) ΣV sin β( ) 0.897kip

ft

Normal Resultant(Fig. 4‐11 EM 1110‐2‐2502)

Nslide ΣV cos β( ) ΣH sin β( ) 5.466kip

ft

Factor of Safety(Eq. 4‐12 EM 1110‐2‐2502) FSs

Nslide tan ϕF cF LCD

Tslide3.808

CheckFS "Ok" round FSs 1 1.33if

"Not Ok" otherwise

"Ok"Factor of Safety Check

11. Check Bearing Capacity.

Angle of Wall Friction(Fig. 5‐1 EM 1110‐2‐2502)

δ atanTslide

Nslide

9.319 deg

Eccentricity of Resultant eB

2XR 1.054 ft

Effective Width of Base Bprime B 2e 15.608 ft

Effective Overburden Stress(Eq. 5‐8a EM 1110‐2‐2502)

qo γb TOF BOF( ) 0.115 ksf

Bearing Capacity Factors for strip load

Nq exp π tan ϕF tan 45degϕF

2

2

23.177Eq. 5‐3a EM 1110‐2‐2502

Eq. 5‐3b EM 1110‐2‐2502 Nc Nq 1 cot ϕF 35.49

Eq. 5‐3d EM 1110‐2‐2502 Nγ Nq 1 tan 1.4 ϕF 22.022

Attachment F-3 31 of 32

FMM Reach 4Inlet Headwall Design

Wingwall Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Embedment Factors

ξcd 1 0.2TOF BOF( )

Bprimetan 45deg

ϕF

2

1.046Eq. 5‐4a EM 1110‐2‐2502

ξqd 1 0.1TOF BOF( )

Bprimetan 45deg

ϕF

2

1.023Eq. 5‐4c EM 1110‐2‐2502

ξγd ξqd 1.023Eq. 5‐4c EM 1110‐2‐2502

Inclination Factors

ξqi 1δ

90deg

2

0.804Eq. 5‐5a EM 1110‐2‐2502

Eq. 5‐5a EM 1110‐2‐2502 ξci ξqi 0.804

ξγi 1δ

ϕF

2

0.502Eq. 5‐5b EM 1110‐2‐2502

**Base Tilt and Ground Slope Factors are all equal to 1 since there is not a base tilt nor sloped groundover the toe.

Ultimate Bearing Capacity (Eq. 5‐2 EM 1110‐2‐2502):

Q Bprime ξcd ξci cd Nc ξqd ξqi qo Nqξγd ξγi γprime Bprime Nγ

2

113.683kip

ft

Factor of Safety(Eq. 5‐1 EM 1110‐2‐2502)

FSBQ

Nslide20.799

Factor of Safety Check CheckFS "Ok" round FSB 1 2if

"Not Ok" otherwise

"Ok"

12. Check Flotation Criteria.

Factor of Safety(Eq. 3‐2 EM 1110‐2‐2100) FSF

w1 w2 w3 w4 ww

U1.649

FSCheck "Ok" FSF 1.2if

"Not Ok" otherwise

"Ok"

Attachment F-3 32 of 32

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Pipe Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Inlet Headwall Reinforcement Design for Pipe Section

Project Description

Reach 4 pipe drop structure inlet design for the Fargo Moorhead Metro project. The inlet will consist ofa concrete headwall and base slab, a trash rack for debris and three 7'‐2" openings in the headwall forRCPs.

 Units: kips 1000lbf pcflbf

ft3

lb lbf lbf lb psflbf

ft2

 Material Properties:

Unit weight of water γw 62.4pcf

Unit weight of concrete γc 150pcf

Reinforcing Steel fy 60000psi

Strength of Concrete fc 4000psi

Unit weight of soil, saturated γs 120pcf

Unit weight of soil, compacted γbf 115pcf

Unit weight of soil, bouyant γb γs γw 57.6 pcf

Undrained shear strength

Cohesion cu 900psf

Phi ϕu 0deg

Drained Shear Strength

Cohesion cd 0psf

Phi ϕ 31deg

Unit weight, select granular fill γF 125pcf

Cohesion  cF 0psf

Phi ϕF 32deg

Attachment F-4 1 of 29

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Pipe Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

 Inputs:

Existing Ground Elevation GR 890ft

Top of Wall Elevation TOW 894.5ft

Top of Footing Elevation TOF 886.5ft

Bottom of Footing Elevation BOF 884.5ft

Water Elevation Water 887ft

Stem Thickness THstem 1.5ft

Toe Length Toe 8ft

Heel Length Heel 8ft

Total Length of Footing B Toe Heel THstem 17.5 ft

EMB Slope EMBs1

4

Slope angle θ atan EMBs 14.036 deg

Strength Mobilization Factor SMF2

3

Developed angle of internal friction ϕd atan SMF tan ϕ( )( ) 21.83 deg

 Load Factors and Reduction Factors:

Load Factor Lf 1.7

Hydraulic Factor Hf 1.3

Bending Reduction Factor ϕb 0.90

Shear Reduction Factor ϕv 0.75

 Reinforcement Parameters:

#6 Bar Diameter Dia6 0.75in <‐‐Assume #6 bar

#7 Bar Diameter Dia7 0.875in <‐‐Assume #7 bar

#8 Bar Diameter Dia8 1.00in <‐‐Assume #8 bar

Attachment F-4 2 of 29

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Pipe Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Section Width b 12in

Concrete Cover cover 4in coverstem 3in

tp 7inPipe Thickness

Stem Design

From inspection, it can be determined that the worst design case for the stem will be Load Case 1. Soilis compacted on one side of the stem and water at EL. 887.0 on the other (empty ditch).

The stem will be designed as a cantilever beam, fixed at the point where the base and stem connect.

1. Calculate forces acting on stem.

Pressure Coefficient K1 0.458 <‐‐Taken from Inlet Headwall Design

Pressure Coefficient Kb 0.458 <‐‐Taken from Inlet Headwall Design

Unit weight accounting for seepage (EM 1110‐2‐2502)

γprime 76.6pcf <‐‐Taken from Inlet Headwall Design

θplane 0deg <‐‐Taken from Inlet Headwall Design

Soil Pressure 1 P1 K1 γbf TOW Water( ) Heel tan θ( )[ ] 0.5 ksf

Soil Force 1 F1 .5 P1 TOW Water( ) Heel tan θ( )[ ] 2.377kip

ft

a1 Water TOF( )1

3Heel tan θ( ) TOW Water( )[ ]

Soil Arm 1

a1 3.667 ft

P2 P1 γprime Kb Water TOF( ) 0.518 ksfSoil Pressure 2

F2 P1 Water TOF( ) 0.25kip

ft

Soil Force 2

Soil Arm 2 a2Water TOF

20.25 ft

F31

2P2 P1 Water TOF( ) 4.385 10

3

kip

ft

Soil Force 3

Soil Arm 3 a3Water TOF

30.167 ft

Attachment F-4 3 of 29

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Pipe Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Resultant Force Pa F1 F2 F3 2.631kip

ft

Pah Pa cos θplane 2.631kip

ft

Horizontal Force

Ah

F1 a1 F2 a2 F3 a3

F1 F2 F33.336 ft

Surcharge Load surcharge 200psf

Ps K1 surcharge TOW TOF( ) Heel tan θ( )[ ] 0.916kip

ft

Surcharge Horizontal Force

As1

2TOW TOF( ) Heel tan θ( )[ ] 5 ft

Surcharge Force Arm

Resisting Water Load Pr .5 γw Water TOF( )2

0.008kip

ft

Water Load Arm Ar1

3Water TOF( ) 0.167 ft

MD Lf Hf Pah Ah 1 ft Ps As 1 ft

Pr Ar 1 ft

29.518 kip ftDesign Moment

2. Determine area of temperature and shrinkage steel required.

Minimum reinforcement ratio ρt .0014 <‐‐EM 1110‐2‐2104

Required Area of Reinforcement At ρt b THstem 0.302 in2

Area of Reinforcement Provided Ast .31in2

<‐‐Input the area of steel that will be provided

   Specify #5 @ 12" for Temperature and Shrinkage   

3. Determine area of flexural steel required.

Fraction β1 β1 0.854ksi

ksi

fc

ksi

.05 0.85

Attachment F-4 4 of 29

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Pipe Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Distance to reinforcement d THstem coverstem1

2Dia8 14.5 in

Steel ratio Ru

MD

b d2

140.396 psi

ρ0.85 fc

fy1 1

2 Ru

ϕb 0.85( ) fc

0.0027

Required Area of Reinforcement Ast ρ b d 0.463 in2

Minimum Flexural Steel Required (ACI 318‐11 Section 10.5.1)

Asmin

3fc

psi

fyb d psi

3fc

psi

fyb d psi

200

fy1

psi

b dif

200

fy1

psi

b d

otherwise

0.58 in2

Minimum Flexural Steel Required (ACI 318‐11 Section 10.5.3)

Asmin2 1.33 Ast 0.616 in2

Required Area of Reinforcment Check

Ast max min Asmin Asmin2 Ast At 0.58 in2

4. Check Maximum Steel ratio.

Balanced Steel ratio ρb 0.85 β1fc

fy

87

87fy

1000psi

0.029

Attachment F-4 5 of 29

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Pipe Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Asmax "Less than or equal to recommended limit (OK)" ρ 0.25 ρbif

"Doesn't require special investigation (OK)" 0.25 ρb ρ .375 ρbif

"Consider other options (NOT OK)" otherwise

Asmax "Less than or equal to recommended limit (OK)"

5. Specify Flexural Steel Reinforcement.

Required Area of Flexural Steel Ast 0.58 in2

Area of Reinforcement Provided Asf 0.60in2

<‐‐Input the area of steel that will be provided

            Specify #7 @ 12" for Flexural Reinforcement

6. Verify Steel Yields.

Tension Force T Asf fy 36 kip

Depth of compression zone aAsf fy

0.85 fc b0.882 in

ca

β11.038 in

Distance to neutral axis

εcd c

c

0.003 0.039Concrete Strain

Check "Tension Controlled" εc .005if

"Compression Controlled" εc .002if

"Transition Zone" .002 εc .005if

Steel Yield Check

Check "Tension Controlled"

Attachment F-4 6 of 29

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Pipe Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

7. Calculate Moment Capacity Provided by Steel Reinforcment .

ϕb 0.9 εc .005if

0.65 εc .002if

0.65 εc .002 250

3

.002 εc .005if

0.9Verify Reduction Factor

Moment Capacity ϕMn ϕb Asf fy d1

2

Asf fy

0.85 fc b

37.959 kip ft

Capacity Check Check "Adequate Moment Capacity" ϕMn MDif

"Inadequate Moment Capacity" otherwise

Check "Adequate Moment Capacity"

8. Check Shear Capacity.

Shear Strength of Concrete ϕVc ϕv 2fc

psi b d

lb

in2

16.507 kip

Ultimate Shear Strength Vu Lf Pah 1 ft Ps 1 ft Pr 1 ft 6.017 kip

Check "Adequate Shear Capacity" ϕVc Vuif

"Inadequate Shear Capacity" otherwise

Check "Adequate Shear Capacity"

Heel and Toe Design

Each Load Case will be evaluated to determine the maximum moments in both the heel and toe.Forces will include bearing pressures underneath the footing, uplift pressures underneath the footingand water and soil loads above the footing.Both the Heel and the Toe are designed as cantileverbeams subjected to soil and water loads.

Load Case 1 Summary

Eccentricity e 1.897 ft <‐‐Taken from Inlet Headwall Design

Attachment F-4 7 of 29

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Pipe Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Vertical Loads Vv 12.87kip <‐‐Taken from Inlet Headwall Design

Area for 1‐ft length of footing A B 1 ft 17.5 ft2

Moment of Inertia I1ft B

3

12446.615 ft

4

Pressure under toe q1

Vv

A

Vv e 0.5 B( )

I 0.257 ksf

Pressure under heel q2

Vv

A

Vv e 0.5 B( )

I 1.214 ksf

The figure below shows the bearing pressure distribution underneath the footing.

Heel Loads for Load Case 1

Soil above footing Ws 7.38kip

asHeel

24 ft

Wst 0.92kip

Attachment F-4 8 of 29

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Pipe Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

ast2

3Heel 5.333 ft

Weight of Heel Wh Heel TOF BOF( ) 1 ft γc 2.4 kip

ahHeel

2

Weight of Surcharge Wsusurcharge

γsHeel 1 ft γs 1.6 kip

asuHeel

24 ft

Uplift Pressure Uplift 0.156ksf

fu Uplift Heel 1 ft 1.248 kip

auHeel

2

Pressure underneath Heel(Uniform Section)

p1 Toe THstem q2 q1

B q1 0.776 ksf

f1 p1 Heel 1 ft 6.211 kip

a1Heel

2

Pressure underneath Heel(Triangular Section)

p2 q2 p1 0.437 ksf

f2 0.5 Heel p2 1 ft 1.749 kip

a22

3Heel 5.333 ft

Attachment F-4 9 of 29

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Pipe Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

The figure below shows the pressure distribution underneath the heel. 

Wtotal Lf Hf Ws Wh Wsu f1 f2 fu 4.799 kipTotal Weight

Moment in Heel Muh1 Lf Hf Ws as Wst ast Wh ah

Wsu asu f1 a1 f2 a2

fu au

24.883 kip ft

Vuh1 Wtotal 4.799 kipShear in Heel

Toe Loads for Load Case 1

Pressure underneath toe(Uniform Section)

p1 q1 0.257 ksf

f1 p1 Toe 1 ft 2.057 kip

Attachment F-4 10 of 29

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Pipe Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

a1Toe

24 ft

Pressure underneath toe(Triangular Section)

p2 Toeq2

B

0.555 ksf

f21

2p2 Toe 1 ft 2.219 kip

a21

3Toe 2.667 ft

The figure below shows the bearing pressure distribution underneath the toe. 

Wtoe TOF BOF( ) Toe 1 ft γc 2.4 kipWeight of Toe

atToe

24 ft

Weight of water over toe Ww Toe Water TOF( ) 1ft γw 0.25 kip

Attachment F-4 11 of 29

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Pipe Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

awToe

24 ft

Uplift Pressure underneath toe Uplift 0.156ksf <‐‐Taken from Inlet Headwall Design

fu Uplift Toe 1 ft 1.248 kip

auToe

24 ft

Moment in Toe Mut1 2.21 Wtoe at Ww aw

f1 a1 f2 a2 fu au

18.872 kip ft

Vut1 2.21 f1 f1 fu Wtoe Ww 5.994 kipShear in Toe

Load Case 2 Summary

Eccentricity e 1.646 ft <‐‐Taken from Inlet Headwall Design 

Vertical Loads Vv 11.211kip <‐‐Taken from Inlet Headwall Design 

Area for 1‐ft length of footing A B 1 ft 17.5 ft2

Moment of Inertia I1ft B

3

12446.615 ft

4

Pressure under toe q1

Vv

A

Vv e 0.5 B( )

I 0.279 ksf

Pressure under heel q2

Vv

A

Vv e 0.5 B( )

I 1.002 ksf

Attachment F-4 12 of 29

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Pipe Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

The figure below shows the bearing pressure distribution underneath the footing.

Heel Loads for Load Case 2

Soil above footing Ws 7.5kip

asHeel

24 ft

Wst 0.92kip <‐‐Triangular region

ast2

3Heel 5.333 ft

Weight of Heel Wh Heel TOF BOF( ) 1 ft γc 2.4 kip

ahHeel

24 ft

Attachment F-4 13 of 29

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Pipe Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Weight of Surcharge Wsusurcharge

γsHeel 1 ft γs 1.6 kip

asuHeel

24 ft

Uplift Pressure Uplift 0.343ksf <‐‐Taken from Inlet Headwall Design

fu Uplift Heel 1 ft 2.744 kip

auHeel

24 ft

p1 Toe THstem q2 q1

B q1 0.672 ksf

Pressure underneath Heel(Uniform Section)

f1 p1 Heel 1 ft 5.373 kip

a1Heel

24 ft

p2 q2 p1 0.331 ksfPressure underneath Heel(Triangular Section)

f2 .5 Heel p2 1 ft 1.322 kip

a22

3Heel( ) 5.333 ft

Attachment F-4 14 of 29

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Pipe Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

The figure below shows the bearing pressure distribution underneath the heel. 

Wtotal Lf Hf Ws Wh Wsu f1 f2 fu 4.555 kipTotal Weight

Moment in Heel(Counterclockwisemoment is positive)

Muh2 Lf Hf Ws as Wst ast Wh ah

Wsu asu f1 a1 f2 a2

fu au

25.166 kip ft

Vuh2 Wtotal 4.555 kipShear in Heel

Toe Loads for Load Case 1

Pressure underneath toe(Uniform Section)

p1 q1 0.279 ksf

f1 Toe p1 1 ft 2.233 kip

Attachment F-4 15 of 29

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Pipe Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

a1Toe

24 ft

Pressure under toe(Triangular Section)

p2 Toeq2

B

0.458 ksf

f21

2p2 Toe 1 ft 1.833 kip

a21

3Toe 2.667 ft

The figure below shows the bearing pressure distribution underneath the toe. 

Wtoe TOF BOF( ) Toe 1 ft γc 2.4 kipWeight of Toe

atToe

24 ft

Attachment F-4 16 of 29

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Pipe Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Weight of water over toe Ww Toe GR TOF( ) 1ft γw 1.747 kip

awToe

24 ft

Uplift Pressure underneath toe Uplift 0.343ksf <‐‐Taken from Inlet Headwall Design

fu Uplift Toe 1 ft 2.744 kip

auToe

24 ft

Moment in Toe(Counterclockwisemoment is positive)

Mut2 2.21 Wtoe at Ww aw

f1 a1 f2 a2 fu au

18.133 kip ft

Vut2 2.21 f1 f2 fu Wtoe Ww 5.883 kipShear in Toe

Load Case 3 Summary

Eccentricity e 1.561 ft <‐‐Taken from Inlet Headwall Design 

Vertical Loads Vv 9.113kip <‐‐Taken from Inlet Headwall Design 

Area for 1‐ft length of footing A B 1 ft 17.5 ft2

Moment of Inertia I1ft B

3

12446.615 ft

4

Pressure under toe q1

Vv

A

Vv e 0.5 B( )

I 0.242 ksf

Pressure under heel q2

Vv

A

Vv e 0.5 B( )

I 0.799 ksf

Attachment F-4 17 of 29

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Pipe Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

The figure below shows the bearing pressure distribution underneath the footing.

Heel Loads for Load Case 3

Soil above footing Ws 7.68kip

asHeel

24 ft

Wst 0.92kip

ast2

3Heel 5.333 ft

Weight of Heel Wh Heel TOF BOF( ) 1 ft γc 2.4 kip

Attachment F-4 18 of 29

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Pipe Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

ahHeel

24 ft

Weight of Surcharge Wsu 0kip <‐‐With water to the top of wall, nosurcharge will be considered in this load case

asuHeel

24 ft

Uplift Pressure underneath heel Uplift1 0.5817ksf <‐‐Taken from Inlet Headwall Design

Uplift Pressure underneath toe Uplift2 0.5077ksf <‐‐Taken from Inlet Headwall Design

pu1 HeelUplift1 Uplift2

B Uplift2 0.542 ksf

fu1 pu1 Heel 1 ft 4.332 kip

au1Heel

24 ft

pu2 Uplift1 pu1 0.04 ksf

fu21

2Heel pu2 1 ft 0.161 kip

au22

3Toe 5.333 ft

p1 Toe THstem q2 q1

B q1 0.545 ksf

Pressure underneath Heel(Uniform Section)

f1 p1 Heel 1 ft 4.357 kip

a1Heel

24 ft

p2 q2 p1 0.255 ksfPressure underneath Heel(Triangular Section)

f2 .5 Heel p2 1 ft 1.019 kip

a22

3Heel( ) 5.333 ft

Attachment F-4 19 of 29

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Pipe Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

The figure below shows the bearing pressure distribution underneath the heel. 

Total Weight Wtotal Lf Hf Ws Wh Wsu f1 f2 fu1 fu2 0.466 kip

Moment in Heel(Counterclockwisemoment is positive)

Muh3 Lf Hf Ws as Wst ast Wh ah

Wsu asu f1 a1 f2 a2

fu1 au1 fu2 au2

9.23 kip ft

Vuh3 Wtotal 0.466 kipShear in Heel

Toe Loads for Load Case 3

Pressure underneath toe(Uniform Section)

p1 q1 0.242 ksf

Attachment F-4 20 of 29

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Pipe Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

f1 Toe p1 1 ft 1.936 kip

a1Toe

24 ft

Pressure under toe(Triangular Section)

p2 Toeq2

B

0.365 ksf

f21

2p2 Toe 1 ft 1.462 kip

a21

3Toe 2.667 ft

The figure below shows the bearing pressure distribution underneath the toe. 

Wtoe TOF BOF( ) Toe 1 ft γc 2.4 kipWeight of Toe

atToe

24 ft

Attachment F-4 21 of 29

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Pipe Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Weight of water over toe Ww Toe Water TOF( ) 1ft γw 0.25 kip

awToe

24 ft

Uplift Pressure underneath heel Uplift1 0.579ksf <‐‐Taken from Inlet Headwall Design

Uplift Pressure underneath toe Uplift2 0.508ksf <‐‐Taken from Inlet Headwall Design

fu1 Uplift2 Toe 1 ft 4.064 kip

auToe

24 ft

fu21

2Toe Toe

Uplift1

B

1 ft 1.059 kip

au21

3Toe 2.667 ft

Moment in Toe(Counterclockwisemoment is positive)

Mut3 2.21 Wtoe at Ww aw

fu1 au1 fu2 au2

18.743 kip ft

Vut3 2.21 f1 f2 fu1 fu2 Wtoe Ww 12.976 kipShear in Toe

Design Load Summary for Heel

Maximum Moment from all load cases MDH min Muh1 Muh2 Muh3 25.166 ft kip

Since I've chosen counterclockwise moments to be positive, a negative moment here represents thetop of the heel being in tension.

Design Moment MH MDH 25.166 ft kip

Maximum Shear from all load cases VH max Vuh1 Vuh2 Vuh3 4.799 kip

Design Load Summary for Toe

Maximum Moment from all load cases MTH min Mut1 Mut2 Mut3 18.872 ft kip

Since I've chosen counterclockwise moments to be positive, a negative moment here represents thebottom of the toe the being in tension.

MT MTH 18.872 ft kipDesign Moment

Attachment F-4 22 of 29

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Pipe Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Maximum Shear from all load cases VT max Vut1 Vut2 Vut3 12.976 kip

Reinforcement Design of the Heel

1. Determine area of temperature and shrinkage steel required.

Minimum reinforcement ratio ρt .0014 <‐‐EM 1110‐2‐2104

Required Area of Reinforcement At ρt b TOF BOF( ) 0.403 in2

Area of Reinforcement Provided Ast .44in2

<‐‐Input the area of steel that will be provided

   Specify #6 @ 12" for Temperature and Shrinkage   

2. Determine area of flexural steel required.

Fraction β1 β1 0.85

Distance to reinforcement d TOF BOF( ) tp cover1

2Dia6 12.625 in

Steel ratio Ru

MH

b d2

157.888 psi

ρ0.85 fc

fy1 1

2 Ru

ϕb 0.85( ) fc

0.003

Required Area of Reinforcement Ast ρ b d 0.455 in2

Attachment F-4 23 of 29

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Pipe Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Minimum Flexural Steel Required (ACI 318‐11 Section 10.5.1)

Asmin

3fc

psi

fyb d psi

3fc

psi

fyb d psi

200

fy1

psi

b dif

200

fy1

psi

b d

otherwise

0.505 in2

Minimum Flexural Steel Required (ACI 318‐11 Section 10.5.3)

Asmin2 1.33 Ast 0.605 in2

Required Area of Reinforcment Check

Ast max min Asmin Asmin2 Ast At 0.505 in2

3. Check Maximum Steel ratio.

Balanced Steel ratio ρb 0.85 β1fc

fy

87

87fy

1000psi

0.029

Asmax "Less than or equal to recommended limit (OK)" ρ 0.25 ρbif

"Doesn't require special investigation (OK)" 0.25 ρb ρ .375 ρbif

"Consider other options (NOT OK)" otherwise

Asmax "Less than or equal to recommended limit (OK)"

4. Specify Flexural Steel Reinforcement.

Required Area of Flexural Steel Ast 0.505 in2

Area of Reinforcement Provided Asf 0.53in2

<‐‐Input the area of steel that will be provided

Attachment F-4 24 of 29

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Pipe Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

            Specify #6 @ 10" for Flexural Reinforcement.

5. Verify Steel Yields.

Tension Force T Asf fy 31.8 kip

Depth of compression zone aAsf fy

0.85 fc b0.779 in

ca

β10.917 in

Distance to neutral axis

εcd c

c

0.003 0.038Concrete Strain

Check "Tension Controlled" εc .005if

"Compression Controlled" εc .002if

"Transition Zone" .002 εc .005if

Steel Yield Check

Check "Tension Controlled"

6. Calculate Moment Capacity Provided by Steel Reinforcment.

ϕb 0.9 εc .005if

0.65 εc .002if

0.65 εc .002 250

3

.002 εc .005if

0.9Verify Reduction Factor

Moment Capacity ϕMn ϕb Asf fy d1

2

Asf fy

0.85 fc b

29.181 kip ft

Capacity Check Check "Adequate Moment Capacity" ϕMn MHif

"Inadequate Moment Capacity" otherwise

Check "Adequate Moment Capacity"

Attachment F-4 25 of 29

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Pipe Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

7. Check Shear Capacity.

Shear Strength of Concrete ϕVc ϕv 2fc

psi b d

lb

in2

14.373 kip

Ultimate Shear Strength Vu VH 4.799 kip

Check "Adequate Shear Capacity" ϕVc Vuif

"Inadequate Shear Capacity" otherwise

Check "Adequate Shear Capacity"

Reinforcement Design of the Toe

1. Determine area of temperature and shrinkage steel required.

Minimum reinforcement ratio ρt .0014 <‐‐EM 1110‐2‐2104

Required Area of Reinforcement At ρt b TOF BOF( ) 0.403 in2

Area of Reinforcement Provided Ast 0.44in2

<‐‐Input the area of steel that will be provided

   Specify #6 @ 12" for Temperature and Shrinkage   

2. Determine area of flexural steel required.

Fraction β1 β1 0.85

Distance to reinforcement d TOF BOF( ) cover1

2Dia6 19.625 in

Steel ratio Ru

MT

b d2

49.001 psi

ρ0.85 fc

fy1 1

2 Ru

ϕb 0.85( ) fc

0.0009

Attachment F-4 26 of 29

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Pipe Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Required Area of Reinforcement Ast ρ b d 0.215 in2

Minimum Flexural Steel Required (ACI 318‐11 Section 10.5.1)

Asmin

3fc

psi

fyb d psi

3fc

psi

fyb d psi

200

fy1

psi

b dif

200

fy1

psi

b d

otherwise

0.785 in2

Minimum Flexural Steel Required (ACI 318‐11 Section 10.5.3)

Asmin2 1.33 Ast 0.287 in2

Required Area of Reinforcment Check

Ast max min Asmin Asmin2 Ast At 0.403 in2

3. Check Maximum Steel ratio.

Balanced Steel ratio ρb 0.85 β1fc

fy

87

87fy

1000psi

0.029

Asmax "Less than or equal to recommended limit (OK)" ρ 0.25 ρbif

"Doesn't require special investigation (OK)" 0.25 ρb ρ .375 ρbif

"Consider other options (NOT OK)" otherwise

Asmax "Less than or equal to recommended limit (OK)"

Attachment F-4 27 of 29

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Pipe Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

4. Specify Flexural Steel Reinforcement.

Required Area of Flexural Steel Ast 0.403 in2

Area of Reinforcement Provided Asf 0.44in2

<‐‐Input the area of steel that will be provided

            Specify #6 @ 12" for Flexural Reinforcement

5. Verify Steel Yields.

Tension Force T Asf fy 26.4 kip

Depth of compression zone aAsf fy

0.85 fc b0.647 in

ca

β10.761 in

Distance to neutral axis

εcd c

c

0.003 0.074Concrete Strain

Check "Tension Controlled" εc .005if

"Compression Controlled" εc .002if

"Transition Zone" .002 εc .005if

Steel Yield Check

Check "Tension Controlled"

6. Calculate Moment Capacity Provided by Steel Reinforcment.

ϕb 0.9 εc .005if

0.65 εc .002if

0.65 εc .002 250

3

.002 εc .005if

0.9Verify Reduction Factor

Moment Capacity ϕMn ϕb Asf fy d1

2

Asf fy

0.85 fc b

38.217 kip ft

Attachment F-4 28 of 29

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Pipe Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Capacity Check Check "Adequate Moment Capacity" ϕMn MTif

"Inadequate Moment Capacity" otherwise

Check "Adequate Moment Capacity"

7. Check Shear Capacity.

Shear Strength of Concrete ϕVc ϕv 2fc

psi b d

lb

in2

22.341 kip

Ultimate Shear Strength Vu VT 12.976 kip

Check "Adequate Shear Capacity" ϕVc Vuif

"Inadequate Shear Capacity" otherwise

Check "Adequate Shear Capacity"

Attachment F-4 29 of 29

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Typical Section

5/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Inlet Headwall Reinforcement Design for Typical Section

Project Description

Reach 4 pipe drop structure inlet design for the Fargo Moorhead Metro project. The inlet will consist ofa concrete headwall and base slab, a trash rack for debris and three 7'‐2" openings in the headwall forRCPs.

 Units: kips 1000lbf pcflbf

ft3

lb lbf lbf lb psflbf

ft2

 Material Properties:

Unit weight of water γw 62.4pcf

Unit weight of concrete γc 150pcf

Reinforcing Steel fy 60000psi

Strength of Concrete fc 4000psi

Unit weight of soil, saturated γs 120pcf

Unit weight of soil, compacted γbf 115pcf

Unit weight of soil, bouyant γb γs γw 57.6 pcf

Undrained shear strength

Cohesion cu 900psf

Phi ϕu 0deg

Drained Shear Strength

Cohesion cd 0psf

Phi ϕ 31deg

Unit weight, select granular fill γF 125pcf

Cohesion  cF 0psf

Phi ϕF 32deg

Attachment F-5 1 of 28

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Typical Section

5/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

 Inputs:

Existing Ground Elevation GR 890ft

Top of Wall Elevation TOW 894.5ft

Top of Footing Elevation TOF 886.5ft

Bottom of Footing Elevation BOF 884.5ft

Water Elevation Water 887ft

Stem Thickness THstem 1.5ft

Toe Length Toe 6ft

Heel Length Heel 8ft

Total Length of Footing B Toe Heel THstem 15.5 ft

EMB Slope EMBs1

4

Slope angle θ atan EMBs 14.036 deg

Strength Mobilization Factor SMF2

3

Developed angle of internal friction ϕd atan SMF tan ϕ( )( ) 21.83 deg

 Load Factors and Reduction Factors:

Load Factor Lf 1.7

Hydraulic Factor Hf 1.3

Bending Reduction Factor ϕb 0.90

Shear Reduction Factor ϕv 0.75

 Reinforcement Parameters:

#6 Bar Diameter Dia6 0.75in <‐‐Assume #6 bar

#7 Bar Diameter Dia7 0.875in <‐‐Assume #7 bar

#8 Bar Diameter Dia8 1.00in <‐‐Assume #8 bar

Attachment F-5 2 of 28

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Typical Section

5/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Section Width b 12in

Concrete Cover cover 4in coverstem 3in

Stem Design

From inspection, it can be determined that the worst design case for the stem will be Load Case 1. Soilis compacted on one side of the stem and water at EL. 887.0 on the other (empty ditch).

The stem will be designed as a cantilever beam, fixed at the point where the base and stem connect.

1. Calculate forces acting on stem.

Pressure Coefficient K1 0.458 <‐‐Taken from Inlet Headwall Design

Kb 0.458 <‐‐Taken from Inlet Headwall Design

Unit weight accounting for seepage (EM 1110‐2‐2502) γprime 76.6pcf <‐‐Taken from Inlet Headwall Design

θplane 0deg <‐‐Taken from Inlet Headwall Design

Soil Pressure 1 P1 K1 γbf TOW Water( ) Heel tan θ( )[ ] 0.5 ksf

Soil Force 1 F1 .5 P1 TOW Water( ) Heel tan θ( )[ ] 2.377kip

ft

a1 Water TOF( )1

3Heel tan θ( ) TOW Water( )[ ]

Soil Arm 1

a1 3.667 ft

P2 P1 γprime Kb Water TOF( ) 0.518 ksfSoil Pressure 2

F2 P1 Water TOF( ) 0.25kip

ft

Soil Force 2

Soil Arm 2 a2Water TOF

20.25 ft

F31

2P2 P1 Water TOF( ) 0.004

kip

ft

Soil Force 3

Soil Arm 3 a3Water TOF

30.167 ft

Resultant Force Pa F1 F2 F3 2.631kip

ft

Attachment F-5 3 of 28

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Typical Section

5/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Horizontal Force Pah Pa cos θplane 2.631kip

ft

Ah

F1 a1 F2 a2 F3 a3

F1 F2 F33.336 ft

Resisting Water Load Pr .5 γw Water TOF( )2

0.008kip

ft

Water Load Arm Ar1

3Water TOF( ) 0.167 ft

Surcharge Load surcharge 200psf

Ps K1 surcharge TOW TOF( ) Heel tan θ( )[ ] 0.916kip

ft

Surcharge Horizontal Force

As1

2TOW TOF( ) Heel tan θ( )[ ] 5 ft

Surcharge Force Arm

MD Lf Hf Pah Ah 1 ft Ps As 1 ft Pr Ar 1 ft

29.518 kip ftDesign Moment

2. Determine area of temperature and shrinkage steel required.

Minimum reinforcement ratio ρt .0014 <‐‐EM 1110‐2‐2104

Required Area of Reinforcement At ρt b THstem 0.302 in2

Area of Reinforcement Provided Ast .31in2

<‐‐Input the area of steel that will be provided

   Specify #5 @ 12" for Temperature and Shrinkage   

3. Determine area of flexural steel required.

Fraction β1 β1 0.854ksi

ksi

fc

ksi

.05 0.85

Distance to reinforcement d THstem coverstem1

2Dia8 14.5 in

Attachment F-5 4 of 28

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Typical Section

5/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Steel ratio Ru

MD

b d2

140.396 psi

ρ0.85 fc

fy1 1

2 Ru

ϕb 0.85( ) fc

0.0027

Required Area of Reinforcement Ast ρ b d 0.463 in2

Minimum Flexural Steel Required (ACI 318‐11 Section 10.5.1)

Asmin

3fc

psi

fyb d psi

3fc

psi

fyb d psi

200

fy1

psi

b dif

200

fy1

psi

b d

otherwise

0.58 in2

Minimum Flexural Steel Required (ACI 318‐11 Section 10.5.3)

Asmin2 1.33 Ast 0.616 in2

Required Area of Reinforcment Check

Ast max min Asmin Asmin2 Ast At 0.58 in2

4. Check Maximum Steel ratio.

Balanced Steel ratio ρb 0.85 β1fc

fy

87

87fy

1000psi

0.029

Attachment F-5 5 of 28

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Typical Section

5/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Asmax "Less than or equal to recommended limit (OK)" ρ 0.25 ρbif

"Doesn't require special investigation (OK)" 0.25 ρb ρ .375 ρbif

"Consider other options (NOT OK)" otherwise

Asmax "Less than or equal to recommended limit (OK)"

5. Specify Flexural Steel Reinforcement.

Required Area of Flexural Steel Ast 0.58 in2

Area of Reinforcement Provided Asf 0.60in2

<‐‐Input the area of steel that will be provided

            Specify #7 @ 12" for Flexural Reinforcement

6. Verify Steel Yields.

Tension Force T Asf fy 36 kip

Depth of compression zone aAsf fy

0.85 fc b0.882 in

ca

β11.038 in

Distance to neutral axis

εcd c

c

0.003 0.039Concrete Strain

Check "Tension Controlled" εc .005if

"Compression Controlled" εc .002if

"Transition Zone" .002 εc .005if

Steel Yield Check

Check "Tension Controlled"

7. Calculate Moment Capacity Provided by Steel Reinforcment .

Moment Capacity ϕMn ϕb Asf fy d1

2

Asf fy

0.85 fc b

37.959 kip ft

Attachment F-5 6 of 28

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Typical Section

5/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Capacity Check Check "Adequate Moment Capacity" ϕMn MDif

"Inadequate Moment Capacity" otherwise

Check "Adequate Moment Capacity"

8. Check Shear Capacity.

Shear Strength of Concrete ϕVc ϕv 2fc

psi b d

lb

in2

16.507 kip

Ultimate Shear Strength Vu Lf Pah 1 ft Ps 1 ft Pr 1 ft 6.017 kip

Check "Adequate Shear Capacity" ϕVc Vuif

"Inadequate Shear Capacity" otherwise

Check "Adequate Shear Capacity"

Heel and Toe Design

Each Load Case will be evaluated to determine the maximum moments in both the heel and toe.Forces will include bearing pressures underneath the footing, uplift pressures underneath the footingand water and soil loads above the footing.Both the Heel and the Toe are designed as cantileverbeams subjected to soil and water loads.

Load Case 1 Summary

Eccentricity e 1.167 ft <‐‐Taken from Inlet Headwall Design 

Vertical Loads Vv 12.519kip <‐‐Taken from Inlet Headwall Design 

Area for 1‐ft length of footing A B 1 ft 15.5 ft2

Moment of Inertia I1ft B

3

12310.323 ft

4

Pressure under toe q1

Vv

A

Vv e 0.5 B( )

I 0.443 ksf

Attachment F-5 7 of 28

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Typical Section

5/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Pressure under heel q2

Vv

A

Vv e 0.5 B( )

I 1.173 ksf

The figure below shows the bearing pressure distribution underneath the footing.

Heel Loads for Load Case 1

Soil above footing Ws 7.38kip <‐‐Taken from Inlet Headwall Design

asHeel

24 ft

Wst 0.92kip

ast2

3Heel 5.333 ft

Attachment F-5 8 of 28

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Typical Section

5/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Weight of Heel Wh Heel TOF BOF( ) 1 ft γc 2.4 kip

ahHeel

24 ft

Weight of Surcharge Wsusurcharge

γsHeel 1 ft γs 1.6 kip

asuHeel

24 ft

Uplift Pressure Uplift 0.156ksf <‐‐Taken from Inlet Headwall Design

fu Uplift Heel 1 ft 1.248 kip

auHeel

24 ft

p1 Toe THstem q2 q1

B q1 0.796 ksf

Pressure underneath Heel(Uniform Section)

f1 p1 Heel 1 ft 6.367 kip

a1Heel

24 ft

p2 q2 p1 0.377 ksfPressure underneath Heel(Triangular Section)

f2 .5 Heel p2 1 ft 1.507 kip

a22

3Heel( ) 5.333 ft

Attachment F-5 9 of 28

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Typical Section

5/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

The figure below shows the pressure distribution underneath the heel. 

Wtotal Lf Hf Ws Wh Wsu f1 f2 fu

Wst

7.024 kipTotal Weight

Moment in Heel(Counterclockwisemoment is positive)

Muh1 Lf Hf Ws as Wst ast Wh ah

Wsu asu f1 a1 f2 a2

fu au

26.367 kip ft

Vuh1 Wtotal 7.024 kipShear in Heel

Toe Loads for Load Case 1

Pressure underneath toe(Uniform Section)

p1 q1 0.443 ksf

f1 Toe p1 1 ft 2.657 kip

Attachment F-5 10 of 28

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Typical Section

5/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

a1Toe

23 ft

Pressure under toe(Triangular Section)

p2 Toeq2

B

0.454 ksf

f21

2p2 Toe 1 ft 1.362 kip

a21

3Toe 2 ft

The figure below shows the bearing pressure distribution underneath the toe. 

Wtoe TOF BOF( ) Toe 1 ft γc 1.8 kipWeight of Toe

atToe

23 ft

Weight of water over toe Ww Toe Water TOF( ) 1ft γw 0.187 kip

Attachment F-5 11 of 28

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Typical Section

5/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

awToe

23 ft

Uplift Pressure underneath toe Uplift 0.156ksf <‐‐Taken from Inlet Headwall Design

fu Uplift Toe 1 ft 0.936 kip

auToe

23 ft

Moment in Toe(Counterclockwisemoment is positive)

Mut1 2.21 Wtoe at Ww aw

f1 a1 f2 a2 fu au

16.664 kip ft

Vut1 2.21 f1 f2 fu Wtoe Ww 6.558 kipShear in Toe

Load Case 2 Summary

Eccentricity e 0.949 ft <‐‐Taken from Inlet Headwall Design 

Vertical Loads Vv 10.861kip <‐‐Taken from Inlet Headwall Design 

Area for 1‐ft length of footing A B 1 ft 15.5 ft2

Moment of Inertia I1ft B

3

12310.323 ft

4

Pressure under toe q1

Vv

A

Vv e 0.5 B( )

I 0.443 ksf

Pressure under heel q2

Vv

A

Vv e 0.5 B( )

I 0.958 ksf

Attachment F-5 12 of 28

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Typical Section

5/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

The figure below shows the bearing pressure distribution underneath the footing.

Heel Loads for Load Case 2

Soil above footing Ws 7.5kip

asHeel

24 ft

Wst 0.92kip <‐‐Triangular region

ast2

3Heel 5.333 ft

Weight of Heel Wh Heel TOF BOF( ) 1 ft γc 2.4 kip

ahHeel

24 ft

Attachment F-5 13 of 28

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Typical Section

5/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Weight of Surcharge Wsusurcharge

γsHeel 1 ft γs 1.6 kip

asuHeel

24 ft

Uplift Pressure Uplift 0.343ksf <‐‐Taken from Inlet Headwall Design

fu Uplift Heel 1 ft 2.744 kip

auHeel

24 ft

p1 Toe THstem q2 q1

B q1 0.692 ksf

Pressure underneath Heel(Uniform Section)

f1 p1 Heel 1 ft 5.539 kip

a1Heel

24 ft

p2 q2 p1 0.266 ksfPressure underneath Heel(Triangular Section)

f2 .5 Heel p2 1 ft 1.063 kip

a22

3Heel( ) 5.333 ft

Attachment F-5 14 of 28

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Typical Section

5/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

The figure below shows the bearing pressure distribution underneath the heel. 

Wtotal Lf Hf Ws Wh Wsu f1 f2 fu

Wst

6.793 kipTotal Weight

Moment in Heel(Counterclockwisemoment is positive)

Muh2 Lf Hf Ws as Wst ast Wh ah

Wsu asu f1 a1 f2 a2

fu au

26.752 kip ft

Vuh2 Wtotal 6.793 kipShear in Heel

Toe Loads for Load Case 2

Pressure underneath toe(Uniform Section)

p1 q1 0.443 ksf

Attachment F-5 15 of 28

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Typical Section

5/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

f1 Toe p1 1 ft 2.66 kip

a1Toe

23 ft

Pressure under toe(Triangular Section)

p2 Toeq2

B

0.371 ksf

f21

2p2 Toe 1 ft 1.113 kip

a21

3Toe 2 ft

The figure below shows the bearing pressure distribution underneath the toe. 

Wtoe TOF BOF( ) Toe 1 ft γc 1.8 kipWeight of Toe

atToe

23 ft

Attachment F-5 16 of 28

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Typical Section

5/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Weight of water over toe Ww Toe GR TOF( ) 1ft γw 1.31 kip

awToe

23 ft

Uplift Pressure underneath toe Uplift 0.343ksf <‐‐Taken from Inlet Headwall Design

fu Uplift Toe 1 ft 2.058 kip

auToe

23 ft

Moment in Toe(Counterclockwisemoment is positive)

Mut2 2.21 Wtoe at Ww aw

f1 a1 f2 a2 fu au

15.575 kip ft

Vut2 2.21 f1 f2 fu Wtoe Ww 6.011 kipShear in Toe

Load Case 3 Summary

Eccentricity e 0.257 ft <‐‐Taken from Inlet Headwall Design 

Vertical Loads Vv 8.873kip <‐‐Taken from Inlet Headwall Design 

Area for 1‐ft length of footing A B 1 ft 15.5 ft2

Moment of Inertia I1ft B

3

12310.323 ft

4

Pressure under toe q1

Vv

A

Vv e 0.5 B( )

I 0.516 ksf

Pressure under heel q2

Vv

A

Vv e 0.5 B( )

I 0.629 ksf

Attachment F-5 17 of 28

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Typical Section

5/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

The figure below shows the bearing pressure distribution underneath the footing.

Heel Loads for Load Case 3

Soil above footing Ws 7.68kip

asHeel

24 ft

Wst 0.92kip

ast2

3Heel 5.333 ft

Weight of Heel Wh Heel TOF BOF( ) 1 ft γc 2.4 kip

ahHeel

24 ft

Attachment F-5 18 of 28

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Typical Section

5/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Weight of Surcharge Wsu 0kip <‐‐With water to the top of wall, nosurcharge will be considered in this load case

asuHeel

24 ft

Uplift Pressure underneath heel Uplift1 0.5786ksf <‐‐Taken from Inlet Headwall Design

Uplift Pressure underneath toe Uplift2 0.5083ksf <‐‐Taken from Inlet Headwall Design

pu1 HeelUplift1 Uplift2

B Uplift2 0.545 ksf

fu1 pu1 Heel 1 ft 4.357 kip

au1Heel

24 ft

pu2 Uplift1 pu1 0.034 ksf

fu21

2Heel pu2 1 ft 0.136 kip

au22

3Toe 4 ft

p1 Toe THstem q2 q1

B q1 0.571 ksf

Pressure underneath Heel(Uniform Section)

f1 p1 Heel 1 ft 4.565 kip

a1Heel

24 ft

p2 q2 p1 0.059 ksfPressure underneath Heel(Triangular Section)

f2 .5 Heel p2 1 ft 0.235 kip

a22

3Heel( ) 5.333 ft

Attachment F-5 19 of 28

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Typical Section

5/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

The figure below shows the bearing pressure distribution underneath the heel. 

Wtotal Lf Hf Ws Wh Wsu f1 f2 fu1 fu2

Wst

3.773 kipTotal Weight

Moment in Heel(Counterclockwisemoment is positive)

Muh3 Lf Hf Ws as Wst ast Wh ah

Wsu asu f1 a1 f2 a2

fu1 au1 fu2 au2

17.11 kip ft

Vuh3 Wtotal 3.773 kipShear in Heel

Toe Loads for Load Case 3

Pressure underneath toe(Uniform Section)

p1 q1 0.516 ksf

Attachment F-5 20 of 28

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Typical Section

5/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

f1 Toe p1 1 ft 3.093 kip

a1Toe

23 ft

Pressure under toe(Triangular Section)

p2 Toeq2

B

0.244 ksf

f21

2p2 Toe 1 ft 0.731 kip

a21

3Toe 2 ft

The figure below shows the bearing pressure distribution underneath the toe.

Weight of Toe Wtoe TOF BOF( ) Toe 1 ft γc 1.8 kip

atToe

23 ft

Attachment F-5 21 of 28

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Typical Section

5/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Weight of water over toe Ww Toe TOW 2ft( ) TOF[ ] 1ft γw 2.246 kip

awToe

23 ft

Uplift Pressure underneath heel Uplift1 0.5786ksf <‐‐Taken from Inlet Headwall Design

Uplift Pressure underneath toe Uplift2 0.5083ksf <‐‐Taken from Inlet Headwall Design

fu1 Uplift2 Toe 1 ft 3.05 kip

auToe

23 ft

fu21

2Toe Toe

Uplift1

B

1 ft 0.672 kip

au21

3Toe 2 ft

Moment in Toe(Counterclockwisemoment is positive)

Mut3 2.21 Wtoe at Ww aw f1 a1 f2 a2

fu1 au1 fu2 au2

26.84 kip ft

Vut3 2.21 f1 f2 fu1 fu2 Wtoe Ww 7.733 kipShear in Toe

Design Load Summary for Heel

Maximum Moment from all load cases MDH min Muh1 Muh2 Muh3 26.752 ft kip

Since I've chosen counterclockwise moments to be positive, a negative moment here represents thetop of the heel being in tension.

Design Moment MH MDH 26.752 ft kip

Maximum Shear from all load cases VH max Vuh1 Vuh2 Vuh3 7.024 kip

Design Load Summary for Toe

Maximum Moment from all load cases MTH min Mut1 Mut2 Mut3 26.84 ft kip

Since I've chosen counterclockwise moments to be positive, a negative moment here represents thebottom of the toe the being in tension.

MT MTH 26.84 ft kipDesign Moment

Attachment F-5 22 of 28

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Typical Section

5/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Maximum Shear from all load cases VT max Vut1 Vut2 Vut3 7.733 kip

Reinforcement Design of the Heel

1. Determine area of temperature and shrinkage steel required.

Minimum reinforcement ratio ρt .0014 <‐‐EM 1110‐2‐2104

Required Area of Reinforcement At ρt b TOF BOF( ) 0.403 in2

Area of Reinforcement Provided Ast .44in2

<‐‐Input the area of steel that will be provided

   Specify #6 @ 12" for Temperature and Shrinkage   

2. Determine area of flexural steel required.

Fraction β1 β1 0.85

Distance to reinforcement d TOF BOF( ) cover1

2Dia6 19.625 in

Steel ratio Ru

MH

b d2

69.461 psi

ρ0.85 fc

fy1 1

2 Ru

ϕb 0.85( ) fc

0.0013

Required Area of Reinforcement Ast ρ b d 0.306 in2

Minimum Flexural Steel Required (ACI 318‐11 Section 10.5.1)

Asmin

3fc

psi

fyb d psi

3fc

psi

fyb d psi

200

fy1

psi

b dif

200

fy1

psi

b d

otherwise

0.785 in2

Attachment F-5 23 of 28

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Typical Section

5/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Minimum Flexural Steel Required (ACI 318‐11 Section 10.5.3)

Asmin2 1.33 Ast 0.408 in2

Required Area of Reinforcment Check

Ast max min Asmin Asmin2 Ast At 0.408 in2

3. Check Maximum Steel ratio.

Balanced Steel ratio ρb 0.85 β1fc

fy

87

87fy

1000psi

0.029

Asmax "Less than or equal to recommended limit (OK)" ρ 0.25 ρbif

"Doesn't require special investigation (OK)" 0.25 ρb ρ .375 ρbif

"Consider other options (NOT OK)" otherwise

Asmax "Less than or equal to recommended limit (OK)"

4. Specify Flexural Steel Reinforcement.

Required Area of Flexural Steel Ast 0.408 in2

Area of Reinforcement Provided Asf .44in2

<‐‐Input the area of steel that will be provided

            Specify #6 @12" for Flexural Reinforcement

5. Verify Steel Yields.

Tension Force T Asf fy 26.4 kip

Depth of compression zone aAsf fy

0.85 fc b0.647 in

Attachment F-5 24 of 28

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Typical Section

5/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

ca

β10.761 in

Distance to neutral axis

εcd c

c

0.003 0.074Concrete Strain

Check "Tension Controlled" εc .005if

"Compression Controlled" εc .002if

"Transition Zone" .002 εc .005if

Steel Yield Check

Check "Tension Controlled"

6. Calculate Moment Capacity Provided by Steel Reinforcment.

Moment Capacity ϕMn ϕb Asf fy d1

2

Asf fy

0.85 fc b

38.217 kip ft

Capacity Check Check "Adequate Moment Capacity" ϕMn MHif

"Inadequate Moment Capacity" otherwise

Check "Adequate Moment Capacity"

7. Check Shear Capacity.

Shear Strength of Concrete ϕVc ϕv 2fc

psi b d

lb

in2

22.341 kip

Ultimate Shear Strength Vu VH 7.024 kip

Check "Adequate Shear Capacity" ϕVc Vuif

"Inadequate Shear Capacity" otherwise

Check "Adequate Shear Capacity"

Attachment F-5 25 of 28

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Typical Section

5/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Reinforcement Design of the Toe

1. Determine area of temperature and shrinkage steel required.

Minimum reinforcement ratio ρt .0014 <‐‐EM 1110‐2‐2104

Required Area of Reinforcement At ρt b TOF BOF( ) 0.403 in2

Area of Reinforcement Provided Ast .44in2

<‐‐Input the area of steel that will be provided

   Specify #6 @ 12" for Temperature and Shrinkage   

2. Determine area of flexural steel required.

Fraction β1 β1 0.85

Distance to reinforcement d TOF BOF( ) cover1

2Dia6 19.625 in

Steel ratio Ru

MT

b d2

69.688 psi

ρ0.85 fc

fy1 1

2 Ru

ϕb 0.85( ) fc

0.0013

Required Area of Reinforcement Ast ρ b d 0.307 in2

Minimum Flexural Steel Required (ACI 318‐11 Section 10.5.1)

Asmin

3fc

psi

fyb d psi

3fc

psi

fyb d psi

200

fy1

psi

b dif

200

fy1

psi

b d

otherwise

0.785 in2

Attachment F-5 26 of 28

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Typical Section

5/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Minimum Flexural Steel Required (ACI 318‐11 Section 10.5.3)

Asmin2 1.33 Ast 0.409 in2

Required Area of Reinforcment Check

Ast max min Asmin Asmin2 Ast At 0.409 in2

3. Check Maximum Steel ratio.

Balanced Steel ratio ρb 0.85 β1fc

fy

87

87fy

1000psi

0.029

Asmax "Less than or equal to recommended limit (OK)" ρ 0.25 ρbif

"Doesn't require special investigation (OK)" 0.25 ρb ρ .375 ρbif

"Consider other options (NOT OK)" otherwise

Asmax "Less than or equal to recommended limit (OK)"

4. Specify Flexural Steel Reinforcement.

Required Area of Flexural Steel Ast 0.409 in2

Area of Reinforcement Provided Asf 0.44in2

<‐‐Input the area of steel that will be provided

            Specify #6 @ 12" for Flexural Reinforcement

5. Verify Steel Yields.

Tension Force T Asf fy 26.4 kip

Depth of compression zone aAsf fy

0.85 fc b0.647 in

Attachment F-5 27 of 28

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Typical Section

5/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

ca

β10.761 in

Distance to neutral axis

εcd c

c

0.003 0.074Concrete Strain

Check "Tension Controlled" εc .005if

"Compression Controlled" εc .002if

"Transition Zone" .002 εc .005if

Steel Yield Check

Check "Tension Controlled"

6. Calculate Moment Capacity Provided by Steel Reinforcment.

Moment Capacity ϕMn ϕb Asf fy d1

2

Asf fy

0.85 fc b

38.217 kip ft

Capacity Check Check "Adequate Moment Capacity" ϕMn MTif

"Inadequate Moment Capacity" otherwise

Check "Adequate Moment Capacity"

7. Check Shear Capacity.

Shear Strength of Concrete ϕVc ϕv 2fc

psi b d

lb

in2

22.341 kip

Ultimate Shear Strength Vu VT 7.733 kip

Check "Adequate Shear Capacity" ϕVc Vuif

"Inadequate Shear Capacity" otherwise

Check "Adequate Shear Capacity"

Attachment F-5 28 of 28

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Wingwall Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Inlet Headwall Reinforcement Design for Wingwall Section

Project Description

Reach 4 pipe drop structre inlet design for the Fargo Moorhead Metro project. The inlet will consist of aconcrete headwall and base slab, a trash rack for debris and three 7'‐2" openings in the headwall forRCPs.

 Units: kips 1000lbf pcflbf

ft3

lb lbf lbf lb psflbf

ft2

 Material Properties:

Unit weight of water γw 62.4pcf

Unit weight of concrete γc 150pcf

Reinforcing Steel fy 60000psi

Strength of Concrete fc 4000psi

Unit weight of soil, saturated γs 120pcf

Unit weight of soil, compacted γbf 115pcf

Unit weight of soil, bouyant γb γs γw 57.6 pcf

Undrained shear strength

Cohesion cu 900psf

Phi ϕu 0deg

Drained Shear Strength

Cohesion cd 0psf

Phi ϕ 31deg

Unit weight, select granular fill γF 125pcf

Cohesion  cF 0psf

Phi ϕF 32deg

Attachment F-6 1 of 33

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Wingwall Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

 Inputs:

Existing Ground Elevation GR 890ft

Top of Wall Elevation TOW 893ft

Top of Footing Elevation TOF 886.5ft

Bottom of Footing Elevation BOF 884.5ft

Water Elevation Water 887ft

Stem Thickness THstem 1.5ft

Toe Length Toe 6ft

Heel Length Heel 6ft

Total Length of Footing B Toe Heel THstem 13.5 ft

EMB Slope EMBs 0

Slope angle θ atan EMBs 0 deg

Strength Mobilization Factor SMF2

3

Developed angle of internal friction ϕd atan SMF tan ϕ( )( ) 21.83 deg

 Load Factors and Reduction Factors:

Load Factor Lf 1.7

Hydraulic Factor Hf 1.3

Bending Reduction Factor ϕb 0.90

Shear Reduction Factor ϕv 0.75

 Reinforcement Parameters:

Bar Diameter Dia5 0.625in <‐‐Assume #5 bar

Bar Diameter Dia6 0.75in <‐‐Assume #6 bar

Bar Diameter Dia7 0.875in <‐‐Assume #7 bar

Attachment F-6 2 of 33

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Wingwall Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Bar Diameter Dia8 1.00in <‐‐Assume #8 bar

Section Width b 12in

Concrete Cover cover 4in coverstem 3in

Stem Design

The design section of the stem was taken at the one‐third distance along the wingwall. Frominspection, it can be determined that the worst design case for the stem will be Load Case 1. Soil iscompacted on one side of the stem and water at EL. 887.0 on the other (empty ditch).

The stem will be designed as a cantilever beam, fixed at the point where the base and stem connect.

1. Calculate forces acting on stem for Load Case 1.

Pressure Coefficient K1 .458 Ko .485 Kb K1 <‐‐Taken from Inlet Headwall Design

Unit weight accounting for seepage (EM 1110‐2‐2502) γprime 69.6pcf <‐‐Taken from Inlet Headwall Design

Soil Pressure 1 P1 K1 γbf TOW Water( )( ) 0.316 ksf

Soil Force 1 F1 .5 P1 TOW Water( )( ) 0.948kip

ft

a1 Water TOF( )1

3TOW Water( )( )

Soil Arm 1

a1 2.5 ft

P2 P1 γprime Kb Water TOF( ) 0.332 ksfSoil Pressure 2

F2 P1 Water TOF( ) 0.158kip

ft

Soil Force 2

Soil Arm 2 a2Water TOF

20.25 ft

F31

2P2 P1 Water TOF( ) 3.985 10

3

kip

ft

Soil Force 3

Soil Arm 3 a3Water TOF

30.167 ft

Attachment F-6 3 of 33

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Wingwall Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Resultant Force Pa F1 F2 F3 1.11kip

ft

Pah Pa cos θ( ) 1.11kip

ft

Horizontal Force

Ah

F1 a1 F2 a2 F3 a3

F1 F2 F32.171 ft

Pw1

2γw Water TOF( )

2 0.008

kip

ft

Water Force

Aw1

3Water TOF( ) 0.167 ft

Water Force Arm

Surcharge Load surcharge 200psf

Ps K1 surcharge TOW TOF( )( ) 0.595kip

ft

Surcharge Horizontal Force

As1

2TOW TOF( )( ) 3.25 ft

Surcharge Force Arm

MD1 Lf Hf Pah Ah Ps As

Pw Aw

1 ft 9.6 kip ftDesign Moment

2. Determine area of temperature and shrinkage steel required.

Minimum reinforcement ratio ρt .0014 <‐‐ACI 318‐11 Section 7.12.2

Required Area of Reinforcement At ρt b THstem 0.302 in2

Area of Reinforcement Provided Ast .31in2

<‐‐Input the area of steel that will be provided

   Specify #5 @ 12" for Temperature and Shrinkage   

3. Determine area of flexural steel required.

Desgin Moment MD MD1 9.6 kip ft

Attachment F-6 4 of 33

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Wingwall Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Fraction β1 β1 0.854ksi

ksi

fc

ksi

.05 0.85

Distance to reinforcement d THstem coverstem1

2Dia5 14.688 in

Steel ratio Ru

MD

b d2

44.503 psi

ρ0.85 fc

fy1 1

2 Ru

ϕb 0.85( ) fc

0.0008

Required Area of Reinforcement Ast ρ b d 0.146 in2

Minimum Flexural Steel Required (ACI 318‐11 Section 10.5.1)

Asmin

3fc

psi

fyb d psi

3fc

psi

fyb d psi

200

fy1

psi

b dif

200

fy1

psi

b d

otherwise

0.588 in2

Minimum Flexural Steel Required (ACI 318‐11 Section 10.5.3)

Asmin2 1.33 Ast 0.195 in2

Required Area of Reinforcment Check

Ast max min Asmin Asmin2 Ast At 0.302 in2

Attachment F-6 5 of 33

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Wingwall Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

4. Check Maximum Steel ratio.

Balanced Steel ratio ρb 0.85 β1fc

fy

87

87fy

1000psi

0.029

Asmax "Less than or equal to recommended limit (OK)" ρ 0.25 ρbif

"Doesn't require special investigation (OK)" 0.25 ρb ρ .375 ρbif

"Consider other options (NOT OK)" otherwise

Asmax "Less than or equal to recommended limit (OK)"

5. Specify Flexural Steel Reinforcement.

Required Area of Flexural Steel Ast 0.302 in2

Area of Reinforcement Provided Asf .31in2

<‐‐Input the area of steel that will be provided

            Specify #5 @ 12" for Flexural Reinforcement

6. Verify Steel Yields.

Tension Force T Asf fy 18.6 kip

Depth of compression zone aAsf fy

0.85 fc b0.456 in

ca

β10.536 in

Distance to neutral axis

εcd c

c

0.003 0.079Concrete Strain

Check "Tension Controlled" εc .005if

"Compression Controlled" εc .002if

"Transition Zone" .002 εc .005if

Steel Yield Check

Check "Tension Controlled"

Attachment F-6 6 of 33

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Wingwall Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

7. Calculate Moment Capacity Provided by Steel Reinforcment .

ϕb 0.9 εc .005if

0.65 εc .002if

0.65 εc .002 250

3

.002 εc .005if

0.9Verify Reduction Factor

Moment Capacity ϕMn ϕb Asf fy d1

2

Asf fy

0.85 fc b

20.171 kip ft

Capacity Check Check "Adequate Moment Capacity" ϕMn MDif

"Inadequate Moment Capacity" otherwise

Check "Adequate Moment Capacity"

8. Check Shear Capacity.

Shear Strength of Concrete ϕVc ϕv 2fc

psi b d

lb

in2

16.721 kip

Ultimate Shear Strength Vu Lf Pah 1 ft Ps 1 ft 2.899 kip

Check "Adequate Shear Capacity" ϕVc Vuif

"Inadequate Shear Capacity" otherwise

Check "Adequate Shear Capacity"

Heel and Toe Design

Each Load Case will be evaluated to determine the maximum moments in both the heel and toe.Forces will include bearing pressures underneath the footing, uplift pressures underneath the footingand water and soil loads above the footing.Both the Heel and the Toe are designed as cantileverbeams subjected to soil and water loads.

Load Case 1 Summary

Eccentricity e 1.348 ft <‐‐Taken from Wingwall Design

Attachment F-6 7 of 33

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Wingwall Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Vertical Loads Vv 8.094kip <‐‐Taken from Wingwall Design

Area for 1‐ft length of footing A B 1 ft 13.5 ft2

Moment of Inertia I1ft B

3

12205.031 ft

4

Pressure under toe q1

Vv

A

Vv e 0.5 B( )

I 0.24 ksf

Pressure under heel q2

Vv

A

Vv e 0.5 B( )

I 0.959 ksf

Heel Loads for Load Case 1

The figure below shows the bearing pressure distribution underneath the footing.

Attachment F-6 8 of 33

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Wingwall Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Soil above footing Ws 4.5kip <‐‐Taken from Wingwall Design

asHeel

23 ft

Wst 0kip <‐‐Taken from Wingwall Design

ast2

3Heel 4 ft

Weight of Heel Wh Heel TOF BOF( ) 1 ft γc 1.8 kip

ahHeel

2

Weight of Surcharge Wsusurcharge

γsHeel 1 ft γs 1.2 kip

asuHeel

23 ft

Uplift Pressure Uplift 0.156ksf <‐‐Taken from Wingwall Design

fu Uplift Heel 1 ft 0.936 kip

auHeel

23 ft

p1 Toe THstem q2 q1

B q1 0.639 ksf

Pressure underneath Heel(Uniform Section)

f1 p1 Heel 1 ft 3.837 kip

a1Heel

23 ft

p2 q2 p1 0.319 ksfPressure underneath Heel(Triangular Section)

f2 .5 Heel p2 1 ft 0.958 kip

a22

3Heel( ) 4 ft

Attachment F-6 9 of 33

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Wingwall Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

The figure below shows the pressure distribution underneath the heel. 

Wtotal Lf Hf Ws Wh Wsu f1 f2 fu 3.91 kipTotal Weight

Moment in Heel Muh1 Lf Hf Ws as Wh ah Wsu asu

f1 a1 f2 a2 fu au

9.614 kip ft

Vuh1 Wtotal 3.91 kipShear in Heel

Toe Loads for Load Case 1

Pressure underneath toe(Uniform Section)

p1 q1 0.24 ksf

f1 Toe p1 1 ft 1.442 kip

Attachment F-6 10 of 33

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Wingwall Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

a1Toe

23 ft

Pressure under toe(Triangular Section)

p2 Toeq2

B

0.426 ksf

f21

2p2 Toe 1 ft 1.278 kip

a21

3Toe 2 ft

The figure below shows the bearing pressure distribution underneath the heel. 

Wtoe TOF BOF( ) Toe 1 ft γc 1.8 kipWeight of Toe

atToe

23 ft

Weight of water over toe Ww Toe Water TOF( ) 1ft γw 0.187 kip

Attachment F-6 11 of 33

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Wingwall Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

awToe

23 ft

Uplift Pressure underneath toe Uplift 0.156ksf <‐‐Taken from Inlet Headwall Design

fu Uplift Toe 1 ft 0.936 kip

auToe

23 ft

Moment in Toe(Counterclockwisemoment is positive)

Mut1 2.21 Wtoe at Ww aw

f1 a1 f2 a2 fu au

8.242 kip ft

Vut1 2.21 f1 f2 fu Wtoe Ww 3.689 kipShear in Toe

Load Case 2 Summary

Eccentricity e 1.127 ft <‐‐Taken from Inlet Headwall Design 

Vertical Loads Vv 6.78kip <‐‐Taken from Inlet Headwall Design 

Area for 1‐ft length of footing A B 1 ft 13.5 ft2

Moment of Inertia I1ft B

3

12205.031 ft

4

Pressure under toe q1

Vv

A

Vv e 0.5 B( )

I 0.251 ksf

Pressure under heel q2

Vv

A

Vv e 0.5 B( )

I 0.754 ksf

Attachment F-6 12 of 33

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Wingwall Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

The figure below shows the bearing pressure distribution underneath the footing.

Heel Loads for Load Case 2

Soil above footing Ws 4.59kip <‐‐Taken from Wingwall Design

asHeel

23 ft

Wst 0kip <‐‐Triangular region

ast2

3Heel 4 ft

Weight of Heel Wh Heel TOF BOF( ) 1 ft γc 1.8 kip

ahHeel

23 ft

Attachment F-6 13 of 33

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Wingwall Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Weight of Surcharge Wsusurcharge

γsHeel 1 ft γs 1.2 kip

asuHeel

23 ft

Uplift Pressure Uplift 0.343ksf <‐‐Taken from Inlet Headwall Design

fu Uplift Heel 1 ft 2.058 kip

auHeel

23 ft

p1 Toe THstem q2 q1

B q1 0.53 ksf

Pressure underneath Heel(Uniform Section)

f1 p1 Heel 1 ft 3.181 kip

a1Heel

23 ft

p2 q2 p1 0.224 ksfPressure underneath Heel(Triangular Section)

f2 .5 Heel p2 1 ft 0.671 kip

a22

3Heel( ) 4 ft

Attachment F-6 14 of 33

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Wingwall Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

The figure below shows the bearing pressure distribution underneath the heel. 

Wtotal Lf Hf Ws Wh Wsu f1 f2 fu 3.713 kipTotal Weight

Moment in Heel(Counterclockwisemoment is positive)

Muh2 Lf Hf Ws as Wh ah

Wsu asu f1 a1 f2 a2

fu au

9.657 kip ft

Vuh2 Wtotal 3.713 kipShear in Heel

Toe Loads for Load Case 2

Pressure underneath toe(Uniform Section)

p1 q1 0.251 ksf

f1 Toe p1 1 ft 1.504 kip

Attachment F-6 15 of 33

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Wingwall Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

a1Toe

23 ft

Pressure under heel(Triangular Section)

p2 Toeq2

B

0.335 ksf

f21

2p2 Toe 1 ft 1.005 kip

a21

3Toe 2 ft

The figure below shows the bearing pressure distribution underneath the heel. 

Wtoe TOF BOF( ) Toe 1 ft γc 1.8 kipWeight of Toe

atToe

23 ft

Weight of water over toe Ww Toe GR TOF( ) 1ft γw 1.31 kip

awToe

23 ft

Attachment F-6 16 of 33

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Wingwall Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Uplift Pressure underneath toe Uplift 0.343ksf <‐‐Taken from Inlet Headwall Design

fu Uplift Toe 1 ft 2.058 kip

auToe

23 ft

Moment in Toe(Counterclockwisemoment is positive)

Mut2 2.21 Wtoe at Ww aw

f1 a1 f2 a2 fu au

7.436 kip ft

Vut2 2.21 f1 f2 fu Wtoe Ww 3.219 kipShear in Toe

Load Case 3 Summary

Eccentricity e 1.105 ft <‐‐Taken from Inlet Headwall Design 

Vertical Loads Vv 5.787kip <‐‐Taken from Inlet Headwall Design 

Area for 1‐ft length of footing A B 1 ft 13.5 ft2

Moment of Inertia I1ft B

3

12205.031 ft

4

Pressure under toe q1

Vv

A

Vv e 0.5 B( )

I 0.218 ksf

Pressure under heel q2

Vv

A

Vv e 0.5 B( )

I 0.639 ksf

Attachment F-6 17 of 33

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Wingwall Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

The figure below shows the bearing pressure distribution underneath the footing.

Heel Loads for Load Case 3

Soil above footing Ws 4.68kip

asHeel

23 ft

Wst 0kip

ast2

3Heel 4 ft

Weight of Heel Wh Heel TOF BOF( ) 1 ft γc 1.8 kip

Attachment F-6 18 of 33

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Wingwall Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

ahHeel

23 ft

Weight of Surcharge Wsu 0kip <‐‐With water to the top ofwall, no surcharge will beconsidered in this load case

asuHeel

23 ft

Uplift Pressure underneath heel Uplift1 0.486ksf <‐‐Taken from Inlet Headwall Design

Uplift Pressure underneath toe Uplift2 0.416ksf <‐‐Taken from Inlet Headwall Design

pu1 HeelUplift1 Uplift2

B Uplift2 0.447 ksf

fu1 pu1 Heel 1 ft 2.683 kip

au1Heel

23 ft

pu2 Uplift1 pu1 0.039 ksf

fu21

2Heel pu2 1 ft 0.117 kip

au22

3Toe 4 ft

p1 Toe THstem q2 q1

B q1 0.452 ksf

Pressure underneath Heel(Uniform Section)

f1 p1 Heel 1 ft 2.712 kip

a1Heel

23 ft

p2 q2 p1 0.187 ksfPressure underneath Heel(Triangular Section)

f2 .5 Heel p2 1 ft 0.561 kip

Attachment F-6 19 of 33

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Wingwall Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

a22

3Heel( ) 4 ft

The figure below shows the bearing pressure distribution underneath the heel. 

Wtotal Lf Hf Ws Wh Wsu f1 f2 fu1 fu2

Wst

0.899 kipTotal Weight

Moment in Heel(Counterclockwisemoment is positive)

Muh3 Lf Hf Ws as Wst ast Wh ah

Wsu asu f1 a1 f2 a2

fu1 au1 fu2 au2

1.199 kip ft

Vuh3 Wtotal 0.899 kipShear in Heel

Attachment F-6 20 of 33

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Wingwall Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Toe Loads for Load Case 3

Pressure underneath toe(Uniform Section)

p1 q1 0.218 ksf

f1 Toe p1 1 ft 1.309 kip

a1Toe

23 ft

Pressure under toe(Triangular Section)

p2 Toeq2

B

0.284 ksf

f21

2p2 Toe 1 ft 0.852 kip

a21

3Toe 2 ft

The figure below shows the bearing pressure distribution underneath the heel. 

Attachment F-6 21 of 33

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Wingwall Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Wtoe TOF BOF( ) Toe 1 ft γc 1.8 kipWeight of Toe

atToe

23 ft

Weight of water over toe Ww Toe TOW 2ft( ) TOF[ ] 1ft γw 1.685 kip

awToe

23 ft

Uplift Pressure underneath heel Uplift1 0.486ksf <‐‐Taken from Inlet Headwall Design

Uplift Pressure underneath toe Uplift2 0.416ksf <‐‐Taken from Inlet Headwall Design

fu1 Uplift2 Toe 1 ft 2.496 kip

auToe

23 ft

fu21

2Toe Toe

Uplift1

B

1 ft 0.648 kip

au21

3Toe 2 ft

Moment in Toe(Counterclockwisemoment is positive)

Mut3 2.21 Wtoe at Ww aw f1 a1

fu1 au1 fu2 au2 f2 a2

8.753 kip ft

Vut3 2.21 f1 f2 fu1 fu2 Wtoe Ww 4.023 kipShear in Toe

Load Case 4 Summary

Eccentricity e 1.054 ft <‐‐Taken from Inlet Headwall Design 

Vertical Loads Vv 5.466kip <‐‐Taken from Inlet Headwall Design 

Area for 1‐ft length of footing A B 1 ft 13.5 ft2

Moment of Inertia I1ft B

3

12205.031 ft

4

Attachment F-6 22 of 33

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Wingwall Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Pressure under toe q1

Vv

A

Vv e 0.5 B( )

I 0.215 ksf

Pressure under heel q2

Vv

A

Vv e 0.5 B( )

I 0.595 ksf

The figure below shows the bearing pressure distribution underneath the footing.

Heel Loads for Load Case 4

Soil above footing Ws 4.68kip <‐‐Taken from Wingwall Design

asHeel

23 ft

Attachment F-6 23 of 33

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Wingwall Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Wst 0.562kip <‐‐Weight of water over the heel

astHeel

23 ft

Weight of Heel Wh Heel TOF BOF( ) 1 ft γc 1.8 kip

ahHeel

23 ft

Weight of Surcharge Wsu 0kip <‐‐With water to the top ofwall, no surcharge will beconsidered in this load case

asuHeel

23 ft

Uplift Pressure Uplift 0.624ksf <‐‐Taken from Inlet Headwall Design

fu Uplift Heel 1 ft 3.744 kip

auHeel

23 ft

p1 Toe THstem q2 q1

B q1 0.426 ksf

Pressure underneath Heel(Uniform Section)

f1 p1 Heel 1 ft 2.556 kip

a1Heel

23 ft

p2 q2 p1 0.169 ksfPressure underneath Heel(Triangular Section)

f2 .5 Heel p2 1 ft 0.506 kip

a22

3Heel( ) 4 ft

Attachment F-6 24 of 33

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Wingwall Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

The figure below shows the bearing pressure distribution underneath the heel. 

Wtotal Lf Hf Ws Wh Wsu Ws f1 f2 fu 9.623 kipTotal Weight

Moment in Heel(Counterclockwisemoment is positive)

Muh4 Lf Hf Ws as Wh ah Wst ast

Wsu asu f1 a1 f2 a2

fu au

0.45 kip ft

Vuh4 Wtotal 9.623 kipShear in Heel

Toe Loads for Load Case 4

Pressure underneath toe(Uniform Section)

p1 q1 0.215 ksf

f1 Toe p1 1 ft 1.291 kip

Attachment F-6 25 of 33

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Wingwall Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

a1Toe

23 ft

Pressure under heel(Triangular Section)

p2 Toeq2

B

0.264 ksf

f21

2p2 Toe 1 ft 0.793 kip

a21

3Toe 2 ft

The figure below shows the bearing pressure distribution underneath the heel. 

Wtoe TOF BOF( ) Toe 1 ft γc 1.8 kipWeight of Toe

atToe

23 ft

Weight of water over toe Ww 2.995kip

awToe

23 ft

Attachment F-6 26 of 33

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Wingwall Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Uplift Pressure underneath toe Uplift 0.624ksf <‐‐Taken from Inlet Headwall Design

fu Uplift Toe 1 ft 3.744 kip

auToe

23 ft

Moment in Toe(Counterclockwisemoment is positive)

Mut4 2.21 Wtoe at Ww aw

f1 a1 f2 a2 fu au

5.097 kip ft

Vut4 2.21 f1 f2 fu Wtoe Ww 2.283 kipShear in Toe

Design Load Summary for Heel

Maximum Moment from all load cases MDH min Muh1 Muh2 Muh3 Muh4 9.657 ft kip

Since I've chosen counterclockwise moments to be positive, a negative moment here represents thetop of the heel being in tension.

Design Moment MH MDH 9.657 ft kip

Maximum Shear from all load cases VH max Vuh1 Vuh2 Vuh3 Vuh4 9.623 kip

Design Load Summary for Toe

Maximum Moment from all load cases MTH min Mut1 Mut2 Mut3 Mut4 8.753 ft kip

Since I've chosen counterclockwise moments to be positive, a negative moment here represents thebottom of the toe the being in tension.

MT MTH 8.753 ft kipDesign Moment

Maximum Shear from all load cases VT max Vut1 Vut2 Vut3 Vut4 4.023 kip

Reinforcement Design of the Heel

1. Determine area of temperature and shrinkage steel required.

Minimum reinforcement ratio ρt .0014 <‐‐ACI 318‐11 Section 7.12.2

Required Area of Reinforcement At ρt b TOF BOF( ) 0.403 in2

Attachment F-6 27 of 33

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Wingwall Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Area of Reinforcement Provided Ast 0.44in2

<‐‐Input the area of steel that will be provided

   Specify #6 @ 12" for Temperature and Shrinkage   

2. Determine area of flexural steel required.

Fraction β1 β1 0.85

Distance to reinforcement d TOF BOF( )( ) cover1

2Dia6 19.625 in

Steel ratio Ru

MH

b d2

25.074 psi

ρ0.85 fc

fy1 1

2 Ru

ϕb 0.85( ) fc

0.0005

Required Area of Reinforcement Ast ρ b d 0.11 in2

Minimum Flexural Steel Required (ACI 318‐11 Section 10.5.1)

Asmin

3fc

psi

fyb d psi

3fc

psi

fyb d psi

200

fy1

psi

b dif

200

fy1

psi

b d

otherwise

0.785 in2

Minimum Flexural Steel Required (ACI 318‐11 Section 10.5.3)

Asmin2 1.33 Ast 0.146 in2

Attachment F-6 28 of 33

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Wingwall Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Required Area of Reinforcment Check

Ast max min Asmin Asmin2 Ast At 0.403 in2

3. Check Maximum Steel ratio.

Balanced Steel ratio ρb 0.85 β1fc

fy

87

87fy

1000psi

0.029

Asmax "Less than or equal to recommended limit (OK)" ρ 0.25 ρbif

"Doesn't require special investigation (OK)" 0.25 ρb ρ .375 ρbif

"Consider other options (NOT OK)" otherwise

Asmax "Less than or equal to recommended limit (OK)"

4. Specify Flexural Steel Reinforcement.

Required Area of Flexural Steel Ast 0.403 in2

Area of Reinforcement Provided Asf 0.44in2

<‐‐Input the area of steel that will be provided

            Specify #6 @ 12" for Flexural Reinforcement.

5. Verify Steel Yields.

Tension Force T Asf fy 26.4 kip

Depth of compression zone aAsf fy

0.85 fc b0.647 in

ca

β10.761 in

Distance to neutral axis

εcd c

c

0.003 0.074Concrete Strain

Attachment F-6 29 of 33

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Wingwall Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Check "Tension Controlled" εc .005if

"Compression Controlled" εc .002if

"Transition Zone" .002 εc .005if

Steel Yield Check

Check "Tension Controlled"

6. Calculate Moment Capacity Provided by Steel Reinforcment.

ϕb 0.9 εc .005if

0.65 εc .002if

0.65 εc .002 250

3

.002 εc .005if

0.9Verify Reduction Factor

Moment Capacity ϕMn ϕb Asf fy d1

2

Asf fy

0.85 fc b

38.217 kip ft

Capacity Check Check "Adequate Moment Capacity" ϕMn MHif

"Inadequate Moment Capacity" otherwise

Check "Adequate Moment Capacity"

7. Check Shear Capacity.

Shear Strength of Concrete ϕVc ϕv 2fc

psi b d

lb

in2

22.341 kip

Ultimate Shear Strength Vu VH 9.623 kip

Check "Adequate Shear Capacity" ϕVc Vuif

"Inadequate Shear Capacity" otherwise

Check "Adequate Shear Capacity"

Attachment F-6 30 of 33

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Wingwall Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Reinforcement Design of the Toe

1. Determine area of temperature and shrinkage steel required.

Minimum reinforcement ratio ρt .0014 <‐‐EM 1110‐2‐2104

Required Area of Reinforcement At ρt b TOF BOF( ) 0.403 in2

Area of Reinforcement Provided Ast .44in2

<‐‐Input the area of steel that will be provided

   Specify #6 @ 12" for Temperature and Shrinkage   

2. Determine area of flexural steel required.

Fraction β1 β1 0.85

Distance to reinforcement d TOF BOF( ) cover1

2Dia6 19.625 in

Steel ratio Ru

MT

b d2

22.727 psi

ρ0.85 fc

fy1 1

2 Ru

ϕb 0.85( ) fc

0.0004

Required Area of Reinforcement Ast ρ b d 0.099 in2

Minimum Flexural Steel Required (ACI 318‐11 Section 10.5.1)

Asmin

3fc

psi

fyb d psi

3fc

psi

fyb d psi

200

fy1

psi

b dif

200

fy1

psi

b d

otherwise

0.785 in2

Attachment F-6 31 of 33

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Wingwall Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Minimum Flexural Steel Required (ACI 318‐11 Section 10.5.3)

Asmin2 1.33 Ast 0.132 in2

Required Area of Reinforcment Check

Ast max min Asmin Asmin2 Ast At 0.403 in2

3. Check Maximum Steel ratio.

Balanced Steel ratio ρb 0.85 β1fc

fy

87

87fy

1000psi

0.029

Asmax "Less than or equal to recommended limit (OK)" ρ 0.25 ρbif

"Doesn't require special investigation (OK)" 0.25 ρb ρ .375 ρbif

"Consider other options (NOT OK)" otherwise

Asmax "Less than or equal to recommended limit (OK)"

4. Specify Flexural Steel Reinforcement.

Required Area of Flexural Steel Ast 0.403 in2

Area of Reinforcement Provided Asf 0.44in2

<‐‐Input the area of steel that will be provided

            Specify #6 @ 12" for Flexural Reinforcement

5. Verify Steel Yields.

Tension Force T Asf fy 26.4 kip

Depth of compression zone aAsf fy

0.85 fc b0.647 in

Attachment F-6 32 of 33

FMM Reach 4Inlet Headwall Reinforcement

Design - Wingwall Section

05/21/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

ca

β10.761 in

Distance to neutral axis

εcd c

c

0.003 0.074Concrete Strain

Check "Tension Controlled" εc .005if

"Compression Controlled" εc .002if

"Transition Zone" .002 εc .005if

Steel Yield Check

Check "Tension Controlled"

6. Calculate Moment Capacity Provided by Steel Reinforcment.

Moment Capacity ϕMn ϕb Asf fy d1

2

Asf fy

0.85 fc b

38.217 kip ft

Capacity Check Check "Adequate Moment Capacity" ϕMn MTif

"Inadequate Moment Capacity" otherwise

Check "Adequate Moment Capacity"

7. Check Shear Capacity.

Shear Strength of Concrete ϕVc ϕv 2fc

psi b d

lb

in2

22.341 kip

Ultimate Shear Strength Vu VT 4.023 kip

Check "Adequate Shear Capacity" ϕVc Vuif

"Inadequate Shear Capacity" otherwise

Check "Adequate Shear Capacity"

Attachment F-6 33 of 33

FMM Reach 4RCP Class Determination

9/06/2012Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Class Determination for Reinforced Concrete Pipe

References:   1. EM 1110‐2‐2902 "Conduits, Culverts and Pipes"   2. ASTM C76

 Units: kip 1000lbf pcflbf

ft3

lb lbf lbf lb psflbf

ft2

kips kip

 Inputs:

Unit Weight of Fill γf 123pcf

Unit Weight of Water γw 62.4pcf

Inside Diameter Di 6ft

t 7inWall Thickness

Do Di 2t 7.167 ftOutside Diameter

ELEMB 896.0ftTop of EMB EL.

Max Soil Cover Over Pipe Hc 7.333ft

ELPipe ELEMB Hc 888.667 ftTop of Pipe EL.

Existing Ground EL. ELGr 890ft

Equipment Surcharge surcharge 200psf

Assumptions:     1. Design follows EM 1110‐2‐2902     2. All pipe bedding is considered "ordinary".     3. Pipes are spaced far enough apart so that one pipe excavation will not be affected by the          adjacent excavation. Loading is considered as a single pipe.     4. Trench width limits specified in Figure 2‐4 of Ref.1 will likely be exceeded in the field; thus, Fill          Condition will be a considered an embankment condition (Condition III).     5. Pipe Strength 5,000psi; Wall B from ASTM C76

Attachment F-7 1 of 4

FMM Reach 4RCP Class Determination

9/06/2012Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Figure 2‐4. Loading conditions for conduits (Reference 1)

 Outputs:

Outside Pipe Dimension bc Do 7.167 ft

Height of Fill above natural ground Hf ELEMB ELGr 6 ft

Height of Fill above pipe Hc 7.333 ft

Height of Fill above pipe CL Hh Hc

Do

2 10.916 ft

Height of Pipe above level foundation Hp bc max 8in 0.04 Hc 6.5 ft

I. Loading Determination

Soil Load on Pipe

We 1.5 γf bc Hh 1 ft 14.434 kip <‐‐Equation 2‐12 Ref. 1

Live Load on Pipe

WL 0kip <‐‐No Live Load assumed

Water Load in Pipe

Ww

π Di2

4γw 1 ft 1.764 kip

Attachment F-7 2 of 4

FMM Reach 4RCP Class Determination

9/06/2012Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Equipment Surchage Load in Pipe

Wssurcharge

γfDo 1 ft γf 1.433 kip

II. Bedding Factor Determination

Projection ratio ρHp

bc0.907 <‐‐Defined on Figure 3‐2 Ref.1

Bedding Factor Constant, Xa Xa .654 <‐‐Input value from Table 3‐2

Xp .840 <‐‐Input value from Table 3‐2Bedding Factor Constant, Xp

Bedding Factor Bf1.431

Xp

Xa

3

2.301

III. D‐Load Analysis

Total Load WT We WL Ww Ws 17.632 kip

Hydraulic Load Factor LF 1.3

D‐Load D0.01

LF WT

Di Bf1.66

kip

ft <‐‐Paragraph 3‐7 Ref. 1

III. Determine Pipe Class

Class "Class IV" 1.35kip

ftD0.01 2

kip

ftif

"Class V" 2kip

ftD0.01 3

kip

ftif

"Class IV"

Attachment F-7 3 of 4

FMM Reach 4RCP Class Determination

9/06/2012Comp by: MVR

97% FTR Submittal

IV. Determine height requiring Class V pipe

Limiting D0.01 D0.01 2kip

ft

Solve for the maximum Hh

Hh_max

D0.01 Di Bf

LFWw WL

1.5 γf bc 1 ft14.727 ft <‐‐Max distance from centerline of pipe to top of

     embankment.

Solve for maximum EMB Height

EMBmax Hh_max

bc

2 ELPipe 899.81 ft

Solve for maximum height above pipe

Hmax EMBmax ELPipe 11.143 ft <‐‐All sections of pipe that have more fill above it than this     value will require a Class V precast concrete pipe.

Attachment F-7 4 of 4

FMM Reach 4Sizing Impact Stilling Basin

05/10/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Initial Sizing Design of USBR Type VI Impact Stilling Basin

References:1. "Hydraulic Design of Stilling Basin for Pipe or Channel Outlets" by U.S. Bureau of Reclamation2. "Design of Small Canal Structures" by U.S. Bureau of Reclamation

Inputs:cfs

ft3

s

Total Design Flow QT 520cfs

Number of Pipes Pipetotal 3

Pipe Diameter Dpipe 6ft

Pipe Inlet Invert Elevation Invertinlet 886.5ft

Pipe Outlet Invert Elevation Invertoutlet 874.003ft

Acceleration due to gravity g 32.174ft

s2

Outputs:

Apipe

π Dpipe2

428.274 ft

2

Pipe Area

Design Flow per Pipe Qp

QT

Pipetotal173.333 cfs

Entrance Velocity Ve 2 g Invertinlet Invertoutlet 28.358ft

s

Flow Area Af

Qp

Ve6.112 ft

2

Depth of Flow Depthflow Af 2.472 ft

FrVe

g Depthflow3.18

Froude Number

Attachment F-8 1 of 3

FMM Reach 4Sizing Impact Stilling Basin

05/10/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

**Use Froude Number calculated above to obtain W/D in Figure 8 below.

W/D ratio RatioWD 5.4 <‐‐Input W/D ratio from Figure 8 of Ref. 1        below

Wmin Depthflow RatioWD 13.351 ftMinimum Inside Width of Basin

Rounded Inside Width of Basin W round ceilWmin

ft

1

ft 14.00 ft

WD 16.00ft <‐‐Input Design width of basinDesign Width of Basin

Attachment F-8 2 of 3

FMM Reach 4Sizing Impact Stilling Basin

05/10/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

**Use Figure 1 below and WD from above to obtain the remaining dimensions of the Stilling Basin.

β

H3 WD

412 ft c

WD

28 ft r

WD

200.8 ft <‐‐Riprap Dia.   

L4 WD

321.333 ft d

WD

62.667 ft

aWD

28 ft e

WD

121.333 ft

b3 WD

86 ft t

WD

121.333 ft

Attachment F-8 3 of 3

FMM Reach 4Inlet Headwall Trash Rack Design

Updated 10/08/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Inlet Headwall Design: Trash Rack Section

Trash rack will be located on the inlet headwall of the Reach 4 draingage structure. There will be a totalof 12 trash rack sections. Each section is made up of 7 beams with six inches of clear space betweeneach beam.

 Units: kips 1000lbf pcflbf

ft3

lb lbf lbf lb psflbf

ft2

 Material Properties:

Unit weight of water γw 62.4pcf

Unit weight of concrete γc 150pcf

Unit weight of steel γs 490pcf

Steel Yield Strength fy 50ksi

Strength of Concrete fc 4000psi

Young's Modulus E 29000ksi

 General Inputs:

Bottom of Trash Rack Elevation BOT 886.5ft

Top of Trash Rack Elevation TOT 893.29ft

Water 894.5ftWater Elevation

ϕb 0.90Moment Reduction Factor

Shear Reduction Factor ϕv 0.90

Connection Bolt Diameter D .75in

Trash Rack Angle θ 45deg

 Beam Properties:

wb .625inBeam Width

db 4inBeam Depth

Lb 9.3ftBeam Length

Attachment F-9 1 of 7

FMM Reach 4Inlet Headwall Trash Rack Design

Updated 10/08/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Ab wb db 2.5 in2

Beam Area

Center‐to‐Center Spacing spacing 6in wb 6.625 in

Section Modulus Sx

wb db2

61.667 in

3

Plastic Modulus Zx

wb db2

42.5 in

3

Moment of Inertia Ix

wb db3

123.333 in

4

Beam Loads

The trashrack will be designed to be completely submerged with a 5‐ft head differential resulting fromdebris backup. (EM 1110‐2‐3104 pg. 4‐16)

Assumptions:

1. Trash Rack beam is assumed to be simply supported with a uniform loading.2. Trash Rack beam has a rectangular bar cross section and will be checked for yielding and lateraltorsional buckling flexural limit states.3. Analysis follows the LRFD design method used in AISC Steel Construction Manual 13th edition.4. Load combination 1.2DL + 1.6LL will be used for design.5. Larger than normal deflections will be accepted at the discretion of designer.

Driving Pressure PD γw Water BOT( ) 0.499 ksf

Driving Normal Uniform Force wud PD spacing 0.276kip

ft

Resisting Pressure PR γw Water BOT( ) 5ft[ ] 0.187 ksf

wur PR spacing 0.103kip

ft

Resisting Normal Uniform Force

Beam Self Weight wsf γs Ab sin θ( ) 0.00602kip

ft

Total Beam Load wT 1.2 wsf 1.6 wud wur 0.283kip

ft

Design Moment Mu

wT Lb2

83.058 kip ft

Design Shear Vu

wT Lb

21.315 kip

Attachment F-9 2 of 7

FMM Reach 4Inlet Headwall Trash Rack Design

Updated 10/08/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Design Checks 

 Flexural Capacity ‐ AISC Steel Manual Chapter F

1. Yielding Check

Fully Plastic Moment(Eq. F11‐1 AISC Steel Manual)

Mp min fy Zx 1.6 fy Sx 10.417 kip ft

2.Lateral Torsional Buckling Check

Nominal Flexural Strength (Eqs. F11‐2 & F11‐3 AISC Steel Manual)

Taking Cb 1

Mn Cb 1.52 0.274Lb db

wb2

fy

E

fy Sx

0.08 E

fy

Lb db

wb2

1.9 E

fyif

min Mp Sx

1.9 E Cb

Lb db

wb2

otherwise

6.697 kip ft

3. Flexural Design Strength

Flexural Design Strength ϕMn ϕb min Mp Mn 6.027 kip ft

Check1 "Adequate Flexural Capacity" ϕMn Muif

"Inadequate Flexural Capacity" ϕMn Muif

"Adequate Flexural Capacity"

 Shear Capacity ‐ AISC Steel Manual Chapter G

Taking Cv 1

Nominal Shear Strength(Eq. G2‐1 AISC Steel Manual)

Vn 0.6 fy Ab Cv 75 kip

Shear Design Strength ϕVn ϕv Vn 67.5 kip

Check2 "Adequate Shear Capacity" ϕVn Vuif

"Inadequate Shear Capacity" ϕVn Vuif

"Adequate Shear Capacity"

Attachment F-9 3 of 7

FMM Reach 4Inlet Headwall Trash Rack Design

Updated 10/08/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

 Serviceability Check ‐ Deflection

Max Deflection for simplysupported beam

Δmax

5 wT Lb4

384 E Ix0.492 in

Deflection Ratio RatioLb

Δmax226.631

This maximum deflection of Lb/227 will be accepted for design.

 Bolted Connection Design ‐ AISC Steel Manual Chapter J

Assumptions:

1. Bolts shall be 3/4" in diameter.2. ASTM A325 Bolts in Standard Holes.3. Bolt threads are not exclued from shear planes.4. Each trash rack has 2 bolts on the top and bottom of the trash rack which bolts into the concreteheadwall; it will be conservatively assumed that the entire shear loading from the section isconcentrated on one bolt. There are 7 beams in each section; thus, the design shear will be multipliedby seven and conservatively applied to one bolt.

Design Bolt Shear Vbolt 7 Vu cos θ( ) 6.509 kip

Nominal Shear Stress in Bearing Fnv 48ksi

Reduction Factor ϕbv 0.75

Shear Strength of Bolt(Eq. J3‐1 AISC Steel Manual)

ϕRn ϕbv Fnvπ D

2

4

15.904 kip

Check3 "Adequate Bolt Shear Capacity" ϕRn Vboltif

"Inadequate Bolt Shear Capacity" ϕRn Vboltif

"Adequate Bolt Shear Capacity"

 Bearing Strength at Bolt Holes (Angle to Base Connection)

Edge of angle to edge of hole Lc 3in <‐‐Input edge distance

Angle thickness tp .5in

Angle Leg Length Lp 6in

Minimum Tensile Strength of plate Fu 58ksi <‐‐Assumes A50 Steel

Attachment F-9 4 of 7

FMM Reach 4Inlet Headwall Trash Rack Design

Updated 10/08/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Plate Yield Strength Fy 36ksi

Available Bearing Strength(Eq. J3‐6a AISC Steel Manual)

ϕRnb min ϕbv 1.2 Lc tp Fu ϕbv 2.4 D tp Fu

ϕRnb 39.15 kip

Check4 "Adequate Bearing Strength" ϕRnb Vboltif

"Inadequate Bearing Strength" ϕRnb Vboltif

"Adequate Bearing Strength"

 Check Beam to End Section Welds

Weld Strength FEXX 70ksi

Reduction Factor ϕw 0.75

Beam and end section width wb 0.625 in

Miniumum Weld Size Weldmin1

8in

wb .25inif

3

16in

.25in wb .5inif

1

4in

.5in wb .75inif

5

16in

wb .75inif

Weldmin1

4in

Weld Size (multiples of 1/16") Weld1

4in

Effective Area Ae2

2Weld 1 in 0.177 in

2

ϕrwL ϕw 0.6 FEXX Ae 5.568 kipShear resistance per inch of weld

Vu 1.315 kipDesign Shear

Attachment F-9 5 of 7

FMM Reach 4Inlet Headwall Trash Rack Design

Updated 10/08/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Lmin1

Vu

2 ϕrwLin 0.118 in

Minium Effective Length

Minimum Effective Length Lmin2 4 Weld 1 in

Minimum Effective Length Lmin max Lmin1 Lmin2 1 in

One inch of 1/4" fillet weld should be welded on each side of the bar.

 Check End Section to Plate Welds

It will be assumed that the shear force from the seven beam sections will be concentrated on oneconnection. 

Since the plate, end section and beam all have the same thickness, the minumum weld size is thesame as above.

Minimum Weld Size Weldmin 0.25 in

Weld21

4in

Weld Size (multiples of 1/16")

Ae22

2Weld2 1 in 0.177 in

2

Effective Area

ϕrwL ϕw 0.6 FEXX Ae2 5.568 kipShear resistance per inch of weld

VT 7 Vu 9.206 kipDesign Shear

Lmin1

VT

2 ϕrwLin 0.827 in

Minium Effective Length

Lmin2 4 Weld 1 in <‐‐AISC Steel Manual     pg. 16.1‐96

Minimum Effective Length

Lmin max Lmin1 Lmin2 1 inMinimum Effective Length

One and a half inch of 1/4" fillet weld should be welded on each side of the bar.

Attachment F-9 6 of 7

FMM Reach 4Inlet Headwall Trash Rack Design

Updated 10/08/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

 Check Shear Strength of Concrete ACI

Shear force resisted by Concrete Vuc 7 Vu sin θ( ) 6.509 kip

Shear Strength of Concrete Vc ϕbv 2fc

psi 12 in 24in 4in .5 0.75 in( )

The above equation assumes a 24in base, 4inches of clearconcrete cover and #6 bars.

Vc Vclb

in2

22.341 kipShear Strength of Concrete

Check5 "Adequate Concrete Capacity" Vc Vucif

"Inadequate Concrete Capacity" Vc Vucif

"Adequate Concrete Capacity"

 Section Weight Calculation

Each section of trash rack will consist of 7 beams at 9ft‐4in with a 40.375 inch beam attached to theend. There are a total of 12 sections required.

Trash Rack Single Section Weight TRw Ab 7 Lb 2 40.375 in γs 0.611 kip

Trash Rack Total Weight TRT 12 TRw 7.333 kip

Attachment F-9 7 of 7

FMM Reach 4Impact Basin Design

Pipe Box Section

04/29/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Impact Basin Design: Pipe Box Section

The impact basin structure has a concrete box extending from the front of the basin that the RCP willsit in, along with a flap gate. 

 Units: kips 1000lbf pcflbf

ft3

lb lbf lbf lb psflbf

ft2

 Material Properties:

Unit weight of water γw 62.4pcf

Unit weight of concrete γc 150pcf

Reinforcing Steel fy 60000psi

Strength of Concrete fc 4000psi

Unit weight of soil, saturated γs 120pcf

Unit weight of soil, compacted γbf 115pcf

Unit weight of soil, bouyant γb γs γw 57.6 pcf

Undrained shear strength

Cohesion cu 900psf

Phi ϕu 0deg

Drained Shear Strength

Cohesion cd 0psf

Phi ϕ 31deg

Unit weight, select granular fill γF 125pcf

Cohesion  cF 0psf

Phi ϕF 32deg

Attachment F-10 1 of 13

FMM Reach 4Impact Basin Design

Pipe Box Section

04/29/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

 Inputs:

Top of Box Elevation GR 883.6ft

Bottom of Box Elevation BOB 872.3ft

Water Elevation Water 883.6ft

Footing Thickness THfoot 1ft

Wall Thickness THwall 1ft

Wall Opening for Pipe Dp 6ft

Total Width  of Box wi 10ft

Total Length of Box Li 11.33ft

EMB Slope EMBs1

7

Slope angle θ atan EMBs 8.13 deg

Strength Mobilization Factor SMF2

3

Developed angle of internal friction ϕd atan SMF tan ϕ( )( ) 21.83 deg

qs 250psfSurcharge Load

 Load Factors and Reduction Factors:

Load Factor Lf 1.7

Hydraulic Factor Hf 1.3

Bending Reduction Factor ϕb 0.90

Shear Reduction Factor ϕv 0.75

 Reinforcement Parameters:

Bar Diameter Dia .75in <‐‐Assume #6 bar

Section Width bw 12in

Concrete Cover cover 4in

Attachment F-10 2 of 13

FMM Reach 4Impact Basin Design

Pipe Box Section

04/29/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

 Lateral Forces on Walls and Base of Box Section

Assumptions:

1. Design follows USBR Monograph 27. Plate fixed along 3 edges with the top free; uniformly varyingload.2. Soil and Water are assumed to be at the top of the box.3. At‐Rest soil conditions.

At‐Rest Pressure Coefficient Ko 1 sin ϕd 1 sin θ( )( ) 0.717 <‐‐Equation 3‐6     EM 1110‐2‐2502 

Lateral Soil Pressure on Walls Psoil Ko γb GR BOB( ) 0.467 ksf

Pwater γw GR BOB( ) 0.705 ksfLateral Water Pressure on Walls

Psurcharge Ko qs 0.179 ksfLateral Surcharge Pressure on Walls

Because there are two different types of loads applied to the wall, the figures and coefficients taken fromUSBR Monagraph 27 will be combined to determine design moments and reactions. See Figures below.

Attachment F-10 3 of 13

FMM Reach 4Impact Basin Design

Pipe Box Section

04/29/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Dimension a awi

25 ft

Dimension b b Li

THfoot

2 10.83 ft

a/b ratio Ratioa

b0.462

The charts on pgs. 7 & 10 of USBR Monograph 27 gives values of a/b for .375 and .5; thus, interpolationwill be used to determine coefficient values for the above ratio.

54.77 82.69

x/a y/b Psoil Pwater Msoil Mwater

0.0 1.0 0.012516 0.012516 0.68555 1.03493 3.80226

0.0 0.8 0.01859 0.01859 1.01825 1.53718 5.6475

0.0 0.6 0.024351 0.024351 1.3338 2.01355 7.39765

0.0 0.4 0.025602 0.025602 1.40232 2.117 7.77769

0.0 0.2 0.015544 0.015544 0.85141 1.28531 4.72215

0.0 0.0 0 0 0 0 0

1.0 1.0 ‐0.00812 ‐0.00812 ‐0.4448 ‐0.6714 ‐2.4668

1.0 0.8 ‐0.00968 ‐0.00968 ‐0.5302 ‐0.8004 ‐2.9407

1.0 0.6 ‐0.01186 ‐0.01186 ‐0.6496 ‐0.9807 ‐3.603

1.0 0.4 ‐0.01171 ‐0.01171 ‐0.6414 ‐0.9683 ‐3.5574

1.0 0.2 ‐0.00589 ‐0.00589 ‐0.3226 ‐0.487 ‐1.7893

1.0 0.0 0.00574 0.00574 0.3144 0.47463 1.74377

7.77769

Mx for Wall

.

Maximum Moment

Values of pb2‐‐‐>>

Moment CoefficientsMoments (ft‐kips)

Total 

Moment 

(ft‐kip)

5.06 7.64

y/b Psoil Pwater Psoil Pwater

1.0 0.028435 0.028435 0.14381 0.21711 0.79763

0.8 0.118428 0.118428 0.59896 0.90422 3.32202

0.6 0.184098 0.184098 0.9311 1.40562 5.16413

0.4 0.232554 0.232554 1.17617 1.77558 6.52337

0.2 0.163254 0.163254 0.82568 1.24647 4.57944

6.52337Maximum Reaction

Rx for Wall

Reaction CoefficientsReactions (kips)

Total 

Reaction 

(kips)

Values of 

pb ‐‐‐>

NOTE: Both Tables above contain a load factor of 2.21 for design. The load case considerswater and soil to the top of the box with no surcharge loading.

Attachment F-10 4 of 13

FMM Reach 4Impact Basin Design

Pipe Box Section

04/29/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

 Walls Reinforcement Design

Design Moment Mu 7.78kip ft <‐‐Input Moment from Table above

Design Shear Vu 6.52kips <‐‐Input Shear from Table above

1. Determine area of temperature and shrinkage steel required.

Minimum reinforcement ratio ρt .0014 <‐‐EM 1110‐2‐2104

Required Area of Reinforcement At ρt bw THwall 0.202 in2

Area of Reinforcement Provided Ast .31in2

<‐‐Input the area of steel that will be provided

   Specify #5 @ 12" for Temperature and Shrinkage   

2. Determine area of flexural steel required.

Fraction β1 β1 0.854ksi

ksi

fc

ksi

.05 0.85

Distance to reinforcement d THwall cover1

2Dia 7.625 in

Steel ratio Ru

Mu

bw d2

133.813 psi

ρ0.85 fc

fy1 1

2 Ru

ϕb 0.85( ) fc

0.0025

Required Area of Reinforcement Ast ρ bw d 0.232 in2

Attachment F-10 5 of 13

FMM Reach 4Impact Basin Design

Pipe Box Section

04/29/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Minimum Flexural Steel Required (ACI 318‐11 Section 10.5.1)

Asmin

3fc

psi

fybw d psi

3fc

psi

fybw d psi

200

fy1

psi

bw dif

200

fy1

psi

bw d

otherwise

0.305 in2

Minimum Flexural Steel Required (ACI 318‐11 Section 10.5.3)

Asmin2 1.33 Ast 0.308 in2

Required Area of Reinforcment Check

Ast max min Asmin Asmin2 Ast At 0.305 in2

3. Specify Flexural Steel Reinforcement.

Required Area of Flexural Steel Ast 0.305 in2

Area of Reinforcement Provided Asf 0.31in2

<‐‐Input the area of steel that will be provided

            Specify #5 @ 12" for Flexural Reinforcement

4. Check Maximum Steel ratio.

Actual Steel Ratio ρa

Asf

bw d0.0034

Balanced Steel ratio ρb 0.85 β1fc

fy

87

87fy

1000psi

0.029

Attachment F-10 6 of 13

FMM Reach 4Impact Basin Design

Pipe Box Section

04/29/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Asmax "Less than or equal to recommended limit (OK)" ρa 0.25 ρbif

"Doesn't require special investigation (OK)" 0.25 ρb ρa .375 ρbif

"Consider other options (NOT OK)" otherwise

Asmax "Less than or equal to recommended limit (OK)"

5. Verify Steel Yields.

Tension Force T Asf fy 18.6 kip

Depth of compression zone aAsf fy

0.85 fc b0.042 in

ca

β10.05 in

Distance to neutral axis

εcd c

c

0.003 0.459Concrete Strain

Check "Tension Controlled" εc .005if

"Compression Controlled" εc .002if

"Transition Zone" .002 εc .005if

Steel Yield Check

Check "Tension Controlled"

6. Calculate Moment Capacity Provided by Steel Reinforcment.

ϕb 0.9 εc .005if

0.65 εc .002if

0.65 εc .002 250

3

.002 εc .005if

0.9Verify Reduction Factor

Moment Capacity ϕMn ϕb Asf fy d1

2

Asf fy

0.85 fc b

10.608 kip ft

Capacity Check Check "Adequate Moment Capacity" ϕMn Muif

"Inadequate Moment Capacity" otherwise

Attachment F-10 7 of 13

FMM Reach 4Impact Basin Design

Pipe Box Section

04/29/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Check "Adequate Moment Capacity"

7. Check Shear Capacity.

Shear Strength of Concrete ϕVc ϕv 2fc

psi bw d

lb

in2

8.68 kip

Vu 6.52 kipUltimate Shear Strength

Check "Adequate Shear Capacity" ϕVc Vuif

"Inadequate Shear Capacity" otherwise

Check "Adequate Shear Capacity"

 Box Grating Design

The box dimensions are 9' X 10'. Grating will span 8' across the width of the box and 8' along the lengthof the box. An I‐beam will be placed at midspan to make the unsupported length 4ft; beam is consideredsimply supported. Grating is assumed to be W‐11‐4 type with 3/4" X 1/8" bar sizes. Dead load for thistype of grating is approximately 6.4 psf (Grating Pacific manufacturer). The assumed live load over thegrating is a tractor mower. A total of 4 small 23.5" grating sections with 2/3" spacing between eachsection will be used for design.

Check capacity of Grating (23.5" section)

Live Load from Tractor LT 250psf

Grating Dead Load DG 6.4psf

Grating Bar Thickness th .125in

Grating Bar Depth depth .75in

Grating Bar Spacing spacing .6875in

Grating Span span 4ft

Unit Panel Width panel12 12in

Actual Panel Width panel22 23.5in

Number of bars in unit panel width Kpanel12

spacing17.455

Allowable Fiber Stress F 18ksi

Attachment F-10 8 of 13

FMM Reach 4Impact Basin Design

Pipe Box Section

04/29/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

E 29000ksiElastic Modulus

Section Modulus SwK th depth

2

60.205 in

3

Moment of InertiaIw

K th depth3

120.077 in

4

Max. Allowable Moment per unit width Mw

F Sw

ft3.682 10

3

lb in

ft

Max. Allowable Uniform Load Unit U8 Mw

span2

153.409 psf

Max. Allowable Uniform Load Actual U22 Upanel22

panel12

300.426 psf

Check "Grating Adequate" U22 LT DGif

"Grating Not Adequate" otherwise

"Grating Adequate"

Grating Support Beam Design 

Beam Tributary Width wtrib span 4 ft

Lbeam 8.00ftBeam Length

Design Moment per ft of beam Mu

1.2 DG wtrib 1.6 LT wtrib Lbeam2

813.046 kip ft

Design Shear per ft of beam Vu

1.2DG wtrib 1.6 LT wtrib Lbeam

26.523 kip

Fy 50ksiYield Strength

Bending Reduction Factor ϕb 0.90

ϕv 0.90Shear Reduction Factor

Initial Beam Size Based on Yielding

Zrequired

Mu

Fy3.131 in

3

Attachment F-10 9 of 13

FMM Reach 4Impact Basin Design

Pipe Box Section

04/29/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Zspecify 11.4in3

<‐‐Input Z for W‐shape Chosen (W8X13)from AISC Steel Manual Table 3‐2.

Lb Lbeam 8 ft

Selected Beam Properites

Lp 2.98ft <‐‐AISC Steel Manual Table 3‐2

Lr 9.30ft <‐‐AISC Steel Manual Table 3‐2

Sx 9.91in3

<‐‐AISC Steel Manual Table 1‐1

rts 1.03in <‐‐AISC Steel Manual Table 1‐1

Cb 1 <‐‐Conservatively taken as 1

J .0871in4

<‐‐AISC Steel Manual Table 1‐1

c 1 <‐‐Doubly symmetric shape

ho 7.74in <‐‐AISC Steel Manual Table 1‐1

d 8in <‐‐AISC Steel Manual Table 1‐1

tw 0.23in <‐‐AISC Steel Manual Table 1‐1

 Check Beam Flexural Strength ‐ AISC Steel Manual Chapter F

Moment based on Yielding(Eq. F2‐1  AISC Steel Manual)

Mp Fy Zspecify 47.5 kip ft

Moment based on Lateral Torsional Buckling (Eqs. F2‐2 & F2‐3 AISC Steel Manual)

MLTB 1000000ft kip Lb Lpif

min Cb Mp Mp 0.7 Fy Sx Lb Lp

Lr Lp

Mp

Lp Lb Lrif

Cb π E

Lb

rts

21 0.078

J c

Sx ho

Lb

rts

2

Sx Lb Lrif

32.729 kip ft

Attachment F-10 10 of 13

FMM Reach 4Impact Basin Design

Pipe Box Section

04/29/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Design Strength ϕMn ϕb Mp MLTB 1000000kip ft=if

ϕb min Mp MLTB otherwise

29.456 kip ft

Design Strength Check CheckM "Adequate Moment Capacity" ϕMn Muif

"Inadequate, choose another beam" otherwise

CheckM "Adequate Moment Capacity"

 Check Beam Shear Strength ‐ AISC Steel  Manual Chapter G

Web Shear Coefficient(Eq. G2‐2 AISC Steel Manual)

Cv 1

Design Strength(Eq. G2‐2 AISC Steel Manual)

ϕVn ϕv 0.6 Fy d tw Cv 49.68 kip

CheckV "Adequate Shear Capacity" ϕVn Vuif

"Inadequate Shear Capacity" otherwise

CheckV "Adequate Shear Capacity"

The grating beam will be connected to the concrete box by 2‐ L3X3X5/16. Angles will be anchored to theconcrete by 2 ‐ 3/4" diameter bolts. Angles will also be bolted to the grating beam. Shear strength of theangle and bolts in standardar holes will be checked in the following sections.

 Check Shear Strength of connecting element (Angle) ‐ AISC Steel Manual Chapter J

Angle Thickness ta .3125in

La 6inAngle Length

Fya 36ksiAngle Yield Strength

Fua 50ksiAngle Ultimate Strength

ϕbolt .75inBolt Diameter

ϕbolt_hole ϕbolt1

16in 0.812 in

Bolt Hole Diameter (Standard Hole)

Attachment F-10 11 of 13

FMM Reach 4Impact Basin Design

Pipe Box Section

04/29/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Edge of angle to center of bolt hole distance Ledge 1.5in

Shear Yielding of the Angle(Eq. J4‐3 AISC Steel Manual)

ϕRua_yield 0.60 Fya ta La 40.5 kip

Shear Rupture of the Angle(Eq. J4‐4 AISC Steel Manual)

ϕRua_rupture 0.75 0.6 Fua La ta 2π ϕbolt

2

4

22.307 kip

Shear Strength of the Angle ϕRua min ϕRua_yield ϕRua_rupture 22.307 kip

Check "Adequate Shear Strength" Vu ϕRuaif

"Inadequate Shear Strength" otherwise

Check "Adequate Shear Strength"

 Check Block Shear Strength of connecting element (Angle) ‐ AISC Chapter J

Gross area subject to shear Agv La ta 1.875 in2

Net area subject to shear Anv La ta 2π ϕbolt

2

4

0.991 in2

Eq. J4‐5 AISC Steel Manual ϕRblock min 0.75 0.6 Fua Anv 0.75 0.6 Fya Agv

ϕRblock 22.307 kip

Checkblock "Adequate" ϕRblock Vuif

"Inadequate" otherwise

Checkblock "Adequate"

 Check Bearing Strength at bolt holes ‐ AISC Steel Manual Chapter J

Edge distance Lc Ledge

ϕbolt_hole

2 1.094 in

Number of Bolts Nbolts 2

Available Bearing Strength(Eq. J3‐6a AISC Steel Manual)

ϕRbearing Nbolts min 1.2 Lc ta Fua 2.4 ϕbolt ta Fua

Attachment F-10 12 of 13

FMM Reach 4Impact Basin Design

Pipe Box Section

04/29/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

ϕRbearing 41.016 kip

Checkbearing "Adequate" ϕRbearing Vuif

"Inadequate" otherwise

Checkbearing "Adequate"

 Check Shear Strength of Bolts ‐ AISC Steel Manual  Chapter J

Bolts shall be conform to ASTM A325 with 3/4"  diameter. Bolts will be placed in standard holes. It wil beassumed that threads are not excluded from shear planes.

Nominal Shear Stress Fnv 48ksi <‐‐Table J3.2 AISC Steel Manual

Shear Strength of bolts(Eq. J3‐1 AISC Steel Manual) 

ϕRbolt Nbolts 0.75 Fnvπ ϕbolt

2

4

31.809 kips

Checkbolt "Adequate" ϕRbolt Vuif

"Inadequate" otherwise

Checkbolt "Adequate"

Attachment F-10 13 of 13

FMM Reach 4Impact Basin Design

Updated 10/10/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Outlet Impact Basin Design

 Units: kips 1000lbf pcflbf

ft3

lb lbf lbf lb psflbf

ft2

 Material Properties:

Unit weight of water γw 62.4pcf

Unit weight of concrete γc 150pcf

Reinforcing Steel fy 60000psi

Strength of Concrete fc 4000psi

 Inputs:

ρ 1000kg

m3

Pipe Inlet Invert Elevation ELinlet 886.5ft Rho of water

Pipe Outlet Invert Elevation ELoutlet 874.003ft Top of Basin TOW 15ft

Bottom of Basin BOW 0ft Q 173.33ft

3

s

Design Discharge

Footing Thickness TH 1.5ftDp 6ft

Pipe DiameterBaffle Thickness THb 16in

Strength Mobilization Factor SMF2

3

Wall Thickness THw 1.5ft

Baffle Span L 16ftSoil Slope S

1

7

Slope Angle β atan S( ) 8.13 deg

 Material Properties:

Unit weight of water γw 62.4pcf

Unit weight of concrete γc 150pcf

Reinforcing Steel fy 60000psi

Strength of Concrete fc 4000psi

Attachment F-11 1 of 27

FMM Reach 4Impact Basin Design

Updated 10/10/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Unit weight of soil, saturated γs 120pcf

Unit weight of soil, compacted γbf 115pcf

Unit weight of soil, bouyant γb γs γw 57.6 pcf

Undrained shear strength

Cohesion cu 900psf

Phi ϕu 0deg

Drained Shear Strength

Cohesion cd 0psf

Phi ϕ 31deg

Unit weight, select granular fill γF 125pcf

Cohesion  cF 0psf

Phi ϕF 32deg

Developed angle of internal friction ϕd atan SMF tan ϕ( )( ) 21.83 deg

 Load Factors and Reduction Factors:

Load Factor Lf 1.7

Hydraulic Factor Hf 1.3

Bending Reduction Factor ϕb 0.90

Shear Reduction Factor ϕv 0.75

 Reinforcement Parameters:

Bar Diameter Dia .625in <‐‐Assume #5 bar

Section Width b 12in

Concrete Cover cover 3in

Attachment F-11 2 of 27

FMM Reach 4Impact Basin Design

Updated 10/10/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

The following calculations are for the impact basin in Reach 4 of the Fargo Moorhead Metro project.The impact basin is a concrete structure consisting of two wing walls, two base slabs, a hanging impactbaffle wall, head wall and a box structure that connects to the RCP. A finite element model of the basinwas done is STAAD to determine maximum shear and moments. The overall dimensions weredetermined by the U.S. Bureau of Reclamation, "Hydraulic Design of Stilling Basin for Pipe or ChannelOutlets."

 Hanging Baffle Wall Water Load Determination

1. Calculate entrance velocity into the basin

Pipe Area Ap

π Dp2

428.274 ft

2

Initial Velocity viQ

Ap6.13

ft

s

Theorectical Entrance Velocity ve vi2

2g ELinlet ELoutlet 29.013ft

s

Flow Area AfQ

ve5.974 ft

2

Depthflow Af 2.444 ft <‐‐Assumes square area for      impact basin design

Depth of Flow

2. Calculate entrance velocity accounting for friction losses using Bernoulli Equation and Manning's     Equation

fhzg

Vpz

g

Vp 2

222

1

211

22 <‐‐Bernoulli Equation

Attachment F-11 3 of 27

FMM Reach 4Impact Basin Design

Updated 10/10/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

2

3/249.1

pp

p

fRA

nQS <‐‐Manning's Equation

(a) Results from Excel:

*Solver was used to determine the flow depth and angle. Other variables were determined after thesetwo values had been determined for a given flow, slope, pipe diameter and friction coefficient.

Angle

Flow_Depth

Flow_Area

Wetted_Perimeter

Hydraulic_Radius

Flow_Velocity

Q 173.33 cfs

k 1.49

n 0.013

S 0.06111 ft/ft

D 6 ft

Theta 2.207373 radians

Theta 126.4732 degrees

y 1.649077 ft

A 6.314569 ft^2

P 6.622119 ft

R 0.953557 ft

V 27.44922 ft/s

Qend 173.3301 ft^3/s

θ Angle deg θ 126.473 deg <‐‐Central Angle

yd Flow_Depth ft yd 1.649 ft <‐‐Flow Depth

Aflow Flow_Area ft2

Aflow 6.315 ft2

<‐‐Flow Area

P Wetted_Perimeter ft P 6.622 ft <‐‐Wetted Perimeter

Rh Hydraulic_Radius ft Rh 0.954 ft <‐‐Hydraulic Radius

Attachment F-11 4 of 27

FMM Reach 4Impact Basin Design

Updated 10/10/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

ve Flow_Velocityft

s ve 27.449

ft

s <‐‐Flow velocity entering  

     the stilling basin

5. Calculate impact force on baffle wall

Impact Force  F ρ Aflow ve ve 9.232 kip

Effective Length of Impact Force E 13.5ft

W 2ft

Abaffle E W 27 ft2

Impact Pressure per square foot FpF

Abaffle0.342 ksf

This impact force will be applied to the bottom two feet of the baffle over a 13.5ft width. This converts toan pressure of 0.346 psf applied to plate elements.

 Impact Basin Side and Head Wall Load Determination

Assumptions 1. Soil and Water is assumed to be at the top of the impact basin.2.Two load cases will be considered for design:

LC1 ‐ Basin walls are loaded all around by soil and water; no load is applied to baffle wall;           surcharge load applied to walls; impact basin emptyLC2 ‐ Basin walls are loaded all around by soil and water; impact water force is applied to baffle            wall; surcharge load applied to walls; impact basin empty

3. Soil modulus of reaction for input into STAAD is assumed to be 10 kip/ft2/ft.

1. Calculate earth pressure coefficient for at‐rest condition.

At Rest Earth Pressure Coefficient Ko

cos ϕd 2

1sin ϕd sin ϕd β

cos β( )

20.511

2. Calculate soil and water pressure on head wall to be used as STAAD inputs.

The slopes down to meet the headwall approximately 4.5 ft from the top of the headwall; thus, aheight of 10.5 will be used to calculate the soil and water pressures acting on the head wall.

Attachment F-11 5 of 27

FMM Reach 4Impact Basin Design

Updated 10/10/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Soil Pressure Psoil Ko γb TOW 4.5ft( ) 0.309 ksf

Pwater γw TOW 4.5ft( ) 0.655 ksfWater Pressure

PT Psoil Pwater 0.964 ksfTotal Pressure

3. Calculate soil and water pressure on side wall to be used as STAAD inputs.

Since the side wall slopes down, two different pressures will be applied along the length of the wall.The soil slopes from 10.5 ft to about 9 ft for the first 10'‐10" (moving away from the head wall). Thesoil and water pressures will be calculated for an average height of 9.75 ft and applied to the first10'‐10" of the wall up to a height of 9.75 ft. The soil slopes from approximately 9ft to 7.5 ft. The soiland water pressures will be calculated for an average height of 8.25 ft and applied to this portion of thewall up to a height of 8.25 ft.

Soil Pressure 1 Psoil_1 Ko γb 9.75ft( ) 0.287 ksf

Water Pressure 1 Pwater_1 γw 9.75ft( ) 0.608 ksf

Soil Pressure 2 Psoil_2 Ko γb 8.25ft( ) 0.243 ksf

Water Pressure 2 Pwater_2 γw 8.25ft( ) 0.515 ksf

4. Calculate soil surcharge pressure to be used as STAAD input.

Soil surcharge loads will be applied at the same heights, over the same areas as the above pressures forthe head wall and side walls.

Soil Surcharge qsur 250psf

Psurcharge Ko qsur 0.128 ksfSoil Surcharge Pressure

 Finite Element Model of Structure

The calculated soil and water loads were applied to a finite element model of the impact stilling basin.The loads where applied as pressure loads on the walls of the structure. Soil and water pressure loadswere reduced linearly to zero at the top of the soil/water elevation. A load factor of 2.21 was added toall loads and considered in the model. 

A snapshot of the STAAD model is shown on the next page. Plate elements were used to model theimpact basin. Each plate is modeled as 4000 psi concrete with a unit weight of 150 pcf. The base of the

structure is supported by a plate mat with a soil modulus equal to 10 kip/ft2/ft.

Attachment F-11 6 of 27

FMM Reach 4Impact Basin Design

Updated 10/10/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

The results from STAAD are presented at the end document, after the stability analysis. A general threedimensional view of the structure is shown below. The Y‐direction is vertical, the Z‐direction is parallelto water flow and the X‐direction runs along the width of the structure.

Attachment F-11 7 of 27

FMM Reach 4Impact Basin Design

Updated 10/10/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

 Baffle Wall Design Shear and Moment

The diagrams below show the results of the STAAD analysis. The maximum moment occurs at eachinterface of the baffle and side wall/end wall. The maximum Shear occurs at the bottom corners of thebaffle at the interface of the baffle and side wall/end wall.

The diagram tothe left showsthe areas ofmax moment.

Max momentis equal to 8.43ft‐kip.

The diagram tothe left showsthe areas ofmax shearstress.

Max ShearStress is equalto 33.81 psi.

Attachment F-11 8 of 27

FMM Reach 4Impact Basin Design

Updated 10/10/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Based on the results, the baffle wall wil be designed to resist a moment of 8.52 ft‐kip. Since the bafflewall is 16 inches thick, a shear force of 6.8 kips will be used for design.

Vbaffle 6.5kips Mu_baffle 8.43kip ft

 Reinforcement Design for Baffle Wall:

1. Determine area of temperature and shrinkage steel required.

Reinforcement ratio ρt .0014 <‐‐EM 1110‐2‐2104

Required Area of Reinforcement At ρt b THb 0.269 in2

Area of Reinforcement Provided Ast .31in2

<‐‐Input the area of steel that will be provided

   Specify #5 @ 12" for Temperature and Shrinkage   

2. Determine area of flexural steel required.

Fraction β1 β1 0.854ksi

ksi

fc

ksi

.05 0.85

Distance to reinforcement d THb cover1

2Dia 12.688 in

Factored Moment Mu Mu_baffle 8.43 kip ft

Steel ratio Ru

Mu

b d2

52.369 psi

ρ0.85 fc

fy1 1

2 Ru

ϕb 0.85( ) fc

0.001

Required Area of Reinforcement Ast ρ b d 0.149 in2

Attachment F-11 9 of 27

FMM Reach 4Impact Basin Design

Updated 10/10/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Minimum Flexural Steel Required (ACI 318‐11 Section 10.5.1)

Asmin

3fc

psi

fyb d psi

3fc

psi

fyb d psi

200

fy1

psi

b dif

200

fy1

psi

b d

otherwise

0.507 in2

Minimum Flexural Steel Required (ACI 318‐11 Section 10.5.3)

Asmin2 1.33 Ast 0.198 in2

Required Area of Reinforcment Check

Ast max min Asmin Asmin2 Ast At 0.269 in2

3. Check Maximum Steel ratio.

Balanced Steel ratio ρb 0.85 β1fc

fy

87

87fy

1000psi

0.029

Asmax "Less than or equal to recommended limit (OK)" ρ 0.25 ρbif

"Doesn't require special investigation (OK)" 0.25 ρb ρ .375 ρbif

"Consider other options (NOT OK)" otherwise

Asmax "Less than or equal to recommended limit (OK)"

4. Specify Flexural Steel Reinforcement.

Required Area of Flexural Steel Ast 0.269 in2

Area of Reinforcement Provided Asf 0.31in2

<‐‐Input the area of steel that will be provided

Attachment F-11 10 of 27

FMM Reach 4Impact Basin Design

Updated 10/10/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

            Specify #5 @ 12" for Flexural Reinforcement

5. Verify Steel Yields.

Tension Force T Asf fy 18.6 kip

Depth of compression zone aAsf fy

0.85 fc b0.456 in

ca

β10.536 in

Distance to neutral axis

εcd c

c

0.003 0.068Concrete Strain

Check "Tension Controlled" εc .005if

"Compression Controlled" εc .002if

"Transition Zone" .002 εc .005if

Steel Yield Check

Check "Tension Controlled"

6. Calculate Moment Capacity Provided by Steel Reinforcment.

ϕb 0.9 Check "Tension Controlled"=if

0.65 Check "Compression Controlled"=if

0.65 εc .002 250

3

otherwise

0.9Reduction Factor

Moment Capacity ϕMn ϕb Asf fy d1

2

Asf fy

0.85 fc b

17.381 kip ft

Capacity Check Check "Adequate Moment Capacity" ϕMn Muif

"Inadequate Moment Capacity" otherwise

Check "Adequate Moment Capacity"

Attachment F-11 11 of 27

FMM Reach 4Impact Basin Design

Updated 10/10/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

7. Check Shear Capacity.

Shear Strength of Concrete ϕVc ϕv 2fc

psi b d

lb

in2

14.444 kip

Ultimate Shear Strength Vu Vbaffle 6.5 kips

Check "Adequate Shear Capacity" ϕVc Vuif

"Inadequate Shear Capacity" otherwise

Check "Adequate Shear Capacity"

 Impact Basin Wall Design Shear and Moment

The diagrams below show the results of the STAAD analysis. The maximum moments in the "X" and "Y"directions were controlled by the end walls. The maximum shear stress also occurred in the end walls.

The diagram above shows the maximum moment in the headwall in the Y‐direction (12.8 ft‐kip).

Attachment F-11 12 of 27

FMM Reach 4Impact Basin Design

Updated 10/10/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

The diagram above shows the maximum shear stress in the headwall in the Y‐direction (34.7 psi).

The diagram above shows the maximum moment in the side wall in the Y‐direction (18.5 ft‐kip).

Attachment F-11 13 of 27

FMM Reach 4Impact Basin Design

Updated 10/10/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

The diagram above shows the maximum shear stress in the side wall in the Y‐direction (50.4 psi).

Attachment F-11 14 of 27

FMM Reach 4Impact Basin Design

Updated 10/10/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

The diagram above shows the maximum moments in the end wall in the X‐direction. The maximummoment occured at the interface between the headwall and the side wall (M=4.7 kip‐ft). The maximummoment at the interface of the baffle wall and side all is 3.6 kip‐ft.

Based on the results, the side walls, head wall and interior walls will be designed to resist a moment of18.5 ft‐kip and a shear force of 11 kips will be used for design.

Vbasin 11kips Mu_basin 18.5kip ft

 Impact Basin Wall Reinforcement Design:

1. Determine area of temperature and shrinkage steel required.

Reinforcement ratio ρt .0014 <‐‐EM 1110‐2‐2104

Required Area of Reinforcement At ρt b THw 0.302 in2

Area of Reinforcement Provided Ast .31in2

<‐‐Input the area of steel that will be provided

   Specify #5 @ 12" for Temperature and Shrinkage   

2. Determine area of flexural steel required.

Fraction β1 β1 0.854ksi

ksi

fc

ksi

.05 0.85

Distance to reinforcement d THw cover1

2Dia 14.688 in

Factored Moment Mu Mu_basin 18.5 kip ft

Steel ratio Ru

Mu

b d2

85.758 psi

ρ0.85 fc

fy1 1

2 Ru

ϕb 0.85( ) fc

0.0016

Required Area of Reinforcement Ast ρ b d 0.284 in2

Attachment F-11 15 of 27

FMM Reach 4Impact Basin Design

Updated 10/10/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Minimum Flexural Steel Required (ACI 318‐11 Section 10.5.1)

Asmin

3fc

psi

fyb d psi

3fc

psi

fyb d psi

200

fy1

psi

b dif

200

fy1

psi

b d

otherwise

0.588 in2

Minimum Flexural Steel Required (ACI 318‐11 Section 10.5.3)

Asmin2 1.33 Ast 0.378 in2

Required Area of Reinforcment Check

Ast max min Asmin Asmin2 Ast At 0.378 in2

3. Check Maximum Steel ratio.

Balanced Steel ratio ρb 0.85 β1fc

fy

87

87fy

1000psi

0.029

Asmax "Less than or equal to recommended limit (OK)" ρ 0.25 ρbif

"Doesn't require special investigation (OK)" 0.25 ρb ρ .375 ρbif

"Consider other options (NOT OK)" otherwise

Asmax "Less than or equal to recommended limit (OK)"

4. Specify Flexural Steel Reinforcement.

Required Area of Flexural Steel Ast 0.378 in2

Area of Reinforcement Provided Asf 0.61in2

<‐‐Input the area of steel that will be provided

Attachment F-11 16 of 27

FMM Reach 4Impact Basin Design

Updated 10/10/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

            Specify #5 @ 6" for Flexural Reinforcement

5. Verify Steel Yields.

Tension Force T Asf fy 36.6 kip

Depth of compression zone aAsf fy

0.85 fc b0.897 in

ca

β11.055 in

Distance to neutral axis

εcd c

c

0.003 0.039Concrete Strain

Check "Tension Controlled" εc .005if

"Compression Controlled" εc .002if

"Transition Zone" .002 εc .005if

Steel Yield Check

Check "Tension Controlled"

6. Calculate Moment Capacity Provided by Steel Reinforcment.

ϕb 0.9 Check "Tension Controlled"=if

0.65 Check "Compression Controlled"=if

0.65 εc .002 250

3

otherwise

0.9Reduction Factor

Moment Capacity ϕMn ϕb Asf fy d1

2

Asf fy

0.85 fc b

39.086 kip ft

Capacity Check Check "Adequate Moment Capacity" ϕMn Mu_basinif

"Inadequate Moment Capacity" otherwise

Check "Adequate Moment Capacity"

Attachment F-11 17 of 27

FMM Reach 4Impact Basin Design

Updated 10/10/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

7. Check Shear Capacity.

Shear Strength of Concrete ϕVc ϕv 2fc

psi b d

lb

in2

16.721 kip

Ultimate Shear Strength Vu Vbasin 11 kips

Check "Adequate Shear Capacity" ϕVc Vuif

"Inadequate Shear Capacity" otherwise

Check "Adequate Shear Capacity"

 Impact Basin Slab Design Shear and Moment

The diagrams below show the results of the STAAD analysis. The maximum positive moment occurs atthe interior and exterior wall and slab interface. The maximum shear stress also occurrs at this interface.

The diagram above shows the maximum moment in the X‐direction (24 ft‐kip).

Attachment F-11 18 of 27

FMM Reach 4Impact Basin Design

Updated 10/10/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

The diagram above shows the maximum shear stress (SQX) in the X‐direction (47 psi).

The diagram above shows the maximum shear stress (SQY) in the Y‐direction (37 psi).

Based on the results, the base slab will be designed to resist a moment of 24 ft‐kip in the X‐directionand 13 ft‐kip in the Y‐direction. Also, a shear  force of 17.3 kips will be used for design of the base slab.

Vu_base 10.2kips Mu_base 24kip ft

Attachment F-11 19 of 27

FMM Reach 4Impact Basin Design

Updated 10/10/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

 Impact Basin Slab Reinforcement Design 

1. Determine area of temperature and shrinkage steel required.

Reinforcement ratio ρt .0014 <‐‐EM 1110‐2‐2104

Required Area of Reinforcement At ρt b TH 0.302 in2

Area of Reinforcement Provided Ast .31in2

<‐‐Input the area of steel that will be provided

   Specify #5 @ 12" for Temperature and Shrinkage   

2. Determine area of flexural steel required.

Fraction β1 β1 0.854ksi

ksi

fc

ksi

.05 0.85

Distance to reinforcement d TH cover1

2Dia 14.688 in

Factored Moment Mu Mu_base 24 kip ft

Steel ratio Ru

Mu

b d2

111.254 psi

ρ0.85 fc

fy1 1

2 Ru

ϕb 0.85( ) fc

0.0021

Required Area of Reinforcement Ast ρ b d 0.37 in2

Minimum Flexural Steel Required (ACI 318‐11 Section 10.5.1)

Asmin

3fc

psi

fyb d psi

3fc

psi

fyb d psi

200

fy1

psi

b dif

200

fy1

psi

b d

otherwise

0.588 in2

Attachment F-11 20 of 27

FMM Reach 4Impact Basin Design

Updated 10/10/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Minimum Flexural Steel Required (ACI 318‐11 Section 10.5.3)

Asmin2 1.33 Ast 0.492 in2

Required Area of Reinforcment Check

Ast max min Asmin Asmin2 Ast At 0.492 in2

3. Check Maximum Steel ratio.

Balanced Steel ratio ρb 0.85 β1fc

fy

87

87fy

1000psi

0.029

Asmax "Less than or equal to recommended limit (OK)" ρ 0.25 ρbif

"Doesn't require special investigation (OK)" 0.25 ρb ρ .375 ρbif

"Consider other options (NOT OK)" otherwise

Asmax "Less than or equal to recommended limit (OK)"

4. Specify Flexural Steel Reinforcement.

Required Area of Flexural Steel Ast 0.492 in2

Area of Reinforcement Provided Asf 0.61in2

<‐‐Input the area of steel that will be provided

            Specify #5 @ 6" for Flexural Reinforcement in

     X‐direction; Specify #5 @ 10" for Flexural     Reinforcement in Y‐direction.

5. Verify Steel Yields.

Tension Force T Asf fy 36.6 kip

Depth of compression zone aAsf fy

0.85 fc b0.897 in

Attachment F-11 21 of 27

FMM Reach 4Impact Basin Design

Updated 10/10/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

ca

β11.055 in

Distance to neutral axis

εcd c

c

0.003 0.039Concrete Strain

Check "Tension Controlled" εc .005if

"Compression Controlled" εc .002if

"Transition Zone" .002 εc .005if

Steel Yield Check

Check "Tension Controlled"

6. Calculate Moment Capacity Provided by Steel Reinforcment.

ϕb 0.9 Check "Tension Controlled"=if

0.65 Check "Compression Controlled"=if

0.65 εc .002 250

3

otherwise

0.9Reduction Factor

Moment Capacity ϕMn ϕb Asf fy d1

2

Asf fy

0.85 fc b

39.086 kip ft

Capacity Check Check "Adequate Moment Capacity" ϕMn Mu_baseif

"Inadequate Moment Capacity" otherwise

Check "Adequate Moment Capacity"

7. Check Shear Capacity.

Shear Strength of Concrete ϕVc ϕv 2fc

psi b d

lb

in2

16.721 kip

Ultimate Shear Strength Vu Vu_base 10.2 kips

Check "Adequate Shear Capacity" ϕVc Vuif

"Inadequate Shear Capacity" otherwise

Check "Adequate Shear Capacity"

Attachment F-11 22 of 27

FMM Reach 4Impact Basin Design

Updated 10/10/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

 Stability Analysis of Impact Basin

The impact basin is 55 feet wide, 49 feet ‐ 10 inches long (including the stilling basin) and 15 feet tall.Due to the extreme length to height ratio (3.3:1), there is not concern of the structure overturning.Bearing is not of concern because of the weight of the structure, it's footprint, and the limited timethe structure could be underwater. 

Sliding stability and flotation of the structure will be checked for two load cases:

1. Load Case 1 assumes all pipes are flowing full and impact forces on the baffle walls are included inthe analysis. The impact basin is assumed to be filled up to the end sill with uplift assumed to act onboth concrete slabs (impact basin and stilling basin).2. Load Case 2 assumes all pipes are empty, and not impact forces acting on the baffle walls areincluded in the analysis. Water is assumed to be at the elevation of the impact basin slab with upliftonly acting on the impact basin slab.

The stability check will assume that the entire structure needs to move (including the stilling basin);but, the key at the end of the stilling basin is not a structural element.

Stability check follows EM 1110‐2‐2502.

Load Case 1 ‐ Stability Checks

At Rest Pressure CoefficientKo 0.511 <‐‐Taken from above calculations

Slope Angle β 8.13 deg <‐‐Taken from above 

Coeffecient 1(Eq. 3‐26 EM 1110‐2‐2502)

c1 2 tan ϕd 0.801

Attachment F-11 23 of 27

FMM Reach 4Impact Basin Design

Updated 10/10/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Coefficient 2(Eq. 3‐27 EM 1110‐2‐2502)

c2 1 tan ϕd tan β( )tan β( )

tan ϕd 0.586

Critical Slip‐Plane Angle(Eq. 3‐25 EM 1110‐2‐2502)

α atanc1 c1

24 c2

2

51.665 deg

Pressure Coefficient forfill below the saturationlevel (EM 1110‐2‐2502)

Kb

1 tan ϕd cot α( ) 1 tan ϕd tan α( )

1tan α( )

tan α( ) tan β( )1

γs

γb

0.574

Critical Slip Angle βc 0

Height of the water Hw 4.167ft

Height of soil Hs 10.771ft

Length of stilling basin Basin 25.5ft

Width of structure Widths 55ft

Thickness of Slab THslab 1.5ft

Wimpact 21ft 4in 21.333 ftInside Width of impact basin

Weight of the Impact Basin WS 938.6kips <‐‐Taken from STAAD

Weight of the Stilling Basin WSB Basin THslab Widths γc 315.563 kips

Total Weight of the Structure WT WS WSB 1254.16 kips

Soil Pressure 1 P1 Ko γs Hs Hw 0.405 ksf

Soil Force 1 F1 .5 P1 Hs Hw Widths 73.582 kip

P2 P1 γb Kb Hw 0.543 ksfSoil Pressure 2

F2 P1 Hw Widths 92.858 kipSoil Force 2

F31

2P2 P1 Hw Widths 15.783 kip

Soil Force 3

Attachment F-11 24 of 27

FMM Reach 4Impact Basin Design

Updated 10/10/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Driving Water Force Fw1

2Hw 2 γw Widths 29.796 kip

F41

2Hw 2 γw Widths 29.796 kip

Resisting Water Force

Force on Baffle Wall Fbaffle F 9.232 kip

Uplift Force Uplift γw Basin Wimpact 3ft Hw Widths 712.674 kips

Weight of water insideimpact basin

Ww γw Hw THslab Widths 7ft Wimpact 170.415 kips

Sum of Vertical Forces ΣV WT Ww Uplift 711.904 kips

Sum of Horizontal Forces ΣH F1 F2 F3 Fw F4 3 F 209.92 kips

Parallel Resultant Tslide ΣH cos βc ΣV sin βc 209.92 kips

Normal Resultant N ΣV cos βc ΣH sin βc 711.9 kips

Factor of Safety, Sliding FSslide

N tan ϕF

Tslide2.119

Factor of Safety Check CheckFS "Ok" FSslide 1.5if

"Not Ok" otherwise

"Ok"

Factor of Safety, Flotation FSFloat

WT Ww

Uplift1.999

CheckFS "Ok" FSFloat 1.3if

"Not Ok" otherwise

"Ok"Factor of Safety Check

Attachment F-11 25 of 27

FMM Reach 4Impact Basin Design

Updated 10/10/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Load Case 2 ‐ Stability Checks

Height of water Hw 1.5ft

Soil Pressure 1 P1 Ko γs Hs Hw 0.569 ksf

Soil Force 1 F1 .5 P1 Hs Hw Widths 145.015 kip

P2 P1 γb Kb Hw 0.618 ksfSoil Pressure 2

F2 P1 Hw Widths 46.925 kipSoil Force 2

F31

2P2 P1 Hw Widths 2.045 kip

Soil Force 3

Driving Water Force Fw1

2Hw 2 γw Widths 3.861 kip

F41

2Hw 2 γw Widths 3.861 kip

Resisting Water Force

Uplift Force Uplift γw Wimpact 3ft Hw Widths 125.268 kips

Weight of water insideimpact basin

Ww γw Hw THslab Widths 7ft Wimpact 0 kips

Attachment F-11 26 of 27

FMM Reach 4Impact Basin Design

Updated 10/10/2013Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Sum of Vertical Forces ΣV WT Ww Uplift 1128.894 kips

Sum of Horizontal Forces ΣH F1 F2 F3 Fw F4 193.99 kips

Parallel Resultant Tslide ΣH cos βc ΣV sin βc 193.99 kips

Normal Resultant N ΣV cos βc ΣH sin βc 1128.89 kips

Factor of Safety, Sliding FSslide

N tan ϕF

Tslide3.636

Factor of Safety Check CheckFS "Ok" FSslide 1.5if

"Not Ok" otherwise

"Ok"

Factor of Safety, Flotation FSFloat

WT Ww

Uplift10.012

CheckFS "Ok" FSFloat 1.3if

"Not Ok" otherwise

"Ok"Factor of Safety Check

Attachment F-11 27 of 27

CWALSHT Calculations  

The output files shown are for six individual cases. The first three are the usual, unusual, and extreme events for the drained case, and the last three are the usual, unusual, and extreme events for the undrained case. Note that the applied moments are reported in pound – feet and translated to kip‐inches in the DDR document.  

Case 1: Usual Event, Drained Soil.  PROGRAM CWALSHT‐DESIGN/ANALYSIS OF ANCHORED OR CANTILEVER SHEET PILE WALLS                             BY CLASSICAL METHODS   DATE: 11‐MARCH‐2013                                         TIME: 15:03:15                                ****************                               *  INPUT DATA  *                               ****************          I.‐‐HEADING        'SHEET PILE WALL IN BRENNA FOUNDATION. USUAL EVENT, DRAINED SOIL         II.‐‐CONTROL           CANTILEVER WALL ANALYSIS           FACTOR OF SAFETY FOR ACTIVE PRESSURES  = 1.00        III.‐‐WALL DATA           ELEVATION AT TOP OF WALL    = 871.16 FT.           ELEVATION AT BOTTOM OF WALL = 841.16 FT.           WALL MODULUS OF ELLASTACITY  = 2.900E+07 PSI.           WALL MOMENT OF INERTIA      = 152.00 IN^4.         IV.‐‐SURFACE POINT DATA              IV.A.‐‐RIGHTSIDE                DIST. FROM     ELEVATION                WALL (FT)         (FT)                     0.00        871.16                   100.00        871.16              IV.B.‐‐LEFTSIDE                DIST. FROM     ELEVATION                WALL (FT)         (FT)                     0.00        868.16                    24.65        864.64                   100.00        864.64          V.‐‐SOIL LAYER DATA  

FMM Reach 4 Sheet Pile Wall Design

03/11/2013 Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Attachment F-12 1 of 22

           V.A.‐‐RIGHTSIDE                LEVEL 2 FACTOR OF SAFETY FOR ACTIVE PRESSURE  = DEFAULT                LEVEL 2 FACTOR OF SAFETY FOR PASSIVE PRESSURE = DEFAULT                   ANGLE OF         ANGLE OF                        <‐SAFETY‐>    SAT.   MOIST  INTERNAL  COH‐     WALL    ADH‐    <‐‐BOTTOM‐‐>  <‐FACTOR‐>   WGHT.   WGHT.  FRICTION  ESION  FRICTION  ESION   ELEV.  SLOPE  ACT. PASS.   (PCF)   (PCF)    (DEG)   (PSF)    (DEG)   (PSF)   (FT)  (FT/FT)  106.00  106.00    19.00   50.00    10.26    0.00                  DEF  DEF             V.B.‐‐LEFTSIDE                LEVEL 2 FACTOR OF SAFETY FOR ACTIVE PRESSURE  = DEFAULT                LEVEL 2 FACTOR OF SAFETY FOR PASSIVE PRESSURE = DEFAULT                   ANGLE OF         ANGLE OF                        <‐SAFETY‐>    SAT.   MOIST  INTERNAL  COH‐     WALL    ADH‐    <‐‐BOTTOM‐‐>  <‐FACTOR‐>   WGHT.   WGHT.  FRICTION  ESION  FRICTION  ESION   ELEV.  SLOPE  ACT. PASS.   (PCF)   (PCF)    (DEG)   (PSF)    (DEG)   (PSF)   (FT)  (FT/FT)  106.00  106.00    19.00   50.00    10.26    0.00                  DEF  DEF         VI.‐‐WATER DATA           UNIT WEIGHT         = 62.40 (PCF)           RIGHTSIDE ELEVATION = 871.16 (FT)           LEFTSIDE ELEVATION  = 864.64 (FT)           NO SEEPAGE        VII.‐‐VERTICAL SURCHARGE LOADS           NONE       VIII.‐‐HORIZONTAL LOADS           NONE    PROGRAM CWALSHT‐DESIGN/ANALYSIS OF ANCHORED OR CANTILEVER SHEET PILE WALLS                             BY CLASSICAL METHODS   DATE: 11‐MARCH‐2013                                         TIME: 15:03:21                           ****************************                          *  SUMMARY OF RESULTS FOR  *                          * CANTILEVER WALL ANALYSIS *                          ****************************        I.‐‐HEADING        'SHEET PILE WALL IN BRENNA FOUNDATION. USUAL EVENT, DRAINED SOIL       II.‐‐SUMMARY            RIGHTSIDE SOIL PRESSURES DETERMINED BY FIXED SURFACE WEDGE METHOD.  

FMM Reach 4 Sheet Pile Wall Design

03/11/2013 Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Attachment F-12 2 of 22

          LEFTSIDE SOIL PRESSURES DETERMINED BY FIXED SURFACE WEDGE METHOD.       PASSIVE FACTOR OF SAFETY   :        9.60       MAX. BEND. MOMENT (LB‐FT)  :  1.1480E+04            AT ELEVATION (FT)    :      851.60       MAXIMUM DEFLECTION (IN.)   :  1.2252E+00            AT ELEVATION (FT)    :      871.16    PROGRAM CWALSHT‐DESIGN/ANALYSIS OF ANCHOREDOR CANTILEVER SHEET PILE WALLS                             BY CLASSICAL METHODS   DATE: 11‐MARCH‐2013                                         TIME: 15:03:21                           ****************************                          * COMPLETE OF RESULTS FOR  *                          * CANTILEVER WALL ANALYSIS *                          ****************************         I.‐‐HEADING        'SHEET PILE WALL IN BRENNA FOUNDATION. USUAL EVENT, DRAINED SOIL        II.‐‐RESULTS                       BENDING                                       NET       ELEVATION      MOMENT          SHEAR        DEFLECTION     PRESSURE          (FT)        (LB‐FT)          (LB)           (IN)          (PSF)         871.16    0.0000E+00            0.        1.2252E+00         0.00         870.16    1.0400E+01           31.        1.1564E+00        62.40         869.16    8.3200E+01          125.        1.0875E+00       124.80         868.16+   2.8080E+02          281.        1.0187E+00       187.20         868.16‐   2.8080E+02          281.        1.0187E+00       175.21         867.94    3.4533E+02          318.        1.0039E+00       169.25         867.16    6.4528E+02          445.        9.5003E‐01       154.25         866.84    7.9595E+02          488.        9.2794E‐01       113.74         866.16    1.1544E+03          572.        8.8159E‐01       135.02         865.16    1.7902E+03          695.        8.1361E‐01       111.11         864.64    2.1678E+03          750.        7.7839E‐01        98.60         864.16    2.5372E+03          794.        7.4634E‐01        87.15         863.16    3.3712E+03          870.        6.8006E‐01        63.20         862.16    4.2685E+03          921.        6.1510E‐01        39.25         861.16    5.2050E+03          948.        5.5182E‐01        15.29         860.52    5.8124E+03          953.        5.1247E‐01         0.00         860.16    6.1568E+03          951.        4.9058E‐01        ‐8.66         859.16    7.0999E+03          931.        4.3176E‐01       ‐32.61         858.16    8.0105E+03          886.        3.7571E‐01       ‐56.57         857.16    8.8644E+03          818.        3.2281E‐01       ‐80.52         856.16    9.6379E+03          725.        2.7338E‐01      ‐104.48 

FMM Reach 4 Sheet Pile Wall Design

03/11/2013 Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Attachment F-12 3 of 22

        855.16    1.0307E+04          609.        2.2772E‐01      ‐128.43         854.16    1.0847E+04          468.        1.8610E‐01      ‐152.38         853.16    1.1236E+04          304.        1.4872E‐01      ‐176.34         852.16    1.1447E+04          116.        1.1574E‐01      ‐200.29         851.16    1.1459E+04          ‐97.        8.7250E‐02      ‐224.24         850.16    1.1246E+04         ‐333.        6.3239E‐02      ‐248.20         849.16    1.0785E+04         ‐593.        4.3630E‐02      ‐272.15         848.16    1.0052E+04         ‐877.        2.8239E‐02      ‐296.10         847.16    9.0230E+03        ‐1185.        1.6779E‐02      ‐320.06         846.16    7.6738E+03        ‐1517.        8.8461E‐03      ‐344.01         845.16    5.9806E+03        ‐1873.        3.9101E‐03      ‐367.96         845.02    5.7080E+03        ‐1926.        3.4105E‐03      ‐371.40         844.16    3.9710E+03        ‐2072.        1.3072E‐03        30.77         843.16    1.9925E+03        ‐1807.        2.6209E‐04       500.31         842.16    5.1434E+02        ‐1072.        1.4391E‐05       969.85         841.25    0.0000E+00            0.        0.0000E+00      1395.30       III.‐‐WATER AND SOIL PRESSURES                               <‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐SOIL PRESSURES‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐>                   WATER      <‐‐‐‐LEFTSIDE‐‐‐‐‐>      <‐‐‐RIGHTSIDE‐‐‐‐>    ELEVATION    PRESSURE     PASSIVE      ACTIVE      ACTIVE     PASSIVE       (FT)        (PSF)       (PSF)        (PSF)       (PSF)      (PSF)     871.16            0.          0.          0.          0.         12.     870.16           62.          0.          0.          0.         59.     869.16          125.          0.          0.          0.        107.     868.16+         187.          0.          0.          0.        154.     868.16‐         187.         12.          0.          0.        154.     867.94+         201.         31.          0.          0.        202.     867.94‐         201.         31.          0.          0.        165.     867.16          250.        111.          0.         15.        202.     866.84+         270.        212.          0.         22.        218.     866.84‐         270.        143.          0.         22.        218.     866.16          312.        212.         29.         35.        250.     865.16          374.        318.         73.         55.        298.     864.64          407.        373.         92.         65.        323.     864.16          407.        394.        103.         74.        345.     863.16          407.        438.        118.         94.        393.     862.16          407.        481.        133.        114.        441.     861.16          407.        525.        148.        133.        489.     860.52          407.        553.        158.        146.        519.     860.16          407.        569.        164.        153.        537.     859.16          407.        612.        179.        173.        584.     858.16          407.        656.        194.        192.        632.     857.16          407.        699.        209.        212.        680.     856.16          407.        743.        224.        232.        728.     855.16          407.        787.        240.        251.        775.     854.16          407.        830.        255.        271.        823. 

FMM Reach 4 Sheet Pile Wall Design

03/11/2013 Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Attachment F-12 4 of 22

    853.16          407.        874.        270.        290.        871.     852.16          407.        917.        285.        310.        919.     851.16          407.        961.        301.        330.        967.     850.16          407.       1005.        316.        349.       1014.     849.16          407.       1048.        331.        369.       1062.     848.16          407.       1092.        346.        389.       1110.     847.16          407.       1135.        362.        408.       1158.     846.16          407.       1179.        377.        428.       1205.     845.16          407.       1223.        392.        448.       1253.     845.02          407.       1229.        394.        450.       1260.     844.16          407.       1266.        407.        467.       1301.     843.16          407.       1310.        422.        487.       1349.     842.16          407.       1353.        438.        507.       1397.     841.25          407.       1397.        453.        526.       1444.     840.16          407.       1441.        468.        546.       1492.  

Case 2: Unusual Event, Drained Soil.  PROGRAM CWALSHT‐DESIGN/ANALYSIS OF ANCHORED OR CANTILEVER SHEET PILE WALLS                             BY CLASSICAL METHODS   DATE: 11‐MARCH‐2013                                         TIME: 15:04:05                                ****************                               *  INPUT DATA  *                               ****************          I.‐‐HEADING        'SHEET PILE WALL IN BRENNA FOUNDATION. UNUSUAL EVENT, DRAINED SOIL         II.‐‐CONTROL           CANTILEVER WALL ANALYSIS           FACTOR OF SAFETY FOR ACTIVE PRESSURES  = 1.00        III.‐‐WALL DATA           ELEVATION AT TOP OF WALL    = 871.16 FT.           ELEVATION AT BOTTOM OF WALL = 841.16 FT.           WALL MODULUS OF ELLASTACITY  = 2.900E+07 PSI.           WALL MOMENT OF INERTIA      = 152.00 IN^4.         IV.‐‐SURFACE POINT DATA              IV.A.‐‐RIGHTSIDE                DIST. FROM     ELEVATION                WALL (FT)         (FT)                     0.00        871.16                   100.00        871.16              IV.B.‐‐LEFTSIDE 

FMM Reach 4 Sheet Pile Wall Design

03/11/2013 Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Attachment F-12 5 of 22

               DIST. FROM     ELEVATION                WALL (FT)         (FT)                     0.00        868.16                    10.65        864.64                   100.00        864.64          V.‐‐SOIL LAYER DATA             V.A.‐‐RIGHTSIDE                LEVEL 2 FACTOR OF SAFETY FOR ACTIVE PRESSURE  = DEFAULT                LEVEL 2 FACTOR OF SAFETY FOR PASSIVE PRESSURE = DEFAULT                   ANGLE OF         ANGLE OF                        <‐SAFETY‐>    SAT.   MOIST  INTERNAL  COH‐     WALL    ADH‐    <‐‐BOTTOM‐‐>  <‐FACTOR‐>   WGHT.   WGHT.  FRICTION  ESION  FRICTION  ESION   ELEV.  SLOPE  ACT. PASS.   (PCF)   (PCF)    (DEG)   (PSF)    (DEG)   (PSF)   (FT)  (FT/FT)  106.00  106.00    19.00   50.00    10.26    0.00                  DEF  DEF             V.B.‐‐LEFTSIDE                LEVEL 2 FACTOR OF SAFETY FOR ACTIVE PRESSURE  = DEFAULT                LEVEL 2 FACTOR OF SAFETY FOR PASSIVE PRESSURE = DEFAULT                   ANGLE OF         ANGLE OF                        <‐SAFETY‐>    SAT.   MOIST  INTERNAL  COH‐     WALL    ADH‐    <‐‐BOTTOM‐‐>  <‐FACTOR‐>   WGHT.   WGHT.  FRICTION  ESION  FRICTION  ESION   ELEV.  SLOPE  ACT. PASS.   (PCF)   (PCF)    (DEG)   (PSF)    (DEG)   (PSF)   (FT)  (FT/FT)  106.00  106.00    19.00   50.00    10.26    0.00                  DEF  DEF         VI.‐‐WATER DATA           UNIT WEIGHT         = 62.40 (PCF)           RIGHTSIDE ELEVATION = 871.16 (FT)           LEFTSIDE ELEVATION  = 864.64 (FT)           NO SEEPAGE        VII.‐‐VERTICAL SURCHARGE LOADS           NONE       VIII.‐‐HORIZONTAL LOADS           NONE  PROGRAM CWALSHT‐DESIGN/ANALYSIS OF ANCHORED OR CANTILEVER SHEET PILE WALLS                             BY CLASSICAL METHODS   DATE: 11‐MARCH‐2013                                         TIME: 15:04:08                           ****************************                          *  SUMMARY OF RESULTS FOR  *                          * CANTILEVER WALL ANALYSIS *                          ****************************  

FMM Reach 4 Sheet Pile Wall Design

03/11/2013 Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Attachment F-12 6 of 22

      I.‐‐HEADING        'SHEET PILE WALL IN BRENNA FOUNDATION. UNUSUAL EVENT, DRAINED SOIL       II.‐‐SUMMARY            RIGHTSIDE SOIL PRESSURES DETERMINED BY FIXED SURFACE WEDGE METHOD.            LEFTSIDE SOIL PRESSURES DETERMINED BY FIXED SURFACE WEDGE METHOD.       PASSIVE FACTOR OF SAFETY   :        7.40       MAX. BEND. MOMENT (LB‐FT)  :  1.1629E+04            AT ELEVATION (FT)    :      851.56       MAXIMUM DEFLECTION (IN.)   :  1.2471E+00            AT ELEVATION (FT)    :      871.16        PROGRAM CWALSHT‐DESIGN/ANALYSIS OF ANCHOREDOR CANTILEVER SHEET PILE WALLS                             BY CLASSICAL METHODS   DATE: 11‐MARCH‐2013                                         TIME: 15:04:08                           ****************************                          * COMPLETE OF RESULTS FOR  *                          * CANTILEVER WALL ANALYSIS *                          ****************************         I.‐‐HEADING        'SHEET PILE WALL IN BRENNA FOUNDATION. UNUSUAL EVENT, DRAINED SOIL        II.‐‐RESULTS                       BENDING                                       NET       ELEVATION      MOMENT          SHEAR        DEFLECTION     PRESSURE          (FT)        (LB‐FT)          (LB)           (IN)          (PSF)         871.16    0.0000E+00            0.        1.2471E+00         0.00         870.16    1.0400E+01           31.        1.1771E+00        62.40         869.16    8.3200E+01          125.        1.1072E+00       124.80         868.16+   2.8080E+02          281.        1.0373E+00       187.20         868.16‐   2.8080E+02          281.        1.0373E+00       171.28         867.94    3.4528E+02          318.        1.0222E+00       170.75         867.16    6.4582E+02          447.        9.6752E‐01       159.01         866.84    7.9757E+02          493.        9.4508E‐01       127.24         866.16    1.1616E+03          582.        8.9800E‐01       135.06         865.16    1.8072E+03          705.        8.2894E‐01       111.11 

FMM Reach 4 Sheet Pile Wall Design

03/11/2013 Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Attachment F-12 7 of 22

        864.64    2.1898E+03          760.        7.9315E‐01        98.60         864.16    2.5638E+03          804.        7.6059E‐01        87.15         863.16    3.4076E+03          879.        6.9325E‐01        63.20         862.16    4.3146E+03          931.        6.2725E‐01        39.25         861.16    5.2609E+03          958.        5.6294E‐01        15.29         860.52    5.8745E+03          963.        5.2294E‐01         0.00         860.16    6.2224E+03          961.        5.0069E‐01        ‐8.66         859.16    7.1753E+03          941.        4.4088E‐01       ‐32.61         858.16    8.0956E+03          896.        3.8389E‐01       ‐56.57         857.16    8.9593E+03          827.        3.3006E‐01       ‐80.52         856.16    9.7425E+03          735.        2.7975E‐01      ‐104.48         855.16    1.0421E+04          618.        2.3325E‐01      ‐128.43         854.16    1.0971E+04          478.        1.9083E‐01      ‐152.38         853.16    1.1369E+04          314.        1.5271E‐01      ‐176.34         852.16    1.1591E+04          125.        1.1904E‐01      ‐200.29         851.16    1.1612E+04          ‐87.        8.9905E‐02      ‐224.24         850.16    1.1409E+04         ‐323.        6.5316E‐02      ‐248.20         849.16    1.0958E+04         ‐583.        4.5192E‐02      ‐272.15         848.16    1.0235E+04         ‐867.        2.9354E‐02      ‐296.10         847.16    9.2152E+03        ‐1175.        1.7519E‐02      ‐320.06         846.16    7.8758E+03        ‐1507.        9.2865E‐03      ‐344.01         845.16    6.1923E+03        ‐1863.        4.1299E‐03      ‐367.96         844.82    5.5281E+03        ‐1992.        2.9501E‐03      ‐376.22         844.16    4.1666E+03        ‐2126.        1.3888E‐03       ‐32.28         843.16    2.1123E+03        ‐1895.        2.8010E‐04       492.51         842.16    5.5057E+02        ‐1141.        1.5519E‐05      1017.30         841.25    0.0000E+00            0.        0.0000E+00      1493.99       III.‐‐WATER AND SOIL PRESSURES                               <‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐SOIL PRESSURES‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐>                   WATER      <‐‐‐‐LEFTSIDE‐‐‐‐‐>      <‐‐‐RIGHTSIDE‐‐‐‐>    ELEVATION    PRESSURE     PASSIVE      ACTIVE      ACTIVE     PASSIVE       (FT)        (PSF)       (PSF)        (PSF)       (PSF)      (PSF)     871.16            0.          0.          0.          0.         15.     870.16           62.          0.          0.          0.         64.     869.16          125.          0.          0.          0.        113.     868.16+         187.          0.          0.          0.        162.     868.16‐         187.         16.          0.          0.        162.     867.94+         201.         30.          0.          0.        211.     867.94‐         201.         30.          0.          0.        172.     867.16          250.        106.          0.         15.        211.     866.84+         270.        188.          0.         22.        227.     866.84‐         270.        140.          0.         22.        227.     866.16          312.        212.         26.         35.        260.     865.16          374.        318.         65.         55.        309.     864.64          407.        373.         81.         65.        335.     864.16          407.        394.         90.         74.        358. 

FMM Reach 4 Sheet Pile Wall Design

03/11/2013 Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Attachment F-12 8 of 22

    863.16          407.        438.        101.         94.        407.     862.16          407.        481.        111.        114.        457.     861.16          407.        525.        122.        133.        506.     860.52          407.        553.        128.        146.        537.     860.16          407.        569.        132.        153.        555.     859.16          407.        612.        143.        173.        604.     858.16          407.        656.        153.        192.        653.     857.16          407.        699.        164.        212.        702.     856.16          407.        743.        174.        232.        751.     855.16          407.        787.        185.        251.        800.     854.16          407.        830.        195.        271.        849.     853.16          407.        874.        206.        290.        898.     852.16          407.        917.        216.        310.        948.     851.16          407.        961.        227.        330.        997.     850.16          407.       1005.        235.        349.       1046.     849.16          407.       1048.        244.        369.       1095.     848.16          407.       1092.        260.        389.       1144.     847.16          407.       1135.        280.        408.       1193.     846.16          407.       1179.        300.        428.       1242.     845.16          407.       1223.        320.        448.       1291.     844.82          407.       1238.        326.        454.       1308.     844.16          407.       1266.        339.        467.       1340.     843.16          407.       1310.        359.        487.       1390.     842.16          407.       1353.        378.        507.       1439.     841.25          407.       1397.        398.        526.       1488.     840.16          407.       1441.        418.        546.       1537.    

Case 3: Extreme Event, Drained Soil.    PROGRAM CWALSHT‐DESIGN/ANALYSIS OF ANCHORED OR CANTILEVER SHEET PILE WALLS                             BY CLASSICAL METHODS   DATE: 11‐MARCH‐2013                                         TIME: 14:13:48                                ****************                               *  INPUT DATA  *                               ****************          I.‐‐HEADING        'SHEET PILE WALL IN BRENNA FOUNDATION. EXTREME EVENT, DRAINED SOIL          II.‐‐CONTROL           CANTILEVER WALL ANALYSIS           FACTOR OF SAFETY FOR ACTIVE PRESSURES  = 1.00        III.‐‐WALL DATA           ELEVATION AT TOP OF WALL    = 871.16 FT. 

FMM Reach 4 Sheet Pile Wall Design

03/11/2013 Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Attachment F-12 9 of 22

          ELEVATION AT BOTTOM OF WALL = 841.16 FT.           WALL MODULUS OF ELLASTACITY  = 2.900E+07 PSI.           WALL MOMENT OF INERTIA      = 152.00 IN^4.         IV.‐‐SURFACE POINT DATA              IV.A.‐‐RIGHTSIDE                DIST. FROM     ELEVATION                WALL (FT)         (FT)                     0.00        871.16                   100.00        871.16              IV.B.‐‐LEFTSIDE                DIST. FROM     ELEVATION                WALL (FT)         (FT)                     0.00        864.64                   100.00        864.64          V.‐‐SOIL LAYER DATA             V.A.‐‐RIGHTSIDE                LEVEL 2 FACTOR OF SAFETY FOR ACTIVE PRESSURE  = DEFAULT                LEVEL 2 FACTOR OF SAFETY FOR PASSIVE PRESSURE = DEFAULT                   ANGLE OF         ANGLE OF                        <‐SAFETY‐>    SAT.   MOIST  INTERNAL  COH‐     WALL    ADH‐    <‐‐BOTTOM‐‐>  <‐FACTOR‐>   WGHT.   WGHT.  FRICTION  ESION  FRICTION  ESION   ELEV.  SLOPE  ACT. PASS.   (PCF)   (PCF)    (DEG)   (PSF)    (DEG)   (PSF)   (FT)  (FT/FT)  106.00  106.00    19.00   50.00    10.26    0.00                  DEF  DEF             V.B.‐‐LEFTSIDE                LEVEL 2 FACTOR OF SAFETY FOR ACTIVE PRESSURE  = DEFAULT                LEVEL 2 FACTOR OF SAFETY FOR PASSIVE PRESSURE = DEFAULT                   ANGLE OF         ANGLE OF                        <‐SAFETY‐>    SAT.   MOIST  INTERNAL  COH‐     WALL    ADH‐    <‐‐BOTTOM‐‐>  <‐FACTOR‐>   WGHT.   WGHT.  FRICTION  ESION  FRICTION  ESION   ELEV.  SLOPE  ACT. PASS.   (PCF)   (PCF)    (DEG)   (PSF)    (DEG)   (PSF)   (FT)  (FT/FT)  106.00  106.00    19.00   50.00    10.26    0.00                  DEF  DEF         VI.‐‐WATER DATA           UNIT WEIGHT         = 62.40 (PCF)           RIGHTSIDE ELEVATION = 871.16 (FT)           LEFTSIDE ELEVATION  = 864.64 (FT)           NO SEEPAGE        VII.‐‐VERTICAL SURCHARGE LOADS           NONE 

FMM Reach 4 Sheet Pile Wall Design

03/11/2013 Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Attachment F-12 10 of 22

     VIII.‐‐HORIZONTAL LOADS           NONE    PROGRAM CWALSHT‐DESIGN/ANALYSIS OF ANCHORED OR CANTILEVER SHEET PILE WALLS                             BY CLASSICAL METHODS   DATE: 11‐MARCH‐2013                                         TIME: 14:13:51                           ****************************                          *  SUMMARY OF RESULTS FOR  *                          * CANTILEVER WALL ANALYSIS *                          ****************************        I.‐‐HEADING        'SHEET PILE WALL IN BRENNA FOUNDATION. EXTREME EVENT, DRAINED SOIL        II.‐‐SUMMARY            RIGHTSIDE SOIL PRESSURES DETERMINED BY FIXED SURFACE WEDGE METHOD.            LEFTSIDE SOIL PRESSURES DETERMINED BY FIXED SURFACE WEDGE METHOD.       PASSIVE FACTOR OF SAFETY   :        1.33       MAX. BEND. MOMENT (LB‐FT)  :  2.6542E+04            AT ELEVATION (FT)    :      851.19       MAXIMUM DEFLECTION (IN.)   :  2.7464E+00            AT ELEVATION (FT)    :      871.16    PROGRAM CWALSHT‐DESIGN/ANALYSIS OF ANCHOREDOR CANTILEVER SHEET PILE WALLS                             BY CLASSICAL METHODS   DATE: 11‐MARCH‐2013                                         TIME: 14:13:51                           ****************************                          * COMPLETE OF RESULTS FOR  *                          * CANTILEVER WALL ANALYSIS *                          ****************************         I.‐‐HEADING        'SHEET PILE WALL IN BRENNA FOUNDATION. EXTREME EVENT, DRAINED SOIL         II.‐‐RESULTS                       BENDING                                       NET       ELEVATION      MOMENT          SHEAR        DEFLECTION     PRESSURE          (FT)        (LB‐FT)          (LB)           (IN)          (PSF)         871.16    0.0000E+00            0.        2.7464E+00         0.00         870.16    1.0400E+01           31.        2.5965E+00        62.40 

FMM Reach 4 Sheet Pile Wall Design

03/11/2013 Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Attachment F-12 11 of 22

        869.16    8.3200E+01          125.        2.4466E+00       124.80         868.16    2.8080E+02          281.        2.2967E+00       187.20         867.94    3.4576E+02          323.        2.2645E+00       200.65         867.16    6.6718E+02          505.        2.1470E+00       265.01         866.16    1.3186E+03          811.        1.9975E+00       347.06         865.16    2.3171E+03         1199.        1.8486E+00       429.11         864.64+   3.0036E+03         1435.        1.7712E+00       471.93         864.64‐   3.0036E+03         1435.        1.7712E+00       363.22         864.16    3.7292E+03         1598.        1.7006E+00       321.68         863.64    4.6057E+03         1757.        1.6239E+00       285.92         863.16    5.4768E+03         1886.        1.5541E+00       253.17         862.16    7.4777E+03         2105.        1.4097E+00       184.66         861.42    9.0743E+03         2218.        1.3050E+00       122.56         861.16    9.6607E+03         2249.        1.2682E+00       116.15         860.16    1.1957E+04         2331.        1.1306E+00        47.64         859.46    1.3585E+04         2348.        1.0376E+00         0.00         859.16    1.4300E+04         2344.        9.9759E‐01       ‐20.87         858.16    1.6623E+04         2289.        8.7023E‐01       ‐89.38         857.16    1.8856E+04         2166.        7.4938E‐01      ‐157.89         856.16    2.0931E+04         1974.        6.3592E‐01      ‐226.40         855.16    2.2780E+04         1713.        5.3065E‐01      ‐294.91         854.16    2.4334E+04         1384.        4.3431E‐01      ‐363.42         853.16    2.5525E+04          986.        3.4749E‐01      ‐431.93         852.16    2.6283E+04          520.        2.7066E‐01      ‐500.44         851.16    2.6542E+04          ‐15.        2.0413E‐01      ‐568.95         850.16    2.6231E+04         ‐618.        1.4797E‐01      ‐637.46         849.16    2.5283E+04        ‐1290.        1.0208E‐01      ‐705.97         848.16    2.3628E+04        ‐2030.        6.6081E‐02      ‐774.48         847.16    2.1200E+04        ‐2839.        3.9317E‐02      ‐842.99         846.16    1.7928E+04        ‐3716.        2.0835E‐02      ‐911.50         845.67    1.5980E+04        ‐4175.        1.4382E‐02      ‐945.34         845.16    1.3764E+04        ‐4549.        9.3520E‐03      ‐532.79         844.16    9.0850E+03        ‐4674.        3.2472E‐03       282.50         843.16    4.6885E+03        ‐3984.        7.1321E‐04      1097.79         842.16    1.3896E+03        ‐2478.        5.2976E‐05      1913.07         841.16    3.9163E+00         ‐157.        9.9030E‐11      2728.36         841.10    0.0000E+00            0.        0.0000E+00      2775.01       III.‐‐WATER AND SOIL PRESSURES                               <‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐SOIL PRESSURES‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐>                   WATER      <‐‐‐‐LEFTSIDE‐‐‐‐‐>      <‐‐‐RIGHTSIDE‐‐‐‐>    ELEVATION    PRESSURE     PASSIVE      ACTIVE      ACTIVE     PASSIVE       (FT)        (PSF)       (PSF)        (PSF)       (PSF)      (PSF)     871.16            0.          0.          0.          0.        109.     870.16           62.          0.          0.          0.        206.     869.16          125.          0.          0.          0.        294.     868.16          187.          0.          0.          0.        382. 

FMM Reach 4 Sheet Pile Wall Design

03/11/2013 Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Attachment F-12 12 of 22

    867.94+         201.          0.          0.          0.        470.     867.94‐         201.          0.          0.          0.        401.     867.16          250.          0.          0.         15.        470.     866.16          312.          0.          0.         35.        558.     865.16          374.          0.          0.         55.        646.     864.64+         407.          0.          0.         65.        692.     864.64‐         407.        109.          0.         65.        692.     864.16          407.        160.          0.         74.        735.     863.64          407.        206.          0.         85.        781.     863.16          407.        248.          0.         94.        823.     862.16          407.        336.          0.        114.        911.     861.42+         407.        424.          0.        128.        976.     861.42‐         407.        401.          0.        128.        976.     861.16          407.        424.          5.        133.        999.     860.16          407.        512.         25.        153.       1087.     859.46          407.        574.         38.        167.       1149.     859.16          407.        600.         44.        173.       1175.     858.16          407.        689.         64.        192.       1264.     857.16          407.        777.         84.        212.       1352.     856.16          407.        865.        103.        232.       1440.     855.16          407.        953.        123.        251.       1528.     854.16          407.       1041.        143.        271.       1616.     853.16          407.       1129.        162.        290.       1704.     852.16          407.       1218.        182.        310.       1792.     851.16          407.       1306.        202.        330.       1881.     850.16          407.       1394.        221.        349.       1969.     849.16          407.       1482.        241.        369.       2057.     848.16          407.       1570.        261.        389.       2145.     847.16          407.       1658.        280.        408.       2233.     846.16          407.       1746.        300.        428.       2321.     845.67          407.       1790.        310.        438.       2365.     845.16          407.       1835.        320.        448.       2410.     844.16          407.       1923.        339.        467.       2498.     843.16          407.       2011.        359.        487.       2586.     842.16          407.       2099.        378.        507.       2674.     841.16          407.       2187.        398.        526.       2762.     841.10          407.       2275.        418.        546.       2850.     839.16          407.       2364.        437.        566.       2939.   

Case 4: Usual Event, Undrained Soil.  CWALSHT will not solve this case because no embedment of the wall is necessary.  Case 5: Unusual Event, Undrained Soil.  PROGRAM CWALSHT‐DESIGN/ANALYSIS OF ANCHORED OR CANTILEVER SHEET PILE WALLS 

FMM Reach 4 Sheet Pile Wall Design

03/11/2013 Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Attachment F-12 13 of 22

                            BY CLASSICAL METHODS   DATE: 6‐MAY‐2013                                            TIME: 8:15:59                                ****************                               *  INPUT DATA  *                               ****************          I.‐‐HEADING        'SHEET PILE WALL IN BRENNA FOUNDATION. UNUSUAL EVENT, DRAINED SOIL          II.‐‐CONTROL           CANTILEVER WALL ANALYSIS           FACTOR OF SAFETY FOR ACTIVE PRESSURES  = 1.00        III.‐‐WALL DATA           ELEVATION AT TOP OF WALL    = 871.16 FT.           ELEVATION AT BOTTOM OF WALL = 841.16 FT.           WALL MODULUS OF ELLASTACITY  = 2.900E+07 PSI.           WALL MOMENT OF INERTIA      = 152.00 IN^4.         IV.‐‐SURFACE POINT DATA              IV.A.‐‐RIGHTSIDE                DIST. FROM     ELEVATION                WALL (FT)         (FT)                     0.00        871.16                   100.00        871.16              IV.B.‐‐LEFTSIDE                DIST. FROM     ELEVATION                WALL (FT)         (FT)                     0.00        866.16                    10.65        864.64                   100.00        864.64          V.‐‐SOIL LAYER DATA             V.A.‐‐RIGHTSIDE                LEVEL 2 FACTOR OF SAFETY FOR ACTIVE PRESSURE  = DEFAULT                LEVEL 2 FACTOR OF SAFETY FOR PASSIVE PRESSURE = DEFAULT                   ANGLE OF         ANGLE OF                        <‐SAFETY‐>    SAT.   MOIST  INTERNAL  COH‐     WALL    ADH‐    <‐‐BOTTOM‐‐>  <‐FACTOR‐>   WGHT.   WGHT.  FRICTION  ESION  FRICTION  ESION   ELEV.  SLOPE  ACT. PASS.   (PCF)   (PCF)    (DEG)   (PSF)    (DEG)   (PSF)   (FT)  (FT/FT)  106.00  106.00     0.00  575.00     0.00    0.00                  DEF  DEF             V.B.‐‐LEFTSIDE 

FMM Reach 4 Sheet Pile Wall Design

03/11/2013 Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Attachment F-12 14 of 22

               LEVEL 2 FACTOR OF SAFETY FOR ACTIVE PRESSURE  = DEFAULT                LEVEL 2 FACTOR OF SAFETY FOR PASSIVE PRESSURE = DEFAULT                   ANGLE OF         ANGLE OF                        <‐SAFETY‐>    SAT.   MOIST  INTERNAL  COH‐     WALL    ADH‐    <‐‐BOTTOM‐‐>  <‐FACTOR‐>   WGHT.   WGHT.  FRICTION  ESION  FRICTION  ESION   ELEV.  SLOPE  ACT. PASS.   (PCF)   (PCF)    (DEG)   (PSF)    (DEG)   (PSF)   (FT)  (FT/FT)  106.00  106.00     0.00  575.00     0.00    0.00                  DEF  DEF         VI.‐‐WATER DATA           UNIT WEIGHT         = 62.40 (PCF)           RIGHTSIDE ELEVATION = 871.16 (FT)           LEFTSIDE ELEVATION  = 864.64 (FT)           NO SEEPAGE        VII.‐‐VERTICAL SURCHARGE LOADS           NONE       VIII.‐‐HORIZONTAL LOADS           NONE      PROGRAM CWALSHT‐DESIGN/ANALYSIS OF ANCHORED OR CANTILEVER SHEET PILE WALLS                             BY CLASSICAL METHODS   DATE: 6‐MAY‐2013                                            TIME: 8:16:19                           ****************************                          *  SUMMARY OF RESULTS FOR  *                          * CANTILEVER WALL ANALYSIS *                          ****************************        I.‐‐HEADING        'SHEET PILE WALL IN BRENNA FOUNDATION. UNUSUAL EVENT, DRAINED SOIL        II.‐‐SUMMARY            RIGHTSIDE SOIL PRESSURES DETERMINED BY SWEEP SEARCH WEDGE METHOD.            LEFTSIDE SOIL PRESSURES DETERMINED BY SWEEP SEARCH WEDGE METHOD.       PASSIVE FACTOR OF SAFETY   :        7.20       MAX. BEND. MOMENT (LB‐FT)  :  1.6604E+04            AT ELEVATION (FT)    :      851.29       MAXIMUM DEFLECTION (IN.)   :  1.7367E+00            AT ELEVATION (FT)    :      871.16 

FMM Reach 4 Sheet Pile Wall Design

03/11/2013 Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Attachment F-12 15 of 22

 PROGRAM CWALSHT‐DESIGN/ANALYSIS OF ANCHOREDOR CANTILEVER SHEET PILE WALLS                             BY CLASSICAL METHODS   DATE: 6‐MAY‐2013                                            TIME: 8:16:19                           ****************************                          * COMPLETE OF RESULTS FOR  *                          * CANTILEVER WALL ANALYSIS *                          ****************************         I.‐‐HEADING        'SHEET PILE WALL IN BRENNA FOUNDATION. UNUSUAL EVENT, DRAINED SOIL         II.‐‐RESULTS                       BENDING                                       NET       ELEVATION      MOMENT          SHEAR        DEFLECTION     PRESSURE          (FT)        (LB‐FT)          (LB)           (IN)          (PSF)         871.16    0.0000E+00            0.        1.7367E+00         0.00         870.16    1.0400E+01           31.        1.6404E+00        62.40         869.16    8.3200E+01          125.        1.5440E+00       124.80         868.16    2.8080E+02          281.        1.4477E+00       187.20         867.16    6.6560E+02          499.        1.3515E+00       249.60         866.16+   1.3000E+03          780.        1.2556E+00       312.00         866.16‐   1.3000E+03          780.        1.2556E+00       152.28         865.16    2.1550E+03          929.        1.1602E+00       145.49         864.64    2.6594E+03         1003.        1.1107E+00       139.08         864.16    3.1540E+03         1065.        1.0656E+00       118.76         863.16    4.2740E+03         1171.        9.7231E‐01        93.82         862.16    5.4882E+03         1253.        8.8068E‐01        70.83         861.16    6.7736E+03         1314.        7.9119E‐01        50.49         860.16    8.1098E+03         1355.        7.0437E‐01        32.09         859.16    9.4759E+03         1372.        6.2072E‐01         0.30         859.15    9.4845E+03         1372.        6.2021E‐01         0.00         858.16    1.0839E+04         1347.        5.4079E‐01       ‐48.54         857.16    1.2155E+04         1276.        4.6510E‐01       ‐95.14         856.16    1.3376E+04         1160.        3.9418E‐01      ‐136.28         855.16    1.4461E+04         1003.        3.2849E‐01      ‐177.45         854.16    1.5368E+04          804.        2.6847E‐01      ‐219.84         853.16    1.6055E+04          563.        2.1447E‐01      ‐262.57         852.16    1.6480E+04          280.        1.6675E‐01      ‐304.26         851.16    1.6601E+04          ‐46.        1.2548E‐01      ‐346.83         850.16    1.6374E+04         ‐414.        9.0713E‐02      ‐390.43         849.16    1.5757E+04         ‐827.        6.2348E‐02      ‐434.03         848.16    1.4707E+04        ‐1282.        4.0146E‐02      ‐476.72         847.16    1.3179E+04        ‐1780.        2.3694E‐02      ‐518.89         846.16    1.1133E+04        ‐2320.        1.2391E‐02      ‐561.96         845.48    9.4292E+03        ‐2711.        7.2600E‐03      ‐591.50         845.16    8.5277E+03        ‐2872.        5.4341E‐03      ‐404.18 

FMM Reach 4 Sheet Pile Wall Design

03/11/2013 Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Attachment F-12 16 of 22

        844.16    5.5509E+03        ‐2985.        1.8072E‐03       176.92         843.16    2.7510E+03        ‐2518.        3.6207E‐04       758.01         842.16    7.0913E+02        ‐1469.        2.0168E‐05      1339.11         841.24    0.0000E+00            0.        0.0000E+00      1871.00       III.‐‐WATER AND SOIL PRESSURES                               <‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐SOIL PRESSURES‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐>                   WATER      <‐‐‐‐LEFTSIDE‐‐‐‐‐>      <‐‐‐RIGHTSIDE‐‐‐‐>    ELEVATION    PRESSURE     PASSIVE      ACTIVE      ACTIVE     PASSIVE       (FT)        (PSF)       (PSF)        (PSF)       (PSF)      (PSF)     871.16            0.          0.          0.          0.        160.     870.16           62.          0.          0.          0.        203.     869.16          125.          0.          0.          0.        247.     868.16          187.          0.          0.          0.        291.     867.16          250.          0.          0.          0.        334.     866.16+         312.          0.          0.          0.        378.     866.16‐         312.        160.          0.          0.        378.     865.16          374.        229.          0.          0.        421.     864.64          407.        268.          0.          0.        444.     864.16          407.        288.          0.          0.        465.     863.16          407.        313.          0.          0.        509.     862.16          407.        336.          0.          0.        552.     861.16          407.        356.          0.          0.        596.     860.16          407.        375.          0.          0.        639.     859.16          407.        407.          0.          0.        683.     859.15          407.        407.          0.          0.        683.     858.16          407.        456.          0.          0.        727.     857.16          407.        502.          0.          0.        770.     856.16          407.        543.          0.          0.        814.     855.16          407.        584.          0.          0.        857.     854.16          407.        627.          0.          0.        901.     853.16          407.        670.          0.          0.        945.     852.16          407.        711.          0.          0.        988.     851.16          407.        754.          0.          0.       1032.     850.16          407.        797.          0.          0.       1075.     849.16          407.        841.          0.          0.       1119.     848.16          407.        884.          0.          0.       1163.     847.16          407.        926.          0.          0.       1206.     846.16          407.        969.          0.          0.       1250.     845.48          407.        998.          0.          0.       1279.     845.16          407.       1013.          0.          0.       1293.     844.16          407.       1056.          0.          0.       1337.     843.16          407.       1100.          0.          0.       1381.     842.16          407.       1143.          0.          0.       1424.     841.24          407.       1187.          0.          0.       1468.     840.16          407.       1231.          0.          0.       1511. 

 

FMM Reach 4 Sheet Pile Wall Design

03/11/2013 Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Attachment F-12 17 of 22

Case 6: Extreme Event, Undrained Soil.    PROGRAM CWALSHT‐DESIGN/ANALYSIS OF ANCHORED OR CANTILEVER SHEET PILE WALLS                             BY CLASSICAL METHODS   DATE: 11‐MARCH‐2013                                         TIME: 15:35:43                                ****************                               *  INPUT DATA  *                               ****************          I.‐‐HEADING        'SHEET PILE WALL IN BRENNA FOUNDATION. EXTREME EVENT, UNDRAINED SOIL         II.‐‐CONTROL           CANTILEVER WALL ANALYSIS           FACTOR OF SAFETY FOR ACTIVE PRESSURES  = 1.00        III.‐‐WALL DATA           ELEVATION AT TOP OF WALL    = 871.16 FT.           ELEVATION AT BOTTOM OF WALL = 841.16 FT.           WALL MODULUS OF ELLASTACITY  = 2.900E+07 PSI.           WALL MOMENT OF INERTIA      = 152.00 IN^4.         IV.‐‐SURFACE POINT DATA              IV.A.‐‐RIGHTSIDE                DIST. FROM     ELEVATION                WALL (FT)         (FT)                     0.00        871.16                   100.00        871.16              IV.B.‐‐LEFTSIDE                DIST. FROM     ELEVATION                WALL (FT)         (FT)                     0.00        864.64                   100.00        864.64          V.‐‐SOIL LAYER DATA             V.A.‐‐RIGHTSIDE                LEVEL 2 FACTOR OF SAFETY FOR ACTIVE PRESSURE  = DEFAULT                LEVEL 2 FACTOR OF SAFETY FOR PASSIVE PRESSURE = DEFAULT                   ANGLE OF         ANGLE OF                        <‐SAFETY‐>    SAT.   MOIST  INTERNAL  COH‐     WALL    ADH‐    <‐‐BOTTOM‐‐>  <‐FACTOR‐>   WGHT.   WGHT.  FRICTION  ESION  FRICTION  ESION   ELEV.  SLOPE  ACT. PASS.   (PCF)   (PCF)    (DEG)   (PSF)    (DEG)   (PSF)   (FT)  (FT/FT)  106.00  106.00     0.00  575.00     0.00    0.00                  DEF  DEF 

FMM Reach 4 Sheet Pile Wall Design

03/11/2013 Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Attachment F-12 18 of 22

            V.B.‐‐LEFTSIDE                LEVEL 2 FACTOR OF SAFETY FOR ACTIVE PRESSURE  = DEFAULT                LEVEL 2 FACTOR OF SAFETY FOR PASSIVE PRESSURE = DEFAULT                   ANGLE OF         ANGLE OF                        <‐SAFETY‐>    SAT.   MOIST  INTERNAL  COH‐     WALL    ADH‐    <‐‐BOTTOM‐‐>  <‐FACTOR‐>   WGHT.   WGHT.  FRICTION  ESION  FRICTION  ESION   ELEV.  SLOPE  ACT. PASS.   (PCF)   (PCF)    (DEG)   (PSF)    (DEG)   (PSF)   (FT)  (FT/FT)  106.00  106.00     0.00  575.00     0.00    0.00                  DEF  DEF         VI.‐‐WATER DATA           UNIT WEIGHT         = 62.40 (PCF)           RIGHTSIDE ELEVATION = 871.16 (FT)           LEFTSIDE ELEVATION  = 864.64 (FT)           NO SEEPAGE        VII.‐‐VERTICAL SURCHARGE LOADS           NONE       VIII.‐‐HORIZONTAL LOADS           NONE   PROGRAM CWALSHT‐DESIGN/ANALYSIS OF ANCHORED OR CANTILEVER SHEET PILE WALLS                             BY CLASSICAL METHODS   DATE: 11‐MARCH‐2013                                         TIME: 15:35:46                           ****************************                          *  SUMMARY OF RESULTS FOR  *                          * CANTILEVER WALL ANALYSIS *                          ****************************        I.‐‐HEADING        'SHEET PILE WALL IN BRENNA FOUNDATION. EXTREME EVENT, UNDRAINED SOIL       II.‐‐SUMMARY            RIGHTSIDE SOIL PRESSURES DETERMINED BY FIXED SURFACE WEDGE METHOD.            LEFTSIDE SOIL PRESSURES DETERMINED BY FIXED SURFACE WEDGE METHOD.       PASSIVE FACTOR OF SAFETY   :        5.11       MAX. BEND. MOMENT (LB‐FT)  :  1.9546E+04            AT ELEVATION (FT)    :      851.62       MAXIMUM DEFLECTION (IN.)   :  2.0400E+00            AT ELEVATION (FT)    :      871.16 

FMM Reach 4 Sheet Pile Wall Design

03/11/2013 Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Attachment F-12 19 of 22

 PROGRAM CWALSHT‐DESIGN/ANALYSIS OF ANCHOREDOR CANTILEVER SHEET PILE WALLS                             BY CLASSICAL METHODS   DATE: 11‐MARCH‐2013                                         TIME: 15:35:46                           ****************************                          * COMPLETE OF RESULTS FOR  *                          * CANTILEVER WALL ANALYSIS *                          ****************************         I.‐‐HEADING        'SHEET PILE WALL IN BRENNA FOUNDATION. EXTREME EVENT, UNDRAINED SOIL        II.‐‐RESULTS                       BENDING                                       NET       ELEVATION      MOMENT          SHEAR        DEFLECTION     PRESSURE          (FT)        (LB‐FT)          (LB)           (IN)          (PSF)         871.16    0.0000E+00            0.        2.0400E+00         0.00         870.16    1.0400E+01           31.        1.9263E+00        62.40         869.16    8.3200E+01          125.        1.8126E+00       124.80         868.16    2.8080E+02          281.        1.6990E+00       187.20         867.16    6.6560E+02          499.        1.5854E+00       249.60         866.16    1.3000E+03          780.        1.4722E+00       312.00         865.16    2.2464E+03         1123.        1.3595E+00       374.40         864.64+   2.8852E+03         1327.        1.3009E+00       406.97         864.64‐   2.8852E+03         1327.        1.3009E+00       181.92         864.16    3.5396E+03         1409.        1.2476E+00       161.08         863.64    4.2960E+03         1487.        1.1898E+00       138.32         863.16    5.0219E+03         1548.        1.1372E+00       117.48         862.16    6.6218E+03         1644.        1.0287E+00        73.88         861.16    8.2956E+03         1696.        9.2281E‐01        30.28         860.47    9.4784E+03         1707.        8.5115E‐01         0.00         860.16    9.9996E+03         1705.        8.2019E‐01       ‐13.32         859.16    1.1690E+04         1670.        7.2148E‐01       ‐56.92         858.16    1.3324E+04         1591.        6.2736E‐01      ‐100.52         857.16    1.4857E+04         1468.        5.3846E‐01      ‐144.12         856.16    1.6247E+04         1303.        4.5537E‐01      ‐187.72         855.16    1.7448E+04         1093.        3.7865E‐01      ‐231.32         854.16    1.8418E+04          840.        3.0876E‐01      ‐274.92         853.16    1.9113E+04          543.        2.4608E‐01      ‐318.52         852.16    1.9490E+04          203.        1.9089E‐01      ‐362.12         851.16    1.9504E+04         ‐181.        1.4332E‐01      ‐405.72         850.16    1.9113E+04         ‐609.        1.0338E‐01      ‐449.32         849.16    1.8273E+04        ‐1080.        7.0927E‐02      ‐492.92         848.16    1.6939E+04        ‐1594.        4.5618E‐02      ‐536.52         847.16    1.5070E+04        ‐2153.        2.6931E‐02      ‐580.12         846.16    1.2619E+04        ‐2755.        1.4133E‐02      ‐623.72         845.77    1.1505E+04        ‐2999.        1.0561E‐02      ‐640.60 

FMM Reach 4 Sheet Pile Wall Design

03/11/2013 Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Attachment F-12 20 of 22

        845.16    9.5688E+03        ‐3287.        6.2619E‐03      ‐298.04         844.78    8.3163E+03        ‐3360.        4.3388E‐03       ‐87.74         844.16    6.2260E+03        ‐3306.        2.1321E‐03       261.05         843.16    3.1441E+03        ‐2765.        4.5151E‐04       820.13         842.16    8.8246E+02        ‐1665.        3.0256E‐05      1379.21         841.16   ‐1.2732E‐02           ‐7.       ‐4.8148E‐14      1938.30         841.16    0.0000E+00            0.        0.0000E+00      1940.17       III.‐‐WATER AND SOIL PRESSURES                               <‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐SOIL PRESSURES‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐>                   WATER      <‐‐‐‐LEFTSIDE‐‐‐‐‐>      <‐‐‐RIGHTSIDE‐‐‐‐>    ELEVATION    PRESSURE     PASSIVE      ACTIVE      ACTIVE     PASSIVE       (FT)        (PSF)       (PSF)        (PSF)       (PSF)      (PSF)     871.16            0.          0.          0.          0.        225.     870.16           62.          0.          0.          0.        269.     869.16          125.          0.          0.          0.        312.     868.16          187.          0.          0.          0.        356.     867.16          250.          0.          0.          0.        399.     866.16          312.          0.          0.          0.        443.     865.16          374.          0.          0.          0.        487.     864.64+         407.          0.          0.          0.        509.     864.64‐         407.        225.          0.          0.        509.     864.16          407.        246.          0.          0.        530.     863.64          407.        269.          0.          0.        553.     863.16          407.        289.          0.          0.        574.     862.16          407.        333.          0.          0.        617.     861.16          407.        377.          0.          0.        661.     860.47          407.        407.          0.          0.        691.     860.16          407.        420.          0.          0.        705.     859.16          407.        464.          0.          0.        748.     858.16          407.        507.          0.          0.        792.     857.16          407.        551.          0.          0.        835.     856.16          407.        595.          0.          0.        879.     855.16          407.        638.          0.          0.        923.     854.16          407.        682.          0.          0.        966.     853.16          407.        725.          0.          0.       1010.     852.16          407.        769.          0.          0.       1053.     851.16          407.        813.          0.          0.       1097.     850.16          407.        856.          0.          0.       1141.     849.16          407.        900.          0.          0.       1184.     848.16          407.        943.          0.          0.       1228.     847.16          407.        987.          0.          0.       1271.     846.16          407.       1031.          0.          0.       1315.     845.77          407.       1048.          0.          0.       1332.     845.16          407.       1074.          0.          0.       1359.     844.78+         407.       1091.          0.          0.       1402.     844.78‐         407.       1091.          0.          0.       1375. 

FMM Reach 4 Sheet Pile Wall Design

03/11/2013 Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Attachment F-12 21 of 22

    844.16          407.       1118.          0.         27.       1402.     843.16          407.       1161.          0.         71.       1446.     842.16          407.       1205.          0.        114.       1489.     841.16          407.       1249.          0.        158.       1533.     841.16          407.       1292.          0.        202.       1577.     839.16          407.       1336.          0.        245.       1620.      

FMM Reach 4 Sheet Pile Wall Design

03/11/2013 Comp by: MVR

97% FTR Submittal

Attachment F-12 22 of 22