ASD vs LRFD

afsnit DC.5

ASD vs LRFD

Sidst revideret:11/04/2014

ved design i stål og træ er der valg af designfilosofier, der skal laves. I beton er den eneste designfilosofi i omfattende brug styrkebaseret (LRFD).

stål

før du kommer for dybt ind i dette afsnit, ville det være klogt for dig at læse afsnittene AISC Steel Construction Manual (SCM), der beskriver belastnings-og Modstandsfaktordesign og tilladte Styrkedesignfilosofier samt afsnittet om grundlæggende Design. Disse findes på siderne 2-6 og 2-7 i SCM.

indtil AISC introducerede load and Resistance Factor Design (LRFD) specifikationen i 1986, var designet af stålkonstruktioner udelukkende baseret på tilladte Stressdesign (ASD) metoder. Skiftet til LRFD er ikke let blevet omfavnet af erhvervet, selvom næsten alle universiteter skiftede til at undervise i LRFD-specifikationen inden for ti år efter introduktionen. Det ser ud til, at erhvervet ikke opfattede behov for at ændre metoder, selvom der var rigelig dokumentation for, at LRFD producerede strukturer med en mere konsistent sikkerhedsfaktor.

træ

LRFD er relativt nyt for træ. Det blev eksplicit inkluderet med ASD i National Design Specification med den seneste udgave af specifikationen.

beton

på grund af kompleksiteten ved at analysere sammensatte sektioner ved hjælp af arbejdsstressmetode blev den meget enklere styrkemetode let vedtaget med den blev først introduceret. Den styrkebaserede (LRFD) metode har været i brug i betonspecifikationen ACI 318 siden 1970 ‘ erne.

der var to store forskelle mellem de to SPECIFIKATIONER:

1. sammenligning af belastninger med enten faktiske eller ultimative styrker og
2. en forskel i effektive sikkerhedsfaktorer.

faktisk vs. Ultimativ styrke

den første forskel mellem ASD og LRFD har historisk set været, at det gamle tilladte Stressdesign sammenlignede faktiske og tilladte belastninger, mens LRFD sammenligner krævet styrke med faktiske styrker. Forskellen mellem at se på styrker vs. stress udgør ikke meget af et problem, da forskellen normalt bare multiplicerer eller deler begge sider af grænsestatsulighederne med en sektionsegenskab, afhængigt af hvilken vej du går. Faktisk har det nye AISC tilladelige styrkedesign (ASD), der erstatter det gamle tilladte stressdesign, nu skiftet den gamle stressbaserede terminologi til en styrkebaseret terminologi, hvilket næsten eliminerer denne forskel mellem filosofierne.

figur DC.5.1 illustrerer medlemsstyrkeniveauerne beregnet ved de to metoder på en typisk mild stålbelastning vs. deformation diagram. De kombinerede kraftniveauer (Pa, Ma, Va) for ASD holdes typisk under udbyttebelastningen for medlemmet ved at beregne medlemsbelastningskapacitet som den nominelle styrke, Rn, divideret med en sikkerhedsfaktor,V, der reducerer kapaciteten til et punkt under udbyttet. For LRFD holdes de kombinerede kraftniveauer (Pu, Mu, Vu) under en beregnet elementbelastningskapacitet, der er produktet af den nominelle styrke, Rn, gange en modstandsfaktor,f.

når vi overvejer medlemsstyrker, ønsker vi altid at holde vores endelige design faktiske belastninger under giver for at forhindre permanente deformationer i vores struktur. Hvis LRFD-metoden anvendes, skal der derfor anvendes belastningsfaktorer, der er større end 1,0, på de påførte belastninger for at udtrykke dem i termer, der sikkert kan sammenlignes med de ultimative styrkeniveauer. Dette opnås i belastningskombinationsligningerne, der overvejer sandsynlighederne forbundet med samtidig forekomst af forskellige typer belastninger.

Fast vs. Variable sikkerhedsfaktorer

den anden store forskel mellem de to metoder er den måde, hvorpå forholdet mellem påførte belastninger og medlemskapacitet håndteres. LRFD-specifikationen tegner sig separat for forudsigeligheden af påførte belastninger ved brug af belastningsfaktorer anvendt på den krævede styrkeside af grænsestatulighederne og for materiale-og konstruktionsvariabiliteter gennem modstandsfaktorer på den nominelle styrkeside af grænsestatuligheden. ASD-specifikationen kombinerer de to faktorer i en enkelt sikkerhedsfaktor. Ved at opdele sikkerhedsfaktoren i de uafhængige belastnings-og modstandsfaktorer (som gjort i LRFD-tilgangen) opnås en mere ensartet effektiv sikkerhedsfaktor og kan resultere i sikrere eller lettere strukturer afhængigt af forudsigeligheden af de anvendte belastningstyper.

Belastningskombinationsberegninger

grundlaget for strukturelle belastningsberegninger i USA er et dokument kendt som ASCE 7: Minimum designbelastninger for bygninger & andre strukturer. (Se en Begyndervejledning til ASCE 7-05 for detaljeret diskussion om dette dokument.) Typisk udtrykkes hver belastningstype (dvs.død, levende, sne, vind osv.) i forhold til deres servicebelastningsniveauer. Den eneste undtagelse herfra er jordskælvsbelastninger, der udtrykkes på styrkeniveauer. De enkelte belastninger kombineres derefter ved hjælp aflastkombinationsligninger, der overvejer sandsynligheden for samtidig forekommende belastninger. De resulterende kombinerede belastninger og belastningseffekter fra LRFD-kombinationsligninger gives abonnement på “u”. Et abonnement på” a ” bruges til at indikere et belastningsresultat fra en ASD-belastningskombination. Specielt til denne tekst bruges et abonnement på” S, ækvivalent ” til at repræsentere resultatet af en belastningskombination, der er den enkle algebraiske sum af alle de individuelle belastningskomponenter.

belastningsfaktorer anvendes som koefficienter i belastningskombinationsligningerne for både ASD og LRFD. Modstandsfaktoren er betegnet med symboletf og sikkerhedsfaktorerne med symbolv. Vi vil se, hvordan de anvendes nedenfor.

det andet problem, der synes at være konceptuelt udfordrende for mange ingeniører, er det, da LRFD ser på medlemmernes styrke (dvs. de belastninger, der forårsager fiasko) de “anvendte” belastninger øges “fiktivt” med en belastningsfaktorer, så de sikkert kan sammenlignes med medlemmernes ultimative styrker. Gennem disse noter og specifikationsbelastninger, der har haft LRFD-belastningsfaktorer anvendt (og er højere end de faktisk vil være) kaldes ULTIMATE eller FACTORED loads. ASD-belastninger, der er resultatet af ASD-belastningskombinationsligninger, er også indregnet belastninger. Belastninger på deres faktiske niveauer kaldes SERVICEBELASTNINGER.

sammenligning af LRFD-og ASD-belastninger

ultimative eller indregnede belastninger kan ikke sammenlignes direkte med servicebelastninger. Enten skal servicebelastningerne indregnes, eller de ultimative belastninger skal ikke faktoreres, hvis de skal sammenlignes. Dette bliver endnu mere kompliceret, når man overvejer effekten på belastningskombinationsligninger. En metode til sammenligning af belastninger er at beregne en sammensat belastningsfaktor (CLF) det er forholdet mellem belastningskombinationsresultat (Pu eller Pa) til den algebraiske sum af de enkelte belastningskomponenter (Ps,ækvivalent eller Ps,EKV). Belastningskombinationen med den laveste CLF er den kritiske belastningskombination. Beregningen af CLF er vist i tabel DC.5.1.

eksempler på dette er givet i næste afsnit om belastningskombinationer, da det er i belastningskombinationsligningerne, hvor belastningsfaktorerne anvendes.

når man sætter det hele sammen, kan den generelle form for grænsestatens uligheder hver udtrykkes på tre måder. Tabel DC.5.2 viser, hvordan dette gøres for LRFD og ASD for fire fælles styrke grænse stater. Bemærk, at hver ligning er ækvivalent.

LRFD effektiv sikkerhedsfaktor

en anden tilgang til sammenligning af de to metoder er at beregne en effektiv sikkerhedsfaktor for LRFD-metoden, der kan sammenlignes med ASD-sikkerhedsfaktorerne. Dette indebærer at kombinere belastnings-og modstandsfaktorerne.

lad os tage den aksiale kraftbegrænsningstilstand for at udføre et komparativt eksempel mellem ASD og LRFD. Du kan opdele gennem belastningsfaktorerne for at få en ækvivalent sikkerhedsfaktor:

LRFD : Ps,ækvivalent < Pn (f / CLFLRFD) = Pn/ Vif

hvor LRFD-ækvivalent sikkerhedsfaktor er udtrykket Vif = (f / CLFLRFD). f er en konstant. Den sammensatte belastningsfaktor, CLF = Pu / (Ps,ækvivalent), varierer med de relative størrelser af de forskellige typer belastninger. Resultatet er en variabel sikkerhedsfaktor for LRFD. I ASD tages denne sikkerhedsfaktor som en konstant.

det kan argumenteres for, at variablen LRFD-skud er mere konsistent med sandsynlighederne forbundet med design. Resultatet er, at strukturer med meget forudsigelig belastning (dvs.overvejende død belastning) LRFD-skiven er lavere end ASD V, hvilket resulterer i en potentielt lettere struktur. For strukturer, der udsættes for meget uforudsigelige belastninger (for eksempel levende, vind og seismiske belastninger), er LRFD-skiven højere end ASD V, hvilket resulterer i stærkere strukturer. LRFD-argumentet er, at ASD er alt for konservativ for strukturer med forudsigelige belastninger og ikke konservativ for dem, der udsættes for mindre forudsigelige belastninger.

brug af ASD og LRFD

endelig skal du være opmærksom på, at du skal vælge den ene eller den anden af designfilosofierne, når du designer en struktur. Du kan ikke skifte mellem de to filosofier i et givet projekt! I denne tekst bruger vi både ASD og LRFD, så du kan være fortrolig med begge dele, men dette er ikke standarden i praksis.