Sección DC.5
ASD vs LRFD
Última revisión: 11/04/2014
Al diseñar en acero y madera, hay que elegir una filosofía de diseño. En concreto, la única filosofía de diseño en uso extensivo es la basada en la resistencia (LRFD).
Acero
Antes de profundizar demasiado en esta sección, sería aconsejable que lea las secciones del Manual de Construcción de Acero (SCM) de AISC que describen el Diseño del Factor de Carga y Resistencia y las filosofías de Diseño de Resistencia Permitida, así como la sección sobre los Fundamentos del Diseño. Se encuentran en las páginas 2-6 y 2-7 del SCM.
Hasta que AISC introdujo la especificación de Diseño de Factor de Carga y Resistencia (LRFD) en 1986, el diseño de estructuras de acero se basaba únicamente en metodologías de Diseño de Tensiones Permitidas (ASD). El cambio a LRFD no ha sido adoptado fácilmente por la profesión, a pesar de que casi todas las universidades cambiaron a enseñar la especificación de LRFD dentro de los diez años de su introducción. Parece que no hubo una necesidad percibida por la profesión de cambiar las metodologías, a pesar de que había amplia evidencia de que la DFRL producía estructuras con un factor de seguridad más consistente.
Madera
LRFD es relativamente nuevo para la madera. Se incluyó explícitamente con ASD en la Especificación de Diseño Nacional con la última edición de la especificación.
Concreto
Debido a las complejidades de analizar secciones compuestas utilizando el método de esfuerzo de trabajo, el enfoque de resistencia mucho más simple se adoptó fácilmente con él se introdujo por primera vez. El método basado en la resistencia (LRFD) se ha utilizado en la especificación de concreto ACI 318 desde la década de 1970.
Había dos diferencias principales entre las dos especificaciones:
- La comparación de las cargas con las resistencias reales o finales y
- una diferencia en los factores efectivos de seguridad.
Real frente Fuerza Máxima
Figura DC.5.1
Comparación de capacidades de LRFD/ASD
En un Diagrama de Carga vs. Desplazamiento
Capacidad Rn / W= ASD
fRn = Capacidad LRFD
Rn = Capacidad nominal
La primera diferencia entre ASD y LRFD, históricamente, ha sido que el antiguo Diseño de tensiones admisibles comparaba tensiones reales y permitidas, mientras que LRFD compara la resistencia requerida con las fuerzas reales. La diferencia entre mirar fortalezas vs las tensiones no presentan un gran problema, ya que la diferencia normalmente se limita a multiplicar o dividir ambos lados de las desigualdades de estado límite por una propiedad de sección, dependiendo de la dirección en la que vaya. De hecho, el nuevo Diseño de resistencia admisible (ASD) de AISC, que reemplaza el antiguo diseño de tensión admisible, ahora ha cambiado la antigua terminología basada en tensión a una terminología basada en resistencia, eliminando virtualmente esta diferencia entre las filosofías.
Figura DC.5.1 ilustra los niveles de resistencia de la barra calculados por los dos métodos en una carga típica de acero dulce vs. diagrama de deformación. Los niveles de fuerza combinados (Pa, Ma, Va) para ASD se mantienen típicamente por debajo de la carga de fluencia de la barra calculando la capacidad de carga de la barra como la fuerza nominal, Rn, dividida por un factor de seguridad,W, que reduce la capacidad a un punto por debajo de la fluencia. Para LRFD, los niveles de fuerza combinados (Pu, Mu, Vu) se mantienen por debajo de una capacidad de carga de barra calculada que es el producto de la fuerza nominal, Rn, por un factor de resistencia,f.
Al considerar las fortalezas de las barras, siempre queremos mantener las cargas reales de nuestro diseño final por debajo del rendimiento para evitar deformaciones permanentes en nuestra estructura. En consecuencia, si se utiliza el enfoque LRFD, se deben aplicar factores de carga superiores a 1.0 a las cargas aplicadas para expresarlas en términos que sean comparables de forma segura a los niveles de resistencia finales. Esto se logra en las ecuaciones de combinación de carga que consideran las probabilidades asociadas con la ocurrencia simultánea de diferentes tipos de cargas.
Fijo vs Factores variables de Seguridad
La segunda diferencia importante entre los dos métodos es la forma en que se maneja la relación entre las cargas aplicadas y las capacidades de las barras. La especificación LRFD tiene en cuenta por separado la previsibilidad de las cargas aplicadas mediante el uso de factores de carga aplicados al lado de resistencia requerido de las desigualdades de estado límite y las variabilidades de material y construcción mediante factores de resistencia en el lado de resistencia nominal de la desigualdad de estado límite. La especificación ASD combina los dos factores en un solo factor de seguridad. Al dividir el factor de seguridad en factores de carga y resistencia independientes (como se hace en el enfoque LRFD), se obtiene un factor de seguridad efectivo más consistente que puede dar como resultado estructuras más seguras o más ligeras, dependiendo de la previsibilidad de los tipos de carga que se utilicen.
Cálculos de combinación de carga
La base para los cálculos de carga estructural en los Estados Unidos es un documento conocido como ASCE 7: Cargas de diseño mínimas para Edificios & Otras Estructuras. (Vea la Guía para principiantes de ASCE 7-05 para una discusión detallada sobre este documento. Por lo general, cada tipo de carga (es decir, muerto, vivo, nieve, viento, etc.) se expresa en términos de sus niveles de carga de servicio. La única excepción a esto son las cargas sísmicas, que se expresan en niveles de fuerza. Las cargas individuales se combinan utilizando ecuaciones de combinación de carga que consideran la probabilidad de que se produzcan cargas simultáneamente. Las cargas combinadas resultantes y los efectos de carga de las ecuaciones de combinaciones de LRFD reciben un subíndice de «u». Un subíndice de » a » se utiliza para indicar un resultado de carga de una combinación de carga ASD. Particular de este texto, un subíndice de «s, equiv» se usa para representar el resultado de una combinación de carga que es la suma algebraica simple de todos los componentes de carga individuales.
Los factores de carga se aplican como coeficientes en las ecuaciones de combinación de carga para ASD y LRFD. El factor de resistencia se indica con el símbolo f, y los factores de seguridad con el símbolo W. Veremos cómo se aplican a continuación.
El otro problema que parece ser conceptualmente desafiante para muchos ingenieros es que, ya que LRFD observa la fuerza de los miembros (p. ej. las cargas «aplicadas» se incrementan «de forma ficticia» por factores de carga para que puedan compararse de forma segura con las fuerzas últimas de las barras. A lo largo de estas notas y las cargas de especificación a las que se han aplicado factores de carga LRFD (y que son más altos de lo que realmente serán) se denominan cargas DEFINITIVAS o FACTORIZADAS. Las cargas ASD que son el resultado de ecuaciones de combinación de carga ASD también son cargas FACTORIZADAS. Las cargas en sus niveles reales se denominan cargas DE servicio.
La comparación de cargas LRFD y ASD
Las cargas finales o factorizadas NO SE PUEDEN comparar directamente con las cargas de servicio. Las cargas de servicio deben estar factorizadas o las cargas finales deben estar sin factorizar si se van a comparar. Esto se complica aún más si se considera el efecto en las ecuaciones de combinación de carga. Un método para comparar cargas es calcular un factor de carga compuesto (CLF) que es la relación entre el resultado de la combinación de carga (Pu o Pa) y la suma algebraica de los componentes de carga individuales (Ps,equiv o Ps,eq). La combinación de carga con el CLF más bajo es la combinación de carga crítica. El cálculo de CLF se muestra en la tabla DC.5.1.
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Cuadro DC.5.1 |
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Donde:
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Ejemplos de esto se dan en la siguiente sección sobre combinaciones de carga, ya que es en las ecuaciones de combinación de carga donde se aplican los factores de carga.
Juntando todo, la forma general de las desigualdades de estado límite se puede expresar de tres maneras. Cuadro DC.5.2 muestra cómo se hace esto para LRFD y ASD para cuatro estados límite de resistencia comunes. Tenga en cuenta que cada ecuación es equivalente.
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Cuadro DC.5.2 |
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La elección de la forma depende de lo que usted está tratando de hacer. Esto se hará evidente a medida que se expliquen y demuestren los estados límite a lo largo de este texto. En general, la segunda forma (efecto nominal requerido < fuerza nominal real) es útil cuando selecciona (o diseña) una barra para una aplicación en particular. Las otras dos formas son útiles para analizar la capacidad de un miembro en particular.
Factor efectivo de Seguridad de la DFL
Otro enfoque para comparar los dos métodos es calcular un factor efectivo de seguridad para el método de la DFL que se pueda comparar con los factores de seguridad de los TEA. Esto implica combinar los factores de carga y resistencia.
Tomemos el estado límite de fuerza axial para realizar un ejemplo comparativo entre ASD y LRFD. Puede dividirse entre los factores de carga para obtener un factor de seguridad equivalente:
LRFD : Ps,equiv < Pn (f / CLFLRFD) = Pn/ Weff
Donde el factor de seguridad equivalente a LRFD es el término Weff = (f / CLFLRFD). f es una constante. El factor de carga compuesto, CLF = Pu / (Ps, equiv), varía con las magnitudes relativas de los diferentes tipos de cargas. El resultado es un factor de seguridad variable para LRFD. En el TEA, este factor de seguridad se toma como una constante.
Se puede argumentar que la variable LRFD Weff es más consistente con las probabilidades asociadas con el diseño. El resultado es que las estructuras con cargas altamente predecibles (es decir, predominantemente carga muerta) la trama de LRFD es más baja que la ASD W, lo que resulta en una estructura potencialmente más ligera. Para estructuras sujetas a cargas altamente impredecibles (cargas vivas, de viento y sísmicas, por ejemplo), la trama de LRFD es más alta que la ASD W, lo que da como resultado estructuras más fuertes. El argumento LRFD es que el ASD es demasiado conservador para estructuras con cargas predecibles y no conservador para aquellas sujetas a cargas menos predecibles.
Uso de ASD y LRFD
Finalmente, debe tener en cuenta que debe seleccionar una u otra de las filosofías de diseño al diseñar una estructura. Usted puede cambiar entre las dos filosofías en un proyecto dado! En este texto usamos ASD y LRFD para que pueda familiarizarse con ambos, pero esto no es el estándar en la práctica.