jakso DC.5
ASD vs LRFD
Viimeksi tarkistettu:11/04/2014
teräs-ja puutavarasuunnittelussa on valittavana suunnittelufilosofia, joka on tehtävä. Betonissa ainoa Laajassa käytössä oleva suunnittelufilosofia on lujuuspohjainen (lrfd).
teräs
ennen kuin joudut liian syvälle tähän osioon, sinun olisi viisasta lukea AISC Steel Construction Manual (SCM) – osiot, joissa kuvataan kuormitus-ja Vastuskertoimen suunnittelua ja sallittua Lujuussuunnittelun filosofiaa sekä osio suunnittelun perusteista. Nämä löytyvät SCM: n sivuilta 2-6 ja 2-7.
ennen kuin AISC otti käyttöön Load and Resistance Factor Design (Lrfd) – spesifikaation vuonna 1986, Teräsrakenteiden suunnittelu perustui yksinomaan sallittuihin Stressisuunnittelumenetelmiin (ASD). Siirtyminen LRFD ei ole helposti omaksunut ammatti, vaikka lähes kaikki yliopistot siirtynyt opetuksen LRFD eritelmän kymmenen vuoden kuluessa sen käyttöönotosta. Näyttää siltä, että ammattikunta ei pitänyt tarpeellisena muuttaa menetelmiä, vaikka oli runsaasti näyttöä siitä, että LRFD tuotti rakenteita, joissa oli johdonmukaisempi turvallisuustekijä.
puutavara
LRFD on suhteellisen uusi puutavara. Se sisällytettiin nimenomaisesti ASD: n kanssa kansallisiin Suunnittelumääritelmiin eritelmän uusimmalla painoksella.
Betoni
koska komposiittijaksojen analysointi työjännitysmenetelmällä oli monimutkaista, otettiin käyttöön paljon yksinkertaisempi lujuusmenetelmä. Lujuuspohjainen (lrfd) menetelmä on ollut käytössä betonin spesifikaatiossa ACI 318 1970-luvulta lähtien.
näiden kahden eritelmän välillä oli kaksi suurta eroa:
- kuormien vertailu joko todelliseen tai lopulliseen vahvuuteen ja
- tehokkaiden turvallisuustekijöiden ero.
todellinen vs. Ultimate Strength
Kuva DC.5.1
LRFD – /ASD-kapasiteettien
Rn / W = ASD-kapasiteetti
fRn = LRFD-kapasiteetti
Rn = nimelliskapasiteetti
ensimmäinen ero ASD: n ja LRFD: n välillä on historiallisesti ollut se, että vanhassa sallitussa Jännitysmallissa verrattiin todellisia ja sallittuja jännityksiä, kun taas LRFD: ssä verrataan vaadittua lujuutta todellisiin vahvuuksiin. Ero tarkastelemalla vahvuuksia vs. korostaa ei ole suuri ongelma, koska ero on yleensä vain kertomalla tai jakamalla molemmin puolin raja-valtion eriarvoisuutta osa omaisuutta, riippuen siitä, mihin suuntaan olet menossa. Itse asiassa Uusi AISC sallitut Strength Design (ASD), joka korvaa vanhan sallitun stressisuunnittelun, on nyt vaihtanut vanhan stressipohjaisen terminologian vahvuuteen perustuvaan terminologiaan, poistaen käytännössä tämän eron filosofioiden välillä.
Kuva DC.5.1 kuvaa jäsenen lujuustasoja, jotka on laskettu kahdella menetelmällä tyypillisellä miedon teräksen kuormituksella vs. muodonmuutoskaavio. ASD: n yhteenlasketut voimatasot (Pa, Ma, Va)pidetään tyypillisesti jäsenen myötökuormituksen alapuolella laskemalla jäsenen kuormituskapasiteetti nimellislujuutena Rn jaettuna turvallisuuskertoimella W, joka vähentää kapasiteetin alle saannon. LRFD: ssä yhteenlasketut voimatasot (Pu, Mu, Vu) pidetään alle lasketun jäsenen kuormituskapasiteetin, joka saadaan nimellislujuudesta RN kertaa vastuskerroin,f.
kun harkitsemme jäsenvahvuuksia, haluamme aina pitää lopullisen suunnittelumme todelliset kuormitukset alle joustavuuden, jotta estämme pysyvät muodonmuutokset rakenteessamme. Jos siis käytetään LRFD-menetelmää, kuormituskertoimia, jotka ovat suurempia kuin 1,0, on sovellettava kohdistettuihin kuormituksiin niiden ilmaisemiseksi siten, että ne ovat turvallisesti verrattavissa lopullisiin lujuustasoihin. Tämä tapahtuu kuormitusyhdistelmäyhtälöissä, joissa tarkastellaan erityyppisten kuormien samanaikaiseen esiintymiseen liittyviä todennäköisyyksiä.
Kiinteä vs. Muuttuvat Turvallisuuskertoimet
toinen merkittävä ero näiden kahden menetelmän välillä on tapa, jolla käytetyn kuorman ja jäsenkapasiteetin välinen suhde käsitellään. LRFD-spesifikaatiossa otetaan erikseen huomioon sovellettujen kuormitusten ennustettavuus käyttämällä kuormituskertoimia, joita sovelletaan raja-tilan epätasaisuuden vaadittuun lujuuspuoleen, ja materiaali-ja rakennevaihtelut raja-tilan epäyhtälön nimellislujuuspuolen vastuskertoimien avulla. ASD-spesifikaatiossa nämä kaksi tekijää yhdistetään yhdeksi turvallisuustekijäksi. Jakamalla turvallisuustekijä erillisiin kuormitus-ja vastuskertoimiin (kuten LRFD-menetelmässä) saadaan johdonmukaisempi tehokas turvallisuustekijä, joka voi johtaa turvallisempiin tai kevyempiin rakenteisiin riippuen käytettävien kuormitustyyppien ennustettavuudesta.
Kuormayhdistelmälaskennat
rakenteellisten kuormituslaskelmien perustana Yhdysvalloissa on asiakirja, joka tunnetaan nimellä ASCE 7: Minimum Design Loads for Buildings & Other Structures. (KS. Aloittelijan opas ASCE 7-05: een yksityiskohtaista keskustelua tästä asiakirjasta.) Tyypillisesti jokainen kuormitustyyppi (eli kuollut, elävä, lumi, tuuli jne.) ilmaistaan niiden käyttökuormitustasoina. Yksi poikkeus tähän ovat maanjäristyskuormat, jotka ilmaistaan voimakkuustasoilla. Yksittäiset kuormat yhdistetään sitten käyttämällä kuormayhdistelmäyhtälöitä, joissa tarkastellaan samanaikaisesti esiintyvien kuormien todennäköisyyttä. Lrfd-yhdistelmäyhtälöiden tuloksena syntyville yhdistetyille kuormituksille ja kuormitusvaikutuksille annetaan ”u”: n alaindeksi. ”A”: n alaindeksiä käytetään ilmaisemaan ASD-kuormitusyhdistelmän aiheuttamaa kuormitustulosta. Erityisesti tässä tekstissä käytetään ”S,equiv”: n alaindeksiä, joka edustaa kuormitusyhdistelmän tulosta, joka on kaikkien yksittäisten kuormituskomponenttien yksinkertainen algebrallinen summa.
Kuormituskertoimia käytetään kertoimina sekä ASD: n että LRFD: n kuormitusyhdistelmäyhtälöissä. Vastuskerroin merkitään symbolf: llä ja turvallisuustekijät symbolW: lla. Näemme, miten niitä sovelletaan alla.
toinen asia, joka näyttää käsitteellisesti haastavalta monille insinööreille, on se, että koska LRFD tarkastelee jäsenten vahvuutta (ts. kuormat, jotka aiheuttavat epäonnistumisen) ”sovelletut” kuormat ovat” fiktiivisesti ” lisättyjä kuormituskertoimilla, jotta niitä voidaan turvallisesti verrata jäsenten lopullisiin vahvuuksiin. Näitä muistiinpanoja ja erittelykuormia, joissa on ollut LRFD-kuormituskertoimia (ja jotka ovat suurempia kuin ne todellisuudessa ovat) kutsutaan lopullisiksi tai LASKELMOIDUIKSI kuormituksiksi. Myös ASD-kuormayhdistelmäyhtälöiden tuloksena syntyvät ASD-kuormat ovat laskettuja kuormia. Todellisella tasollaan olevia kuormia kutsutaan KÄYTTÖKUORMIKSI.
LRFD-ja ASD-kuormien vertaamista
lopullisia tai laskettuja kuormia ei voida suoraan verrata käyttökuormiin. Joko huoltokuormat on otettava huomioon tai lopulliset kuormat on otettava huomioon, jos niitä verrataan. Tämä mutkistuu entisestään, kun tarkastellaan vaikutusta kuormayhdistelmäyhtälöihin. Yksi kuormitusten vertailutapa on laskea komposiittikuormituskerroin (CLF), joka on kuormitusyhdistelmätuloksen (PU tai Pa) suhde yksittäisten kuormituskomponenttien (Ps,equiv tai Ps, eq) algebralliseen summaan. Kuormitusyhdistelmä, jossa on alhaisin CLF, on kriittinen kuormitusyhdistelmä. CLF: n laskenta on esitetty taulukossa DC.5.1.
|
pöytä DC.5. 1 |
||||||
|
||||||
missä:
|
esimerkkejä tästä annetaan seuraavassa kuormitusyhdistelmiä koskevassa jaksossa, koska kuormituskertoimia sovelletaan kuormitusyhtälöissä.
kun kaikki lasketaan yhteen, rajatilojen epäyhtälön yleinen muoto voidaan jokainen ilmaista kolmella tavalla. Pöytä DC.5.2 osoittaa, miten tämä tehdään LRFD: lle ja ASD: lle neljässä yhteisessä lujuusrajatilassa. Huomaa, että jokainen yhtälö on vastaava.
|
pöytä DC.5.2 |
|||||||||||||||
|
muodon valinta riippuu siitä, mitä yrität tehdä. Tämä käy ilmi, kun raja-arvot selitetään ja osoitetaan läpi tämän tekstin. Yleensä toinen muoto (Req ’ d nominal effect < actual nominal strength) on hyödyllinen, kun valitset (tai suunnittelet) jäsentä tiettyyn sovellukseen. Kaksi muuta muotoa ovat hyödyllisiä analysoitaessa tietyn jäsenen kapasiteettia.
LRFD: n tehollinen turvallisuustekijä
toinen lähestymistapa näiden kahden menetelmän vertailuun on laskea LRFD-menetelmälle tehokas turvallisuustekijä, jota voidaan verrata ASD-turvallisuustekijöihin. Tämä edellyttää kuormituksen ja vastuskertoimien yhdistämistä.
Otetaanpa aksiaalinen voiman raja-tila vertailevan esimerkin tekemiseksi ASD: n ja LRFD: n välillä. Kuormituskertoimet voidaan jakaa läpi, jolloin saadaan vastaava turvallisuustekijä:
Lrfd: Ps,equiv < PN (f / CLFLRFD) = PN/ Weff
, jossa LRFD: n vastaava turvallisuustekijä on termi Weff = (f / CLFLRFD). f on vakio. Komposiittikuormituskerroin CLF = Pu / (Ps,equiv) vaihtelee eri kuormitustyyppien suhteellisten magnitudien mukaan. Tuloksena on vaihteleva turvallisuustekijä LRFD: lle. ASD: ssä tämä turvallisuustekijä otetaan vakioksi.
voidaan väittää, että muuttuja Lrfd Weff vastaa paremmin suunnitteluun liittyviä todennäköisyyksiä. Tuloksena on, että rakenteet, joiden kuormitus on hyvin ennustettavissa (eli suurin osa kuolleesta kuormituksesta) LRFD Weff on pienempi kuin ASD W, mikä johtaa mahdollisesti kevyempään rakenteeseen. Rakenteissa, joihin kohdistuu erittäin arvaamattomia kuormia (esimerkiksi eläviä, tuulisia ja seismisiä kuormia), LRFD Weff on korkeampi kuin ASD W, mikä johtaa vahvempiin rakenteisiin. LRFD: n argumentti on, että ASD on liian konservatiivinen rakenteille, joilla on ennustettavissa oleva kuormitus, ja ei konservatiivinen rakenteille, joihin kohdistuu vähemmän ennustettavissa oleva kuormitus.
ASD: n ja LRFD: n käyttö
lopuksi on hyvä tiedostaa, että rakenteen suunnittelussa on valittava jompikumpi suunnittelufilosofioista. Et voi vaihtaa kahden filosofian välillä tietyssä projektissa! Tässä tekstissä käytämme sekä ASD että LRFD niin, että voit olla perillä molemmissa, mutta tämä ei ole standardi käytännössä.