ASD vs LRFD

Section DC.5

ASD vs LRFD

Dernière révision: 11/04/2014

Lors de la conception en acier et en bois, il y a un choix de philosophies de conception qui doit être fait. Dans le béton, la seule philosophie de conception largement utilisée est la résistance basée sur la résistance (LRFD).

Acier

Avant d’approfondir cette section, il serait judicieux de lire les sections du Manuel de Construction en acier AISC (SCM) décrivant la Conception du Facteur de Charge et de résistance et les philosophies de Conception de la Résistance admissible ainsi que la section sur les Principes fondamentaux de la conception. Ceux-ci se trouvent aux pages 2-6 et 2-7 du SMC.

Jusqu’à ce que l’AISC introduise la spécification de Conception des facteurs de charge et de résistance (LRFD) en 1986, la conception des structures en acier était basée uniquement sur des méthodologies de Conception des contraintes admissibles (ASD). Le passage à la LRFD n’a pas été facilement accepté par la profession, même si presque toutes les universités se sont tournées vers l’enseignement de la spécification LRFD dans les dix ans suivant son introduction. Il semble que la profession n’ait pas perçu le besoin de changer de méthodologie, même s’il y avait de nombreuses preuves que la DDRL produisait des structures avec un facteur de sécurité plus constant.

Bois

Le LRFD est relativement nouveau pour le bois. Il a été explicitement inclus avec ASD dans la Spécification de conception nationale avec la dernière édition de la spécification.

Béton

En raison de la complexité de l’analyse des sections composites à l’aide de la méthode de contrainte de travail, l’approche de résistance beaucoup plus simple a été facilement adoptée avec elle a été introduite pour la première fois. La méthode basée sur la résistance (LRFD) est utilisée dans la spécification du béton ACI 318 depuis les années 1970.

Il y avait deux différences majeures entre les deux spécifications:

1. La comparaison des charges avec les forces réelles ou ultimes et
2. une différence dans les facteurs de sécurité effectifs.

Réel vs. Force Ultime

La première différence entre la DMPS et la DMLA, historiquement, a été que l’ancienne conception des contraintes admissibles comparait les contraintes réelles et les contraintes admissibles tandis que la DMLA compare la résistance requise aux forces réelles. La différence entre regarder les forces et les forces. les contraintes ne posent pas beaucoup de problème car la différence ne fait normalement que multiplier ou diviser les deux côtés des inégalités d’état limite par une propriété de section, selon la façon dont vous allez. En fait, la nouvelle conception de résistance admissible AISC (ASD), qui remplace l’ancienne conception de contrainte admissible, a maintenant remplacé l’ancienne terminologie basée sur la contrainte par une terminologie basée sur la résistance, éliminant pratiquement cette différence entre les philosophies.

Figure DC.5.1 illustre les niveaux de résistance des éléments calculés par les deux méthodes sur une charge d’acier doux typique vs. diagramme de déformation. Les niveaux de force combinés (Pa, Ma, Va) pour les TSA sont généralement maintenus en dessous de la charge d’élasticité de l’élément en calculant la capacité de charge de l’élément en tant que résistance nominale, Rn, divisée par un facteur de sécurité, W, qui réduit la capacité à un point inférieur au rendement. Pour LRFD, les niveaux de force combinés (Pu, Mu, Vu) sont maintenus en dessous d’une capacité de charge d’élément calculée qui est le produit de la force nominale, Rn, multiplié par un facteur de résistance, f.

Lorsque nous considérons les forces des éléments, nous voulons toujours maintenir les charges réelles de notre conception finale en dessous du rendement afin d’éviter des déformations permanentes dans notre structure. Par conséquent, si l’approche LRFD est utilisée, des facteurs de charge supérieurs à 1,0 doivent être appliqués aux charges appliquées pour les exprimer en des termes comparables en toute sécurité aux niveaux de résistance ultimes. Ceci est accompli dans les équations de combinaison de charges qui prennent en compte les probabilités associées à l’apparition simultanée de différents types de charges.

Fixe vs. Facteurs variables de sécurité

La deuxième différence majeure entre les deux méthodes est la manière dont la relation entre les charges appliquées et les capacités des éléments est gérée. La spécification LRFD tient compte séparément de la prévisibilité des charges appliquées grâce à l’utilisation de facteurs de charge appliqués au côté de résistance requis des inégalités d’état limite et des variabilités de matériaux et de construction grâce à des facteurs de résistance du côté de résistance nominale de l’inégalité d’état limite. La spécification ASD combine les deux facteurs en un seul facteur de sécurité. En divisant le facteur de sécurité en facteurs de charge et de résistance indépendants (comme le fait l’approche LRFD), on obtient un facteur de sécurité efficace plus cohérent et peut aboutir à des structures plus sûres ou plus légères, selon la prévisibilité des types de charge utilisés.

Calculs de combinaison de charges

La base des calculs de charges structurelles aux États-Unis est un document connu sous le nom d’ASCE 7: Charges de conception minimales pour les bâtiments & Autres structures. (Voir Le Guide du débutant sur l’ASCE 7-05 pour une discussion détaillée sur ce document.) Généralement, chaque type de charge (c.-à-d. morts, vivants, neige, vent, etc.) est exprimé en termes de niveaux de charge de service. La seule exception à cela est les charges sismiques, qui sont exprimées aux niveaux de force. Les charges individuelles sont ensuite combinées à l’aide d’équations de combinaison de charge qui considèrent la probabilité de charges simultanées. Les charges combinées et les effets de charge résultants des équations de combinaisons LRFD sont donnés en indice de « u ». Un indice de « a » est utilisé pour indiquer un résultat de charge d’une combinaison de charge ASD. En particulier pour ce texte, un indice de « s, equiv » est utilisé pour représenter le résultat d’une combinaison de charges qui est la simple somme algébrique de toutes les composantes de charges individuelles.

Les facteurs de charge sont appliqués sous forme de coefficients dans les équations de combinaison de charge pour les TSA et les DDR. Le facteur de résistance est noté avec le symbolef, et les facteurs de sécurité avec le symbolW. Nous verrons comment ils sont appliqués ci-dessous.

L’autre problème qui semble être conceptuellement difficile pour de nombreux ingénieurs est que, puisque LRFD examine la force des membres (c.-à-d. les charges qui provoquent une défaillance) les charges « appliquées » sont « fictivement » augmentées d’un facteur de charge afin qu’elles puissent être comparées en toute sécurité avec les forces ultimes des éléments. Tout au long de ces notes et des charges de spécification auxquelles des facteurs de charge LRFD ont été appliqués (et qui sont plus élevés qu’ils ne le seront réellement) sont appelés charges ULTIMES ou FACTORISÉES. Les charges ASD qui sont le résultat d’équations de combinaison de charges ASD sont également des charges FACTORISÉES. Les charges à leurs niveaux réels sont appelées charges de SERVICE.

Comparaison des charges LRFD et ASD

Les charges ultimes ou factorisées NE PEUVENT PAS être directement comparées aux charges de service. Soit les charges de service doivent être factorisées, soit les charges ultimes doivent être non factorisées si elles doivent être comparées. Cela devient encore plus compliqué lorsque vous considérez l’effet sur les équations de combinaison de charge. Une méthode de comparaison des charges consiste à calculer un facteur de charge composite (CLF) qui est le rapport du résultat de la combinaison de charges (Pu ou Pa) à la somme algébrique des composantes de charge individuelles (Ps, equiv ou Ps, eq). La combinaison de charge avec la FCF la plus basse est la combinaison de charge critique. Le calcul de CLF est indiqué dans le tableau DC.5.1.

Des exemples en sont donnés dans la section suivante sur les combinaisons de charges, car c’est dans les équations de combinaison de charges que les facteurs de charge sont appliqués.

En mettant tout cela ensemble, la forme générale des inégalités d’état limite peut chacune être exprimée de trois manières. Tableau DC.5.2 montre comment cela est fait pour LRFD et ASD pour quatre états limites de force communs. Notez que chaque équation est équivalente.

Facteur de sécurité effectif LRFD

Une autre approche pour comparer les deux méthodes consiste à calculer un facteur de sécurité efficace pour la méthode LRFD qui peut être comparé aux facteurs de sécurité TSA. Cela implique de combiner les facteurs de charge et de résistance.

Prenons l’état limite de force axiale pour conduire un exemple comparatif entre ASD et LRFD. Vous pouvez diviser par les facteurs de charge pour obtenir un facteur de sécurité équivalent:

LRFD: Ps, equiv < Pn(f / CLFLRFD) = Pn /Weff

Où le facteur de sécurité équivalent LRFD est le terme Weff =(f / CLFLRFD). f est une constante. Le facteur de charge composite, CLF = Pu/(Ps, equiv), varie avec les grandeurs relatives des différents types de charges. Il en résulte un facteur de sécurité variable pour la DRL. Dans les TSA, ce facteur de sécurité est considéré comme une constante.

On peut soutenir que la variable LRFD Weff est plus cohérente avec les probabilités associées à la conception. Le résultat est que les structures avec des charges hautement prévisibles (c’est-à-dire une charge principalement morte), le LRFD Weff est inférieur au TSA W, ce qui donne une structure potentiellement plus légère. Pour les structures soumises à des charges hautement imprévisibles (charges vivantes, éoliennes et sismiques par exemple), le LRFD Weff est plus élevé que le TSA W, ce qui se traduit par des structures plus solides. L’argument LRFD est que les TSA sont trop conservateurs pour les structures avec des charges prévisibles et non conservateurs pour celles soumises à des charges moins prévisibles.

Utilisation de l’ASD et du LRFD

Enfin, sachez que vous devez sélectionner l’une ou l’autre des philosophies de conception lorsque vous concevez une structure. Vous ne pouvez pas basculer entre les deux philosophies dans un projet donné! Dans ce texte, nous utilisons à la fois ASD et LRFD afin que vous puissiez être familier avec les deux, mais ce n’est pas la norme dans la pratique.