szakasz DC.5
ASD vs LRFD
utolsó felülvizsgálat:11/04/2014
acél és fa tervezésekor a tervezési filozófiák közül választhat. A betonban az egyetlen széles körben alkalmazott tervezési filozófia az erő alapú (LRFD).
acél
mielőtt túl mélyen belemenne ebbe a szakaszba, bölcs dolog lenne, ha elolvasná az AISC acélszerkezeti kézikönyv (SCM) szakaszait, amelyek leírják a terhelés és az ellenállási tényező kialakítását és a megengedett szilárdsági tervezési filozófiákat, valamint a tervezési alapokról szóló részt. Ezek az SCM 2-6.és 2-7. oldalán találhatók.
amíg az AISC 1986-ban bevezette a Load and Resistance Factor Design (LRFD) specifikációt, az acélszerkezetek tervezése kizárólag a megengedhető Feszültségtervezés (ASD) módszerein alapult. Az LRFD-re való áttérést a szakma nem fogadta el könnyen, annak ellenére, hogy szinte az összes egyetem a bevezetésétől számított tíz éven belül áttért az LRFD specifikáció tanítására. Úgy tűnik, hogy a szakma nem érzékelte a módszertan megváltoztatásának szükségességét, annak ellenére, hogy bőséges bizonyíték volt arra, hogy az LRFD következetesebb biztonsági tényezővel rendelkező szerkezeteket készített.
fűrészáru
az LRFD viszonylag új a fűrészáru számára. Kifejezetten bekerült az ASD-be a nemzeti tervezési specifikációba, a specifikáció legújabb kiadásával.
beton
az összetett szakaszok munkahelyi stressz módszerrel történő elemzésének bonyolultsága miatt először bevezették a sokkal egyszerűbb szilárdsági megközelítést. A szilárdság alapú (LRFD) módszert az ACI 318 konkrét specifikációban az 1970-es évek óta alkalmazzák.
a két specifikáció között két fő különbség volt:
- a terhelések összehasonlítása a tényleges vagy a végső erősséggel és
- a hatékony biztonsági tényezők közötti különbséggel.
tényleges vs. Végső erő
ábra DC.5.1
LRFD/ASD kapacitások összehasonlítása
terhelés vs. elmozdulás Diagram
Rn / W= ASD kapacitás
fRn = LRFD kapacitás
Rn = névleges kapacitás
az első különbség az ASD és az LRFD között történelmileg az volt, hogy a régi megengedett Feszültségtervezés összehasonlította a tényleges és a megengedett feszültségeket, míg az LRFD összehasonlítja a szükséges erőt a tényleges erősségekkel. A különbség az erősségek vs. hangsúlyozza nem jelent sok problémát, mivel a különbség általában csak megszorozzuk vagy elosztjuk mindkét oldalán a határállapot egyenlőtlenségek egy szakasz tulajdonság, attól függően, hogy merre megy. Valójában az új AISC megengedhető szilárdság-tervezés (ASD), amely felváltja a régi megengedett stressz-kialakítást, a régi stressz-alapú terminológiát erő-alapú terminológiára váltotta, gyakorlatilag kiküszöbölve ezt a különbséget a filozófiák között.
DC ábra.Az 5.1. ábra a két módszerrel kiszámított tagszilárdsági szinteket szemlélteti egy tipikus enyhe acélterhelésre vs. deformációs diagram. Az ASD kombinált erőszintjeit (Pa, Ma, Va) általában a tag hozamterhelése alatt tartják, ha kiszámítják a tag terhelhetőségét névleges szilárdságként, Rn,osztva egy biztonsági tényezővel, W, amely csökkenti a kapacitást a hozam alatti pontra. Az LRFD esetében a kombinált erőszinteket (Pu, Mu, Vu) egy számított tag terhelhetősége alatt tartják, amely a névleges szilárdság szorzata, Rn,szorozva az ellenállási tényezővel, f.
ha figyelembe vesszük a tagok erősségét, mindig szeretnénk a végső terv tényleges terhelését a hozam alatt tartani, hogy megakadályozzuk a szerkezet állandó deformációit. Következésképpen, ha az LRFD megközelítést alkalmazzák, akkor az 1,0-nál nagyobb terhelési tényezőket kell alkalmazni az alkalmazott terhelésekre, hogy azokat a végső szilárdsági szintekkel biztonságosan összehasonlítható kifejezésekkel fejezzék ki. Ez a terheléskombinációs egyenletekben valósul meg, amelyek figyelembe veszik a különböző típusú terhelések egyidejű előfordulásával kapcsolatos valószínűségeket.
rögzített vs. Változó biztonsági tényezők
a két módszer közötti második fő különbség az alkalmazott terhelések és tagkapacitások közötti kapcsolat kezelésének módja. Az LRFD specifikáció külön számolja el az alkalmazott terhelések kiszámíthatóságát a határállapot egyenlőtlenségeinek kívánt szilárdsági oldalára alkalmazott terhelési tényezők, valamint a határállapot egyenlőtlenségének névleges szilárdsági oldalán lévő ellenállási tényezők révén az anyag-és építési változásokra. Az ASD specifikáció a két tényezőt egyetlen biztonsági tényezővé egyesíti. A biztonsági tényező független terhelési és ellenállási tényezőkre bontásával (az LRFD megközelítés szerint) következetesebb hatékony biztonsági tényezőt kapunk, amely biztonságosabb vagy könnyebb szerkezeteket eredményezhet, az alkalmazott terhelési típusok kiszámíthatóságától függően.
Terheléskombinációs számítások
az Egyesült Államokban a szerkezeti terhelésszámítások alapja az ASCE 7: épületek minimális tervezési terhelése & egyéb szerkezetek. (Lásd A kezdő útmutató ASCE 7-05 részletes vitát erről a dokumentumról.) Általában az egyes terhelési típusokat (azaz halott, élő, hó, szél stb.) a szolgáltatási terhelési szintjükben fejezik ki. Ez alól az egyetlen kivétel a földrengés terhelése, amelyet erősségi szinten fejeznek ki. Az egyes terheléseket ezután kombináljukterhelési kombinációs egyenletek, amelyek figyelembe veszik az egyidejűleg előforduló terhelések valószínűségét. Az LRFD kombinációs egyenletekből származó kombinált terhelések és terhelési hatások “u”alindexet kapnak. Az “a” index az ASD terheléskombináció terhelési eredményének jelzésére szolgál. Különösen erre a szövegre,az “S, equiv” indexet használják egy terhelési kombináció eredményének ábrázolására, amely az összes egyes terhelési komponens egyszerű algebrai összege.
a terhelési tényezőket együtthatóként alkalmazzák mind az ASD, mind az LRFD terhelési kombinációs egyenleteiben. Az ellenállási tényezőt a symbolf, a biztonsági tényezőket pedig a symbolW jelöli. Az alábbiakban látni fogjuk, hogyan alkalmazzák őket.
a másik kérdés, amely sok mérnök számára koncepcionálisan kihívást jelent, az, hogy mivel az LRFD a tagok erejét vizsgálja (pl. a meghibásodást okozó terhelések) az “alkalmazott” terheléseket “fiktív módon” növelik a terhelési tényezők, így biztonságosan összehasonlíthatók a tagok végső erősségeivel. Ezekben a megjegyzésekben és a specifikációs terhelésekben, amelyek LRFD terhelési tényezőket alkalmaztak (és magasabbak, mint valójában), végső vagy faktorált terheléseknek nevezzük. Az ASD terhelések, amelyek az ASD terhelési kombinációs egyenletek eredményei, szintén faktorált terhelések. A tényleges szintű terheléseket szolgáltatási terheléseknek nevezzük.
LRFD és ASD terhelések összehasonlítása
végső vagy faktorált terhelések nem hasonlíthatók össze közvetlenül a szervizterhelésekkel. Vagy a szolgáltatási terheléseket kell figyelembe venni, vagy a végső terheléseket nem kell figyelembe venni, ha össze akarják hasonlítani őket. Ez még bonyolultabbá válik, ha figyelembe vesszük a terheléskombinációs egyenletekre gyakorolt hatást. A terhelések összehasonlításának egyik módja egy összetett terhelési tényező (CLF) kiszámítása,amely a terheléskombinációs eredmény (Pu vagy Pa) aránya az egyes terhelési komponensek algebrai összegéhez (Ps,equiv vagy Ps, eq). A legalacsonyabb CLF terhelési kombináció a kritikus terhelési kombináció. A CLF kiszámítását a DC táblázat mutatja.5.1.
|
asztal DC.5.1 |
||||||
|
||||||
ahol:
|
ennek példáit a terheléskombinációkról szóló következő szakasz tartalmazza, mivel a terheléskombinációs egyenletekben alkalmazzák a terhelési tényezőket.
mindent összevetve a határállapot egyenlőtlenségeinek általános formája háromféleképpen fejezhető ki. Asztal DC.Az 5.2. ábra bemutatja, hogyan történik ez az LRFD és az ASD esetében négy közös szilárdsági határállapot esetében. Vegye figyelembe, hogy minden egyenlet egyenértékű.
|
asztal DC.5.2 |
|||||||||||||||
|
a forma megválasztása attól függ, hogy mit próbál tenni. Ez nyilvánvalóvá válik, amint a határállamokat ebben a szövegben elmagyarázzák és bemutatják. Általában a második forma (Req ‘ D névleges hatás < tényleges névleges szilárdság) hasznos, ha kiválasztja (vagy tervezése) tagja egy adott alkalmazás. A másik két forma hasznos egy adott tag kapacitásának elemzésekor.
LRFD hatékony biztonsági tényező
a két módszer összehasonlításának másik megközelítése az LRFD módszer hatékony biztonsági tényezőjének kiszámítása, amely összehasonlítható az ASD biztonsági tényezőivel. Ez magában foglalja a terhelési és ellenállási tényezők kombinálását.
vegyük az axiális erőhatárt, hogy összehasonlító példát hozzunk létre az ASD és az LRFD között. Át lehet osztani a terhelési tényezőkkel, hogy ekvivalens biztonsági tényezőt kapjunk:
LRFD : Ps,equiv < Pn (f / CLFLRFD) = Pn/ Weff
ahol az LRFD ekvivalens biztonsági tényező a Weff = (f / CLFLRFD) kifejezés. f egy állandó. Az összetett terhelési tényező,CLF = Pu/( Ps, equiv), a különböző típusú terhelések relatív nagyságától függ. Az eredmény az LRFD változó biztonsági tényezője. Az ASD – ben ezt a biztonsági tényezőt állandónak tekintik.
vitatható, hogy az LRFD weff változó jobban megfelel a tervezéshez kapcsolódó valószínűségeknek. Ennek eredményeként a nagyon kiszámítható terhelésű szerkezetek (azaz túlnyomórészt Holt terhelés) az LRFD Weff alacsonyabb, mint az ASD W, ami potenciálisan könnyebb szerkezetet eredményez. A rendkívül kiszámíthatatlan terhelésnek kitett szerkezetek (például élő, szél-és szeizmikus terhelések) esetében az LRFD Weff magasabb, mint az ASD W, ami erősebb szerkezeteket eredményez. Az LRFD érve az, hogy az ASD túlságosan konzervatív a megjósolható terhelésű szerkezetek esetében, nem konzervatív a kevésbé kiszámítható terhelésnek kitett szerkezetek esetében.
az ASD és az LRFD használata
végül tisztában kell lennie azzal, hogy a szerkezet megtervezésekor ki kell választania az egyik vagy a másik tervezési filozófiát. Nem lehet váltani a két filozófia egy adott projekt! Ebben a szövegben mind az ASD-t, mind az LRFD-t használjuk, így mindkettőben jártas lehet, de a gyakorlatban ez nem a szabvány.