Sezione DC.5
ASD vs LRFD
Ultima revisione:11/04/2014
Quando si progetta in acciaio e legno, c’è una scelta di filosofie di progettazione che deve essere fatta. Nel calcestruzzo l’unica filosofia progettuale in uso estensivo è la forza basata (LRFD).
Steel
Prima di entrare troppo in profondità in questa sezione, sarebbe saggio leggere le sezioni del manuale di costruzione in acciaio AISC (SCM) che descrivono il design del fattore di carico e resistenza e le filosofie di progettazione della resistenza consentita, nonché la sezione sui fondamenti del design. Questi si trovano alle pagine di 2-6 e 2-7 del SCM.
Fino a quando l’AISC non ha introdotto la specifica LRFD (Load and Resistance Factor Design) nel 1986, la progettazione delle strutture in acciaio era basata esclusivamente su metodologie ASD (Allowable Stress Design). Il passaggio alla LRFD non è stato prontamente abbracciato dalla professione, anche se quasi tutte le università spostato per insegnare la specifica LRFD entro dieci anni dalla sua introduzione. Sembra che la professione non abbia percepito la necessità di modificare le metodologie, anche se vi erano ampie prove che la LRFD producesse strutture con un fattore di sicurezza più coerente.
Timber
LRFD è relativamente nuovo per il legname. È stato esplicitamente incluso con ASD nella specifica di progettazione nazionale con l’ultima edizione della specifica.
Calcestruzzo
A causa della complessità dell’analisi delle sezioni composite utilizzando il metodo dello stress di lavoro, è stato introdotto per la prima volta l’approccio di resistenza molto più semplice. Il metodo basato forza (LRFD) è stato in uso nella specifica concreta ACI 318 dal 1970.
C’erano due differenze principali tra le due specifiche:
- Il confronto dei carichi con forze effettive o ultime e
- una differenza nei fattori efficaci di sicurezza.
Effettivo vs. Ultima forza
Figura DC.5.1
Confronto dei LRFD/ASD Capacità
Su un Carico, rispetto alla Cilindrata Diagramma
Rn/ W= ASD Capacità
fRn = LRFD Capacità
Rn = Capacità Nominale
La prima differenza tra ASD e LRFD, storicamente, è stato che il vecchio Sollecitazione Ammissibile rispetto effettivo e tensioni ammissibili, mentre LRFD confronta la forza necessaria per reali punti di forza. La differenza tra guardare i punti di forza vs. gli stress non presentano molto di un problema poiché la differenza è normalmente solo moltiplicando o dividendo entrambi i lati delle disuguaglianze dello stato limite per una proprietà di sezione, a seconda del modo in cui si sta andando. In effetti, il nuovo AISC Allowable Strength Design (ASD), che sostituisce il vecchio allowable stress design, ha ora cambiato la vecchia terminologia basata sullo stress in una terminologia basata sulla forza, eliminando virtualmente questa differenza tra le filosofie.
Figura DC.5.1 illustra i livelli di resistenza degli elementi calcolati dai due metodi su un tipico carico di acciaio dolce vs. diagramma di deformazione. I livelli di forza combinati (Pa, Ma, Va) per ASD sono tipicamente mantenuti al di sotto del carico di snervamento per il membro calcolando la capacità di carico del membro come la forza nominale, Rn, divisa per un fattore di sicurezza,W, che riduce la capacità a un punto al di sotto del rendimento. Per LRFD, i livelli di forza combinati (Pu, Mu, Vu) sono mantenuti al di sotto di una capacità di carico del membro calcolata che è il prodotto della forza nominale, Rn, volte un fattore di resistenza,f.
Quando si considerano i punti di forza dei membri, vogliamo sempre mantenere i carichi effettivi del nostro progetto finale al di sotto del rendimento in modo da prevenire deformazioni permanenti nella nostra struttura. Di conseguenza, se si utilizza l’approccio LRFD, i fattori di carico superiori a 1,0 devono essere applicati ai carichi applicati per esprimerli in termini che sono tranquillamente paragonabili ai livelli di resistenza finale. Ciò si ottiene nelle equazioni di combinazione di carico che considerano le probabilità associate al verificarsi simultaneo di diversi tipi di carichi.
Fisso vs. Fattori variabili di sicurezza
La seconda differenza importante tra i due metodi è il modo in cui viene gestita la relazione tra carichi applicati e capacità degli elementi. La specifica LRFD tiene conto separatamente della prevedibilità dei carichi applicati attraverso l’uso di fattori di carico applicati al lato di resistenza richiesto delle disuguaglianze dello stato limite e delle variabilità del materiale e della costruzione attraverso fattori di resistenza sul lato di resistenza nominale della disuguaglianza dello stato limite. La specifica ASD combina i due fattori in un unico fattore di sicurezza. Suddividendo il fattore di sicurezza in fattori di carico e resistenza indipendenti (come fatto nell’approccio LRFD) si ottiene un fattore di sicurezza efficace più coerente e può risultare in strutture più sicure o più leggere, a seconda della prevedibilità dei tipi di carico utilizzati.
Calcolo delle combinazioni di carico
La base per i calcoli dei carichi strutturali negli Stati Uniti è un documento noto come ASCE 7: Minimum Design Loads for Buildings & Other Structures. (Vedere Una guida per principianti per ASCE 7-05 per una discussione dettagliata su questo documento.) Tipicamente, ogni tipo di carico (cioè morto, vivo, neve, vento, ecc.) L’unica eccezione a questo è carichi di terremoto, che sono espressi a livelli di forza. I singoli carichi vengono quindi combinati utilizzandoequazioni di combinazione di carico che considerano la probabilità di carichi simultanei. I carichi combinati risultanti e gli effetti di carico dalle equazioni delle combinazioni LRFD sono dati pedice di “u”. Un pedice di ” a ” viene utilizzato per indicare un risultato di carico da una combinazione di carico ASD. In particolare a questo testo, un pedice di “s, equiv” è usato per rappresentare il risultato di una combinazione di carico che è la semplice somma algebrica di tutti i singoli componenti di carico.
I fattori di carico vengono applicati come coefficienti nelle equazioni di combinazione di carico sia per ASD che per LRFD. Il fattore di resistenza è indicato con symbolf e i fattori di sicurezza con symbolW. Vedremo come vengono applicati di seguito.
L’altro problema che sembra essere concettualmente impegnativo per molti ingegneri è che, dal momento che LRFD guarda alla forza dei membri (cioè i carichi che causano guasti) i carichi “applicati ” sono” fittiziamente ” aumentati di un fattore di carico in modo che possano essere confrontati in modo sicuro con i punti di forza finali dei membri. In queste note e i carichi di specifica che hanno avuto fattori di carico LRFD applicati (e sono superiori a quelli che saranno effettivamente) sono chiamati carichi ULTIMATE o FACTORED. Carichi ASD che sono il risultato di equazioni di combinazione di carico ASD sono anche carichi FATTORIZZATI. I carichi ai loro livelli effettivi sono indicati come carichi di SERVIZIO.
Confronto dei carichi LRFD e ASD
I carichi ultimate o factored NON possono essere confrontati direttamente con i carichi di servizio. I carichi di servizio devono essere fattorizzati o i carichi finali devono essere non fattorizzati se devono essere confrontati. Questo diventa ancora più complicato se si considera l’effetto sulle equazioni di combinazione del carico. Un metodo per confrontare i carichi consiste nel calcolare un fattore di carico composito (CLF) che è il rapporto tra il risultato della combinazione di carico (Pu o Pa) e la somma algebrica dei singoli componenti del carico (Ps,equiv o Ps,eq). La combinazione di carico con il CLF più basso è la combinazione di carico critico. Il calcolo di CLF è mostrato nella Tabella DC.5.1.
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Tabella DC.5.1 |
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Dove:
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Esempi di ciò sono riportati nella sezione successiva sulle combinazioni di carico poiché è nelle equazioni di combinazione di carico in cui vengono applicati i fattori di carico.
Mettendo tutto insieme, la forma generale delle disuguaglianze dello stato limite può essere espressa in tre modi. Tabella DC.5.2 mostra come questo viene fatto per LRFD e ASD per quattro stati limite di forza comuni. Si noti che ogni equazione è equivalente.
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Tabella DC.5.2 |
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La scelta della forma dipende da ciò che si sta cercando di fare. Ciò diventerà evidente man mano che gli stati limite saranno spiegati e dimostrati in tutto questo testo. In generale, il secondo modulo (effetto nominale Req’d < forza nominale effettiva) è utile quando si seleziona (o si progetta) un membro per una particolare applicazione. Le altre due forme sono utili quando si analizza la capacità di un particolare membro.
LRFD Fattore di sicurezza efficace
Un altro approccio per confrontare i due metodi è quello di calcolare un fattore di sicurezza efficace per il metodo LRFD che può essere confrontato con i fattori di sicurezza ASD. Ciò comporta la combinazione dei fattori di carico e resistenza.
Prendiamo lo stato limite della forza assiale per condurre un esempio comparativo tra ASD e LRFD. È possibile dividere per i fattori di carico per ottenere un fattore di sicurezza equivalente:
LRFD: Ps, equiv < Pn (f / CLFLRFD) = Pn/ Weff
Dove il fattore di sicurezza equivalente LRFD è il termine Weff = (f / CLFLRFD). f è una costante. Il fattore di carico composito, CLF = Pu / (Ps,equiv), varia con le grandezze relative dei diversi tipi di carichi. Il risultato è un fattore variabile di sicurezza per LRFD. In ASD questo fattore di sicurezza è preso come una costante.
Si può sostenere che la variabile LRFD Weff è più coerente con le probabilità associate alla progettazione. Il risultato è che strutture con carichi altamente prevedibili (cioè carico prevalentemente morto) il Weff LRFD è inferiore all’ASD W che si traduce in una struttura potenzialmente più leggera. Per le strutture sottoposte a carichi altamente imprevedibili (carichi vivi, vento e sismici, ad esempio) il Weff LRFD è superiore al W ASD che si traduce in strutture più forti. L’argomento LRFD è che ASD è eccessivamente conservativo per le strutture con carichi prevedibili e non conservativo per quelle soggette a carichi meno prevedibili.
Uso di ASD e LRFD
Infine, si dovrebbe essere consapevoli che è necessario selezionare una o l’altra delle filosofie di progettazione quando si progetta una struttura. Non è possibile passare tra le due filosofie in un determinato progetto! In questo testo usiamo sia ASD che LRFD in modo che tu possa essere dimestichezza in entrambi, ma questo non è lo standard nella pratica.