sectie DC.5
ASD vs LRFD
laatst herzien: 11/04/2014
bij het ontwerpen in staal en hout is er een keuze van ontwerpfilosofieën die moet worden gemaakt. In beton is de enige ontwerpfilosofie in uitgebreid gebruik strength based (LRFD).
staal
voordat u te diep in deze sectie gaat, zou het verstandig zijn om de secties van de AISC Steel Construction Manual (SCM) te lezen die het ontwerp van de belasting-en Weerstandsfactor en de toegestane sterkte-ontwerpfilosofieën beschrijven, evenals de sectie over de grondbeginselen van het ontwerp. Deze zijn te vinden op pagina ‘ s 2-6 en 2-7 van de SCM.
totdat AISC in 1986 de Load and Resistance Factor Design (LRFD) specificatie introduceerde, was het ontwerp van staalconstructies uitsluitend gebaseerd op Allowable Stress Design (ASD) methodologieën. De verschuiving naar LRFD is niet gemakkelijk omarmd door het beroep, hoewel bijna alle universiteiten verschoven naar het onderwijzen van de LRFD specificatie binnen tien jaar na de invoering ervan. Het lijkt erop dat er door het beroep geen behoefte was om methodologieën te veranderen, hoewel er voldoende bewijs was dat LRFD structuren met een meer consistente veiligheidsfactor produceerde.
hout
LRFD is relatief nieuw voor hout. Het werd expliciet opgenomen met ASD in de nationale ontwerpspecificatie met de laatste editie van de specificatie.
beton
vanwege de complexiteit van de analyse van composietprofielen met behulp van de werkspanningsmethode, kon de veel eenvoudiger krachtbenadering gemakkelijk worden gevolgd en werd deze voor het eerst geïntroduceerd. De sterkte gebaseerde (LRFD) methode wordt gebruikt in de beton specificatie ACI 318 sinds de jaren 1970.
er waren twee belangrijke verschillen tussen de twee specificaties:
- de vergelijking van belastingen met werkelijke Of uiteindelijke sterkten en
- een verschil in effectieve veiligheidsfactoren.
werkelijke vs. De ultieme kracht
figuur DC.5.1
vergelijking van LRFD / ASD-capaciteiten
op een belasting vs. Verplaatsingsdiagram
Rn / W = ASD capaciteit
fRn = LRFD capaciteit
Rn = nominale capaciteit
het eerste verschil tussen ASD en LRFD is historisch gezien dat het oude toelaatbare Spanningsontwerp de werkelijke en toegestane spanningen vergeleek, terwijl LRFD de vereiste sterkte vergelijkt met de werkelijke sterkte. Het verschil tussen kijken naar sterke punten vs. stress is niet veel van een probleem, omdat het verschil normaal is gewoon vermenigvuldigen of delen van beide zijden van de grens staat ongelijkheden door een sectie eigenschap, afhankelijk van welke kant je gaat. In feite heeft het nieuwe AISC Allowable Strength Design (ASD), dat het oude allowable stress design vervangt, nu de oude op stress gebaseerde terminologie omgeschakeld naar een op sterkte gebaseerde terminologie, waardoor dit verschil tussen de filosofieën vrijwel wordt geëlimineerd.
figuur DC.5.1 illustreert de Lid sterkte niveaus berekend door de twee methoden op een typische zacht staal belasting vs. vervormingsdiagram. De gecombineerde krachtniveaus (Pa, Ma, Va) voor ASD worden gewoonlijk onder de opbrengstbelasting voor het lid gehouden door het ladingsvermogen van het lid te berekenen als de nominale sterkte, Rn, gedeeld door een veiligheidsfactor,W, die de capaciteit tot een punt onder de opbrengst vermindert. Voor LRFD worden de gecombineerde krachtniveaus (Pu, Mu, Vu) gehouden onder een berekend draagvermogen dat het product is van de nominale sterkte, Rn, maal een weerstandsfactor,f.
wanneer we de sterkte van de leden bekijken, willen we altijd de werkelijke belastingen van ons uiteindelijke ontwerp onder de opbrengst houden om permanente vervormingen in onze structuur te voorkomen. Als de LRFD-benadering wordt toegepast, moeten daarom belastingsfactoren van meer dan 1,0 op de toegepaste belastingen worden toegepast om deze uit te drukken in termen die veilig vergelijkbaar zijn met de uiteindelijke sterkteniveaus. Dit wordt bereikt in de belastingcombinatievergelijkingen die rekening houden met de waarschijnlijkheid geassocieerd met het gelijktijdig optreden van verschillende soorten belastingen.
vast vs. Variabele veiligheidsfactoren
het tweede grote verschil tussen de twee methoden is de manier waarop de relatie tussen de toegepaste belastingen en de ledencapaciteit wordt gehanteerd. De LRFD-specificatie houdt afzonderlijk rekening met de voorspelbaarheid van de toegepaste belastingen door het gebruik van belastingsfactoren die worden toegepast op de vereiste sterkte-zijde van de ongelijkheid van de limiettoestand en voor materiaal-en constructievariabiliteit door weerstandsfactoren aan de nominale sterkte-zijde van de ongelijkheid van de limiettoestand. De ASD-specificatie combineert de twee factoren in één enkele veiligheidsfactor. Door de veiligheidsfactor te splitsen in de onafhankelijke belasting-en weerstandsfactoren (zoals in de LRFD-benadering) wordt een meer consistente effectieve veiligheidsfactor verkregen en kan dit leiden tot veiligere of lichtere structuren, afhankelijk van de voorspelbaarheid van de gebruikte belastingtypes.
berekening van Belastingcombinaties
de basis voor berekening van structurele belasting in de Verenigde Staten is een document dat bekend staat als ASCE 7: Minimum ontwerpbelastingen voor gebouwen & andere structuren. (Zie A Beginner ‘ s Guide to ASCE 7-05 voor gedetailleerde discussie over dit document.) Typisch, elk type lading (d.w.z. dood, levend, sneeuw, wind, enz.) worden uitgedrukt in termen van hun dienstlast niveaus. De enige uitzondering hierop zijn aardbevingsbelastingen, die uitgedrukt worden op sterkteniveaus. De individuele belastingen worden vervolgens gecombineerd met behulp van load combinatievergelijkingen die rekening houden met de waarschijnlijkheid van gelijktijdig voorkomende belastingen. De resulterende gecombineerde belastingen en belasting effecten van LRFD combinaties vergelijkingen worden gegeven subscript van “u”. Een subscript van ” a ” wordt gebruikt om een belastingsresultaat van een ASD-belastingcombinatie aan te geven. Specifiek voor deze tekst wordt een subscript van “s, equiv” gebruikt om het resultaat van een belastingcombinatie weer te geven die de eenvoudige algebraïsche som van alle afzonderlijke belastingcomponenten is.
belastingsfactoren worden toegepast als coëfficiënten in de belastingcombinatievergelijkingen voor zowel ASD als LRFD. De weerstandsfactor wordt aangeduid met de symbolf, en de veiligheidsfactoren met de symbolW. We zullen zien hoe ze worden toegepast hieronder.
het andere probleem dat conceptueel uitdagend lijkt voor veel ingenieurs is dat, aangezien LRFD kijkt naar de sterkte van leden (d.w.z. de belastingen die falen veroorzaken) de” toegepaste “belastingen worden” fictief ” verhoogd met een belastingsfactoren, zodat ze veilig kunnen worden vergeleken met de ultieme sterke punten van de leden. Gedurende deze notities en de specificatie belastingen die LRFD belastingsfactoren hebben toegepast (en hoger zijn dan ze daadwerkelijk zullen zijn) worden ULTIMATE of FACTORED belastingen genoemd. ASD-belastingen die het resultaat zijn van ASD-belastingcombinatievergelijkingen worden ook in rekening gebracht belastingen. Ladingen op hun werkelijke niveau worden aangeduid als SERVICE ladingen.
het vergelijken van LRFD-en ASD-belastingen
Ultimate of factored ladingen kan niet direct worden vergeleken met bedrijfsbelastingen. Ofwel moeten de bedrijfsbelastingen in rekening worden gebracht, ofwel moeten de uiteindelijke belastingen niet in rekening worden gebracht om ze te kunnen vergelijken. Dit wordt nog ingewikkelder als je kijkt naar het effect op belastingcombinatievergelijkingen. Een methode voor het vergelijken van belastingen is het berekenen van een samengestelde belastingsfactor (CLF) die de verhouding is tussen het resultaat van de belastingscombinatie (Pu of Pa) en de algebraïsche som van de afzonderlijke belastingscomponenten (Ps,equiv of Ps,eq). De belastingscombinatie met de laagste CLF is de kritische belastingscombinatie. De berekening van CLF wordt weergegeven in tabel DC.5.1.
|
tafel DC.5.1 |
||||||
|
||||||
Waar:
|
voorbeelden hiervan worden gegeven in het volgende hoofdstuk over belastingscombinaties, aangezien in de belastingscombinatievergelijkingen de belastingsfactoren worden toegepast.
alles bij elkaar genomen kan de algemene vorm van de ongelijkheden tussen de limietstaten op drie manieren worden uitgedrukt. Tafel DC.5.2 laat zien hoe dit wordt gedaan voor LRFD en ASD voor vier gemeenschappelijke sterktelimietstaten. Merk op dat elke vergelijking gelijkwaardig is.
|
tafel DC.5.2 |
|||||||||||||||
|
De keuze van de vorm is afhankelijk van wat je probeert te doen. Dit zal duidelijk worden naarmate de limietstaten in deze tekst worden uitgelegd en aangetoond. In het algemeen is de tweede vorm (Req ‘ d nominaal effect < werkelijke nominale sterkte) nuttig wanneer u lid selecteert (of ontwerpt) voor een bepaalde toepassing. De andere twee vormen zijn nuttig bij het analyseren van de capaciteit van een bepaald lid.
LRFD effectieve veiligheidsfactor
een andere methode om de twee methoden te vergelijken is het berekenen van een effectieve veiligheidsfactor voor de LRFD-methode die kan worden vergeleken met de ASD-veiligheidsfactoren. Hierbij worden de belasting-en weerstandsfactoren gecombineerd.
laten we de axiale limiettoestand nemen om een vergelijkend voorbeeld uit te voeren tussen ASD en LRFD. U kunt delen door de belastingsfactoren om een equivalente veiligheidsfactor te krijgen:
LRFD: Ps,equiv < Pn (f / CLFLRFD) = Pn/ Weff
waarbij de LRFD equivalente veiligheidsfactor de term Weff = (f / CLFLRFD) is. f is een constante. De samengestelde belastingsfactor, CLF = Pu/ (Ps, equiv), varieert met de relatieve groottes van de verschillende soorten belastingen. Het resultaat is een variabele veiligheidsfactor voor LRFD. In ASD wordt deze veiligheidsfactor als een constante beschouwd.
er kan worden gesteld dat de variabele LRFD Weff meer consistent is met de waarschijnlijkheden die verbonden zijn aan het ontwerp. Het resultaat is dat structuren met zeer voorspelbare belasting (d.w.z. overwegend dode belasting) de LRFD Weff lager is dan de ASD W wat resulteert in een potentieel lichtere structuur. Voor constructies die onderhevig zijn aan zeer onvoorspelbare belastingen (bijvoorbeeld live -, wind-en seismische belastingen) is de LRFD Weff hoger dan de ASD W, wat resulteert in sterkere constructies. Het LRFD-argument is dat ASD te conservatief is voor constructies met voorspelbare belastingen en niet conservatief voor constructies met minder voorspelbare belastingen.
gebruik van ASD en LRFD
ten slotte moet u zich ervan bewust zijn dat u een van de ontwerpfilosofieën moet selecteren wanneer u een structuur ontwerpt. Je kunt niet schakelen tussen de twee filosofieën in een bepaald project! In deze tekst gebruiken we zowel ASD als LRFD zodat je vertrouwd kunt zijn met beide, maar dit is in de praktijk niet de standaard.