ASD vs LRFD

sekcja DC.5

ASD vs LRFD

Ostatnia aktualizacja:11/04/2014

podczas projektowania w stali i drewnie, istnieje wybór filozofii projektowania, które muszą być wykonane. W betonie jedyną filozofią projektowania w szerokim użyciu jest siła oparta (LRFD).

Stal

zanim zajdziesz zbyt głęboko w tę sekcję, rozsądnie byłoby przeczytać sekcje AISC Steel Construction Manual (SCM) opisujące konstrukcję współczynnika obciążenia i rezystancji oraz dopuszczalne filozofie projektowania wytrzymałości, a także sekcję dotyczącą podstaw projektowania. Znajdują się one na stronach 2-6 i 2-7 SCM.

dopóki AISC nie wprowadziło specyfikacji Load and Resistance Factor Design (LRFD) w 1986 roku, projektowanie konstrukcji stalowych opierało się wyłącznie na metodologii Allowable Stress Design (ASD). Przejście na LRFD nie zostało łatwo przyjęte przez zawód, mimo że prawie wszystkie uniwersytety przeniosły się do nauczania specyfikacji LRFD w ciągu dziesięciu lat od jej wprowadzenia. Wydaje się, że nie było postrzeganej potrzeby zmiany metodologii przez zawód, mimo że było wiele dowodów na to, że LRFD produkowała struktury o bardziej spójnym współczynniku bezpieczeństwa.

Drewno

LRFD jest stosunkowo nowy w drewnie. Został on wyraźnie włączony wraz z ASD do Krajowej specyfikacji projektu wraz z najnowszą edycją specyfikacji.

Beton

ze względu na złożoność analizy sekcji kompozytowych przy użyciu metody naprężeń roboczych, po raz pierwszy wprowadzono znacznie prostsze podejście wytrzymałościowe. Metoda oparta na wytrzymałości (LRFD) jest stosowana w specyfikacji betonu ACI 318 od lat 70..

istniały dwie zasadnicze różnice między tymi dwoma specyfikacjami:

1. porównanie obciążeń z rzeczywistą lub ostateczną siłą i
2. różnicą efektywnych czynników bezpieczeństwa.

Najwyższa Siła

pierwszą różnicą między ASD i LRFD historycznie było to, że stary dopuszczalny projekt naprężeń porównywał rzeczywiste i dopuszczalne naprężenia, podczas gdy LRFD porównuje wymaganą wytrzymałość do rzeczywistych mocnych stron. Różnica między patrzeniem na mocne strony a naprężenia nie stanowią większego problemu, ponieważ różnica jest zwykle po prostu mnożeniem lub dzieleniem obu stron nierówności stanu granicznego przez własność sekcji, w zależności od tego, w którą stronę idziesz. W rzeczywistości nowy dopuszczalny projekt wytrzymałości AISC (ASD), który zastępuje stary dopuszczalny projekt naprężeń, zamienił starą terminologię opartą na naprężeniach na terminologię opartą na wytrzymałości, praktycznie eliminując tę różnicę między filozofiami.

rysunek DC.5.1 ilustruje poziomy wytrzymałości prętów obliczone za pomocą dwóch metod na typowym obciążeniu stali miękkiej vs. diagram deformacji. Połączone poziomy siły (Pa, Ma, Va) dla ASD są zwykle utrzymywane poniżej obciążenia plastycznego dla pręta, obliczając nośność pręta jako wytrzymałość nominalną, Rn,podzieloną przez współczynnik bezpieczeństwa, W, który zmniejsza wydajność do punktu poniżej plonowania. Dla LRFD połączone poziomy siły (Pu, Mu, Vu) są utrzymywane poniżej obliczonej nośności pręta, która jest iloczynem wytrzymałości nominalnej, Rn,razy współczynnik oporu, f.

rozważając mocne pręty, zawsze chcemy utrzymać rzeczywiste obciążenia naszego ostatecznego projektu poniżej, aby zapobiec trwałym odkształceniom w naszej konstrukcji. W związku z tym, jeśli stosuje się podejście LRFD, należy zastosować współczynniki obciążenia większe niż 1,0 do przyłożonych obciążeń, aby wyrazić je w kategoriach, które są bezpiecznie porównywalne z końcowymi poziomami wytrzymałości. Osiąga się to w równaniach kombinacji obciążeń, które uwzględniają prawdopodobieństwa związane z jednoczesnym występowaniem różnych rodzajów obciążeń.

Zmienne czynniki bezpieczeństwa

drugą istotną różnicą między tymi dwoma metodami jest sposób, w jaki obsługiwane są relacje między przyłożonymi obciążeniami a zdolnościami prętów. Specyfikacja LRFD oddzielnie uwzględnia przewidywalność zastosowanych obciążeń dzięki zastosowaniu współczynników obciążenia zastosowanych do wymaganej strony wytrzymałości nierówności stanu granicznego oraz dla wariancji Materiałowych i konstrukcyjnych dzięki współczynnikom rezystancji po stronie nominalnej wytrzymałości nierówności stanu granicznego. Specyfikacja ASD łączy te dwa czynniki w jeden czynnik bezpieczeństwa. Poprzez rozbicie czynnika bezpieczeństwa na niezależne współczynniki obciążenia i oporu (jak to ma miejsce w podejściu LRFD) uzyskuje się bardziej spójny efektywny współczynnik bezpieczeństwa, który może skutkować bezpieczniejszymi lub lżejszymi konstrukcjami, w zależności od przewidywalności stosowanych typów obciążeń.

obliczenia kombinacji obciążeń

podstawą obliczeń obciążenia strukturalnego w Stanach Zjednoczonych jest dokument znany jako ASCE 7: minimalne obciążenia projektowe dla budynków & inne konstrukcje. (Zobacz Przewodnik dla początkujących do ASCE 7-05 dla szczegółowej dyskusji na temat tego dokumentu.) Zazwyczaj każdy rodzaj ładunku (tj. martwy, żywy, śnieg, wiatr itp.) wyraża się w kategoriach ich poziomu obciążenia służbowego. Jedynym wyjątkiem są obciążenia trzęsieniami ziemi, które są wyrażane na poziomach wytrzymałości. Poszczególne obciążenia są następnie łączone za pomocą równań kombinacji obciążeń, które uwzględniają prawdopodobieństwo wystąpienia jednocześnie obciążeń. Otrzymane obciążenia kombinowane i efekty obciążenia z równań kombinacji LRFD są podane jako indeks dolny „u”. Indeks dolny ” a ” jest używany do wskazania wyniku obciążenia z kombinacji obciążeń ASD. W szczególności w tym tekście, indeks dolny „s, equiv” jest używany do reprezentowania wyniku kombinacji obciążenia, która jest prostą sumą algebraiczną wszystkich poszczególnych składników obciążenia.

współczynniki obciążenia są stosowane jako współczynniki w równaniach kombinacji obciążeń zarówno dla ASD, jak i LRFD. Współczynnik oporu oznaczany jest symbolem symbolf, a czynniki bezpieczeństwa symbolem symbolW. Zobaczymy, jak są one stosowane poniżej.

inną kwestią, która wydaje się być koncepcyjnie trudna dla wielu inżynierów, jest to, że ponieważ LRFD patrzy na siłę członków (tj. obciążenia, które powodują awarię)” przyłożone „obciążenia są” fikcyjnie ” zwiększane o współczynniki obciążenia, dzięki czemu można je bezpiecznie porównać z ostatecznymi wytrzymałościami prętów. W tych uwagach i specyfikacjach obciążenia, które miały zastosowane współczynniki obciążenia LRFD (i są wyższe niż w rzeczywistości będą), nazywane są obciążeniami ostatecznymi lub obliczonymi. Obciążenia ASD, które są wynikiem równań kombinacji obciążeń ASD, są również obciążeniami uwzględnionymi. Ładunki na ich rzeczywistym poziomie są określane jako ładunki eksploatacyjne.

porównywanie obciążeń LRFD i ASD

obciążenia ostateczne lub faktorowane nie mogą być bezpośrednio porównywane z obciążeniami eksploatacyjnymi. Obciążenia eksploatacyjne muszą być brane pod uwagę lub obciążenia ostateczne muszą być brane pod uwagę, jeśli mają być porównane. Staje się to jeszcze bardziej skomplikowane, gdy weźmiemy pod uwagę wpływ na równania kombinacji obciążeń. Jedną z metod porównywania obciążeń jest obliczenie złożonego współczynnika obciążenia (CLF), który jest stosunkiem wyniku kombinacji obciążenia (Pu lub Pa) do sumy algebraicznej poszczególnych składników obciążenia (Ps,equiv lub Ps, eq). Kombinacja obciążenia z NAJNIŻSZYM CLF jest kombinacją obciążenia krytycznego. Obliczenia CLF przedstawiono w tabeli DC.5.1.

przykłady tego są podane w następnej sekcji dotyczącej kombinacji obciążeń, ponieważ jest to równanie kombinacji obciążeń, w którym stosowane są współczynniki obciążenia.

Podsumowując, ogólną formę nierówności stanów granicznych można wyrazić na trzy sposoby. Tabela DC.5.2 pokazuje, jak to się robi dla LRFD i ASD dla czterech wspólnych stanów granicznych wytrzymałości. Zauważ, że każde równanie jest równoważne.

LRFD efektywny współczynnik bezpieczeństwa

innym podejściem do porównywania tych dwóch metod jest obliczenie efektywnego współczynnika bezpieczeństwa dla metody LRFD, który można porównać z współczynnikami bezpieczeństwa ASD. Wiąże się to z połączeniem czynników obciążenia i oporu.

weźmy Stan graniczny siły osiowej, aby przeprowadzić przykład porównawczy między ASD i LRFD. Można podzielić przez współczynniki obciążenia, aby uzyskać równoważny współczynnik bezpieczeństwa:

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

gdzie równoważnym współczynnikiem bezpieczeństwa LRFD jest termin Weff = (f / CLFLRFD). F jest stałą. Złożony współczynnik obciążenia, CLF = PU / (Ps,equiv), zmienia się wraz ze względną wielkością różnych rodzajów obciążeń. Rezultatem jest zmienny czynnik bezpieczeństwa dla LRFD. W ASD ten czynnik bezpieczeństwa jest traktowany jako stały.

można argumentować, że zmienna LRFD Weff jest bardziej spójna z prawdopodobieństwem związanym z projektowaniem. W rezultacie konstrukcje o wysoce przewidywalnych obciążeniach (tj. przeważającym obciążeniu martwym) Weff LRFD jest niższy niż ASD w, co skutkuje potencjalnie lżejszą strukturą. W przypadku struktur narażonych na wysoce nieprzewidywalne obciążenia (na przykład obciążenia żywe, wiatrowe i sejsmiczne) LRFD Weff jest wyższy niż ASD w, co skutkuje silniejszymi strukturami. Argument LRFD jest taki, że ASD jest zbyt konserwatywny dla struktur o przewidywalnych obciążeniach, a nie konserwatywny dla tych, które podlegają mniej przewidywalnym obciążeniom.

Korzystanie z ASD i LRFD

wreszcie, powinieneś mieć świadomość, że musisz wybrać jedną lub drugą filozofię projektowania podczas projektowania konstrukcji. Nie można przełączać się między dwoma filozofiami w danym projekcie! W tym tekście używamy zarówno ASD, jak i LRFD, abyś mógł być obeznany w obu, ale nie jest to standard w praktyce.