secțiunea DC.5
ASD vs LRFD
ultima revizuire:11 / 04 / 2014
la proiectarea în oțel și lemn, există alegerea filozofiilor de proiectare care trebuie făcute. În beton, singura filozofie de proiectare în utilizare extinsă este bazată pe rezistență (lrfd).
oțel
înainte de a intra prea adânc în această secțiune, ar fi înțelept să citiți secțiunile AISC Steel Construction Manual (SCM) care descriu proiectarea factorului de sarcină și rezistență și filozofiile de proiectare a rezistenței admisibile, precum și secțiunea privind fundamentele proiectării. Acestea se găsesc pe paginile 2-6 și 2-7 ale CSM.
până când AISC a introdus specificația de proiectare a factorului de sarcină și rezistență (Lrfd) în 1986, proiectarea structurilor metalice s-a bazat exclusiv pe metodologii de proiectare a stresului admisibil (ASD). Trecerea la lrfd nu a fost ușor îmbrățișată de profesie, chiar dacă aproape toate universitățile au trecut la predarea specificației LRFD în termen de zece ani de la introducerea sa. Se pare că nu a existat o nevoie percepută de către profesie de a schimba metodologiile, chiar dacă au existat dovezi ample că LRFD a produs structuri cu un factor de siguranță mai consistent.
lemnul
LRFD este relativ nou pentru lemn. A fost inclus în mod explicit cu ASD în specificația Națională de proiectare cu cea mai recentă ediție a specificației.
beton
datorită complexității analizei secțiunilor Compozite folosind metoda stresului de lucru, a fost introdusă pentru prima dată abordarea mult mai simplă a rezistenței. Metoda bazată pe rezistență (lrfd) a fost utilizată în specificația de beton ACI 318 încă din anii 1970.
au existat două diferențe majore între cele două specificații:
- Compararea sarcinilor cu punctele forte reale sau finale și
- o diferență în factorii eficienți de siguranță.
Real vs. Puterea supremă
figura DC.5.1
Compararea capacităților LRFD / ASD
pe o diagramă sarcină vs. deplasare
Rn / W = Capacitate ASD
fRn = capacitate LRFD
Rn = capacitate nominală
prima diferență dintre ASD și LRFD, istoric, a fost că vechiul design de stres admisibil a comparat tensiunile reale și admisibile, în timp ce LRFD compară puterea necesară cu punctele forte reale. Diferența dintre a privi punctele forte vs. subliniază nu prezintă mult de o problemă, deoarece diferența este în mod normal, doar înmulțirea sau împărțirea ambele părți ale inegalităților de stat limită de o proprietate secțiune, în funcție de modul în care aveți de gând. De fapt, noul AISC admisible Strength Design (ASD), care înlocuiește vechiul design de stres admisibil, a schimbat acum vechea terminologie bazată pe stres într-o terminologie bazată pe forță, eliminând practic această diferență între filozofii.
figura DC.5.1 ilustrează nivelurile de rezistență ale membrilor calculate prin cele două metode pe o sarcină tipică de oțel ușor vs. diagrama de deformare. Nivelurile de forță combinate (Pa, Ma, Va) pentru ASD sunt de obicei menținute sub sarcina de randament pentru membru calculând capacitatea de încărcare a membrului ca rezistență nominală, Rn, împărțit la un factor de siguranță,W, care reduce capacitatea la un punct sub randament. Pentru LRFD, nivelurile de forță combinate (Pu, Mu, Vu) sunt menținute sub o capacitate de încărcare a membrului calculată care este produsul rezistenței nominale, RN, ori un factor de rezistență,f.
când luăm în considerare punctele forte ale membrilor, dorim întotdeauna să menținem sarcinile reale ale designului nostru final sub randament, astfel încât să prevenim deformările permanente în structura noastră. În consecință, dacă se utilizează abordarea LRFD, atunci factorii de sarcină mai mari de 1,0 trebuie aplicați sarcinilor aplicate pentru a le exprima în termeni care sunt în siguranță comparabili cu nivelurile de rezistență finale. Acest lucru se realizează în ecuațiile combinației de sarcini care iau în considerare probabilitățile asociate cu apariția simultană a diferitelor tipuri de sarcini.
Fix vs. Factori variabili de siguranță
a doua diferență majoră între cele două metode este modul în care se gestionează relația dintre sarcinile aplicate și capacitățile membrilor. Specificația LRFD explică separat predictibilitatea sarcinilor aplicate prin utilizarea factorilor de sarcină aplicați pe partea de rezistență necesară a inegalităților de stare limită și pentru variabilitățile materiale și de construcție prin factori de rezistență pe partea de rezistență nominală a inegalității de stare limită. Specificația ASD combină cei doi factori într-un singur factor de siguranță. Prin separarea factorului de siguranță în factorii independenți de sarcină și rezistență (așa cum se face în abordarea LRFD) se obține un factor eficient de siguranță mai consistent și poate duce la structuri mai sigure sau mai ușoare, în funcție de predictibilitatea tipurilor de sarcină utilizate.
calcule combinate de sarcină
baza calculelor de sarcină structurală din Statele Unite este un document cunoscut sub numele de ASCE 7: sarcini minime de proiectare pentru clădiri & alte structuri. (Consultați Ghidul începătorului pentru ASCE 7-05 pentru discuții detaliate despre acest document.) De obicei, fiecare tip de sarcină (adică mort, viu, zăpadă, vânt etc.) sunt exprimate în funcție de nivelurile lor de încărcare de serviciu. Singura excepție de la aceasta este încărcăturile de cutremur, care sunt exprimate la niveluri de rezistență. Sarcinile individuale sunt apoi combinate folosindîncărcați ecuațiile combinate care iau în considerare probabilitatea apariției simultane a sarcinilor. Sarcinile combinate rezultate și efectele de încărcare din ecuațiile combinațiilor LRFD primesc un indice de „u”. Un indice de „a” este utilizat pentru a indica un rezultat de încărcare dintr-o combinație de încărcare ASD. În special pentru acest text,un indice de „s, echiv” este utilizat pentru a reprezenta rezultatul unei combinații de sarcini care este suma algebrică simplă a tuturor componentelor individuale de sarcină.
factorii de sarcină sunt aplicați ca coeficienți în ecuațiile combinației de sarcină atât pentru ASD, cât și pentru LRFD. Factorul de rezistență este notat cu simbolulf, iar factorii de siguranță cu simbolulw. Vom vedea cum sunt aplicate mai jos.
cealaltă problemă care pare a fi provocatoare conceptual pentru mulți ingineri este că, deoarece LRFD se uită la puterea membrilor (adică. sarcinile care provoacă defecțiuni) sarcinile” aplicate „sunt” fictiv ” crescute de factori de sarcină, astfel încât să poată fi comparate în siguranță cu punctele forte ale membrilor. De-a lungul acestor note și sarcinile de specificație care au aplicat factori de încărcare LRFD (și sunt mai mari decât vor fi de fapt) se numesc SARCINI finale sau factorizate. Sarcinile ASD care sunt rezultatul ecuațiilor combinate de sarcină ASD sunt, de asemenea, sarcini luate în considerare. Sarcinile la nivelurile lor reale sunt denumite sarcini de serviciu.
Compararea încărcărilor LRFD și ASD
încărcările Ultimate sau factored nu pot fi comparate direct cu încărcările de service. Fie sarcinile de serviciu trebuie să fie luate în considerare, fie sarcinile finale trebuie să fie nefacturate dacă trebuie comparate. Acest lucru devine și mai complicat atunci când luați în considerare efectul asupra ecuațiilor combinate de încărcare. O metodă pentru compararea sarcinilor este de a calcula un factor de sarcină compozit (CLF) care este raportul dintre rezultatul combinației de sarcini (Pu sau Pa) și suma algebrică a componentelor individuale de sarcină (Ps,equiv sau Ps,eq). Combinația de sarcină cu cel mai mic CLF este combinația de sarcină critică. Calculul CLF este prezentat în tabelul DC.5.1.
|
tabelul DC.5.1 |
||||||
|
||||||
unde:
|
exemple în acest sens sunt date în secțiunea următoare privind combinațiile de sarcini, deoarece în ecuațiile combinației de sarcini se aplică factorii de sarcină.
punând totul împreună, forma generală a inegalităților de stat limită poate fi exprimată fiecare în trei moduri. Tabelul DC.5.2 arată cum se realizează acest lucru pentru LRFD și ASD pentru patru stări limită comune de rezistență. Rețineți că fiecare ecuație este echivalentă.
|
tabelul DC.5.2 |
|||||||||||||||
|
alegerea formei depinde de ceea ce încercați să faceți. Acest lucru va deveni evident pe măsură ce stările limită sunt explicate și demonstrate în acest text. În general, a doua formă (efect nominal Req ‘ D < puterea nominală reală) este utilă atunci când selectați (sau proiectați) membru pentru o anumită aplicație. Celelalte două forme sunt utile atunci când se analizează capacitatea unui anumit membru.
factorul eficient de siguranță LRFD
o altă abordare a comparării celor două metode este de a calcula un factor eficient de siguranță pentru metoda LRFD care poate fi comparat cu factorii de siguranță ASD. Aceasta implică combinarea factorilor de sarcină și rezistență.
să luăm starea limită a forței axiale pentru a efectua un exemplu comparativ între ASD și LRFD. Puteți împărți prin factorii de sarcină pentru a obține un factor echivalent de siguranță:
Lrfd : Ps,equiv < Pn (f / CLFLRFD) = Pn/ Weff
unde factorul echivalent de siguranță LRFD este termenul Weff = (f / CLFLRFD). f este o constantă. Factorul de sarcină compozit, CLF = Pu / (Ps,equiv), variază în funcție de mărimile relative ale diferitelor tipuri de sarcini. Rezultatul este un factor variabil de siguranță pentru LRFD. În ASD, acest factor de siguranță este luat ca o constantă.
se poate argumenta că variabila Lrfd Weff este mai consistentă cu probabilitățile asociate proiectării. Rezultatul este că structurile cu sarcini foarte previzibile (adică sarcina predominant moartă) Lrfd Weff este mai mică decât ASD W, ceea ce duce la o structură potențial mai ușoară. Pentru structurile supuse unor sarcini extrem de imprevizibile (SARCINI vii, eoliene și seismice, de exemplu), LRFD Weff este mai mare decât ASD W, ceea ce duce la structuri mai puternice. Argumentul LRFD este că ASD este prea conservator pentru structurile cu sarcini predictibile și neconservator pentru cei supuși unor sarcini mai puțin previzibile.
utilizarea ASD și LRFD
în cele din urmă, trebuie să știți că trebuie să selectați una sau alta dintre filozofiile de proiectare atunci când proiectați o structură. Nu puteți comuta între cele două filozofii într-un proiect Dat! În acest text folosim atât ASD, cât și LRFD, astfel încât să puteți fi familiarizat în ambele, dar acesta nu este standardul în practică.