ASD vs LRFD

avsnitt DC.5

ASD vs LRFD

senast reviderad:11/04/2014

vid design i stål och trä finns det val av designfilosofier som måste göras. I betong är den enda designfilosofin i omfattande användning styrka baserad (LRFD).

stål

innan du går för djupt in i det här avsnittet, skulle det vara klokt för dig att läsa AISC Steel Construction Manual (SCM) avsnitt som beskriver last-och Motståndsfaktordesign och tillåten styrka designfilosofier samt avsnittet Om Designfundament. Dessa finns på sidorna 2-6 och 2-7 i SCM.

tills AISC introducerade specifikationen Load and Resistance Factor Design (LRFD) 1986 baserades konstruktionen av stålkonstruktioner enbart på metoder för tillåten Spänningsdesign (ASD). Övergången till LRFD har inte lätt omfamnats av yrket trots att nästan alla universitet skiftade till att undervisa lrfd-specifikationen inom tio år efter introduktionen. Det verkar som om det inte fanns ett uppfattat behov av yrket att ändra metoder trots att det fanns gott om bevis för att LRFD producerade strukturer med en mer konsekvent säkerhetsfaktor.

timmer

LRFD är relativt nytt för timmer. Det ingick uttryckligen med ASD i National Design Specification med den senaste utgåvan av specifikationen.

betong

på grund av komplexiteten att analysera kompositsektioner med arbetsspänningsmetod antogs den mycket enklare hållfasthetsmetoden lätt med den introducerades först. Den hållfasthetsbaserade (LRFD) metoden har använts i betongspecifikationen ACI 318 sedan 1970-talet.

det fanns två stora skillnader mellan de två specifikationerna:

1. jämförelsen av laster till antingen faktiska eller ultimata styrkor och
2. en skillnad i effektiva säkerhetsfaktorer.

faktiskt vs. Ultimate Strength

den första skillnaden mellan ASD och LRFD har historiskt sett varit att den gamla tillåtna Spänningsdesignen jämförde faktiska och tillåtna spänningar medan LRFD jämför nödvändig styrka med faktiska styrkor. Skillnaden mellan att titta på styrkor vs. stressar presenterar inte mycket av ett problem eftersom skillnaden normalt bara multiplicerar eller delar båda sidor av gränsstatens ojämlikheter med en sektionsegenskap, beroende på vilken väg du går. I själva verket har den nya AISC tillåten styrka Design (ASD), som ersätter den gamla tillåtna stress design, nu bytt den gamla stress baserad terminologi till en styrka baserad terminologi, praktiskt taget eliminera denna skillnad mellan filosofier.

figur DC.5.1 illustrerar medlemmens hållfasthetsnivåer beräknade med de två metoderna på en typisk mild stålbelastning vs. deformation diagram. De kombinerade kraftnivåerna (Pa, Ma, Va) för ASD hålls vanligtvis under utbytesbelastningen för medlemmen genom att beräkna medlemmens lastkapacitet som den nominella styrkan, Rn, dividerad med en säkerhetsfaktor,W, som minskar kapaciteten till en punkt under avkastningen. För LRFD hålls de kombinerade kraftnivåerna (Pu, Mu, Vu) under en beräknad belastningskapacitet som är produkten av den nominella styrkan, Rn, gånger en motståndsfaktor, f.

när vi överväger medlemsstyrkor vill vi alltid hålla vår slutliga designs faktiska belastningar under avkastningen för att förhindra permanenta deformationer i vår struktur. Följaktligen, om LRFD-metoden används, måste belastningsfaktorer större än 1.0 appliceras på de applicerade belastningarna för att uttrycka dem i termer som är säkert jämförbara med de ultimata hållfasthetsnivåerna. Detta uppnås i belastningskombinationsekvationerna som beaktar sannolikheterna i samband med samtidig förekomst av olika typer av belastningar.

Fast vs. Variabla säkerhetsfaktorer

den andra stora skillnaden mellan de två metoderna är hur förhållandet mellan applicerade belastningar och medlemskapskapacitet hanteras. Lrfd-specifikationen redogör separat för förutsägbarheten för applicerade belastningar genom användning av belastningsfaktorer som appliceras på den erforderliga hållfasthetssidan av gränsstatens ojämlikheter och för material-och konstruktionsvariationer genom motståndsfaktorer på den nominella hållfasthetssidan av gränsstatens ojämlikhet. ASD-specifikationen kombinerar de två faktorerna i en enda säkerhetsfaktor. Genom att dela upp säkerhetsfaktorn i de oberoende belastnings-och motståndsfaktorerna (som görs i LRFD-metoden) erhålls en mer konsekvent effektiv säkerhetsfaktor och kan resultera i säkrare eller lättare strukturer, beroende på förutsägbarheten hos de lasttyper som används.

Belastningskombinationsberäkningar

grunden för strukturella belastningsberäkningar i USA är ett dokument som kallas ASCE 7: minsta Designbelastningar för byggnader & andra strukturer. (Se en nybörjarguide till ASCE 7-05 för detaljerad diskussion om detta dokument.) Vanligtvis uttrycks varje lasttyp (dvs. död, levande, snö, vind, etc) i termer av deras servicebelastningsnivåer. Det enda undantaget från detta är jordbävningsbelastningar, som uttrycks på hållfasthetsnivåer. De enskilda belastningarna kombineras sedan medlastkombinationsekvationer som överväger sannolikheten för samtidigt förekommande belastningar. De resulterande kombinerade belastningarna och belastningseffekterna från lrfd-kombinationsekvationer ges underskrift av ”u”. Ett abonnemang av ” a ” används för att indikera ett belastningsresultat från en ASD-belastningskombination. Speciellt för denna text används ett abonnemang av” s,equiv ” för att representera resultatet av en belastningskombination som är den enkla algebraiska summan av alla enskilda belastningskomponenter.

belastningsfaktorer tillämpas som koefficienter i belastningskombinationsekvationerna för både ASD och LRFD. Motståndsfaktorn betecknas med symbolenf och säkerhetsfaktorerna med symbolenw. Vi får se hur de tillämpas nedan.

den andra frågan som verkar vara konceptuellt utmanande för många ingenjörer är att eftersom LRFD tittar på medlemmarnas styrka (dvs. belastningarna som orsakar fel) de” applicerade ”belastningarna ökas” fiktivt ” med en belastningsfaktor så att de säkert kan jämföras med medlemmarnas ultimata styrkor. Under dessa anteckningar och specifikationen laster som har haft lrfd belastningsfaktorer tillämpas (och är högre än de faktiskt kommer att vara) kallas ULTIMATE eller FACTORED laster. ASD-belastningar som är resultatet av ASD-belastningskombinationsekvationer är också FAKTORERADE belastningar. Laster på deras faktiska nivåer kallas servicebelastningar.

jämförelse av Lrfd-och ASD-laster

Ultimate-eller factored-laster kan inte jämföras direkt med servicebelastningar. Antingen måste servicebelastningarna tas med i beräkningen eller så måste de ultimata belastningarna vara ofaktoriska om de ska jämföras. Detta blir ännu mer komplicerat när man överväger effekten på belastningskombinationsekvationer. En metod för att jämföra laster är att beräkna en sammansatt belastningsfaktor (CLF) som är förhållandet mellan belastningskombinationsresultat (Pu eller Pa) och den algebraiska summan av de enskilda belastningskomponenterna (Ps,equiv eller Ps,eq). Lastkombinationen med den lägsta CLF är den kritiska belastningskombinationen. Beräkningen av CLF visas i tabell DC.5.1.

exempel på detta ges i nästa avsnitt om lastkombinationer eftersom det är i lastkombinationsekvationerna där lastfaktorerna tillämpas.

att sätta ihop allt, den allmänna formen av gränsstatens ojämlikheter kan var och en uttryckas på tre sätt. Tabell DC.5.2 visar hur detta görs för LRFD och ASD för fyra gemensamma hållfasthetsgränstillstånd. Observera att varje ekvation är ekvivalent.

Lrfd effektiv säkerhetsfaktor

en annan metod för att jämföra de två metoderna är att beräkna en effektiv säkerhetsfaktor för lrfd-metoden som kan jämföras med ASD-säkerhetsfaktorerna. Detta innebär att man kombinerar belastnings-och motståndsfaktorerna.

Låt oss ta det axiella kraftbegränsningstillståndet för att genomföra ett jämförande exempel mellan ASD och LRFD. Du kan dela igenom med belastningsfaktorerna för att få en ekvivalent säkerhetsfaktor:

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

där lrfd-ekvivalent säkerhetsfaktor är termen Weff = (f / CLFLRFD). f är en konstant. Kompositbelastningsfaktorn, CLF = Pu / (Ps,equiv), varierar med de relativa storheterna för de olika typerna av laster. Resultatet är en variabel säkerhetsfaktor för LRFD. I ASD tas denna säkerhetsfaktor som en konstant.

det kan hävdas att variabeln Lrfd Weff är mer konsekvent med sannolikheterna i samband med design. Resultatet är att strukturer med mycket förutsägbara belastningar (dvs. huvudsakligen död belastning) LRFD Weff är lägre än ASD W vilket resulterar i en potentiellt lättare struktur. För strukturer som utsätts för mycket oförutsägbara belastningar (levande, vind och seismiska belastningar till exempel) är LRFD Weff högre än ASD W vilket resulterar i starkare strukturer. Lrfd-argumentet är att ASD är alltför konservativ för strukturer med förutsägbara belastningar och icke-konservativa för dem som utsätts för mindre förutsägbara belastningar.

användning av ASD och LRFD

slutligen bör du vara medveten om att du måste välja den ena eller den andra av designfilosofierna när du utformar en struktur. Du kan inte växla mellan de två filosofierna i ett visst projekt! I den här texten använder vi både ASD och LRFD så att du kan vara bekant med båda men detta är inte standarden i praktiken.