Projekt stanu granicznego

Projekt stanu granicznego ( LSD ), znany również jako projekt współczynnika obciążenia i oporu ( LRFD ), odnosi się do metody projektowania stosowanej w inżynierii budowlanej . Stan graniczny to stan konstrukcji, po przekroczeniu którego nie spełnia ona już odpowiednich kryteriów projektowych. Warunek może odnosić się do stopnia obciążenia lub innych oddziaływań na konstrukcję, podczas gdy kryteria odnoszą się do integralności konstrukcji, przydatności do użytku, trwałości lub innych wymagań projektowych. Konstrukcja zaprojektowana przez LSD jest proporcjonalna, aby wytrzymać wszystkie działania, które mogą wystąpić podczas jej projektowanego okresu użytkowania i pozostać zdatna do użytku, z odpowiednim poziomem niezawodności dla każdego stanu granicznego. Przepisy budowlane oparte na LSD pośrednio określają odpowiednie poziomy niezawodności poprzez swoje zalecenia.

Opracowana w ZSRR metoda projektowania stanów granicznych, oparta na badaniach prowadzonych przez profesora NS Streletskiego, została wprowadzona do przepisów budowlanych ZSRR w 1955 roku.

Kryteria

Projektowanie stanu granicznego wymaga, aby konstrukcja spełniała dwa podstawowe kryteria: stan graniczny nośności (SGN) i stan graniczny użytkowalności (SGU).

Każdy proces projektowania obejmuje szereg założeń. Należy oszacować obciążenia , jakim będzie poddawana konstrukcja, wybrać rozmiary elementów do sprawdzenia oraz kryteria projektowe . Wszystkie kryteria projektowania inżynierskiego mają wspólny cel: zapewnienie bezpiecznej konstrukcji i zapewnienie funkcjonalności konstrukcji.

Stan graniczny nośności (ULS)

Wyraźnie rozróżnia się stan nośności (US) i stan graniczny nośności (ULS). Stany Zjednoczone to sytuacja fizyczna, która obejmuje albo nadmierne odkształcenia prowadzące i zbliżające się do zawalenia danego elementu lub konstrukcji jako całości, odpowiednio, albo odkształcenia przekraczające wcześniej uzgodnione wartości. Wiąże się to oczywiście ze znacznymi niesprężystymi (plastycznymi) zachowaniami schematu konstrukcyjnego i odkształceniami resztkowymi. W przeciwieństwie do tego SGN nie jest sytuacją fizyczną, ale raczej uzgodnionym warunkiem obliczeniowym, który musi zostać spełniony, oprócz innych dodatkowych kryteriów, w celu spełnienia wymagań inżynieryjnych dotyczących wytrzymałości i stabilności przy obciążeniach projektowych. Uważa się, że konstrukcja spełnia kryterium stanu granicznego nośności, jeśli wszystkie zostały uwzględnione zginające , ścinające i rozciągające lub ściskające są niższe od nośności obliczonych dla rozważanego przekroju. Rozłożone naprężenia, o których mowa, znajdują się poprzez zastosowanie współczynników powiększenia do obciążeń na przekroju. Współczynniki redukcji są stosowane w celu określenia różnych rezystancji uwzględnionych w przekroju.

Kryteria stanu granicznego można również ustawić w kategoriach obciążenia, a nie naprężenia: przy użyciu tego podejścia analizowany element konstrukcyjny (tj. belka lub słup lub inne elementy nośne, takie jak ściany) jest pokazany jako bezpieczny, gdy „obciążenia są mniejsze niż odpowiednie rezystancje „zredukowane”.

Spełnienie kryteriów projektowych SGN jest uważane za minimalne wymaganie (między innymi wymaganiami dodatkowymi) w celu zapewnienia odpowiedniego bezpieczeństwa konstrukcji.

Stan graniczny użytkowalności (SGU)

Oprócz wspomnianej powyżej kontroli ULS należy przeprowadzić kontrolę obliczeniową stanu limitu usługi (SLS). Aby spełnić kryterium stanu granicznego użytkowalności, obiekt budowlany musi zachowywać funkcjonalność zgodnie z przeznaczeniem poddawanym rutynowym (codziennym) obciążeniom i jako taki nie może powodować dyskomfortu użytkowników w rutynowych warunkach.

Jeśli chodzi o ULS, SLS nie jest sytuacją fizyczną, ale raczej sprawdzeniem obliczeniowym. Celem jest wykazanie, że pod działaniem charakterystycznych obciążeń projektowych (bez współczynnika) i/lub przy zastosowaniu pewnych (bez współczynnika) wielkości wymuszonych odkształceń, osiadań lub wibracji, lub gradientów temperatury itp., zachowanie konstrukcji jest zgodne z , i nie przekracza wartości kryteriów projektowych SGU określonych w odpowiedniej obowiązującej normie. Kryteria te obejmują różne granice naprężeń, granice odkształceń (ugięcia, obroty i krzywizny), granice elastyczności (lub sztywności), granice zachowania dynamicznego, a także wymagania kontroli pęknięć (szerokość pęknięć) i inne ustalenia dotyczące trwałości konstrukcji i jej poziom obsługi dnia codziennego i osiągany komfort człowieka oraz jego zdolność do wypełniania codziennych funkcji. Ze względu na kwestie niekonstrukcyjne może to również obejmować ograniczenia dotyczące akustyki i przenikania ciepła, które mogą również wpływać na projekt konstrukcyjny.

Ta kontrola obliczeń jest wykonywana w punkcie znajdującym się w dolnej połowie strefy sprężystości, gdzie stosowane są charakterystyczne (niewspółczynnikowe) oddziaływania, a zachowanie konstrukcji jest czysto sprężyste.

Rozwój czynników

Współczynniki obciążenia i odporności są określane za pomocą statystyk i wstępnie wybranego prawdopodobieństwa awarii. Zmienność jakości konstrukcji, konsystencja materiału budowlanego są uwzględniane we współczynnikach. Ogólnie rzecz biorąc, współczynnik jedności (jeden) lub mniejszy jest stosowany do rezystancji materiału, a współczynnik jedności lub większy do obciążeń. Nie często używany, ale w niektórych przypadkach obciążeń współczynnik może być mniejszy niż jedność ze względu na zmniejszone prawdopodobieństwo połączonych obciążeń. Czynniki te mogą się znacznie różnić w przypadku różnych materiałów, a nawet różnych gatunków tego samego materiału. Drewno i mur mają zwykle mniejsze współczynniki niż beton, który z kolei ma mniejsze współczynniki niż stal. Współczynniki zastosowane do odporności również uwzględniają stopień naukowej pewności co do wyprowadzenia wartości — tj. mniejsze wartości są stosowane, gdy nie ma zbyt wielu badań nad określonym rodzajem trybu awarii). Czynniki związane z obciążeniami są zwykle niezależne od rodzaju zastosowanego materiału, ale mogą na nie wpływać rodzaj konstrukcji.

Przy określaniu określonej wielkości czynników, bardziej deterministyczne obciążenia (takie jak ciężar własny, ciężar konstrukcji i trwałe elementy mocujące, takie jak ściany, wykończenia podłóg, wykończenia sufitów) mają mniejsze współczynniki (na przykład 1,4) niż wysoce zmienne obciążenia, takie jak trzęsienie ziemi, obciążenia wiatrem lub żywymi (użytkownikami) (1.6). Obciążeniom udarowym zazwyczaj podaje się jeszcze wyższe współczynniki (powiedzmy 2,0), aby uwzględnić zarówno ich nieprzewidywalne wielkości, jak i dynamiczny charakter obciążenia w porównaniu ze statycznym charakterem większości modeli. Chociaż prawdopodobnie nie jest filozoficznie lepszy od dopuszczalnego lub dopuszczalnego projektu stresu , ma potencjał do stworzenia bardziej konsekwentnie zaprojektowanej struktury, ponieważ każdy element ma mieć takie samo prawdopodobieństwo awarii. W praktyce skutkuje to zwykle bardziej wydajną strukturą i jako taka można argumentować, że LSD jest lepsze z praktycznego inżynierskiego punktu widzenia.

Przykład traktowania LSD w przepisach budowlanych

Poniżej przedstawiono traktowanie LSD w kanadyjskim krajowym kodeksie budowlanym : 

 Format NBCC 1995 φR > α  D  D + ψ γ {α  L  L + α  Q  Q + α  T  T} 
 gdzie φ = współczynnik wytrzymałości ψ = współczynnik kombinacji obciążeń γ = współczynnik ważności α  D  = współczynnik obciążenia własnego α  L  = współczynnik obciążenia użytkowego α  Q  = Współczynnik obciążenia wywołanego trzęsieniem ziemi α  T  = Współczynnik obciążenia termicznego (temperatury).

Projektowanie stanu granicznego zastąpiło starszą koncepcję projektowania naprężeń dopuszczalnych w większości form inżynierii lądowej . Godnym uwagi wyjątkiem jest inżynieria transportu . Mimo to obecnie opracowywane są nowe przepisy dla inżynierii geotechnicznej i transportowej, które są oparte na LSD. W rezultacie większość nowoczesnych budynków projektuje się zgodnie z kodeksem opartym na teorii stanów granicznych. Na przykład w Europie konstrukcje projektuje się zgodnie z Eurokodami : Konstrukcje stalowe projektuje się zgodnie z normą EN 1993 oraz żelbetowe wg EN 1992 . Australia, Kanada, Chiny, Francja, Indonezja i Nowa Zelandia (między innymi) wykorzystują teorię stanów granicznych w opracowywaniu swoich kodów projektowych. W najczystszym sensie obecnie uważa się za niewłaściwe omawianie czynników bezpieczeństwa podczas pracy z LSD, ponieważ istnieją obawy, że może to prowadzić do zamieszania. Wcześniej wykazano, że LRFD i ASD mogą wytwarzać znacząco różne konstrukcje stalowych ram szczytowych.

Istnieje kilka sytuacji, w których firma ASD produkuje znacznie lżejsze konstrukcje stalowych ram szczytowych. Dodatkowo wykazano, że w regionach o wysokim śniegu różnica między metodami jest bardziej dramatyczna.

W Stanach Zjednoczonych

Stany Zjednoczone wyjątkowo wolno przyjmowały projektowanie stanów granicznych (znane w USA jako projektowanie współczynników obciążenia i oporu). Przepisy projektowe i normy są wydawane przez różne organizacje, z których niektóre przyjęły projekt stanu granicznego, a inne nie.

ACI 318 dotyczące betonu konstrukcyjnego wykorzystują projekt stanu granicznego.

ANSI/ AISC 360 dla stalowych budynków konstrukcyjnych , północnoamerykańska specyfikacja ANSI/AISI S-100 dotycząca projektowania stalowych elementów konstrukcyjnych formowanych na zimno oraz Podręcznik projektowania aluminium Stowarzyszenia Aluminium zawierają dwie metody projektowania obok siebie:

  1. Load and Resistance Factor Design (LRFD), implementacja projektu stanów granicznych i
  2. Dopuszczalna siła projektowania (ASD), metoda, w której wytrzymałość nominalna jest dzielona przez współczynnik bezpieczeństwa w celu określenia dopuszczalnej wytrzymałości. Ta dopuszczalna siła jest wymagana, aby równać się lub przekraczać wymaganą wytrzymałość dla zestawu kombinacji obciążeń ASD. ASD jest kalibrowany, aby zapewnić taką samą niezawodność konstrukcyjną i rozmiar komponentów, jak metoda LRFD, ze stosunkiem obciążenia czynnego do martwego równym 3. W konsekwencji, gdy stosunek obciążenia czynnego do martwego konstrukcji różni się od 3, ASD tworzy projekty, które są albo mniej niezawodne lub mniej wydajne w porównaniu z konstrukcjami wynikającymi z metody LRFD.

W przeciwieństwie do tego spawane zbiorniki ze stali węglowej ANSI/AWWA D100 do przechowywania wody i spawane zbiorniki API 650 do przechowywania ropy nadal wykorzystują dopuszczalne naprężenia .

W Europie

W Europie projekt stanu granicznego jest wymuszany przez Eurokody .

Zobacz też

Cytaty


Źródła

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Limit_state_design&oldid=1124781966 ”