Расчет предельного состояния - Limit state design

Расчет предельного состояния (ЛСД), также известный как Расчет коэффициента нагрузки и сопротивления (LRFD), относится к методу проектирования, используемому в Строительная инженерия. А предельное состояние это состояние конструкции, за пределами которого она больше не удовлетворяет соответствующим критериям проектирования.[1] Состояние может относиться к степени загрузка или другие воздействия на конструкцию, в то время как критерии относятся к структурной целостности, пригодности к использованию, долговечности или другим конструктивным требованиям. Конструкция, спроектированная LSD, рассчитана на то, чтобы выдерживать все действия, которые могут произойти в течение ее проектного срока службы, и оставаться пригодной для использования с соответствующим уровнем надежность для каждого предельного состояния. Строительные нормы и правила, основанные на LSD, неявно определяют соответствующие уровни надежности своими предписаниями.

Метод расчета по предельным состояниям, разработанный в СССР и основанный на исследованиях профессора Н.С. Стрелецкого, введен в СНиП СССР в 1955 году.

Критерии

Предельное состояние дизайн требует структура удовлетворять двум основным критериям: предел государство (ULS) и предел работоспособности состояние (SLS).[2]

Любой процесс проектирования включает в себя ряд допущений. В грузы должна быть оценена конструкция, должны быть выбраны размеры проверяемых элементов и критерии проектирования. Все критерии инженерного проектирования имеют общую цель: обеспечение безопасности конструкции и обеспечение функциональности конструкции.

Окончательное предельное состояние (ULS)

Различают предельное состояние (US) и предельное состояние (ULS). США - это физическая ситуация, которая включает в себя либо чрезмерные деформации, приводящие к приближающемуся обрушению рассматриваемого компонента или конструкции в целом, в зависимости от ситуации, либо деформации, превышающие заранее согласованные значения. Это, конечно, связано со значительным неупругим (пластическим) поведением структурной схемы и остаточными деформациями. Принимая во внимание, что ULS - это не физическая ситуация, а скорее согласованное расчетное условие, которое должно быть выполнено, среди других дополнительных критериев, для соответствия инженерным требованиям к прочности и устойчивости при расчетных нагрузках. Считается, что конструкция удовлетворяет критерию предельного состояния, если все учтены. изгиб, срезать и растяжение или же сжимающий напряжения ниже факторизованных сопротивлений, рассчитанных для рассматриваемого сечения. Упомянутые факторные напряжения находятся путем применения коэффициентов увеличения к нагрузкам на сечение. Коэффициенты уменьшения применяются для определения различных приведенных сопротивлений секции.

Критерии предельного состояния также могут быть установлены с точки зрения нагрузки, а не напряжения: при таком подходе анализируемый элемент конструкции (т. Е. луч или столбец или другие несущие элементы, такие как стены), считается безопасным, когда «увеличенные» нагрузки меньше соответствующих «уменьшенных» сопротивлений.

Соответствие проектным критериям ULS считается минимальным требованием (среди других дополнительных требований) для обеспечения надлежащей структурной безопасности.

Предельное состояние по пригодности к эксплуатации (SLS)

1) предельное состояние прогиба

2) предельное состояние растрескивания

3) предельное состояние вибрации

В дополнение к проверке ULS, упомянутой выше, должна выполняться вычислительная проверка состояния предела службы (SLS). Что касается ULS, то и здесь SLS - это не физическая ситуация, а вычислительная проверка. Цель состоит в том, чтобы доказать, что под действием Характерных расчетных нагрузок (не факторизованных) и / или при применении определенных (не факторизованных) величин наложенных деформаций, оседания или вибрации, температурных градиентов и т. Д. Поведение конструкции соответствует требованиям , и не превышает значений критериев проектирования SLS, указанных в соответствующем действующем стандарте. Эти критерии включают в себя различные пределы напряжений, пределы деформации (прогиб, вращение и кривизну), пределы гибкости (или жесткости), пределы динамического поведения, а также требования к контролю трещин (ширина трещины) и другие меры, связанные с долговечностью конструкции и ее достигнутый уровень повседневного обслуживания и человеческого комфорта, а также способность выполнять свои повседневные функции. Ввиду неструктурных проблем это также может включать ограничения, применяемые к акустике и теплопередаче, которые также могут повлиять на конструктивный дизайн. Чтобы удовлетворять критерию предельного состояния эксплуатационной пригодности, конструкция должна оставаться функциональной для предполагаемого использования, подвергаясь рутинной (читай: повседневной) нагрузке, и как таковая конструкция не должна вызывать дискомфорт пассажира в обычных условиях. Эта расчетная проверка выполняется в точке, расположенной в нижней половине упругой зоны, где применяются характерные (неучтенные) воздействия, а поведение конструкции является чисто упругим.

Фактор развития

Коэффициенты нагрузки и сопротивления определяются с использованием статистики и заранее выбранной вероятности отказа. В факторах учитывается непостоянство качества строительства, однородность строительного материала. Обычно коэффициент единицы (один) или меньше применяется к сопротивлению материала, а коэффициент единицы или больше - к нагрузкам. Не часто используется, но в некоторых случаях нагрузки коэффициент может быть меньше единицы из-за меньшей вероятности комбинированных нагрузок. Эти факторы могут значительно различаться для разных материалов или даже для разных марок одного и того же материала. Дерево и кладка обычно имеют меньшие факторы, чем бетон, который, в свою очередь, имеет меньшие факторы, чем сталь. Факторы, применяемые к сопротивлению, также учитывают степень научной уверенности в выводе значений - т.е. меньшие значения используются, когда не проводится много исследований по конкретному типу режима отказа). Факторы, связанные с нагрузками, обычно не зависят от типа материала, но могут зависеть от типа конструкции.

При определении конкретной величины факторов более детерминированные нагрузки (такие как собственные нагрузки, вес конструкции и постоянные крепления, такие как стены, полы, отделка потолка) имеют более низкие коэффициенты (например, 1,4), чем сильно изменяющиеся нагрузки, такие как землетрясение, ветровые или живые (загружаемые) нагрузки (1.6). Ударным нагрузкам обычно задаются более высокие коэффициенты (скажем, 2,0), чтобы учесть их непредсказуемые величины и динамический характер нагрузки по сравнению со статической природой большинства моделей. Хотя, возможно, философски не превосходит допустимое или расчет допустимого напряжения, у него есть потенциал для создания более согласованной конструкции, поскольку предполагается, что каждый элемент имеет одинаковую вероятность отказа. На практике это обычно приводит к более эффективной структуре, и поэтому можно утверждать, что LSD лучше с практической инженерной точки зрения.

Пример обращения с LSD в строительных нормах и правилах

Следующее - лечение ЛСД, найденное в Национальный строительный кодекс Канады:

NBCC 1995 Формат φR> αDD + ψ γ {αLL + αQQ + αТT}
где φ = коэффициент сопротивления ψ = коэффициент сочетания нагрузок γ = коэффициент важности αD = Коэффициент постоянной нагрузки αL = Коэффициент динамической нагрузки αQ = Коэффициент землетрясения αТ = Тепловой эффект (температура) коэффициент нагрузки

Конструкция с предельным состоянием заменила старую концепцию расчет допустимого напряжения в большинстве форм гражданское строительство. Заметным исключением является транспортная техника. Несмотря на это, в настоящее время разрабатываются новые коды как для геотехнической, так и для транспортной инженерии, которые основаны на LSD. В результате большинство современных зданий спроектировано в соответствии с правилами, основанными на теории предельных состояний. Например, в Европе конструкции проектируются в соответствии с Еврокоды: Стали конструкции спроектированы в соответствии с EN 1993, и железобетон структуры для EN 1992. Австралия, Канада, Китай, Франция, Индонезия и Новая Зеландия (среди многих других) используют теорию предельных состояний при разработке своих проектных норм. В самом чистом смысле сейчас считается неуместным обсуждать факторы безопасности при работе с ЛСД, поскольку есть опасения, что это может привести к путанице. Ранее было показано, что LRFD и ASD могут производить значительно различные конструкции стальных двускатных рам.[3]

Есть несколько ситуаций, когда ASD производит значительно более легкие конструкции стальных двускатных рам. Кроме того, было показано, что в высокоснежных регионах разница между методами более разительна.[4]

В Соединенных Штатах

Соединенные Штаты особенно медленно внедряют расчет по предельному состоянию (известный в США как расчет с коэффициентом нагрузки и сопротивления). Нормы проектирования и стандарты выпускаются различными организациями, некоторые из которых приняли проект по предельным состояниям, а другие нет.

В Требования строительных норм ACI 318 для конструкционного бетона использует дизайн предельного состояния.

ANSI /Спецификация AISC 360 для зданий из конструкционной стали, ANSI /Спецификация AISI S-100 для Северной Америки по проектированию элементов конструкций из холодногнутой стали, и Алюминиевая ассоциация с Руководство по проектированию алюминия содержат два метода дизайна бок о бок:

  1. Расчет коэффициента нагрузки и сопротивления (LRFD), реализация расчета предельных состояний и
  2. Расчет допустимой прочности (ASD), метод, при котором номинальная прочность делится на коэффициент безопасности для определения допустимой прочности. Эта допустимая прочность должна равняться или превышать требуемую прочность для набора комбинаций нагрузок ASD. ASD откалиброван для обеспечения такой же структурной надежности и размеров компонентов, что и метод LRFD, с соотношением действующей и статической нагрузки 3.[5] Следовательно, когда конструкции имеют отношение действующей нагрузки к статической нагрузке, отличное от 3, ASD производит конструкции, которые либо менее надежны, либо менее эффективны по сравнению с конструкциями, полученными с помощью метода LRFD.

Напротив, ANSI /Сварные резервуары из углеродистой стали AWWA D100 для хранения воды и Сварные резервуары API 650 для хранения нефти все еще использовать расчет допустимого напряжения.

В Европе

В Европе расчет по предельным состояниям обеспечивается Еврокоды.

Смотрите также

Рекомендации

Цитаты

  1. ^ EN 1990: 2002 E, Еврокод - Основы проектирования конструкций, CEN, 29 ноября 2001 г.
  2. ^ Маккормак 2008, п. 50. «Термин« предельное состояние »используется для описания состояния, при котором конструкция или часть конструкции перестает выполнять свои функции. Существует две категории предельных состояний: прочность и пригодность к эксплуатации».
  3. ^ Катанбафнежад, Насер и Хобак, Алан, С. (2020). Сравнение LRFD и ASD для конструкции сборных двускатных рам, Американский журнал инженерных исследований (AJER), т. 9 (5), стр. 120-134.
  4. ^ Катанбафнежад, Насер и Хобак, Алан, С. (2020). Конструкция сборной двускатной рамы в регионах с сильным снегом - Сравнение LRFD и ASD, Американский журнал инженерных исследований (AJER), т. 9 (6), стр. 160-168.
  5. ^ Руководство по стальным конструкциям, четырнадцатое издание. AISC. 2011. С. 16.1–246. ISBN  1-56424-060-6.


Источники