Проектирование предельного состояния ( LSD ), также известное как проектирование коэффициента нагрузки и сопротивления ( LRFD ), относится к методу проектирования, используемому в проектировании конструкций . Предельное состояние — это состояние конструкции, за пределами которого она больше не соответствует соответствующим критериям проектирования. [1] Состояние может относиться к степени нагрузки или другим воздействиям на конструкцию, тогда как критерии относятся к структурной целостности, пригодности к использованию, долговечности или другим требованиям проектирования. Конструкция, спроектированная LSD, рассчитана на то, чтобы выдерживать все действия, которые могут произойти в течение ее расчетного срока службы, и оставаться пригодной для использования с соответствующим уровнем надежности для каждого предельного состояния. Строительные нормы и правила, основанные на LSD, неявно определяют соответствующие уровни надежности в своих предписаниях.
Метод предельного проектирования, разработанный в СССР на основе исследований профессора Н. С. Стрелецкого, был введен в строительные нормы СССР в 1955 году.
Проектирование предельного состояния требует, чтобы структура удовлетворяла двум основным критериям: предельному предельному состоянию (ULS) и предельному состоянию эксплуатационной пригодности (SLS). [2]
Любой процесс проектирования предполагает ряд допущений. Необходимо оценить нагрузки , которым будет подвергаться конструкция, выбрать размеры проверяемых элементов и выбрать критерии проектирования. Все критерии инженерного проектирования имеют общую цель: обеспечение безопасности конструкции и обеспечение ее функциональности.
Делается четкое различие между предельным состоянием (США) и предельным предельным состоянием (ULS). Предельное состояние – это физическая ситуация, которая включает в себя либо чрезмерные деформации, ведущие и приближающиеся к разрушению рассматриваемого компонента или конструкции в целом, в зависимости от ситуации, либо деформации, превышающие заранее согласованные значения. Разумеется, это связано со значительным неупругим (пластическим) поведением структурной схемы и остаточными деформациями. Напротив, ULS — это не физическая ситуация, а, скорее, согласованное расчетное условие, которое должно быть выполнено, среди других дополнительных критериев, чтобы соответствовать инженерным требованиям к прочности и устойчивости при расчетных нагрузках. Считается, что конструкция удовлетворяет критерию предельного состояния, если все учтенные напряжения изгиба , сдвига , растяжения или сжатия ниже учтенных сопротивлений, рассчитанных для рассматриваемого сечения. Упомянутые учтенные напряжения определяются путем применения коэффициентов увеличения к нагрузкам на сечение. Коэффициенты уменьшения применяются для определения различных учтенных сопротивлений секции.
Критерии предельного состояния также могут быть установлены с точки зрения нагрузки, а не напряжения: при использовании этого подхода анализируемый элемент конструкции (т. е. балка , колонна или другие несущие элементы, такие как стены) оказывается безопасным, когда «увеличенное » нагрузки меньше соответствующих «приведенных» сопротивлений.
Соблюдение проектных критериев ULS считается минимальным требованием (среди других дополнительных требований) для обеспечения надлежащей структурной безопасности.
В дополнение к упомянутой выше проверке ULS необходимо выполнить вычислительную проверку состояния ограничения обслуживания (SLS). Чтобы удовлетворить критерию предельного состояния работоспособности, конструкция должна оставаться функциональной для использования по назначению при условии регулярной (ежедневной) нагрузки и, как таковая, не должна вызывать дискомфорт у людей в обычных условиях.
Что касается ULS, то SLS — это не физическая ситуация, а скорее вычислительная проверка. Цель состоит в том, чтобы доказать, что под действием характерных расчетных нагрузок (неучтенных) и/или при приложении определенных (неучтенных) величин приложенных деформаций, осадок, вибраций, 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 (прогибы, повороты и кривизна), 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 комфорта человека, а также его возможности выполнять свои повседневные функции. Принимая во внимание неструктурные проблемы, это может также включать ограничения, применяемые к акустике и передаче тепла, которые также могут повлиять на конструкцию конструкции.
Эта проверка расчета выполняется в точке, расположенной в нижней половине упругой зоны, где применяются характерные (неучтенные) воздействия и поведение конструкции является чисто упругим.
Коэффициенты нагрузки и сопротивления определяются с использованием статистики и заранее выбранной вероятности отказа. В коэффициентах учитываются вариативность качества строительства, консистенция строительного материала. Обычно к сопротивлению материала применяется коэффициент единица (единица) или меньше, а к нагрузкам — коэффициент единица или больше. Используется не часто, но в некоторых случаях нагрузки коэффициент может быть меньше единицы из-за снижения вероятности комбинированных нагрузок. Эти факторы могут существенно различаться для разных материалов или даже для разных марок одного и того же материала. Дерево и каменная кладка обычно имеют меньшие коэффициенты, чем бетон, который, в свою очередь, имеет меньшие коэффициенты, чем сталь. Коэффициенты, применяемые к сопротивлению, также учитывают степень научной достоверности при получении значений — т. е. меньшие значения используются, когда нет большого количества исследований по конкретному типу режима отказа). Факторы, связанные с нагрузками, обычно не зависят от типа используемого материала, но на них может влиять тип конструкции.
При определении конкретной величины факторов более детерминированным нагрузкам (например, собственным нагрузкам, весу конструкции и постоянным креплениям, таким как стены, полы, отделка потолка) присваиваются более низкие коэффициенты (например, 1,4), чем сильно переменным нагрузкам, таким как землетрясение. ветровые, или постоянные (окружающие) нагрузки (1.6). Ударным нагрузкам обычно присваиваются еще более высокие коэффициенты (скажем, 2,0), чтобы учесть как их непредсказуемые величины, так и динамический характер нагрузки по сравнению со статическим характером большинства моделей. Хотя с философской точки зрения это, возможно, и не превосходит проектирование с допустимыми или допустимыми нагрузками , оно все же имеет потенциал для создания более последовательно проектируемой конструкции, поскольку каждый элемент должен иметь одинаковую вероятность отказа. На практике это обычно приводит к более эффективной конструкции, и поэтому можно утверждать, что ЛСД превосходит ее с практической инженерной точки зрения.
Ниже приводится обращение с ЛСД, указанное в Национальном строительном кодексе Канады :
Формат NBCC 1995 г.φR > α D D + ψ γ {α L L + α Q Q + α T T}где φ = коэффициент сопротивления ψ = коэффициент сочетания нагрузок γ = Фактор важности α D = коэффициент мертвой нагрузки α L = коэффициент динамической нагрузки α Q = коэффициент сейсмической нагрузки α T = тепловой эффект (температура) коэффициент нагрузки
Проектирование предельного состояния заменило старую концепцию проектирования допустимых напряжений в большинстве форм гражданского строительства . Заметным исключением является транспортное машиностроение . Несмотря на это, в настоящее время разрабатываются новые коды как для геотехнической, так и для транспортной инженерии, основанные на ЛСД. В результате большинство современных зданий проектируются в соответствии с нормами, основанными на теории предельного состояния. Например, в Европе конструкции проектируются в соответствии с Еврокодами : стальные конструкции проектируются в соответствии с EN 1993 , а железобетонные конструкции - в соответствии с EN 1992 . Австралия, Канада, Китай, Франция, Индонезия и Новая Зеландия (среди многих других) используют теорию предельного состояния при разработке своих норм проектирования. В чистом виде сейчас считается неуместным обсуждать факторы безопасности при работе с ЛСД, так как есть опасения, что это может привести к путанице. Ранее было показано, что LRFD и ASD могут производить существенно разные конструкции стальных двускатных рам. [3]
Есть несколько ситуаций, когда ASD производит значительно более легкие конструкции стальных двускатных рам. Кроме того, было показано, что в регионах с высоким уровнем снега разница между методами более существенна. [4]
Соединенные Штаты особенно медленно внедряют расчет предельного состояния (известный в США как расчет коэффициента нагрузки и сопротивления). Нормы и стандарты проектирования выпускаются различными организациями, некоторые из которых приняли проектирование в предельном состоянии, а другие - нет.
В требованиях строительных норм ACI 318 к конструкционному бетону используется расчет предельного состояния.
Спецификация ANSI/ AISC 360 для зданий из несущих стальных конструкций , Североамериканская спецификация ANSI/AISI S-100 для проектирования холодноштампованных стальных несущих элементов и Руководство по проектированию алюминия Алюминиевой ассоциации содержат два метода проектирования одновременно:
Напротив, сварные резервуары из углеродистой стали ANSI/AWWA D100 для хранения воды и сварные резервуары API 650 для хранения нефти по-прежнему используют конструкцию с допустимыми нагрузками .
В Европе расчет предельного состояния регламентируется Еврокодами .