Проектирование предельных состояний ( LSD ), также известное как проектирование по фактору нагрузки и сопротивления ( LRFD ), относится к методу проектирования, используемому в строительной инженерии . Предельное состояние — это состояние конструкции, за пределами которого она больше не соответствует соответствующим критериям проектирования. [1] Условие может относиться к степени нагрузки или другим воздействиям на конструкцию, в то время как критерии относятся к структурной целостности, пригодности к использованию, долговечности или другим требованиям к проектированию. Конструкция, спроектированная с помощью LSD, пропорциональна для выдерживания всех воздействий, которые могут возникнуть в течение ее проектного срока службы, и остается пригодной для использования с соответствующим уровнем надежности для каждого предельного состояния. Строительные нормы, основанные на LSD, неявно определяют соответствующие уровни надежности своими предписаниями.
Разработанный в СССР на основе исследований профессора Н.С. Стрелецкого метод расчета по предельным состояниям был введен в строительные нормы СССР в 1955 году.
Проектирование предельных состояний требует, чтобы конструкция удовлетворяла двум основным критериям: предельному состоянию по несущей способности (ULS) и предельному состоянию по эксплуатационной пригодности (SLS). [2]
Любой процесс проектирования включает ряд допущений. Нагрузки , которым будет подвергаться конструкция, должны быть оценены, размеры элементов для проверки должны быть выбраны, а критерии проектирования должны быть выбраны. Все критерии инженерного проектирования имеют общую цель: обеспечение безопасной конструкции и обеспечение функциональности конструкции.
Проводится четкое различие между предельным состоянием (US) и предельным состоянием по несущей способности (ULS). Предельное состояние — это физическая ситуация, которая включает в себя либо чрезмерные деформации, ведущие к разрушению рассматриваемого компонента или конструкции в целом, в зависимости от того, что уместно, либо деформации, превышающие заранее согласованные значения. Конечно, это включает в себя значительное неупругое (пластическое) поведение структурной схемы и остаточные деформации. Напротив, ULS — это не физическая ситуация, а скорее согласованное вычислительное условие, которое должно быть выполнено, среди прочих дополнительных критериев, чтобы соответствовать инженерным требованиям к прочности и устойчивости при проектных нагрузках. Считается, что конструкция удовлетворяет критерию предельного состояния по несущей способности, если все факторизованные изгибающие , сдвиговые и растягивающие или сжимающие напряжения ниже факторизованных сопротивлений, рассчитанных для рассматриваемого сечения. Факторизованные напряжения, о которых идет речь, находятся путем применения коэффициентов увеличения к нагрузкам на сечение. Коэффициенты уменьшения применяются для определения различных факторизованных сопротивлений сечения.
Критерии предельного состояния также могут быть установлены с точки зрения нагрузки, а не напряжения: при использовании этого подхода анализируемый конструктивный элемент (например, балка , колонна или другие несущие нагрузку элементы, такие как стены) оказывается безопасным, когда «увеличенные» нагрузки меньше соответствующих «уменьшенных» сопротивлений.
Соблюдение проектных критериев ULS рассматривается как минимальное требование (среди прочих дополнительных требований) для обеспечения надлежащей безопасности конструкции.
В дополнение к проверке ULS, упомянутой выше, необходимо выполнить вычислительную проверку предельного состояния обслуживания (SLS). Чтобы соответствовать критерию предельного состояния обслуживания, конструкция должна оставаться функциональной для своего предполагаемого использования при условии повседневной нагрузки, и как таковая конструкция не должна вызывать дискомфорт у пользователя в обычных условиях.
Что касается ULS, SLS — это не физическая ситуация, а скорее вычислительная проверка. Цель состоит в том, чтобы доказать, что под действием характерных проектных нагрузок (нефакторизованных) и/или при применении определенных (нефакторизованных) величин наложенных деформаций, осадок или вибраций, или температурных градиентов и т. д. поведение конструкции соответствует и не превышает значения критериев проектирования SLS, указанных в соответствующем действующем стандарте. Эти критерии включают различные пределы напряжений, пределы деформаций (прогибов, поворотов и кривизны), пределы гибкости (или жесткости), пределы динамического поведения, а также требования по контролю трещин (ширина трещин) и другие договоренности, связанные с долговечностью конструкции и ее уровнем повседневного уровня обслуживания и достигнутым комфортом для человека, а также ее способностью выполнять свои повседневные функции. Ввиду неструктурных вопросов это может также включать ограничения, применяемые к акустике и теплопередаче, которые также могут повлиять на проектирование конструкции.
Данная проверка расчетов выполняется в точке, расположенной в нижней половине упругой зоны, где применяются характерные (нефакторизованные) воздействия, а поведение конструкции является чисто упругим.
Факторы нагрузки и сопротивления определяются с использованием статистики и предварительно выбранной вероятности отказа. Изменчивость качества строительства, постоянство строительного материала учитываются в факторах. Обычно к сопротивлениям материала применяется фактор единицы (один) или меньше, а к нагрузкам — фактор единицы или больше. Используется нечасто, но в некоторых случаях нагрузки фактор может быть меньше единицы из-за сниженной вероятности комбинированных нагрузок. Эти факторы могут значительно различаться для разных материалов или даже между разными сортами одного и того же материала. Дерево и каменная 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 нет большого количества исследований по конкретному типу режима отказа). Факторы, связанные с нагрузками, обычно не зависят от типа вовлеченного материала, но могут зависеть от типа конструкции.
При определении конкретной величины факторов более детерминированным нагрузкам (например, постоянным нагрузкам, весу конструкции и постоянным креплениям, таким как стены, обработка пола, отделка потолка) присваиваются более низкие коэффициенты (например, 1,4), чем сильно изменчивым нагрузкам, таким как землетрясения, ветер или временные (занятость) нагрузки (1,6). Ударным нагрузкам обычно присваиваются еще более высокие коэффициенты (например, 2,0), чтобы учесть как их непредсказуемые величины, так и динамическую природу нагрузки по сравнению со статической природой большинства моделей. Хотя, возможно, философски это не превосходит допустимое или допустимое проектирование напряжений , оно имеет потенциал для создания более последовательно спроектированной конструкции, поскольку каждый элемент должен иметь одинаковую вероятность отказа. На практике это обычно приводит к более эффективной конструкции, и, как таковое, можно утверждать, что LSD превосходит с практической инженерной точки зрения.
Ниже приводится описание ЛСД, содержащееся в Национальном строительном кодексе Канады :
Формат NBCC 1995φR > α D D + ψ γ {α L L + α Q Q + α T T}где φ = Коэффициент сопротивления ψ = Коэффициент сочетания нагрузки γ = Фактор важности α D = Фактор статической нагрузки α L = Коэффициент активной нагрузки α Q = Коэффициент сейсмической нагрузки α T = Коэффициент нагрузки теплового эффекта (температуры)
Проектирование предельных состояний заменило старую концепцию проектирования допустимых напряжений в большинстве форм гражданского строительства . Заметным исключением является транспортное строительство . Тем не менее, в настоящее время разрабатываются новые кодексы как для геотехнического, так и для транспортного строительства, которые основаны на LSD. В результате большинство современных зданий проектируются в соответствии с кодексом, который основан на теории предельных состояний. 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 предельных состояний при разработке своих проектных норм. В чистом виде теперь считается нецелесообразным обсуждать факторы безопасности при работе с LSD, поскольку есть опасения, что это может привести к путанице. Ранее было показано, что LRFD и ASD могут создавать существенно разные конструкции стальных двускатных рам. [3]
Существует несколько ситуаций, когда ASD производит значительно более легкие конструкции стальных двускатных рам. Кроме того, было показано, что в регионах с большим количеством снега разница между методами более существенна. [4]
Соединенные Штаты особенно медленно приняли проектирование предельных состояний (известное в США как проектирование по коэффициенту нагрузки и сопротивления). Нормы и стандарты проектирования выпускаются различными организациями, некоторые из которых приняли проектирование предельных состояний, а другие — нет.
Требования строительных норм ACI 318 к конструкционному бетону предусматривают проектирование по предельным состояниям.
В Спецификации ANSI/ AISC 360 для зданий из конструкционной стали , Североамериканской спецификации ANSI/AISI S-100 для проектирования холодногнутых стальных конструкционных элементов и Руководстве по проектированию алюминиевых конструкций Ассоциации производителей алюминия параллельно излагаются два метода проектирования:
Напротив, сварные резервуары из углеродистой стали ANSI/AWWA D100 для хранения воды и сварные резервуары API 650 для хранения нефти по-прежнему используют расчет допустимых напряжений .
В Европе проектирование по предельным состояниям регламентируется Еврокодами .