Grenzzustandsbemessung - Limit state design

Grenzzustand ( LSD ), auch bekannt als Last und Widerstand Factor Design ( LRFD ), bezieht sich auf ein Entwurfsverfahren in verwendet Hochbau . Ein Grenzzustand ist ein Zustand eines Bauwerks, ab dem es die relevanten Bemessungskriterien nicht mehr erfüllt. Die Bedingung kann sich auf einen Belastungsgrad oder andere Einwirkungen auf die Struktur beziehen, während sich die Kriterien auf die strukturelle Integrität, Gebrauchstauglichkeit, Dauerhaftigkeit oder andere Konstruktionsanforderungen beziehen. Ein von LSD entworfenes Tragwerk ist so dimensioniert, dass es allen während seiner Auslegungslebensdauer wahrscheinlich auftretenden Einwirkungen standhält und gebrauchstauglich bleibt, mit einem angemessenen Maß an Zuverlässigkeit für jeden Grenzzustand. Bauvorschriften, die auf LSD basieren, definieren implizit die angemessenen Zuverlässigkeitsniveaus durch ihre Vorschriften.

Die in der UdSSR entwickelte und auf Forschungen von Professor NS Streletski basierende Methode der Grenzzustandsbemessung wurde 1955 in die Bauvorschriften der UdSSR eingeführt.

Kriterien

Die Bemessung im Grenzzustand erfordert, dass das Tragwerk zwei Hauptkriterien erfüllt: den Grenzzustand der Tragfähigkeit (ULS) und den Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit (SLS).

Jeder Designprozess beinhaltet eine Reihe von Annahmen. Die Belastungen , denen ein Tragwerk ausgesetzt ist, müssen geschätzt, die Größen der zu prüfenden Bauteile und die Bemessungskriterien ausgewählt werden. Alle konstruktiven Gestaltungskriterien haben ein gemeinsames Ziel: das Sicherstellen eines sicheren Bauwerks und die Gewährleistung der Funktionsfähigkeit des Bauwerks.

Grenzzustand der Tragfähigkeit (ULS)

Es wird klar zwischen dem Grenzzustand der Tragfähigkeit (US) und dem Grenzzustand der Tragfähigkeit (ULS) unterschieden. Die US ist eine physikalische Situation, die entweder übermäßige Verformungen beinhaltet, die zum Zusammenbruch des betrachteten Bauteils oder der Struktur als Ganzes führen und sich diesem nähern, je nachdem, oder Verformungen, die vorher vereinbarte Werte überschreiten. Dabei handelt es sich natürlich um erhebliches unelastisches (plastisches) Verhalten des Tragwerks und Restverformungen. Im Gegensatz dazu ist die ULS keine physikalische Situation, sondern eine vereinbarte rechnerische Bedingung, die neben anderen zusätzlichen Kriterien erfüllt sein muss, um die ingenieurtechnischen Anforderungen an Festigkeit und Stabilität unter Bemessungslasten zu erfüllen. Ein Tragwerk gilt als das Grenzzustandskriterium der Tragfähigkeit erfüllend, wenn alle faktorisierten Biege- , Schub- und Zug- oder Druckspannungen unter den faktorisierten Tragfähigkeiten liegen, die für den betrachteten Querschnitt berechnet wurden. Die genannten faktorisierten Spannungen werden durch Anwendung von Vergrößerungsfaktoren auf die Belastungen des Querschnitts ermittelt. Reduktionsfaktoren werden angewendet, um die verschiedenen faktorisierten Widerstände des Abschnitts zu bestimmen.

Die Grenzzustandskriterien können auch in Bezug auf die Last und nicht auf die Spannung festgelegt werden: Bei diesem Ansatz wird gezeigt, dass das zu untersuchende Strukturelement (dh ein Balken oder eine Stütze oder andere tragende Elemente wie Wände) sicher ist, wenn die "vergrößerte" " Lasten kleiner sind als die entsprechenden "Reduzierten" Widerstände.

Die Einhaltung der Bemessungskriterien des ULS gilt (neben anderen zusätzlichen Anforderungen) als Mindestanforderung, um eine angemessene Tragsicherheit zu gewährleisten.

Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit (SLS)

Zusätzlich zu der oben erwähnten ULS-Prüfung muss eine rechnerische Prüfung des Service Limit State (SLS) durchgeführt werden. Um das Kriterium des Grenzzustands der Gebrauchstauglichkeit zu erfüllen, muss ein Tragwerk für seinen vorgesehenen Verwendungszweck unter routinemäßigen (alltäglichen) Belastungen funktionsfähig bleiben und darf als solches den Benutzern unter Routinebedingungen kein Unbehagen bereiten .

Was den ULS betrifft, so ist der SLS keine physikalische Situation, sondern eher eine rechnerische Prüfung. Ziel ist der Nachweis, dass unter Einwirkung charakteristischer Bemessungslasten (nicht berücksichtigt) und/oder unter Anwendung bestimmter (nicht berücksichtigter) Größen von aufgezwungenen Verformungen, Setzungen oder Schwingungen oder Temperaturgradienten usw. das Tragverhalten eingehalten wird , und überschreitet nicht die Werte der SLS-Konstruktionskriterien, die in der einschlägigen geltenden Norm festgelegt sind. Diese Kriterien umfassen verschiedene Spannungsgrenzen, Verformungsgrenzen (Verbiegungen, Drehungen und Krümmungen), Flexibilitäts- (oder Steifigkeits-)Grenzen, dynamische Verhaltensgrenzen sowie Risskontrollanforderungen (Rissbreite) und andere Vorkehrungen, die sich auf die Dauerhaftigkeit der Struktur und ihrer Niveau des täglichen Serviceniveaus und des erreichten menschlichen Komforts sowie seine Fähigkeit, seine alltäglichen Funktionen zu erfüllen. Angesichts nicht-tragender Aspekte kann es auch Grenzwerte für Akustik und Wärmeübertragung geben, die sich auch auf die Tragwerksplanung auswirken können.

Diese Berechnungsprüfung erfolgt an einem Punkt in der unteren Hälfte der elastischen Zone, an dem charakteristische (nicht berücksichtigte) Einwirkungen angesetzt werden und das Tragverhalten rein elastisch ist.

Faktorentwicklung

Die Belastungs- und Widerstandsfaktoren werden anhand von Statistiken und einer vorgewählten Ausfallwahrscheinlichkeit ermittelt. Variabilität in der Bauqualität, Konsistenz des Baumaterials werden in den Faktoren berücksichtigt. Im Allgemeinen wird ein Faktor von Eins (eins) oder weniger auf die Widerstände des Materials angewendet und ein Faktor von Eins oder mehr auf die Lasten. Wird nicht oft verwendet, aber in einigen Lastfällen kann ein Faktor aufgrund einer geringeren Wahrscheinlichkeit der kombinierten Lasten kleiner als Eins sein. Diese Faktoren können sich für verschiedene Materialien oder sogar zwischen verschiedenen Qualitäten des gleichen Materials erheblich unterscheiden. Holz und Mauerwerk haben typischerweise kleinere Faktoren als Beton, der wiederum kleinere Faktoren hat als Stahl. Die auf den Widerstand angewandten Faktoren tragen auch zum Grad der wissenschaftlichen Sicherheit bei der Ableitung der Werte bei – dh kleinere Werte werden verwendet, wenn die spezifische Art der Fehlerart nicht viel erforscht ist). Belastungsfaktoren sind normalerweise unabhängig von der Art des verwendeten Materials, können jedoch durch die Bauart beeinflusst werden.

Bei der Bestimmung der spezifischen Größe der Faktoren werden deterministischere Lasten (wie Eigenlasten, das Gewicht der Struktur und dauerhafte Befestigungen wie Wände, Bodenbehandlungen, Deckenverkleidungen) niedrigere Faktoren (z. B. 1,4) als stark veränderliche Lasten wie Erdbeben, Wind oder Live-(Belegungs-)Lasten (1.6). Stoßbelastungen werden in der Regel noch höhere Faktoren (z. B. 2,0) zugewiesen, um sowohl ihre unvorhersehbaren Größen als auch die dynamische Natur der Belastung gegenüber der statischen Natur der meisten Modelle zu berücksichtigen. Obwohl sie der zulässigen oder zulässigen Spannungsbemessung philosophisch nicht überlegen ist , hat sie das Potenzial, eine konsistenter ausgelegte Struktur zu erzeugen, da jedes Element die gleiche Ausfallwahrscheinlichkeit aufweisen soll. In der Praxis führt dies normalerweise zu einer effizienteren Struktur, und als solche kann argumentiert werden, dass LSD aus technisch-praktischer Sicht überlegen ist.

Beispielhafte Behandlung von LSD in Bauvorschriften

Im Folgenden wird die Behandlung von LSD im National Building Code of Canada beschrieben : 

NBCC 1995 Format
φR > αDD + ψ γ {αLL + αQQ + αTT}

where φ = Resistance Factor
      ψ = Load Combination Factor
      γ = Importance Factor
      αD = Dead Load Factor
      αL = Live Load Factor
      αQ = Earthquake Load Factor
      αT = Thermal Effect (Temperature) Load Factor

Grenzzustand hat das ältere Konzept ersetzt zulässiger Spannung Design in den meisten Formen des Tiefbaus . Eine bemerkenswerte Ausnahme bildet die Verkehrstechnik . Trotzdem werden derzeit sowohl für die Geo- als auch für die Verkehrstechnik neue Codes entwickelt, die auf LSD basieren. Als Ergebnis werden die meisten modernen Gebäude nach einem Code entworfen, der auf der Grenzzustandstheorie basiert. In Europa werden beispielsweise Bauwerke nach den Eurocodes bemessen : Stahlbauten werden nach EN 1993 und Stahlbetonbauten nach EN 1992 bemessen . Australien, Kanada, China, Frankreich, Indonesien und Neuseeland (unter vielen anderen) verwenden die Grenzzustandstheorie bei der Entwicklung ihrer Entwurfscodes. Im reinsten Sinne wird es heute als unangemessen angesehen, Sicherheitsaspekte bei der Arbeit mit LSD zu diskutieren , da Bedenken bestehen, dass dies zu Verwirrung führen könnte. Bisher konnte gezeigt werden, dass LRFD und ASD deutlich unterschiedliche Ausführungen von Stahlgiebelrahmen herstellen können.

Es gibt nur wenige Situationen, in denen ASD deutlich leichtere Stahlgiebelrahmenkonstruktionen herstellt. Zudem hat sich gezeigt, dass in Hochschneegebieten der Unterschied zwischen den Methoden dramatischer ist.

In den Vereinigten Staaten

Die Vereinigten Staaten sind besonders langsam bei der Einführung der Grenzzustandsbemessung (in den USA als Last- und Widerstandsfaktor-Design bekannt). Design-Codes und -Standards werden von verschiedenen Organisationen herausgegeben, von denen einige die Grenzzustandsdesigns angenommen haben und andere nicht.

Die ACI 318 Building Code Requirements for Structural Concrete verwendet die Grenzzustandsbemessung.

Die ANSI / AISC 360 Spezifikation für Structural Steel Buildings , die ANSI / AISI S-100 nordamerikanische Spezifikation für die Gestaltung von kaltgeformten Stahlbauelemente und die Aluminum Association ‚s Aluminium Design Manual enthalten zwei Methoden , Design nebeneinander:

  1. Last- und Widerstandsfaktor-Design (LRFD), eine Implementierung des Grenzzustands-Designs, und
  2. Allowable Strength Design (ASD), eine Methode, bei der die Nennfestigkeit durch einen Sicherheitsfaktor geteilt wird, um die zulässige Festigkeit zu bestimmen. Diese zulässige Festigkeit muss gleich der erforderlichen Festigkeit für einen Satz von ASD-Lastkombinationen sein oder diese überschreiten. ASD ist so kalibriert, dass es die gleiche strukturelle Zuverlässigkeit und Bauteilgröße wie das LRFD-Verfahren mit einem Verhältnis von Lebendlast zu Eigenlast von 3 liefert. Wenn Strukturen ein von 3 abweichendes Verhältnis von Lebendlast zu Eigenlast aufweisen, produziert ASD daher Designs, die entweder weniger zuverlässig sind oder weniger effizient im Vergleich zu Designs, die sich aus dem LRFD-Verfahren ergeben.

Im Gegensatz dazu verwenden die geschweißten ANSI/ AWWA D100-Kohlenstoffstahltanks für die Wasserspeicherung und die API 650-geschweißten Tanks für die Ölspeicherung immer noch ein zulässiges Spannungsdesign .

In Europa

In Europa wird die Grenzzustandsbemessung durch die Eurocodes durchgesetzt .

Siehe auch

Verweise

Zitate


Quellen