تصميم حالة الحد

تصميم حالة الحد ( LSD )، المعروف أيضًا بتصميم عامل الحمل والمقاومة ( LRFD )، هو أسلوب تصميم يُستخدم في الهندسة الإنشائية . حالة الحد هي حالةٌ في المنشأة لا تستوفي عندها معايير التصميم ذات الصلة. ^{[ 1 ]} قد تشير الحالة إلى درجة التحميل أو غيرها من التأثيرات على المنشأة، بينما تشير المعايير إلى السلامة الإنشائية، والملاءمة للاستخدام، والمتانة، أو غيرها من متطلبات التصميم. تُصمَّم المنشأة وفقًا لأسلوب LSD بحيث تتحمل جميع التأثيرات المحتملة خلال عمرها التصميمي، وتبقى صالحة للاستخدام، مع مستوى مناسب من الموثوقية لكل حالة حد. تُحدد قوانين البناء القائمة على أسلوب LSD ضمنيًا مستويات الموثوقية المناسبة من خلال بنودها.

تم إدخال طريقة تصميم حالة الحد، التي تم تطويرها في الاتحاد السوفيتي واستندت إلى بحث قاده البروفيسور إن إس ستريليتسكي، في لوائح البناء في الاتحاد السوفيتي في عام 1955.

يتطلب تصميم حالة الحد أن يستوفي الهيكل معيارين رئيسيين: حالة الحد القصوى (ULS) وحالة حد الخدمة (SLS). ^{[ 2 ]}

تتضمن أي عملية تصميم عددًا من الافتراضات. أولًا: الأحمال التي سيتعرض لها الهيكل، ثانيًا: السيناريوهات الاستثنائية المحتملة والمتوقعة والإجهادات التي قد تسببها، وثالثًا: نقاط القوة الفردية والجماعية المتعلقة بأي جزء مكون أو مجموع أجزاء كمجموعة وككل.

يُفرّق بوضوح بين الحالة القصوى (US) وحالة الحد الأقصى (ULS). الحالة القصوى هي حالة فيزيائية تنطوي إما على تشوهات مفرطة كافية للتسبب في انهيار المكون قيد الدراسة أو الهيكل ككل، أو تشوهات تتجاوز القيم التي تُعتبر ضمن التفاوت المقبول.

يُعتبر الهيكل مستوفياً للحد الأقصى بناءً على معايير تعسفية، وفقاً للنوايا أو الأهداف الاسمية، وليس المادية، التي وضعها الفاعلون البشريون، والتي، على هذا النحو، لا علاقة لها بالهندسة بالمعنى الدقيق للكلمة، ولكنها موجودة "على الورق" لإخفاء أو تشويه أو حجب السلوكيات الأساسية الحقيقية المطبقة على الهيكل.

إن الامتثال لمعايير التصميم الخاصة بنظام الحد الأقصى للتحمل (ULS) لا يكفي لتنفيذ الحد الأدنى من الخطوات المطلوبة اللازمة للسلامة الهيكلية المناسبة.

بالإضافة إلى فحص حالة حد الخدمة المذكور أعلاه، يجب إجراء فحص حسابي لحالة حد الخدمة. ولتحقيق معيار حالة حد الخدمة، يجب أن يظل الهيكل فعالاً طوال مدة استخدامه المقصود، مع مراعاة الأحمال الروتينية (اليومية).

يتم تحديد عوامل الحمل والمقاومة باستخدام الإحصاءات واحتمالية الفشل المحددة مسبقًا. وتُؤخذ في الاعتبار عند تحديد هذه العوامل اختلافات جودة البناء وتجانس مواد البناء. عمومًا، يُطبق عامل يساوي واحدًا أو أقل على مقاومة المواد، وعامل يساوي واحدًا أو أكبر على الأحمال. وفي بعض حالات التحميل، قد يكون العامل أقل من واحد نظرًا لانخفاض احتمالية الأحمال المُجمعة، وهو أمر نادر الحدوث.

قد تختلف العوامل المذكورة آنفًا باختلاف المواد، أو حتى بين درجات مختلفة من المادة نفسها. فعلى سبيل المثال، يتميز الخشب بعامل تباين أكبر من الفولاذ. كما أن العوامل المطبقة على المقاومة تُراعي درجة الثقة العلمية في استخلاص القيم.

عند تحديد القيم المحددة للعوامل، تُعطى الأحمال الأكثر تحديدًا (مثل الحمل الميت - وزن الهيكل والملحقات الثابتة كالجدران وتشطيبات الأرضيات والأسقف) عوامل أقل (على سبيل المثال 1.4) من الأحمال شديدة التغير كالزلازل والرياح والأحمال الحية (أحمال الإشغال) (1.6). أما أحمال الصدمات، فتُعطى عادةً عوامل أعلى (مثل 2.0) لمراعاة قيمها غير المتوقعة وطبيعتها الديناميكية مقارنةً بالطبيعة الثابتة لمعظم النماذج.

يُتيح تصميم حالات الحد إمكانية إنتاج هيكل مصمم بشكل أكثر اتساقًا، حيث يُفترض أن يكون لكل عنصر نفس احتمالية الفشل. عمليًا، ينتج عن ذلك عادةً هيكل أكثر كفاءة، وبالتالي، يمكن القول إن تصميم حالات الحد متفوق من وجهة نظر هندسية عملية.

فيما يلي كيفية التعامل مع مادة LSD في قانون البناء الوطني الكندي :

تنسيق NBCC لعام 1995 φR > α D D + ψ γ {α L L + α Q Q + α T T}

حيث φ = عامل المقاومة ψ = عامل تجميع الأحمال γ = عامل الأهمية α D = معامل الحمل الميت α L = معامل الحمل الحي α Q = معامل الحمل الزلزالي α T = معامل الحمل الحراري (درجة الحرارة)

حلّ تصميم حالة الحد محلّ مفهوم تصميم الإجهاد المسموح به في معظم فروع الهندسة المدنية ، باستثناء هندسة النقل . ومع ذلك، يجري حاليًا تطوير قوانين جديدة لكلٍّ من الهندسة الجيوتقنية وهندسة النقل، تعتمد على تصميم حالة الحد. ونتيجةً لذلك، تُصمَّم معظم المباني الحديثة وفقًا لقانون قائم على نظرية حالة الحد. فعلى سبيل المثال، في أوروبا، تُصمَّم المنشآت لتتوافق مع القوانين الأوروبية : تُصمَّم المنشآت الفولاذية وفقًا للمعيار الأوروبي EN 1993 ، والمنشآت الخرسانية المسلحة وفقًا للمعيار الأوروبي EN 1992. وتستخدم أستراليا وكندا والصين وفرنسا وإندونيسيا ونيوزيلندا (وغيرها الكثير) نظرية حالة الحد في تطوير قوانين التصميم الخاصة بها. ومن الناحية النظرية، يُعتبر الآن من غير المناسب مناقشة عوامل الأمان عند العمل بتصميم حالة الحد، خشية أن يؤدي ذلك إلى التباس. وقد ثبت سابقًا أن تصميم الأحمال والمقاومة والتصميم المعزز يمكن أن ينتج عنهما تصميمات مختلفة تمامًا لإطارات الجملون الفولاذية. ^{[ 3 ]}

هناك حالات قليلة تُنتج فيها تقنية ASD تصاميم إطارات جملونية فولاذية أخف وزنًا بشكل ملحوظ. بالإضافة إلى ذلك، فقد ثبت أن الفرق بين الطريقتين يكون أكثر وضوحًا في المناطق التي تشهد تساقطًا كثيفًا للثلوج. ^{[ 4 ]}

كانت الولايات المتحدة بطيئة بشكل خاص في تبني تصميم حالة الحد (المعروف باسم تصميم عامل الحمل والمقاومة في الولايات المتحدة). وتصدر قوانين ومعايير التصميم من قبل منظمات متنوعة، بعضها تبنى تصميم حالة الحد، والبعض الآخر لم يتبناه.

تستخدم متطلبات قانون البناء ACI 318 للخرسانة الهيكلية تصميم حالة الحد.

تتضمن مواصفات ANSI/ AISC 360 للمباني الفولاذية الهيكلية ، ومواصفات ANSI/ AISI S-100 لأمريكا الشمالية لتصميم العناصر الهيكلية الفولاذية المشكلة على البارد ، ودليل تصميم الألومنيوم الصادر عن جمعية الألومنيوم، طريقتين للتصميم جنبًا إلى جنب:

1. تصميم عامل الحمل والمقاومة (LRFD)، وهو تطبيق لتصميم حالات الحد، و
2. تصميم القوة المسموح بها (ASD) هو أسلوب يُستخدم فيه قسمة القوة الاسمية على معامل أمان لتحديد القوة المسموح بها. يجب أن تساوي هذه القوة المسموح بها أو تتجاوز القوة المطلوبة لمجموعة من تركيبات أحمال ASD. تتم معايرة ASD لضمان نفس موثوقية الهيكل وحجم المكونات كما في طريقة LRFD بنسبة أحمال حية إلى ميتة تبلغ 3. ^{[ 5 ]} وبالتالي، عندما تختلف نسبة الأحمال الحية إلى الميتة في الهياكل عن 3، ينتج عن ASD تصاميم أقل موثوقية أو أقل كفاءة مقارنةً بالتصاميم الناتجة عن طريقة LRFD.

في المقابل، لا تزال خزانات الصلب الكربوني الملحومة ANSI/ AWWA D100 لتخزين المياه وخزانات API 650 الملحومة لتخزين النفط تستخدم تصميم الإجهاد المسموح به .

في أوروبا، يتم تطبيق تصميم حالة الحد بواسطة القوانين الأوروبية (Eurocodes ).

• تصميم الإجهاد المسموح به
• التصميم الاحتمالي
• الأداء الزلزالي
• الهندسة الإنشائية