Artículos

Diferencias entre la metodología ASD y LRFD en el análisis de elementos finitos

/ 13 Jun 2023 / por: Yurii Shumak

Análisis por elementos finitos (FEA)

Verificación de normas

Las metodologías ASD (Allowable Stress Design) y LRFD (Load and Resistance Factor Design) se utilizan en ingeniería estructural para garantizar la seguridad y fiabilidad de las estructuras. El enfoque ASD (o tensión admisible, o método de diseño de tensión de trabajo (WSD)) es una de las primeras metodologías de diseño utilizadas en ingeniería estructural. El proceso de diseño en ASD implica el cálculo de las cargas aplicadas sobre la estructura y el posterior análisis de las tensiones desarrolladas en el interior de los miembros. El diseño se considera seguro si las tensiones calculadas permanecen por debajo de los límites permitidos. El enfoque LRFD (o diseño de estado límite (LSD)) surgió posteriormente como un método de diseño más racional y fiable y aborda algunas de las limitaciones del enfoque ASD incorporando una filosofía de diseño basada en la probabilidad. El proceso de diseño en el LRFD implica calcular las cargas que actúan sobre la estructura, determinar la resistencia necesaria para resistir esas cargas y compararla con la resistencia disponible de los miembros estructurales. El diseño se considera adecuado si la resistencia requerida es menor o igual que la resistencia disponible, teniendo en cuenta los factores de seguridad apropiados. El LRFD se considera un enfoque más completo y preciso que el ASD porque considera explícitamente la probabilidad de fallo e incorpora principios de diseño basados en la fiabilidad. Se ha convertido en el método de diseño predominante en muchos países y está respaldado por códigos y normas.

Diseño de resistencia admisible (ASD)

El diseño de resistencia admisible (ASD) se basa en el principio de que las tensiones en una estructura no deben superar un valor admisible específico. Se aplica un factor de seguridad a las cargas previstas y luego se compara con la capacidad del material. El factor de seguridad tiene en cuenta las incertidumbres en las propiedades del material, las cargas y otros factores que podrían afectar a la resistencia de la estructura.

La metodología ASD suele utilizarse para estructuras más sencillas y menos complejas.

Por lo tanto, la ecuación de diseño del método ASD puede expresarse como:

\[\sum\sigma_{i}\leq\sigma_{all}=\frac{\sigma_{n}}{F_{s}}\]

donde _σi es la tensión de trabajo debida a la carga de diseño, que se determina mediante un análisis estructural elástico en las condiciones de carga de diseño. _σall es la tensión admisible del material de construcción. La _σn es la tensión nominal del material, y _FS denota el factor de seguridad especificado en la especificación de diseño.

Diseño del factor de carga y resistencia (LRFD)

El diseño por factor de carga y resistencia (también conocido como diseño de estado límite o método de estado límite) se basa en el principio de que el diseño de una estructura debe basarse en las cargas reales a las que estará sometida y en la capacidad del material utilizado. En el LRFD, las cargas se factorizan al alza para tener en cuenta las incertidumbres en su magnitud y distribución, mientras que la resistencia de los materiales se factoriza a la baja para tener en cuenta las incertidumbres en su resistencia. Los valores resultantes se utilizan entonces para diseñar la estructura de forma que resista con seguridad las cargas previstas. Este enfoque considera tanto la resistencia media estadística como las cargas medias estadísticas. La ecuación fundamental del LRFD incluye un modificador de carga(η), factores de carga(γ), efectos de fuerza(Q), un factor de resistencia(φ), una resistencia nominal(_Rn) y una resistencia factorizada(_Rr = _φRn)

Dado que el LRFD es un esquema de diseño de estructuras de acero y componentes estructurales distinto del ASD, sus diferencias pueden apreciarse comparando las dos desigualdades siguientes:

\[R_{n}/F.S. \ge \sum_{1}^{i}Q_{ni}\]

\[\phi R_{n} \ge \sum_{1}^{i}\gamma_{i}Q_{ni}\]

Donde la primera desigualdad representa el caso de tensión admisible, y la segunda – el criterio de diseño LRFD. El lado izquierdo en cada caso es la resistencia de diseño, y el derecho es la resistencia requerida. El término Rn define la resistencia normal dada por una ecuación en una especificación, y _Qni es el efecto de la carga (es decir, una tensión calculada o una fuerza como el momento flector, la fuerza cortante, la fuerza axial, etc.).

ASD frente a LRFD

Aunque ambos métodos garantizan la seguridad y fiabilidad de las estructuras, difieren en su enfoque del diseño y en los factores considerados en el análisis. He aquí las principales diferencias entre las metodologías ASD y LRFD:

1. Filosofía de diseño. Mientras que el enfoque ASD garantiza que las tensiones bajo cargas de trabajo no superen los límites de tensión admisibles especificados en los códigos de diseño, el enfoque LRFD implica considerar los efectos potenciales de la carga y garantizar que la resistencia de los elementos estructurales supere estas cargas con un cierto nivel de probabilidad.
2. Factores de carga y combinaciones de carga. En el enfoque ASD, las combinaciones de carga se crean añadiendo o combinando cargas de diseño de formas específicas para representar diferentes escenarios de carga posibles. Y el LRFD incorpora factores de seguridad parciales para considerar las incertidumbres en las cargas. Sin embargo, los factores de carga se aplican directamente a las cargas en lugar de crear cargas de diseño separadas.
3. Factores de resistencia y fuerza del material. El ASD utiliza un único factor de seguridad aplicado a la resistencia del material para garantizar que la capacidad de los elementos estructurales supera las cargas aplicadas. Por el contrario, el LRFD emplea múltiples factores de resistencia, cada uno asociado a un estado límite diferente. Los factores de resistencia se derivan a partir de análisis estadísticos, con el objetivo de lograr un nivel de fiabilidad coherente para diferentes tipos de estructuras.
4. Criterios de diseño. En cuanto al ASD, los criterios de diseño se basan normalmente en las tensiones admisibles específicas de los distintos materiales y se recogen en los códigos o normas de diseño. En el LRFD, los criterios de diseño se basan en estados límite como la resistencia, la capacidad de servicio, la estabilidad y la durabilidad, que representan las condiciones más allá de las cuales la estructura puede dejar de cumplir su función prevista.

Es importante tener en cuenta que la elección entre ASD y LRFD depende de varios factores, como el código de diseño específico, los requisitos del proyecto y las prácticas regionales. Los códigos y normas de diseño proporcionan directrices sobre qué método utilizar y especifican los factores y criterios adecuados que deben tenerse en cuenta.

Comparación de las capacidades LRFD/ASD
En un diagrama de carga frente a desplazamiento (esfuerzo frente a deformación)

La diferencia entre estos dos métodos es que el método LRFD tiene en cuenta la influencia individual de la carga específica (es decir, la naturaleza probabilística de las cargas) y la ajusta a la resistencia del material. Por lo tanto, este método es más avanzado y representa con mayor precisión el comportamiento estructural bajo las cargas en comparación con el método ASD. En la metodología ASD, sólo difieren los factores de seguridad, ya que este método emplea diferentes factores de seguridad que definen (reducen) los valores de tensión admisibles. Por este motivo, el método LRFD se utiliza en la mayoría de las normas nuevas y en las antiguas revisadas, basadas principalmente en el conservador método ASD. El LRFD se suele utilizar para estructuras más complejas, como edificios de gran altura, puentes, presas y mecanismos complejos, como aparatos elevadores.

Comprobaciones de diseño utilizando la metodología LRFD y ASD en SDC Verifier

Una de las características clave de SDC Verifier es una biblioteca integrada de estándares industriales, códigos de diseño, normas y reglamentos para la verificación estructural de acuerdo con ellos. Las normas incluyen conjuntos de cargas y verificaciones de diseño que van con la metodología ASD o LRFD. La tabla siguiente enumera algunas de las normas con la metodología correspondiente

En SDC Verifier, los ingenieros pueden estar seguros de que sus modelos se construyen de acuerdo con las prácticas y normativas del sector. Además, cualquier norma puede convertirse en personalizada para modificarla posteriormente según sus necesidades. Mediante el editor de fórmulas, los ingenieros pueden crear normas desde cero siguiendo la filosofía ASD o LRFD.