6.1 Khái niệm về trạng thái giới hạn
Trong thiết kế, các ràng buộc thiết kế thường được gọi là trạng thái giới hạn. Trạng thái giới hạn là trạng thái mà ở đó, kết cấu bị phá hoại hoặc không hoạt động được như dự kiến được nữa. Các trạng thái giới hạn được mô tả ở dạng tổng quát:
Yêu cầu < khả năng
Các trạng thái giới hạn của kết cấu thường được phân chia thành 2 nhóm chính: trạng thái giới hạn cường độ và trạng thái giới hạn khai thác.
6.2 Trạng thái giới hạn cường độ
Trạng thái giới hạn dựa trên cường độ là trạng thái có thể dẫn đến hư hỏng kết cấu. Đối với kết cấu thép, hư hỏng có thể là sự chảy (biến dạng dạng vĩnh viễn) hay phá hoại. Đối với kết cấu bê tông cốt thép, hư hỏng có thể là sự vỡ của bê tông do nén hoặc sự chảy của cốt thép. Trạng thái giới hạn cường độ có thể được mô tả ở dạng tổng quát:
Sức kháng yêu cầu < Sức kháng danh định
Sức kháng yêu cầu là nội lực được xác định từ việc phân tích kết cấu đang được thiết kế. Ví dụ, khi thiết kế một dầm, sức kháng yêu cầu có thể là mô men lớn nhất, tính được trong dầm. Sức kháng danh định là khả năng dự tính của dầm, ví dụ, khi chịu uốn, đó là mô men lớn nhất Mn mà dầm có khả năng chịu (là hàm của cường độ vật liệu và đặc trưng mặt cắt của cấu kiện).
Thông thường, các tiêu chuẩn thiết kế sử dụng các tham số sau đây để thể hiện các cường độ khác nhau:
P = Lực dọc M = Mô men uốn V = Lực cắt R = Phản lực
6.3 Trạng thái giới hạn sử dụng
Các trạng thái giới hạn sử dụng là những trạng thái không dựa trên cường độ nhưng có thể làm cho kết cấu không phù hợp với mục đích sử dụng của nó. Các trạng thái giới hạn sử dụng trong thiết kế kết cấu bao gồm độ võng, dao động, độ mảnh và tịnh không. Trạng thái giới hạn sử dụng có thể được viết dưới dạng tổng quát:
Ứng xử thực < Ứng xử cho phép
Một ví dụ ở đây là độ võng. Một dầm cong xon cần phải có độ võng ở đầu tự do (ứng xử thực) nhỏ hơn độ võng cho phép (ứng xử cho phép).
Các trạng thái giới hạn sử dụng nói chung không bị đòi hỏi khắt khe như trạng thái giới hạn cường độ do không liên quan đến độ an toàn của kết cấu. Các trạng thái giới hạn sử dụng không gây ra nguy hiểm đến con người và tài sản.
6.4 Một số nhận xét tổng quát
Lưu ý rằng, hai vế của bất phương trình của trạng thái giới hạn quan hệ với các đại lượng biến thiên và không chắc chắn. Cách xử lý các đại lượng biến thiên và không chắc chắn này phụ thuộc vào triết lý thiết kế được chọn. Hiện nay có hai triết lý thiết kế chính trong thiết kế kết cấu: thiết kế theo hệ số tải trọng và sức kháng (Load & Resistance Factor Design - LRFD) và thiết kế theo cường độ (hay ứng suất) cho phép.
Một số kỹ sư thấy có ích khi chia vế trái của bất phương trình trạng thái giới hạn cho vế phải ở dạng:
(sức kháng yêu cầu/sức kháng danh định) < 1.00 (ứng xử hiện thời)/(ứng xử cho phép) < 1.00
Dạng này hữu ích bởi 2 lý do. Nó làm cho việc so sánh trở nên dễ dàng hơn (giá trị kết quả phải < 1,00) và kết quả cũng cho biết phần trăm khả năng được sử dụng. Việc biết phần trăm khả năng đã được dùng sẽ giúp bạn biết được trạng thái giới hạn nào là tới hạn khi thực hiện tối ưu hoá một thiết kế phức tạp.