Ein Leitfaden zur Direktfestigkeitsmethode für kaltgeformten Stahl

Die Konstruktion von kaltgeformten Stahlbauteilen ist aufgrund des komplexen Stabilitätsverhaltens der dünnwandigen Bauteile eine Herausforderung. Um dieses Problem anzugehen, wurden mehrere Methoden entwickelt, wie die Direct Strength-Methode (DSM), der flexibelste und modernste Ansatz. SkyCiv ist bestrebt, DSM zu unterstützen, durch Ressourcen wie diese und Software, die die Konstruktion von kaltgeformtem Stahl durch diesen Ansatz unterstützt.

Das DSM liefert Vorhersagen zur Festigkeit kaltgeformter Bauteile, ohne die effektiven Breiten zu berechnen [1] (Die Berechnung effektiver Breiten ist oft ein komplexer Prozess mit vielen Einschränkungen bei der Analyse komplexer geometrischer Formen). Bei dieser Methode, Die Berechnung der kritischen Knickfestigkeit kann auf verschiedene Weise erfolgen, hauptsächlich die Finite-Strip-Methode (FSM) und die Finite-Elemente-Methode (FÜNF). In diesem Ratgeber, wir werden es erkunden:

• Was ist die Direct Strength-Methode?
• Akzeptanz und Akzeptanz in der Branche
• Konventionelle Finite-Strip-Methode
• Knickmodustypen
• Was sind die DSM-Faktoren??
• Finite-Strip-Methode im SkyCiv Section Builder

Was ist die Direct Strength-Methode? (DSM)

Mit der Direkte Kraftmethode (DSM) ist ein Entwurfsansatz, der hauptsächlich für die Analyse und Konstruktion von kaltgeformten Stahlbauteilen verwendet wird. Im Gegensatz zu herkömmlichen Methoden (wie die Methode der effektiven Breite) die auf der Berechnung effektiver Querschnittseigenschaften beruhen, um lokale Knickungen zu berücksichtigen, the DSM directly computes the member’s strength using its full, unreduced cross-sectional properties.

Pros and Cons of Direct Strength Method

Vorteile	Nachteile
Simplifies Design Process: Reduces complexity by eliminating effective width calculations.	Learning Curve: Requires engineers to become familiar with new concepts and formulations.
Enhanced Accuracy: Directly accounts for various buckling modes for precise strength predictions.	Limited Historical Data: Im Vergleich zu herkömmlichen Methoden sind für einige spezifische Anwendungen weniger empirische Daten verfügbar.
Vielseitige Anwendung: Geeignet für komplexe und unkonventionelle Querschnitte.	Softwareabhängigkeit: Möglicherweise sind fortgeschrittene Softwaretools erforderlich, die nicht allen Ärzten ohne weiteres zur Verfügung stehen.
Einheitliche Methodik: Bietet einen konsistenten Ansatz für verschiedene Knickverhaltensweisen.	Standardkonformität: Möglicherweise enthalten noch nicht alle Regionalcodes die DSM-Bestimmungen vollständig.
Erleichtert Innovation: Fördert durch seinen anpassungsfähigen Rahmen den Einsatz neuer Materialien und Formen.	Widerstand gegen Veränderungen: Die Trägheit der Branche kann die Einführung verlangsamen, da Praktiker an vertrauten Methoden festhalten.

Annahme und Akzeptanz:

Der DSM ist anerkannt und in die wichtigsten internationalen Designstandards integriert, wie beispielsweise:

• AISI S100: Nordamerikanische Spezifikation für die Konstruktion kaltgeformter Stahlbauteile.
• AS / NZS 4600: Australischer/neuseeländischer Standard für kaltgeformte Stahlkonstruktionen.

DSM wird auch als zukünftige Methode priorisiert, da es an Universitäten gelehrt wird und in Kursen für kaltumgeformte Konstruktion immer häufiger gelehrt wird. We’re also seeing an increase in it’s support by structural analysis and design software packages who are integrating DSM into their design modules.

Jedoch, there are still some obstacles and challenges in the DSM being widely-adopted, since it is a relatively new/untaught method. Transitioning from traditional methods requires training and adaptation, which some practitioners can be reluctant to undertake.

Konventionelle Finite-Strip-Methode

Das FSM wurde als Vereinfachung des FEM erstellt, Beide Methoden haben den gleichen theoretischen Hintergrund, and the FSM is also a matrix method. By defining the nodes and elements of a section it is possible to analyze any complex shape. Dies fördert die Abschnittsoptimierung und vereinfacht den Analyseprozess.

Mehrere Optionen, einschließlich Open-Source-Tools, sind derzeit für die Durchführung einer Finite-Strip-Analyse verfügbar. Jedoch, integrating these tools with general analysis and design software has proved challenging due to their complex nature. SkyCiv has recently built a Finite Strip Method analysis tool which is fully integrated into our Section Builder Software. This tool automates calculation of DSM factors for standard and custom cold-formed sections, allowing for DSM steel design in accordance with AISI S100, AS 4600 and other international standards.

The FSM discretizes the section’s transversal shape into longitudinal strips [3]. This simplifies the traditional 3D analysis problem with 6 degrees of freedom to a problem with 4 Freiheitsgrade. The strips are analyzed for different lengths called half-wavelength.

Verwendung der geometrischen Schnitteigenschaften, das Material, die Belastungen, und der Lastzustand, Es werden zwei globale Matrizen erstellt, die elastische Steifigkeitsmatrix (Wann) und die geometrische Steifigkeitsmatrix (kg).

Schließlich, Dies stellt ein Eigenwertzerlegungsproblem dar, wobei die Eigenwerte die Belastungsfaktoren darstellen, und die Eigenvektoren enthalten die deformierte Form.

Knickmodustypen

Die Knickklassen sind in drei Hauptgruppen unterteilt, global, lokal, und verzerrend, abhängig von der Fehlerart.

Lokales Knicken: Knickung, die zu einer erheblichen Verformung des Querschnitts führt, aber diese Verzerrung umfasst nur die Drehung, keine Übersetzung, an den inneren Faltlinien [2].

Verformungsknickung: Knickung, die zu einer erheblichen Verformung des Querschnitts führt, Diese Verzerrung umfasst jedoch auch Drehungen und Verschiebungen an einer oder mehreren inneren Faltlinien eines Elements [2].

Globales Knicken: Knickung, bei der es nicht zu einer Verformung des Querschnitts kommt, stattdessen Übersetzung (Biegung) und/oder Rotation (Drehung) des gesamten Querschnitts erfolgt [2].

Aus dieser Definition können wir schließen, dass eine starke geometrische Korrelation zwischen der Knickklassifizierung und der deformierten Form besteht, Wir zeigen die Verformung für jeden Punkt der Signaturkurve.

DSM Factors

Finite-Strip-Methode im SkyCiv Section Builder

SkyCiv verfügt über einen integrierten Direktstärke-Methodenrechner Schnittanalysesoftware (SkyCiv Section Builder) Damit können die wichtigsten DSM-Faktoren für jede kundenspezifische kaltgeformte Stahlform automatisch berechnet werden. Simply start from the Section Builder module by loading in a CFS section and clicking Design -> Kaltgeformter Stahl:

Von hier, Die DSM-Faktoren werden automatisch berechnet, bereit für die Überprüfung und Übermittlung durch den Benutzer:

Die Software basiert auf dem SkyCiv Section Builder, unter Design – Kaltgeformt. Die lokalen und verzerrenden Knickminima werden automatisch erkannt, Benutzer können diese Werte jedoch überschreiben. Einmal eingereicht, Diese Faktoren werden dann im Design für das SkyCiv AISI verwendet (2016) und AS4600 (2018) integrierte Designmodule.

Im SkyCiv-Modul zur elastischen Knickanalyse, Es gibt einige wichtige Hypothesen und Überlegungen, die wir hier klären. Wir werden diese unten untersuchen:

Netz aus Elementen

Das Netz der Elemente wird automatisch erstellt und kann im rechten Diagramm angezeigt werden, Die Filets werden zerteilt 4 Elemente, und die gerade Linie hinein 4 Elemente auch.

Analyselängen

Die zur Durchführung der Finite-Strip-Analyse verwendeten Längen werden standardmäßig als logarithmischer Raum definiert 0 bis 10^3 im imperialen Einheitensystem und von 0 bis 10^3,5 im metrischen System.

Ladebedingungen

Wir berechnen die Signaturkurve für 5 unterschiedliche Belastungsbedingungen:

• Axiale Belastung
• Biegemoment in der X-Achse, positiv
• Biegemoment in der X-Achse, negativ
• Biegemoment in der Y-Achse, positiv
• Biegemoment in der Y-Achse, negativ

Randbedingungen

Die Analyse wird unter der Annahme durchgeführt, dass das Modell fixiert ist und sich an beiden Enden frei verziehen kann.

Signaturkurve

Die Signaturkurve wird mit der herkömmlichen Finite-Strip-Methode erstellt, Fy ist normalisiert (Fy = 1) Daher werden die Belastungsfaktoren in Druckeinheiten angegeben (MPa oder ksi entsprechend dem Einheitensystem).

Auswahl des Lastfaktors

Allgemein, Die Belastungsfaktoren sind die lokalen Minimalpunkte in der Signaturkurve, Der erste stellt den kritischen Lastfaktor für lokales Knicken und der zweite den kritischen Lastfaktor für Verformungsknicken dar. Die Bestimmung des globalen Lastfaktors aus der Signaturkurve ist eine schwierige Aufgabe, da es in der Signaturkurve keinen lokalen Minimalpunkt gibt. So, Die am besten geeignete Lösung besteht darin, die lokalen und verzerrten Knicklastfaktoren aus einer Finite-Strip-Analyse und den globalen Knickfaktor unter Verwendung der klassischen Formeln zu verwenden.

Wir verwenden einen Algorithmus, um die Belastungsfaktoren in der Signaturkurve zu finden und zu klassifizieren. Jedoch, Dies gewährleistet nicht in allen Fällen eine korrekte Klassifizierung, and this does not replace the engineering judgment, Wir empfehlen dem Benutzer, die Werte vor dem Absenden zu überprüfen und bei Bedarf zu ändern.

 

SkyCiv FSM-Rechner: Schritt-für-Schritt-Anleitung

Um das FSM-Modul zu verwenden, Sie müssen auf den Abschnittsersteller zugreifen und den Abschnitt auswählen, den Sie analysieren möchten. Der Abschnitt muss die folgenden Anforderungen erfüllen, um analysiert zu werden:

1. Der Abschnitt muss kaltgeformt sein (Sie können es unter „Herstellungsprozess“ festlegen.).
2. Der Abschnitt muss eine offene Form aus einer Datenbank oder eine Vorlage der Formen sein, Kanal, Kanal mit Lippen, Zee, Zee mit Lippen, oder Hut.
3. Die Breite muss gleichmäßig sein.

Um die Analyse durchzuführen, klicken Sie auf „Design“, „FSM (Kaltgeformt)”.

Wenn der aktuelle Abschnitt über DSM-Faktoren verfügt, werden diese gespeichert (wie viele unserer Datenbankbereiche), Sie werden aufgefordert, die vorherigen Werte zu überschreiben:

Sie sehen die Signaturkurve für den Standardlastzustand (Axial), der Abschnitt passt sich der jeweiligen Spannungsverteilung an, und rechts eine Tabelle mit dem DSM-Faktor für alle Lastzustände.

Zum Navigieren zwischen den verschiedenen Lastbedingungen, Sie können das Dropdown-Menü links verwenden oder die linke und rechte Pfeiltaste verwenden.

Automatisch, Die Software berechnet die entsprechenden Punkte auf der Kurve. Jedoch, Dies gewährleistet nicht in allen Fällen eine korrekte Klassifizierung, und dies ersetzt nicht das technische Urteilsvermögen, Daher empfehlen wir dem Benutzer, die Werte zu überprüfen und bei Bedarf zu ändern, indem er vor dem Absenden auf die Kurve klickt, um einen Punkt zu löschen oder hinzuzufügen. Benutzer können die verformte Form auch visualisieren, indem sie den Mauszeiger über die Kurve bewegen; die abgelenkt (rot) Die Form wird mit dem Original angezeigt (Blau) Form:

Nachdem ich alle Werte überprüft habe, Senden Sie die Ergebnisse, indem Sie auf klicken einreichen:

Die Werte für diese Form werden gespeichert und in kaltgeformten Standards für die Elementkonstruktion verwendet.

Verweise

1. Nordamerikanische Spezifikation für die Konstruktion kaltgeformter Stahlbauteile, 2016 Auflage, Amerikanisches Eisen- und Stahlinstitut.
2. Direkte Kraftmethode (DSM) Design-Leitfaden, 2006, Ausschuss für Spezifikationen für die Konstruktion kaltgeformter Stahlbauteile.
3. Beulanalyse von kaltgeformten Stahlbauteilen mit CUFSM: konventionelle und eingeschränkte Finite-Strip-Methoden, B.W. Schäfer und S. Adany, 2006, 18Internationale Fachtagung für kaltgeformte Stahlkonstruktionen.