A guide on the Direct Strength Method for Cold Formed Steel

Cold-formed steel member design is challenging due to the complex stability behavior of the thin-walled members. Um dieses Problem anzugehen, wurden mehrere Methoden entwickelt, wie die Direct Strength-Methode (DSM), der flexibelste und modernste Ansatz. SkyCiv is committed to help supporting DSM, through resources such as this and software that supports cold formed steel design through this approach.

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, the calculation of critical buckling strength can be carried out in various approaches, 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?
• Acceptance and Adoption in the Industry
• Konventionelle Finite-Strip-Methode
• Buckling Mode Types
• What are the DSM Factors?
• Finite-Strip-Methode im SkyCiv Section Builder

Was ist die Direct Strength-Methode? (DSM)

Mit der Direkte Kraftmethode (DSM) is a design approach used predominately for the analysis and design of cold-formed steel members. Unlike traditional methods (such as the Effective Width Method) that rely on calculating effective section properties to account for local buckling, 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: Less empirical data available for some specific applications compared to traditional methods.
Versatile Application: Suitable for complex and unconventional cross-sections.	Software Dependence: May require advanced software tools not readily available to all practitioners.
Unified Methodology: Provides a consistent approach across different buckling behaviors.	Standard Compliance: Not all regional codes may fully incorporate DSM provisions yet.
Facilitates Innovation: Encourages the use of new materials and shapes due to its adaptable framework.	Resistance to Change: Industry inertia can slow adoption as practitioners stick to familiar methods.

Adoption and Acceptance:

The DSM is recognized and incorporated into major international design standards, wie beispielsweise:

• AISI S100: Nordamerikanische Spezifikation für die Konstruktion kaltgeformter Stahlbauteile.
• AS / NZS 4600: Australian/New Zealand Standard for Cold-Formed Steel Structures.

DSM is also being prioritised as a future method by being taught in universities and becoming a more common method taught in cold formed design courses. 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.

Buckling Mode Types

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 has a Direct Strength Method Calculator built into our Section Analysis Software (SkyCiv Section Builder) which can automatically calculate the key DSM factors for any custom cold formed steel shape. Simply start from the Section Builder module by loading in a CFS section and clicking Design -> Kaltgeformter Stahl:

Von hier, the DSM factors will be automatically calculated, ready for the user to review and submit:

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

The mesh of the elements is produced automatically and can be viewed in the right chart, 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, this does not ensure a correct classification in all the cases, and this does not replace the engineering judgment, Wir empfehlen dem Benutzer, die Werte vor dem Absenden zu überprüfen und bei Bedarf zu ändern.

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.