Ένας οδηγός για τη μέθοδο άμεσης αντοχής για χάλυβα ψυχρής μορφοποίησης

Ο σχεδιασμός των μελών από χάλυβα ψυχρής διαμόρφωσης είναι δύσκολος λόγω της πολύπλοκης συμπεριφοράς σταθερότητας των μελών με λεπτό τοίχωμα. Για την αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος έχουν αναπτυχθεί διάφορες μέθοδοι, όπως η μέθοδος Direct Strength (DSM), την πιο ευέλικτη και σύγχρονη προσέγγιση. Το SkyCiv δεσμεύεται να βοηθήσει στην υποστήριξη του DSM, μέσω πόρων όπως αυτός και λογισμικού που υποστηρίζει σχεδιασμό ψυχρής μορφοποίησης χάλυβα μέσω αυτής της προσέγγισης.

Το DSM παρέχει προβλέψεις για την αντοχή του μέλους ψυχρής διαμόρφωσης χωρίς να υπολογίζει τα ενεργά πλάτη [1] (Ο υπολογισμός του πραγματικού πλάτη είναι συχνά μια πολύπλοκη διαδικασία με πολλούς περιορισμούς για την ανάλυση πολύπλοκων γεωμετρικών σχημάτων). Σε αυτή τη μέθοδο, Ο υπολογισμός της κρίσιμης αντοχής λυγισμού μπορεί να πραγματοποιηθεί με διάφορες προσεγγίσεις, κυρίως η μέθοδος πεπερασμένης ταινίας (FSM) και τη μέθοδο πεπερασμένων στοιχείων (ΠΕΝΤΕ). Σε αυτόν τον οδηγό, θα εξερευνήσουμε:

• Τι είναι η Μέθοδος Άμεσης Αντοχής
• Αποδοχή και Υιοθεσία στη Βιομηχανία
• Συμβατική μέθοδος πεπερασμένης ταινίας
• Τύποι λειτουργίας λυγισμού
• Ποιοι είναι οι Παράγοντες DSM?
• Μέθοδος πεπερασμένης ταινίας στο SkyCiv Section Builder

Τι είναι η Μέθοδος Άμεσης Αντοχής (DSM)

ο Μέθοδος Άμεσης Δύναμης (DSM) είναι μια προσέγγιση σχεδιασμού που χρησιμοποιείται κυρίως για την ανάλυση και το σχεδιασμό μελών από χάλυβα ψυχρής διαμόρφωσης. Σε αντίθεση με τις παραδοσιακές μεθόδους (όπως η μέθοδος αποτελεσματικού πλάτους) που βασίζονται στον υπολογισμό των αποτελεσματικών ιδιοτήτων τομής για να λάβουν υπόψη τον τοπικό λυγισμό, το DSM υπολογίζει απευθείας την ισχύ του μέλους χρησιμοποιώντας το πλήρες, μη μειωμένες ιδιότητες διατομής.

Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της μεθόδου άμεσης αντοχής

Πλεονεκτήματα	Μειονεκτήματα
Απλοποιεί τη διαδικασία σχεδιασμού: Μειώνει την πολυπλοκότητα εξαλείφοντας τους υπολογισμούς αποτελεσματικού πλάτους.	Καμπύλη μάθησης: Απαιτεί από τους μηχανικούς να εξοικειωθούν με νέες έννοιες και συνθέσεις.
Ενισχυμένη Ακρίβεια: Λογίζει άμεσα διάφορους τρόπους λυγισμού για ακριβείς προβλέψεις αντοχής.	Περιορισμένα ιστορικά δεδομένα: Λιγότερα διαθέσιμα εμπειρικά δεδομένα για ορισμένες συγκεκριμένες εφαρμογές σε σύγκριση με τις παραδοσιακές μεθόδους.
Ευέλικτη Εφαρμογή: Κατάλληλο για σύνθετες και μη συμβατικές διατομές.	Εξάρτηση λογισμικού: Μπορεί να απαιτεί προηγμένα εργαλεία λογισμικού που δεν είναι άμεσα διαθέσιμα σε όλους τους επαγγελματίες.
Ενιαία Μεθοδολογία: Παρέχει μια συνεπή προσέγγιση σε διάφορες συμπεριφορές λυγισμού.	Τυπική Συμμόρφωση: Δεν μπορούν ακόμη όλοι οι περιφερειακοί κωδικοί να ενσωματώνουν πλήρως τις διατάξεις DSM.
Διευκολύνει την Καινοτομία: Ενθαρρύνει τη χρήση νέων υλικών και σχημάτων λόγω του προσαρμόσιμου πλαισίου του.	Αντίσταση στην Αλλαγή: Η αδράνεια του κλάδου μπορεί να επιβραδύνει την υιοθέτηση καθώς οι επαγγελματίες εμμένουν σε γνωστές μεθόδους.

Υιοθεσία και Αποδοχή:

Το DSM αναγνωρίζεται και ενσωματώνεται στα μεγάλα διεθνή πρότυπα σχεδιασμού, όπως:

• AISI S100: Βορειοαμερικανική προδιαγραφή για το σχεδιασμό δομικών μελών από χάλυβα ψυχρής διαμόρφωσης.
• AS / NZS 4600: Πρότυπο Αυστραλίας/Νέας Ζηλανδίας για κατασκευές από χάλυβα ψυχρής διαμόρφωσης.

Το DSM έχει επίσης προτεραιότητα ως μελλοντική μέθοδος καθώς διδάσκεται σε πανεπιστήμια και γίνεται πιο κοινή μέθοδος που διδάσκεται σε μαθήματα σχεδιασμού ψυχρής μορφής. Βλέπουμε επίσης μια αύξηση στην υποστήριξή του από πακέτα λογισμικού δομικής ανάλυσης και σχεδίασης που ενσωματώνουν το DSM στις ενότητες σχεδιασμού τους.

Ωστόσο, εξακολουθούν να υπάρχουν ορισμένα εμπόδια και προκλήσεις στο DSM που υιοθετούνται ευρέως, αφού είναι μια σχετικά νέα/αμαθής μέθοδος. Η μετάβαση από τις παραδοσιακές μεθόδους απαιτεί εκπαίδευση και προσαρμογή, που ορισμένοι ασκούμενοι μπορεί να διστάζουν να αναλάβουν.

Συμβατική μέθοδος πεπερασμένης ταινίας

Το FSM δημιουργήθηκε ως απλοποίηση του FEM, Και οι δύο μέθοδοι έχουν το ίδιο θεωρητικό υπόβαθρο, και το FSM είναι επίσης μια μέθοδος μήτρας. Ορίζοντας τους κόμβους και τα στοιχεία μιας τομής είναι δυνατή η ανάλυση οποιουδήποτε πολύπλοκου σχήματος. Αυτό ενθαρρύνει τη βελτιστοποίηση της ενότητας και απλοποιεί τη διαδικασία ανάλυσης.

Αρκετές επιλογές, συμπεριλαμβανομένων εργαλείων ανοιχτού κώδικα, είναι επί του παρόντος διαθέσιμα για την εκτέλεση ανάλυσης πεπερασμένης ταινίας. Ωστόσο, Η ενσωμάτωση αυτών των εργαλείων με λογισμικό γενικής ανάλυσης και σχεδίασης έχει αποδειχθεί πρόκληση λόγω της περίπλοκης φύσης τους. Η SkyCiv δημιούργησε πρόσφατα ένα εργαλείο ανάλυσης μεθόδου πεπερασμένης ταινίας το οποίο είναι πλήρως ενσωματωμένο στο δικό μας Κατασκευαστής ενότητας λογισμικό. Αυτό το εργαλείο αυτοματοποιεί τον υπολογισμό των συντελεστών DSM για τυπικές και προσαρμοσμένες τομές ψυχρής διαμόρφωσης, που επιτρέπει τη σχεδίαση χάλυβα DSM σύμφωνα με το AISI S100, ΟΠΩΣ ΚΑΙ 4600 και άλλα διεθνή πρότυπα.

Το FSM διακρίνει το εγκάρσιο σχήμα του τμήματος σε διαμήκεις λωρίδες [3]. Αυτό απλοποιεί το παραδοσιακό πρόβλημα ανάλυσης 3D με 6 βαθμούς ελευθερίας σε ένα πρόβλημα με 4 βαθμοί ελευθερίας. Οι λωρίδες αναλύονται για διαφορετικά μήκη που ονομάζονται μισό μήκος κύματος.

Χρησιμοποιώντας τις ιδιότητες της γεωμετρικής τομής, το υλικό, τα στρες, και την κατάσταση φορτίου, κατασκευάζονται δύο καθολικοί πίνακες, η ελαστική μήτρα ακαμψίας (Οταν) και ο γεωμετρικός πίνακας ακαμψίας (Kg).

Τελικά, αυτό αντιπροσωπεύει ένα πρόβλημα αποσύνθεσης ιδιοτιμής, όπου οι ιδιοτιμές αντιπροσωπεύουν τους συντελεστές φορτίου, και τα ιδιοδιανύσματα περιέχουν το παραμορφωμένο σχήμα.

Τύποι λειτουργίας λυγισμού

Τα μαθήματα λυγισμού οργανώνονται σε τρεις κύριες ομάδες, παγκόσμια, τοπικός, και παραμορφωτική, ανάλογα με το είδος της αστοχίας.

Τοπικός λυγισμός: Λυγισμός που συνεπάγεται σημαντική παραμόρφωση της διατομής, αλλά αυτή η παραμόρφωση περιλαμβάνει μόνο την περιστροφή, όχι μετάφραση, στις εσωτερικές γραμμές δίπλωσης [2].

Παραμορφωτικός λυγισμός: Λυγισμός που συνεπάγεται σημαντική παραμόρφωση της διατομής, αλλά αυτή η παραμόρφωση περιλαμβάνει περιστροφή και μετατόπιση σε μία ή περισσότερες εσωτερικές γραμμές δίπλωσης ενός μέλους [2].

Παγκόσμιος λυγισμός: Λυγισμός που δεν συνεπάγεται παραμόρφωση της διατομής, αντί μετάφραση (κάμψη) και/ή περιστροφή (συστροφή) ολόκληρης της διατομής εμφανίζεται [2].

Με αυτόν τον ορισμό μπορούμε να συμπεράνουμε ότι υπάρχει ισχυρή γεωμετρική συσχέτιση μεταξύ της ταξινόμησης λυγισμού και του παραμορφωμένου σχήματος, δείχνουμε το παραμορφωμένο για κάθε σημείο της καμπύλης υπογραφής.

Παράγοντες DSM

Μέθοδος πεπερασμένης ταινίας στο SkyCiv Section Builder

Το SkyCiv έχει ενσωματωμένο υπολογιστή με μέθοδο Direct Strength Λογισμικό ανάλυσης ενότητας (Οικοδόμος ενότητας SkyCiv) που μπορεί να υπολογίσει αυτόματα τους βασικούς συντελεστές DSM για οποιοδήποτε προσαρμοσμένο σχήμα χάλυβα ψυχρής μορφοποίησης. Απλώς ξεκινήστε από τη λειτουργική μονάδα Section Builder, φορτώνοντας σε μια ενότητα CFS και κάνοντας κλικ Σχεδιασμός -> Κρύος χάλυβας:

Από εδώ, οι συντελεστές DSM θα υπολογιστούν αυτόματα, έτοιμο για έλεγχο και υποβολή από τον χρήστη:

Το λογισμικό είναι χτισμένο πάνω από το SkyCiv Section Builder, κάτω από Σχέδιο – Ψυχρή Σχηματισμός. Τα ελάχιστα τοπικού λυγισμού και παραμόρφωσης θα ανιχνευθούν αυτόματα, Ωστόσο, οι χρήστες μπορούν να παρακάμψουν αυτές τις τιμές. Μόλις υποβληθεί, Αυτοί οι παράγοντες θα χρησιμοποιηθούν στη συνέχεια στη σχεδίαση του SkyCiv AISI (2016) και AS4600 (2018) ολοκληρωμένες ενότητες σχεδιασμού.

Στην ενότητα ανάλυσης ελαστικού λυγισμού SkyCiv, υπάρχουν ορισμένες σημαντικές υποθέσεις και εκτιμήσεις που διευκρινίζουμε εδώ. Θα τα διερευνήσουμε παρακάτω:

Πλέγμα στοιχείων

Το πλέγμα των στοιχείων παράγεται αυτόματα και μπορεί να προβληθεί στο δεξιό διάγραμμα, τα φιλέτα χωρίζονται σε 4 στοιχεία, και την ευθεία σε 4 στοιχεία επίσης.

Μήκη ανάλυσης

Τα μήκη που χρησιμοποιούνται για την εκτέλεση της ανάλυσης πεπερασμένης λωρίδας ορίζονται από προεπιλογή ως ένας λογαριθμικός χώρος από 0 έως 10^3 στο αυτοκρατορικό σύστημα μονάδων και από 0 έως 10^3,5 στο μετρικό σύστημα.

Συνθήκες φόρτωσης

Υπολογίζουμε την καμπύλη υπογραφής για 5 διαφορετικές συνθήκες φορτίου:

• Αξονικό φορτίο
• Ροπή κάμψης στον άξονα Χ, θετικός
• Ροπή κάμψης στον άξονα Χ, αρνητικός
• Ροπή κάμψης στον άξονα Υ, θετικός
• Ροπή κάμψης στον άξονα Υ, αρνητικός

Οριακές Συνθήκες

Η ανάλυση πραγματοποιείται με την προϋπόθεση ότι το μοντέλο είναι καρφιτσωμένο και ελεύθερο να παραμορφώνεται και στα δύο άκρα.

Καμπύλη υπογραφής

Η καμπύλη υπογραφής κατασκευάζεται χρησιμοποιώντας τη συμβατική μέθοδο πεπερασμένης ταινίας, Το Fy είναι κανονικοποιημένο (Fy = 1) οπότε οι συντελεστές φορτίου παρουσιάζονται σε μονάδες πίεσης (MPa ή ksi σύμφωνα με το σύστημα μονάδας).

Επιλογή Συντελεστή Φορτίου

Γενικά, οι συντελεστές φορτίου είναι τα τοπικά ελάχιστα σημεία στην καμπύλη υπογραφής, το πρώτο που αντιπροσωπεύει τον κρίσιμο συντελεστή φορτίου για τον τοπικό λυγισμό και το δεύτερο αντιπροσωπεύει τον κρίσιμο συντελεστή φορτίου για τον λυγισμό παραμόρφωσης. Ο προσδιορισμός του συντελεστή συνολικού φορτίου από την καμπύλη υπογραφής είναι μια δύσκολη εργασία, καθώς δεν υπάρχει τοπικό ελάχιστο σημείο στην καμπύλη υπογραφής. Έτσι, η καταλληλότερη λύση είναι η χρήση των τοπικών και παραμορφωτικών συντελεστών φορτίου λυγισμού από μια ανάλυση πεπερασμένης λωρίδας και του παγκόσμιου συντελεστή λυγισμού χρησιμοποιώντας τους κλασικούς τύπους.

Χρησιμοποιούμε έναν αλγόριθμο για να βρούμε και να ταξινομήσουμε τους συντελεστές φορτίου στην καμπύλη υπογραφής. Ωστόσο, Αυτό δεν εξασφαλίζει σωστή ταξινόμηση σε όλες τις περιπτώσεις, και αυτό δεν αντικαθιστά την κρίση της μηχανικής, ενθαρρύνουμε τον χρήστη να ελέγξει τις τιμές και να τις τροποποιήσει εάν είναι απαραίτητο πριν από την υποβολή.

 

Υπολογιστής SkyCiv FSM: Οδηγός βήμα προς βήμα

Για να χρησιμοποιήσετε τη μονάδα FSM, πρέπει να αποκτήσετε πρόσβαση στο εργαλείο δημιουργίας ενοτήτων και να επιλέξετε την ενότητα που θέλετε να αναλύσετε. Το τμήμα πρέπει να συμμορφώνεται με τις ακόλουθες απαιτήσεις προς ανάλυση:

1. Το τμήμα πρέπει να είναι ψυχρής μορφοποίησης (μπορείτε να το ρυθμίσετε στη "Διαδικασία κατασκευής").
2. Η ενότητα πρέπει να είναι ένα ανοιχτό σχήμα από μια βάση δεδομένων ή ένα πρότυπο των σχημάτων, Κανάλι, Κανάλι με χείλη, Zee, Ζεε με χείλη, ή καπέλο.
3. Το πλάτος πρέπει να είναι ομοιόμορφο.

Για να κάνετε την ανάλυση κάντε κλικ στο «Σχεδίαση», «FSM (Ψυχρή Σχηματισμός)".

Εάν η τρέχουσα ενότητα έχει DSM, αποθηκεύονται οι παράγοντες (όπως είναι πολλά από τα τμήματα της βάσης δεδομένων μας), θα σας ζητηθεί να παρακάμψετε τις προηγούμενες τιμές:

Θα δείτε την καμπύλη υπογραφής για την προεπιλεγμένη κατάσταση φόρτωσης (Αξονικός), το πλέγμα διατομής με την αντίστοιχη κατανομή τάσεων, και στα δεξιά ένας πίνακας με τον παράγοντα DSM για όλες τις συνθήκες φορτίου.

Για πλοήγηση μεταξύ των διαφορετικών συνθηκών φορτίου, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε το αναπτυσσόμενο μενού στα αριστερά ή να χρησιμοποιήσετε τα πλήκτρα αριστερού και δεξιού βέλους.

Αυτομάτως, το λογισμικό θα υπολογίσει τα κατάλληλα σημεία στην καμπύλη. Ωστόσο, Αυτό δεν εξασφαλίζει σωστή ταξινόμηση σε όλες τις περιπτώσεις, και αυτό δεν αντικαθιστά τη μηχανική κρίση, επομένως ενθαρρύνουμε τον χρήστη να ελέγξει τις τιμές και να τις τροποποιήσει εάν χρειάζεται κάνοντας κλικ στην καμπύλη για να διαγράψει ή να προσθέσει ένα σημείο πριν από την υποβολή. Οι χρήστες μπορούν επίσης να οπτικοποιήσουν το παραμορφωμένο σχήμα τοποθετώντας τον κέρσορα πάνω από την καμπύλη; το εκτρεπόμενο (το κόκκινο) σχήμα θα εμφανιστεί με το πρωτότυπο (μπλε) σχήμα:

Αφού ελέγξετε όλες τις τιμές, υποβάλετε τα αποτελέσματα κάνοντας κλικ στο υποβάλλουν:

Οι τιμές για αυτό το σχήμα θα αποθηκευτούν και θα χρησιμοποιηθούν στα πρότυπα σχεδιασμού μελών ψυχρής διαμόρφωσης.

βιβλιογραφικές αναφορές

1. Βορειοαμερικανική προδιαγραφή για το σχεδιασμό δομικών μελών από χάλυβα ψυχρής διαμόρφωσης, 2016 Εκδοση, Αμερικανικό Ινστιτούτο Σιδήρου και Χάλυβα.
2. Μέθοδος Άμεσης Δύναμης (DSM) Οδηγός Σχεδιασμού, 2006, Επιτροπή Προδιαγραφών Σχεδιασμού Κατασκευών από Χάλυβα Ψυχρής Μορφοποίησης.
3. Ανάλυση λυγισμού μελών ψυχρής διαμόρφωσης χάλυβα με χρήση CUFSM: συμβατικές και περιορισμένες μεθόδους πεπερασμένης ταινίας, B.W. Schafer και S. Adany, 2006, 18th International Specialty Conference on Cold-Formed Steel Constructures.