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, the DSM directly computes the member’s strength using its full, unreduced cross-sectional properties.

Pros and Cons of Direct Strength Method

Πλεονεκτήματα	Μειονεκτήματα
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: 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. 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.

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, 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. 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. This tool automates calculation of DSM factors for standard and custom cold-formed sections, allowing for DSM steel design in accordance with AISI S100, ΟΠΩΣ ΚΑΙ 4600 and other international standards.

The FSM discretizes the section’s transversal shape into longitudinal strips [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. Simply start from the Section Builder module by loading in a CFS section and clicking 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, this does not ensure a correct classification in all the cases, and this does not replace the engineering judgment, ενθαρρύνουμε τον χρήστη να ελέγξει τις τιμές και να τις τροποποιήσει εάν είναι απαραίτητο πριν από την υποβολή.

 

SkyCiv FSM Calculator: Step by Step Guide

To use the FSM module, you must access the section builder and select the section you want to analyze. The section must comply with the following requirements to be analyzed:

1. The section must be cold-formed (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, and at the right a table with the DSM factor for all the load conditions.

To navigate between the different load conditions, you can use the dropdown at the left or use left and right arrow keys.

Αυτομάτως, the software will calculate the appropriate points on the curve. Ωστόσο, this does not ensure a correct classification in all the cases, and this does not replace engineering judgment, so we encourage the user to review the values and modify them if necessary by clicking in the curve to delete or add a point before submitting. 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.