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. Για την αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος έχουν αναπτυχθεί διάφορες μέθοδοι, όπως η μέθοδος Direct Strength (DSM), την πιο ευέλικτη και σύγχρονη προσέγγιση. SkyCiv is committed to help supporting DSM, through resources such as this and software that supports cold formed steel design through this approach.

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, the calculation of critical buckling strength can be carried out in various approaches, κυρίως η μέθοδος πεπερασμένης ταινίας (FSM) και τη μέθοδο πεπερασμένων στοιχείων (ΠΕΝΤΕ). Σε αυτόν τον οδηγό, θα εξερευνήσουμε:

• Τι είναι η Μέθοδος Άμεσης Αντοχής
• Acceptance and Adoption in the Industry
• Συμβατική μέθοδος πεπερασμένης ταινίας
• Buckling Mode Types
• What are the DSM Factors?
• Μέθοδος πεπερασμένης ταινίας στο SkyCiv Section Builder

Τι είναι η Μέθοδος Άμεσης Αντοχής (DSM)

ο Μέθοδος Άμεσης Δύναμης (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

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: 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, όπως:

• AISI S100: Βορειοαμερικανική προδιαγραφή για το σχεδιασμό δομικών μελών από χάλυβα ψυχρής διαμόρφωσης.
• 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.

Ωστόσο, 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.

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, 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 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]. This simplifies the traditional 3D analysis problem with 6 degrees of freedom to a problem with 4 βαθμοί ελευθερίας. The strips are analyzed for different lengths called half-wavelength.

Using the geometrical section properties, το υλικό, the stresses, and the load condition, two global matrices are constructed, the elastic stiffness matrix (Ke) and the geometric stiffness matrix (Kg).

Τελικά, this represents an eigenvalue decomposition problem, όπου οι ιδιοτιμές αντιπροσωπεύουν τους συντελεστές φορτίου, και τα ιδιοδιανύσματα περιέχουν το παραμορφωμένο σχήμα.

Buckling Mode Types

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.

DSM Factors

Μέθοδος πεπερασμένης ταινίας στο SkyCiv Section Builder

SkyCiv has a Direct Strength Method Calculator built into our Section Analysis Software (Οικοδόμος ενότητας SkyCiv) 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 -> Κρύος χάλυβας:

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

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

The mesh of the elements is produced automatically and can be viewed in the right chart, 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.

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.