Una guía sobre el método de resistencia directa para acero conformado en frío

El diseño de miembros de acero conformados en frío es un desafío debido al complejo comportamiento de estabilidad de los miembros de paredes delgadas.. Para abordar este problema se han desarrollado varios métodos, como el método de fuerza directa (DSM), el enfoque más flexible y moderno. SkyCiv se compromete a ayudar a respaldar a DSM, a través de recursos como este y software que respalda el diseño de acero conformado en frío a través de este enfoque.

El DSM proporciona predicciones de la resistencia de los miembros conformados en frío sin calcular los anchos efectivos. [1] (El cálculo de anchos efectivos suele ser un proceso complejo con muchas limitaciones para analizar formas geométricas complejas.). En este método, El cálculo de la resistencia crítica al pandeo se puede realizar de varias maneras., principalmente el método de tiras finitas (MEV) y el método de los elementos finitos (CINCO). En esta guía, exploraremos:

• ¿Qué es el método de fuerza directa?
• Aceptación y adopción en la industria
• Método de tira finita convencional
• Tipos de modos de pandeo
• ¿Cuáles son los factores del DSM??
• Método de tira finita en SkyCiv Section Builder

¿Qué es el método de fuerza directa? (DSM)

El Método de fuerza directa (DSM) Es un enfoque de diseño utilizado predominantemente para el análisis y diseño de miembros de acero conformados en frío.. A diferencia de los métodos tradicionales (como el método de ancho efectivo) que se basan en el cálculo de las propiedades efectivas de la sección para tener en cuenta el pandeo local, el DSM calcula directamente la fuerza del miembro utilizando su capacidad total, propiedades de sección transversal no reducidas.

Pros y contras del método de fuerza directa

Pros	Contras
Simplifica el proceso de diseño: Reduce la complejidad al eliminar los cálculos de ancho efectivo.	Curva de aprendizaje: Requiere que los ingenieros se familiaricen con nuevos conceptos y formulaciones..
Precisión mejorada: Tiene en cuenta directamente varios modos de pandeo para predicciones de resistencia precisas..	Datos históricos limitados: Menos datos empíricos disponibles para algunas aplicaciones específicas en comparación con los métodos tradicionales.
Aplicación versátil: Adecuado para secciones transversales complejas y no convencionales.	Dependencia del software: Puede requerir herramientas de software avanzadas que no están disponibles para todos los profesionales..
Metodología unificada: Proporciona un enfoque consistente en diferentes comportamientos de pandeo..	Cumplimiento de estándares: Es posible que todavía no todos los códigos regionales incorporen plenamente disposiciones del DSM.
Facilita la innovación: Fomenta el uso de nuevos materiales y formas debido a su marco adaptable..	Resistencia al cambio: La inercia de la industria puede ralentizar la adopción a medida que los profesionales se apegan a métodos familiares.

Adopción y Aceptación:

El DSM está reconocido e incorporado a los principales estándares de diseño internacionales., como:

• AISI S100: Especificación norteamericana para el diseño de miembros estructurales de acero conformados en frío.
• AS / NZS 4600: Norma australiana/neozelandesa para estructuras de acero conformadas en frío.

También se está dando prioridad al DSM como método futuro al enseñarse en universidades y convertirse en un método más común que se enseña en cursos de diseño conformado en frío.. También estamos viendo un aumento en el soporte de los paquetes de software de diseño y análisis estructural que están integrando DSM en sus módulos de diseño..

sin embargo, Todavía existen algunos obstáculos y desafíos en la adopción generalizada del DSM., ya que es un método relativamente nuevo/no enseñado. La transición desde los métodos tradicionales requiere capacitación y adaptación, que algunos profesionales pueden ser reacios a emprender.

Método de tira finita convencional

El FSM fue creado como una simplificación del FEM., Ambos métodos tienen el mismo fundamento teórico., y el FSM también es un método matricial. Definiendo los nodos y elementos de una sección es posible analizar cualquier forma compleja. Esto fomenta la optimización de la sección y simplifica el proceso de análisis..

Varias opciones, incluyendo herramientas de código abierto, Actualmente están disponibles para realizar análisis de tira finita.. sin embargo, La integración de estas herramientas con software de análisis y diseño general ha resultado un desafío debido a su naturaleza compleja.. SkyCiv ha creado recientemente una herramienta de análisis del método de tiras finitas que está completamente integrada en nuestro Constructor de Sección software. Esta herramienta automatiza el cálculo de factores DSM para secciones conformadas en frío estándar y personalizadas., permitiendo el diseño de acero DSM de acuerdo con AISI S100, AS 4600 y otras normas internacionales.

El FSM discretiza la forma transversal de la sección en franjas longitudinales [3]. Esto simplifica el problema tradicional de análisis 3D con 6 grados de libertad a un problema con 4 grados de libertad. Las tiras se analizan para diferentes longitudes llamadas media longitud de onda..

Usando las propiedades de la sección geométrica, el material, las tensiones, y la condición de carga, Se construyen dos matrices globales., la matriz de rigidez elástica (Ke) y la matriz de rigidez geométrica (kilos).

Finalmente, esto representa un problema de descomposición de valores propios, donde los valores propios representan los factores de carga, y los vectores propios contienen la forma deformada.

Tipos de modos de pandeo

Las clases de pandeo se organizan en tres grupos principales., global, local, y distorsionante, dependiendo del tipo de falla.

pandeo local: Pandeo que implica una distorsión significativa de la sección transversal., pero esta distorsión incluye sólo la rotación, no traducción, en las líneas de pliegue internas [2].

Pandeo distorsional: Pandeo que implica una distorsión significativa de la sección transversal., pero esta distorsión incluye rotación y traslación en una o más líneas de pliegue internas de un miembro [2].

pandeo global: Pandeo que no implica deformación de la sección, en lugar de traducción (flexura) y/o rotación (torsión) de toda la sección transversal ocurre [2].

Por esta definición podemos inferir que existe una fuerte correlación geométrica entre la clasificación de pandeo y la forma deformada., mostramos el deformado para cada punto de la curva de firma.

Factores del DSM

Método de tira finita en SkyCiv Section Builder

SkyCiv tiene una calculadora de método de fuerza directa integrada en nuestro Software de análisis de secciones (SkyCiv Section Builder) que puede calcular automáticamente los factores clave de DSM para cualquier forma personalizada de acero conformado en frío. Simplemente comience desde el módulo Generador de secciones cargando una sección CFS y haciendo clic Diseño -> Acero Conformado en Frío (CF):

De aquí, Los factores DSM se calcularán automáticamente., listo para que el usuario lo revise y envíe:

El software está construido sobre SkyCiv Section Builder, debajo Diseño – Formado en frío. Los mínimos de pandeo local y distorsional se detectarán automáticamente., sin embargo, los usuarios pueden anular estos valores.. Una vez enviado, Estos factores luego se utilizarán en el diseño del SkyCiv AISI. (2016) y AS4600 (2018) módulos de diseño integrados.

En el módulo de análisis de pandeo elástico de SkyCiv, Hay algunas hipótesis y consideraciones importantes que aclaramos aquí.. Exploraremos estos a continuación:

Malla de elementos

La malla de los elementos se produce automáticamente y se puede ver en el gráfico de la derecha., los filetes se dividen en 4 elementos, y la línea recta en 4 elementos también.

Longitudes de análisis

Las longitudes utilizadas para realizar el análisis de tira finita se definen de forma predeterminada como un espacio logarítmico de 0 a 10^3 en el sistema de unidades imperial y de 0 a 10^3.5 en el sistema métrico.

Condiciones de carga

Calculamos la curva de firma para 5 diferentes condiciones de carga:

• carga axial
• Momento flector en el eje X, positivo
• Momento flector en el eje X, negativo
• Momento flector en el eje Y, positivo
• Momento flector en el eje Y, negativo

Condiciones de borde

El análisis se realiza asumiendo que el modelo está fijado y libre de deformarse en ambos extremos..

Curva distintiva

La curva de firma se construye utilizando el método convencional de tiras finitas., Fy está normalizado (Fy = 1) entonces los factores de carga se presentan en unidades de presión (MPa o ksi según el sistema de unidades).

Selección del factor de carga

Generalmente, los factores de carga son los puntos mínimos locales en la curva de firma, el primero representa el factor de carga crítico para pandeo local y el segundo representa el factor de carga crítico para pandeo distorsional.. Determinar el factor de carga global a partir de la curva de firma es una tarea difícil ya que no existe un punto mínimo local en la curva de firma.. Entonces, la solución más adecuada es utilizar los factores de carga de pandeo local y distorsional procedentes de un análisis de Banda Finita y el factor de pandeo global utilizando las fórmulas clásicas.

Usamos un algoritmo para encontrar y clasificar los factores de carga en la curva de firma.. sin embargo, Esto no asegura una clasificación correcta en todos los casos., y esto no reemplaza el juicio de ingeniería, Animamos al usuario a revisar los valores y modificarlos si es necesario antes de enviarlos..

 

Calculadora SkyCiv FSM: Guía paso a paso

Para utilizar el módulo FSM, debes acceder al generador de secciones y seleccionar la sección que deseas analizar. El tramo debe cumplir con los siguientes requisitos para ser analizado:

1. La sección debe estar conformada en frío. (puedes configurarlo en "Proceso de fabricación").
2. La sección debe ser una forma abierta de una base de datos o una plantilla de las formas., Canal, Canal con labios, Zee, Zee con labios, o sombrero.
3. El ancho debe ser uniforme..

Para realizar el análisis haga clic en “Diseño”, “MEV (Formado en frío)".

Si la sección actual tiene factores DSM se almacenan (ya que muchas de nuestras secciones de bases de datos son), Se le pedirá que anule los valores anteriores.:

Verá la curva de firma para la condición de carga predeterminada. (Axial), la malla de la sección con la respectiva distribución de tensiones, y a la derecha una tabla con el factor DSM para todas las condiciones de carga.

Para navegar entre las diferentes condiciones de carga, puedes usar el menú desplegable a la izquierda o usar las teclas de flecha izquierda y derecha.

Automáticamente, el software calculará los puntos apropiados en la curva. sin embargo, Esto no asegura una clasificación correcta en todos los casos., y esto no reemplaza el juicio de ingeniería, por lo que animamos al usuario a revisar los valores y modificarlos si es necesario haciendo clic en la curva para eliminar o agregar un punto antes de enviar. Los usuarios también pueden visualizar la forma deformada colocando el cursor sobre la curva.; el desviado (rojo) La forma se mostrará con el original. (azul) forma:

Después de comprobar todos los valores., envíe los resultados haciendo clic en Enviar:

Los valores para esa forma se almacenarán y utilizarán en los estándares de diseño de miembros conformados en frío..

Referencias

1. Especificación norteamericana para el diseño de miembros estructurales de acero conformados en frío, 2016 Edición, Instituto Americano del Hierro y el Acero.
2. Método de fuerza directa (DSM) Guía de diseño, 2006, Comité de Especificaciones para el diseño de miembros estructurales de acero conformados en frío.
3. Análisis de pandeo de miembros de acero conformados en frío usando CUFSM.: Métodos de tiras finitas convencionales y restringidos., B.W.. Schäfer y S.. adany, 2006, 18ª Conferencia Internacional de Especialidad en Estructuras de Acero Conformadas en Frío.