Un guide sur la méthode de résistance directe pour l'acier formé à froid

La conception des éléments en acier formé à froid est un défi en raison du comportement complexe en matière de stabilité des éléments à paroi mince.. Pour résoudre ce problème, plusieurs méthodes ont été développées, comme la méthode de force directe (DSM), l'approche la plus flexible et la plus moderne. SkyCiv s'engage à aider à soutenir DSM, grâce à des ressources telles que celle-ci et des logiciels qui prennent en charge la conception de l'acier formé à froid grâce à cette approche.

Le DSM fournit des prévisions de résistance des éléments formés à froid sans calculer les largeurs efficaces. [1] (le calcul des largeurs efficaces est souvent un processus complexe avec de nombreuses limites pour analyser des formes géométriques complexes). Dans cette méthode, le calcul de la résistance critique au flambement peut être effectué selon différentes approches, principalement la méthode des bandes finies (FSM) et la méthode des éléments finis (CINQ). Dans ce guide, nous allons explorer:

• Quelle est la méthode de force directe
• Acceptation et adoption dans l'industrie
• Méthode conventionnelle de bande finie
• Types de modes de flambage
• Quels sont les facteurs DSM?
• Méthode de bande finie dans SkyCiv Section Builder

Quelle est la méthode de force directe (DSM)

Le Méthode de force directe (DSM) est une approche de conception utilisée principalement pour l'analyse et la conception d'éléments en acier formés à froid. Contrairement aux méthodes traditionnelles (comme la méthode de la largeur effective) qui reposent sur le calcul des propriétés de section efficaces pour tenir compte du flambement local, the DSM directly computes the member’s strength using its full, unreduced cross-sectional properties.

Pros and Cons of Direct Strength Method

Avantages	Les inconvénients
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: Moins de données empiriques disponibles pour certaines applications spécifiques par rapport aux méthodes traditionnelles.
Application polyvalente: Convient aux sections complexes et non conventionnelles.	Dépendance logicielle: Peut nécessiter des outils logiciels avancés qui ne sont pas facilement accessibles à tous les praticiens.
Méthodologie unifiée: Fournit une approche cohérente pour différents comportements de flambement.	Conformité aux normes: Tous les codes régionaux ne peuvent pas encore pleinement intégrer les dispositions du DSM.
Facilite l’innovation: Encourage l'utilisation de nouveaux matériaux et formes grâce à son cadre adaptable.	Résistance au changement: L’inertie de l’industrie peut ralentir l’adoption alors que les praticiens s’en tiennent aux méthodes familières.

Adoption et acceptation:

Le DSM est reconnu et intégré aux principales normes de conception internationales, tel que:

• AISI S100: Spécification nord-américaine pour la conception des éléments de structure en acier formés à froid.
• AS / NZS 4600: Norme australienne/néo-zélandaise pour les structures en acier formées à froid.

Le DSM est également considéré comme une méthode d'avenir en étant enseigné dans les universités et en devenant une méthode plus courante enseignée dans les cours de conception formée à froid.. 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.

Par contre, il existe encore des obstacles et des défis liés à l'adoption généralisée du DSM., puisqu'il s'agit d'une méthode relativement nouvelle/non enseignée. La transition des méthodes traditionnelles nécessite une formation et une adaptation, que certains praticiens peuvent être réticents à entreprendre.

Méthode conventionnelle de bande finie

Le FSM a été créé comme une simplification du FEM, les deux méthodes ont le même fondement théorique, 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. Cela encourage l’optimisation des sections et simplifie le processus d’analyse.

Plusieurs options, y compris des outils open source, sont actuellement disponibles pour effectuer des analyses de bandes finies. Par contre, l'intégration de ces outils avec des logiciels généraux d'analyse et de conception s'est avérée difficile en raison de leur nature complexe. SkyCiv a récemment construit un outil d'analyse de la méthode des bandes finies qui est entièrement intégré à notre Générateur de sections Logiciel. 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]. Cela simplifie le problème d'analyse 3D traditionnel avec 6 degrés de liberté à un problème avec 4 degrés de liberté. Les bandes sont analysées pour différentes longueurs appelées demi-longueur d'onde.

Utilisation des propriétés de section géométrique, le matériel, les stress, et l'état de charge, deux matrices globales sont construites, la matrice de rigidité élastique (Ke) et la matrice de rigidité géométrique (Kilogrammes).

Ensuite, cela représente un problème de décomposition des valeurs propres, où les valeurs propres représentent les facteurs de charge, et les vecteurs propres contiennent la déformée.

Types de modes de flambage

Les cours de flambement sont organisés en trois groupes principaux, global, local, et distorsionnel, selon le type de panne.

Flambage local: Flambage impliquant une distorsion importante de la section transversale, mais cette distorsion n'inclut que la rotation, pas de traduction, au niveau des lignes de pliage internes [2].

Flambage par distorsion: Flambage impliquant une distorsion importante de la section transversale, mais cette distorsion inclut la rotation et la translation au niveau d'une ou plusieurs lignes de pliage internes d'un élément [2].

Flambage global: Flambage n’entraînant pas de distorsion de la section, à la place de la traduction (flexion) et/ou rotation (en torsion) de la section transversale entière se produit [2].

Par cette définition, nous pouvons déduire qu'il existe une forte corrélation géométrique entre la classification du flambement et la forme déformée., on montre les déformées pour chaque point de la courbe signature.

Facteurs DSM

Méthode de bande finie dans SkyCiv Section Builder

SkyCiv dispose d'un calculateur de méthode de force directe intégré à notre Logiciel d'analyse de sections (Générateur de sections SkyCiv) qui peut calculer automatiquement les facteurs DSM clés pour toute forme d'acier formée à froid personnalisée. Simply start from the Section Builder module by loading in a CFS section and clicking Conception -> Acier formé à froid:

D'ici, les facteurs DSM seront automatiquement calculés, prêt à être examiné et soumis par l'utilisateur:

Le logiciel est construit sur SkyCiv Section Builder, en dessous de Conception – Formé à froid. Les minima de flambement local et par distorsion seront automatiquement détectés, cependant, les utilisateurs peuvent remplacer ces valeurs. Une fois soumis, ces facteurs seront ensuite utilisés dans la conception du SkyCiv AISI (2016) et AS4600 (2018) modules de conception intégrés.

Dans le module d'analyse du flambement élastique SkyCiv, il y a quelques hypothèses et considérations importantes que nous clarifions ici. Nous les explorerons ci-dessous:

Maillage d'éléments

Le maillage des éléments est réalisé automatiquement et peut être visualisé dans le diagramme de droite, les filets sont divisés en 4 éléments, et la ligne droite dans 4 des éléments aussi.

Longueurs d'analyse

Les longueurs utilisées pour effectuer l'analyse Bande finie sont définies par défaut comme un espace logarithmique à partir de 0 à 10^3 dans le système d'unités impériales et de 0 à 10 ^ 3,5 dans le système métrique.

Conditions de charge

Nous calculons la courbe de signature pour 5 différentes conditions de charge:

• Charge axiale
• Moment de flexion dans l'axe X, positif
• Moment de flexion dans l'axe X, négatif
• Moment de flexion dans l'axe Y, positif
• Moment de flexion dans l'axe Y, négatif

Conditions aux limites

L'analyse est effectuée en supposant que le modèle est épinglé et libre de se déformer aux deux extrémités..

Courbe de signature

La courbe de signature est construite à l'aide de la méthode conventionnelle des bandes finies., Fy est normalisé (Fy = 1) les facteurs de charge sont donc présentés en unités de pression (MPa ou ksi selon le système d'unités).

Sélection du facteur de charge

En général, les facteurs de charge sont les points minimum locaux dans la courbe de signature, le premier représentant le facteur de charge critique pour le flambement local et le second représentant le facteur de charge critique pour le flambement par distorsion. Déterminer le facteur de charge global à partir de la courbe signature est une tâche difficile car il n'y a pas de point minimum local dans la courbe signature.. Donc, la solution la plus appropriée consiste à utiliser les facteurs de charge de flambement local et par distorsion issus d'une analyse de bandes finies et le facteur de flambement global en utilisant les formules classiques.

Nous utilisons un algorithme pour trouver et classer les facteurs de charge dans la courbe de signature. Par contre, cela ne garantit pas une classification correcte dans tous les cas, and this does not replace the engineering judgment, nous encourageons l'utilisateur à revoir les valeurs et à les modifier si nécessaire avant de les soumettre.

 

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 (vous pouvez le définir dans « Processus de fabrication »).
2. La section doit être une forme ouverte issue d'une base de données ou un modèle de formes, le profilé en C, Canal avec des lèvres, Zee, Zee avec des lèvres, ou un chapeau.
3. La largeur doit être uniforme.

Pour effectuer l'analyse cliquez sur « Conception », "FSM (Formé à froid)".

Si la section actuelle contient des facteurs DSM stockés (car bon nombre de nos sections de bases de données le sont), il vous sera demandé de remplacer les valeurs précédentes:

Vous verrez la courbe de signature pour la condition de charge par défaut (Axial), le maillage de la section avec la répartition des contraintes respective, et à droite un tableau avec le facteur DSM pour toutes les conditions de charge.

Pour naviguer entre les différentes conditions de charge, vous pouvez utiliser la liste déroulante à gauche ou utiliser les touches fléchées gauche et droite.

Automatiquement, le logiciel calculera les points appropriés sur la courbe. Par contre, cela ne garantit pas une classification correcte dans tous les cas, et cela ne remplace pas le jugement technique, nous encourageons donc l'utilisateur à revoir les valeurs et à les modifier si nécessaire en cliquant dans la courbe pour supprimer ou ajouter un point avant de soumettre. Les utilisateurs peuvent également visualiser la forme déformée en passant le curseur sur la courbe; le dévié (rouge) la forme sera affichée avec l'original (bleu) vers le bas:

Après avoir vérifié toutes les valeurs, soumettre les résultats en cliquant sur Soumettre:

Les valeurs de cette forme seront stockées et utilisées dans les normes de conception des éléments formés à froid..

Références

1. Spécification nord-américaine pour la conception des éléments de structure en acier formés à froid, 2016 Édition, Institut américain du fer et de l'acier.
2. Méthode de force directe (DSM) Guide de conception, 2006, Comité des spécifications pour la conception des éléments de structure en acier formés à froid.
3. Analyse de flambement des éléments en acier formés à froid à l'aide du CUFSM: méthodes de bandes finies conventionnelles et contraintes, B.W.. Schäfer et S.. Adany, 2006, 18ème Conférence internationale spécialisée sur les structures en acier formées à froid.