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. 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 is committed to help supporting DSM, through resources such as this and software that supports cold formed steel design through this approach.

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, the calculation of critical buckling strength can be carried out in various approaches, 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
• Acceptance and Adoption in the Industry
• Méthode conventionnelle de bande finie
• Buckling Mode Types
• What are the DSM Factors?
• Méthode de bande finie dans SkyCiv Section Builder

Quelle est la méthode de force directe (DSM)

Le Méthode de force directe (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

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: 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, tel que:

• AISI S100: Spécification nord-américaine pour la conception des éléments de structure en acier formés à froid.
• 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.

Par contre, 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.

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

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

Ensuite, this represents an eigenvalue decomposition problem, où les valeurs propres représentent les facteurs de charge, et les vecteurs propres contiennent la déformée.

Buckling Mode Types

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.

DSM Factors

Méthode de bande finie dans SkyCiv Section Builder

SkyCiv has a Direct Strength Method Calculator built into our Section Analysis Software (Générateur de sections 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 -> Acier formé à froid:

D'ici, the DSM factors will be automatically calculated, ready for the user to review and submit:

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

The mesh of the elements is produced automatically and can be viewed in the right chart, 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, this does not ensure a correct classification in all the cases, 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.

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.