Una guida sul metodo di resistenza diretta per l'acciaio formato a freddo

La progettazione degli elementi in acciaio formati a freddo è impegnativa a causa del complesso comportamento di stabilità degli elementi a pareti sottili. Per affrontare questo problema sono stati sviluppati diversi metodi, come il metodo della forza diretta (DSM), l’approccio più flessibile e moderno. SkyCiv si impegna ad aiutare a supportare DSM, attraverso risorse come questa e software che supportano la progettazione dell'acciaio formato a freddo attraverso questo approccio.

Il DSM fornisce previsioni sulla resistenza degli elementi formati a freddo senza calcolare le larghezze effettive [1] (Il calcolo delle larghezze effettive è spesso un processo complesso con molte limitazioni per analizzare forme geometriche complesse). In questo metodo, il calcolo della resistenza critica all'instabilità può essere effettuato con vari approcci, principalmente il metodo delle strisce finite (FSM) e il metodo degli elementi finiti (CINQUE). In questa guida, esploreremo:

• Cos'è il metodo della forza diretta
• Accettazione e adozione nel settore
• Metodo convenzionale delle strisce finite
• Tipi di modalità di instabilità
• Quali sono i fattori DSM?
• Metodo della striscia finita nel generatore di sezioni SkyCiv

Cos'è il metodo della forza diretta (DSM)

La Metodo della forza diretta (DSM) è un approccio progettuale utilizzato prevalentemente per l'analisi e la progettazione di elementi in acciaio formati a freddo. A differenza dei metodi tradizionali (come il metodo della larghezza effettiva) che si basano sul calcolo delle proprietà efficaci della sezione per tenere conto dell'instabilità locale, il DSM calcola direttamente la forza del membro utilizzando il suo pieno, proprietà trasversali non ridotte.

Pro e contro del metodo della forza diretta

Professionisti	Contro
Semplifica il processo di progettazione: Riduce la complessità eliminando i calcoli della larghezza effettiva.	Curva di apprendimento: Richiede agli ingegneri di acquisire familiarità con nuovi concetti e formulazioni.
Precisione migliorata: Tiene conto direttamente delle varie modalità di instabilità per previsioni precise sulla resistenza.	Dati storici limitati: Meno dati empirici disponibili per alcune applicazioni specifiche rispetto ai metodi tradizionali.
Applicazione versatile: Adatto per sezioni trasversali complesse e non convenzionali.	Dipendenza dal software: Potrebbe richiedere strumenti software avanzati non immediatamente disponibili per tutti i professionisti.
Metodologia unificata: Fornisce un approccio coerente tra diversi comportamenti di instabilità.	Conformità agli standard: Non tutti i codici regionali potrebbero ancora incorporare completamente le disposizioni del DSM.
Facilita l'innovazione: Incoraggia l'uso di nuovi materiali e forme grazie alla sua struttura adattabile.	Resistenza al cambiamento: L’inerzia del settore può rallentare l’adozione poiché i professionisti si attengono a metodi familiari.

Adozione e accettazione:

Il DSM è riconosciuto e incorporato nei principali standard di progettazione internazionali, tra cui:

• AISI S100: Specifiche nordamericane per la progettazione di elementi strutturali in acciaio formati a freddo.
• AS / NZS 4600: Standard australiano/neozelandese per strutture in acciaio formate a freddo.

Anche il DSM viene considerato prioritario come metodo futuro poiché verrà insegnato nelle università e diventerà un metodo più comune insegnato nei corsi di progettazione con stampaggio a freddo. Stiamo anche assistendo a un aumento del supporto da parte dei pacchetti software di analisi strutturale e progettazione che stanno integrando DSM nei loro moduli di progettazione.

Tuttavia, ci sono ancora alcuni ostacoli e sfide nel momento in cui il DSM viene ampiamente adottato, poiché è un metodo relativamente nuovo/non insegnato. La transizione dai metodi tradizionali richiede formazione e adattamento, che alcuni professionisti possono essere riluttanti a intraprendere.

Metodo convenzionale delle strisce finite

Il FSM è stato creato come semplificazione del FEM, entrambi i metodi hanno lo stesso background teorico, e anche il FSM è un metodo a matrice. Definendo i nodi e gli elementi di una sezione è possibile analizzare qualsiasi forma complessa. Ciò incoraggia l'ottimizzazione della sezione e semplifica il processo di analisi.

Diverse opzioni, compresi gli strumenti open source, sono attualmente disponibili per eseguire l'analisi Finite Strip. Tuttavia, l'integrazione di questi strumenti con software di analisi e progettazione generale si è rivelata impegnativa a causa della loro natura complessa. SkyCiv ha recentemente creato uno strumento di analisi del metodo a strisce finite che è completamente integrato nel nostro Generatore di sezioni Software. Questo strumento automatizza il calcolo dei fattori DSM per sezioni formate a freddo standard e personalizzate, consentendo la progettazione in acciaio DSM in conformità con AISI S100, AS 4600 e altri standard internazionali.

La FSM discretizza la forma trasversale della sezione in strisce longitudinali [3]. Ciò semplifica il tradizionale problema dell'analisi 3D 6 gradi di libertà rispetto a un problema 4 gradi di libertà. Le strisce vengono analizzate per diverse lunghezze chiamate semilunghezza d'onda.

Utilizzando le proprietà della sezione geometrica, il materiale, le sollecitazioni, e la condizione di carico, vengono costruite due matrici globali, la matrice di rigidezza elastica (Quando) e la matrice di rigidezza geometrica (Kg).

Infine, questo rappresenta un problema di scomposizione degli autovalori, dove gli autovalori rappresentano i fattori di carico, e gli autovettori contengono la forma deformata.

Tipi di modalità di instabilità

Le classi di instabilità sono organizzate in tre gruppi principali, globale, Locale, e distorsivo, a seconda del tipo di guasto.

Instabilità locale: Instabilità che comporta una significativa distorsione della sezione trasversale, ma questa distorsione include solo la rotazione, non traduzione, alle linee di piega interne [2].

Instabilità distorsiva: Instabilità che comporta una significativa distorsione della sezione trasversale, ma questa distorsione include rotazione e traslazione in una o più linee di piega interne di un membro [2].

Instabilità globale: Instabilità che non comporti distorsione della sezione trasversale, invece la traduzione (flessione) e/o rotazione (torsione) si verifica l'intera sezione trasversale [2].

Da questa definizione possiamo dedurre che esiste una forte correlazione geometrica tra la classificazione dell'instabilità e la forma deformata, mostriamo la deformata per ogni punto della curva della firma.

Fattori del DSM

Metodo della striscia finita nel generatore di sezioni SkyCiv

SkyCiv ha un calcolatore del metodo di forza diretta integrato nel nostro Software di analisi delle sezioni (Il Generatore di Sezioni SkyCiv) che può calcolare automaticamente i fattori DSM chiave per qualsiasi forma personalizzata di acciaio formato a freddo. Inizia semplicemente dal modulo Sezione Builder caricando una sezione CFS e facendo clic Progetto -> Acciaio stampato a freddo:

Da qui, i fattori DSM verranno calcolati automaticamente, pronti per essere esaminati e inviati dall'utente:

Il software è basato su SkyCiv Sezione Builder, sotto Design – Formato a freddo. I minimi di buckling locale e distorsivo verranno rilevati automaticamente, tuttavia gli utenti possono sovrascrivere questi valori. Una volta inviato, questi fattori verranno poi utilizzati nella progettazione dello SkyCiv AISI (2016) e AS4600 (2018) moduli di progettazione integrata.

Nel modulo di analisi dell'instabilità elastica SkyCiv, ci sono alcune ipotesi e considerazioni importanti che qui chiariamo. Esploreremo questi di seguito:

Maglia di elementi

La mesh degli elementi viene prodotta automaticamente ed è visualizzabile nella tabella a destra, i filetti vengono divisi in 4 elementi, e la linea retta dentro 4 anche gli elementi.

Lunghezze di analisi

Le lunghezze utilizzate per eseguire l'analisi Finite Strip sono definite per impostazione predefinita come uno spazio logaritmico da 0 a 10^3 nel sistema di unità imperiali e da 0 a 10^3,5 nel sistema metrico.

Condizioni di carico

Calcoliamo la curva della firma per 5 diverse condizioni di carico:

• Carico assiale
• Momento flettente sull'asse X, positivo
• Momento flettente sull'asse X, negativo
• Momento flettente sull'asse Y, positivo
• Momento flettente sull'asse Y, negativo

Condizioni al contorno

L'analisi viene eseguita presupponendo che il modello sia bloccato e libero di deformarsi su entrambe le estremità.

Curva della firma

La curva della firma viene costruita utilizzando il metodo convenzionale delle strisce finite, Fy è normalizzato (Fy = 1) quindi i fattori di carico sono presentati in unità di pressione (MPa o ksi a seconda del sistema di unità).

Selezione del fattore di carico

Generalmente, i fattori di carico sono i punti minimi locali nella curva di firma, il primo rappresenta il fattore di carico critico per l'instabilità locale e il secondo rappresenta il fattore di carico critico per l'instabilità distorsiva. Determinare il fattore di carico globale dalla curva di firma è un compito difficile poiché non esiste un punto minimo locale nella curva di firma. Quindi, la soluzione più appropriata è utilizzare i fattori di carico di instabilità locale e distorsivo da un'analisi a strisce finite e il fattore di instabilità globale utilizzando le formule classiche.

Utilizziamo un algoritmo per trovare e classificare i fattori di carico nella curva di firma. Tuttavia, ciò non garantisce una classificazione corretta in tutti i casi, e questo non sostituisce il giudizio ingegneristico, invitiamo l'utente a rivedere i valori e modificarli se necessario prima dell'invio.

 

Calcolatore SkyCiv FSM: Guida passo passo

Per utilizzare il modulo FSM, devi accedere al generatore di sezioni e selezionare la sezione che desideri analizzare. Per essere analizzata, la sezione deve soddisfare i seguenti requisiti:

1. La sezione deve essere formata a freddo (puoi impostarlo in "Processo di produzione").
2. La sezione deve essere una forma aperta da un database o un modello delle forme, o scanalatura, Canale con le labbra, Zee, Zee con le labbra, o cappello.
3. La larghezza deve essere uniforme.

Per eseguire l'analisi cliccare su “Design”, “FSM (Formato a freddo)”.

Se la sezione corrente ha i fattori DSM vengono memorizzati (come lo sono molte delle nostre sezioni di database), ti verrà chiesto di sovrascrivere i valori precedenti:

Vedrai la curva della firma per la condizione di carico predefinita (Assiale), la mesh della sezione con la rispettiva distribuzione delle tensioni, e a destra una tabella con il fattore DSM per tutte le condizioni di carico.

Per navigare tra le diverse condizioni di carico, puoi utilizzare il menu a discesa a sinistra o utilizzare i tasti freccia sinistra e destra.

Automaticamente, il software calcolerà i punti appropriati sulla curva. Tuttavia, ciò non garantisce una classificazione corretta in tutti i casi, e questo non sostituisce il giudizio ingegneristico, quindi invitiamo l'utente a rivedere i valori e modificarli se necessario facendo clic sulla curva per eliminare o aggiungere un punto prima dell'invio. Gli utenti possono anche visualizzare la forma deformata posizionando il cursore sulla curva; il deviato (rosso) la forma verrà visualizzata con l'originale (blu) forma:

Dopo aver controllato tutti i valori, inviare i risultati facendo clic su Invia:

I valori per quella forma verranno archiviati e utilizzati negli standard formati a freddo della progettazione dell'elemento.

Riferimenti

1. Specifiche nordamericane per la progettazione di elementi strutturali in acciaio formati a freddo, 2016 Edizione, Istituto americano del ferro e dell'acciaio.
2. Metodo della forza diretta (DSM) Guida alla progettazione, 2006, Comitato per le specifiche per la progettazione di elementi strutturali in acciaio formati a freddo.
3. Analisi di instabilità di elementi in acciaio formati a freddo utilizzando CUFSM: metodi convenzionali e vincolati a strisce finite, B.W. Schafer e S. Adany, 2006, 18esima Conferenza Internazionale Specialistica sulle Strutture in Acciaio Formate a Freddo.