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. Om dit probleem aan te pakken zijn er verschillende methoden ontwikkeld, zoals de Directe Sterkte Methode (DSM), de meest flexibele en moderne aanpak. SkyCiv is committed to help supporting DSM, through resources such as this and software that supports cold formed steel design through this approach.
De DSM geeft voorspellingen van de sterkte van koudgevormde elementen zonder de effectieve breedte te berekenen [1] (Het berekenen van effectieve breedten is vaak een complex proces met veel beperkingen bij het analyseren van complexe geometrische vormen). Bij deze methode, the calculation of critical buckling strength can be carried out in various approaches, voornamelijk de eindige stripmethode (FSM) en de Eindige Elementenmethode (VIJF). In deze gids, wij zullen verkennen:
- Wat is de directe sterktemethode
- Acceptance and Adoption in the Industry
- Conventionele eindige stripmethode
- Buckling Mode Types
- What are the DSM Factors?
- Eindige stripmethode in SkyCiv Section Builder
Wat is de directe sterktemethode (DSM)
De Directe sterktemethode (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
| Voordelen | Nadelen |
|---|---|
| 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, zoals:
- AISI S100: Noord-Amerikaanse specificatie voor het ontwerp van koudgevormde stalen constructiedelen.
- 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.
Echter, 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.
Conventionele eindige stripmethode
De FSM is gemaakt als een vereenvoudiging van de FEM, beide methoden hebben dezelfde theoretische achtergrond, 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. Dit stimuleert sectie-optimalisatie en vereenvoudigt het analyseproces.
Verschillende opties, inclusief open source-tools, zijn momenteel beschikbaar om Finite Strip-analyse uit te voeren. Echter, 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 Sectiebouwer software. This tool automates calculation of DSM factors for standard and custom cold-formed sections, allowing for DSM steel design in accordance with AISI S100, ALS 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 graden van vrijheid. The strips are analyzed for different lengths called half-wavelength.
Gebruik van de geometrische doorsnede-eigenschappen, het materiaal, de spanningen, en de belastingstoestand, Er worden twee globale matrices geconstrueerd, de elastische stijfheidsmatrix (Wanneer) en de geometrische stijfheidsmatrix (kg).
Uiteindelijk, dit vertegenwoordigt een eigenwaarde-ontbindingsprobleem, waarbij de eigenwaarden de belastingsfactoren vertegenwoordigen, en de eigenvectoren bevatten de vervormde vorm.
Buckling Mode Types
De knikklassen zijn onderverdeeld in drie hoofdgroepen, globaal, lokaal, en vervormend, afhankelijk van het type storing.
Lokale knik: Knik die aanzienlijke vervorming van de dwarsdoorsnede met zich meebrengt, maar deze vervorming omvat alleen rotatie, geen vertaling, bij de interne vouwlijnen [2].
Vervormende knik: Knik die aanzienlijke vervorming van de dwarsdoorsnede met zich meebrengt, maar deze vervorming omvat rotatie en translatie op een of meer interne vouwlijnen van een onderdeel [2].
Mondiale knik: Knik waarbij geen sprake is van vervorming van de doorsnede, in plaats daarvan vertaling (buiging) en/of rotatie (torsie) van de gehele doorsnede plaatsvindt [2].
Uit deze definitie kunnen we afleiden dat er een sterke geometrische correlatie bestaat tussen de knikclassificatie en de vervormde vorm, we tonen de vervormden voor elk punt van de handtekeningcurve.
DSM Factors
The DSM relies on specific factors to account for the effects of different buckling modes and to calculate the ultimate strength of cold-formed steel members. These factors are central to the method and are tied to the member’s behavior under local, distortional, and global buckling. These are the factors that are auto calculated by the SkyCiv DSM Calculator.
Critical Buckling Stresses or Loads
These factors represent the elastic buckling limits of the member and are used to determine the mode of failure and its influence on strength:
- P.Instellingen voor buiging-torsieknik: Elastic global buckling load (bijv., buigzaam, torsie, or flexural-torsional buckling), Opmerking: this factor is calculated in the design-specific module, bijv. AISI
- P.crl: Elastic critical load for local buckling.
- P.crd: Elastic critical load for distortional buckling.
- MInstellingen voor buiging-torsieknik: Elastic critical moment for global buckling in bending, Opmerking: this factor is calculated in the design-specific module, bijv. AISI
- Mcrl: Elastic critical moment for local buckling in bending.
- Mcrd: Elastic critical moment for distortional buckling in bending.
These critical values are typically calculated using eigenvalues in the FSM or approximate analytical formulas. Notitie: these can be in either direction for non-symmetrical sections, so the section may have different factors for both positive/negative directions, such as in the SkyCiv DSM calculator shown below.
Eindige stripmethode in SkyCiv Section Builder
SkyCiv has a Direct Strength Method Calculator built into our Section Analysis Software (SkyCiv Sectiebouwer) 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 -> Koudgevormd staal:
Vanaf hier, the DSM factors will be automatically calculated, ready for the user to review and submit:
De software is bovenop de SkyCiv Section Builder gebouwd, onder Ontwerp – Koud gevormd. De lokale en vervormende knikminima worden automatisch gedetecteerd, gebruikers kunnen deze waarden echter overschrijven. Eenmaal ingediend, deze factoren zullen vervolgens worden gebruikt in het ontwerp voor de SkyCiv AISI (2016) en AS4600 (2018) geïntegreerde ontwerpmodules.
In SkyCiv module voor elastische knikanalyse, er zijn enkele belangrijke hypothesen en overwegingen die we hier verduidelijken. We zullen deze hieronder onderzoeken:
Netwerk van elementen
The mesh of the elements is produced automatically and can be viewed in the right chart, de filets worden in stukken verdeeld 4 elementen, en de rechte lijn erin 4 elementen ook.
Analyse lengtes
De lengtes die worden gebruikt om de eindige stripanalyse uit te voeren, worden standaard gedefinieerd als een logaritmische ruimte 0 tot 10^3 in het imperiale eenhedensysteem en vanaf 0 tot 10^3,5 in het metrieke stelsel.
Laadomstandigheden
We berekenen de handtekeningcurve voor 5 verschillende belastingsomstandigheden:
- Axiale belasting
- Buigmoment in de X-as, positief
- Buigmoment in de X-as, negatief
- Buigmoment in de Y-as, positief
- Buigmoment in de Y-as, negatief
Randvoorwaarden
De analyse wordt uitgevoerd in de veronderstelling dat het model vastgezet is en aan beide uiteinden vrij is om te kromtrekken.
Kenmerkende curve
De signatuurcurve wordt geconstrueerd met behulp van de conventionele Finite Strip-methode, Fy is genormaliseerd (Fy = 1) dus de belastingsfactoren worden weergegeven in drukeenheden (MPa of ksi volgens het eenheidssysteem).
Selectie van de belastingsfactor
Over het algemeen, de belastingsfactoren zijn de lokale minimumpunten in de signatuurcurve, de eerste vertegenwoordigt de kritische belastingsfactor voor lokale knik en de tweede vertegenwoordigt de kritische belastingsfactor voor vervormende knik. Het bepalen van de globale belastingsfactor uit de signatuurcurve is een moeilijke taak, aangezien er geen lokaal minimumpunt in de signatuurcurve bestaat. Dus, de meest geschikte oplossing is om de lokale en vervormende knikbelastingsfactoren uit een Finite Strip-analyse en de globale knikfactor te gebruiken met behulp van de klassieke formules.
We gebruiken een algoritme om de belastingsfactoren in de handtekeningcurve te vinden en te classificeren. Echter, this does not ensure a correct classification in all the cases, and this does not replace the engineering judgment, we moedigen de gebruiker aan om de waarden te controleren en indien nodig aan te passen voordat deze worden verzonden.
Referenties
- Noord-Amerikaanse specificatie voor het ontwerp van koudgevormde stalen constructiedelen, 2016 zal overwegen C, Amerikaans IJzer- en Staalinstituut.
- Directe sterktemethode (DSM) Ontwerpgids, 2006, Comité voor specificaties voor het ontwerp van koudgevormde stalen constructiedelen.
- Knikanalyse van koudgevormde stalen onderdelen met behulp van CUFSM: conventionele en beperkte eindige stripmethoden, BW. Schafer en S. Adany, 2006, 18e Internationale Specialiteitconferentie over koudgevormde staalconstructies.
