Um guia sobre o método de resistência direta para aço formado a frio

O projeto de membros de aço formados a frio é um desafio devido ao complexo comportamento de estabilidade dos membros de paredes finas. Para resolver este problema vários métodos foram desenvolvidos, como o Método de Força Direta (DSM), a abordagem mais flexível e moderna. SkyCiv está empenhada em ajudar a apoiar o DSM, através de recursos como este e software que suporta projetos de aço formado a frio através desta abordagem.

O DSM fornece previsões da resistência dos membros formados a frio sem calcular larguras efetivas [1] (o cálculo de larguras efetivas costuma ser um processo complexo com muitas limitações para analisar formas geométricas complexas). Neste método, o cálculo da resistência crítica à flambagem pode ser realizado em várias abordagens, principalmente o Método de Faixa Finita (FSM) e o Método dos Elementos Finitos (CINCO). Neste guia, vamos explorar:

• Qual é o método de força direta
• Aceitação e Adoção na Indústria
• Método Convencional de Faixa Finita
• Tipos de modo de flambagem
• Quais são os fatores do DSM?
• Método de faixa finita no SkyCiv Section Builder

Qual é o método de força direta (DSM)

A Método de Força Direta (DSM) é uma abordagem de projeto usada predominantemente para a análise e projeto de membros de aço formados a frio. Ao contrário dos métodos tradicionais (como o Método da Largura Efetiva) que dependem do cálculo das propriedades efetivas da seção para levar em conta a flambagem local, o DSM calcula diretamente a força do membro usando seu total, propriedades de seção transversal não reduzida.

Prós e contras do método de força direta

Prós	Contras
Simplifica o processo de design: Reduz a complexidade eliminando cálculos de largura efetivos.	Curva de Aprendizagem: Requer que os engenheiros se familiarizem com novos conceitos e formulações.
Precisão aprimorada: Considera diretamente vários modos de flambagem para previsões precisas de resistência.	Dados históricos limitados: Menos dados empíricos disponíveis para algumas aplicações específicas em comparação com métodos tradicionais.
Aplicação versátil: Adequado para secções transversais complexas e não convencionais.	Dependência de software: Pode exigir ferramentas de software avançadas que não estão prontamente disponíveis para todos os profissionais.
Metodologia Unificada: Fornece uma abordagem consistente em diferentes comportamentos de flambagem.	Conformidade padrão: Nem todos os códigos regionais podem incorporar totalmente as disposições do DSM ainda.
Facilita a inovação: Incentiva o uso de novos materiais e formas devido à sua estrutura adaptável.	Resistência à Mudança: A inércia da indústria pode retardar a adoção, pois os profissionais aderem a métodos familiares.

Adoção e Aceitação:

O DSM é reconhecido e incorporado nos principais padrões internacionais de design, como:

• AISI S100: Especificação Norte-Americana para o Projeto de Membros Estruturais de Aço Formado a Frio.
• AS / NZS 4600: Padrão Australiano/Nova Zelândia para Estruturas de Aço Formadas a Frio.

O DSM também está sendo priorizado como um método futuro ao ser ensinado em universidades e se tornar um método mais comum ensinado em cursos de design formados a frio. Também estamos vendo um aumento no suporte por parte de pacotes de software de análise estrutural e projeto que estão integrando o DSM em seus módulos de projeto.

Contudo, ainda existem alguns obstáculos e desafios no DSM sendo amplamente adotado, uma vez que é um método relativamente novo/não ensinado. A transição dos métodos tradicionais requer treinamento e adaptação, que alguns profissionais podem relutar em empreender.

Método Convencional de Faixa Finita

O FSM foi criado como uma simplificação do FEM, ambos os métodos têm a mesma base teórica, e o FSM também é um método matricial. Ao definir os nós e elementos de uma seção é possível analisar qualquer forma complexa. Isso incentiva a otimização da seção e simplifica o processo de análise.

Várias opções, incluindo ferramentas de código aberto, estão atualmente disponíveis para realizar análises de tiras finitas. Contudo, a integração dessas ferramentas com software de análise e projeto geral tem se mostrado um desafio devido à sua natureza complexa. SkyCiv construiu recentemente uma ferramenta de análise do Método de Faixa Finita que está totalmente integrada em nosso Construtor de Seção Locais canadenses para obter a velocidade do vento como. Esta ferramenta automatiza o cálculo de fatores DSM para seções conformadas a frio padrão e personalizadas, permitindo o projeto de aço DSM de acordo com AISI S100, AS 4600 e outras normas internacionais.

O FSM discretiza a forma transversal da seção em tiras longitudinais [3]. Isso simplifica o problema tradicional de análise 3D com 6 graus de liberdade para um problema com 4 graus de liberdade. As tiras são analisadas em diferentes comprimentos chamados meio comprimento de onda.

Usando as propriedades da seção geométrica, o material, o estresse, e a condição de carga, duas matrizes globais são construídas, a matriz de rigidez elástica (Ke) e a matriz de rigidez geométrica (Kg).

Finalmente, isso representa um problema de decomposição de autovalores, onde os autovalores representam os fatores de carga, e os autovetores contêm a forma deformada.

Tipos de modo de flambagem

As classes de flambagem são organizadas em três grupos principais, global, local, e distorcional, dependendo do tipo de falha.

Flambagem local: Encurvadura que envolve distorção significativa da secção transversal, mas esta distorção inclui apenas rotação, não tradução, nas linhas de dobra internas [2].

Flambagem distorcional: Encurvadura que envolve distorção significativa da secção transversal, mas esta distorção inclui rotação e translação em uma ou mais linhas de dobra internas de um membro [2].

Flambagem global: Encurvadura que não envolve distorção da secção transversal, em vez disso tradução (flexura) e/ou rotação (torção) de toda a seção transversal ocorre [2].

Por esta definição podemos inferir que existe uma forte correlação geométrica entre a classificação da flambagem e a forma deformada, mostramos a deformação para cada ponto da curva de assinatura.

Fatores DSM

Método de faixa finita no SkyCiv Section Builder

SkyCiv tem uma calculadora de método de força direta integrada em nosso Software de análise de seção (SkyCiv Section Builder) que pode calcular automaticamente os principais fatores DSM para qualquer formato de aço formado a frio personalizado. Simplesmente comece a partir do módulo Section Builder carregando uma seção CFS e clicando Projeto -> Aço Forjado a Frio:

Daqui, os fatores DSM serão calculados automaticamente, pronto para o usuário revisar e enviar:

O software é desenvolvido com base no SkyCiv Section Builder, por debaixo Projeto – sem grandes custos iniciais associados ao produto. Os mínimos de flambagem local e distorcional serão detectados automaticamente, no entanto, os usuários podem substituir esses valores. Uma vez submetido, esses fatores serão então usados ​​​​no projeto do SkyCiv AISI (2016) e AS4600 (2018) módulos de design integrado.

No módulo de análise de flambagem elástica SkyCiv, existem algumas hipóteses e considerações importantes que esclarecemos aqui. Vamos explorar isso abaixo:

Malha de elementos

A malha dos elementos é produzida automaticamente e pode ser visualizada no gráfico direito, os filés são divididos em 4 elementos, e a linha reta em 4 elementos também.

Comprimentos de análise

Os comprimentos usados ​​para realizar a análise de Faixa Finita são definidos por padrão como um espaço logarítmico de 0 para 10 ^ 3 no sistema de unidades imperiais e de 0 para 10 ^ 3,5 no sistema métrico.

Condições de carga

Calculamos a curva de assinatura para 5 diferentes condições de carga:

• Carga axial
• Momento fletor no eixo X, positivo
• Momento fletor no eixo X, negativo
• Momento fletor no eixo Y, positivo
• Momento fletor no eixo Y, negativo

Condições Limites

A análise é realizada assumindo que o modelo está preso e livre para deformar em ambas as extremidades.

Curva de Assinatura

A curva de assinatura é construída usando o Método de Faixa Finita convencional, Fy está normalizado (Fy = 1) então os fatores de carga são apresentados em unidades de pressão (MPa ou ksi de acordo com o sistema de unidades).

Seleção do fator de carga

Geralmente, os fatores de carga são os pontos mínimos locais na curva de assinatura, o primeiro representando o fator de carga crítico para encurvadura local e o segundo representando o fator de carga crítico para encurvadura distorcional. Determinar o fator de carga global a partir da curva de assinatura é uma tarefa difícil, pois não existe um ponto mínimo local na curva de assinatura.. Então, a solução mais apropriada é usar os fatores de carga de flambagem local e distorcional de uma análise de Faixa Finita e o fator de flambagem global usando as fórmulas clássicas.

Usamos um algoritmo para encontrar e classificar os fatores de carga na curva de assinatura. Contudo, isso não garante uma classificação correta em todos os casos, e isso não substitui o julgamento de engenharia, encorajamos o usuário a revisar os valores e modificá-los se necessário antes de enviar.

 

Calculadora SkyCiv FSM: Guia passo a passo

Para usar o módulo FSM, você deve acessar o construtor de seções e selecionar a seção que deseja analisar. A seção deve atender aos seguintes requisitos a serem analisados:

1. A seção deve ser formada a frio (você pode configurá-lo em “Processo de Fabricação”).
2. A seção deve ser uma forma aberta de um banco de dados ou um modelo das formas, o canal, Canal com lábios, Zé, Zee com lábios, ou chapéu.
3. A largura deve ser uniforme.

Para realizar a análise clique em “Design”, “FSM (sem grandes custos iniciais associados ao produto)”.

Se a seção atual tiver fatores DSM armazenados (já que muitas de nossas seções de banco de dados são), você será solicitado a substituir os valores anteriores:

Você verá a curva de assinatura para a condição de carga padrão (Axial), a malha da seção com a respectiva distribuição de tensões, e à direita uma tabela com o fator DSM para todas as condições de carga.

Para navegar entre as diferentes condições de carga, você pode usar o menu suspenso à esquerda ou usar as teclas de seta para a esquerda e para a direita.

Automaticamente, o software calculará os pontos apropriados na curva. Contudo, isso não garante uma classificação correta em todos os casos, e isso não substitui o julgamento da engenharia, por isso encorajamos o usuário a revisar os valores e modificá-los se necessário clicando na curva para excluir ou adicionar um ponto antes de enviar. Os usuários também podem visualizar a forma deformada passando o cursor sobre a curva; o desviado (vermelho) a forma será exibida com o original (azul) forma:

Depois de verificar todos os valores, envie os resultados clicando em hip-delete-não usado:

Os valores para essa forma serão armazenados e usados ​​em padrões de projeto de membros formados a frio.

Referências

1. Especificação Norte-Americana para o Projeto de Membros Estruturais de Aço Formado a Frio, 2016 Edição, Instituto Americano de Ferro e Aço.
2. Método de Força Direta (DSM) Guia de projeto, 2006, Comitê de Especificações para Projeto de Membros Estruturais de Aço Formado a Frio.
3. Análise de flambagem de membros de aço formados a frio usando CUFSM: métodos convencionais e restritos de tiras finitas, BW. Schafer e S.. Adany, 2006, 18ª Conferência Internacional Especializada em Estruturas de Aço Formadas a Frio.