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. Para resolver este problema vários métodos foram desenvolvidos, como o Método de Força Direta (DSM), a abordagem mais flexível e moderna. SkyCiv is committed to help supporting DSM, through resources such as this and software that supports cold formed steel design through this approach.

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, the calculation of critical buckling strength can be carried out in various approaches, 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
• Acceptance and Adoption in the Industry
• Método Convencional de Faixa Finita
• Buckling Mode Types
• What are the DSM Factors?
• Método de faixa finita no SkyCiv Section Builder

Qual é o método de força direta (DSM)

A Método de Força Direta (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

Prós	Contras
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, como:

• AISI S100: Especificação Norte-Americana para o Projeto de Membros Estruturais de Aço Formado a Frio.
• 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.

Contudo, 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.

Método Convencional de Faixa Finita

O FSM foi criado como uma simplificação do FEM, ambos os métodos têm a mesma base teórica, 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. 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, 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 Construtor de Seção Locais canadenses para obter a velocidade do vento como. 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 graus de liberdade. The strips are analyzed for different lengths called half-wavelength.

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.

Buckling Mode Types

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.

DSM Factors

Método de faixa finita no SkyCiv Section Builder

SkyCiv has a Direct Strength Method Calculator built into our Section Analysis Software (SkyCiv Section Builder) 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 -> Aço Forjado a Frio:

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

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

The mesh of the elements is produced automatically and can be viewed in the right chart, 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, this does not ensure a correct classification in all the cases, and this does not replace the engineering judgment, encorajamos o usuário a revisar os valores e modificá-los se necessário antes de enviar.

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.