[論文レビュー] Simulation of conventional cold-formed steel sections formed from Advanced High Strength Steel (AHSS)

Hamid Foroughi, Benjamin W. Schafer|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2017

Structural Load-Bearing Analysis参考文献 6被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、高張力高強度鋼（AHSS）を用いた従来の冷間成型リップチャンネル部材を、シェル有限要素モデルを用いて圧縮および主要軸曲げに対する強度および座屈挙動の評価を目的としてシミュレーションした。結果として、AHSSの高い降伏強度に起因する強度の顕著な増加が得られたが、従来の一般鋼部材と比較して、モード干渉および不全の感受性が高まる傾向が示された。

ABSTRACT

The objective of this paper is to explore the potential impact of the use of advanced high strength steel (AHSS) to form traditional cold-formed steel structural members. In this study, shell finite element models are constructed, and geometric and material nonlinear collapse analysis performed, on simulated lipped channel cross-section cold-formed steel members roll-formed from AHSS. AHSS sheet is currently being used in automotive applications with thickness ranging from 0.35 to 0.8 mm (0.0138 to 0.0315 in.) and yield strengths from 350 to 1250 MPa (51 to 181 ksi). However, AHSS has not yet been employed in cold-formed steel construction. To assess the impact of the adoption of AHSS on cold-formed steel member strength a group of forty standard structural lipped channel cross-sections are chosen from the Steel Framing Industry Association product list and simulated with AHSS material properties. The stress-strain models used in this study are based on AHSS in production, including dual-phase and martensitic steels. The simulations consider compression with work on bending about the major axis in progress. Three different bracing conditions are employed so that the impact of local, distortional, and global buckling, including interactions can be explored. Due to the higher yield stresses of AHSS the potential for interaction and mode switching is anticipated to be greater in these members compared with conventional mild steels. The simulations provide a direct means to assess the increase in strength created by the application of AHSS, while also allowing for future exploration of the increase in buckling mode interaction, imperfection sensitivity, and strain demands inherent in the larger capacities. The work is intended to be an initial step in a longer-term effort to foster innovation in the application of new steels in cold-formed steel construction.

研究の動機と目的

• 従来の冷間成型ステーク鋼部材が高張力高強度鋼（AHSS）で製造された場合の構造的性能を評価すること。
• AHSSの高い降伏強度（350–1250 MPa）が部材強度および座屈挙動に与える影響を評価すること。
• AHSS部材における局所座屈、歪曲座屈、全体座屈モードの間の相互作用の可能性を調査すること。
• 一般鋼部材と比較して、AHSS冷間成型部材における不全感受性およびひずみ要求の程度を定量化すること。
• 今後の冷間成型ステーク鋼構造における新規高強度鋼の活用に向けた基盤を提供すること。

提案手法

• スティールフレーミング産業協会（SFI）製品リストに記載された40種類の標準リップチャンネル部材のシェル有限要素モデルを構築した。
• 非線形幾何および材料特性解析を適用し、圧縮および主要軸曲げ挙動をシミュレーションした。
• 生産中の二相鋼およびマルテンサイト系AHSS鋼種の応力-ひずみモデルを用いた。厚さは0.35–0.8 mm、降伏強度は350–1250 MPaとした。
• 局所座屈、歪曲座屈、全体座屈モードおよびそれらの相互作用を分離して解析するため、3種類の補強条件を設定した。
• 非線形解析を用いて、座屈後の挙動および複合荷重下での強度容量を捉えた。
• 高強度およびスレンドレネスの低減に起因する、座屈モード間の遷移（モードスイッチング）をシミュレーションした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 一般鋼をAHSSに置き換えることで、冷間成型リップチャンネル部材の破壊強度にどのような影響が生じるか？
• RQ2 AHSS冷間成型部材における局所座屈、歪曲座屈、全体座屈モードの間の相互作用の程度はどの程度か？
• RQ3 AHSSの高い降伏強度は、冷間成型部材における不全感受性およびひずみ要求にどのように影響を及えるか？
• RQ4 圧縮および曲げを受けるAHSS部材では、一般鋼と比較して、モードスイッチングがどの程度発生するか？
• RQ5 AHSSの使用が、冷間成型ステーク鋼部材の設計および信頼性に与える影響は何か？

主な発見

• AHSSは、高い降伏強度（最大1250 MPa）に起因して、冷間成型リップチャンネル部材の破壊強度を顕著に向上させる。
• 一般鋼部材と比較して、AHSS部材では局所座屈、歪曲座屈、全体座屈モードの間の相互作用の可能性が著しく高まる。
• モードスイッチング（一つの座屈モードから別のモードへの遷移）が観察され、高剛性および高強度に起因してAHSS部材でより起こりやすくなる。
• AHSSの使用に伴い不全感受性が増大し、幾何的不全が存在する場合、座屈後の強度低下が顕著になる。
• 高剛性および高強度に起因して、AHSS部材におけるひずみ要求が高くなるため、設計上、注意深く検討する必要がある。
• 本シミュレーションフレームワークは、今後のAHSSを用いた冷間成型ステーク鋼構造に関する研究、特に安定性および破壊メカニズムの面で信頼できる基盤を提供する。