작업 흐름 및 목표
CSFM(적합 응력장 방법)에서 철근 설계 도구의 목표는 설계자가 철근의 위치와 필요 철근량을 효율적으로 결정하도록 돕는 것입니다. 이 과정에서 사용자를 지원하고 안내하기 위해 선형 계산과 위상 최적화 도구를 사용할 수 있습니다.
철근 설계 도구는 구조의 최종 검증에 사용되는 모델보다 단순화된 구성 모델을 고려합니다. 따라서 이 단계에서의 철근 정의는 예비 설계로 간주해야 하며, 최종 검증 단계에서 확인하거나 보완해야 합니다. 각 철근 설계 도구의 사용 방법은 Fig. 3의 모델로 설명합니다. 이 모델은 등분포 하중을 받는 변단면 단순 지지 보의 한쪽 단부로 구성됩니다.
Fig. 3Model used to illustrate the use of the reinforcement design tools.
선형 해석
선형 해석은 선형 탄성 재료 특성을 적용하며 콘크리트 영역의 철근은 무시합니다. 따라서 매우 빠른 계산이며, 인장 영역과 압축 영역의 위치를 파악하는 데 도움이 됩니다. 이러한 계산의 예는 Fig. 4에 나타나 있습니다.
Fig. 4Results from the linear analysis tool for defining reinforcement layout
(red: areas in compression, blue: areas in tension).
위상 최적화
위상 최적화는 주어진 하중 조건에서 주어진 체적 내 재료의 최적 분포를 찾는 방법입니다. IDEA StatiCa 상세 모듈에 구현된 위상 최적화는 선형 유한요소 모델을 사용합니다. 각 유한요소는 0에서 100 %까지의 상대 밀도를 가질 수 있으며, 이는 사용되는 재료의 상대적인 양을 나타냅니다. 이러한 요소 밀도가 최적화 문제의 최적화 변수입니다. 시스템의 총 변형률 에너지를 최소화하는 재료 분포는 주어진 하중 조합에 대해 최적인 것으로 간주합니다. 정의상, 최적 분포는 주어진 하중에 대해 가능한 가장 큰 강성을 갖는 형상이기도 합니다.
반복 최적화 과정은 균일한 밀도 분포에서 시작합니다. 계산은 여러 전체 체적 비율(20%, 40%, 60%, 80%)에 대해 수행되며, 사용자는 이 중 가장 실용적인 결과를 선택할 수 있습니다. 결과 형상은 스트럿과 타이로 이루어진 트러스로 구성되며, 주어진 하중 케이스에 대한 최적 형상을 나타냅니다(Fig. 5).
Fig. 5Results from the topology optimization design tool with 20% and 40% effective volume
(red: areas in compression, blue: areas in tension).
