1.3 Narzędzia do projektowania zbrojenia

Przebieg prac i cele

Celem narzędzi do projektowania zbrojenia w CSFM jest wsparcie projektantów w efektywnym określaniu rozmieszczenia i wymaganej ilości prętów zbrojeniowych. W tym procesie użytkownik może skorzystać z następujących narzędzi: obliczeń liniowych oraz optymalizacji topologii.

Narzędzia do projektowania zbrojenia uwzględniają bardziej uproszczone modele konstytutywne niż modele stosowane przy końcowej weryfikacji konstrukcji. Dlatego zdefiniowane na tym etapie zbrojenie należy traktować jako wstępny projekt, który zostanie potwierdzony lub doprecyzowany podczas końcowej weryfikacji. Zastosowanie poszczególnych narzędzi do projektowania zbrojenia zostanie przedstawione na modelu pokazanym na rys. 3. Model przedstawia jeden koniec swobodnie podpartej belki o zmiennej wysokości, obciążonej obciążeniem równomiernie rozłożonym.

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 3\qquad Model used to illustrate the use of the reinforcement design tools.}}}$$

Analiza liniowa

Analiza liniowa przyjmuje liniowo sprężyste właściwości materiału i pomija zbrojenie w obszarze betonu. Jest to zatem bardzo szybkie obliczenie, które daje pierwszy wgląd w rozmieszczenie stref rozciąganych i ściskanych. Przykład takiego obliczenia pokazano na rys. 4.

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 4\qquad Results from the linear analysis tool for defining reinforcement layout}}}$$

$$\textsf{\textit{\footnotesize{(red: areas in compression, blue: areas in tension).}}}$$

Optymalizacja topologii

Optymalizacja topologii to metoda, której celem jest znalezienie optymalnego rozkładu materiału w zadanej objętości dla określonej konfiguracji obciążeń. Optymalizacja topologii zaimplementowana w Idea StatiCa Detail wykorzystuje liniowy model oparty na Metodzie Elementów Skończonych. Każdy element skończony może mieć gęstość względną od 0 do 100 %, odpowiadającą względnej ilości użytego materiału. Gęstości elementów są parametrami optymalizacji w zadaniu optymalizacyjnym. Uzyskany rozkład materiału uznaje się za optymalny dla danego zestawu obciążeń, jeśli minimalizuje całkowitą energię odkształcenia układu. Z definicji jest to również geometria o największej możliwej sztywności dla zadanych obciążeń.

Iteracyjny proces optymalizacji rozpoczyna się od jednorodnego rozkładu gęstości. Obliczenia są wykonywane dla kilku całkowitych udziałów objętościowych (20%, 40%, 60% i 80%), co pozwala użytkownikowi wybrać najbardziej praktyczny wynik. Otrzymany kształt składa się z kratownic z krzyżulcami ściskanymi i ściągami i stanowi optymalny kształt dla zadanych przypadków obciążenia (rys. 5).

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5\qquad Results from the topology optimization design tool with 20\% and 40\%  effective volume}}}$$

$$\textsf{\textit{\footnotesize{(red: areas in compression, blue: areas in tension).}}}$$