1.3 เครื่องมือออกแบบสำหรับเหล็กเสริม

ขั้นตอนการทำงานและเป้าหมาย

เป้าหมายของเครื่องมือออกแบบเหล็กเสริมใน CSFM คือช่วยให้ผู้ออกแบบกำหนดตำแหน่งและปริมาณเหล็กเสริมที่ต้องการได้อย่างมีประสิทธิภาพ เครื่องมือต่อไปนี้ช่วยแนะนำผู้ใช้ในขั้นตอนนี้ ได้แก่ การคำนวณเชิงเส้นและการหาค่าเหมาะสมที่สุดเชิงโทโพโลยี

เครื่องมือออกแบบเหล็กเสริมใช้แบบจำลองเชิงองค์ประกอบ (constitutive model) ที่ง่ายกว่าแบบจำลองที่ใช้ในการตรวจสอบขั้นสุดท้ายของโครงสร้าง ดังนั้น การกำหนดเหล็กเสริมในขั้นตอนนี้จึงควรถือเป็นการออกแบบเบื้องต้น เพื่อยืนยันหรือปรับปรุงในขั้นตอนการตรวจสอบขั้นสุดท้าย การใช้งานเครื่องมือออกแบบเหล็กเสริมแต่ละแบบจะแสดงด้วยแบบจำลองในรูปที่ 3 ซึ่งเป็นปลายด้านหนึ่งของคานรับน้ำหนักแบบช่วงเดียวที่มีความลึกแปรผัน และรับแรงกระทำแบบแผ่กระจายสม่ำเสมอ

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

การวิเคราะห์เชิงเส้น

การวิเคราะห์เชิงเส้นใช้คุณสมบัติวัสดุแบบยืดหยุ่นเชิงเส้น และไม่คำนึงถึงเหล็กเสริมในบริเวณ Concrete จึงเป็นการคำนวณที่รวดเร็วมาก และให้ข้อมูลเบื้องต้นเกี่ยวกับตำแหน่งของบริเวณที่รับแรงดึงและแรงอัด ตัวอย่างของการคำนวณดังกล่าวแสดงในรูปที่ 4

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

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

การหาค่าเหมาะสมที่สุดเชิงโทโพโลยี

การหาค่าเหมาะสมที่สุดเชิงโทโพโลยีเป็นวิธีที่มุ่งหาการกระจายตัวของวัสดุที่เหมาะสมที่สุดในปริมาตรที่กำหนด สำหรับรูปแบบแรงกระทำที่กำหนด การหาค่าเหมาะสมที่สุดเชิงโทโพโลยีที่ใช้ใน Idea StatiCa Detail ใช้แบบจำลอง Finite Element เชิงเส้น แต่ละ Element อาจมีความหนาแน่นสัมพัทธ์ตั้งแต่ 0 ถึง 100 % ซึ่งแสดงปริมาณวัสดุที่ใช้เมื่อเทียบกัน ความหนาแน่นของ Element เหล่านี้คือพารามิเตอร์การหาค่าเหมาะสมที่สุดในปัญหาการหาค่าเหมาะสมที่สุด การกระจายตัวของวัสดุที่ได้ถือว่าเหมาะสมที่สุดสำหรับชุดแรงกระทำที่กำหนด หากทำให้พลังงานความเครียดรวมของระบบมีค่าน้อยที่สุด โดยนิยามแล้ว การกระจายตัวที่เหมาะสมที่สุดยังเป็นรูปทรงที่มีความแข็งสูงสุดเท่าที่เป็นไปได้สำหรับแรงกระทำที่กำหนดอีกด้วย

กระบวนการหาค่าเหมาะสมที่สุดแบบวนซ้ำเริ่มต้นด้วยการกระจายความหนาแน่นแบบสม่ำเสมอ การคำนวณดำเนินการสำหรับสัดส่วนปริมาตรรวมหลายค่า (20%, 40%, 60% และ 80%) ซึ่งช่วยให้ผู้ใช้เลือกผลลัพธ์ที่ใช้งานได้จริงที่สุด รูปทรงที่ได้ประกอบด้วยโครงข่ายที่มีค้ำยันและตัวดึง และแสดงรูปทรงที่เหมาะสมที่สุดสำหรับกรณีแรงกระทำที่กำหนด (รูปที่ 5)

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

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