1.3 Công cụ thiết kế cốt thép

Quy trình và mục tiêu

Mục tiêu của các công cụ thiết kế cốt thép trong CSFM (phương pháp trường ứng suất tương thích) là giúp người thiết kế xác định vị trí và lượng thanh cốt thép cần thiết một cách hiệu quả. Các công cụ sau đây hỗ trợ/hướng dẫn người dùng trong quá trình này: tính toán tuyến tính và tối ưu hóa topo.

Các công cụ thiết kế cốt thép sử dụng các mô hình vật liệu đơn giản hơn so với các mô hình dùng cho bước kiểm tra cuối cùng của kết cấu. Do đó, việc bố trí cốt thép ở bước này cần được xem là thiết kế sơ bộ, sẽ được xác nhận/hiệu chỉnh trong bước kiểm tra cuối cùng. Việc sử dụng các công cụ thiết kế cốt thép khác nhau sẽ được minh họa trên mô hình trong Hình 3, gồm một đầu của dầm giản đơn có chiều cao thay đổi chịu tải trọng phân bố đều.

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

Phân tích tuyến tính

Phân tích tuyến tính sử dụng các đặc trưng vật liệu đàn hồi tuyến tính và bỏ qua cốt thép trong vùng bê tông. Do đó, đây là phép tính rất nhanh, cho cái nhìn đầu tiên về vị trí của các vùng kéo và vùng nén. Một ví dụ về phép tính này được thể hiện trong Hình 4.

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

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

Tối ưu hóa topo

Tối ưu hóa topo là phương pháp nhằm tìm ra sự phân bố vật liệu tối ưu trong một thể tích cho trước ứng với một cấu hình tải trọng nhất định. Tối ưu hóa topo được triển khai trong Idea StatiCa Detail sử dụng mô hình phần tử hữu hạn tuyến tính. Mỗi phần tử hữu hạn có thể có mật độ tương đối từ 0 đến 100 %, biểu thị lượng vật liệu tương đối được sử dụng. Các mật độ phần tử này là các tham số tối ưu hóa trong bài toán tối ưu. Sự phân bố vật liệu thu được được coi là tối ưu cho tổ hợp tải trọng đã cho nếu nó làm cực tiểu tổng năng lượng biến dạng của hệ. Theo định nghĩa, sự phân bố tối ưu cũng là hình dạng hình học có độ cứng lớn nhất có thể đối với các tải trọng đã cho.

Quá trình tối ưu hóa lặp bắt đầu với sự phân bố mật độ đồng nhất. Phép tính được thực hiện cho nhiều tỷ lệ thể tích tổng (20%, 40%, 60% và 80%), cho phép người dùng chọn kết quả thực tế nhất. Hình dạng thu được gồm các dàn với thanh chống và giằng, và biểu thị hình dạng tối ưu cho các trường hợp tải trọng đã cho (Hình 5).

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

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