1.3 Narzędzia do projektowania zbrojenia

Przebieg pracy i cele

Celem narzędzi do projektowania zbrojenia w metodzie CSFM jest pomoc projektantom w efektywnym określaniu lokalizacji i wymaganej ilości prętów zbrojeniowych. W tym procesie dostępne są następujące narzędzia wspomagające użytkownika: obliczenia liniowe oraz optymalizacja topologii.

Narzędzia do projektowania zbrojenia stosują uproszczone modele konstytutywne w porównaniu z modelami używanymi do ostatecznej weryfikacji konstrukcji. Dlatego definicję zbrojenia na tym etapie należy traktować jako wstępny projekt, który zostanie potwierdzony/doprecyzowany podczas etapu ostatecznej weryfikacji. Zastosowanie poszczególnych narzędzi do projektowania zbrojenia zostanie przedstawione na modelu pokazanym na Rys. 3, który obejmuje jeden koniec belki swobodnie podpartej o zmiennej wysokości, obciążonej równomiernie rozłożonym obciążeniem.

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

Analiza liniowa

Analiza liniowa uwzględnia liniowo sprężyste właściwości materiałowe i pomija zbrojenie w obszarze betonu. Jest to zatem bardzo szybkie obliczenie, które dostarcza wstępnych informacji o lokalizacji stref rozciąganych i ściskanych. Przykład takiego obliczenia przedstawiono 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 mająca na celu znalezienie optymalnego rozkładu materiału w danej objętości dla określonej konfiguracji obciążeń. Optymalizacja topologii zaimplementowana w Idea StatiCa Detail wykorzystuje liniowy model elementów skończonych. Każdy element skończony może mieć względną gęstość od 0 do 100%, reprezentującą względną ilość użytego materiału. Gęstości elementów stanowią parametry optymalizacji w zadaniu optymalizacyjnym. Wynikowy rozkład materiału uznaje się za optymalny dla danego zestawu obciążeń, jeśli minimalizuje całkowitą energię odkształcenia układu. Z definicji optymalny rozkład jest jednocześnie geometrią o największej możliwej sztywności dla danych obciążeń.

Iteracyjny proces optymalizacji rozpoczyna się od jednorodnego rozkładu gęstości. Obliczenia są wykonywane dla kilku wartości całkowitego udziału objętościowego (20%, 40%, 60% i 80%), co pozwala użytkownikowi wybrać najbardziej praktyczny wynik. Wynikowy kształt składa się z kratownic z krzyżulcami ściskanymi i cięgnami i reprezentuje optymalny kształt dla danych przypadków obciążeń (Rys. 5).

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

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