1.3 Công cụ thiết kế cốt thép

Quy trình làm việc và mục tiêu

Mục tiêu của các công cụ thiết kế cốt thép trong CSFM (phương pháp trường ứng suất tương thích) là giúp các kỹ sư thiết kế xác định vị trí và lượng cốt thép cần thiết một cách hiệu quả. Các công cụ sau đây có sẵn để 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 hóa hơn so với các mô hình được dùng trong kiểm tra tiêu chuẩn cuối cùng của kết cấu. Do đó, việc xác định cốt thép trong bước này nên được coi là thiết kế sơ bộ, cần được xác nhận/tinh chỉnh trong bước kiểm tra tiêu chuẩn cuối cùng. Việc sử dụng các công cụ thiết kế cốt thép khác nhau sẽ được minh họa trên mô hình thể hiện trong Hình 3, bao gồm một đầu của dầm đơn giản 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 thuộc tính vật liệu đàn hồi tuyến tính và bỏ qua cốt thép trong vùng bê tông. Do đó, đây là phép tính rất nhanh, cung cấp cái nhìn ban đầu về vị trí các vùng chịu kéo và chịu nén. Một ví dụ về phép tính như vậy 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 với một cấu hình tải trọng nhất định. Tối ưu hóa topo được tích hợp 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%, đại diện cho 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 kết quả được coi là tối ưu cho tập hợp tải trọng cho trước nếu nó tối thiểu hóa tổng năng lượng biến dạng của hệ. Theo định nghĩa, phân bố tối ưu cũng là hình dạng có độ cứng lớn nhất có thể đối với các tải trọng cho trước.

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

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

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