1.3 Strumenti di progettazione per l'armatura
Flusso di lavoro e obiettivi
L'obiettivo degli strumenti di progettazione dell'armatura nel CSFM è aiutare i progettisti a determinare in modo efficiente la posizione e la quantità necessaria di barre di armatura. I seguenti strumenti sono disponibili per assistere/guidare l'utente in questo processo: calcolo lineare e ottimizzazione topologica.
Gli strumenti di progettazione dell'armatura considerano modelli costitutivi più semplificati rispetto ai modelli utilizzati per la verifica finale della struttura. Pertanto, la definizione dell'armatura in questa fase deve essere considerata una pre-progettazione da confermare/affinare durante la fase di verifica finale. L'utilizzo dei diversi strumenti di progettazione dell'armatura sarà illustrato nel modello mostrato in Fig. 3, che consiste in un'estremità di una trave semplicemente appoggiata a sezione variabile soggetta a un carico uniformemente distribuito.
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 3\qquad Model used to illustrate the use of the reinforcement design tools.}}}\]
Analisi lineare
L'analisi lineare considera proprietà dei materiali lineari elastiche e trascura l'armatura nella regione in calcestruzzo. È quindi un calcolo molto rapido che fornisce una prima indicazione sulla posizione delle zone di trazione e compressione. Un esempio di tale calcolo è mostrato in Fig. 4.
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 4\qquad Results from the linear analysis tool for defining reinforcement layout}}}\]
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{(red: areas in compression, blue: areas in tension).}}}\]
Ottimizzazione topologica
L'ottimizzazione topologica è un metodo che mira a trovare la distribuzione ottimale del materiale in un dato volume per una determinata configurazione di carico. L'ottimizzazione topologica implementata in Idea StatiCa Detail utilizza un modello a elementi finiti lineare. Ogni elemento finito può avere una densità relativa da 0 a 100%, che rappresenta la quantità relativa di materiale utilizzato. Queste densità degli elementi sono i parametri di ottimizzazione nel problema di ottimizzazione. La distribuzione del materiale risultante è considerata ottimale per il dato insieme di carichi se minimizza l'energia di deformazione totale del sistema. Per definizione, la distribuzione ottimale è anche la geometria che presenta la massima rigidezza possibile per i carichi assegnati.
Il processo di ottimizzazione iterativo inizia con una distribuzione di densità omogenea. Il calcolo viene eseguito per più frazioni di volume totale (20%, 40%, 60% e 80%), consentendo all'utente di selezionare il risultato più pratico. La forma risultante è composta da travature con puntoni e tiranti e rappresenta la forma ottimale per i casi di carico assegnati (Fig. 5).
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5\qquad Results from the topology optimization design tool with 20\% and 40\% effective volume}}}\]
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{(red: areas in compression, blue: areas in tension).}}}\]