1.3 Ontwerptools voor wapening
Workflow en doelstellingen
Het doel van de wapeningstoolsontwerp in de CSFM is om ontwerpers te helpen de locatie en de benodigde hoeveelheid wapeningsstaven efficiënt te bepalen. De volgende tools zijn beschikbaar om de gebruiker in dit proces te helpen/begeleiden: lineaire berekening en topologie-optimalisatie.
Wapeningstoolsontwerp maakt gebruik van vereenvoudigde constitutieve modellen in vergelijking met de modellen die worden gebruikt voor de definitieve verificatie van de constructie. Daarom moet de definitie van de wapening in deze stap worden beschouwd als een voorontwerp dat tijdens de definitieve verificatiestap bevestigd/verfijnd dient te worden. Het gebruik van de verschillende wapeningstoolsontwerp wordt geïllustreerd aan de hand van het model in Fig. 3, dat bestaat uit één uiteinde van een enkelvoudig opgelegde ligger met variabele hoogte, belast door een gelijkmatig verdeelde belasting.
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 3\qquad Model used to illustrate the use of the reinforcement design tools.}}}\]
Lineaire analyse
De lineaire analyse maakt gebruik van lineair elastische materiaaleigenschappen en verwaarloost de wapening in het betongebied. Het is daardoor een zeer snelle berekening die een eerste inzicht geeft in de locaties van trek- en drukgebieden. Een voorbeeld van een dergelijke berekening is weergegeven in Fig. 4.
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 4\qquad Results from the linear analysis tool for defining reinforcement layout}}}\]
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{(red: areas in compression, blue: areas in tension).}}}\]
Topologie-optimalisatie
Topologie-optimalisatie is een methode die tot doel heeft de optimale verdeling van materiaal in een gegeven volume te vinden voor een bepaalde belastingsconfiguratie. De topologie-optimalisatie die is geïmplementeerd in Idea StatiCa Detail maakt gebruik van een lineair eindige-elementenmodel. Elk eindig element kan een relatieve dichtheid hebben van 0 tot 100%, wat de relatieve hoeveelheid gebruikt materiaal vertegenwoordigt. Deze elementdichtheden zijn de optimalisatieparameters in het optimalisatieprobleem. De resulterende materiaaldistributie wordt als optimaal beschouwd voor de gegeven belastingscombinatie als deze de totale vervormingsenergie van het systeem minimaliseert. Per definitie is de optimale verdeling ook de geometrie met de grootst mogelijke stijfheid voor de gegeven belastingen.
Het iteratieve optimalisatieproces begint met een homogene dichtheidsverdeling. De berekening wordt uitgevoerd voor meerdere totale volumefracties (20%, 40%, 60% en 80%), waardoor de gebruiker het meest praktische resultaat kan selecteren. De resulterende vorm bestaat uit vakwerken met drukdiagonalen en trekstaven en vertegenwoordigt de optimale vorm voor de gegeven belastingscombinaties (Fig. 5).
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5\qquad Results from the topology optimization design tool with 20\% and 40\% effective volume}}}\]
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{(red: areas in compression, blue: areas in tension).}}}\]