1.3 Narzędzia do projektowania zbrojenia

Przebieg pracy i cele

Celem narzędzi do projektowania zbrojenia w CSFM jest pomoc projektantom w efektywnym określeniu położenia i wymaganej ilości prętów zbrojeniowych. W tym procesie użytkownikowi pomagają / prowadzą go następujące narzędzia: obliczenia liniowe oraz optymalizacja topologiczna.

Narzędzia do projektowania zbrojenia uwzględniają bardziej uproszczone modele konstytutywne niż modele stosowane do końcowej weryfikacji konstrukcji. Dlatego zdefiniowanie zbrojenia na tym etapie należy traktować jako projekt wstępny, który zostanie potwierdzony/doprecyzowany podczas etapu końcowej weryfikacji. Zastosowanie różnych narzędzi do projektowania zbrojenia zostanie przedstawione na modelu pokazanym na rys. 3, który obejmuje jeden koniec swobodnie podpartej belki o zmiennej wysokości, obciążonej równomiernie rozłożonym obciążeniem.

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Rys. 3\qquad Model wykorzystany do zilustrowania zastosowania narzędzi do projektowania zbrojenia.}}}$$

Analiza liniowa

Analiza liniowa uwzględnia liniowo-sprężyste właściwości materiałowe i pomija zbrojenie w obszarze betonu. Jest to zatem bardzo szybkie obliczenie, które daje wstępny wgląd w położenie obszarów rozciąganych i ściskanych. Przykład takiego obliczenia przedstawiono na rys. 4.

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Rys. 4\qquad Wyniki z narzędzia analizy liniowej do definiowania układu zbrojenia}}}$$

$$\textsf{\textit{\footnotesize{(czerwony: obszary ściskane, niebieski: obszary rozciągane).}}}$$

Optymalizacja topologiczna

Optymalizacja topologiczna to metoda mająca na celu znalezienie optymalnego rozkładu materiału w danej objętości dla określonej konfiguracji obciążenia. Optymalizacja topologiczna zaimplementowana w Idea StatiCa Detail wykorzystuje liniowy model elementów skończonych. Każdy element skończony może mieć względną gęstość od 0 do 100%, reprezentującą względną ilość zastosowanego materiału. Te gęstości elementów są parametrami optymalizacyjnymi w zagadnieniu optymalizacji. Wynikowy rozkład materiału jest uznawany za optymalny dla danego zestawu obciążeń, jeśli minimalizuje całkowitą energię odkształcenia układu. Z definicji, rozkład optymalny jest również geometrią o największej możliwej sztywności dla danych obciążeń.

Iteracyjny proces optymalizacji rozpoczyna się od jednorodnego rozkładu gęstości. Obliczenia są wykonywane dla wielu całkowitych udziałów objętościowych (20%, 40%, 60% i 80%), co pozwala użytkownikowi wybrać najbardziej praktyczny wynik. Wynikowy kształt składa się z kratownic ze zastrzałami i cięgnami i reprezentuje optymalny kształt dla danych przypadków obciążenia (rys. 5).

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Rys. 5\qquad Wyniki z narzędzia optymalizacji topologicznej przy 20\% i 40\%  efektywnej objętości}}}$$

$$\textsf{\textit{\footnotesize{(czerwony: obszary ściskane, niebieski: obszary rozciągane).}}}$$