1.3 เครื่องมือออกแบบสำหรับเหล็กเสริม

ขั้นตอนการทำงานและเป้าหมาย

เป้าหมายของเครื่องมือออกแบบเหล็กเสริมใน CSFM คือการช่วยให้ผู้ออกแบบสามารถกำหนดตำแหน่งและปริมาณของเหล็กเสริมที่ต้องการได้อย่างมีประสิทธิภาพ เครื่องมือต่อไปนี้มีไว้เพื่อช่วย / แนะนำผู้ใช้ในกระบวนการนี้: การคำนวณเชิงเส้น และ การหาค่าเหมาะสมทางทอพอโลยี

เครื่องมือออกแบบเหล็กเสริมพิจารณาแบบจำลองความสัมพันธ์เชิงองค์ประกอบ (constitutive model) ที่ง่ายกว่าแบบจำลองที่ใช้ในการตรวจสอบขั้นสุดท้ายของโครงสร้าง ดังนั้น การกำหนดเหล็กเสริมในขั้นตอนนี้ควรถือเป็นการออกแบบเบื้องต้นที่จะต้องได้รับการยืนยัน/ปรับปรุงในขั้นตอนการตรวจสอบขั้นสุดท้าย การใช้เครื่องมือออกแบบเหล็กเสริมแบบต่าง ๆ จะแสดงในแบบจำลองที่แสดงในรูปที่ 3 ซึ่งประกอบด้วยปลายด้านหนึ่งของคานช่วงเดียวที่รองรับแบบธรรมดา (simply supported beam) ที่มีความลึกแปรผัน ภายใต้แรงกระทำแบบกระจายสม่ำเสมอ

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

การวิเคราะห์เชิงเส้น

การวิเคราะห์เชิงเส้นพิจารณาคุณสมบัติวัสดุแบบยืดหยุ่นเชิงเส้น (linear elastic) และไม่คำนึงถึงเหล็กเสริมในบริเวณคอนกรีต ดังนั้นจึงเป็นการคำนวณที่รวดเร็วมาก ซึ่งให้ข้อมูลเชิงลึกเบื้องต้นเกี่ยวกับตำแหน่งของบริเวณแรงดึงและแรงอัด ตัวอย่างของการคำนวณดังกล่าวแสดงในรูปที่ 4

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 4\qquad Results from the linear analysis tool for defining reinforcement layout}}}$$

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

การหาค่าเหมาะสมทางทอพอโลยี

การหาค่าเหมาะสมทางทอพอโลยีเป็นวิธีการที่มุ่งค้นหาการกระจายตัวของวัสดุที่เหมาะสมที่สุดในปริมาตรที่กำหนด สำหรับรูปแบบแรงกระทำหนึ่ง ๆ การหาค่าเหมาะสมทางทอพอโลยีที่นำมาใช้ใน Idea StatiCa Detail ใช้แบบจำลอง Finite Element เชิงเส้น แต่ละ Finite Element อาจมีความหนาแน่นสัมพัทธ์ตั้งแต่ 0 ถึง 100% ซึ่งแสดงถึงปริมาณสัมพัทธ์ของวัสดุที่ใช้ ความหนาแน่นขององค์ประกอบเหล่านี้เป็นพารามิเตอร์ในการหาค่าเหมาะสม การกระจายตัวของวัสดุที่ได้จะถือว่าเหมาะสมที่สุดสำหรับชุดของแรงกระทำที่กำหนด หากทำให้พลังงานความเครียดรวมของระบบมีค่าน้อยที่สุด ตามคำนิยาม การกระจายตัวที่เหมาะสมที่สุดยังเป็นรูปทรงที่มีความแข็ง (stiffness) มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้สำหรับแรงกระทำที่กำหนด

กระบวนการหาค่าเหมาะสมแบบวนซ้ำเริ่มต้นด้วยการกระจายความหนาแน่นที่สม่ำเสมอ การคำนวณจะดำเนินการสำหรับสัดส่วนปริมาตรรวมหลายค่า (20%, 40%, 60% และ 80%) ซึ่งช่วยให้ผู้ใช้สามารถเลือกผลลัพธ์ที่เหมาะสมกับการใช้งานจริงมากที่สุด รูปทรงที่ได้ประกอบด้วยโครงถักที่มีค้ำยันรับแรงอัดและตัวดึง และแสดงถึงรูปทรงที่เหมาะสมที่สุดสำหรับกรณีแรงกระทำที่กำหนด (รูปที่ 5)

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

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