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 là giúp người 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 cấu trúc hình học (topology optimization).

Các công cụ thiết kế cốt thép sử dụng các mô hình cấu thành đơn giản hóa hơn so với các mô hình dùng để kiểm tra cuối cùng của kết cấu. Do đó, việc định nghĩa cốt thép ở bước này nên được xem là bước thiết kế sơ bộ, cần được xác nhận/tinh chỉnh trong bước kiểm tra cuối cùng. Việc sử dụng các công cụ thiết kế cốt thép khác nhau sẽ được minh họa trong mô hình thể hiện ở 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 xem xét các đặc 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 này được thể hiện ở 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 cấu trúc hình học

Tối ưu hóa cấu trúc hình học là phương pháp nhằm tìm ra sự phân bố vật liệu tối ưu trong một thể tích cho trước, ứng với một cấu hình tải trọng nhất định. Tối ưu hóa cấu trúc hình học được triển khai 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%, thể hiện 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 thu được được xem là tối ưu đối với tập hợp tải trọng đã cho nếu nó làm tối thiểu hóa tổng năng lượng biến dạng của hệ. Theo định nghĩa, sự phân bố tối ưu cũng chính là hình học có độ cứng lớn nhất có thể đối với các tải trọng đã cho.

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

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

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