1.3 Ontwerptools voor wapening

Werkwijze en doelen

Het doel van de ontwerptools voor wapening in de CSFM is ontwerpers te helpen om de positie en de benodigde hoeveelheid wapeningsstaven efficiënt te bepalen. De volgende tools ondersteunen en begeleiden de gebruiker bij dit proces: lineaire berekening en topologie-optimalisatie.

Ontwerptools voor wapening gebruiken meer vereenvoudigde constitutieve modellen dan de modellen die worden gebruikt voor de definitieve toetsing van de constructie. De wapeningsdefinitie in deze stap moet daarom worden beschouwd als een voorontwerp dat tijdens de definitieve toetsing wordt bevestigd of verfijnd. Het gebruik van de verschillende ontwerptools voor wapening wordt toegelicht aan de hand van het model in Fig. 3. Dit model bestaat uit één uiteinde van een vrij 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 gaat uit van lineair-elastische materiaaleigenschappen en verwaarloost de wapening in het betongebied. Het is daarom een zeer snelle berekening die een eerste inzicht geeft in de locaties van trek- en drukzones. 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 de optimale verdeling van materiaal in een gegeven volume zoekt voor een bepaalde belastingconfiguratie. De topologie-optimalisatie in Idea StatiCa Detail maakt gebruik van een lineair eindig-elementenmodel. Elk eindig element kan een relatieve dichtheid hebben van 0 tot 100 %, die de relatieve hoeveelheid gebruikt materiaal weergeeft. Deze elementdichtheden zijn de optimalisatieparameters in het optimalisatieprobleem. De resulterende materiaalverdeling is optimaal voor de gegeven belastingen als de totale rekenergie van het systeem minimaal is. Per definitie is de optimale verdeling ook de geometrie met de grootst mogelijke stijfheid voor de gegeven belastingen.

Het iteratieve optimalisatieproces start met een homogene dichtheidsverdeling. De berekening wordt uitgevoerd voor meerdere totale volumefracties (20%, 40%, 60% en 80%), zodat de gebruiker het meest praktische resultaat kan kiezen. De resulterende vorm bestaat uit vakwerken met drukdiagonalen en trekstaven en vertegenwoordigt de optimale vorm voor de gegeven belastinggevallen (Fig. 5).

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

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