1.3 Outils de conception du ferraillage
Flux de travail et objectifs
L'objectif des outils de conception du ferraillage dans le CSFM est d'aider les concepteurs à déterminer l'emplacement et la quantité requise de barres d'armature de manière efficace. Les outils suivants sont disponibles pour aider / guider l'utilisateur dans ce processus : calcul linéaire et optimisation topologique.
Les outils de conception du ferraillage utilisent des modèles de comportement plus simplifiés que ceux employés pour la vérification finale de la structure. Par conséquent, la définition du ferraillage à cette étape doit être considérée comme un pré-dimensionnement à confirmer/affiner lors de l'étape de vérification finale. L'utilisation des différents outils de conception du ferraillage sera illustrée sur le modèle présenté à la Fig. 3, qui représente une extrémité d'une poutre simplement appuyée à hauteur variable soumise à une charge uniformément répartie.
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 3\qquad Model used to illustrate the use of the reinforcement design tools.}}}\]
Analyse linéaire
L'analyse linéaire considère des propriétés de matériaux élastiques linéaires et néglige le ferraillage dans la région en béton. Il s'agit donc d'un calcul très rapide qui fournit un premier aperçu des zones de traction et de compression. Un exemple d'un tel calcul est présenté à la Fig. 4.
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 4\qquad Results from the linear analysis tool for defining reinforcement layout}}}\]
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{(red: areas in compression, blue: areas in tension).}}}\]
Optimisation topologique
L'optimisation topologique est une méthode qui vise à trouver la distribution optimale de matière dans un volume donné pour une configuration de charge déterminée. L'optimisation topologique implémentée dans Idea StatiCa Detail utilise un modèle par éléments finis linéaire. Chaque élément fini peut avoir une densité relative de 0 à 100 %, représentant la quantité relative de matière utilisée. Ces densités d'éléments constituent les paramètres d'optimisation du problème. La distribution de matière résultante est considérée comme optimale pour l'ensemble de charges donné si elle minimise l'énergie de déformation totale du système. Par définition, la distribution optimale est également la géométrie présentant la rigidité maximale possible pour les charges données.
Le processus d'optimisation itératif commence par une distribution de densité homogène. Le calcul est effectué pour plusieurs fractions volumiques totales (20 %, 40 %, 60 % et 80 %), ce qui permet à l'utilisateur de sélectionner le résultat le plus pratique. La forme résultante est constituée de treillis avec des bielles et des tirants et représente la forme optimale pour les cas de charge donnés (Fig. 5).
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5\qquad Results from the topology optimization design tool with 20\% and 40\% effective volume}}}\]
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{(red: areas in compression, blue: areas in tension).}}}\]