Possibilities of using the FEM optimization package to improve the structure of self-supporting stairs in a building

Abstract

The article presents the results of the analyzes on the influence of the optimization self-supporting staircase geometry on its strength and dynamic properties. The primary goal was to achieve a structure with a lower mass. The Topology Optimization tool from the ANSYS package allowed to the elimination of the finite elements carrying the smallest stresses from the structure. The iterative approach resulted in a systematic reduction of the model mass up to decrease by 40 (%). The reduction in the structure led to a decrease in its strength – the safety factor decreased from 5.95 to 4.92. The influence of the optimization of the structure on its dynamic properties was determined as an additional aim of the study.

Artykuł przedstawia wyniki analiz dotyczące wpływu optymalizacji geometrii klatki schodowej o konstrukcji samonośnej na jej właściwości wytrzymałościowe oraz dynamiczne. Podstawowym celem było uzyskanie konstrukcji o mniejszej masie. Wykorzystanie narzędzia Topology Optimization z pakietu ANSYS pozwoliło na wyeliminowanie z konstrukcji elementów skończonych przenoszących najmniejsze naprężenia. Iteracyjne podejście skutkowało systematyczną redukcją masy modelu aż do założonego jej spadku o 40 (%). Redukcja ta doprowadziła do nieznacznego zmniejszenia wytrzymałości konstrukcji – współczynnik bezpieczeństwa zmniejszył się z poziomu 5,95 do 4,92. Jako dodatkowy cel badania założono ustalenie wpływu przeprowadzenia optymalizacji konstrukcji na jej cechy dynamiczne.