Optimization Aided Design

Reinforced Concrete (incl. eBook as ePDF)
1. Auflage 2022
ISBN: 978-3-433-03338-8
Verlag: Ernst W. + Sohn Verlag

Medienkombination, Englisch, 224 Seiten, E-Bundle, Format (B × H): 168 mm x 242 mm, Gewicht: 424 g

Optimierungsgestütztes Entwerfen und Bemessen liefert neuartige Methoden, bewehrten Beton besonders effizient einzusetzen. Dabei wird die mathematische Optimierung auf die praktischen Probleme des Betonbaus angewendet. Ziel ist es, sparsam mit dem weltweit meistverwandten Baustoff Stahlbeton umzugehen und damit den CO2-Ausstoß aus der Zement- und Stahlherstellung und den Ressourcenverbrauch an Kies, Sand und Wasser substanziell zu reduzieren.
Drei Themenbereiche sind angesprochen. Erstens, die Strukturfindung, also die Frage nach der richtigen äußeren Form, dass schlanke, nach dem Kraftfluss ausgerichtete Tragwerke entstehen. Baustoffgerecht sind sie weitgehend auf Druck beansprucht. Zweitens, die Bewehrungsführung, die sich am inneren Kraftfluss orientiert. Vorteile ergeben sich gerade für Scheiben, volumenartige Bauteile, an Lasteinleitungsbereichen und Aussparungen. Es entstehen anschauliche, direkt in Bewehrungen umsetzbare Fachwerkmodelle. Dritter Entwicklungsschritt ist die Behandlung von Querschnitten. Sie werden in ihrer Form optimiert und in ihrer Bewehrung bemessen. Dies gilt auch für anspruchsvolle Beanspruchungen (zweiachsige Biegung) und nahezu beliebige Formen. Eine Parametrisierung ermöglicht die allgemeingültige Übertragung auf ganze Klassen von Querschnitten.
Die optimierungsgestützten Methoden werden vertieft und anschaulich beschrieben. Sie sind universell anwendbar und unabhängig von Normen, Betonarten und Bewehrungen. Sie gelten für normalfeste bis zu ultrahochfesten Betonen, für Bewehrungen aus Stahl, Carbon oder Glasfasern und für Bewehrungsstäbe als auch -fasern. Zahlreiche Abbildungen und Berechnungsbeispiele verdeutlichen die Anwendung. Zudem werden praktische Umsetzungen vorgestellt, darunter ultra-leichte Stahl-Beton-Balken, schlanke Solarkollektoren aus Beton und verbesserte Bewehrungslayouts für Tunnelschalen. Das Buch richtet sich gleichermaßen an Studierende, Forscher und Praktiker.
(incl. ebook as PDF)

Autoren/Hrsg.

Gaganelis, Georgios

Mark, Peter

Forman, Patrick

Fachgebiete

• Technische Wissenschaften Bauingenieurwesen Konstruktiver Ingenieurbau, Baustatik
• Technische Wissenschaften Bauingenieurwesen Baukonstruktion, Baufachmaterialien

Inhaltsverzeichnis

Foreword by Manfred Curbach
Foreword by Werner Sobek
Preface
Acknowledgments
Acronyms
1 INTRODUCTION
2 FUNDAMENTALS OF REINFORCED CONCRETE DESIGN
2.1 Basic Principles
2.2. Verification Concept
2.3 Safety Concept
2.4 Materials
2.5 Load-bearing Behavior
3 FUNDAMENTALS OF STRUCTURAL OPTIMIZATION
3.1 Structural Optimization Approaches
3.2 Problem Statement
3.3 Lagrange Function
3.4 Sensitivity Analysis
3.5 Solution Methods
4 IDENTIFICATION OF STRUCTURES
4.1 One-material Structures
4.2 One-material Stress-biased Structures
4.3 Bi-material Structures
4.4 Examples
4.5 Applications
5 INTERNAL FORCE FLOW
5.1 Preliminaries
5.2 Continuum Topology Optimization (CTO) Approach
5.3 Truss Topology Optimization (TTO) Approach
5.4 Continuum-Truss Topology Optimization (CTTO) Approach
5.5 Examples
5.6 Applications
6 DESIGN OF CROSS-SECTIONS
6.1 Problem Statement
6.2 Equilibrium Iteration
6.3 Sectional Optimization
6.4 Solving
6.5 Parameterization
6.6 Examples
BIBLIOGRAPHY
LIST OF EXAMPLES
Variation of volume fraction
Variation of the filter radius
Variation of material parameters
Form finding of bridge pylons 1
Form finding of bridge pylons 2
Conceptual bridge design 1
Conceptual bridge design 2
Multi-span girder
Multiple load cases
Two load cases
Material steering
Material variation in bi-material design
Filter radius with bi-material design
Bi-material multi-span girder
Bi-material girder with stepped support
Bi-material arch bridge
Deep beam 1
Wall with block-outs
Corbel
Cantilever beam
Shear transfer at joints
Deep beam 2
Frame corner
Wall with eccentric block-out
Corbel with horizontal force
Stiening core with openings
Deep beam 3
Deep beam 4
Deep beam 5
Strain plane of an unsymmetric RC section
Footing with gapping joint
Parameterized T-section
Parameterized uniaxial bending
Shape design of a RC I-section
Shape optimization of a footing

Über Autor(innen)

Georgios Gaganelis ist Planungsingenieur für Ingenieurbauwerke und freiberuflicher Berater im Bereich der Strukturoptimierung. Seine Promotion erhielt er 2020 an der Ruhr-Universität Bochum mit einer Arbeit über Optimierungsstrategien für Beton- und Stahl-Beton-Verbundtragwerke. Seine Forschungsinteressen liegen in der topologischen Optimierung und der baustoffgerechten Steuerung der Formfindung. Ein Schwerpunkt liegt auf ultra-leichten Konstruktionen, die mit minimalen Materialmengen auskommen.
Peter Mark ist Universitätsprofessor für Massivbau an der Ruhr-Universität in Bochum. Er forscht auf den Gebieten der angewandten Optimierungsmethoden und des Betonleichtbaus seit 20 Jahren. Er promovierte 1994 und habilitierte sich 2006. Er ist Beratender Ingenieur und Prüfingenieur für Baustatik seit 2008 und maßgeblich beteiligt an zahlreichen Projekten des Brücken-, Tunnel- und Hochbaus.
Patrick Forman ist Oberingenieur am Lehrstuhl für Massivbau an der Ruhr-Universität Bochum. Seine Promotion schloss er 2016 ab. Seit über 10 Jahren forscht er zu leichten Schalen und Stabstrukturen aus Hochleistungsmaterialien mit verschiedenartigen Optimierungsmethoden. Aktuell ist er Geschäftsführer und technischer Leiter eines interdisziplinären Großforschungsprogramms zu adaptiven Modulbauweisen.

Georgios Gaganelis is a structural designer for civil engineering structures and a freelance consultant in structural optimization. 2020 he received his PhD at the Ruhr University Bochum, Germany in the field of optimization strategies for concrete and steel-concrete-composite structures. His research interest focus on topology optimization and material driven steering. A special focus lies on ultra-light structures requiring minimal material efforts.
Peter Mark is a full professor for Structural Concrete at the Ruhr University Bochum, Germany. He is researching on applied optimization methods and lightweight concrete structures since 20 years. He received his PhD in 1994 and the post-doctoral degree in 2006. He is Consultant Engineer and Independent Checking Engineer since 2008 and involved in several bridge, tunnel and building construction projects.
Patrick Forman is a post-doctoral research fellow at the Institute of Concrete Structures at Ruhr University Bochum, Germany. He received his PhD in 2016. More than 10 years he is researching on lightweight shell and beam structures made of high-performance materials using various structural optimization techniques. Currently, he is technical and managing director of an interdisciplinary research centre on adaptive modularized construction methods.