Optimization Aided Design - Reinforced Concrete

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 d ie 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.

Optimization Aided Design provides novel methods to use reinforced concrete in a particularly efficient way. Mathematical optimization is applied to the practical problems of concrete design. The aim is to employ the world's most widely used building material in the most economical way and thus substantially reduce CO2 emissions from cement and steel production as well as resource consumption of gravel, sand and water.
Three topics are addressed. First, the identification of the structure. This means the question of the right outer shape such that slender load-bearing designs develop following the flux of forces. In line with the stress affinity of the material, the structures are predominantly subjected to compression. Second, the reinforcement layout, which is oriented to the stress trajectories. Advantages arise particularly for walls, voluminous structural components, load introduction areas and cut-outs. Clear strut-and-tie models emerge that are directly convertible into reinforcement layouts. Third, the treatment of cross-sections. They are optimized in their shape and designed in their reinforcement. This also applies to sophisticated loading conditions (biaxial bending) and virtually arbitrary geometrical configurations. Parameterization allows the transfer to general cross-section types.
The optimization aided methods are described extensively and in an illustrative manner. They are universally applicable and independent of standards, concrete types and reinforcements. They apply to normal strength to ultra-high performance concretes, to reinforcements made of steel, carbon or glass fibers, and to rebars as well as reinforcing fibers. Numerous illustrations and computation examples demonstrate their application. Moreover, practical applications are presented, including ultra-light concrete-steel beams, slender concrete solar collectors, and improved reinforcement layouts for tunnel lining. The book addresses students, researchers, and prac titioners alike.