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.

Auteur
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.

Contenu
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