Concrete is the most used building material. Its main component, cement, however, accounts production- related for up to 10 % of global CO2 emissions and is therefore a major contributor to human-induced climate change. Due to its low tensile strength, concrete must be further enhanced in tension with adequate reinforcement, such as steel. Producing the latter therefore additionally impacts the environment. Consequently, reducing the material amount for design and construction of structures, thus lowering material- and transport-induced emissions, represents a key element to climate protection. In this context, meeting the essential requirements ? sustainability, serviceability, durability ? is yet indispensable.
The book presents innovative optimization aided design methods for concrete structures. Mathematical optimization is applied to practical problems of structural concrete at each level: from external, through internal structure identification to cross-section design. It is shown how to design resource-efficient structures following the flux of forces, how to optimally adapt reinforcement layouts to the internal force flow, and how to efficiently cope with demanding cross-sectional design tasks such as biaxial bending.
The optimization aided design methods are discussed in detail and described vividly. They are independent of standards, concrete material (normal to ultra-high performance) and reinforcement type (steel fibers to carbon bars), thus universally applicable. The book illustrates the different approaches with numerous figures and calculation examples. Existing applications in structural engineering are presented to demonstrate the potential of optimization aided design concepts, including ultra-lightweight hybrid beams, thin concrete solar collectors, and improved reinforcement layouts for tunnel lining segments.
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-Aussto� 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 äuà eren 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 à bertragung 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 gleichermaà en an Studierende, Forscher und Praktiker.
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