Optimalizační metoda pro automatický návrh výztuže železobetonových prvků

Abstract

Disertační práce popisuje optimalizační metodu pro automatické generování náhradních příhradových modelů a tomu odpovídající návrh výztuže poruchových oblastí železobetonových konstrukcí. Navržený výpočetní postup je schopen zohlednit nehomogenní podstatu železobetonu zavedením rozdílných materiálových vlastností ocelové výztuže a betonu do procesu sestavování náhradních příhradových modelů. Navržená optimalizační metoda je založena na principech příhradové analogie a je rozšířena o optimalizační algoritmus. Během výpočetního procesu je přerozdělováno množství výztužné oceli uvnitř návrhové oblasti tak, aby byla výztuž plně využita, zatímco objem betonu zůstává stejný. Tímto způsobem je možné zohlednit rozdílný stav napjatosti v tlačených částech konstrukce, kdy není beton ve všech místech konstrukce plně využit. Výsledkem je návrh optimálního rozložení výztuže, pro jehož provedení je zapotřebí minimální množství oceli. Optimalizační proces tak vede k úspoře materiálu a návrhu efektivních konstrukcí. Značné úsilí bylo věnováno tomu, aby byl výpočetní program schopen uvážit při tvorbě výpočetních modelů konstrukční zásady pro praktické provedení výztuže. Možnosti uplatnění metody jsou představeny na řešených příkladech vybraných konstrukčních prvků a detailů. Pro kontrolu správnosti metody byly výsledky optimalizační metody porovnány s nelineární analýzou metodou konečných prvků provedenou v programu Atena 2D.

The dissertation thesis presents a new method for automatic generation of strut-and tie models and reinforcement layout design of D-regions of structural concrete. The focus of this work is aimed on developing a design procedure taking into account real stiffness properties of steel and concrete components of structural concrete. The presented method combines the principles of strut-and-tie analogy and structural optimization. The performance objective of the presented method is to minimize the amount of steel used in a design domain with respect to its beneficial spreading in all required parts of a member for a better performance of concrete. The main benefit of the presented method consists in taking into account the fully utilization of steel reinforcement while some parts of concrete design domain are not as utilized as the others. With the use of the method, optimal location of reinforcement and its amount can be obtained which leads to a minimum steel reinforcement design - material savings and best performance of a structure. A considerable emphasis is placed on applicability of the method in a real engineering practice. A few examples are given to show the potency and possibilities of the proposed method. Comparisons of the results with a non-linear finite element analysis performed in the software Atena 2D are provided to demonstrate the validity and contribution of a presented method.