Teräsbetonirakenteiden suunnittelu topologiaoptimoidulla ristikkomallilla
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Authors
Date
2019-06-17
Department
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Master's Programme in Building Technology (CIV)
Language
fi
Pages
50 + 5
Series
Abstract
Ristikkomallin luotettava muodostaminen ja mitoittaminen vaatii suunnittelijalta merkittävästi aikaa ja osaamista. Valmiiksi kehitetty suunnittelurutiini loisi säästöjä suunnitteluun ja helposti lähestyttävän tavan käsitellä aihetta. Työn tavoitteena on muodostaa teräsbetonirakenteiden epäjatkuvuusalueille mitoitusrutiini, joka sisältää ristikkomallin muodostamisen topologiaa optimoivalla viime vuosina kehitetyllä BESO-menettelyllä (engl. Bi-Evolutionary Structure Optimization). Optimointimenetelmä auttaa suunnittelijaa löytämään ristikkomallin muodostamalla rakenteen sisäisen ristikkoluonnoksen. Työn optimointivaiheet suoritetaan BESO2D-ohjelmalla. Lisäksi tavoitteena on arvioida BESO-menetelmän soveltuvuutta ristikkomallin muodostamiseen. Suunnitteluprosessin muodostaminen aloitettiin käsittelemällä prosessiin vaadittavien aihealueiden teoriat. Käsiteltyjen aiheiden pohjalta koottiin ristikkomenetelmän muodostamisprosessi, joka on työn tavoitteena olevan suunnitteluprosessin ydin. Muodostamisprosessin validointi suoritettiin vertaamalla prosessilla tuotettuja tuloksia kirjallisuustapausten esimerkkituloksiin. Tulososion loppuosassa prosessin luotettavuutta ja käytännöllisyyttä pohdittiin saatujen tulosten perusteella. Tulosvaiheen jälkeen muodostettiin suunnitteluprosessi, joka koostuu ristikkomallin muodostamisprosessista ja prosessin tuloksena saadun mallin mitoittamisesta. Lopuksi esimerkkirakenne mitoitettiin työssä muodostetulla suunnitteluprosessilla. Optimointitulosten pohjalta muodostetut ristikkomallit eivät seuraa kirjallisuustapauksien ristikkomalleja riittävällä tarkkuudella, eli työn tavoite ohjata suunnittelijaa kohti toimivaa ristikkomallia ei täyty. Optimoinnin muodostamia ristikkomalleja voi käyttää enintään suuntaa antavina luonnoksina, joita suunnittelijan tulee muokata suunnittelukäyttöön sopiviksi. Yksinkertaisten geometrioiden ja suurielementtisten elementtiverkkojen optimointi onnistuu sujuvasti, mutta monimutkaisuuden lisääminen tuo esiin ohjelman epävakauden. Mitä enemmän yksityiskohtia laskettavassa mallissa on, sitä suuremmalla todennäköisyydellä ohjelma kaatuu. Lisäksi ohjelma optimoi laskentamallin pistekuormat luotettavammin kuin jakautuneet kuormat. BESO2D-ohjelma suorittaa optimoinnin von Mises -jännitysten pohjalta, mikä on haasteellinen lähestymistapa betonirakenteiden analysointiin. Suunnittelun apuvälineiden kartoituksen ja koekäytön perusteella voidaan jatkossa kehittää käyttökelpoinen suunnitteluprosessi ristikkomenetelmällä suunnitteluun.The reliable formation and design of strut-and-tie model requires significant skill and time from the designer. A pre-developed design routine would create savings in strut-andtie design processes and provide an approachable method to cover the subject. The aim of the thesis is to create a design routine for discontinuity areas of reinforced concrete which includes the formation of the strut-and-tie model using a topology optimization method developed in recent years called BESO (Bi-Evolutionary Structure Optimization). The optimization method helps the designer to find a usable strut-and-tie model by providing a draft of the model design. The optimization phases are performed using a software called BESO2D. An additional aim of the thesis is to evaluate the suitability of the BESO method for forming a strut-and-tie model. The formation of the design process was started by addressing the theory of the subject areas required for the process. Based on the areas covered, the formation process of the strut-and-tie method was formed which is the core of the full design process of the thesis. The validation of the formation process was carried out by comparing the results produced by the process with the example results of the literature cases. The reliability and practicality of the process was evaluated based on the results obtained. After the results section, the full design process was formed consisting of the strut-and-tie model formation process and the dimensioning of the resulting model. Finally, an example structure obtained was dimensioned with the formed design process. The formed strut-and-tie models basing on the optimization results do not follow the strut-and-tie models of the literary cases with satisfactory accuracy, thus the goal of the thesis to guide the designer towards a reliable strut-and-tie model is not fulfilled. The models created by optimization can be used as a model draft at most which the designer must improve for design use. Optimizing simple geometries and meshes is functional but increasing their complexity results in the instability of the program. The more detail there is in the calculated model, the more likely the program crashes. In addition, the program optimizes point loads more reliably than distributed loads. BESO2D program performs optimization based on von Mises stresses, which is a challenging approach to analyzing concrete structures. Based on the testing and research on the design tools, a useful design process using the strut-and-tie method can be developed in the future.Description
Supervisor
Puttonen, JariThesis advisor
Louhivirta, JariKeywords
ristikkomenetelmä, ristikkomalli, topologia, beso, optimointi, BESO2D