Formoptimierung außermittig belasteter Stützen - Theorie und experimentelle Verifizierung

Bei der Formoptimierung wird die äußere Gestalt eines Bauteils entsprechend dem vorherrschenden Kraftfluss gewählt. Hierdurch lassen sich bei gleichem Materialeinsatz große Laststeigerungen erzielen bzw. bei gleicher Tragfähigkeit hohe Materialeinsparungen. Im vorliegenden Beitrag wird eine Formoptimierung für außermittig beanspruchte Stützen vorgestellt, bei denen die Biegebeanspruchung aus einer Rahmenwirkung des Tragsystems resultiert. Dies ist z. B. in Randstützen typischer Stahlbetonskelettbauten der Fall, wie sie üblicherweise bei Wohn- und Geschäftshäusern zum Einsatz kommen. Das im Beitrag vorgestellte Formoptimierungsverfahren kann auf Stützen mit einem beliebigen Verhältnis von Momenten- zu Normalkraftbeanspruchung angewendet werden, unter Voraussetzung eines eintretenden Materialversagens. Ergebnisse zur Formoptimierung bei einem Stabilitätsversagen wurden für zentrisch gedrückte Stützen bereits gesondert veröffentlicht. Die Optimierung selbst erfolgt iterativ an einer über die Höhe segmentierten Stütze unter dem Kriterium, einen gleichmäßigen Spannungszustand im Bauteil zu erreichen. Mithilfe einer experimentellen Überprüfung an 3,3 m hohen Stützen konnte das gewählte Berechnungs- und Optimierungsverfahren verifiziert werden. Neben den Versagenslasten wurden an ausgewählten Punkten zudem die Betondehnungen sowie das Verformungsverhalten analysiert und bewertet.

Shape optimisation of eccentrically loaded columns - theory and experimental verification.
In shape optimisation, the external shape of the structural component is adapted to the predominant force flow. In this way, large load increases can be achieved with the same material use, or high material savings can be achieved with the same load-bearing capacity. In this paper, a shape optimisation for eccentrically loaded columns is presented, where the bending stress results from a frame effect of the load-bearing system. This is the case, for example, in edge columns of typical reinforced concrete skeleton structures, as they are usually used in residential and commercial buildings.
The shape optimisation method presented in the article can be applied to columns with an arbitrary ratio of a moment-normal force loading, provided that a material failure occurs. Results for shape optimisation in the case of a stability failure have already been published separately for centrically pressed columns. The optimisation itself is carried out iteratively on a column segmented over the height under the criterion of achieving a uniform stress state in the component. With the help of an experimental check on 3.3 m high columns, the selected calculation and optimisation method could be verified. In addition to the failure loads, the concrete strains and the deformation behaviour were also analysed and evaluated at selected points of the specimen.