Topologieoptimierung in der Geotechnik: Anwendung auf Gründungsstrukturen und Validierung

Die Anwendung von Strukturoptimierung im Bereich der Geotechnik wird in diesem Artikel vorgestellt. Der generelle strukturelle Aufbau (Topologie) eines Streifenfundaments wird hinsichtlich des Verformungsverhaltens optimiert. Zur Topologieoptimierung wird die Solid-Isotropic-Material-with-Penalization-(SIMP)-Methode angewendet. In diesem Artikel wird dafür eine Finite-Elemente-Analyse mit einem entsprechendem Optimierungsalgorithmus gekoppelt. Für die FE-Analyse wird ein hypoplastisches Stoffmodell zur Modellierung von Materialübergängen angewendet. Untersucht werden vier ebene Lastfälle. In einer anschließenden Validierung mit physikalischen 1-g-Modellversuchen werden nachgebildete optimierte Gründungsstrukturen belastet und mit alternativen volumengleichen Fundamenten hinsichtlich ihres Last-Verformungs-Verhaltens verglichen. Die präsentierte Untersuchung zeigt sowohl die Anwendbarkeit als auch das Potenzial der Topologieoptimierung in der Geotechnik.

Topology optimization in geotechnical engineering: application to foundations and validation.
This article presents the application of structural optimization in geotechnical engineering. The general design (topology) of a foundation strip is optimized with respect to its deformation behaviour within the service limit state. The SIMP-method is applied for the topology optimization. Hence, a finite element analysis with Abaqus is combined with an adequate optimization algorithm. A hypoplastic constitutive model for modeling material transitions is used for finite element analysis. Four load cases will be examined. The optimized topology design will be reproduced for the following validation with 1 g physical models. A comparison of the load deformation behavior with non optimized foundations with equal volume is carried out. The presented study shows the applicability and potential of topology optimization in geotechnical engineering.