Determination of the Optimum Reinforcement Layout in RC Structural Members: Cantilever Beam Example

Abstract

In this study, a reinforcement detailing approach based on strut-and-tie modeling is presented. This
method is mostly preferred instead of conventional methods in order to overcome the calculation and design diffculties
at the regions of reinforced concrete (RC) structures where shear effect is dominant. Topology optimization algorithm
has been improved from various aspects, integrated with strut-and-tie method and applied on an RC cantilever beam.
At the experimental stage of the study, reinforcement layout of test specimens have been designed by conventional
method as well as integrated design method and a structural behavior comparison has been performed. Based on the
results obtained, it has been concluded that superior results could be achieved for the design of RC structural members
and provide convenience to the design engineers by eliminating the experience required in case topology optimization
and strut-and-tie methods are applied together.

Keywords

• Finite element method,reinforced concrete,reinforcement layout,strut-and-tie,topology optimization

Betonarme Yapı Elemanlarında En Uygun Donatı Yerleşiminin Belirlenmesi: Konsol Kiriş Örneği

Abstract

Bu çalışma kapsamında, betonarme yapı elemanlarının kesme etkisinin hâkim olduğu bölgelerindeki
hesap ve tasarım zorluklarının üstesinden gelmek için geleneksel yöntemler yerine çoğunlukla tercih edilen çubuk
benzeşimi yöntemiyle donatı düzeninin belirlenmesi üzerine bir yaklaşım sunulmuştur. Çalışma dâhilinde kullanılan
topoloji eniyilemesi algoritması, muhtelif yönlerden daha da iyileştirilmek ve çubuk benzeşimi yöntemiyle
bütünleştirilmek suretiyle betonarme bir konsol kirişe uygulanmıştır. Deneysel aşamada hem geleneksel tasarım
adımlarıyla ve hem de tümleşik tasarım yöntemiyle deney numunelerinin donatı düzenleri oluşturulmuş ve yapısal
davranışlarının mukayesesi gerçekleştirilmiştir. Elde edilen sonuçlar ışığında, topoloji eniyilemesi ve çubuk
benzeşimi yöntemlerinin birlikte kullanılması halinde, betonarme yapı elemanlarının tasarımı için geleneksel
yöntemlere nazaran daha başarılı sonuçlara ulaşıldığı ve önerilen yöntemin kullanılmasıyla tasarım mühendisleri
için tecrübe gerektirmeden büyük kolaylıklar sağlanacağı düşünülmektedir

Keywords

• Betonarme,çubuk benzeşimi,donatı yerleşimi,sonlu elemanlar yöntemi,topoloji eniyilemesi

References

1. Ersoy U, Özcebe G, 2001. Betonarme. Evrim Yayınevi, İstanbul, 816 s.
2. Jang IG, Kwak BM, 2005. Evolutionary topology optimization for large-scale problems using design space adjustment and refinement. 6th World Congresses of Structural and Multidisciplinary Optimization, Rio de Janeiro.
3. Matraji M, 1997. Design of reinforced concrete members by the strut-and-tie method. Orta Doğu Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Y.Lisans Tezi, Ankara.
4. Özkal FM, 2012. Topoloji eniyilemesi ve çubuk benzeşimi yöntemleri kullanılarak betonarme yapı elemanlarında en uygun donatı düzeninin belirlenmesi ve deneysel gerçeklemesi. Atatürk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi, Erzurum.
5. Özkal FM, Uysal H, 2016. A computational and experimental study for the optimum reinforcement layout design of an RC frame. Engineering Computations, 33(2): 507–527.
6. Querin OM, Steven GP, Xie YM, 2000. Evolutionary structural optimisation using an additive algorithm. Finite Elements in Analysis and Design, 34(3–4): 291–308.
7. Schlaich J, Schaefer K, Jennewein M, 1987. Toward a consistent design of structural concrete. PCI Journal, 32(3): 74–150.
8. Tang W, Tong L, Gu Y, 2005. Improved genetic algorithm for design optimization of truss structures with sizing, shape and topology variables. International Journal for Numerical Methods in Engineering, 62(13): 1737–1762.

9. Tanskanen P, 2002. The evolutionary structural optimization method: Theoretical aspects. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 191(47–48): 5485–5498.
10. Xie YM, Steven GP, 1993. A simple evolutionary procedure for structural optimization. Computers and Structures, 49(5): 885–896.
11. Yavuz G, 1999. Betonarme kısa konsolların davranışlarının deneysel olarak ve kafes sistem - strut and tie modellemesiyle incelenmesi. Selçuk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Y.Lisans Tezi, Konya.