New Approaches for Structural Design of Precast Concrete Structures Operating Optimization Algorithms

Baghdadi, Abtin

This study finds the improvable aspects and required essential changes in the structural systems, in order to construct the most optimal precast structure, which is easy to be assembled with minimum skills and equipment. The main content of this research is to prove the possibility of operating the optimization algorithm in the general configuration of the precast structures, which are discussed via three new suggested approaches. The chapter (1) emphasizes the necessity of new precast systems as a countermeasure to global population growth. In this chapter, extensively, the essential properties of the future approaches are discussed. The chapter (2) starts with the definition of optimal shell form-finding, continued by the studies of the Heinz Isler's structures. Then, structural element optimization, building systems, dry joints and digital fabrication are reviewed.

Chapter (3) describes the used tools, e.g. software, testing machine and material properties. The chapter (4) describes the result of the Isler's eight shells evaluation, regarding different aspects, e.g. geometrical evaluation, deformation, stress results and forces amount. Buckling analysis and loads eccentricity are also discussed to be regarded as the criteria for the proposed form-finding optimization.

Then for the suggested approaches, suitable precast joints are proposed and evaluated. In chapter (5), firstly, a new Shell Form-Finding Approach (SFA), by applying directive geometries for minimizing the eccentricity of forces are applied. Then, two types of building-approaches called Wall-Floor (WFA) and Beam-Column (BCA) are suggested. In the Wall-Floor approach, wall locations are chosen as the variables and optimized in the described steps, leading to a general assembling system with minimum time. In the Beam-Column building system, a method for finding the optimum places of joints regarding the joints properties is defined. The chapter ends with a comparison of WFA and BCA to commercial systems. The comparison criteria are the building time, management issues and essential equipment in the construction site, which conclude to the preferences of the suggested approaches.

The chapter (6) is a brief review of the thesis, which recapitulates the results quintessence and suggestions for further researches.

Diese Studie findet die verbesserungsfähigen Aspekte und erforderlichen wesentlichen Änderungen in den strukturellen Systemen, um die optimalste vorgefertigte Struktur zu konstruieren, die leicht mit minimalen Fähigkeiten und Ausrüstungen zusammengebaut werden kann. Der Hauptinhalt dieser Forschung ist es, die Möglichkeit des Betriebs des Optimierungsalgorithmus in der allgemeinen Konfiguration der Fertigteilstrukturen zu beweisen, die anhand von drei neuen vorgeschlagenen Ansätzen diskutiert werden.

Das Kapitel (1) betont die Notwendigkeit neuer Fertigteilsysteme als Gegenmaßnahme zum globalen Bevölkerungswachstum. In diesem Kapitel werden die wesentlichen Eigenschaften der zukünftigen Ansätze ausführlich besprochen. Das Kapitel (2) beginnt mit der Definition einer optimalen Muschelformfindung, gefolgt von den Studien der Strukturen von Heinz Isler. Anschließend werden die Optimierung von Strukturelementen, Gebäudesysteme, Trockenfugen und digitale Fertigung überprüft. Kapitel (3) beschreibt die verwendeten Werkzeuge, z.B. Software, Prüfmaschine und Materialeigenschaften.

Das Kapitel (4) beschreibt das Ergebnis der Acht-Schalen-Bewertung des Islers unter verschiedenen Aspekten, z.B. geometrische Bewertung, Verformung, Spannungsergebnisse und Kraftmenge. Knickanalyse und Last-Exzentrizität werden ebenfalls diskutiert, um als Kriterien für die vorgeschlagene Formfindungsoptimierung angesehen zu werden. Anschließend werden für die vorgeschlagenen Ansätze geeignete Fertigfugen vorgeschlagen und bewertet. In Kapitel (5) wird zunächst ein neuer Ansatz zur Ermittlung der Form von Schalen (SFA) angewendet, bei dem Direktivengeometrien zur Minimierung der Exzentrizität von Kräften angewendet werden. Anschließend werden zwei Arten von Gebäudeansätzen vorgeschlagen, die Wall-Floor (WFA) und Beam-Column (BCA) genannt werden. Im WFA werden die Wandstandorte als Variablen gewählt und in den beschriebenen Schritten optimiert, was zu einem allgemeinen Montagesystem mit minimalem Zeitaufwand führt. Im Träger-Säulen-Bausystem wird ein Verfahren zum Auffinden der optimalen Stellen von Fugen in Bezug auf die Fugeneigenschaften definiert. Das Kapitel endet mit einem Vergleich von WFA und BCA mit kommerziellen Systemen.

Das Kapitel (6) ist eine kurze Übersicht über die Dissertation, die die Quintessenz der Ergebnisse und Vorschläge für weitere Forschungen zusammenfasst.

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Baghdadi, Abtin: New Approaches for Structural Design of Precast Concrete Structures Operating Optimization Algorithms. 2019.

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