Desarrollo de una metodología de optimización topológica para la obtención de modelos puntal-tensor.

Abstract

Los modelos puntal-tensor constituyen una poderosa herramienta de diseño aplicable a cualquier estructura de hormigón armado, teniendo especial utilidad en las regiones de discontinuidad, en donde se suelen utilizar expresiones empíricas no generalizables que no capturan correctamente el comportamiento mecánico de las estructuras. El paso que presenta mayor complejidad al realizar un diseño mediante este método es el planteamiento del modelo de puntal-tensor, ya que requiere de experiencia y conocimiento previo sobre las trayectorias de los esfuerzos. En esta memoria se plantea una metodología para la creación de modelos de puntal-tensor generados a partir de una metodología basada en optimización topológica de variable continua del tipo SIMP (Solid isotropic material with penalization) compatible con las prescripciones del Capítulo 23 del Código ACI 318-19. Se presentan dos ejemplos en donde se aplica la metodología, un primer caso correspondiente a una ménsula de una columna y el segundo correspondiente a una viga alta con abertura. Ejemplos que resultan útiles para comprender la aplicación de la optimización topológica como herramienta para definir las trayectorias de las cargas dentro de un elemento. Finalmente se concluye sobre la compatibilidad entre el método puntal-tensor y los modelos de optimización topológica resaltando la importancia de los parámetros de optimización en la obtención de topologías que puedan aplicarse como base para la generación de modelos puntal-tensor. Adicionalmente, se entregan conclusiones sobre los diseños obtenidos utilizando esta metodología mencionando sus ventajas y diferencias con respecto a métodos convencionales y diseños realizados por otros autores.

Strut and tie models constitute a powerful design tool applicable to any reinforced concrete structure, particularly useful in discontinuity regions where non generalizable empirical expressions are often used, failing to accurately capture the mechanical behavior of structures. The most complex step in designing using this method is formulating the strut and tie model, as it requires experience and prior knowledge of stress trajectories. This paper proposes a methodology for creating strut and tie models generated from a topology optimization methodology of the SIMP (Solid Isotropic Material with Pen alization) type, compatible with the provisions of Chapter 23 of ACI 318 19 Code. Two examples are presented where the methodology is applied: a first case corresponding to a corbel of a column and the second corresponding to a high beam with an opening. These examples are useful for understanding the application of topology optimization as a tool to define load trajectories within an element. Finally, conclusions are drawn regarding the compatibility between the Strut and Tie method and topology optimization models, emphasizing the importance of optimization parameters in obtaining topologies that can serve as a basis for generating strut and t ie models. Additionally, conclusions are provided on the designs obtained using this methodology, mentioning their advantages and differences compared to conventional methods and designs by other authors.