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Georgios Gaganelis

• A topology optimization approach is developed that is capable of taking into account the compression affinity of concrete and the tension affinity of steel. The method is applied to a conventional reinforced concrete (RC) beam. The optimization result is converted into two alternative structures: a RC truss structure and a hybrid concrete-steel (HCS) truss structure consisting of ultra-high performance concrete and S355 sectional steel. The RC beam’s weight is decreased by 83% and 53% by the HCS truss structure and the RC truss structure, respectively. Experiments show that both structures exhibit a significantly higher stiffness while preserving the maximum load-bearing capacity. Moreover, investigations on the environmental impact reveal that the material-induced CO\(_2\) emissions of the RC beam can be reduced by 40–44% by the optimized structures.
• Ein Topologieoptimierungsansatz wird entwickelt, der imstande ist, die Druckaffinität von Beton und die Zugaffinität von Stahl zu berücksichtigen. Die Methode wird auf einen konventionellen Stahlbetonbalken angewendet. Das Optimierungsergebnis wird in zwei Alternativstrukturen überführt: einerseits in ein Stahlbeton-Fachwerk und andererseits in Hybridfachwerk, bestehend aus ultrahochfestem Beton und Profilstahl S355. Das Gewicht des Hybridfachwerks ist um 83% geringer und das des Stahlbeton-Fachwerks um 53% als das des Referenzbalkens. Experimente zeigen, dass beide Strukturen eine signifikant höhere Steifigkeit aufweisen, bei Einhaltung der maximalen Traglast. Zudem offenbaren Untersuchungen zum Umwelteinfluss, dass die materialinduzierten CO\(_2\) Emissionen des Referenzbalkens von den optimierten Strukturen um 40–44% reduziert werden können.