Stress Constrained 3D Optimization of Prestressed Concrete
(2026) In TFHF-5000 FHLM01 20251Solid Mechanics
Department of Construction Sciences
- Abstract
- Concrete exhibits high compressive strength but limited tensile strength, which restricts its applications where it's structurally efficient with respect to cost, manufacturability and strength. Prestressing is commonly used to counteract tensile stress by introducing compressive forces but the combination of prestressed concrete and optimization is still under development. An important aspect is to consider material failure criteria while optimizing to achieve realistic concrete designs which are not susceptible to fatigue and cracking from too high stress.
This thesis extends an existing 3D optimization framework for prestressed concrete by introducing a stress constraint based on the Drucker-Prager yield criterion. To ensure... (More) - Concrete exhibits high compressive strength but limited tensile strength, which restricts its applications where it's structurally efficient with respect to cost, manufacturability and strength. Prestressing is commonly used to counteract tensile stress by introducing compressive forces but the combination of prestressed concrete and optimization is still under development. An important aspect is to consider material failure criteria while optimizing to achieve realistic concrete designs which are not susceptible to fatigue and cracking from too high stress.
This thesis extends an existing 3D optimization framework for prestressed concrete by introducing a stress constraint based on the Drucker-Prager yield criterion. To ensure numerical robustness, epsilon-relaxation is used to mitigate stress singularities and local stress constraints are aggregated into a single global constraint using the Kresselmeier-Steinhauser function. Numerical examples demonstrate that the stress constraint enforces the optimized designs to comply with the maximum allowable compressive and tensile strengths of the material. (Less) - Popular Abstract (Swedish)
- Hur kan materialåtgången minskas utan att försämra hållfastheten i betongstrukturer? Det är en tämligen svår fråga men svaret kanske kan hittas med hjälp av spänningsbegränsad strukturoptimering och förspänd betong.
Betong är ett av samhällets mest använda byggmaterial och utgör grunden i hus, broar och annan infrastruktur. Materialets stora styrka är dess förmåga att bära trycklaster. När betong pressas ihop fungerar den som bäst. Däremot är den betydligt svagare i drag och spricker lätt när den utsätts för dragspänningar. Detta hänger ihop med hur betong är uppbyggd, där cement fungerar som ett bindemedel som håller ihop grus och sand. Resultatet blir hög tryckhållfasthet men låg motståndskraft mot att dras isär.
För att hantera... (More) - Hur kan materialåtgången minskas utan att försämra hållfastheten i betongstrukturer? Det är en tämligen svår fråga men svaret kanske kan hittas med hjälp av spänningsbegränsad strukturoptimering och förspänd betong.
Betong är ett av samhällets mest använda byggmaterial och utgör grunden i hus, broar och annan infrastruktur. Materialets stora styrka är dess förmåga att bära trycklaster. När betong pressas ihop fungerar den som bäst. Däremot är den betydligt svagare i drag och spricker lätt när den utsätts för dragspänningar. Detta hänger ihop med hur betong är uppbyggd, där cement fungerar som ett bindemedel som håller ihop grus och sand. Resultatet blir hög tryckhållfasthet men låg motståndskraft mot att dras isär.
För att hantera dragspänningar används vanligtvis armering, där stål tar upp de krafter som betongen inte klarar av. Ett annat sätt är förspänning, där tryckspänningar införs redan innan konstruktionen belastas. På så sätt kan framtida dragspänningar motverkas. I båda fallen handlar det om att anpassa konstruktionen efter betongens styrkor och svagheter.
Samtidigt är cementproduktion både kostsam och klimatbelastande. Det finns därför ett tydligt behov av att använda materialet mer effektivt. Här blir strukturoptimering ett viktigt verktyg. Genom att utforma strukturer som är anpassade efter den miljön och randvillkor den ska verka i kan till exempel styvheten maximeras eller materialåtgången minimeras.
Strukturoptimering i sig garanterar dock inte rimliga spänningstillstånd. Utan ytterligare begränsningar kan optimeringen leda till lösningar som ger upphov till stora dragspänningar i betongen. För att undvika detta införs ett spänningsvillkor.
Spänningsvillkoret baseras på en flytlag som tar hänsyn till betongens olika hållfasthet i tryck och drag. Genom att begränsa tillåtna spänningar kan optimeringen styras bort från lösningar som ger upphov till ogynnsamma dragspänningar. På så sätt kan strukturoptimering bättre anpassas till betongens materialbeteende och ge konstruktioner som är mer realistiska ur hållfasthetssynpunkt, samtidigt som materialåtgången kan reduceras. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
https://lup.lub.lu.se/student-papers/record/9223327
- author
- Ohlander, Torsten LU
- supervisor
- organization
- course
- FHLM01 20251
- year
- 2026
- type
- H3 - Professional qualifications (4 Years - )
- subject
- publication/series
- TFHF-5000
- report number
- TFHF-5271
- language
- English
- id
- 9223327
- date added to LUP
- 2026-02-27 15:47:59
- date last changed
- 2026-02-27 15:47:59
@misc{9223327,
abstract = {{Concrete exhibits high compressive strength but limited tensile strength, which restricts its applications where it's structurally efficient with respect to cost, manufacturability and strength. Prestressing is commonly used to counteract tensile stress by introducing compressive forces but the combination of prestressed concrete and optimization is still under development. An important aspect is to consider material failure criteria while optimizing to achieve realistic concrete designs which are not susceptible to fatigue and cracking from too high stress.
This thesis extends an existing 3D optimization framework for prestressed concrete by introducing a stress constraint based on the Drucker-Prager yield criterion. To ensure numerical robustness, epsilon-relaxation is used to mitigate stress singularities and local stress constraints are aggregated into a single global constraint using the Kresselmeier-Steinhauser function. Numerical examples demonstrate that the stress constraint enforces the optimized designs to comply with the maximum allowable compressive and tensile strengths of the material.}},
author = {{Ohlander, Torsten}},
language = {{eng}},
note = {{Student Paper}},
series = {{TFHF-5000}},
title = {{Stress Constrained 3D Optimization of Prestressed Concrete}},
year = {{2026}},
}