Topological optimization of structures produced through 3D printing of fiber reinforced cementitious materials

Abstract

Topology optimization can play an important role in the Architecture, Engineering and Construction (AEC) sector. This technology along with digital manufacturing can be a game changer in the future of civil construction, allowing to build, in a short time period, lighter constructions with very geometry complexity but keeping the same of even better structural functioning. These optimized structures when coupled with a material with high capacity efforts redistribution, e.g. fibre reinforced cementitious material (FRC), can partially or totally substitute the conventional reinforcement, consequently less raw material is use, contributing for a better sustainable development. Following this idea, this dissertation will focus on study topology optimization processes along with the use of FRC materials. Initially a comparison between some topology optimization software’s will be carried out, in order to proper evaluate to most suitable for the realization of the present work. In a second stage, considering only the linear behavior of the material, different topology optimization analyses will be done. These analyses will be based on the geometry and the intended structural application (support and load conditions), in addition to the optimization goal (design variable and constraint). This part aims to assess the influence of height / length ratio (H/L ratio) of the beam, in the optimization outcome. After that, a study of the influence of reinforcement amount in the optimization will be done. Afterwards, some finite element analysis (FEA) for one of the optimized structures will be performed and assessed using distinct approaches for obtaining the tensile stress – strain relationship, namely by adopting the ultimate limit state (USL) and service limit state (SLS) tensile diagrams according to the recommendations presented in FIB Model Code 2010. These simulations will serve to evaluate the nonlinear behavior of the FRC structure. For this study six FRC with different strength classes were considered. Finally, an optimized structural element obtained through the FEA was sliced for 3D printing and the influence of the nozzle dimensions, i.e. printing resolution was checked.

A otimização da topologia pode desempenhar um papel importante no setor de Arquitetura, Engenharia e Construção (AEC). Esta tecnologia aliada à manufatura digital pode completamente revolucionar o futuro da construção civil, permitindo construir, num curto espaço de tempo, construções mais leves, mas mantendo o mesmo ou ainda melhor funcionamento estrutural. Estas estruturas otimizadas quando conjugadas a um material com alta capacidade de redistribuição de esforços, por ex. materiais cimentícios reforçado com fibras (FRC), pode substituir parcial ou totalmente o reforço convencional, onde consequentemente menos matéria-prima será utilizada, contribuindo-se assim, para um melhor desenvolvimento sustentável. Seguindo essa ideia, esta dissertação terá como foco estudar processos de otimização de topológica juntamente com o uso de materiais FRC. Inicialmente será realizada uma comparação entre alguns softwares de otimização de topológica, a fim de avaliar adequadamente o mais adequado para a realização do presente trabalho. Em uma segunda etapa, considerando apenas o comportamento linear do material, serão realizados diferentes processos de otimização topológica. Essas otimizações serão baseadas na geometria e na aplicação estrutural pretendida e no objetivo da otimização. Esta parte visa avaliar a influencia da relação altura/comprimento da viga (relação H/L), no resultado da otimização. Posteriormente, algumas análises de elementos finitos (FEM) para uma das estruturas otimizadas serão realizadas e avaliadas usando duas abordagens distintas para a obtenção da relação tensão de tração – deformação, uma para estado limite último (ELU) e estado limite de serviço (ELS), seguindo as recomendações presentes no FIB Model Code 2010. Estas simulações servirão para avaliar o comportamento não linear da estrutura de FRC. Para este estudo foram considerados seis FRC com diferentes classes de força. Finalmente, para um elemento estrutural otimizado anteriormente, foi realizada uma simulação de impressão 3D, de modo a estudar a influencia do tamanho do bico de impressão, ou seja, a resolução de impressão foi verificada.