Developing a Python program to design concrete elements using the strut and tie model

Abstract

Stavmodellen er en metode for å designe betongkonstruksjoner, og er et verdifullt redskap i områder hvor det ikke er mulig å benytte vanlig bjelketeori. Metoden bruker fordelingen av krefter gjennom konstruksjonen for å danne et imaginært fagverkssystem, for så å gjøre kapasitetskontroller av disse. Til tross for stavmodellens enkelhet, kan den være ganske tidkrevende å bruke. Derfor har det i dette prosjektet blitt laget et Python-program for å beregne og gjennomføre nødvendige kapasitetskontroller av stavmodellen. Python-programmet er laget for å gjøre det enkelt å etablere og sjekke enhver stavmodell med utgangspunkt i reglegene fra Eurokode 2.

Det har blitt laget noen eksempler for å vise at beregningene fra programmet samsvarer med håndberegninger. Ved bruk av programmet fremfor håndberegninger, blir utførelse av beregninger mer effektivt i tillegg til en lavere sjanse for følgefeil. Programmet gir også muligheten til å endre på stavmodellen raskt og enkelt, for å kunne regne mange forskjellige stavmodeller eller iterer eksisterende stavmodeller med små forandringer.

Det har også blitt utviklet et brukergrensesnitt til programmet. Dette brukergrensesnittet vil gjøre programmet mer tilgjengelig.

Til slutt har det blitt gjennomført en liten studie ved bruk av programmet. Denne studien undersøker fritt opplagte dype bjelker med punktlast for å prøve å finne den optimale stavmodellen. Resultatene herfra viser at færre vertikale strekkstaver i stavmodellen fører til mindre tøyningsenergi, og dermed en «bedre» stavmodell, gitt at kapasiteten er ok.

Her er lenken til oppbevaringsstedet til Python programmet: https://gitlab.stud.idi.ntnu.no/martgrah/stm

The strut and tie model (STM) is a method for designing concrete structures and is a valuable tool in regions where the use of standard beam theory is insufficient. STM uses the flow of forces through a structure to create an imaginary truss system and do design checks on this system. However simple using STM can be time-consuming. Therefore, this thesis has created a Python program to calculate and do necessary design checks of strut and tie models. The Python program is developed to make it easy to establish and check a given strut and tie model, using the design rules of Eurocode 2.

Some examples have been established to showcase that the calculation in the program is correct compared to hand-calculated problems. Using the program instead of hand calculation makes the calculation more efficient and with less chance of consequential error. The program also allows changing the STM fast and effectively to calculate many different STMs or iterate with minor changes on an existing one.

This thesis has also developed a graphical user interface (GUI) with the program as a base. The GUI will make the program more accessible for more people to establish and check strut and tie models.

Lastly, a small study has been conducted using the program. This study investigates simply supported deep beams with point loads and tries to optimize the STM. The result of this study shows that fewer vertical ties in the STM lead to less strain energy and thus “better” STMs, given that the design checks are okay.

Here is the link to the online repository of the developed program: https://gitlab.stud.idi.ntnu.no/martgrah/stm