Строительные конструкции, здания и сооружения. Рубрика в журнале - Строительство уникальных зданий и сооружений
Anchor bonds of the contact joint of steel-concrete structures
Статья научная
Ribbed slabs, consisting of metal rib beams and a reinforced concrete monolithic slab, are often used. Because of the joint work of the reinforced concrete slab and steel ribs, such floors are called steel-reinforced concrete. The main elements that provide the joint work of the layers of ribs and plates in them are anchor ties. The set of design solutions for anchor ties used in the contact joints of steel-reinforced concrete structures is multifaceted. A comparative analysis of the variants of the structures of anchor connections shows that rod anchor connections have an advance in the manufacturability of the connection and the material consumption. Unlike bridge structures, stud bolts are often used as inclined clamps from smooth round bars or corrugated vertical reinforcing bars welded to the upper shelf of a steel rib. An analysis of various experimental studies shows that the anchor ties work in bending and tension. The research object was the stress-strain state of anchor rods. The numerical and experimental studies of the work of the steel-concrete contact joint on prism models were carried out. The work diagrams for three types of anchors are given. Numerical studies revealed a mosaic of stresses and strains in anchors. Based on the analysis of numerical and full-scale experiments, analytical dependencies are proposed that reflect the actual operation of anchor ties. Comparisons of the calculation results by analytical formulas and comparisons with numerical and full-scale experiment data are given. Numerical studies have revealed the pattern of the stress-strain state of the contact joint, the stages of development of cracks in the concrete flange, and the sequence of development of deformations in anchor ties. It was revealed that vertical anchor rods have an increased bearing capacity, although displacements are 1.5-2 times greater than those of loop-shaped anchor ties.
Бесплатно
Assessment of the stress-strain state of a prestressed steel-concrete beam
Статья научная
The object of research is the behavior of a prestressed composite beam with a cross-section composed of an I-shaped steel profile and concrete. The relevance of the research lies in the insufficient theoretical and experimental understanding of the flexural performance of such structures under prestressing conditions. In the examined configuration, the reinforcement is isolated from the main concrete section. Method. The research methodology includes full-scale laboratory testing, numerical simulation in ANSYS, and analytical calculations adapted to the specific features of the structure. Results. Experimental results were compared with calculation outcomes. The experimentally determined maximum bending moment was 111,499.7 N·m with a deflection of 5.91 mm; the deviations from the numerical model were 6.8 % in moment and 2.5 % in deflection, while the analytical model showed 2.9 % and 12.2 % deviation, respectively. The findings highlight the need to refine the stiffness reduction coefficient ks to improve the accuracy of deformation predictions.
Бесплатно
Fractal structure of cast iron and its strength characteristics
Статья научная
The object of research is the structure and hardness of cast iron rolls used in section rolling mills. The study focuses on the use of multifractal analysis to assess the microstructural features of cast iron and their correlation with hardness. Method. Quantitative metallography methods and a multifractal approach were employed to analyze the microstructure of cast iron. Statistical characteristics of the microstructure were calculated using Rényi's formula. Hardness measurements were conducted on rolls made from SPHN and SSHNF grades of cast iron at three equidistant points along the barrel. Correlation coefficients were computed to evaluate the relationship between hardness and both traditional structural characteristics (length, diameter, area) and multifractal parameters. Results. The analysis revealed the significant influence of statistical fractal dimensions and the morphology of carbides and graphite (lamellar and spheroidal) on the hardness of cast iron rolls. Correlation coefficients for hardness prediction based on traditional structural features ranged from , while prediction using multifractal characteristics showed higher coefficients: to for SPHN rolls and to for SSHNF rolls. These results demonstrate the effectiveness of multifractal analysis in assessing the quality of cast iron rolls. A novel approach for evaluating the hardness of SPHN and SSHNF rolls is proposed. It includes the calculation of the statistical dimension spectrum of cast iron structural elements, determination of sensitivity coefficients of hardness to the spectrum, and the development of a mathematical model for hardness prediction. This method offers an alternative framework for assessing the quality of cast irons by analyzing their structural characteristics.
Бесплатно
Mechanical properties of construction steel under rapid assessment
Статья научная
The object of research is the fractal modeling methodology applied to the structure and properties of materials, specifically metals. The study explores the relationship between the fractal (fractional) dimensions of structural elements and the physical and mechanical properties of materials, such as steel and cast iron. This work aims to analyze and refine the stages of fractal modeling to improve the prediction of material quality criteria. Method. The study employs a systematic fractal modeling approach, which includes the following steps: calculating the fractal dimension using Hausdorff’s formula, determining self-similarity and scale invariance, assessing sensitivity conditions, selecting a target function and variables, and formalizing results through appropriate modeling. The heterogeneity of fractal objects is evaluated using Rényi’s formula to detect multifractality, and the results are interpreted in the context of material structure-property relationships. Examples of algorithm implementation and its augmentation with fractal formalism for ranking quality criteria are provided. Results. The analysis demonstrates that the proposed algorithm improves the prediction of material properties based on structural and macrostructural analysis. It highlights the importance of correlating fractal dimensions with mechanical properties and emphasizes sensitivity assessments. The findings confirm that applying fractal modeling allows the ranking of quality criteria for materials, thereby establishing new structure-property relationships. Suggestions for algorithm enhancements include integrating advanced methods to evaluate sensitivity and quality metrics within specific operational ranges.
Бесплатно
Structural inhomogeneity of metallic materials and quality criteria
Статья научная
The object of research is the structural inhomogeneity of metallic materials and its relationship with established quality criteria. The study focuses on the impact of microstructural variations, such as grain size distribution, defect presence, and phase heterogeneity, on the mechanical and physical properties of metals. Method. A combination of advanced microscopy techniques, statistical analysis of microstructural features, and standardized mechanical testing is employed to quantify structural inhomogeneity. Correlations between structural characteristics and quality indicators, such as strength, ductility, and durability, are established using regression models and quality standards. Results. The findings reveal that increased structural inhomogeneity negatively affects key quality parameters, including mechanical stability and material performance. Specific thresholds of inhomogeneity are identified, beyond which materials fail to meet quality standards. The study provides a framework for predicting material performance based on microstructural assessment and suggests pathways for improving quality through optimized processing techniques.
Бесплатно
Vibration characteristics of 3D curved cellular bridges via panel element method
Статья научная
The object of research is the development of a novel approach for the free vibration analysis of 3D curved cellular bridges using the Panel Element Method (PEM). The free vibration analysis of 3D curved cellular bridges was performed by the proposed Panel Element Method (PEM). The objective of this research is to examine the relationship between natural frequencies, mode shapes, and computational efficiency and the geometric configuration of curved bridge decks. Method. The PEM simulates curved cellular decks as assemblies of planar and non-planar panel modules based on a wide column analogy where two rigid arms joined by a flexible member mimic coupling between bending and torsion. Intrinsic dynamic properties are determined analytically using strain energy minimum principles, implemented in MATLAB for parametric analysis. Comparison with the Finite Element Method (FEM) assesses mode of vibration discrepancies and computational cost. Validation is done externally by solving the equations of equilibrium for bridge geometries with different curvature radius, support types, and cell shapes. Results. The PEM is verified against FEM by a variety of case studies for various bridge profiles and supports. It is found that the natural frequencies and mode shapes could be predicted accurately by the PEM with variation of less than 7% in fundamental modes compared to FEM. A high degree of computational efficiency by PEM is proved with over 90% savings in computational efforts without any accuracy loss. The paper concludes that the PEM is a good method for free vibration analysis that can achieve a compromise between accuracy and computational efficiency and is a possible substitute for the analysis of the dynamic behavior of curved bridge decks with various configurations.
Бесплатно
Дополнительные параметры заводняющего агента системы поддержания пластового давления
Статья научная
Объектом исследования является эффективность моющего действия агента заводнения при использовании системы плавающего давления. Целью данной работы является анализ влияния микродоз различных нефтепромысловых химреагентов на нефтеизвлекающую способность закачиваемой в пласт воды и обоснование необходимости включения контроля этого параметра в нормативные документы, регламентирующие качество агента заводнения. Метод. На основании анализа опытно-промышленных испытаний на месторождении Западной Сибири установлено, что негативным последствием попадания даже микродоз неправильно подобранных реагентов в агенты заводнения является недоизвлечение нефти. Моющее действие агента заводнения по отношению к нефтяным пленкам исследовалось экспериментально с помощью разработанной установки, позволяющей регистрировать кинетику смывания нефтяных пленок в автоматическом режиме. Результаты. Установлено, что повышение моющей способности агента заводнения возможно путем оптимизации составов реагентов за счет уменьшения размеров частиц используемых нефтепромысловых реагентов. Оценку данного параметра методом экспресс-контроля рекомендуется включить в перечень показателей качества реагента заводнения.
Бесплатно
Зоны безопасности резонанса ферменной конструкции с произвольным числом панелей
Статья научная
Зависимость резонансной зоны безопасности от размеров стержней фермы подробно анализируется на примере статически заданной симметричной балочной фермы. В данной задаче предполагается, что стержни фермы имеют одинаковое поперечное сечение, а масса фермы равномерно распределена между ее узлами, поэтому каждая масса имеет одну степень свободы, а жесткость стержней одинакова. Метод. С помощью метода индукции были найдены аналитические выражения для прогиба фермы, из которых была получена ожидаемая зависимость прогиба от нагрузки и упругих свойств стержней и количества панелей. С помощью метода Данкерли и его упрощенного варианта была получена формула в аналитическом виде для зависимости первой собственной частоты колебаний от количества панелей. В данном исследовании все преобразования выполнялись с помощью программы на математическом языке Maple. Результаты. Для оценки точности предлагаемых методов результаты, полученные аналитическим решением, сравниваются с результатами численного метода, что позволяет оценить его пригодность для решения задачи многопанельных ферм. Кроме того, анализируются спектры собственных частот, представленные в виде графика, и делаются выводы о зависимости от размеров панелей.
Бесплатно
Статья научная
Объектом исследования являются легкие сталежелезобетонные фермы (ЛСТФ), состоящие из легких стальных тонкостенных профилей и заполнения из ячеистого пенобетона. Целью данной работы является предложение и обоснование нестандартного конструктивного решения – усиление легкой стальной тонкостенной фермы пенобетоном плотностью 200 кг/м3 и 400 кг/м3. Методы. В качестве способа усиления предлагается технология, основанная на заполнении пространства между элементами фермы пенобетоном «Совби». Результаты. Численное моделирование заполнения пространства между элементами фермы пенобетоном «Совби» показало, что конструкция разгружается. Коэффициент использования материала снизился до 0,87 при использовании пенобетона плотностью 200 кг/м3 и до 0,74 при использовании пенобетона плотностью 400 кг/м3. При использовании пенобетона плотностью 200 кг/м3 прогибы конструкции уменьшились на 17%, внутренние продольные усилия в элементах фермы уменьшились на 20%. При использовании пенобетона плотностью 400 кг/м3 перемещения конструкции уменьшились на 27%, а внутренние продольные усилия в элементах фермы уменьшились на 29%.
Бесплатно
Статья научная
Объектом исследования являются эпоксидные композиты, армированные стекловолокном (GFRP), подвергаемые циклическому термомеханическому нагружению, моделирующему условия эксплуатации таких конструктивных элементов, как дымоходы. В этом исследовании изучается напряженно-деформированное состояние (НДС) GFRP при повторных циклах нагрева и охлаждения, изменяющихся начальных механических напряжениях и длительностях цикла. Целью является разработка усовершенствованной вязкоупругой модели, учитывающей эффекты памяти материала. Метод. Для представления вязкоупругой памяти и остаточного напряжения использовалась усовершенствованная многоэлементная модель Кельвина-Фойгта с последовательно переключаемыми элементами. Скрипт на Python рассчитывал НДС при циклическом нагружении. Механические параметры были получены из кривых релаксации напряжений (30–180 °C). Экспериментальные исследования были проведены на образцах GFRP, и была оценена температура стеклования эпоксидной смолы (~130 °C). Результаты. Экспериментальные данные показали, что композиты GFRP демонстрируют существенно меньшее накопление остаточных напряжений по сравнению с чистым эпоксидным полимером благодаря армированию волокнами. Несмотря на то, что в стеклопластике (GFRP) при определённых условиях (длительное удержание пиковой температуры, переменная продолжительность цикла) наблюдалось небольшое накопление остаточных напряжений, GFRP сохранял достаточную жёсткость даже при 180 °C, превышая температуру стеклования матрицы. Это расширяет диапазон его рабочих температур. Эффекты вязкоупругой памяти и остаточные напряжения в GFRP существенно зависят от состава материала и параметров термического цикла. GFRP демонстрирует заметно более низкие остаточные напряжения и сохраняющуюся жёсткость при температурах выше температуры стеклования матрицы, что делает его пригодным для применения в более широком диапазоне температур. Предложенная модель и экспериментальные данные улучшают прогнозирование НДС и предоставляют ценные инструменты для прогнозирования надёжности и срока службы конструкций из GFRP при циклических термомеханических нагрузках.
Бесплатно
Моделирование работы кирпичной кладки на сжатие
Статья научная
Предмет исследования современного состояния области применения каменной кладки характеризуется многообразием конструктивных и технических решений, многообразием характеристик используемых материалов и изделий. Исследования в области прочности и деформативности каменной кладки, в том числе армированной различными способами, актуальны и направлены на повышение степени надежности и безопасности. Метод. Проведены комплексные экспериментальные исследования каменных кладок из различных материалов, в том числе армированных и армированных обоймами. Результаты. Экспериментальным путем получены данные о напряженно-деформированном состоянии и особенностях механизмов разрушения каменной и армокаменной кладки, использованные при разработке теоретических основ и моделей методов расчета диаграммным методом. В результате многолетних экспериментальных исследований получены качественные и количественные характеристики напряженно-деформированного состояния каменной и армокаменной кладки, учитываемые при построении расчетных моделей эксплуатации сжатых конструкций.
Бесплатно
Неразрушающий метод определения остаточных напряжений в полимерах и композитах
Статья научная
Объектом исследования является полимерный материал (эпоксидный компаунд горячего отверждения с ангидридным отвердителем), в котором необходимо определить уровень остаточных напряжений без нарушения целостности изделия. Целью данной работы является разработка и экспериментальная апробация нового неразрушающего метода определения остаточных напряжений, позволяющего снизить трудоемкость оценки напряженного состояния реальных конструкций и предотвратить их повреждение. Метод. Предлагаемый метод основан на локальном нагреве участка конструкции выше температуры стеклования, что временно переводит материал в высокоэластическое состояние и снимает внутренние напряжения в заданной области. В качестве измерительного прибора используется тензорезистор, регистрирующий изменение деформации до и после нагрева. Такой подход позволяет определять уровень остаточных напряжений без механического удаления материала, а локальный нагрев и наличие системы охлаждения обеспечивают контролируемые условия эксперимента. Результаты экспериментальных исследований на образцах из эпоксидного полимера подтвердили эффективность метода. Показания тензорезистора фиксировали изменение деформации, соответствующее частичному снятию остаточных напряжений после локального нагрева. Полученные данные продемонстрировали воспроизводимость результатов и перспективность данного метода для оценки остаточных напряжений в полимерных композиционных материалах, в том числе крупногабаритных и эксплуатируемых конструкциях.
Бесплатно
Несущая способность Г-образных кронштейнов навесных фасадных систем
Статья научная
Объектом исследования являются алюминиевые кронштейны с двумя анкерными креплениями и различными вылетами консольной части в диапазоне от 120 мм до 270 мм. Целью данной работы является разработка методики численного расчета элементов крепления навесных фасадных систем с учетом геометрической и конструктивной нелинейности. Рассматриваются три вида усилий, действующих на кронштейны: растягивающие, изгибающие и сжимающие. Метод. Предложена методика численного моделирования конструкции Г-образного кронштейна с использованием пластинчатых конечных элементов в нелинейных расчетах. Результаты моделирования апробированы в ходе лабораторного исследования. Результаты. Анализ результатов несущей способности, полученных с использованием численных моделей с пластинчатыми конечными элементами и в ходе лабораторного исследования, показал достаточную согласованность. Использование упрощенных методов моделирования элементов крепления навесных фасадных систем приводит к занижению несущей способности при растяжении на 37% и к существенному завышению при изгибе на 88%.
Бесплатно
Статья научная
Объектом исследования является существующее кирпичное здание, под которым ведется строительство наклонного тоннеля метрополитена. Метод. С использованием численного конечно-элементного моделирования исследовано влияние проходки тоннелем механизированным комплексом (ТБМ) на напряженно-деформированное состояние конструктивных элементов здания. Участок строительства сложен слабыми водонасыщенными грунтами. Задача решена в трехмерной постановке. Результаты. Определены значения дополнительных осадок фундаментов и напряжений в конструкциях здания. Полученные значения осадок сопоставлены с натурными данными геодезического мониторинга. Выявлены зоны максимальных растягивающих напряжений в кладке. На основании данных технического обследования здания выбрана наиболее уязвимая дефектная конструкция перекрытия. На основе вероятностного метода оценки конструктивной безопасности зданий определены предельные значения усилий для наиболее дефектной конструкции, которые используются для назначения вида технического состояния рассматриваемого здания.
Бесплатно
Сила сцепления между композитными стержнями и бетоном: экспериментальное исследование
Статья научная
Объектом исследования является соединение композитных стержней, вклеенных в бетон. Целью данной работы является определение прочности сцепления стержня с бетоном на основе серии испытаний на выдергивание связанных композитных стержней. Средние напряжения сдвига сцепления стержня с бетоном при максимальном усилии выдергивания необходимы для определения необходимой длины анкеровки композитных стержней. Метод. Были проведены две серии испытаний на выдергивание композитных стержней, вклеенных в бетонный куб эпоксидным клеем. Серии различались толщиной клеевого слоя: 7 мм и 3,5 мм. Для определения класса бетона были испытаны на сжатие три образца. Проведено конечно-элементное моделирование выдергивания композитного стержня из бетонного куба и проведено сравнение численных результатов с экспериментальными данными. Результаты. По результатам испытаний для каждой серии было рассчитано среднее значение максимального напряжения сдвига, действующего между стержнем и бетоном. Значения напряжений определялись с доверительной вероятностью 0,95. Испытания на выдергивание проводились на композитных стержнях, вклеенных в бетонный куб. Эксперименты показали, что в этом случае усилие отрыва и среднее касательное напряжение увеличились примерно на 20–25 процентов.
Бесплатно
Сталефибробетон на полшага низковибрационной трассы
Статья научная
Объектом исследования является полуступенька маловибрационной колеи. Действующие нормативные акты строго ограничивают образование и раскрытие трещин в этих конструкциях. Работы многих исследователей показали, что полуступеньки LVT нуждаются в повышении трещиностойкости. Для решения этой проблемы предлагается вводить в бетон стальную фибру, что увеличит сопротивление полуступеней образованию и раскрытию трещин. Целью данной работы является повышение трещиностойкости этих полуступеней путем введения стальной фибры в бетон. Метод. Для получения экспериментальных данных были проведены экспериментальные исследования, а для оценки напряженно-деформированного состояния использовался программный пакет Ansys Workbench. Полученные результаты сравнивались с предыдущими исследовательскими работами. Результаты. Представлены численные результаты для полуступени из сталефибробетона, показаны диаграммы напряжений и деформаций, карта трещинообразования и характер разрушения. Представлено сравнение результатов исследований полуступеней LVT из тяжелого бетона и сталефиброармированных стальной стержневой арматурой. Выводы. Несущая способность полуступени после добавления стальной фибры увеличилась на 198%, а трещиностойкость на 300% (обычные трещины) и 679% (наклонные трещины).
Бесплатно
Усиление соединений торцевых пластин при низких циклических нагрузках
Статья научная
Объектом исследования являются болтовые лобовые соединения балка-колонна, которые используются в стальных конструкциях для обеспечения надежности соединений колонна-балка и балка-балка. Однако в действующих нормативных документах отсутствуют рекомендации по армированию лобовых соединений при малоцикловом циклическом нагружении. Метод. Армирование болтовых лобовых соединений при малоцикловом циклическом нагружении исследуется на стадии проектирования с использованием метода конечных элементов и метода компонентов. Ребра жесткости являются одним из наиболее эффективных и удобных методов усиления соединений. Во-первых, методом конечных элементов анализируются передаточные характеристики трех видов ребер жесткости, и находится наилучшая геометрическая схема параметров ребер жесткости. На этой основе предлагается метод расчета изгибающей способности соединений с ребрами жесткости. После этого численно анализируется работа узлов балка-колонна с использованием различных методов армирования при монотонных и циклических нагрузках. Результаты. На основании результатов численного анализа установлен механизм разрушения узла соединения балки с колонной, установлена зависимость изменения внутренних усилий в болтах от количества ступеней нагружения и величины зазора между торцевой пластиной и полкой колонны. В результате анализа сделан вывод о том, что усиление узла соединения торцевой пластины на этапе проектирования повышает его прочность, а применение болтов большого диаметра, рёбер жёсткости торцевой пластины и рёбер жёсткости колонны предотвращает пластическое шарнирное крепление несущих элементов узла, что обеспечивает надёжность узла при циклическом нагружении.
Бесплатно
