Оптимизация нагруженности элементов балки

Введение. Отмечено, что наибольшей несущей способностью обладают двутавровые балки. Вместе с тем из-за широкого распространения и доступности трубопроката в практике нередко используют трубчатые балки. Сравнение этих балок по несущей способности следует проводить при условии их равной массы на погонный метр. Сравнивается двутавр по ГОСТу Р 57837–2017, масса погонного метра которого составляет 194 кг, и трубу по ГОСТу 33228–2015 с показателем 194 кг/м. Несущая способность двутавровой балки почти вдвое выше, чем трубчатой. Есть информация о трубобетонных балках, в частности с преднапряженной нижней частью бетонного ядра. Стальная труба в таких балках играет роль внешней арматуры — экзоарматуры. Несущая способность трубобетонных балок весьма значительна при их невысокой себестоимости и хорошей технологичности. Целью настоящей работы является повышение несущей способности трубчатых балок, что позволит расширить ассортимент строительных изделий.

Материалы и методы. Используется методика геометрической оптимизации и мысленного эксперимента. Идея использовать жидкий наполнитель для трубчатой балки опирается на известное свойство жидкости — ее практическую несжимаемость. Геометрическое длинномерное тело, боковая поверхность которого имеет прямолинейную образующую, обладает максимальным объемом (при заданной боковой поверхности), если его поперечное сечение имеет форму круга, что соответствует круглой трубе.

Результаты исследования. Трубчатая балка с жидким наполнителем (гидравлическая балка) представляет собой заглушенную с обоих концов круглую трубу, полностью (без воздушных полостей) заполненную жидкостью. При нагружении гидравлической балки ее боковая поверхность стремится деформироваться. Следовательно, внутренний объем трубы стремится к уменьшению. Но, поскольку жидкость несжимаема, она не допускает уменьшения объема, что, в свою очередь, препятствует деформации трубы.

Обсуждение и заключение. В гидравлической балке вся нагрузка благодаря жидкости относительно равномерно распределяется по всей внутренней поверхности балки. Получена оценка, состоящая в пятикратном превышении несущей способности гидравлической балки по сравнению с двутавровой балкой и в десятикратном — по сравнению с трубчатой балкой.

1. Zheng G, Tian C, Wu J, Guo Z. Ultrasonic Stress Test of Concrete I-Beam Based on Singular Value Decomposition. Journal of Shenyang Jianzhu University (Natural Science Edition). 2020;36(2):212–219. https://doi.org/10.11717/j.issn:2095-1922.2020.02.03

2. De'nan F, Hashim NS. Stress Analysis of I-Beam with Web Opening Via Finite Element Analysis and Experimental Study. World Journal of Engineering. 2023;20(5):974–988. https://doi.org/10.1108/wje-11-2021-0627

3. Saiyan S, Paushkin A. Numerical Study of the Shear Stress Distribution in an I-Beam in the Load Application Zone. Materials Science Forum. 2019;974:659–664. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.974.659

4. Парышев Д.Н., Копырин В.И., Моисеев О.Ю., Овчинников И.Г., Харин В.В., Овчинников И.И. и др. Трубобетонная балка. Патент РФ, № 2017145446. 2018.

5. Парышев Д.Н., Ильтяков А.В., Копырин В.И., Моисеев О.Ю., Мосин А.А., Овчинников И.И. и др. Пролетное трубобетонное строение моста. Патент РФ, № 2019103410. 2019.

6. Парышев Д.Н., Ильтяков А.В., Копырин В.И., Моисеев О.Ю., Агафонов Ю.А., Овчинников И.Г. и др. Битрубобетонная балка. Патент РФ, № 2019130450. 2020.

7. Парышев Д.Н., Ильтяков А.В., Овчинников И.Г., Овчинников И.И., Моисеев О.Ю., Копырин В.И. и др. Применение трубобетона в транспортном строительстве. Дорожная держава. 2019;90:74–80.

8. Парышев Д.Н., Ильтяков А.В., Моисеев О.Ю., Харин В.В., Харин Д.А. Трубобетонная балка с содержанием фибры в бетонном ядре. Естественные и технические науки. 2019;8(134):189–195.

9. Овчинников И.Г., Парышев Д.Н., Ильтяков А.В., Моисеев О.Ю., Харин В.В., Харин Д.А. Повышение нагрузочной способности трубобетонной балки. Транспорт. Транспортные сооружения. Экология. 2019;(4):58–66. https://doi.org/10.15593/24111678/2019.04.07

10. Попов И.П., Парышев Д.Н., Ильтяков А.В., Копырин В.И., Моисеев О.Ю., Овчинников И.И. и др. Гидравлическая балка. Патент РФ, № 2019119481. 2020.

11. Al-Kutti W, Chernykh T. Isotropic Damage Model to Simulate Failure in Reinforced Concrete Beam. Magazine of Civil Engineering. 2021;7(107):10714. https://doi.org/10.34910/MCE.107.14

12. Zealakshmi D, Vijaya B. A Comparative Flexural Performance of an Over-Reinforced High Strength Concrete Beam With Normal Strength Beam. Materials Today: Proceedings. 2022;68(5):1536–1541. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2022.07.179

13. Auta SM, Jamiu O, Alhaji B. Effect of Vertical Circular Openings on Flexural Strength of Reinforced Concrete Beam. Magazine of Civil Engineering. 2021;106(6):10601. https://doi.org/10.34910/MCE.106.1

14. Развеева И.Ф., Иванченко С.А., Бондаренко И.В., Котенко М.П., Федчишена А.А. Разработка лабораторных составов бетона на основе определенной сырьевой базы и ограничений при строительстве атомной электростанции «Аккую». Современные тенденции в строительстве, градостроительстве и планировке территорий. 2022;1(1):24–33. https://doi.org/10.23947/2949-1835-2022-1-1-24-33

15. Касторных Л.И., Гикало М.А., Каклюгин А.В., Серебряная И.А. Математическое моделирование технологических процессов бетонирования монолитных конструкций из мелкозернистых смесей. Современные тенденции в строительстве, градостроительстве и планировке территорий. 2023;2(4):84–93. https://doi.org/10.23947/2949-1835-2023-2-4-84-93

16. Несветаев Г.В., Корянова Ю.И., Сухин Д.П. Некоторые технологические параметры устройства рабочих швов при применении самоуплотняющихся бетонных смесей. Современные тенденции в строительстве, градостроительстве и планировке территорий. 2023;2(3):31–39. https://doi.org/10.23947/2949-1835-2023-2-3-31-39

17. Shao Yu, Miao Ch, Brownjohn JMW, Ding Y. Vehicle-Bridge Interaction System for Long-Span Suspension Bridge under Random Traffic Distribution. Structures. 2022;44:1070–1080. https://doi.org/10.1016/j.istruc.2022.08.074

18. Yu P, Yu C, Ren Zh, Wang L. Vehicle-Bridge Coupling Vibration of Long-Span Concrete-Filled Steel Tubular Arch Bridge. International Journal of Structural Stability and Dynamics. 2024. https://doi.org/10.1142/s0219455425500646

19. Nan L, Yang Q, Liu Ya, Meng Xu, Ye Y, Sun Zh. Application of Long-Span Continuous Bridge Technology in Bridge Construction. Journal of Architectural Research and Development. 2023;7(3):7–12. https://doi.org/10.26689/jard.v7i3.4827

20. Yan B, Kuang W, Gan R, Xie H, Huang J. Track-Bridge Interaction of CWR on Chinese Large-Span Bridge of High-Speed Railway. Applied Sciences (Switzerland). 2022;12(18):9100. https://doi.org/.10.3390/app12189100