Preview

Современные тенденции в строительстве, градостроительстве и планировке территорий

Расширенный поиск

Моделирование сопротивления поперечным силам балок из сверхвысокопрочного бетона инструментами статистического обучения

https://doi.org/10.23947/2949-1835-2025-4-2-7-20

EDN: RSCKOZ

Аннотация

Введение. Сверхвысокопрочный бетон (СВПБ) сочетает в себе высокую прочность и трещиностойкость, низкую проницаемость, что делает его эффективным для конструкций, эксплуатируемых в условиях действия агрессивных сред и высоких нагрузок. Расширение практики применения СВПБ в строительстве требует разработки соответствующих научно обоснованных методов расчета изготовленных с его применением конструкций. Одним из малоизученных вопросов является сопротивление изгибаемых СВПБ-конструкций действию поперечных сил. В настоящей работе предложены расчетные зависимости для определения прочности наклонных сечений двутавровых балок из СВПБ, разработанные с применением методов машинного обучения. Для регрессий составлены и структурированы обширные экспериментальные выборки с широкими диапазонами параметров, оказывающих влияние на сопротивление поперечным силам.
Материалы и методы. При построении моделей использованы искусственные нейронные сети (ИНС) и методы регрессионного анализа. Для решения задач использован инструментарий программы STATISTICA.
Результаты исследования. Разработаны нелинейные зависимости для инженерных расчетов, позволяющие производить расчет сопротивления СВПБ-балок поперечным силам с учетом влияния пролета среза нагружения и конструктивных параметров, включая геометрию сечения, прочностные характеристики СВПБ, а также коэффициенты фибрового и поперечного стержневого армирования. Результаты подтверждают применимость регрессионных моделей и ИНС для расчетов прочности наклонных сечений СВПБ-балок, как для сложно формализуемой задачи. Достоверность полученных моделей подтверждена статистическим анализом, включая проверку адекватности уравнений регрессии и их сравнение с нормативными методиками расчета.
Обсуждение и заключение. Предложенные формулы позволяют снизить расхождение между теоретическими и экспериментальными данными в сравнении с нормативными методиками до 2,4 раза. Формулы применимы как для расчета балок с неармированными наклонными сечениями, так и для балок с фибровым и поперечным стержневым армированием.

Об авторах

М. М. Тамов
Кубанский государственный технологический университет
Россия

Мурат Мухамедович Тамов, кандидат технических наук, доцент кафедры строительных конструкций 

350072, Российская Федерация, г. Краснодар, ул. Московская, 2



О. В. Руденко
Кубанский государственный университет
Россия

Ольга Валентиновна Руденко, кандидат технических наук, доцент кафедры вычислительных технологий

350040, Российская Федерация, г. Краснодар, ул. Ставропольская, 149



М. И.Ф. Салиб
Кубанский государственный технологический университет
Россия

Салиб Мина Ибрахим Фахми, инженер кафедры строительных конструкций

350072, Российская Федерация, г. Краснодар, ул. Московская, 2



Список литературы

1. Agrawal A, Choudhary A Perspective: Materials Informatics and Big Data: Realization of the “Fourth Paradigm” of Science in Materials Science. APL Materials. 2016;4:1–10. https://doi.org/10.1063/1.4946894

2. Jasmine PH, Arun S Machine Learning Applications in Structural Engineering - a Review. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2021;1114. https://doi.org/10.1088/1757-899X/1114/1/012012

3. Salehi H Emerging Artificial Intelligence Methods in Structural Engineering. Engineering Structures. 2018;171:170–189. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2018.05.084

4. Falcone R, Lima C, Martinelli E Soft Computing Techniques in Structural and Earthquake Engineering: a Literature Review. Engineering Structures. 2020;207(4):1–16. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2020.110269

5. Keshtegar B, Bagheri M, Yaseen ZM Shear Strength of Steel Fiber-Unconfined Reinforced Concrete Beam Simulation: Application of Novel Intelligent Model. Composite Structures. 2019;212:230–242. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2019.01.004

6. Hosseini Gh Capacity Prediction of RC Beams Strengthened with FRP by Artificial Neural Networks Based on Genetic Algorithm. Journal of Soft Computing in Civil Engineering. 2017;1(1):93–98. https://doi.org/10.22115/scce.2017.48392

7. Salib МIF, Таmov ММ Strength of Inclined Sections (Shear Strength) of I-shaped Beams Made of Ultra-High-Performance Concrete. Engineering Journal of Don. 2024;109(1):369–381. http://www.ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2024/8952 (accessed: 04.05.2025)

8. Adebar P, Collins MP Shear Strength of Members Without Transverse Reinforcement. Canadian Journal of Civil Engineering. 1996;23(1):30–41. https://doi.org/10.1139/l96-004

9. Ahmad SH, Khaloo AR Shear Capacity of Reinforced High-Strength Concrete Beams. ACI Journal, Proceedings. 1986;83(2):297–305.

10. Ahmad SH, Xie Y, Yu T Shear Strength of Reinforced Lightweight Concrete Beams of Normal and High Strength Concrete. Magazine of Concrete Research. 1994;46(166):57–66. https://doi.org/10.1680/macr.1994.46.166.57

11. Ahmad SH, Park F, El-Dash K Web Reinforcement Effects on Shear Capacity of Reinforced High-Strength Concrete Beams. Magazine of Concrete Research. 1995;47(172):227–233. https://doi.org/10.1680/macr.1995.47.172.227

12. Arowojolu O, Ibrahim A, Almakrab A, Saras N, Nielsen R Influence of Shear Span-to-Effective Depth Ratio on Behavior of High-Strength Reinforced Concrete Beams. International Journal of Concrete Structures and Materials. 2021;15(1):1–12. https://doi.org/10.1186/s40069-020-00444-7

13. Baby F, Marchand P, Toutlemonde F Shear Behavior of Ultrahigh Performance Fiber-Reinforced Concrete Beams. I: Experimental Investigation. Journal of Structural Engineering. 2014;140(5):1–10. https://doi.org/10.1061/(ASCE)ST.1943-541X.0000907

14. Bae B-I, Lee M-S, Choi C-S, Jung H-S, Choi H-K Evaluation of the Ultimate Strength of the Ultra-High-Performance Fiber-Reinforced Concrete Beams. Applied Sciences. 2021;11(7):1–17. https://doi.org/10.3390/app11072951

15. Bazant ZP, Kazemi MT Size Effect on Diagonal Shear Failure of Beams without Stirrups. ACI Journal. 1991;88(3):268–276. URL: http://www.civil.northwestern.edu/people/bazant/PDFs/Papers/273.pdf (accessed: 04.05.2025).

16. Bohigas AC Shear Design of Reinforced High-Strength Concrete Beams. University of the Balearic Islands; 2002. URL: https://www.researchgate.net/publication/263696608_Shear_design_of_reinforced_high-strength_concrete_beams (accessed: 04.05.2025).

17. Bui T, Nana WSA, Doucet-Ferru B, Bennani A, Lequay H, Limam A Shear Performance of Steel Fiber Reinforced Concrete Beams Without Stirrups: Experimental Investigation. International Journal of Civil Engineering. 2020;18(5):865–881. https://doi.org/10.1007/s40999-020-00505-8

18. Collins MP, Kuchma D How safe are our large, lightly reinforced concrete beams, slabs and footings? ACI Structural Journal. 1999;96(4):482–490.

19. Elzanaty AH, Nilson AH, Slate FO Shear Capacity of Reinforced Concrete Beams Using High-Strength Concrete. ACI Journal. 1986;83(2):290–296.

20. González-Fonteboa B Hormigones con áridos reciclados procedentes de demoliciones: dosificaciones, propiedades mecánicas y comportamiento estructural a cortante. Universidad de la Coruña; 2002. (in Spanish)

21. Hamrat M, Boulekbache B, Chemrouk M, Amziane S Shear Behaviour of RC Beams without Stirrups Made of Normal Strength and High Strength Concretes. Advances in Structural Engineering. 2010;13(1):29–41.

22. Hasgul U, Yavas A¸ Birol T, Turker K Steel Fiber Use as Shear Reinforcement on I-Shaped UHP-FRC Beams. Applied Sciences. 2019;9(24):1–17. https://doi.org/10.3390/app9245526

23. Islam MS, Pam HJ, Kwan AKH Shear Capacity of High-Strength Concrete Beams with their Point of Inflection within the Shear Span. Proceedings of the Institution of Civil Engineers, Structures and buildings. 1998;128(1):91–99. https://doi.org/10.1680/istbu.1998.30038

24. Johnson MK, Ramirez JA Minimum Shear Reinforcement in Beams with Higher Strength Concrete. ACI Structural Journal. 1989;86(4):376–382.

25. Kani MW, Huggins MW, Wittkopp PF Kani on Shear in Reinforced Concrete. Canada: University of Toronto; 1979.

26. Kim JK, Park YD Shear Strength of Reinforced High Strength Concrete Beams without Web Reinforcement. Magazine of Concrete Research. 1994;46:1–8. https://doi.org/10.1680/macr.1994.46.166.7

27. Kulkarni SM, Shah SP Response of Reinforced Concrete Beams at High Strain Rates. ACI Structural Journal. 1998;95(6):705–715.

28. Kwak Y-K, Eberhard MO, Kim W-S, Kim J Shear Strength of Steel Fiber-Reinforced Concrete Beams without Stirrups. ACI Structural Journal. 2002;99:530–538.

29. Mohammed MH Shear Behavior of Reactive Powder Concrete Beams with and without Coarse Aggregate. Engineering, Materials Science. 2018;2:86–90. https://doi.org/10.22060/ceej.2017.12210.5145

30. Morrow J, Viest IM Shear Strength of Reinforced Concrete Frame Members without Web Reinforcement. ACI Journal. 1957;28(9):833–869.

31. Mphonde AG, Frantz GC Shear Tests of High- and Low-Strength Concrete Beams Without Stirrups. ACI Journal. 1984;81(4);350–357.

32. Pansuk W, Nguyen T, Sato Y, Den Uijl JA, Walraven JC Shear Capacity of High Performance Fiber Reinforced Concrete I-beams. Construction and Building Materials. 2017;157:182–193. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2017.09.057

33. Perera R, Barchín M, Arteaga A, De Diego A Prediction of the Ultimate Strength of Reinforced Concrete Beams FRP-Strengthened in Shear Using Neural Networks. Composites Part B: Engineering. 2010;41(4):287–298. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2010.03.003

34. Reddy LS, Rao NV, Rao TD Shear Response of Fibrous High Strength Concrete Beams without Web Reinforcement. Civil Engineering Dimension. 2011;13(1):50–58.

35. Salandra MA, Ahmad SH Shear Capacity of Reinforced Lightweight High-Strength Concrete Beams. ACI Journal. 1989;86(6):697–704.

36. Tavio T Experimental Investigation on Size Effect in Shear of High-Strength Concrete Beams. The Journal for Technology and Science. 2009;20(1):11–23. https://doi.org/10.12962/j20882033.v20i1.131

37. Thiemicke J, Fehling E Experimental and Numerical Investigations on I-Shaped UHPC-Beams with Combined Reinforcement under Shear Load. In book: Insights and Innovations in Structural Engineering, Mechanics and Computation. 1st Edition. 2016. P. 1363–1367.

38. Thorenfeldt E, Drangsholt G Shear Capacity of Reinforced High Strength Concrete Beams. ACI 2nd International Symposium on HSC, ACI SP 121.8. 1990. P. 129–154.

39. Yavas A, Goker CO Impact of Reinforcement Ratio on Shear Behavior of I-Shaped UHPC Beams with and without Fiber Shear Reinforcement. Materials. 2020;13(7):1–17. https://doi.org/10.3390/ma13071525

40. Xie Y, Ahmad SH, Yu T, Hino S, Chung W Shear ductility of reinforced concrete beams of normal and high strength concrete. ACI Journal. 1994;91(2):140–149.

41. Yoon Y-S, Cook WD, Mitchell D Minimum Shear Reinforcement in Normal, Medium and High-Strength Concrete Beams. ACI Structural Journal. 1996;93(5):576–584.

42. Lee J-H, Hong S-G Shear Strength of Ultra-High Performance Fiber-Reinforced Concrete (UHPFRC) I-shaped Beams without Stirrup. Journal of the Korea Concrete Institute. 2017;29:53–64. https://doi.org/10.4334/JKCI.2017.29.1.053

43. Magureanu C, Sosa I, Negrutiu C, Heghes B Bending and Shear Behavior of Ultra-high Performance Fiber Reinforced Concrete. High Performance Structures and Materials V. 2010;112:79–89. https://doi.org/10.2495/HPSM100081

44. Meszoly T, Randl N Shear Behavior of Fiber-Reinforced Ultra-High Performance Concrete Beams. Engineering Structures. 2018;168:119–127. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2018.04.075

45. Telleen K, Noshiravani T, Galrito R, Brühwiler E Experimental Investigation into the Shear Resistance of a Reinforced UHPFRC Web Element. In: 8th fib PhD Symposium in Kgs. Lyngby; 2010. P. 1–6. URL: https://www.researchgate.net/publication/49461300_Experimental_investigation_into_the_shear_resistance_of_a_reinforced_UHPFRC_web_element (accessed: 04.03.2025).

46. Ţibea C, Bompa DV Ultimate Shear Response of Ultra-High-Performance Steel Fibre-Reinforced Concrete Elements. Archives of Civil and Mechanical Engineering. 2020;20(49):1–16.

47. Wu X, Han S-M First Diagonal Cracking and Ultimate Shear of I-Shaped Reinforced Girders of Ultra-high performance fiber reinforced concrete without stirrup. International Journal of Concrete Structures and Materials. 2009;3:47–56. https://doi.org/10.4334/IJCSM.2009.3.1.047

48. Yang I-H, Joh C, Kim B-S Shear Behaviour of Ultra-High-Performance Fibre-Reinforced Concrete Beams Without Stirrups. Magazine of Concrete Research. 2012;64(11):979–993.

49. Zagon R, Matthy S, Kiss Z Shear behaviour of SFR-UHPC I-shaped beams. Construction and Building Materials. 2016;124:258–268. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2016.07.075

50. Lee JW, Joh C, Choi ES, Kwak IJ, Kim BS Estimation of Shear Behavior of Ultra High Performance Concrete I Girder without Shear Stirrups. Key Engineering Materials. 2013;525–526:557–560. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.525-526.557

51. Qi J, Ding X, Wang Z, Hu Y Shear Strength of Fiber-Reinforced High-Strength Ssteel Ultra-High-Performance Concrete Beams Based on Refined Calculation of Compression Zone Depth Considering Concrete Tension. Advances in Structural Engineering. 2019;22:2006–2018. https://doi.org/10.1177/1369433219829805


Рецензия

Для цитирования:


Тамов М.М., Руденко О.В., Салиб М.И. Моделирование сопротивления поперечным силам балок из сверхвысокопрочного бетона инструментами статистического обучения. Современные тенденции в строительстве, градостроительстве и планировке территорий. 2025;4(2):7-20. https://doi.org/10.23947/2949-1835-2025-4-2-7-20. EDN: RSCKOZ

For citation:


Tamov M.M., Rudenko O.V., Salib M.I. Modeling of Shear Strength of Ultra-High-Performance Concrete Beams Using Statistical Learning Tools. Modern Trends in Construction, Urban and Territorial Planning. 2025;4(2):7-20. https://doi.org/10.23947/2949-1835-2025-4-2-7-20. EDN: RSCKOZ

Просмотров: 7


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2949-1835 (Online)