Yüksək möhkəmlikli betonla doldurulmuş polad boru (High-Strength Concrete-Filled Steel Tube, HSCFST), yüksək möhkəmlikli beton özəyin ətrafını bürüyən polad boru ilə birlikdə yük daşıdığı kompozit konstruksiya elementidir. Polad boru betonu çevrəvi istiqamətdə məhdudlaşdırarkən, beton özək də polad borunun yerli dayanıqlığına töhfə verir; iki materialın birgə işləyə bilməsi üçün polad–beton interfeysindəki bağ və sürüşmə davranışı kritik əhəmiyyət daşıyır. Bu tədqiqat HSCFST interfeysinin −60 °C ilə 60 °C arasındakı temperaturlarda yükü necə ötürdüyünü 15 push-out sınağı, reqressiya analizi, hissəli bağ gərginliyi–sürüşmə modeli və ABAQUS sonlu element simulyasiyaları ilə araşdırmışdır.

Sınaq proqramında xarici diametri 140 mm olan 15 dairəvi HSCFST nümunəsindən istifadə edilmişdir. Polad borunun divar qalınlıqları 2, 3 və 4 mm; hədəf mühit temperaturları 60, 20, 0, −20 və −60 °C-dir. İnterfeys bağ uzunluğu 420 mm olaraq sabit saxlanmış və 3 mm divar qalınlığına malik seriya əsas müqayisə qrupu kimi istifadə edilmişdir.

Sınaqlar mühit temperaturu azaldıqca ümumi interfeys bağ möhkəmliyinin artdığını göstərmişdir. 3 mm divar qalınlığına malik əsas qrupda 20 °C-də 0,616 MPa olan bağ möhkəmliyi 60 °C-də 0,587 MPa-a düşmüş, −60 °C-də isə 1,123 MPa-a yüksəlmişdir. Bu qiymətlər 20 °C ilə müqayisədə müvafiq olaraq %4,71 azalma və %82,31 artıma uyğundur.

Polad borunun diametr/divar qalınlığı nisbəti D/t artdıqca bağ möhkəmliyi ümumilikdə azalmışdır. Nisbətən daha nazik polad divar özək beton üzərində radial məhdudlaşdırma təsirini zəiflətmiş; nəticədə interfeys normal təzyiqi, mexaniki kilidlənmə və sürtünmənin təmin etdiyi ümumi müqavimət azalmışdır.

Aşağı temperaturlarda müşahidə edilən möhkəmlik artımı polad ilə betonun fərqli termal büzülməsi, aşağı temperaturda material möhkəmliklərinin artması və məsamə/interfeys suyunun donmasının verə biləcəyi əlavə müqavimətlə əlaqələndirilmişdir. Lakin donmuş su sınaq zamanı birbaşa görüntülənmədiyi və ilkin nəmlik miqdarı ölçülmədiyi üçün donmadan qaynaqlanan əlavə bağ mexanizmi qəti şəkildə sübut edilmiş deyil.

Tədqiqatçılar sınaq məlumatlarından ultimate bağ möhkəmliyi və ona uyğun sürüşmə üçün empirik tənliklər hazırlamışlar. Ultimate bağ möhkəmliyi tənliyi leave-one-out cross-validation analizində R² = 0,8761 ilə nisbətən sabit davranış göstərdiyi halda, xarakterik sürüşmə tənliyinin R² qiyməti −0,5037 olmuşdur. Buna görə sürüşmə asılılığı dəqiq fərdi proqnoz modeli kimi deyil, ümumi meyli təxmini izah edən əlaqə kimi qiymətləndirilməlidir.

Bağ–sürüşmə davranışı OA, AB/AC və BC olmaqla xarakterik mərhələlərə ayrılmış və üç müxtəlif əyri tipi üçün hissəli constitutive əlaqə hazırlanmışdır. Bu əlaqə ABAQUS/Standard 2024 daxilində paylanmış nonlinear connector elementlərinə ötürülmüşdür. Model tədqiqatın öz sınaqları ilə müqayisə edildikdə orta pik yükdə %1,66 sapma göstərmişdir; lakin bu müqayisə müstəqil doğrulama deyil, çünki model parametrləri eyni sınaq məlumatlarından əldə edilmişdir.

Sonlu element modeli real qızma və ya soyuma prosesini keçici termo-mexaniki şəkildə simulyasiya etməmişdir. Hər temperatur əvvəlcədən həmin temperatura şərtləndirilmiş ayrıca izotermik mexaniki vəziyyət kimi modelləşdirilmişdir. Buna görə tədqiqat ekstremal temperatur şəraitində push-out davranışı üçün güclü eksperimental və ədədi çərçivə təqdim etsə də, real konstruksiyalardakı temperatur qradiyentləri, termal dövrlər və uzunmüddətli istismar davranışı üçün əlavə doğrulama tələb olunur.

Tədqiqat problemi niyə vacibdir?

Betonla doldurulmuş polad boru sistemində polad və beton sadəcə yanaşı duran iki material deyil. Polad boru özək betonu çevrəvi istiqamətdə məhdudlaşdırır; beton isə polad borunun içəriyə doğru yerli deformasiyasını məhdudlaşdıra bilər. Lakin bu kompozit təsirin yaranması üçün oxboyu yükün bir materialdan digərinə interfeys vasitəsilə ötürülməsi lazımdır.

Bu ötürülmə kimyəvi yapışma, səth nahamarlığından yaranan mexaniki kilidlənmə və bağ pozulduqdan sonra işə düşən sürtünmə kimi mexanizmlərdən asılıdır. İnterfeysdə nəzərəçarpan sürüşmənin yaranması beton özəklə polad borunun artıq tam uyğun deformasiya göstərmədiyini bildirir.

Ekstremal temperatur bu sistemi daha mürəkkəb edir. Polad və betonun istilik genişlənməsi/büzülməsi xüsusiyyətləri eyni deyil. Beton məsamələrindəki sərbəst su aşağı temperaturda dona bilər; polad və betonun elastiklik modulları və möhkəmlikləri temperaturla dəyişə bilər. Buna görə otaq temperaturunda hazırlanmış bağ–sürüşmə modeli −60 °C kimi şəraitə birbaşa tətbiq edilməyə bilər.

Ədəbiyyatdakı boşluq

Daha əvvəl adi möhkəmlikli CFST sistemlərində otaq temperaturu, yanğın və aşağı temperatur altında interfeys bağına dair çoxsaylı sınaq və modellər hazırlanmışdır. Lakin yüksək möhkəmlikli beton daha aşağı su/sement nisbəti, fərqli məsamə quruluşu, daha yüksək sıxılma möhkəmliyi və daha yüksək kövrəklik səbəbindən adi betondan fərqli davrana bilər.

Mənbə tədqiqat üç boşluğu hədəfləyir: temperatura bağlı CFST meyllərinin HSCFST üçün keçərli olub-olmadığını yoxlamaq; yalnız ultimate bağ möhkəmliyini deyil, bütün bağ–sürüşmə əyrisini modelləşdirmək; hazırlanmış hissəli constitutive əlaqəni birbaşa sonlu element modelinə tətbiq etmək.

Ekstremal Temperatur HSCFST İnterfeys Bağ Möhkəmliyinə Necə Təsir Edir?

Araşdırılan −60 °C ilə 60 °C intervalında HSCFST interfeys bağ möhkəmliyi temperatur yüksəldikcə ümumilikdə azalmışdır; 3 mm divar qalınlığına malik əsas qrupda 20 °C ilə müqayisədə 60 °C-də %4,71 azalma, −60 °C-də isə %82,31 artım ölçülmüşdür, lakin aşağı temperaturdakı artımın bir hissəsi üçün təklif edilən donma mexanizmi birbaşa təsdiqlənmiş deyil.

Temperatura görə beton möhkəmliyi

Eyni beton qarışığından hazırlanmış kub nümunələrin temperatura bağlı sıxılma möhkəmlikləri aşağıdakı kimi ölçülmüşdür:

Aşağı temperaturda daha yüksək sıxılma möhkəmliyi əldə edilsə də, −60 °C nümunələrinin qırılma morfologiyası daha kövrək və parçalanmışdır. Yəni “daha yüksək möhkəmlik” daha sünek davranış demək deyil.

Poladın xüsusiyyətləri də temperatura bağlı dəyişir

Polad borular Q235 aşağı karbonlu poladdan hazırlanmışdır. Mənbə temperatur azaldıqca axma və dartılma möhkəmliklərinin artdığını, uzanmanın isə ümumilikdə azaldığını göstərir.

Məsələn, 3 mm polad üçün axma möhkəmliyi 60 °C-də 308,32 MPa, 20 °C-də 320,31 MPa və −60 °C-də 396,43 MPa-dır. Eyni nümunə qrupunda qırılma uzanması 60 °C-də %29,27 ikən −60 °C-də %19,81-ə düşmüşdür.

Buna görə aşağı temperatur altında HSCFST interfeysindəki dəyişiklik yalnız beton suyunun donması ilə izah edilə bilməz; həm poladın, həm də betonun temperatura bağlı mexaniki xüsusiyyətləri dəyişir.

Əsas qrupun temperatur–bağ möhkəmliyi əlaqəsi

Cədvəl bağ möhkəmliyinin temperaturla kifayət qədər nizamlı dəyişməsinə baxmayaraq, xarakterik sürüşmə S_u-nun monoton temperatur əlaqəsi göstərmədiyini aydın şəkildə ortaya qoyur. Bu vəziyyət sonradan sürüşmə reqressiyasının aşağı LOOCV göstəricisi ilə də uyğundur.

Aşağı Temperaturda Bağ Artımının Səbəbi Donmadırmı?

Mənbə beton məsamələrindəki və ya polad–beton interfeysindəki suyun donmasının mexaniki kilidlənməyə və əlavə interfeys müqavimətinə töhfə verə biləcəyini irəli sürür; lakin sınaq zamanı buzun əmələ gəlməsi birbaşa görüntülənmədiyi və ilkin nəmlik miqdarı ölçülmədiyi üçün donma bağ artımının təsdiqlənmiş yeganə səbəbi deyil.

Müşahidə edilən sübut

Push-out sınaqlarından sonra aşağı temperatur nümunələri kəsildikdə polad boru ilə beton interfeysində nəmlik müşahidə edilmişdir. Tədqiqatçılar bu nəmliyi sınaq zamanı donmuş suyun sınaqdan sonra əriməsi ilə uyğun gələn müşahidə kimi şərh edirlər.

Eyni zamanda aşağı temperatur nümunələrinin yüklənən uclarında betonun parçalanması daha aydın olmuş və daha böyük yüklər daşınmışdır.

Çatışmayan birbaşa sübut

Tədqiqat sub-zero vəziyyətdə interfeysi görüntüləməmişdir. İlkin su/nəmlik miqdarı da kəmiyyətcə ölçülməmişdir. Buna görə buzun yeri, miqdarı və bağ möhkəmliyinə ayrıca töhfəsi hesablana bilmir.

Bu səbəbdən Verianla mətnində “buz əlavə müqavimət yaratmış ola bilər” ifadəsi uyğundur; “bağ möhkəmliyi buz səbəbindən %82,31 artdı” ifadəsi isə mənbə tərəfindən dəstəklənmir.

Diametr/Divar Qalınlığı Nisbəti D/t Niyə Bağ Möhkəmliyini Azaldır?

D/t artdıqda polad boru eyni diametrə nisbətən daha nazik olduğundan radial sərtlik və özək beton üzərində çevrəvi məhdudlaşdırma azalır; nəticədə interfeysdə normal təmas qüvvəsi, mexaniki kilidlənmə və sürtünmənin təmin etdiyi bağ müqaviməti zəifləyir.

D/t qiymətləri

Bütün sınaq nümunələrində xarici diametr 140 mm-dir. Buna görə:

60 °C-də bağ möhkəmliyi D/t = 35 üçün 0,845 MPa, D/t = 46,67 üçün 0,587 MPa və D/t = 70 üçün 0,564 MPa-dır.

−60 °C-də uyğun qiymətlər 1,446, 1,123 və 1,008 MPa-dır.

Bu meyl araşdırılan bütün temperaturlarda ümumilikdə müşahidə edilmişdir.

D/t üçün ikinci dərəcəli ifadələr niyə “fizika qanunu” deyil?

Mənbə hər temperatur üçün üç D/t nöqtəsinə ikinci dərəcəli əyri uyğunlaşdırmışdır. Lakin tədqiqatçılar yalnız üç D/t səviyyəsi olduğuna görə bu tənlikləri xüsusi olaraq interpolasiya əlaqələri kimi müəyyən edir və onların təsdiqlənmiş ümumi funksional qanun olmadığını bildirirlər.

Buna görə tənliklər sınaqdan keçirilmiş 35–70 intervalından xeyli kənara təhlükəsiz şəkildə ekstrapolyasiya edilə bilməz.

Orta bağ gərginliyinin hesablanması

Sınaqda interfeys boyunca yerli bağ gərginliyinin hamısı birbaşa ölçülə bilmədiyindən ekvivalent orta ultimate bağ gərginliyindən istifadə edilmişdir:

\[ \tau_u=\frac{P_u}{\pi D_0 l} \tag{1} \]

Burada \(\tau_u\) polad–beton interfeysindəki ekvivalent orta ultimate bağ möhkəmliyidir və MPa ilə ifadə olunur. \(P_u\) xarakterik bağ zədələnməsi yükü; \(D_0\) polad borunun daxili diametri, \(l\) isə polad–beton bağ uzunluğudur.

Tənliyin məxrəcindəki \(\pi D_0l\) silindrik interfeysin nominal bağ sahəsini göstərir. Buna görə eyni yük üçün daha böyük interfeys sahəsi daha aşağı orta gərginliyə uyğun gəlir.

Bu kəmiyyət yerli interfeys gərginliyinin hər nöqtədə həqiqətən bərabər olduğunu bildirmir; sınaqdakı qlobal bağ müqavimətini müqayisə edə bilmək üçün istifadə edilən ekvivalent ortadır.

Push-out əyrilərinin üç davranış tipi

Mənbə bağ gərginliyi–sürüşmə əyrilərini üç tipə ayırır. Type I aydın pik göstərməyən və ilk xarakterik dönüş nöqtəsindən sonra daha üfüqi davam edən əyridir. Type II aydın pik və onun ardınca azalan müqavimət göstərir. Type III də aydın pik ehtiva edir, lakin sonrakı sürtünmə təkamülü fərqli şəkildə inkişaf edir.

Bu əyrilər fərqli görünsə də, tədqiqatçılar bağ ötürülməsini ortaq fiziki mərhələlərlə izah edirlər.

OA mərhələsi: yapışma və ilkin kilidlənmə

İlkin yükləmə zamanı polad ilə beton arasındakı nisbi sürüşmə çox kiçikdir. Kimyəvi yapışma əsas müqavimət mənbələrindən biridir; aşağı temperaturda donmuş interfeys suyunun əlavə töhfəsi ola bilər.

Yük artdıqca kimyəvi yapışma uclardan pozulmağa başlayır və mexaniki kilidlənmənin nisbi əhəmiyyəti artır.

AB / AC mərhələsi: yayılmış sürüşmə

Sürüşmə interfeys boyunca yayıldıqca kimyəvi yapışmanın töhfəsi azalır. Mexaniki kilidlənmə və statik sürtünmə yük ötürülməsində daha mühüm olur.

Əyri tipindən asılı olaraq bu mərhələdə ikinci pik, plato və ya azalan qol yarana bilər.

BC mərhələsi: qalıq sürtünmə

Kimyəvi yapışma və mexaniki kilidlənmə böyük ölçüdə itdikdən sonra kinetik sürtünmə interfeys müqavimətinin əsas komponentinə çevrilir. Sürüşmə artmağa davam etdikcə əyrinin meyli azalır.

Normallaşdırılmış yüksələn qol

Hissəli modelin yüksələn qolu mənbədə aşağıdakı ölçüsüz formada verilmişdir:

\[ \frac{\tau}{\tau_u} = \left(\frac{S}{S_u}\right)^\beta \tag{22} \]

Burada \(S/S_u\) normallaşdırılmış sürüşmə, \(\tau/\tau_u\) normallaşdırılmış bağ gərginliyi və \(\beta\) yüksələn qolun formasını idarə edən ölçüsüz parametrdir.

15 nümunədə \(\beta\) 0,890 ilə 1,528 arasında dəyişmiş, arifmetik orta 1,172 olmuşdur. Mənbə D/t və ya temperaturla sistematik \(\beta\) əlaqəsi müəyyən edə bilmədiyi üçün sadələşdirilmiş modeldə \(\beta=1,172\) istifadə etmişdir.

\(S/S_u=0,50\) olduqda \(\beta=0,890\), 1,172 və 1,528 üçün normallaşdırılmış bağ gərginlikləri müvafiq olaraq 0,540, 0,444 və 0,347-dir. \(S/S_u=0,90\) olduqda qiymətlər 0,910, 0,884 və 0,851-ə yaxınlaşır. Bütün əyrilər \(S/S_u=1\) nöqtəsində \(\tau/\tau_u=1\)-də birləşir.

Beləliklə, \(\beta\) pik möhkəmliyini və ya pik sürüşməni dəyişmir; daha çox pikdən əvvəlki sərtliyi və əyrinin formasını idarə edir.

Tədqiqatın Metodu və Nəticələri

Nümunə həndəsəsi

Sürüşmə ölçmə yarıqları

Polad borularda üç müxtəlif hündürlükdə 10 × 40 mm ölçülü uzununa yarıqlar açılmış və 200 × 8 × 2 mm polad zolaqlar keçirilmişdir. Bu sistem interfeysin müxtəlif mövqelərindəki nisbi sürüşmələrin yerdəyişməölçənlərlə izlənməsinə imkan vermişdir.

Yarıqların ümumi interfeys sahəsinə nisbəti təxminən %0,67–0,69-dur. Sınaq zamanı onların ətrafında nəzərəçarpan yerli burkulma müşahidə edilməmişdir; lakin yarıqlar çevrəvi sərtliyi yerli olaraq azalda və polad zolaqlar betonla əlavə mexaniki qarşılıqlı təsir yarada bilər.

Mənbədə yarıqsız nəzarət nümunəsi olmadığından bu təsirin böyüklüyü ayrıca müəyyən edilə bilməmişdir.

Bərkimə və temperatur şərtləndirməsi

Bütün push-out nümunələri və istinad beton kubları eyni beton qarışığından tökülmüş, 20 ± 2 °C temperatur və ən azı %95 nisbi rütubətdə 28 gün standart şəraitdə bərkidilmişdir.

Aşağı temperatur sınaqlarından əvvəl nümunələr 48 saat ultra-aşağı temperatur kamerasında saxlanılmış; sınaq zamanı maye azotdan istifadə edilərək ətraf temperatur qorunmuşdur.

60 °C şəraitində elektrik qızdırıcı lentlərdən istifadə edilmişdir. Özək betonuna yerləşdirilmiş PT100 sensorları daxili temperaturu fasiləsiz izləmişdir. Hədəf temperatur sınaq boyu ±2 °C sərhədində saxlanılmışdır.

Yükləmə protokolu

Push-out sınaqları 500 kN tutumlu kompüterlə idarə olunan universal sınaq qurğusunda aparılmışdır.

İlk mərhələdə yükə nəzarət tətbiq edilmiş; hər yük addımı təxmin edilən ultimate yükün %5-i olaraq müəyyən edilmiş və 1–2 dəqiqə saxlanılmışdır. Nonlinear sürüşmə başladıqda və ya ultimate yükün təxminən %70-inə çatdıqda yerdəyişməyə nəzarətli yükləməyə keçilmişdir.

Maksimum nisbi sürüşmə 30 mm-ə qədər izlənmişdir.

15 nümunənin əsas push-out nəticələri

Temperatura bağlı xətti eksperimental əlaqələr

Hər divar qalınlığı üçün mənbə sınaq intervalında temperatur ilə ultimate bağ möhkəmliyi arasında aşağıdakı reqressiyaları vermişdir:

\[ \tau_u=-0.0039T+0.7196 \qquad (t=2\text{ mm}) \tag{2} \]

\[ \tau_u=-0.0045T+0.7738 \qquad (t=3\text{ mm}) \tag{3} \]

\[ \tau_u=-0.0048T+1.0796 \qquad (t=4\text{ mm}) \tag{4} \]

Bu ifadələrdə \(T\) °C, \(\tau_u\) isə MPa-dır. Mənfi temperatur əmsalları müvafiq sınaq qruplarında temperatur yüksəldikcə bağ möhkəmliyinin azalması ilə uyğundur.

Ultimate Bağ Möhkəmliyi və Xarakterik Sürüşmə Tənlikləri Nə Dərəcədə Etibarlıdır?

Ultimate bağ möhkəmliyi üçün hazırlanmış Equation (10) leave-one-out cross-validation analizində R² = 0,8761 ilə nisbətən sabit nəticə vermişdir; buna qarşılıq xarakterik sürüşmə Equation (11) üçün R² = −0,5037 olduğundan bu ikinci tənlik dəqiq proqnoz modeli deyil, yalnız ümumi meyli təsvir edən təxmini empirik əlaqə kimi istifadə edilməlidir.

Çoxdəyişənli ultimate bağ möhkəmliyi tənliyi

Mənbə Equation (10):

\[ \tau_u= k\frac{1}{\gamma} \left[ 0.003T +0.022f_{cu} +0.0007\left(\frac{D}{t}\right)^2 -0.082\left(\frac{D}{t}\right) +1.152 \right] \tag{10} \]

Burada \(\tau_u\) ultimate interfeys bağ möhkəmliyidir (MPa); \(T\) mühit temperaturudur (°C); \(f_{cu}\) yüksək möhkəmlikli betonun kub sıxılma möhkəmliyidir (MPa); \(D/t\) ölçüsüz diametr/divar qalınlığı nisbətidir.

\(\gamma=1.055\) düzəliş əmsalıdır. \(k\) polad borunun daxili səth vəziyyətini təmsil edir: istinad edilən əvvəlki tədqiqata görə paslı səth üçün 1,3; əl ilə təmizlənmiş nahamar səth üçün 1,0; mexaniki təmizlənmiş daha hamar səth üçün 0,7-dir. Bu tədqiqatda \(k=1,0\) istifadə edilmişdir.

Bu empirik reqressiya tənliyidir; əmsalları universal ölçülü fiziki sabitlər deyil və mənbə tədqiqatın şərtlərindən kənarda birbaşa ümumiləşdirilməməlidir.

Xarakterik sürüşmə tənliyi

Mənbə Equation (11):

\[ S_u= k\frac{1}{\lambda} \left[ -0.079T -0.237f_{cu} -0.015\left(\frac{D}{t}\right) +25.525 \right] \tag{11} \]

Burada \(S_u\) ultimate bağ möhkəmliyinə uyğun xarakterik sürüşmədir (mm) və \(\lambda=0.997\)-dir.

Mənbədə eksperimental qiymətlərlə birlikdə iki tənlik üçün ümumi uyğunluq R² = 0,948 kimi bildirilmiş; bağ möhkəmliyi və sürüşmə tənliklərinin orta xəta qiymətləri müvafiq olaraq təxminən %7,33 və %10,33 verilmişdir. Lakin bu kalibrasiya uyğunluğu təkbaşına modelin görülməmiş məlumat üzərindəki performansını göstərmir.

LOOCV niyə daha mühüm xəbərdarlıq verir?

Leave-one-out cross-validation prosesində hər dəfə 15 nümunədən biri kənarda saxlanılmış, tənlik qalan 14 nümunə ilə yenidən qurulmuş və kənardakı nümunə proqnozlaşdırılmışdır.

Ultimate bağ möhkəmliyinin temperatur, beton möhkəmliyi və D/t ilə daha nizamlı əlaqəsi Equation (10)-un daha yaxşı ümumiləşməsinə kömək edir.

S_u isə yerli interfeys şərtləri, çatların inkişafı, istehsal tolerantlıqları və zədələnmə təkamülündən daha güclü təsirlənir. Mənfi LOOCV R² Equation (11)-in kənarda saxlanmış nümunələr üçün hətta sadə orta proqnozdan daha zəif performans göstərə bildiyini ifadə edir.

Tədqiqatın üç mərhələli constitutive modeli

Eksperimental əyrilər OA, AB/AC və BC mərhələlərinə ayrılmışdır. Mənbə Equation (15) bu mərhələləri Type I, II və III davranışları üçün müxtəlif riyazi qollarla birləşdirir.

OA yüksələn qolu Equation (22)-dəki qüvvət qanunu ilə təmsil olunur. Sonrakı qollarda xətti/rasional əlaqələrdən istifadə edilərək pik, azalan qol və qalıq sürtünmə sahələri birləşdirilmişdir.

Mənbədə \(a\), \(b\), \(c\), \(d\), \(c'\) və \(d'\) əmsalları eksperimental xarakterik nöqtələrdən reqressiya ilə əldə edilmişdir. Modelin məqsədi bütün nümunələrə tək ideal əyrini zorla tətbiq etmək deyil, sınaqlarda müşahidə edilən üç əsas əyri formasını eyni hissəli struktur daxilində təmsil etməkdir.

Sonlu element toru

ABAQUS/Standard 2024 modelində polad boru S4R dörd düyünlü reduced-integration shell elementlərlə; beton özək C3D8R səkkiz düyünlü reduced-integration solid elementlərlə modelləşdirilmişdir.

%5 qəbul meyarından istifadə edildiyinə görə 10 × 10 × 10 mm tor hesablama xərci ilə dəqiqlik arasında seçim kimi qəbul edilmişdir.

Beton damaged plasticity parametrləri

Beton üçün ABAQUS concrete plastic damage modeli istifadə edilmişdir. Mənbədə dilatasiya bucağı 35°, eksentrisitet 0,1, ikioxlu/biroxlu sıxılma möhkəmliyi nisbəti \(f_{b0}/f_{c0}=1.1667\) və özlülük parametri 0,005 kimi verilmişdir.

Temperatura bağlı material əmsalları

Poladın axma möhkəmliyi üçün temperatur azaltma/artırma əmsalı:

\[ k_y(T)= 1-0.001504(T-20) +1.832\times10^{-5}(T-20)^2 \tag{30} \]

Betonun oxboyu sıxılma möhkəmliyi üçün:

\[ k_c(T)= 1-0.00479(T-20) +7.42\times10^{-6}(T-20)^2 \tag{31} \]

Daha sonra:

\[ f_{yT}=f_{y20}k_y(T) \tag{32} \]

\[ f_{cT}=f_{c20}k_c(T) \tag{33} \]

Bu asılılıqlar yalnız tədqiqatda istifadə olunan temperatur və material məlumatlarından törədilmiş modellərdir.

Polad–beton interfeysinin FEA-da modelləşdirilməsi

İnterfeysdə birbaşa nonlinear connector elementləri qurulmuş və Python 3.10 skripti ilə istinad modeli üçün ümumilikdə 1806 connector avtomatik yaradılmışdır.

Connector elementləri bağlı sahə boyunca bərabər və simmetrik şəkildə paylanmışdır. Hər connector üçün qüvvə–yerdəyişmə əyrisi ümumi bağ qüvvəsinin connector sayına bölünməsi ilə törədilmişdir.

Normal istiqamətdə sürüşmə tangensial sürüşməyə nisbətən çox kiçik olduğundan normal təmas üçün hard contact istifadə edilmişdir.

Yükləmə ucunda U3 = 30 mm yerdəyişmə tətbiq edilmiş; U1, U2 və bütün fırlanmalar sıfırlanmışdır. Alt istinad nöqtəsi tamamilə sabitlənmişdir.

Sonlu Element Modeli Real Qızma və Soyuma Prosesini Simulyasiya Edirmi?

Xeyr. ABAQUS modeli keçici temperatur sahəsini və ya polad ilə betonun qızma/soyuma zamanı yaratdığı termal gərginlikləri həll etmir; hər hədəf temperaturu ayrıca izotermik mexaniki vəziyyət kimi qəbul edir və həmin temperaturda ölçülmüş material və interfeys xüsusiyyətləri ilə push-out yüklənməsini simulyasiya edir.

Bu məhdudiyyət niyə vacibdir?

Real körpü və ya sütunda gündüz–gecə, mövsüm və ya qəfil soyuma zamanı kəsik boyunca temperatur qradiyenti yarana bilər. Poladın yüksək istilikkeçiriciliyi səbəbindən xarici boru ilə beton özəyin eyni anda eyni temperatura çatması gözlənilmir.

Mənbə sınağında isə nümunələr hədəf temperatura şərtləndirilmiş və daxili temperatur sabitləşdikdən sonra sınaqdan keçirilmişdir. Sonlu element modeli də məhz bu eksperimental vəziyyəti təqlid edir.

Beləliklə, bu model termal dövr yorğunluğu, sürətli soyuma, gün ərzində temperatur qradiyenti və ya transient thermo-mechanical zədələnmə modeli deyil.

Kalibrasiya ilə müstəqil doğrulama arasındakı fərq

Öz 15 nümunəsi ilə aparılmış FEA müqayisəsi yüksək uyğunluq göstərir; lakin bağ–sürüşmə parametrləri eyni məlumat dəstindən hazırlandığı üçün bu proses müstəqil validasiya deyil, modelin öz kalibrasiya məlumatını ardıcıl şəkildə yenidən yaradıb-yaratmadığının yoxlanmasıdır.

Daha müstəqil sınaq üçün Yan və həmkarlarının əvvəllər dərc olunmuş nümunələrindən istifadə edilmişdir.

Lakin C4 nümunəsinin −80 °C şərti və C45 beton kimi bəzi xüsusiyyətləri modelin −60 ilə 60 °C və təxminən 69,5–108,6 MPa kub möhkəmliyi kalibrasiya fəzasının xaricindədir. Buna görə mənbə bu müqayisəni “external extrapolative assessment” kimi müəyyən edir.

FEA gərginlik konturlarının mənası

Figure 28–30-da göstərilən von Mises sahələri polad boru ilə beton özəyin mexaniki gərginlik paylanmasını göstərir. Poladda uzununa gərginlik yükləmə ucundan sərbəst uca doğru artdığı halda, beton özəkdə yükləmə ucundan sərbəst uca doğru azalır.

Sərbəst ucdakı boş polad boru hissəsində yerli gərginlik cəmlənməsi; betonun yüklənən ucunda isə başqa bir gərginlik cəmlənməsi yaranmışdır.

Bu konturlar birbaşa connector bond stress xəritəsi deyil. Mənbə onların real interfeys boyunca nonuniform yerli bağ gərginliyinin kəmiyyət validasiyası kimi istifadə edilməməli olduğunu xüsusi olaraq bildirir.

Mənbə şəkillərinin elmi rolu

Tədqiqatın dəstəklədiyi nəticələr

−60 ilə 60 °C arasındakı araşdırılan şəraitdə HSCFST interfeys bağ möhkəmliyi ümumilikdə temperatur artdıqca azalır.

3 mm divar qalınlığına malik qrupda −60 °C-dəki bağ möhkəmliyi 20 °C ilə müqayisədə %82,31 daha yüksəkdir.

D/t nisbəti artdıqca araşdırılan sınaq intervalında bağ möhkəmliyi ümumilikdə azalır.

Bağ–sürüşmə davranışı kimyəvi yapışma, mexaniki kilidlənmə və sürtünmə mərhələləri ilə izah edilə bilən çoxmərhələli davranış göstərir.

Ultimate bağ möhkəmliyi üçün hazırlanmış empirik tənlik LOOCV-də nisbətən sabit nəticə verir.

Hissəli bağ–sürüşmə əlaqəsi eksperimental əyrilərin əsas formasını təmsil edə bilir.

Paylanmış nonlinear connector yanaşması qlobal push-out yük–sürüşmə davranışını tədqiqatın sınaq şərtlərində yaxın şəkildə yenidən yaratmışdır.

Tədqiqatın dəstəkləmədiyi nəticələr

Bağ möhkəmliyi artımının hamısının buz əmələ gəlməsindən qaynaqlandığı sübut edilməmişdir.

−60 °C-dəki nəticələr bütün HSCFST həndəsələrinə və ya beton siniflərinə avtomatik olaraq ümumiləşdirilə bilməz.

Equation (11) xarakterik sürüşməni yüksək dəqiqliklə proqnozlaşdıran ümumiləşdirilə bilən model deyil.

FEA-nın öz 15 nümunəsi ilə uyğunluğu müstəqil validasiya deyil.

Model keçici istilik yüklənməsini və termal gərginlikləri həll etmir.

Figure 28–30 real yerli interfeys bağ gərginliyi xəritəsi deyil.

Model istehsaldan qaynaqlanan ilkin həndəsi qüsurları ehtiva etmir.

Tədqiqat temperatur dövrlərini, uzunmüddətli donma–əriməni və ya real sahə istismar ömrü performansını araşdırmamışdır.

Əsas məhdudiyyətlər

Tək təkrar: Hər temperatur–divar qalınlığı kombinasiyasında yalnız bir push-out nümunəsi vardır.

Temperatur–beton möhkəmliyi qarışıqlığı: Beton möhkəmliyi temperaturla birlikdə dəyişdiyi üçün bu iki təsiri eksperimental dizaynda tam ayırmaq mümkün deyil.

Nəmlik ölçümü yoxdur: Termal şərtləndirmədən əvvəl betonun nəmlik miqdarı birbaşa müəyyən edilməmişdir.

Buzun birbaşa müşahidə edilməməsi: Donmuş interfeys suyunun əlavə müqavimət yaratması mexanizmi post-test müşahidələrinə əsaslanır.

Ölçmə yarıqları: Sürüşməni ölçmək üçün açılmış yarıqların təsirini müəyyən edəcək yarıqsız nəzarət nümunəsi yoxdur.

Uniform temperatur: Sınaqlar təxminən sabit və uniform hədəf temperaturlarda aparılmışdır; real konstruksiyadakı termal qradiyentlər və dövrlər araşdırılmamışdır.

Homogen interfeys modeli: Connector elementlərinə eyni nominal yerli əlaqə təyin edilmiş; interfeys boyunca real məkan dəyişkənliyi modelləşdirilməmişdir.

Həndəsi qüsurlar: Polad boruda istehsal qüsuru və ya ilkin imperfection müəyyən edilməmişdir.

Zədələnmə dəyişənləri: PEEQ, DAMAGEC, DAMAGET və SDEG vasitəsilə ətraflı yerli zədələnmə analizi aparılmamışdır.

Məhdud xarici qiymətləndirmə: Yan və həmkarlarının məlumat dəsti faydalı olsa da, bəzi nümunələr kalibrasiya fəzasından kənardadır və geniş müstəqil validasiya verilənlər bazası yaratmır.

Gələcək tədqiqat istiqamətləri

Mənbə eyni temperatur şəraitində təkrarlı nümunələr və müxtəlif beton möhkəmlik siniflərindən istifadə etməklə temperaturla beton möhkəmliyinin daha yaxşı ayrılmasını təklif edir.

Temperatur qradiyentləri, termal dövrlər, real vaxtda interfeys donmasının ölçülməsi və ilkin nəmlik miqdarı gələcəkdə birbaşa ölçülməlidir.

Sonlu element modelində ölçülmüş həndəsi qüsurların, mövqedən asılı bağ–sürüşmə əlaqələrinin və kalibrasiya edilmiş dartılma/sıxılma zədələnmə təkamülü dəyişənlərinin istifadə edilməsi tövsiyə olunur.

Daha geniş temperatur, həndəsə və material intervalını əhatə edən müstəqil sınaq verilənlər bazaları ilə modelin həqiqi ümumiləşdirilə bilməsi yoxlanmalıdır.

Mənbə və Metod Qeydi

Orijinal tədqiqat: Bond Transfer Mechanisms and Slip Evolution in High-Strength Concrete-Filled Steel Tubes Under Extreme Temperatures Through Push-Out Tests and Finite Element Simulations

Müəlliflər: Mingyong Zhong; Yingjun Yang; Wenfeng Zhou; Xingtao Liu; Xijuan Yang; Li Wang.

Məsul müəllif: Yingjun Yang.

Qurumlar: School of Civil Engineering, Lanzhou Jiaotong University; Gansu Road & Bridge Construction Group Co., Ltd.; Gansu Wantai Construction Engineering Co., Ltd., Çin.

Jurnal: Buildings.

Nəşriyyat/platforma: MDPI.

Biblioqrafik qeyd: Buildings, 2026, 16(17), Article 3557.

DOI: 10.3390/buildings16173557.

Nəşr prosesi: Qəbul 26 İyul 2026; düzəliş 27 Avqust 2026; qəbul edilmə 27 Avqust 2026; nəşr 7 Sentyabr 2026.

Mənbə növü: Resenziyalı və dərc olunmuş eksperimental inşaat mühəndisliyi + sonlu element analizi tədqiqatı.

Lisenziya: Creative Commons Attribution (CC BY).

Sınaq nümunəsi: 15 dairəvi HSCFST qısa sütun.

Hədəf temperaturlar: 60, 20, 0, −20 və −60 °C.

Polad divar qalınlıqları: 2, 3 və 4 mm.

Xarici diametr: 140 mm.

Bağ uzunluğu: 420 mm.

Sınaq qurğusu: 500 kN kompüterlə idarə olunan elektron universal sınaq qurğusu.

Aşağı temperatur şərtləndirməsi: Ultra-aşağı temperatur kamerasında 48 saat və sınaq zamanı maye azotla temperatur nəzarəti.

Temperatur ölçümü: Beton özəyə yerləşdirilmiş PT100 sensorları; sınaq zamanı hədəf qiymətin ±2 °C daxilində saxlanılması.

Əsas eksperimental metrik: Ekvivalent orta ultimate interfeys bağ möhkəmliyi \(\tau_u=P_u/(\pi D_0l)\).

Reqressiya dəyişənləri: Mühit temperaturu T, beton kub sıxılma möhkəmliyi f_cu, diametr/divar qalınlığı nisbəti D/t və polad daxili səth vəziyyəti əmsalı k.

Cross-validation: Leave-one-out cross-validation; Equation (10) üçün R² = 0,8761, Equation (11) üçün R² = −0,5037.

Hissəli model: Type I, Type II və Type III bağ gərginliyi–sürüşmə əyriləri; OA, AB/AC və BC xarakterik mərhələləri.

Təmsilçi β: 1,172; sınaqlarda 0,890–1,528 intervalı.

FE proqramı: ABAQUS/Standard 2024.

Polad elementi: S4R shell.

Beton elementi: C3D8R solid.

Mesh: 10 × 10 × 10 mm; 5 mm istinad mesh-ə görə P_u sapması %1,39, S_u sapması %0.

Beton modeli: Concrete plastic damage; dilatasiya bucağı 35°, eccentricity 0,1, f_b0/f_c0 = 1,1667, viscosity = 0,005.

İnterfeys: İstinad modelində Python 3.10 ilə yaradılmış 1806 distributed nonlinear connector.

Yükləmə sərhəd şərti: U3 = 30 mm yerdəyişmə; alt istinad nöqtəsi tamamilə sabit.

Termal model məhdudiyyəti: Keçici qızma/soyuma və diferensial termal gərginliklər açıq şəkildə simulyasiya edilməmişdir; hər temperatur ayrıca izotermik mexaniki şərtdir.

FE öz-sınaq müqayisəsi: Kalibrasiya əsaslı tutarlılıq qiymətləndirməsi; müstəqil validasiya deyil.

Xarici qiymətləndirmə: Yan və həmkarlarının müstəqil sınaq məlumatları ilə external extrapolative assessment; bəzi şərtlər modelin kalibrasiya intervalından kənardadır.

Əsas FEA nəticəsi: Mənbənin nəticələr bölməsinə görə orta peak-load sapması %1,66; digər xarakterik yük sapmaları %5-dən aşağıdır.

Maliyyələşdirmə: Gansu Provincial Natural Science Foundation, Grant 25JRRA207.

Məlumatların əlçatanlığı: Tədqiqatda təqdim olunan məlumatlar məqalə daxilində mövcuddur.

Etik komitə: Tətbiq edilmir.

Məlumatlandırılmış razılıq: Tətbiq edilmir.

Maraqlar toqquşması/korporativ məşğulluq: Yingjun Yang, Gansu Road & Bridge Construction Group Co., Ltd.; Wenfeng Zhou və Xingtao Liu, Gansu Wantai Construction Engineering Co., Ltd. əməkdaşlarıdır. Digər müəlliflər potensial kommersiya və ya maliyyə maraq əlaqəsi bildirməmişlər. Mənbəyə görə maliyyələşdirən tərəf tədqiqat dizaynı, məlumatların toplanması/analizi, yazı və ya nəşr qərarında rol oynamamışdır.

Müəllif töhfələri: Konseptuallaşdırma Mingyong Zhong və Yingjun Yang; metod Mingyong Zhong, Yingjun Yang və Wenfeng Zhou; proqram təminatı Yingjun Yang; doğrulama Mingyong Zhong, Yingjun Yang və Wenfeng Zhou; formal analiz Mingyong Zhong və Yingjun Yang; tədqiqat Yingjun Yang və Xijuan Yang; resurslar Xijuan Yang; məlumat kurasiyası Yingjun Yang, Xingtao Liu və Li Wang; ilkin qaralama Mingyong Zhong və Yingjun Yang; nəzərdən keçirmə Mingyong Zhong, Wenfeng Zhou, Xingtao Liu, Xijuan Yang və Li Wang; vizuallaşdırma Yingjun Yang və Li Wang; nəzarət Mingyong Zhong; layihə idarəçiliyi Yingjun Yang.

Əsas şərh məhdudiyyəti: Aşağı temperaturda donmadan qaynaqlanan əlavə interfeys müqaviməti birbaşa ölçülməmişdir. Sürüşmə reqressiyası güclü cross-validation performansı göstərmir. Sonlu element modeli transient thermo-mechanical proses əvəzinə temperatura şərtləndirilmiş mexaniki davranışı modelləşdirir və əsasən qlobal bond-transfer davranışı üçün uyğundur.

Müəllif hüquqları və yenidən istifadə qeydi: Mənbə tədqiqat CC BY lisenziyalıdır. Bu Verianla məzmunu məqalənin mexaniki Azərbaycan dilinə tərcüməsi deyil; orijinal sınaq məlumatları, düsturlar, model şərtləri, şəkillərin elmi rolları, nəticələr və məhdudiyyətlər qorunaraq müstəqil tədris strukturu yaradılmışdır. Sınaq fotoşəkilləri və ya FEA rasterləri saxta elmi ölçmə görüntüsü kimi generativ süni intellektlə yenidən yaradılmamalı; ədədi qrafiklər və texniki mexanizm sxemləri isə mənbə məlumatlarından orijinal şəkildə yenidən çəkilə bilər.