Yüksək Performanslı Beton (High Performance Concrete, HPC), aşağı su-bağlayıcı nisbəti, sıx hissəcik paketlənməsi və yaxşılaşdırılmış ara üz keçid zonası sayəsində ənənəvi Normal Betona (Normal Concrete, NC) görə daha yüksək sıxılma dayanıqlığı və elastik sərtlik təmin edə bilən beton sinfidir. Bu tədqiqat, HPC ilə yanaşı Çelik Liflə Gücləndirilmiş Yüksək Performanslı Beton (Steel Fibre Reinforced High Performance Concrete, SFRHPC) və sargılanmış Ultra-Yüksək Performanslı Beton (confined Ultra-High-Performance Concrete, UHPC) istifadə olunan dəmir-beton kiriş-kolon birləşmələrinin davranışını eksperimental, analitik, sonlu element və maşın öyrənməsi ədəbiyyatından sintez edir və bu məlumatları MATLAB-da tətbiq edilə bilən beş mərhələli riyazi modelləşdirmə çərçivəsində birləşdirir. Mənbələrin ortaq meyli göstərir ki, beton dayanıqlığı artdıqca daşıma qabiliyyəti və sərtlik yüksəlir; lakin süneklik beton dayanıqlığı ilə avtomatik artmır. Xüsusilə yanal sargılama və ya polad lif olmayan yüksək dayanıqlı birləşmələrdə kövrək qırılma riski davam edir.

Təklif edilən MATLAB çərçivəsi; Menabrea teoremi ilə şəkil dəyişmə enerjisinin minimallaşdırılmasına əsaslanan daxili qüvvə paylanmasını, qapalı-form eksenel və əyilmə qabiliyyəti funksiyalarını, sərtlik pozulmasını ehtiva edən histeretik birləşmə modelini, lif nisbəti və sargılama təsirindən asılı süneklik alt modelini və dayaz irəli qidalanan süni sinir şəbəkəsi ilə məlumat əsaslı çarpaz yoxlamanı bir-birinə bağlayır. Tədqiqatda istifadə olunan kəmiyyət dəyərləri yeni eksperimentlərdən əldə edilməmiş; müəlliflər tərəfindən doğrulanmış kimi təsnif edilən əvvəlki açıq çıxışlı tədqiqatlardan götürülmüşdür.

Bu səbəbdən məqalənin nəticəsi, təklif edilən beş mərhələli sistemin bütün HPC birləşmələri üçün eksperimental olaraq doğrulanmış yekun MATLAB modeli olduğu şəklində şərh edilməməlidir. Tədqiqat, fərqli mənbələrdə doğrulanmış mexaniki və məlumat əsaslı modelləri ortaq bir hesablama memarlığında bir araya gətirmək üçün bir çərçivə təklif edir; fərqli birləşmə geometriyaları, beton sinifləri, zəlzələ yükləmələri və ətraf mühit şərtləri üçün ayrıca kalibrasiya və eksperimental doğrulama lazımdır.

Yüksək Performanslı Beton kiriş-kolon birləşmələrində niyə vacibdir?

Yüksək Performanslı Beton, dəmir-beton çərçivələrin sıx kəsmə, sıxılma və dartılma gərginliklərinə məruz qalan kiriş-kolon birləşmələrində daha yüksək sıxılma dayanıqlığı və başlanğıc sərtliyi təmin edə bildiyi üçün əhəmiyyətlidir; lakin birləşmənin zəlzələ performansı yalnız beton dayanıqlığından deyil, armatur detalından, sargılamadan, polad lif nisbətindən, bağ-kayma davranışından və çevrimli yük altında yaranan zədədən də asılıdır.

Dəmir-beton çərçivələrdə kiriş-kolon birləşməsi, kiriş və kolonlardan gələn daxili qüvvələrin bir-birinə ötürüldüyü kritik bölgədir. Zəlzələ zamanı çevrimli üfüqi yüklər birləşmə nüvəsində diaqonal sıxılma sahələri, dartılma mənşəli kəsmə çatlaqları, armatur aderans itkisi və yüksək deformasiya tələbləri yarada bilər.

Normal beton istifadə olunan birləşmələrdə yüksək ötələnmə səviyyələrində birləşmə nüvəsinin əzilməsi, sürətli sərtlik itkisi və erkən diaqonal dartılma-kəsmə qırılması görülə bilər. HPC-nin daha sıx mikroyapısı və daha yüksək elastiklik modulu çatlaq başlanğıcını gecikdirə və yük daşıma qabiliyyətini artıra bilər. Bununla yanaşı yüksək dayanıqlı betonun daha kövrək material davranışı, uyğun armatur və sargılama olmadıqda deformasiya qabiliyyətini məhdudlaşdıra bilər.

Daha yüksək beton dayanıqlığı hər zaman daha yüksək süneklik təmin edirmi?

Xeyr. Tədqiqatın ədəbiyyat sintezinə görə beton sıxılma dayanıqlığının yüksəlməsi daşıma qabiliyyətini və sərtliyi ümumən artırsa da, süneklik eyni istiqamətdə avtomatik yüksəlmir; yalın və kifayət qədər sargılanmamış HPC birləşmələrində kövrək qırılma riski olduğu halda, polad lif və yanal sargılama post-crack deformasiya qabiliyyətini və enerji udma davranışını əhəmiyyətli dərəcədə yaxşılaşdıra bilər.

Mənbənin əsas mexaniki ayrımı bu nöqtədədir. HPC-nin yüksək sıxılma qabiliyyəti birləşmə nüvəsinin dayanıqlığını artıra bilər; lakin beton çatladıqdan sonra gərginliyin təhlükəsiz şəkildə daşınması üçün eninə armatur, kifayət qədər sargılama və lazım olduqda lif körpüləmə mexanizmi əhəmiyyət qazanır.

Polad liflər çatlağın iki üzü arasında dartılma qüvvəsi daşıyaraq çatlaq açılmasını və yayılmasını məhdudlaşdıra bilər. Sargılama isə betonun yanal genişlənməsini məhdudlaşdıraraq əzilmə sonrası deformasiya qabiliyyətini artıra bilər. Beləliklə yüksək dayanıqlıq ilə tələb olunan deformasiya qabiliyyəti arasında daha balanslı davranış əldə edilə bilər.

NC, HPC, SFRHPC və sargılanmış UHPC arasındakı keyfiyyət fərqləri

Bu cədvəl birbaşa tək bir eksperimental proqramın nəticəsi deyil. Fərqli ədəbiyyat tədqiqatlarının keyfiyyət sintezidir və beton sinifləri arasındakı ümumi meylləri göstərir.

Ordinal performans xalları necə şərh edilməlidir?

Mənbə Tablo 2 və Şəkil 1-də NC, HPC, SFRHPC və sargılanmış UHPC üçün 1–4 arası ordinal xallar istifadə etmişdir. Bu xallar real ölçü vahidi deyil. Məsələn “4.0”, eksperimental qabiliyyətin “4 qat” olduğu anlamına gəlmir; müəlliflərin Tablo 1-dəki keyfiyyət siniflərini qrafikləşdirmək üçün yaratdığı sıralama şkalasıdır.

Təklif edilən beş mərhələli MATLAB modelləşdirmə çərçivəsi necə işləyir?

Təklif edilən MATLAB çərçivəsi birləşmə davranışını tək bir tənliklə təmsil etmək əvəzinə beş hesablama qatını ardıcıl şəkildə bağlayır: daxili qüvvə paylanması şəkil dəyişmə enerjisi ilə həll edilir, eksenel-əyilmə qabiliyyəti hesablanır, çevrimli pozulma histeretik modellə təmsil olunur, lif və sargılama təsirləri süneklik alt modelinə ötürülür və son mərhələdə analitik nəticələr süni sinir şəbəkəsi modeli ilə çarpaz yoxlanılır.

Bu mərhələlərin eyni birləşmə məlumat seti üzərində tam uçdan-uca eksperimental doğrulaması mənbə məqalədə təqdim edilməmişdir. Model, fərqli nəşrlərdə doğrulanmış komponentlərin ortaq MATLAB memarlığında necə bir araya gətirilə biləcəyini təsvir edən hesablama çərçivəsidir.

Menabrea teoremi birləşmə modelində nə üçün istifadə olunur?

Menabrea teoremi bu tədqiqatda çatlamadan əvvəl və sonra birləşmə daxili qüvvələrinin yenidən paylanmasını müəyyən etmək məqsədilə, toplam şəkil dəyişmə enerjisinin gərəksiz üfüqi reaksiya H₁-ə görə törəməsinin sıfıra bərabərləşdirilməsi prinsipi üzərindən istifadə olunur; beləliklə tətbiq olunan yük P və beton elastiklik modulu E_c üçün H₁ reaksiyası həll edilə bilər.

Mənbə Equation 1-də toplam şəkil dəyişmə enerjisini əyilmə, eksenel və kəsmə komponentlərinin cəmi kimi müəyyən edir:

\[ U = \int \frac{M(x)^2}{2E_cI}\,dx + \int \frac{N(x)^2}{2E_cA}\,dx + \int \frac{V(x)^2}{2G_cA_v}\,dx \]

və gərəksiz üfüqi reaksiya üçün:

\[ \frac{\partial U}{\partial H_1}=0 \quad\Rightarrow\quad H_1(P,E_c) \tag{1} \]

M(x) əyilmə momentini, N(x) eksenel qüvvəni və V(x) kəsmə qüvvəsini təmsil edir. E_c betonun elastiklik moduludur; I kəsit ətalət momenti, A kəsit sahəsi, G_c kəsmə modülü ve A_v kəsmə ilə əlaqəli effektiv sahə terminidir. Mənbə bu tənlik ailəsini normal dayanıqlı beton üçün E_c = 1700 kN/cm² ve yüksek dayanımlı beton üçün E_c = 3700 kN/cm² dəyərləri ilə əlaqələndirir.

Riyazi məqsəd, birləşmə sistemində uyğunluq şərtinə qarşılıq gələn minimum enerji vəziyyətini tapmaqdır. MATLAB tərəfində mənbə fsolve veya sembolik türev alma yönteminin kullanılabileceğini bildirir.

Çatlama sonrası qüvvə paylanması

Doicheva tabanlı məlumatlerde çatlamadan əvvəlnde H₁ = 0 ve H₂ = H₃ = 2.12P olarak məlumatlmektedir. Çatlama sonrasında H₂ ve H₃ azalırken yatay armatur reaksiyonu H₁ artır.

Məqalənin mexaniki şərhi budur ki, beton elastiklik modulunun yüksəlməsi ilə çatlamadan sonra üfüqi qüvvənin daha böyük hissəsi birləşmə səthindəki üfüqi armatur mexanizminə ötürülə bilir.

Qapalı-form eksenel qabiliyyət funksiyası

Mənbə Equation 2-ni bu şəkildə verir:

\[ N_{uc}(f_c,\xi)=f_cA_c(1+1.11\xi) \tag{2} \]

N_uc yekun eksenel qabiliyyətyi, f_c beton sıxılma dayanıqlığını, A_c beton sahəsini və ξ sargılama indeksini təmsil edir. Riyazi olaraq digər dəyişənlər sabit olduqda qabiliyyət f_c ile xətti artır ve ξ'nın artımı qabiliyyət çarpanını yükseltmektedir.

Tənlik Cai & Yan'ın UHPC dolgulu dikdörtgen çelik tüp kolon məlumat setinden alınmıştır. Mənbəta doğrulanmış məlumat aralığı yaklaşık f_c = 89.2–164 MPa və ξ = 0.23–5.27 kimi verilmişdir. Buna görə bu funksiya sərhəd şərti yoxlanılmadan ənənəvi dəmir-beton birləşmələrə birbaşa universal tənlik kimi tətbiq edilməməlidir.

Əyilmə qabiliyyəti

Mənbə Equation 3:

\[ M_u=\gamma_m(\xi)f_{sc}W_{sc} \]

\[ \gamma_m(\xi)=1.2+0.45\ln(\xi+0.1) \tag{3} \]

M_u əyilmə qabiliyyətsidir. Mənbə γ_m'yi sargılama indeksinin fonksiyonu olarak tanımlamaktadır. f_sc ve W_sc sembollerinin ayrıntılı fiziksel tanımları ve birim protokolü bu məqaləde ayrıca açılmamaktadır; uygulamada özgün Cai & Yan formülasyonu ve tutarlı birim sistemi kontrol edilmelidir.

Mənbənin verdiyi doğrulama nisbətləri eksenel qabiliyyət üçün orta AV = 0.998 və standart sapma 0.063, əyilmə qabiliyyəti üçün AV = 1.027-dir.

Tədqiqatın metodu və nəticələri

Bozunan Histeretik Birleşim Modeli Neyi Temsil Eder?

Pozulan histeretik birləşmə modeli, tərs çevrimli yükləmə altında birləşmənin yalnız ani elastik sərtliyini deyil, armatur sürüşməsini, kəsmə deformasiyasını, yük çevrimləri boyunca sərtlik itkisini və enerji udma davranışını da təmsil etmək məqsədilə xətti və histeretik qüvvə komponentlərini birləşdirən dəyişdirilmiş Bouc-Wen tipli bərpa qüvvəsi formulyasiyasıdır.

Mənbəta geri çağırıcı kuvvet Equation 4 ile məlumatlmiştir:

\[ F_r(u,z) = \alpha K_0u + (1-\alpha)K_0z \tag{4} \]

Bu quruluş xətti komponent ilə z daxili dəyişəni üzərindən təmsil olunan histeretik komponenti bir araya gətirir.

Histeretik iç değişkenin evrimi Equation 5 ile ifade edilir:

\[ \dot{z} = \frac{1}{\eta_k} \left[ A\dot{u} - \beta|\dot{u}||z|^{n-1}z - \gamma\dot{u}|z|^n \right] \tag{5} \]

Mənbə η_k-ni sərtlik pozulması ilə əlaqələndirir və bu parametrin əvvəlcə Tambusay və əməkdaşlarının normal dayanıqlı beton FE məlumatı ilə kalibrasiya edilməsini, sonra SFRHPC və prefabrik HPC davranışına görə tənzimlənməsini təklif edir.

Equation 4 ve Equation 5'teki α, K₀, u, z, A, β, γ və n parametrlərinin hər birinin ətraflı tərifi, vahidi, başlanğıc dəyəri və kalibrasiya aralığı mənbə məqalədə tam verilməmişdir. Buna görə yalnız bu məqaləyə əsaslanaraq birbaşa yenidən istehsal edilə bilən MATLAB histerezis kodu əldə etmək mümkün deyil; orijinal histeretik model mənbələri ayrıca izlənməlidir.

Normal dayanıqlı birləşmələr üçün sınaq–FE müqayisəsi

Tambusay və əməkdaşlarının üçölçülü qeyri-xətti FE modeli normal dayanıqlı beton birləşmələri üçün fiziki test məlumatları ilə müqayisə edilmişdir. Mənbə Şəkil 2-də A1 daxili birləşmə, A2 xarici birləşmə və A3 künc birləşməsi nəticələrini yanaşı göstərir.

Bu məlumat HPC üçün birbaşa eksperimental nəticə deyil. Mənbə onu Step 3-dəki histeretik modelin normal dayanıqlı beton başlanğıc kalibrasiyası üçün kontrol benchmarkı kimi istifadə edir.

UHPC dolgulu polad boru qabiliyyət benchmarkı

Bu məlumat kümesinin sınırı özellikle önemlidir: Cai & Yan'ın numuneleri geleneksel çıplak RC kiriş-kolon birləşməleri değil, UHPC dolgulu çelik tüp elemanlardır. Makalenin araştırma boşlukları bölümünde de bu sınır koşulu uyuşmazlığı açıkça belirtilmektedir.

Polad lif həcminin və donma-ərimənin sünekliyə təsiri

Penna və əməkdaşlarının HPFRC tədqiqatı üç lif həcm nisbətini müqayisə etmişdir: CM0 = %0, CM1 = %1.25 və CM2 = %2.50. Nümunələr donma-ərimə tətbiq edilməmiş NFT və 75 çevrim donma-əriməyə məruz buraxılmış FT şərtlərində qiymətləndirilmişdir.

Daha yüksək lif nisbətli CM2 həm donma-ərimədən əvvəl, həm də sonra CM1-dən daha yüksək D₀ dəyərini qorumuşdur. Buna qarşılıq hər iki lifli qarışımda da donma-ərimədən sonrakı dəyərlər azalmışdır.

Bu məlumatlar birləşmə ölçüsündə çevrimli zəlzələ testi deyil; HPFRC-nin lif-bağ və ətraf mühit pozulma davranışından alınan material səviyyəsində kalibrasiya məlumatlarıdır. Mənbə də material ölçüsü ilə birləşmə ölçüsü arasındakı bu boşluğu araşdırma məhdudiyyəti kimi tanımlayır.

SFF-ANN çarpaz yoxlaması

Çerçevenin beşinci aşaması, Ramavath & Suryawanshi yaklaşımına göre on iki girdi parametresini kullanan sığ ileri beslemeli yapay sinir ağıdır. Mənbə bu özgün tədqiqatdaki performansı eğitim için R² = %99, test için %94 ve doğrulama için %98 olarak aktarmaktadır.

Bu dəyərlər yeni Verianla hesablaması və ya bu məqalənin yenidən öyrətdiyi müstəqil ANN nəticələri deyil. Mənbə tədqiqatda raporlanan maşın öyrənməsi performansının modelləşdirmə çərçivəsinə aktarılmasıdır.

Prefabrik post-tensioned HPC birləşmələrindən gələn dəstək

Pang & Li'nin dört tam ölçekli prefabrik post-tensioned HPC birləşmə eksperimenti düşük çevrimli ters yükleme altında gerçekleştirilmiştir. Mənbə sentezine göre L-biçimli çelik plaka birləşmə çekirdeğindeki erken hasarı geciktirmiş, HPC yüksek öngerme altında lokal beton ezilmesini sınırlamış ve üç doğrulu geri çağırıcı kuvvet modeli eksperimental ve FE histerezisini temsil etmiştir.

Doğrulanmamış Steel-UHPC benchmarkı

Mənbə Tablo 8-də təxminən 140.1 MPa UHPC, Q690 polad, təxminən 3200 kN pik yük və fərqli bağlayıcı element performansları ilə bağlı kəmiyyət dəyərləri təqdim edir. Lakin məqalənin özü bu tam mətn mənbəsini öz referans korpusu daxilində müstəqil şəkildə doğrulaya bilmədiyini açıq bildirir. Buna görə bu dəyərlər Verianla məqaləsində doğrulanmış eksperimental sübut kimi istifadə edilmir.

Dayanım baxımından ümumi nəticə

Mənbə sintezinə görə HPC, SFRHPC və UHPC istifadə olunan sistemlərdə daha yüksək beton sıxılma dayanıqlığı ümumən daha yüksək daşıma qabiliyyəti ilə əlaqəlidir. Polad lifli yüksək dayanıqlı birləşmə eksperimentləri də yük daşıma və çatlaq nəzarəti baxımından müsbət meyl göstərir.

Sərtlik baxımından ümumi nəticə

HPC'nin yüksek E_c dəyəri başlanğıc elastik sərtliyini artırır. Lif və sargılama istifadəsi çevrimli zədə zamanı sərtlik itkisini azalda bilər. Lakin mənbə, fərqli eksperimental geometriyalar və yükləmə protokollarının nəticələrin birbaşa tək sayısal şkalaya endirilməsini əngəllədiyini göstərir.

Süneklik baxımından ümumi nəticə

Beton dayanıqlığı ilə süneklik arasında sadə və tək istiqamətli miqyaslama yoxdur. Mənbənin əsas nəticəsi budur ki, yalın və sargılanmamış yüksək dayanıqlı beton daha kövrək davrana bilər; lif və sargılama ilə çatlaq sonrası qüvvə ötürülməsi yaxşılaşdırıldıqda süneklik artırıla bilər.

Tədqiqatın müəyyən etdiyi araşdırma boşluqları

• Eyni eksperimental düzəndə ardıcıl HPC dayanıqlıq siniflərini birbaşa müqayisə edən tək bir nəzarətli birləşmə proqramı yoxdur.
• Birbaşa doğrulanmış çevrimli birləşmə FE məlumat setlərinin sayı ədəbiyyatdakı birləşmə müxtəlifliyinə görə məhduddur.
• UHPC üçün istifadə olunan bəzi doğrulanmış qapalı-form tənliklər boru-sargılı kompozit elementlərdən gəlir və klassik RC birləşmələrlə eyni sərhəd şərtlərinə sahib deyil.
• Sərtlik çox tədqiqatda yük-deplasman əyrilərindən dolayı çıxarılır; saf birləşmə kəsmə sərtliyi daha seyrək ölçülür.
• Donma-ərimə kimi ətraf mühit pozulması məlumatları material və bond-slip ölçüsündə mövcud olsa da, birləşmə ölçüsündəki dinamik modellərlə hələ tam inteqrasiya edilməmişdir.
• Bəzi ikincil ədəbiyyat dəyərlərinin tam mənbələri müəlliflərin yaratdığı korpus daxilində müstəqil olaraq doğrulana bilməmişdir.

Tədqiqatın dəstəklədiyi nəticələr

Mənbə ədəbiyyat sintezi, uyğun layihələndirilmiş HPC/SFRHPC/UHPC birləşmələrin normal betona görə daha yüksək sıxılma qabiliyyəti, yük daşıma qabiliyyəti və başlanğıc sərtliyi təmin edə bildiyini; polad lif və sargılamanın çatlaq nəzarəti, süneklik və enerji udma davranışında kritik rol oynadığını dəstəkləyir.

Mənbə həmçinin birləşmə davranışının tək bir qabiliyyət tənliyi ilə kifayət qədər açıqlana bilməyəcəyini və daxili qüvvə paylanması, eksenel-əyilmə qabiliyyəti, bond-slip, histerezis, sərtlik pozulması və məlumat əsaslı proqnozun birlikdə dəyərləndirilməsinin faydalı modelləşdirmə yolu olduğunu müdafiə edir.

Tədqiqatın dəstəkləmədiyi ümumiləşdirmələr

Bu tədqiqat yeni bir HPC birləşməsi istehsal edib MATLAB ilə test etmiş deyil. Təklif edilən beş mərhələli modelin bütün modulları eyni nümunə qrupunda eksperimental olaraq doğrulanmamışdır. Mənbədəki UHPC qabiliyyət tənlikləri bütün dəmir-beton birləşmə geometriyalarına birbaşa tətbiq edilə bilməz. ANN performans dəyərləri də bu məqalədə yenidən öyrədilmiş bir şəbəkənin yeni nəticələri deyil.

Şəkil 1-dəki ordinal performans xalları real mühəndislik ölçü dəyərləri deyil. Həmçinin mənbə tərəfindən doğrulanmamış kimi işarələnən Steel-UHPC kompozit benchmark kəmiyyətləri qəti sübut kimi qəbul edilməməlidir.

Mənbə və metod qeydi

Məqalənin metodoloji quruluşu iki sübut səviyyəsinə əsaslanır. Birinci səviyyədə müəlliflərin orijinal açıq çıxışlı nəşrlərə qarşı kəmiyyət olaraq yoxladıqlarını bildirdiyi tədqiqatlar vardır. İkinci səviyyədə yalnız keyfiyyət meyl sintezi və ya müstəqil doğrulaması tamamlanmamış ikincil məlumatlar istifadə olunur. Bu iki sübut sinfi Verianla anlatımında bir-birinə qarışdırılmamışdır.

Təklif edilən MATLAB modelinin yenidən istehsal edilə bilməsini məhdudlaşdıran əsas unsur, bəzi modulların bütün parametrlərinin, başlanğıc şərtlərinin, kalibrasiya əmsallarının və kod detallarının bu məqalədə tam verilməməsidir. Xüsusilə pozulan histeretik modelin bütün parametrləri üçün birbaşa işlədilə bilən məlumat seti təqdim edilmir. Bu səbəbdən mənbə, inteqrasiya edilmiş model memarlığını tanımlamaq baxımından dəyərlidir; lakin təkbaşına uçdan-uca yenidən istehsal edilə bilən MATLAB proqram paketi deyil.

Mənbə daxilində ayrıca Bölüm 2.2-də on iki tədqiqatdan söz edilərkən görünür Tablo 3-də on tədqiqat sətri vardır. Bu fərq mənbə xarici fərziyyə ilə düzəldilməmişdir. Steel-UHPC kompozit benchmarkındakı Tablo 8 dəyərləri də məqalənin özü tərəfindən müstəqil doğrulaması aparılmamış ikincil mənbə məlumatı kimi işarələnmişdir.