mgssuvestВестник МГСУVestnik MGSU1997-09352304-6600Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU)10.22227/1997-0935.2025.8.1154-1164mgssuvest-694Research ArticleПроектирование и конструирование строительных систем. Строительная механика. Основания и фундаменты, подземные сооруженияConstruction system design and layout planning. Construction mechanics. Bases and foundations, underground structuresПрочность центрально сжатых трубобетонных элементовStrength of centrally compressed concrete tube elementshttps://orcid.org/0000-0002-5851-152XКришанА. Л.KrishanA. L.

Анатолий Леонидович Кришан — доктор технических наук, профессор, профессор кафедры проектирования и строительства зданий, советник РААСН; главный научный сотрудник лаборатории мониторинга жилищно-коммунального хозяйства и радиационной безопасности в строительстве

455000, г. Магнитогорск, ул. Ленина, д. 38;127238, г. Москва, Локомотивный проезд, д. 21

РИНЦ AuthorID: 535561, Scopus: 56200412900

Anatoly L. Krishan — Doctor of Technical Sciences, Professor, Professor of the Department of Design and Construction of Buildings, Advisor to the Russian Academy of Architecture and Construction Sciences; chief researcher of the Laboratory for Monitoring Housing and Public Utilities and Radiation Safety in Construction

38 Lenin st., 455000, Magnitogorsk;21 Lokomotivny proezd, Moscow, 127238

RSCI AuthorID: 535561, Scopus: 56200412900

kris_al@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9084-4105РимшинВ. И.RimshinV. I.

Владимир Иванович Римшин — доктор технических наук, профессор, профессор кафедры жилищно-коммунального хозяйства, советник РААСН; заведующий лабораторией мониторинга жилищно-коммунального хозяйства и радиационной безопасности в строительстве

129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26; 127238, г. Москва, Локомотивный проезд, д. 21

РИНЦ AuthorID: 420903, Scopus: 56258934600, ResearcherID: Р-4928-2015

Vladimir I. Rimshin — Doctor of Technical Sciences, Professor, Professor of the Department of Housing and Public Utilities, Advisor to the Russian Academy of Architecture and Construction Sciences; Head of the Laboratory for Monitoring Housing and Public Utilities and Radiation Safety in Construction;

26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337;21 Lokomotivny proezd, Moscow, 127238

RSCI AuthorID: 420903, Scopus: 56258934600, ResearcherID: Р-4928-2015

v.rimshin@niisf.ruАстафьеваМ. А.AstafievaM. A.

Мария Александровна Астафьева — кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры проектирования и строительства зданий; старший научный сотрудник лаборатории мониторинга жилищно-коммунального хозяйства и радиационной безопасности в строительстве

455000, г. Магнитогорск, ул. Ленина, д. 38; 127238, г. Москва, Локомотивный проезд, д. 21

РИНЦ AuthorID: 880101, Scopus: 57204739579, ResearcherID: ABA-4430-2021

Maria A. Astafieva — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Associate Professor of the Department of Design and Construction of Buildings; Senior Researcher, Laboratory for Monitoring Housing and Public Utilities and Radiation Safety in Construction

38 Lenin st., 455000, Magnitogorsk; 21 Lokomotivny proezd, Moscow, 127238

RSCI AuthorID: 880101, Scopus: 57204739579, ResearcherID: ABA-4430-2021

skymanika@mail.ruЛихидькоМ. А.LikhidkoM. A.

Михаил Александрович Лихидько — аспирант кафедры проектирования и строительства зданий

455000, г. Магнитогорск, ул. Ленина, д. 38

РИНЦ AuthorID: 1038214

Mikhail A. Likhidko — postgraduate student of the Department of Design and Construction of Buildings

38 Lenin st., 455000, Magnitogorsk

RSCI AuthorID: 1038214

likhidkom@yandex.ruМагнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова (МГТУ им. Г.И. Носова); Научно-исследовательский институт строительной физики Российской академии архитектуры и строительных наук (НИИСФ РААСН)РоссияNosov Magnitogorsk State Technical University; Scientific Research Institute of Building Physics of the Russian Academy of Architecture and Building Sciences (NIISF RAASN)Russian FederationНациональный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ); Научно-исследовательский институт строительной физики Российской академии архитектуры и строительных наук (НИИСФ РААСН)РоссияMoscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU); Scientific Research Institute of Building Physics of the Russian Academy of Architecture and Building Sciences (NIISF RAASN)Russian FederationМагнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова (МГТУ им. Г.И. Носова)РоссияNosov Magnitogorsk State Technical UniversityRussian Federation20252908202520811541164Copyright © Кришан А.Л., Римшин В.И., Астафьева М.А., Лихидько М.А., 20252025Кришан А.Л., Римшин В.И., Астафьева М.А., Лихидько М.А.Krishan A.L., Rimshin V.I., Astafieva M.A., Likhidko M.A.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.vestnikmgsu.ru/jour/article/view/694Введение

Введение. Все более масштабное применение сжатых трубобетонных элементов (ТБЭ) в практике строительства требует развития методик расчета их прочности, учитывающих основные особенности их силового сопротивления. В действующих нормах проектирования ряда стран предлагаются эмпирические формулы, обеспечивающие хорошую точность расчета центрально сжатых трубобетонных конструкций, но неверно учитывающие распределение усилий между бетонным ядром и стальной трубой. Предложена методика, позволяющая достоверно оценивать напряженное состояние бетона и трубы.

Материалы и методы

Материалы и методы. Прочность коротких центрально сжатых ТБЭ можно определить с помощью метода предельных усилий. Точность расчетов по предложенной методике зависит от правильного установления коэффициентов материала. В настоящее время для трубобетонных колонн, как правило, применяют тяжелый бетон, который имеет плотную структуру. Для таких бетонов предлагается принимать значения, которые получены после обработки результатов опытов, проводившихся при объемном сжатии с постоянным по величине боковым давлением. С целью установления этих значений выполнен статистический анализ результатов 232 опытов с короткими центрально сжатыми ТБЭ из тяжелых бетонов средней и высокой прочности. Для каждого опыта подбирались значения коэффициентов, соответствующие наилучшему совпадению теоретических и экспериментальных разрушающих нагрузок.

Результаты

Результаты. Методики действующих норм не позволяют учесть особенности бетонного ядра в сжатых ТБЭ бетонов различных видов. В предлагаемой методике данный вопрос решается за счет соответствующего подбора коэффициентов материала. При наличии достаточного объема экспериментов с ТБЭ из бетона конкретного вида найти значения соответствующих коэффициентов несложно.

Выводы

Выводы. Разработанная методика расчета прочности коротких центрально сжатых ТБЭ учитывает основные особенности силового сопротивления трубобетонной конструкции и дает возможность определить распределение усилий между бетонным ядром и стальной трубой.

Introduction

Introduction. The increasingly large-scale use of compressed concrete tube elements in construction practice requires the development of methods for calculating their strength, taking into account the main features of their force resistance. The current design standards of a number of countries offer empirical formulas that ensure good accuracy in calculating axially compressed concrete pipe structures, but incorrectly take into account the distribution of forces between the concrete core and the steel pipe. This paper proposes a method that allows for a reliable assessment of the stress state of concrete and pipe.

Materials and methods

Materials and methods. The strength of short centrally compressed CTE can be determined using the method of limiting forces. The accuracy of calculations according to the proposed method depends on the correct determination of the coefficients of the material. Currently, heavy concrete, which has a dense structure, is usually used for pipe-concrete columns. For such concretes, it is proposed to take the values that are obtained after processing the results of experiments conducted under volumetric compression with a constant lateral pressure. To establish these values, a statistical analysis of the results of 232 experiments with short centrally compressed CTE made of heavy concretes of medium and high strength was performed. For each experiment, coefficient values were selected corresponding to the best match between theoretical and experimental destructive loads.

Results

Results. The methodology of the current standards does not allow to take into account the features of the concrete core in compressed CTE concretes of various types. In the proposed methodology, this issue is solved by appropriate selection of material coefficients. If there is a sufficient amount of experimentation with concrete CTE of a specific type, it is not difficult to find the values of the corresponding coefficients.

Conclusions

Conclusions. The developed method for calculating the strength of short centrally compressed solid waste takes into account the main features of the force resistance of a tube-concrete structure and allows us to determine the distribution of forces between the concrete core and the steel pipe.

центрально сжатый трубобетонный элементпрочностьнапряженное состояниетрехосное сжатиебоковое давлениесиловое сопротивлениебетонное ядроaxially compressed concrete tube elementcompressive strengthstress statevolumetric compressionlateral pressureforce resistanceconcrete coreReferencesAhmed M., Liang Q.Q., Patel V.I., Hadi M.N.S. Numerical analysis of axially loaded circular high strength concrete-filled double steel tubular short columns // Thin-Walled Structures. 2019. Vol. 138. Pp. 105–116. DOI: 10.1016/j.tws.2019.02.001Ahmed M., Liang Q.Q., Patel V.I., Hadi M.N.S. Numerical analysis of axially loaded circular high strength concrete-filled double steel tubular short columns. Thin-Walled Structures. 2019; 138:105-116. DOI: 10.1016/j.tws.2019.02.001Krishan A.L., Astafeva M.A., Chernyshova E.P. Numerical and Experimental Investigation of Axially Loaded Columns with Spiral Reinforcement // Materials Science Forum. 2023. Vol. 1087. Pp. 163–168. DOI: 10.4028/p-7841oaKrishan A.L., Astafeva M.A., Chernyshova E.P. Numerical and Experimental Investigation of Axially Loaded Columns with Spiral Reinforcement. Materials Science Forum. 2023; 1087:163-168. DOI: 10.4028/p-7841oaMander J.B., Priestley M.J.N., Park R. Theoretical stress-strain model for confined concrete // Journal of Structural Engineering. 1988. Vol. 114. Issue 8. Pp. 1804–1826. DOI: 10.1061/(asce)0733-9445(1988)-114:8(1804)Mander J.B., Priestley M.J.N., Park R. Theoretical stress-strain model for confined concrete. Journal of Structural Engineering. 1988; 114(8):1804-1826. DOI: 10.1061/(asce)0733-9445(1988)114:8(1804)Hossain K.M.A., Chu K. Confinement of six different concretes in CFST columns having different shapes and slenderness // International Journal of Advanced Structural Engineering. 2019. Vol. 11. Issue 2. Pp. 255–270. DOI: 10.1007/s40091-019-0228-2Hossain K.M.A., Chu K. Confinement of six different concretes in CFST columns having different shapes and slenderness. International Journal of Advanced Structural Engineering. 2019; 11(2):255-270. DOI: 10.1007/s40091-019-0228-2Кришан А.Л., Римшин В.И., Астафьева М.А. Сжатые трубобетонные элементы. Теория и практика. М. : Издательство АСВ, 2020. 322 с. EDN ROLLKN.Krishan A.L., Rimshin V.I., Astaf’eva M.A. Compressed concrete filled steel elements. Theory and practice. Moscow, ASV, 2020; 322. EDN ROLLKN. (rus.).Patel V.I., Hassanein M.F., Thai H.T., Al Abadi H., Elchalakani M., Bai Y. Ultra-high strength circular short CFST columns: Axisymmetric analysis, behaviour and design // Engineering Structures. 2019. Vol. 179. Pp. 268–283. DOI: 10.1016/j.engstruct.2018.10.081Patel V.I., Hassanein M.F., Thai H.T., Al Abadi H., Elchalakani M., Bai Y. Ultra-high strength circular short CFST columns: Axisymmetric analysis, behaviour and design. Engineering Structures. 2019; 179:268-283. DOI: 10.1016/j.engstruct.2018.10.081Карпенко Н.И. Об одной характерной функции прочности бетонов при трехосном сжатии // Строительная механика и расчет сооружений. 1982. № 2. С. 33–36.Karpenko N.I. On one characteristic function of concrete strength under triaxial compression. Structural Mechanics and Analysis of Constructions. 1982; 2:33-36. (rus.).Карпенко Н.И., Карпенко С.Н., Моисеенко Г.А. Критерий прочности бетона при объемном напряженном состоянии и действии повышенных температур // Academia. Архитектура и строительство. 2024. № 4. С. 117–123. DOI: 10.22337/2077-9038-2024-4-117-123. EDN WGFKEZ.Karpenko N.I., Karpenko S.N., Moiseenko G.A. Criterion of concrete strength under volumetric stress state and elevated temperatures. Academia. Architecture and Construction. 2024; 4:117-123. DOI: 10.22337/2077-9038-2024-4-117-123. EDN WGFKEZ. (rus.).Карпенко Н.И. Общие модели механики железобетона. М. : Стройиздат, 1996. 416 с.Karpenko N.I. General models of reinforced concrete mechanics. Moscow, 1996; 416. (rus.).Людковский И.Г., Фонов В.М., Макаричева Н.В. Исследование сжатых трубобетонных элементов, армированных высокопрочной продольной арматурой // Бетон и железобетон. 1980. № 5. С. 17–19.Lyudkovskiy I.G., Fonov V.M., Makaricheva N.V. Study of compressed concrete filled steel elements reinforced with high-strength longitudinal reinforcement. Concrete and Reinforced Concrete. 1980; 5:17-19. (rus.).Xu L., Lu Q., Chi Y., Yang Y., Yu M., Yan Y. Axial compressive performance of UHPC filled steel tube stub columns containing steel-polypropylene hybrid fiber // Construction and Building Materials. 2019. Vol. 204. Pp. 754–767. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2019.01.202Xu L., Lu Q., Chi Y., Yang Y., Yu M., Yan Y. Axial compressive performance of UHPC filled steel tube stub columns containing steel-polypropylene hybrid fiber. Construction and Building Materials. 2019; 204:754-767. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2019.01.202Rimshin V., Ketsko E. Justification of Strengthening of Reinforced Concrete Structures of an Industrial Building with Composite Materials // Lecture Notes in Civil Engineering. 2023. Pp. 129–138. DOI: 10.1007/978-3-031-36723-6_14Rimshin V., Ketsko E. Justification of Strengthening of Reinforced Concrete Structures of an Industrial Building with Composite Materials. Lecture Notes in Civil Engineering. 2023; 129-138. DOI: 10.1007/978-3-031-36723-6_14Zhu J.Y., Chan T.M. Experimental investigation on steel-tube-confined-concrete stub column with different cross-section shapes under uniaxial-compression // Journal of Constructional Steel Research. 2019. Vol. 162. P. 105729. DOI: 10.1016/J. JCSR.2019.105729Zhu J.Y., Chan T.M. Experimental investigation on steel-tube-confined-concrete stub column with different cross-section shapes under uniaxial-compression. Journal of Constructional Steel Research. 2019; 162:105729. DOI: 10.1016/J. JCSR.2019.105729Venkateshwaran A., Lai B., Liew J.Y.R. Design of steel fiber-reinforced high-strength concrete encased steel short columns and beams // ACI Structural Journal. 2021. Vol. 118. Issue 1. Pp. 45–59. DOI: 10.14359/51728077Venkateshwaran A., Lai B., Liew J.Y.R. Design of steel fiber-reinforced high-strength concrete encased steel short columns and beams. ACI Structural Journal. 2021; 118(1):45-59. DOI: 10.14359/51728077Lai B., Liew J.Y.R. Investigation on axial load-shorting behaviour of high strength concrete encased steel composite section // Engineering Structures. 2021. Vol. 227. P. 111401. DOI: 10.1016/J.ENGSTRUCT.2020.111401Lai B., Liew J.Y.R. Investigation on axial load-shorting behaviour of high strength concrete encased steel composite section. Engineering Structures. 2021; 227:111401. DOI: 10.1016/J.ENGSTRUCT.2020.111401Гвоздев А.А. Задачи и перспективы развития теории железобетона // Строительная механика и расчет сооружений. 1981. № 6. С. 14–17.Gvozdev A.A. Tasks and prospects for the development of the theory of reinforced concrete. Construction Mechanics and Calculation of Structures. 1981; 6:14-17. (rus.).Стороженко Л.И., Ермоленко Д.А., Лапенко О.И. Трубобетон : монография. Полтава : ACMI, 2010. 305 с.Storozhenko L.I., Ermolenko D.A., Lapenko O.I. Pipe concrete : monograph. Poltava, ACMI, 2010; 305. (rus.).Варламов А.А., Гаврилов В.Б., Сагадатов А.И. Комплексный метод оценки напряженно-деформированного состояния и долговечности железобетонных конструкций // БСТ: бюллетень строительной техники. 2017. № 11 (999). C. 29–31. EDN ZRVWRR.Varlamov A.A., Gavrilov V.B., Sagadatov A.I. Comprehensive evaluation method of stressstrain state and durability of reinforced concrete structures. BST: Bulletin of Construction Equipment. 2017; 11(999):29-31. EDN ZRVWRR. (rus.).Васильев А.И., Подвальный А.М. Комплексное влияние агрессивных факторов среды на коррозию арматуры в защитном слое // Бетон и железо-бетон. 2010. № 2. C. 26–29.Vasiliev A.I., Podvalny A.M. The complex influence of aggressive environmental factors on the corrosion of reinforcement in the protective layer. Concrete and Reinforced Concrete. 2010; 2:26-29. (rus.).Карпенко Н.И., Карпенко С.Н., Ярмаковский В.Н., Ерофеев В.Т. О современных методах обеспечения долговечности железобетонных конструкций // Academia. Архитектура и строительство. 2015. № 1. С. 93–102. EDN TLLYWH.Karpenko N.I., Karpenko S.N., Yarmakovsky V.N., Yerofeev V.T. The modern methods for ensuring of the reinforced concrete structures durability. Academia. Architecture and Construction. 2015; 1:93-102. EDN TLLYWH. (rus.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.