Оценка прочности и кодовое сопоставление двухслойных цельных СFST-стоек с различными конфигурациями стали

Более прочные колонны зданий для безопасных городов

Современные города опираются на высокие здания, мосты и башни, которые должны надежно нести огромные вертикальные нагрузки и выдерживать землетрясения или удары. Инженеры постоянно ищут конструкции колонн, которые были бы не только прочнее, но и более пластичными — то есть способными изгибаться и деформироваться без внезапного обрушения. В этом исследовании рассматривается новый тип композитной колонны из стальных труб, заполненных бетоном, расположенных в виде двойного «слоя» вокруг цельного бетонного сердечника. Сравнивая несколько форм и конфигураций, авторы показывают, как небольшие изменения геометрии могут привести к значительному приросту прочности, устойчивости и живучести.

Как выглядят эти новые композитные колонны

Исследуемые здесь колонны относятся к семейству конструкций «стальная труба, заполненная бетоном», где пустотелая стальная труба заполняется бетоном так, что оба материала работают совместно. Команда сосредоточилась на более новой разновидности: двухслойных колоннах с цельным сердечником. В них есть наружная стальная труба и вторая внутренняя труба, а весь объем между ними и внутри заполнен бетоном — без пустот. Трубы могут быть квадратными или круглыми, и их сочетание (квадрат–квадрат, круг–круг или смешанные) меняет поведение колонны под нагрузкой. Каждая испытуемая колонна была короткой и приземистой, около 41 сантиметра в высоту — масштаб, который подчёркивает, как поперечное сечение и расположение материалов управляют перераспределением сил в колонне.

Как проводились эксперименты

Были изготовлены восемь различных образцов колонн с использованием стандартного бетона и тонкостенных стальных труб. Некоторые образцы были только из стальных труб без бетона, некоторые — с одной трубой, заполненной бетоном, а другие использовали новую схему с двойной оболочкой и цельным сердечником с внутренней и наружной трубой. После заливки и выдержки каждый образец помещали в крупную испытательную машину и сжимали по оси — вдоль длины — до достижения предела несущей способности и значительной изменения формы. Во время нагружения исследователи измеряли укорачивание колонн, их начальную жесткость и сколько дополнительной деформации они могли выдержать после достижения пиковой прочности. Также подробно регистрировали, как и где происходила потеря устойчивости стали и разрушение бетона.

Почему в конкурсе прочности побеждают круглые наружные трубы

Результаты показали очевидную закономерность: круглые колонны в целом были прочнее и более пластичны, чем квадратные. Круглая стальная труба равномерно распределяет напряжения по периметру, что помогает лучше сдерживать бетон внутри и задерживать локальную потерю устойчивости стали. Например, пустотелая круглая труба неслила намного большую нагрузку, чем пустотелая квадратная, а бетонозаполненная круглая труба заметно превосходила заполненную квадратную. Преимущество становилось ещё более заметным в двухслойных колоннах. Конфигурации с круглыми наружными трубами, даже при меньшем расходе стали, несли большие нагрузки и деформировались более изящно, чем с квадратными наружными трубами. Их отказ сопровождался относительно равномерным радиальным расширением и постепенным разрушением сердечника, а не резкими изгибами, «бульбами у основания» или внезапной локальной потерей устойчивости.

Что дают двойные оболочки и цельные сердечники

Добавление второй внутренней стальной трубы и цельного бетонного сердечника значительно повысило характеристики по сравнению с однослойными колоннами. Лучшие двухслойные образцы были примерно на 56 процентов прочнее своих однослойных аналогов из сопоставимых материалов. Внутренняя труба помогает сдерживать бетон и поддерживает наружную трубу изнутри, а цельный бетонный сердечник устраняет слабые зоны и обеспечивает более ровную передачу нагрузки через всё сечение. В некоторых случаях двухслойные круглые конфигурации достигали почти вдвое большей прочности, чем предсказывают распространённые правила проектирования, что свидетельствует о том, что действующие строительные нормы консервативны для таких продвинутых схем. Чтобы исследовать это системнее, авторы обучили простую искусственную нейронную сеть на данных по геометрии и материалам для прогнозирования прочности колонн; она очень точно согласовывалась с результатами испытаний, намекая на полезный инструмент проектировщика при наличии большего объёма данных.

Что это означает для будущих зданий

Для неспециалиста главный вывод прост: тщательный выбор формы и слоёв стальных труб и бетона позволяет инженерам создавать колонны, которые гораздо прочнее и более «прощают» ошибки поведения, чем традиционные конструкции. В частности, двухслойные колонны с цельным сердечником и круглыми наружными трубами сочетают высокую прочность, жесткость и пластичность, что делает их привлекательными для высотных зданий, сейсмических зон и сооружений, которые должны поглощать удары без катастрофического разрушения. Хотя действующие нормы недооценивают их несущую способность и требуется дополнительное тестирование, эта работа указывает на очевидный путь к более стройным, безопасным и эффективным опорным конструкциям в будущей городской среде.

Цитирование: Neelamegam, P., Kanchidurai, S., Ganga, V. et al. Performance evaluation and codal assessment of double-skinned solid-core CFST columns with varying steel configurations. Sci Rep 16, 14477 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45278-7

Ключевые слова: стальные трубы, заполненные бетоном, двухслойные колонны, структурная прочность, сейсмический проект, строительные материалы