ANALYSIS OF THE EFFICIENCY OF THE DESIGN PARAMETERS OF I-SECTIONAL STEEL-REINFORCED CONCRETE MODIFIED BEAMS
DOI:
https://doi.org/10.33042/2522-1809-2025-3-191-377-383Keywords:
I-steel-concrete composite beams, perforated beam wall, deformation modelAbstract
The authors investigated the effectiveness of the new proposed type of steel-reinforced concrete modified beams using an engineering calculation method based on a deformation model taking into account the physical nonlinearity of concrete and steel properties. The peculiarity of the proposed structural solution of the steel-reinforced concrete bending element is that a reinforced concrete shelf is used as the compressed part of the section, and a rolled steel profile is used as a t-beam element with a perforated wall. This allows redistribution of the cross-sectional material, concentrating it closer to the outer fibres, optimising the cross-section in accordance with its operating pattern.
The use of perforated elements in reinforced concrete sections is due to the fact that the wall thickness of rolled sections often exceeds the required local stability without stiffeners, as well as the desire to avoid using metal in unused, i.e. inefficient, sections.
The methodology for assessing the ultimate stress state of steel-reinforced concrete sections is based on equilibrium equations and the flat section hypothesis. The bearing capacity in the form of determining the destructive moment is solved by successive approximations using a nonlinear deformation model. The use of a nonlinear deformation model contributes to the efficient design of steel and reinforced concrete structures, makes it possible to assess the compliance of steel and reinforced concrete components using an iterative process.
An analysis of the influence of design parameters (width and thickness of the reinforced concrete shelf, percentage of its reinforcement, and concrete class) on the stresses in the maximally compressed fibres of the reinforced concrete part of the section and the maximally tensile fibres of the steel shelf was performed. This made it possible to optimise the cross-section, due to which the centre of gravity of the reinforced concrete beam was shifted to the lower stretched edge as much as possible, and ensured the efficiency of stress distribution in the components of the modified beam cross-section.
Comparative analysis of two beams, with and without perforations, showed that the bearing capacity of the beam section with perforations changes insignificantly (up to 5%) if the boundary of the compressed zone is in the steel wall.
References
Аметов Ю.Г. Вплив режиму навантаження і тривалого витримування під навантаженням на несучу здатність сталезалізобетонних балок: автореф. дис. … канд. техн. наук : спец. 05.23.01 - будівельні конструкції, будівлі та споруди / Ю. Г. Аметов ; Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій. – К., 2003. – 20 с,
Фабрика Ю.М. Міцність та деформативність сталезалізобетонних балкових конструкцій: автореф. дис. … канд. техн. наук : спец. 05.23.01 - будівельні конструкції, будівлі та споруди / Фабрика Ю.М. ; Полтавський національний технічний університет. - Полтава., 2005. - 17 с.
Стороженко Л. І. Розрахунок сталезалізобетонних двотаврових балок із залізобетонним верхнім поясом / Л. І. Стороженко, В. М. Чередніков, О. А. Крупченко // Ресурсоекономні матеріали та конструкції, будівлі та споруди. - Рівне, 2008. - Вип. 16. Ч.2. - С. 358–364.
Стороженко Л.І. Сталезалізобетонні балки із залізобетонним верхнім поясом [Текст] / Л. І. Стороженко,, О. А. Крупченко // Вісник Національного університету «Львівська політехніка», Львів, 2010. - Вип. 662. - С. 354–360.
Крупченко О.А. Результати експериментальних досліджень сталезалізобетонних двотаврових балок із залізобетонним верхнім поясом / О.А. Крупченко // Вісник Сумського національного аграрного університету. Серія: Будівництво. - Суми, 2006.- Вип. 9 (11). - С. 55–60.
Ватуля, Г. Л. Розрахунок і проектування комбінованих та сталебетонних конструкцій : автореф. дис. ... д-ра техн. наук : 05.23.01 – будівельні конструкції, будівлі та споруди / Г. Л. Ватуля ; Укр. держ. ун-т залізн. трансп. - Харків, 2015. - 44 с.
GL Vatulia,. Rationalization of cross-sections of the composite reinforced concrete span structure of bridges with a monolithic reinforced concrete roadway slab / GL Vatulia, OV Lobiak, SV Deryzemlia, MA Verevicheva, Ye F Orel. // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2019. – 664.- 012014. https://doi.org/10.1088/1757-899X/664/1/012014.
Бамбура, А. М., Аметов Ю. Г. До оцінки здатності сталебетонних елементів, що згинаються, на основі деформаційного методу і реальних діаграм деформації матеріалів [Текст] / А. М. Бамбура, Ю. Г. Аметов // Сталезалізобетонні конструкції, 2004. - Вип. 6. - С. 71–76.
Semko, O. Classification of Self-stressed Steel-Concrete Composite Structures / Semko, O., Hasenko, A. // ICBI 2020. Lecture Notes in Civil Engineering. 2022, vol 181. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-030-85043-2_34.
Jianguo Nie, Yan Xiao, Lin Chen. Experimental Studies on Shear Strength of Steel-Concrete Composite Beams. Journal of Structural Engineering, 2004. Vol 130. № 8. P. 1206–1214. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9445(2004)130:8(1206)
Alex H. Whitworth and Konstantinos Daniel Tsavdaridis, Genetic Algorithm for Embodied Energy Optimisation of Steel-Concrete Composite Beam, Sustainability 2020, 12, 3102; https://doi.org/10.3390/su12083102.
B. Grzeszykowski and E. Szmigieraa. (2019). Nonlinear Longitudinal Shear Distribution in Steel-Concrete Composite Beams. Archives of Civil Engineering. 65. 65-82. https://doi.org/10.2478/ace-2019-0005.
Дериземля С. В. Обґрунтування та вибір раціональних конструктивних перерізів, можливості їх застосування у різних напрямах будівництва [Текст] / С. В. Дериземля //Збірник наукових праць Українського державного університету залізничного транспорту. - 2021. - Вип. 195. - С. 20-25. https://doi.org/10.18664/1994-7852.195.2021.240897
Piotr Szewczyk. Experimental and Numerical Study of Steel–Concrete Composite Beams Strengthened under Load // Materials 2024, 17(18), 4510. https://doi.org/10.3390/ma17184510
Fa-xing Ding. Research on the mechanical performance of I-steel-concrete composite beams under bending-torsional couplin / Fa-xing Ding, Xin-yu Huang, Jing-ke Zhang, Peng Liu, Hai-cui Wang // Structures, 2025. -V. 75, 108796. https://doi.org/10.1016/j.istruc.2025.108796.
Спіранде К.В., Чисельне дослідження напружено-деформованого стану сталезалізобетонних двотаврових модифікованих балок [Текст] / Спіранде К.В., Шемет Р.Н., Шемет Р.Н. // Науковий вісник будівництва. - Харків, 2021. - Вип. 104(2). - С.212-220. https://svc.kname.edu.ua/index.php/svc/article/view/107/105
Spirande, K. Analysis of influence of design parameters on the operation of composite steel and concrete modified I-beams / Spirande, K., Shemet, R., Iakymenko, M., Shemet, K. // Aip Conference Proceedings, 2023, 2684, 030041. https://doi.org/10.1063/5.0120406
Downloads
Published
Issue
Section
License
The authors who publish in this collection agree with the following terms:
• The authors reserve the right to authorship of their work and give the magazine the right to first publish this work under the terms of license CC BY-NC-ND 4.0 (with the Designation of Authorship - Non-Commercial - Without Derivatives 4.0 International), which allows others to freely distribute the published work with a mandatory reference to the authors of the original work and the first publication of the work in this magazine.
• Authors have the right to make independent extra-exclusive work agreements in the form in which they were published by this magazine (for example, posting work in an electronic repository of an institution or publishing as part of a monograph), provided that the link to the first publication of the work in this journal is maintained. .
• Journal policy allows and encourages the publication of manuscripts on the Internet (for example, in institutions' repositories or on personal websites), both before the publication of this manuscript and during its editorial work, as it contributes to the emergence of productive scientific discussion and positively affects the efficiency and dynamics of the citation of the published work (see The Effect of Open Access).
