Гибридная методология прогнозирования несущей способности внецентренно сжатых прямоугольных трубобетонных колонн

Цель. Целью исследования является разработка гибридной методологии прогнозирования несущей способности внецентренно сжатых прямоугольных трубобетонных колонн, основанную на интеграции аналитических расчетных моделей, нелинейного конечно-элементного моделирования и методов машинного обучения.

Метод. Исследование базируется на комбинированном вычислительном подходе, включающем предварительную аналитическую оценку по методу предельного равновесия и уточняющий нелинейный конечно-элементный анализ с использованием теории пластичности бетона Гениева и итерационной схемы Ньютона–Рафсона. Сформирован синтетический датасет, примененный для машинного обучения CatBoost с использованием метрики RMSLE.

Результат. Разработан алгоритм генерации и валидации расчетной базы данных, обеспечивающий физическую обоснованность и репрезентативность обучающей выборки. Сформирован структурированный датасет, охватывающий широкий диапазон геометрических и прочностных параметров колонн. Полученная модель машинного обучения демонстрирует высокую точность прогнозирования предельной несущей способности при внецентренном сжатии.

Вывод. Разработанная гибридная методология позволяет с высокой точностью прогнозировать несущую способность трубобетонных колонн при внецентренном сжатии за счет объединения аналитических моделей, конечно-элементного анализа и машинного обучения. Полученные результаты могут быть использованы для создания цифровых инструментов расчета и оптимизации конструкций, а также для совершенствования существующих инженерных методик.

1. Акаев А.И., Магомедов М.Г., Пайзулаев М.М. Перспективы строительства сейсмостойких зданий из трубчатых железобетонных конструкций // Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. 2017. -Т. 44,-№ 1. -С. 138–149.

2. Varma A.H. и др. Seismic behavior and modeling of high-strength composite concrete-filled steel tube (CFT) beam–columns // J. Constr. Steel Res. Elsevier, 2002. Т. 58, № 5–8. С. 725–758.

3. George C., Selvan S.S. State of Art—Light Gauge Steel Hollow and in-Filled Columns and Beams under Elevated Temperature // Iranian Journal of Science and Technology - Transactions of Civil Engineering. Springer Science and Business Media Deutschland GmbH, 2023. Т. 47, № 3. С. 1265–1276.

4. Kikin A.I., Sanjarovskii R.S., Trull V.A. Конструкции из стальных труб, заполненных бетоном. Стройиздат / пер. Kikin. Москва: Стройиздат, 1974. Т. 146. 1–146 с.

5. Кришан А.Л., Кришан М.А., Сабиров Р.Р. Перспективы применения трубобетонных колонн на строительных объектах России // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего …, 2014. № 1 (45). С. 137–140.

6. Ma Y. Experimental, numerical study and design of concrete-encased concrete-filled steel tube columns and beam-column joints. 2022.

7. Storozhenko L.I., Plakhotnyĭ P.I. ., Chernyĭ A.I. . Расчет трубобетонных конструкций. «Будивэльнык», 1991. 119 с.

8. Krishan A.L., Astafeva M.A., Chernyshova E.P. Numerical and Experimental Investigation of Axially Loaded Columns with Spiral Reinforcement // Materials Science Forum. Trans Tech Publications Ltd, 2023. Т. 1087. С. 163–168.

9. Goode C.D. Composite columns-1819 tests on concrete-filled steel tube columns compared with Eurocode 4 // The Structural Engineer. 2008. Т. 86, № 16. С. 33–38.

10. GitHub - denavit/Composite-Column-Database: A database of experiments on steel-concrete composite columns [Электронный ресурс]. URL: https://github.com/denavit/Composite-Column-Database (дата обращения: 08.07.2025).

11. Saffari H., Davoodi R., Soleymani A. Analyzing elastoplastic behavior and residual strength ratios in steel tubular braces under compression: a numerical investigation // Innovative Infrastructure Solutions. Springer Science and Business Media Deutschland GmbH, 2024. Т. 9, № 9.

12. Isleem H.F. и др. Nonlinear finite element and analytical modelling of reinforced concrete filled steel tube columns under axial compression loading // Results in Engineering. Elsevier, 2023. Т. 19. С. 101341.

13. Zarringol M., Thai H.-T., Naser M.Z. Application of machine learning models for designing CFCFST columns // J. Constr. Steel Res. Elsevier, 2021. Т. 185. С. 106856.

14. Faridmehr I., Nehdi M.L. Predicting axial load capacity of CFST columns using machine learning // Structural Concrete. John Wiley and Sons Inc, 2022. Т. 23, № 3. С. 1642–1658.

15. Lee S. и др. Compressive Strength Prediction of CFST Columns Using Machine Learning Methods // Journal of Korean Society of Steel Construction. 2022. Т. 34, № 2.

16. Кондратьева Т.Н., Чепурненко А.С. Применение искусственного интеллекта к прогнозированию прочности трубобетонных колонн. Современные тенденции в строительстве, градостроительстве и планировке территорий. 2024;3(3):40-48. https://doi.org/10.23947/2949-1835-2024-3-3-40-48.

17. Кондратьева Т.Н., Чепурненко А.С. Прогнозирование несущей способности трубобетонных колонн квадратного сечения при помощи методов машинного обучения. Современные тенденции в строительстве, градостроительстве и планировке территорий. 2025;4(4):44-52. https://doi.org/10.23947/2949-1835-2025-4-4-44-52.

18. Hou C., Zhou X. Eccentric compression capacity prediction of rectangular CFST columns based on machine learning // Jianzhu Jiegou Xuebao/Journal of Building Structures. 2022. Т. 43.

19. Megahed K., Mahmoud N.S., Abd-Rabou S.E.M. Application of machine learning models in the capacity prediction of RCFST columns // Sci. Rep. Nature Publishing Group UK London, 2023. Т. 13, № 1. С. 24.

20. Liu D. Behaviour of eccentrically loaded high-strength rectangular concrete-filled steel tubular columns // J. Constr. Steel Res. Elsevier, 2006. Т. 62, № 8. С. 839–846.

21. Al-Zgul S., Tyurina V., Chepurnenko A. A Simplified Method for Determining the Bearing Capacity of Eccentrically Compressed Rectangular CFST Columns with Eccentricities in Two Planes // The Open Construction & Building Technology Journal. Bentham Science Publishers Ltd., 2025. Т. 19, № 1.

22. Chepurnenko A. и др. Simplified finite element model for rectangular CFST columns strength calculation under eccentric compression // Magazine of Civil Engineering. St. Petersburg Polytechnic University of Peter the Great, 2025. Т. 134, № 2. С. 13406–13406.

23. Кришан А.Л., Заикин А.И., Мельничук А.С. Расчет прочности трубобетонных колонн // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. 2010. Т. 1. С. 20–25.

24. Litvinov S.V. и др. Study of the concordance between various concrete deformation models and experimental data for uniaxial compression cases // Construction Materials and Products. Belgorod V.G. Shukhov State Technology University, 2024. Т. 7, № 5.