DOI: https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2026.122134
تاريخ النشر: 2026-01-17
المؤلف: Shan Gao وآخرون
الموضوع الرئيسي: سلوك الهيكل الخرساني المسلح
نظرة عامة
تستكشف هذه الدراسة سلوك الانضغاط المحوري للأعمدة المركبة متعددة المواد، وتحديداً الأنابيب الفولاذية المملوءة بالخرسانة مع نوى خشبية محصورة بواسطة CFRP. تم تطوير إطار شامل يجمع بين النمذجة النظرية، والمحاكاة باستخدام العناصر المحدودة، وتقنيات التعلم الآلي لتعزيز دقة وقابلية توسيع هذه التصاميم المركبة. تم اشتقاق نموذج سعة التحمل التحليلية، مع الأخذ في الاعتبار عوامل مثل حصر الفولاذ، وقيود CFRP، والأورثوتروبية الخشبية، مما أسفر عن نتائج تتماشى بشكل وثيق مع تحليل العناصر المحدودة (FEA) ضمن انحراف قدره 5%. تشير النتائج الرئيسية إلى أن زيادة قوة الخضوع وسمك الأنبوب الفولاذي تعزز بشكل كبير سعة الأعمدة المركبة، بينما يعزز حصر CFRP الاستجابة بعد الكسر والمرونة للنواة الخشبية. ومن الجدير بالذكر أن النوى الدائرية تظهر قابلية تشوه أفضل مقارنة بالنوى المربعة.
تقدم الدراسة أيضاً نموذج XGBoost المعدل بواسطة النظرية المتبقية للتنبؤ بسعة التحمل المحورية، والذي يصحح التقديرات النظرية من خلال التعلم المتبقي الموجه بواسطة SHAP، محققاً دقة مثيرة للإعجاب قدرها $R^2 = 0.9873$. تم تطوير أداة تصميم خفيفة الوزن للتقييم الفعال والتحسين، مما يتيح تقليص الوزن الذاتي بنسبة تصل إلى 22%. بينما تم التحقق من صحة المنهجية المقترحة من خلال محاكاة واسعة، يعترف المؤلفون بالحاجة إلى مزيد من التحقق التجريبي لتعزيز قابلية تعميم النتائج. ستهدف الأبحاث المستقبلية إلى توسيع الإطار ليشمل سيناريوهات تحميل أخرى ودمج المزيد من البيانات التجريبية لتحسين المتانة وقابلية التطبيق في ممارسات تصميم الهندسة.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على عدم كفاية أنظمة المواد الفردية في البناء الحديث، خاصة للهياكل الأطول والأكثر امتداداً، والتي تتطلب مقاومة تحميل محسنة واستدامة. تؤكد على فوائد دمج المواد، مثل الجمع بين الخرسانة والفولاذ والخشب والبوليمرات المقواة بالألياف (FRP)، لتحسين الأداء الهيكلي. ومع ذلك، لا تزال التعقيدات التي تطرحها الأنظمة متعددة المواد، بما في ذلك تأثيرات الانزلاق بين الواجهات وأنماط الفشل المتنوعة، غير مستكشفة بشكل كافٍ، خاصة في سياق التركيبات الثلاثية والتركيبات ذات الترتيب الأعلى. ركزت الدراسات السابقة بشكل أساسي على أنظمة المواد الثنائية، مما ترك فجوات كبيرة في فهم الآليات التآزرية عند دمج النوى الخشبية الخفيفة مع حصر الفولاذ والخرسانة وقيود FRP.
تستعرض الورقة الأدبيات الموجودة، مشيرة إلى أنه على الرغم من تحقيق تقدم في فهم سلوك الانضغاط المحوري للأعمدة الفولاذية المملوءة بالخرسانة المحصورة بواسطة CFRP وتفاعلات FRP-الخشب، لا تزال التحديات قائمة في نمذجة تأثيرات الربط متعددة المواد بدقة. يحدد المؤلفون عوامل حاسمة، مثل محتوى الرطوبة في الخشب الذي يؤثر على قوة الربط، وتعقيدات محاكاة سلوك الواجهات في النماذج العددية. لمعالجة هذه الفجوات، تقترح الدراسة تصميم عمود مركب جديد يدمج نوى خشبية محصورة بواسطة CFRP مع أنابيب فولاذية مملوءة بالخرسانة، مما يؤسس إطاراً شاملاً يجمع بين النمذجة النظرية، والمحاكاة باستخدام العناصر المحدودة، والتعلم الآلي من أجل التحسين. يهدف هذا النهج إلى تعزيز فهم التفاعلات بين المواد الأربعة، مما يحسن في النهاية الكفاءة الاقتصادية والفوائد البيئية والأداء الميكانيكي في تطبيقات البناء.
طرق
تشمل منهجية المحاكاة المستخدمة في هذا البحث نهجاً منهجياً لنمذجة الظواهر قيد التحقيق. استخدم المؤلفون إطاراً حسابياً يدمج بين العناصر الحتمية والعشوائية لتكرار ديناميكيات النظام بدقة. تم تعريف المعلمات الرئيسية، وتم وضع الشروط الأولية بناءً على البيانات التجريبية لضمان صحة المحاكاة.
تم تنفيذ المحاكاة باستخدام تقنيات عددية متقدمة، مما يسمح باستكشاف سيناريوهات متنوعة وتقييم تأثيرها على النتائج ذات الأهمية. تم إجراء تحليلات حساسية لتقييم متانة النتائج ضد التغيرات في المعلمات المدخلة. لا يعزز هذا النهج الشامل فقط موثوقية النتائج ولكنه يوفر أيضاً رؤى حول الآليات الأساسية التي تحرك السلوكيات الملحوظة.
نتائج
تشير النتائج المستخلصة من محاكاة العناصر المحدودة إلى رؤى هامة حول سلوك النظام المدروس تحت ظروف متنوعة. تم إجراء المحاكاة لتحليل الاستجابة الميكانيكية وتوزيع الإجهاد داخل المادة، مما يكشف عن نقاط الفشل الحرجة ومناطق الضغط العالي.
تظهر النتائج الرئيسية أن المادة تظهر سلوكاً مرناً غير خطي، خاصة تحت ظروف تحميل متزايدة، والتي تم تقييمها كميًا من خلال منحنيات الإجهاد والانفعال. بالإضافة إلى ذلك، سلطت المحاكاة الضوء على تأثير المعلمات الهندسية على الأداء العام، مما يشير إلى تكوينات مثالية تعزز من سلامة الهيكل. توفر هذه النتائج فهماً أساسياً لمزيد من التحقق التجريبي والتطبيقات المحتملة في تصميم الهندسة.
نقاش
في قسم النقاش من الورقة البحثية، يقدم المؤلفون تحليلاً شاملاً للأداء الميكانيكي للأعمدة المركبة من الأنابيب الفولاذية المملوءة بالخرسانة، مع التركيز بشكل خاص على الأقسام المربعة (SC) والدائرية (CC)، جنبًا إلى جنب مع متغيراتها المدعومة بواسطة CFRP. تشير اختبارات الانضغاط المحورية إلى أن العمود SC حقق سعة تحمل نهائية قدرها 1233 كيلو نيوتن، بينما وصل العمود CC إلى 1188 كيلو نيوتن. أظهرت المتغيرات المدعومة بواسطة CFRP، بما في ذلك النوى الخشبية المربعة والدائرية، سعات أقل قليلاً، حيث حقق متغير SCS 1270 كيلو نيوتن ومتغير SCC 1265 كيلو نيوتن. تؤكد النتائج على التأثير الكبير لشكل المقطع العرضي والتعزيز على الأداء الهيكلي للأعمدة المركبة.
استخدمت نمذجة العناصر المحدودة في هذه الدراسة تعريفات متقدمة لخصائص المواد للفولاذ والخرسانة والخشب وCFRP، مما يضمن تمثيلًا دقيقًا لسلوكياتها الميكانيكية تحت الأحمال المحورية. أكد التحقق من النموذج ضد البيانات التجريبية موثوقية المحاكاة، مع توافق قريب في منحنيات الحمل والانزلاق وأنماط الفشل. ومن الجدير بالذكر أن آليات الفشل اختلفت بين الأنابيب الفولاذية المملوءة بالخرسانة التقليدية وتلك التي تحتوي على نوى خشبية محصورة بواسطة CFRP، مما يبرز مقاومة التشوه المعززة وأنماط الفشل المميزة المرتبطة بالتصميم المركب. تؤكد النتائج على الدور الحاسم للتآزر بين المواد والتكوين الهندسي في تحسين أداء الأعمدة المركبة، مما يمهد الطريق لمزيد من التقدم في تطبيقات الهندسة الإنشائية.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2026.122134
Publication Date: 2026-01-17
Author(s): Shan Gao et al.
Primary Topic: Structural Behavior of Reinforced Concrete
Overview
This study investigates the axial compressive behavior of multi-material composite columns, specifically concrete-filled steel tubes with embedded CFRP-confined timber cores. A comprehensive framework combining theoretical modeling, finite element simulations, and machine learning techniques is developed to enhance the accuracy and scalability of these composite designs. An analytical bearing-capacity model is derived, accounting for factors such as steel confinement, CFRP hoop restraint, and timber orthotropy, yielding results that align closely with finite element analysis (FEA) within a 5% deviation. Key findings indicate that increasing the yield strength and thickness of the steel tube significantly boosts the composite columns’ capacity, while CFRP confinement enhances the post-crushing response and ductility of the timber core. Notably, circular cores demonstrate superior deformability compared to square ones.
The study also introduces a theory-residual-modified XGBoost model for predicting axial bearing capacity, which corrects theoretical estimates through SHAP-guided residual learning, achieving an impressive accuracy of $R^2 = 0.9873$. A lightweight design tool is developed for efficient evaluation and optimization, enabling up to a 22% reduction in self-weight. While the proposed methodology is validated through extensive simulations, the authors acknowledge the need for further experimental validation to enhance the generalizability of the findings. Future research will aim to extend the framework to other loading scenarios and incorporate more experimental data to improve robustness and applicability in engineering design practices.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the inadequacy of single-material systems in modern construction, particularly for taller and longer-span structures, which necessitate enhanced load resistance and sustainability. It emphasizes the benefits of hybridizing materials, such as combining concrete, steel, timber, and fiber-reinforced polymers (FRP), to improve structural performance. However, the complexities introduced by multi-material systems, including interfacial slip effects and varying failure modes, remain underexplored, especially in the context of ternary and higher-order combinations. Previous studies have primarily focused on bi-material systems, leaving significant gaps in understanding the synergistic mechanisms when integrating lightweight timber cores with steel-concrete confinement and FRP restraint.
The paper reviews existing literature, noting that while advancements have been made in understanding the axial compression behavior of CFRP-confined concrete-filled steel tubular (CFST) columns and FRP-wood interactions, challenges persist in accurately modeling multi-material coupling effects. The authors identify critical factors, such as moisture content in timber affecting bond strength, and the complexities of simulating interfacial behavior in numerical models. To address these gaps, the study proposes a novel composite column design that integrates CFRP-confined timber cores with concrete-filled steel tubes, establishing a comprehensive framework that combines theoretical modeling, finite element simulations, and machine learning for optimization. This approach aims to enhance understanding of the interactions among the four materials, ultimately improving economic efficiency, environmental benefits, and mechanical performance in construction applications.
Methods
The simulation methodology employed in this research involves a systematic approach to model the phenomena under investigation. The authors utilized a computational framework that integrates both deterministic and stochastic elements to accurately replicate the system’s dynamics. Key parameters were defined, and initial conditions were established based on empirical data to ensure the validity of the simulations.
The simulations were executed using advanced numerical techniques, allowing for the exploration of various scenarios and the assessment of their impact on the outcomes of interest. Sensitivity analyses were conducted to evaluate the robustness of the results against variations in the input parameters. This comprehensive approach not only enhances the reliability of the findings but also provides insights into the underlying mechanisms driving the observed behaviors.
Results
The results from the finite element simulations indicate significant insights into the behavior of the studied system under various conditions. The simulations were conducted to analyze the mechanical response and stress distribution within the material, revealing critical points of failure and areas of high strain.
Key findings demonstrate that the material exhibits nonlinear elastic behavior, particularly under increased loading conditions, which was quantitatively assessed through stress-strain curves. Additionally, the simulations highlighted the influence of geometric parameters on the overall performance, suggesting optimal configurations that enhance structural integrity. These results provide a foundational understanding for further experimental validation and potential applications in engineering design.
Discussion
In the discussion section of the research paper, the authors present a comprehensive analysis of the mechanical performance of concrete-filled steel tube composite columns, specifically focusing on square (SC) and circular (CC) sections, along with their CFRP-reinforced variants. Axial compression tests indicate that the SC column achieved an ultimate bearing capacity of 1233 kN, while the CC column reached 1188 kN. The CFRP-reinforced variants, including square and circular timber cores, demonstrated slightly lower capacities, with the SCS variant achieving 1270 kN and the SCC variant 1265 kN. The results underscore the significant influence of cross-sectional shape and reinforcement on the structural performance of composite columns.
The finite element modeling employed in this study utilized advanced material property definitions for steel, concrete, wood, and CFRP, ensuring accurate representation of their mechanical behaviors under axial loads. The model validation against experimental data confirmed the reliability of the simulations, with close alignment in load-displacement curves and failure modes. Notably, the failure mechanisms varied between conventional concrete-filled steel tubes and those with CFRP-confined timber cores, highlighting the enhanced deformation resistance and distinct failure patterns associated with the composite design. The findings emphasize the critical role of material synergy and geometric configuration in optimizing the performance of composite columns, paving the way for further advancements in structural engineering applications.