Structural Mechanics of Engineering Constructions and BuildingsStructural Mechanics of Engineering Constructions and BuildingsСтроительная механика инженерных конструкций и сооружений1815-52352587-8700Peoples’ Friendship University of Russia named after Patrice Lumumba (RUDN University)4830710.22363/1815-5235-2025-21-5-432-440EDACPFAnalytical and numerical methods of analysis of structuresАналитические и численные методы расчета конструкцийResearch ArticleFracture Mechanics of a Three-Layer Wall Panel Based on Two-Stage ConcreteМеханика разрушения трехслойной стеновой панели на основе каркасного бетонаhttps://orcid.org/0000-0001-6520-02047617-8578SyromyasovAlexey O.СыромясовАлексей Олегович

Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor at the Department of Applied Mathematics

кандидат физико-математических наук, доцент кафедры прикладной математики

syal1@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-6242-41384679-9363MakarovYuri A.МакаровЮрий Алексеевич

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor at the Department of Applied Mathematics

кандидат технических наук, доцент кафедры прикладной математики

makarov.yira75@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-0241-38089764-3898ElchishchevaTatiana F.ЕльчищеваТатьяна Федоровна

Candidate of Technical Sciences, Head of the Department of Architecture and Urban Planning

кандидат технических наук, заведующий кафедрой архитектуры и градостроительства

elschevat@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8407-81444425-5045ErofeevVladimir T.ЕрофеевВладимир Трофимович

Doctor of Technical Sciences, Professor at the Department of Construction Materials Science

доктор технических наук, профессор кафедры строительного материаловедения

erofeevvt@bk.ruhttps://orcid.org/0000-0002-8443-12918722-2173KozhanovDmitry A.КожановДмитрий Александрович

Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor at the Department of Structural Theory and Technical Mechanics

кандидат физико-математических наук, доцент кафедры теории сооружений и технической механики

pbk996@mail.ruNational Research Mordovian State University named after N.P. OgarevНациональный исследовательский Мордовский государственный университет им. Н.П. ОгареваTambov State Technical UniversityТамбовский государственный технический университетNational Research Moscow State University of Civil EngineeringНациональный исследовательский Московский государственный строительный университетNizhny Novgorod State University of Architecture and Civil EngineeringНижегородский государственный архитектурно-строительный университет15122025215VOL 21, NO5 (2025)ТОМ 21, №5 (2025)43244031012026Copyright ©; 2025, Syromyasov A.O., Makarov Y.A., Elchishcheva T.F., Erofeev V.T., Kozhanov D.A.Copyright ©; 2025, Сыромясов А.О., Макаров Ю.А., Ельчищева Т.Ф., Ерофеев В.Т., Кожанов Д.А.2025Syromyasov A.O., Makarov Y.A., Elchishcheva T.F., Erofeev V.T., Kozhanov D.A.Сыромясов А.О., Макаров Ю.А., Ельчищева Т.Ф., Ерофеев В.Т., Кожанов Д.А.https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0https://journals.rudn.ru/structural-mechanics/article/view/48307

Stress distribution in a three-layer wall panel based on two-stage concrete with rigid contact between the layers is modelled. The calculation is performed in ANSYS Workbench finite-element software. Values of failure criteria (principal stress and equivalent stress) are calculated near stress concentrators, i.e. edges separating the loaded and fixed faces of the panel. It is obtained that fracture begins at the boundary between the loaded and non-loaded layers of the structure. It is shown that the thermal insulation layer made of porous concrete in the center of the panel can carry part of the load acting on the bearing layer. So, structures made using the two-stage technology may withstand loads that are higher compared to that of panels with flexible ties. Moreover, it is shown that thermal resistance of the three-layer two-stage concrete panel is twice as high as for a single-layer panel of the same width. Therefore, the use of two-stage concrete panels is an effective measure for heat conservation in buildings.

Моделируется распределение напряжений в трехслойной каркасной стеновой панели с жестким контактом между слоями. Для расчета использован конечно-элементный пакет ANSYS Workbench. Значения критериев разрушения (главного и эквивалентного напряжений) вычислены вблизи концентраторов напряжений, т.е. ребер, разделяющих нагруженные и закрепленные грани панели. Получено, что разрушение начинается на границе нагруженного и ненагруженного слоев изделия. Показано, что теплоизоляционный слой из крупнопористого бетона, расположенный в центре панели, способен участвовать в восприятии части нагрузки, приходящейся на несущий слой. В связи с этим несущая способность конструкций, изготовленных по каркасной технологии, существенно повышается за счет частичного нагружения теплоизолирующего слоя. Поэтому каркасная панель может выдерживать большие нагрузки по сравнению с панелями, имеющими гибкие связи. Кроме того, показано, что термическое сопротивление трехслойной каркасной панели вдвое выше, чем у однослойной панели такой же толщины. Тем самым использование каркасных панелей является эффективным средством сохранения тепла в зданиях.

computer modelingmultilayer enclosing structuresstrengthporous concretethermal insulation propertiesfinite-element analysisкомпьютерное моделированиемногослойные ограждающие конструкциипрочностькрупнопористый бетонтеплоизоляционные свойстваконечно-элементный анализSheina S.G., Umnyakova N.P., Fedaeva P.V., Minenko E.N. The best European experience in implementing energy-saving technologies in the housing stock of the Russian Federation. Housing Construction. 2020;(6):29-34. (In Russ.) https://doi.org/10.31659/0044-4472-2020-6-29-34 EDN: GQLQGCШеина С.Г., Умнякова Н.П., Федяева П.В., Миненко Е.Н. Лучший европейский опыт внедрения энергосберегающих технологий в жилищном фонде Российской Федерации // Жилищное строительство. 2020. № 6. С. 29–34. https://doi.org/10.31659/0044-4472-2020-6-29-34 EDN: GQLQGCMayhoub O.A., Nasr E.S.A.R., Ali Y.A., Kohail M. The influence of ingredients on the properties of reactive powder concrete: A review. Ain Shams Engineering Journal. 2021;12(1):145-158. https://doi.org/10.1016/j.asej.2020.07.016 EDN: QFSFABMayhoub O.A., Nasr E.S.A.R., Ali Y.A., Kohail M. The influence of ingredients on the properties of reactive powder concrete: A review // Ain Shams Engineering Journal. 2021. Vol. 12. Issue 1. P. 145–158. https://doi.org/10.1016/j.asej. 2020.07.016 EDN: QFSFABKornilov T.A., Everstova V.N. Assessment of thermal protection properties of external walls made of polystyrene concrete blocks of a frame-monolithic building. Academia. Architecture and Construction. 2024;3:137-144. (In Russ.) https://doi.org/10.22337/2077-9038-2024-3-137-144 EDN: AISSKCКорнилов Т.А., Эверстова В.Н. Оценка теплозащитных свойств наружных стен из полистиролбетонных блоков каркасно-монолитного здания // Academia. Архитектура и строительство. 2024. № 3. С. 137–144. https://doi.org/10.22337/2077-9038-2024-3-137-144 EDN: AISSKCMalyavina E.G., Frolova A.A. Selection of economically feasible thermal insulation of buildings in the north of the Russian Federation. Housing Construction. 2022;12:72-78. (In Russ.) https://doi.org/10.31659/0044-4472-2022-12-72-78 EDN: NMLVMKМалявина Е.Г., Фролова А.А. Выбор экономически целесообразной теплозащиты зданий на Севере РФ // Жилищное строительство. 2022. № 12. С. 72–78. https://doi.org/10.31659/0044-4472-2022-12-72-78 EDN: NMLVMKSizov V.D., Pavlovskaya A.V. Efficient multilayer wall panel. Science and Technology. 2022;21(5):410-418. (In Russ.) EDN: PXHEGFСизов В.Д., Павловская А.В. Эффективная многослойная стеновая панель // Наука и техника. 2022. Т. 21. № 5. С. 410–418. EDN: PXHEGFFedosov S.V., Ibragimov A.M., Gnedina L.Yu. Problems of three-layer enclosing structures. Housing construction. 2012;7:9-12. (In Russ.) EDN: NRMGFGФедосов С.В., Ибрагимов А.М., Гнедина Л.Ю. Проблемы трехслойных ограждающих конструкций // Жилищное строительство. 2012. № 7. С. 9–12. EDN: NRMGFGHouse M.W., Weiss W.J. Review of microbially induced corrosion and comments on needs related to testing procedures. Proceedings of the 4th International Conference on the Durability of Concrete Structures. ICDCS, 24-26 July 2014:94-103. https://doi.org/10.5703/1288284315388House M.W., Weiss W.J. Review of microbially induced corrosion and comments on needs related to testing procedures // Proceedings of the 4th International Conference on the Durability of Concrete Structures. ICDCS, 24–26 July 2014. P. 94–103. https://doi.org/10.5703/1288284315388Erofeev V.T. Fundamentals of the theory of technology for obtaining, calculating physical and mechanical properties and indicators of chemical and biological resistance of frame building composites. Structural Mechanics of Engineering Structures and Structures. 2022;18(4):283-296. (In Russ.) EDN: EOPEXDЕрофеев В.Т. Основы теории технологии получения, расчета физико-механических свойств и показателей химико-биологического сопротивления каркасных строительных композитов // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. 2022. Т. 18. № 4. С. 283–296. EDN: EOPEXDChromkova I., Cechmanek R., Kotlanova M.K. Effect of silages on concrete and process of its corrosion in the course of time. Journal of Physics: Conference Series 2792(1). Czechia, 2024:1-14. https://doi.org/10.1088/1742-6596/2792/1/012013 EDN: VGGAHIChromkova I., Cechmanek R., Kotlanova M.K. Effect of silages on concrete and process of its corrosion in the course of time // Journal of Physics: Conference Series Czechia, 2024. Vol. 2792. Article no. 012013. https://doi.org/10.1088/1742-6596/2792/1/012013 EDN: VGGAHIMarquez-Peñaranda J.F., Sanchez-Silva M., Husserl J., Bastidas-Arteaga E. Effects of biodeterioration on the mechanical properties of concrete. Materials and Structures. 2016;49:4085-4099. https://doi.org/10.1617/s11527-015-0774-4 EDN: UKSSWNMarquez-Peñaranda J.F., Sanchez-Silva M., Husserl J., Bastidas-Arteaga E. Effects of biodeterioration on the mechanical properties of concrete // Materials and Structures. 2016. Vol. 49. P. 4085–4099. https://doi.org/10.1617/s11527-015-0774-4 EDN: UKSSWNErofeev V., Stepina I., Badamshin R., Afonin V., Smirnov V., Samchenko S., Kozlova I. Effect of wooden fillers on strength and biodegradation of caustic magnesite. BioResourses. 2025;20(3):5790-5800. https://doi.org/10.15376/biores. 20.3.5790-5800Erofeev V., Stepina I., Badamshin R., Afonin V., Smirnov V., Samchenko S., Kozlova I. Effect of wooden fillers on strength and biodegradation of caustic magnesite // BioResourses. 2025. No. 20 (3). P. 5790–5800. https://doi.org/10.15376/biores.20.3.5790-5800Erofeev V., Rodin A.I., Karpushin S.N., Klyuev S.V., Sabitov L.S. Biological and climatic resistance of cement composites based on biocidal binders. Lecture Notes in Civil Engineering. 2023;307:168-179. https://doi.org/10.1007/978-3-031-20459-3_22Erofeev V., Rodin A.I., Karpushin S.N., Klyuev S.V., Sabitov L.S. Biological and climatic resol. 307 LNCE. P. 168–179. https://doi.org/10.1007/978-3-031-20459-3_22Ustarkhanov O.M., Muselemov Kh.M., Ustarkhanov T.O., Gapparov Kh.M. Effect of convergence of layers of a three-layer structure on its stress-strain state. Bulletin of Mechanical Engineering. 2020;12:34-37. (In Russ.) EDN: STEQPQУстарханов О.М., Муселемов Х.М., Устарханов Т.О., Гаппаров Х.М. Влияние сближения слоев трехслойной конструкции на ее напряженно-деформированное состояние // Вестник машиностроения. 2020. № 12. С. 34–37. EDN: STEQPQZotov A.A., Volkov A.N., Boykov A.A. Design and manufacturing of a three-layer spherical shell with discrete filler using 3d printing technology. Bulletin of Mechanical Engineering. 2020;8:41-44. (In Russ.) EDN: IBBBEFЗотов А.А., Волков А.Н., Бойков А.А. Проектирование и изготовление по технологии 3D-печати трехслойной сферической оболочки с дискретным заполнителем // Вестник машиностроения. 2020. № 8. С. 41–44. EDN: IBBBEFZhu P., Lei Z.X., Liew K.M. Static and free vibration analyses of carbon nanotube-reinforced composite plates using finite element method with first order shear deformation plate theory. Composite Structures. 2012;94(4):1450-1460. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2011.11.010Zhu P., Lei Z.X., Liew K.M. Static and free vibration analyses of carbon nanotube-reinforced composite plates using finite element method with first order shear deformation plate theory // Composite Structures. 2012. Vol. 94. No. 4. P. 1450–1460. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2011.11.010Syromyasov A.O., Makarov Yu.A., Erofeev V.T. Modeling the failure of an eccentrically loaded wall panel manufactured using frame technology. Journal of the Middle Volga Mathematical Society. 2024;26(3):313-325. (In Russ.) https://doi.org/10.15507/2079-6900.26.202403.313-325 EDN: OVZIIRСыромясов А.О., Макаров Ю.А., Ерофеев В.Т. Моделирование разрушения внецентренно нагруженной стеновой панели, изготовленной по каркасной технологии // Журнал Средневолжского математического общества. 2024. Т. 26. № 3. С. 313–325. https://doi.org/10.15507/2079-6900.26.202403.313-325 EDN: OVZIIRKujawa W., Olewnik-Kruszkowska E., Nowaczyk J. Concrete strengthening by introducing polymer-based additives into the cement matrix - A mini review. Materials. 2021;14(20):6071. https://doi.org/10.3390/ma14206071 EDN: RSGPHHKujawa W., Olewnik-Kruszkowska E., Nowaczyk J. Concrete strengthening by introducing polymer-based additives into the cement matrix — A mini review // Materials. 2021. Vol. 14. No. 20. Article no. 6071. https://doi.org/10.3390/ma14206071 EDN: RSGPHHSalazar B., Aghdasi P. Williams I.D. et al. Polymer lattice-reinforcement for enhancing ductility of concrete. Materials and Design. 2020;196:109184. https:/doi.org/10.1016/j.matdes.2020.109184 EDN: DOYCNXSalazar B., Aghdasi P. Williams I.D. et al. Polymer lattice-reinforcement for enhancing ductility of concrete // Materials and Design. 2020. Vol. 196. Article no. 109184. https:/doi.org/10.1016/j.matdes.2020.109184 EDN: DOYCNXVishwakarma V., Sudha U., Ramachandran D. et al. Enhancing antimicrobial properties of fly ash mortars specimens through nanophase modification. Materials Today Proceedings. 2016;3(6):1389-1397. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2016.04.020Vishwakarma V., Sudha U., Ramachandran D. et al. Enhancing antimicrobial properties of fly ash mortars specimens through nanophase modification // Materials Today Proceedings. 2016. Vol. 3. No. 6. P. 1389–1397. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2016.04.020Senhadji Y., Escadeillas G., Mouli M. et al. Influence of natural pozzolan, silica fume and limestone fine on strength, acid resistance and microstructure of mortar. Powder Technology. 2014;254:314-323. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2014.01.046Senhadji Y., Escadeillas G., Mouli M. et al. Influence of natural pozzolan, silica fume and limestone fine on strength, acid resistance and microstructure of mortar // Powder Technology. 2014. Vol. 254. P. 314–323. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2014.01.046Fan Y., Zhang S., Wang Q., Shah P.S. The effects of nano-calcined kaolinite clay on cement mortar exposed to acid deposits. Construction and Building Materials. 2016;102:486-495. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2015.11.016Fan Y., Zhang S., Wang Q., Shah P.S. The effects of nano-calcined kaolinite clay on cement mortar exposed to acid deposits // Construction and Building Materials. 2016. Vol. 102. P. 486–495. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat. 2015.11.016Hendi A., Rahmani H., Mostofinejad D. et al. Simultaneous effects of microsilica and nanosilica on self consolidating concrete in a sulfuric acid medium. Construction and Building Materials. 2017;152:192-205. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2017.06.165Hendi A., Rahmani H., Mostofinejad D., Tavakolinia A., Khosravi M. Simultaneous effects of microsilica and nanosilica on self consolidating concrete in a sulfuric acid medium // Construction and Building Materials. 2017. Vol. 152. P. 192–205. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2017.06.165