Wzmacnianie skorodowanych złączy płyta–słup z betonu zbrojonego przy użyciu cienkowarstwowego hybrydowego FRP względem zginania przebicia

Dlaczego starzejące się betonowe stropy mogą nagle zawieść

Wiele garaży, magazynów i wieżowców opiera się na płaskich betonowych stropach podpieranych bezpośrednio przez słupy. Takie rozwiązanie oszczędza miejsce i materiały, ale ukrywa groźną słabość: kruchą awarię zwaną zginaniem przebicia, gdy płyta nagle przebija się wokół słupa bez większego ostrzeżenia. Gdy stal wewnątrz betonu rdzewieje, ryzyko to rośnie. Streszczenie badań przedstawionych tutaj opisuje nowe podejście do wzmocnienia tych podatnych złączy przy użyciu bardzo cienkich, lekkich pasków kompozytowych z włókien szklanych i węglowych.

Ukryte słabe miejsce w codziennych budynkach

Systemy płyta–słup bez belek są popularne, ponieważ eliminują dźwigary i pozwalają na otwarte, elastyczne przestrzenie. Cena za to jest taka, że obszar, gdzie każdy słup łączy się z płytą, przenosi silnie skoncentrowane siły. Jeśli beton i zbrojenie nie są w stanie przeciwstawić się tym siłom, płyta może zawieść gwałtownie wokół słupa, tworząc stożkowy odłamek. Przeszłe trzęsienia ziemi i nieoczekiwane zawalenia w garażach pokazują, jak katastrofalne może być takie „przebicie”. Tradycyjne środki bezpieczeństwa, takie jak dodatkowe pręty, panele uskokowe czy pogrubienia płyty, zwiększają masę, koszt i skomplikowanie budowy, i często brakują ich w starszych obiektach. Dodatkowo sól do odmrażania i agresywne środowiska stopniowo korodują stal wewnątrz, osłabiając konstrukcję i zwiększając prawdopodobieństwo przebicia.

Co korozja robi z połączeniami betonowymi

Gdy zbrojenie koroduje, rozszerza się i powoduje pękanie otaczającego betonu. Proces ten osłabia kilka mechanizmów, które normalnie pomagają przeciwstawiać się zginaniu przebicia: chropowate zazębianie popękanych powierzchni betonowych, działanie „sworznia” prętów przecinających rysy oraz przyleganie między stalą a betonem. Nawet umiarkowana rdza może przesunąć tryb z bardziej tolerancyjnego zginania na nagłe złamanie przez przebicie. Poprzednie badania koncentrowały się zwykle osobno na korozji lub wzmacnianiu i często dotyczyły belek czy słupów zamiast krytycznego złącza płyta–słup. Niniejsza praca skupia się właśnie na tym złączu, badając jak różne układy wzmocnień działają, gdy stal jest już uszkodzona.

Badanie cienkich hybrydowych pasków na uszkodzonych złączach

Naukowcy wykonali jedenaście zeskalowanych złączy płyta–słup wewnętrznych, z których każde reprezentowało typowy słup wewnętrzny w płaskim stropie. Niektóre próbki pozostawiono nienaruszone, a inne celowo skorodowano do około 15% ubytku masy zbrojenia, stosując przyspieszoną metodę elektrochemiczną w roztworze soli. Następnie przykleili cienkie paski kompozytowe — wykonane z włókna szklanego (GFRP), włókna węglowego (CFRP) lub hybrydy obu — do spodniej strony płyty wokół słupa. Paski ułożono w różnych wzorach, ze szczególnym uwzględnieniem układu skośnego zaprojektowanego tak, by przeciąć promieniowe rysy powstające podczas przebicia. Płyty obciążano od góry przez słup aż do zniszczenia, mierząc przy tym nośność, ugięcie i rozwój rys.

Jak sprawdziła się nowa strategia wzmacniania

Sama korozja zmniejszyła nośność przeciw przebiciu o około jedną trzecią i niemal podwoiła ugięcie przy zniszczeniu w porównaniu z nienaruszonym złączem. Dodanie pasków kompozytowych odwróciło znaczną część tej utraty. Systemy z włókna szklanego zwiększyły wytrzymałość na przebicie o około 30–51% w porównaniu z skorodowanym elementem odniesienia, systemy z włókna węglowego o 40–60%, a hybrydowe paski szkło–węgiel o około 57–77%. Wzmocnione złącza wykazywały większą sztywność przed pęknięciem, opóźnione pojawienie się rys i bardziej stabilną charakterystykę obciążenie–ugięcie. Korzyści jednak nie rosły w nieskończoność: powyżej około dwóch warstw lub łącznej grubości kompozytu rzędu 0,6–1,2 mm dodatkowy materiał dawał tylko niewielkie przyrosty wytrzymałości, ponieważ paski zaczynały odrywać się od betonu (odwarstwianie) zanim mogły być w pełni wykorzystane. Za pomocą zaawansowanych symulacji komputerowych, skalibrowanych na podstawie eksperymentów, autorzy przeanalizowali wiele wariantów grubości pasków, liczby warstw, rozmieszczenia i stopnia korozji. Stwierdzili, że skośne hybrydowe paski przesunięte o 50 mm od czoła słupa zapewniały najlepszy kompromis między wzrostem nośności a kontrolą pękania dla testowanej geometrii.

Ograniczenia wzmacniania bardzo skorodowanych konstrukcji

Badanie pokazuje także, że istnieje praktyczny limit skuteczności wzmacniania, gdy korozja staje się poważna. W symulowanych złączach z poziomem korozji od 5% do 30% względna korzyść optymalnego wzmocnienia hybrydowego spadła z około 51% dodatkowej nośności przy łagodnej korozji do około 25% przy najwyższym badanym poziomie. W miarę jak więcej stali rdzewieje i otaczający ją beton ulega degradacji, zachowanie połączenia coraz bardziej determinuje kruche przebicie i odwarstwianie pasków. W takim punkcie dodawanie większej ilości kompozytu niewiele pomaga bez poprawy przylegania lub naprawy podstawowego zniszczenia.

Co to oznacza dla prawdziwych budynków

Dla inżynierów odpowiedzialnych za starzejące się garaże lub budynki z płaskimi stropami wyniki sugerują, że bardzo cienkie, strategicznie rozmieszczone hybrydowe paski szkło–węgiel mogą być praktycznym remontem przywracającym częściowo bezpieczeństwo umiarkowanie skorodowanym złączom płyta–słup. System jest lekki, nakładany z zewnątrz i nie wymaga pogrubiania płyty ani dodawania ciężkiego stalowego osprzętu. Jednak jego skuteczność silnie zależy od dobrego przylegania, starannego opracowania układu pasków oraz poziomu korozji, który nie osiągnął jeszcze skrajnych wartości. Krótko mówiąc, ta technika może przynieść cenny dodatkowy zapas nośności i sztywności dla złączy zagrożonych, ale nie jest lekarstwem na wszystko: poważna korozja nadal wymaga bardziej rozległych napraw lub wymiany, a każdy budynek musi być oceniony w granicach warunków testowanych w tych badaniach.

Cytowanie: Gomaa, A.M., Ahmed, M.A., Khafaga, S.A. et al. Strengthening of corroded RC slab–column joints using thin-ply hybrid FRP under punching shear. Sci Rep 16, 6526 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36610-2

Słowa kluczowe: zginanie przebicia, płyty żelbetowe, korozja, wzmacnianie FRP, złącza płyta–słup