Symulacja numeryczna odwróconego cyklicznego obciążenia w połączeniu prefabrykowanego słupa z fundamentem kieszeniowym

Dlaczego to ma znaczenie dla bezpieczeństwa przy trzęsieniach ziemi

Wiele współczesnych budynków jest składanych jak olbrzymie zestawy Lego, z użyciem fabrycznie przygotowanych elementów betonowych, które szybko montuje się na budowie. To oszczędza czas i pieniądze, ale rodzi ważne pytanie: czy te złącza między elementami wytrzymają trzęsienie ziemi? Artykuł odpowiada na to pytanie dla jednego z najistotniejszych złączy — miejsca, w którym pionowy słup łączy się z fundamentem — poprzez badanie typu połączenia prefabrykowanego „kieszeniowego” i porównanie go z tradycyjnym, monolitycznym połączeniem zalewanym na miejscu.

Jak łączy się elementy budynku

W konstrukcjach konwencjonalnych słupy i fundamenty zwykle są wylewane jako jeden ciągły blok betonu, tworząc bezspoinowe połączenie. W konstrukcji prefabrykowanej słup jest wykonany w fabryce i później przyłączany do fundamentu na budowie. Obiecującą metodą jest połączenie kieszeniowe: fundament odlewa się z wnęką (kieszenią), prefabrykowany słup opuszcza się do niej, a szczelinę wypełnia zaprawą wysokowytrzymałą. Ta zaprawa, wraz z tarciem i podparciem słupa o naruszone powierzchnie kieszeni, pozwala, aby złącze zachowywało się podobnie do jednolitego, jednoczęściowego połączenia. Ponieważ uszkodzenia w trakcie trzęsień ziemi często koncentrują się w takich złączach, udoskonalenie detali kieszeniowych mogłoby uczynić budynki prefabrykowane bezpieczniejszymi i łatwiejszymi do naprawy.

Projektowanie dwóch sposobów wzmocnienia połączenia

Naukowcy skupili się na rozmieszczeniu prętów stalowych wewnątrz obszaru kieszeni, ponieważ ta ukryta „szkieletowa” siatka kontroluje, jak siły są przenoszone podczas drgań. Wyszli od realistycznego czterokondygnacyjnego budynku zaprojektowanego zgodnie z normami indyjskimi i singapurskimi, zidentyfikowali mocno obciążony słup u podstawy, a następnie stworzyli modele w skali pół naturalnej do symulacji komputerowej. Jeden model przedstawiał monolityczne, zalewane na miejscu połączenie słupa z fundamentem. Dwa pozostałe odzwierciedlały różne detale kieszeniowe: PC I, bazujący na istniejącym projekcie z dodatkowymi prętami narożnymi, oraz PC II, w którym każda ścianka kieszeni była wzmocniona bardziej niezależnie pionowymi i poziomymi prętami oraz dodatkowymi strzemionami w pobliżu podstawy słupa. Wszystkie trzy zostały poddane w modelu numerycznym powtarzającym ruchy boczne tam i z powrotem — podobne do tych, których doświadczałby słup podczas trzęsienia ziemi — przy jednoczesnym utrzymaniu stałego obciążenia pionowego.

Co ujawniło wirtualne potrząsanie

Zespół użył zaawansowanego oprogramowania MES, aby uchwycić pękanie, zgniatanie i plastyczne odkształcenie stali pod wpływem powtarzanego obciążenia. Symulacje odtworzyły wcześniejsze testy laboratoryjne z odchyłką około 15%, co zwiększa zaufanie do wyników wirtualnych. Jak można było oczekiwać, połączenie monolityczne okazało się ogólnie najsilniejsze, ale połączenie kieszeniowe PC II było zaskakująco bliskie, tracąc tylko około 16% szczytowej wytrzymałości, podczas gdy PC I straciło około 22%. Co ważniejsze z punktu widzenia trzęsień ziemi, połączenia prefabrykowane umożliwiły słupom większe odgięcie przed utratą nośności. W porównaniu z połączeniem monolitycznym PC I wykazało około dwukrotnie większą zdolność deformacji (około 2/3 więcej), a PC II ją bardziej niż podwoiło. Mapy odkształceń wskazały, że w połączeniu monolitycznym uszkodzenia koncentrowały się bezpośrednio na styku słupa z fundamentem, podczas gdy połączenia kieszeniowe rozpraszały uszkodzenia bardziej równomiernie, co sugeruje, że mogą być łatwiejsze do naprawy po wstrząsach.

Jak połączenia radziły sobie z energią drgań

Gdy budynek kołysze się podczas trzęsienia ziemi, dobre połączenia robią więcej niż tylko pozostają nienaruszone — pochłaniają i rozpraszają energię, tak by mniej przekazywać do pozostałej konstrukcji. Badacze zmierzyli to „rozpraszanie energii” na podstawie pętli powstających w cyklicznych wykresach siła–przemieszczenie w symulacjach. Oba połączenia kieszeniowe przewyższyły połączenie monolityczne. PC I rozproszyło w sumie około 63% więcej energii, choć kosztem bardziej skoncentrowanych uszkodzeń w obszarze kieszeni. PC II rozproszyło około 37% więcej energii niż połączenie monolityczne i robiło to w bardziej kontrolowany sposób, z mniej intensywnym spękaniem i lepszym ograniczeniem betonu rdzeniowego. Jego reakcja pozostała stabilna nawet przy większych przemieszczeniach bocznych, co czyni go szczególnie obiecującym do stosowania w regionach zagrożonych trzęsieniami ziemi.

Co to oznacza dla przyszłych budynków

Dla osób niebędących specjalistami kluczowy wniosek jest taki, że prefabrykacja nie musi oznaczać słabości. Przy przemyślanym zaprojektowaniu ukrytego zbrojenia wewnątrz fundamentów kieszeniowych połączenia słup–fundament prefabrykowane mogą dorównać, a pod pewnymi względami przewyższyć, osiągi tradycyjnego, jednolitego betonu. Układ PC II w szczególności oferuje zrównoważone połączenie wytrzymałości, elastyczności i zdolności pochłaniania energii. Oznacza to, że budynki mogą się bezpiecznie kołysać bez nagłej utraty nośności i mogą być łatwiej naprawione po zdarzeniu. Badanie pokazuje również, że nowoczesne symulacje komputerowe, po uprzednim sprawdzeniu względem eksperymentów, mogą kierować projektami bardziej bezpiecznymi i odpornymi zanim wyleje się pierwszy kawałek betonu.

Cytowanie: Hemamathi, A., Jaya, K.P. & Sukumar, B. Numerical simulation of reverse cyclic loading in precast column and pocket foundation connection. Sci Rep 16, 5714 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36686-w

Słowa kluczowe: beton prefabrykowany, inżynieria sejsmiczna, połączenie słup–fundament, odporność na trzęsienia ziemi, symulacja elementów skończonych