Zwiększenie nośności na ścinanie głębokich belek żelbetowych przy użyciu cienkich podpowierzchniowych drutów stalowych: badania eksperymentalne

Mocniejsze belki dla bezpieczniejszych konstrukcji codziennego użytku

Budynki, mosty i garaże korzystają z masywnych belek betonowych do przenoszenia dużych obciążeń. Gdy takie „głębokie belki” pękają nagle na skutek ścinania, skutki mogą być katastrofalne i kosztowne w naprawie. W badaniu pokazano prosty, niedrogi sposób na znaczące zwiększenie bezpieczeństwa takich belek: dodanie cienkich drutów stalowych tuż pod powierzchnią betonu. Testując różne układy drutów i obserwując, jak wpływają one na tworzenie rys i tryb zniszczenia, autorzy wykazują, że niewielka modernizacja mogłaby wydłużyć żywotność i niezawodność istniejących konstrukcji.

Dlaczego głębokie belki są słabym ogniwem

Głębokie belki żelbetowe zachowują się inaczej niż smuklejsze belki opisywane w podręcznikach. Ze względu na krótki rozstaw i dużą głębokość siły przenoszone są przez nie wzdłuż sprężystych przekrojów ukośnych zwanych „kleszczami” (strutami), zamiast rozkładać się równomiernie jak w belce zginanej. Gdy te ukośne strefy ściskane pękają na skutek ścinania, zniszczenie może nastąpić nagle i kruche, bez wyraźnego ostrzeżenia. Tradycyjne metody naprawcze — dodanie większej liczby strzemion wewnętrznych czy zastosowanie mocniejszego betonu — nie zawsze są praktyczne w przypadku istniejących elementów, a nowoczesne materiały włókniste, choć skuteczne, bywają kosztowne, wrażliwe na działanie ciepła lub trudne do trwałego połączenia ze starym betonem. Inżynierowie potrzebują więc metod wzmacniania, które będą odporne, tanie i łatwe do zastosowania na rzeczywistych obiektach.

Nowe podejście: cienkie druty tuż pod powierzchnią

Zespół badał wariant znanej metody wzmacniania zwanej zbrojeniem podpowierzchniowym (NSM). Zamiast stosować grube pręty stalowe albo paski z włókien przyklejane na zewnątrz, wykonano bardzo płytkie rowki w zewnętrznych powierzchniach belki i umieszczono w nich druty stalowe o średnicy 2,5 mm, które następnie wypełniono wytrzymałą epoksydową żywicą. Takie cienkie druty są elastyczne, tanie i wymagają tylko niewielkich nacięć pokrywy betonowej, co czyni je atrakcyjnymi do napraw istniejących belek. Badacze odlali jedenaście jednakowych głębokich belek i obciążali je w układzie trójpunktowego zginania. Jedna belka służyła jako wzorzec referencyjny, a pozostałe wzmacniano na jednym polu ścinania, układając druty pionowo, poziomo, ukośnie lub w siatkę (kratownicę), stosując różne liczby drutów w każdym układzie.

Jak belki zachowywały się pod obciążeniem

W miarę stopniowego przyrostu obciążenia zespół rejestrował powstawanie rys, ugięcia belek oraz maksymalne obciążenie i energię, jaką każda belka była w stanie przyjąć przed zniszczeniem. Niewzmocniona belka kontrolna rozwinęła jedną dużą ukośną rysę i zawaliła się nagle na skutek ścinania przy obciążeniu 220 kiloniutonów. Dodanie drutów pionowych poprawiło sytuację: przecinając ukośne rysy, zwiększyły nośność na ścinanie nawet do 50%, ale jednocześnie uczyniły belkę sztywniejszą i mniej zdolną do odkształcenia przed zniszczeniem. Druty poziome miały najmniejszy wpływ, ponieważ biegły głównie równolegle do głównej ukośnej rysy; nawet w najlepszym przypadku zwiększyły nośność o około jedną trzecią i niewiele zmieniły tryb zniszczenia. Natomiast druty ukośne — zorientowane zgodnie z naturalnym kleszczem wewnątrz belki — okazały się szczególnie skuteczne. Najmocniej zbrojona belka z drutami ukośnymi przeniosła około 62% większe obciążenie niż belka referencyjna i zaabsorbowała ponad 170% więcej energii przed zniszczeniem, przy czym rysy były drobniejsze i równomierniej rozłożone.

Siła prostej siatki drutów

Najlepszy wynik uzyskała konfiguracja w siatce, która łączyła kilka drutów pionowych i poziomych w małą kratę nad obszarem krytycznym na ścinanie. Taki prosty układ ograniczał ukośną strefę ściskaną z wielu kierunków i prowadził do najbardziej rozdrobnionej sieci rys. Belka wzmocniona siatką osiągnęła obciążenie krytyczne o około 59% wyższe niż belka kontrolna i więcej niż podwoiła swoją zdolność pochłaniania energii, jednocześnie wykazując największą sztywność spośród wszystkich próbek. W kilku najlepszych układach miejsce zniszczenia przesunęło się z wzmacnianego przęsła na przeciwległą, niewzmocnioną stronę belki, co jest wyraźnym dowodem, że druty skutecznie ustabilizowały dotychczasowe słabe ogniwo.

Co to oznacza dla rzeczywistych konstrukcji

Dla czytelnika niebędącego specjalistą najważniejszy wniosek jest taki: cienkie, niedrogie druty stalowe, starannie rozmieszczone tuż pod powierzchnią belki betonowej, potrafią radykalnie poprawić sposób powstawania rys i tryb zniszczenia tej belki. Umieszczone ukośnie lub w prostej siatce, druty pomagają belce przenieść większe obciążenie, przeciwdziałać nagłym ukośnym pęknięciom i rozpraszać więcej energii przed zniszczeniem, przy jednoczesnym wymaganiu jedynie płytkich rowków i niewielkiej ilości materiału. Badanie sugeruje, że systemy drutowe montowane pod powierzchnią mogą stać się praktycznym, ekonomicznym narzędziem wzmacniania starzejących się mostów i budynków, dając inżynierom nowy sposób na zwiększenie bezpieczeństwa infrastruktury bez konieczności kosztownych przebudów.

Cytowanie: Elkafrawy, M., Altobgy, M.A. & Fayed, S. Enhancing the shear strength of reinforced concrete deep beams using thin-diameter near-surface mounted steel wires: an experimental study. Sci Rep 16, 7186 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37355-8

Słowa kluczowe: beton zbrojony, wzmacnianie na ścinanie, głębokie belki, zbrojenie podpowierzchniowe, druty stalowe