Zachowanie na zginanie betonowych łuków rurowych nawiniętych z FRP wypełnionych betonem z wewnętrznymi prętami FRP

Wytrzymalsze podpory tuneli na trudne warunki podziemne

Współczesne miasta i systemy transportowe coraz bardziej opierają się na tunelach i przestrzeniach podziemnych, jednak beton i stal, które je podtrzymują, mogą z czasem ulegać ukrytemu osłabieniu. Ciemne, wilgotne i często chemicznie agresywne środowiska podziemne korodują stal i uszkadzają beton, co zwiększa koszty konserwacji i rodzi obawy o bezpieczeństwo. Badanie to analizuje nowy rodzaj łuku podpierającego tunel, który zastępuje podatną na rdzewienie stal kompozytami ze szkła włóknistego i specjalnie wzmocnionym betonem, dążąc do zapewnienia długotrwałej wytrzymałości tam, gdzie tradycyjne materiały zawodzą.

Nowy rodzaj ochronnego łuku

Naukowcy skupili się na podporach w kształcie łuku wykonanych z rur z polimeru zbrojonego włóknem szklanym (GFRP), które są wstępnie gięte podczas zautomatyzowanej produkcji. Te rury są następnie wypełniane zaprawą o wysokiej wytrzymałości (drobny beton) i dodatkowo wzmacniane cienkimi wewnętrznymi prętami GFRP biegnącymi wzdłuż łuku. Ponieważ GFRP nie rdzewieje, takie połączenie jest szczególnie atrakcyjne w wilgotnych, kwaśnych lub zasolonych warunkach podziemnych, jak tunele, przepusty i konstrukcje ochronne. Zespół opracował przemysłowy proces nawijania włókien (filament-winding), który pozwala wytwarzać te gięte rury o stałej jakości, rozwiązując istotną przeszkodę w skalowym zastosowaniu kompozytowych łuków.

Próby łuków

Aby ocenić, jak dobrze zachowują się te kompozytowe łuki, autorzy skonstruowali i przetestowali 18 próbek łuków o stałych wymiarach i kształcie, ale różnym układzie wewnętrznym. Niektóre łuki były pustymi rurami GFRP, inne wypełnione jedynie zaprawą, a jeszcze inne wypełnione zaprawą z czterema wewnętrznymi prętami GFRP. Zmieniano też grubość ścianki rury (3, 5 lub 7 milimetrów). Każdy łuk był zaciskany na obu końcach i naciskany w dół w koronie na uniwersalnej maszynie wytrzymałościowej — układ wybrano, aby wywołać wyraźne, silne zginanie w środku rozpiętości. W trakcie obciążania zespół rejestrował przemieszczenia łuków, pęknięcia oraz rozwój odkształceń wokół krzywizny, co pozwoliło śledzić, jak siły wewnętrzne przesuwają się wraz z narastaniem uszkodzeń.

Jak grubość i pręty wewnętrzne zmieniają zachowanie

Eksperymenty wykazały, że samo zwiększenie grubości rury GFRP znacząco podnosi nośność łuków przed zniszczeniem. Zarówno dla łuków pustych, jak i wypełnionych betonem, przejście od najcieńszej do najgrubszej ścianki mniej więcej podwoiło wytrzymałość końcową, a grubsze rury również zwiększały sztywność w początkowej, sprężystej fazie. Wypełnienie rur betonem przyniosło kolejny duży wzrost wytrzymałości i absorpcji energii. Największy skok jednak nastąpił po dodaniu wewnętrznych prętów GFRP: w porównaniu z pustymi rurami, łuki z betonem i prętami przenosiły około 2,5 do prawie 4 razy większe obciążenie i mogły ulec ponad dwukrotnie większemu odkształceniu przed utratą nośności. Obliczenia sugerują, że pręty, choć zajmują tylko niewielki ułamek przekroju, dostarczają około połowy całkowitej nośności, podczas gdy beton wnosi stały udział, a rura przeciwdziała rozciąganiu i ogranicza beton pod wpływem ściskania.

Od danych z prób do przewidywalnego projektu

Ponad samymi badaniami, autorzy opracowali uproszczony model obliczeniowy do oszacowania, jakie obciążenie taki łuk może znieść przy skoncentrowanej sile działającej w koronie. Traktowali łuk jako element o stałych podporach, który w końcu tworzy cztery obszary „zawiasów plastycznych”, gdzie zginanie jest najsilniejsze. Poprzez przekształcenie zakrzywionego przekroju rurowego na równoważny prostokąt i wykorzystanie ustalonych formuł dla betonu ograniczonego oraz GFRP w stanie rozciągnięcia, wyprowadzili wytrzymałość na zginanie w tych zawiasach i na tej podstawie ogólną nośność końcową. Porównanie tych prognoz z wynikami testów dla łuków zawierających pręty wewnętrzne wykazało różnice w granicach około 10%, co sugeruje, że model odzwierciedla istotne zachowanie dla tego konkretnego kształtu łuku i warunków obciążenia.

Co to oznacza dla przyszłych konstrukcji podziemnych

Mówiąc prościej, badanie wykazuje, że betonowe łuki wypełnione GFRP z wewnętrznymi prętami włóknistymi mogą być zarówno mocniejsze, jak i bardziej „wyrozumiałe” niż konwencjonalne łuki betonowe, a przy tym odporne na korozję, która niszczy stal. Połączenie przemysłowo produkowanej rury kompozytowej, rdzenia z betonem ograniczonym i wysokowytrzymałych prętów wewnętrznych daje podpory, które mogą przenosić duże obciążenia i odkształcać się bez nagłego zawalenia. Chociaż obecne zasady projektowe zostały zweryfikowane tylko dla łuków podobnych do tych testowanych, wnioski wskazują na nową rodzinę trwałych, lekkich wykładzin tunelowych i łuków ochronnych, które mogłyby uczynić infrastrukturę podziemną bezpieczniejszą i trwalszą przy mniejszych nakładach konserwacyjnych.

Cytowanie: Li, B., Yang, Z., Qi, Y. et al. Bending behavior of concrete-filled FRP wound tubular arches with internal FRP bars. Sci Rep 16, 7876 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38886-w

Słowa kluczowe: podparcie tunelu, polimer zbrojony włóknem, łuki betonowe, odporność na korozję, konstrukcje podziemne