Nośność i mechanizmy uszkodzeń spawanych połączeń poziomych w prefabrykowanych ścianach zginanych

Dlaczego bezpieczniejsze budynki prefabrykowane mają znaczenie

Coraz więcej budynków powstaje z dużych, fabrycznie wykonanych paneli betonowych, które na placu budowy są szybko składane. Takie podejście skraca czas budowy, zmniejsza odpady i poprawia kontrolę jakości. Jednak w rejonach podatnych na trzęsienia ziemi pozostaje zasadnicze pytanie: jak dobrze metalowe złącza łączące te ciężkie elementy betonowe wytrzymują drgania gruntu? Niniejsze badanie przygląda się wnikliwie kluczowemu typowi spawanego połączenia między ścianami a stropami w budynkach prefabrykowanych, aby ocenić jego wytrzymałość i odporność na uszkodzenia.

Jak współczesne budynki są składane

W tradycyjnym budynku betonowym ściany i stropy są wylewane jako prawie ciągła masa, więc konstrukcja zachowuje się jak jednolity blok. Budynki prefabrykowane różnią się tym, że ściany i płyty wykonywane są w zakładzie, a następnie łączone na budowie. To połączenia stają się „słabymi ogniwami”, które decydują o bezpieczeństwie i kosztach napraw po trzęsieniu ziemi. Inżynierowie mogą stosować połączenia „mokre”, czyli z dodatkowym betonem wylewanym na miejscu, lub „suche”, które opierają się na śrubach lub spawach. Połączenia mokre zachowują się bardziej jak jednorodny beton, ale spowalniają budowę. Połączenia suche są szybsze i czystsze, jednak ich zachowanie przy silnych drganiach jest mniej poznane, zwłaszcza w przypadku spawanych złączy poziomych tam, gdzie ściany stykają się ze stropami.

Nowe spawane ogniwo między ścianami a stropami

Autorzy zaprojektowali praktyczny system spawanego połączenia ukierunkowany na zastosowania w rzeczywistej budowie. Blachy stalowe są zatapiane w krawędziach paneli ściennych i płyty stropowej już w fabryce. Na budowie łączy się te zatopione blachy za pomocą płyty rozłącznej spawanej między nimi, przy czym pręty stalowe wiążą blachy z ukrytymi belkami i słupami w betonie. Powstaje ukryty stalowy „most”, który przenosi siły między ścianą górną, stropem i ścianą dolną. Zbudowano dwa pełnowymiarowe egzemplarze: jeden reprezentujący ścianę zewnętrzną połączoną ze stropem z jednej strony, i drugi reprezentujący ścianę wewnętrzną powiązaną ze stropami po obu stronach. Oba zamontowano w ramie badawczej i obciążano naprzemiennie w poziomie, aby naśladować powolne, wielokrotne przemieszczenia wywołane silnymi trzęsieniami.

Co się wydarzyło podczas symulowanego wstrząsu

W trakcie testów połączenia przenosiły siły lateralne rzędu około 330 kiloniutonów — porównywalne do ciężaru kilku małych ciężarówek — zanim ich nośność zaczęła spadać. Pozwalały też na przemieszczenia w najwyższym punkcie około 40–44 milimetrów przy zachowaniu większości nośności, co wskazuje na dobrą ciągliwość, czyli zdolność do odkształcania się bez nagłego pęknięcia. Pęknięcia pojawiły się najpierw w dolnej części ściany w pobliżu spawanych blach, następnie rozwinęły się diagonalnie, a w końcu beton na krawędzi ściskanej uległ zmiażdżeniu, podczas gdy blachy i pręty stalowe w okolicy złącza przeszły w stan plastyczny. Wzorzec uszkodzenia był mieszany: ścinanie przy złączu połączone z zginaniem ściany — zamiast kruchego, nagłego złamania. Egzemplarz reprezentujący ściany wewnętrzne, mający stropy po obu stronach, wykazał nieco większą sztywność i wytrzymałość niż wersja ściany zewnętrznej, co odzwierciedla bardziej zrównoważony przepływ sił.

Zajrzeć do wnętrza przez testy wirtualne

Aby uzupełnić eksperymenty laboratoryjne, zespół opracował szczegółowy trójwymiarowy model komputerowy w programie symulacyjnym ABAQUS. Użyli zaawansowanego modelu betonu zdolnego uchwycić rysowanie się pęknięć, miażdżenie i utratę sztywności przy powtarzanym obciążeniu, połączonego z uproszczonym, lecz realistycznym modelem zachowania stali. Po skalibrowaniu modelu okazało się, że symulowane krzywe siła–przemieszczenie, miejsca koncentracji naprężeń i wzory pęknięć dobrze odpowiadały wynikom testów: wartości szczytowe i plastyczne były zwykle w granicach 10–20 procent od zmierzonych. Ze zwalidowanym narzędziem przeprowadzono wirtualne eksperymenty, aby sprawdzić, jak zmiana normalkowego obciążenia ściany (ściskanie osiowe) i geometrii ściany (współczynnik rozpiętości ścinającej) wpływa na zachowanie. Wyższe ściskanie zwiększało siłę szczytową, ale po przekroczeniu pewnego poziomu zmniejszało zdolność do deformacji, podczas gdy wyższe, smuklejsze ściany przesuwały rodzaj uszkodzeń od dominacji ścinania w kierunku uszkodzeń związanych z zginaniem i niższej wytrzymałości.

Co to oznacza dla projektowania odpornego na trzęsienia

Dla czytelników niebędących specjalistami kluczowy wniosek jest taki, że starannie zaprojektowane spawane połączenia między prefabrykowanymi ścianami a stropami mogą działać niezawodnie przy obciążeniach podobnych do trzęsień ziemi. Te złącza nie zachowywały się jak kruche szwy; przenosiły duże siły, rozpraszały energię poprzez kontrolowane pęknięcia i uplastycznienie stali oraz zawiodły stopniowo i obserwowalnie. Badanie pokazuje też, że projektanci muszą wyważyć obciążenie pionowe i proporcje ściany, by unikać zbyt sztywnych, miażdżących porażek przy ściskaniu i zachować ciągliwość. Wreszcie, zwalidowany model komputerowy stanowi potężne narzędzie do dopracowywania detali połączeń i badania bardziej ekstremalnych scenariuszy, pomagając inżynierom projektować budynki prefabrykowane, które są szybkie w budowie i bezpieczniejsze podczas wstrząsów gruntu.

Cytowanie: Xu, B., Xu, Y. & Zhang, Y. Load-bearing and failure behavior of welded horizontal joints in prefabricated shear wall structures. Sci Rep 16, 10262 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40936-2

Słowa kluczowe: prefabrykowany beton, połączenia sejsmiczne, połączenia spawane, ściany zginane, inżynieria sejsmiczna