Badania eksperymentalne i numeryczne osiowego zachowania na ściskanie ścian żelbetowych z zbrojeniem GFRP przy obciążeniu skupionym i ekscentrycznym

Dlaczego bezpieczniejsze ściany betonowe mają znaczenie

Wiele codziennych budowli — od wieżowców mieszkalnych po mosty nadbrzeżne — polega na grubych ścianach betonowych, które przenoszą ciężar budynku i opierają się wiatrowi, falom i trzęsieniom ziemi. Te ściany zwykle są zbrojone stalowymi prętami ukrytymi w betonie. Z biegiem czasu stal może jednak rdzewieć, zwłaszcza w środowiskach zasolonych lub chemicznie agresywnych, co osłabia konstrukcję i skraca jej żywotność. W badaniu sprawdzono, czy pręty z włókien szklanych, które nie rdzewieją, mogą bezpiecznie zastąpić stal w takich ścianach bez znacznej utraty wytrzymałości czy bezpieczeństwa.

Od zardzewiałej stali do wolnych od rdzy włókien szklanych

W ścianie z betonu zbrojonego ukryte pręty są tak samo istotne jak sam beton. Tradycyjne pręty stalowe są mocne i duktilne, co oznacza, że mogą się wydłużać przed zerwaniem, ale są podatne na korozję, gdy woda i sole przedostaną się przez pęknięcia. Pręty z polimeru wzmocnionego włóknem szklanym (GFRP) oferują inny kompromis: są lekkie, mocne na rozciąganie i odporne na rdzę, ale mają inną sztywność i zawodzą w sposób bardziej kruchy. Obecne normy projektowe w praktyce często traktują takie pręty jakby wnosiły niewielki lub żaden udział przy ściskaniu, ponieważ ich zachowanie w ścianach ściskanych nie jest jeszcze dobrze poznane. Autorzy postanowili wypełnić tę lukę, testując ściany betonowe z prętami GFRP bezpośrednio przeciwko identycznym ścianom z prętami stalowymi.

Jak zbudowano i przetestowano ściany

Zespół wykonał sześć przysadzistych próbek ścian o wysokości około jednego metra i grubości 15 centymetrów, używając mieszanki betonu o wysokich parametrach. Każda ściana miała siatkę prętów wewnętrznych biegnących pionowo i poziomo. Zmieniono dwie główne zmienne: rodzaj zbrojenia (stalowe lub GFRP) oraz sposób przyłożenia obciążenia. W jednej grupie pionowe obciążenie ściskające było przykładane prosto przez środek ściany, symulując równomierny ciężar z góry. W drugiej grupie to samo obciążenie przesunięto poza środek, wprowadzając zginanie oprócz ściskania, co jest bliższe wielu rzeczywistym sytuacjom. Czujniki mierzyły skrócenie, ugięcie, pękanie i ostateczne zniszczenie ścian, a badacze rejestrowali zarówno pierwsze widoczne pęknięcie, jak i maksymalne obciążenie, które każda ściana mogła przenieść.

Co się wydarzyło, gdy ściany poddano obciążeniu

Ściany ze zbrojeniem GFRP przenosiły nieco mniejsze obciążenia pionowe niż ich stalowe odpowiedniki, ale zachowywały się w sposób stabilny i przewidywalny. Przy obciążeniu centrycznym zastąpienie stali GFRP zmniejszyło maksymalne obciążenie, które ściany mogły wytrzymać, o około 11–13 procent. Przy obciążeniu ekscentrycznym spadek mieścił się w zakresie około 6–14 procent. Jednocześnie ściany z GFRP wykazały nieco wyższe współczynniki duktilności, mierzące, o ile mogły się odkształcić ponad pierwsze poważne osłabienie przed zniszczeniem. Ściany z zbrojeniem stalowym miały zwykle zniszczenie przez zgniatanie i odspajanie betonu w pobliżu krawędzi ściskanej po uplastycznieniu się stali, podczas gdy ściany GFRP rozwijały bardziej równomiernie rozłożone pęknięcia, a następnie zawodziły gwałtowniej, gdy pręty z włókna szklanego pękały. Energia, jaką każda ściana mogła wchłonąć przed zniszczeniem (obliczona jako pole pod krzywą obciążenie–przemieszczenie), była największa dla próbek zbrojonych stalą, ale wciąż istotna dla ścian zbrojonych GFRP.

Modele komputerowe odzwierciedlające pęknięcia z realnego świata

Aby sprawdzić, czy inżynierowie mogą polegać na zaawansowanych narzędziach symulacyjnych zamiast testować każdy typ ściany w laboratorium, autorzy opracowali szczegółowe modele komputerowe ścian, wykorzystując technikę zwaną nieliniową analizą metodą elementów skończonych. W tym wirtualnym układzie beton mógł pękać i zgniatać się, podczas gdy osadzone pręty stalowe lub GFRP przenosiły naprężenia rozciągające i ściskające zgodnie ze zmierzonymi właściwościami. Gdy symulowane ściany były obciążane centrycznie lub ekscentrycznie, przewidywane obciążenia graniczne, zmiany sztywności i wzory pęknięć dobrze odpowiadały eksperymentom, z różnicami w wytrzymałości zwykle poniżej około 12 procent. Badanie porównało też wyniki eksperymentalne z kilkoma istniejącymi wzorami projektowymi i metodami z kodeksów budowlanych, pokazując, że niektóre wytyczne mają tendencję do przeszacowywania nośności ścian zbrojonych GFRP i sugerując prosty współczynnik korekcyjny dla poprawy dokładności.

Co to oznacza dla przyszłych budynków

Dla niespecjalisty kluczowy przekaz jest taki, że ściany betonowe zbrojone prętami z włókna szklanego mogą stanowić realną, wolną od rdzy alternatywę dla stali, szczególnie w surowych środowiskach, takich jak obszary przybrzeżne czy zakłady przemysłowe. Ściany te tracą część nośności i zdolności pochłaniania energii, ale zachowują stabilną reakcję po pęknięciu i akceptowalną duktilność, unikając jednocześnie długoterminowych uszkodzeń związanych z korozją stali. Przy starannym projektowaniu uwzględniającym ich nieco niższą wytrzymałość oraz z pomocą zweryfikowanych modeli komputerowych, ściany betonowe zbrojone GFRP mogą pomóc inżynierom budować trwalsze i bardziej zrównoważone konstrukcje, które będą wymagać mniej napraw w czasie eksploatacji.

Cytowanie: El-Sayed, T.A., Ibrahim, M.M., Shanour, A.S. et al. Experimental and numerical investigation of the axial compressive behavior of GFRP-reinforced concrete walls under concentric and eccentric loading. Sci Rep 16, 15338 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-52146-x

Słowa kluczowe: beton zbrojony GFRP, osiowe zachowanie na ściskanie, ściany konstrukcyjne, zbrojenie odporne na korozję, modelowanie metodą elementów skończonych