Skuteczność systemów kotwienia dla belek żelbetowych wzmocnionych na zginanie za pomocą polimerów zbrojonych włóknem bazaltowym

Dlaczego mocniejsze belki są ważne

W ukryciu w mostach, garażach wielopoziomowych i blokach mieszkalnych znajdują się belki betonowe, które przez dziesięciolecia cicho przenoszą duże obciążenia. Z upływem czasu te belki mogą pękać i słabnąć, zwłaszcza gdy ruch się zwiększa lub normy budowlane się zmieniają. Niniejsze badanie bada nowocześniejszy sposób przywracania zużytym belkom betonowym drugiego życia przy użyciu cienkich arkuszy wykonanych z włókien bazaltowych — materiału pochodzącego z skał wulkanicznych — i koncentruje się na sposobach ich mocowania, tak aby rzeczywiście zwiększały bezpieczeństwo konstrukcji.

Nowe „kurtki” dla starego betonu

Inżynierowie często wzmacniają istniejące belki, klejąc arkusze włókniste do spodniej części — podobnie jak nakładając wąski, wytrzymały opatrunek. Tradycyjne arkusze wykorzystują włókna węglowe lub szklane; polimer zbrojony włóknem bazaltowym (BFRP) oferuje tańszą i bardziej ekologiczną alternatywę o wysokiej wytrzymałości i dobrej trwałości. Problem w tym, że arkusze te mogą nagle odrywać się od betonu, zanim osiągną pełną wytrzymałość — kruche zjawisko, które marnuje materiał i ogranicza przyrost bezpieczeństwa. Autorzy postawili sobie za cel sprawdzenie, jak różne metody mocowania, zwane systemami kotwienia, mogą utrzymać arkusze BFRP przyczepione tak, by belki wytrzymywały większe obciążenie bez niespodziewanego odrywania.

Jak zorganizowano testy

Zespół badawczy wykonał osiem belek betonowych w pełnej skali, każda nieco ponad trzy metry długości, z identycznym zbrojeniem stalowym wewnątrz. Niektóre belki pozostawiono niewzmocnione jako odniesienie, podczas gdy inne otrzymały dwie lub cztery warstwy arkuszy BFRP sklejone od spodu na różnych długościach. Aby utrzymać arkusze na miejscu, zespół wypróbował dwa główne typy kotwień: owijki U, które oplatają BFRP wokół boków belki jak pas, oraz kotwy typu spike, które zbierają włókna BFRP w trzpienie wprowadzane w otwory w betonie. Wszystkie belki poddano zginaniu w układzie laboratoryjnym za pomocą dwóch skupionych obciążeń aż do zniszczenia, podczas gdy czujniki rejestrowały ugięcie i rozwój rys na rozpiętości.

Co się działo podczas zginania belek

W miarę wzrostu obciążenia belki najpierw zachowywały się sprężyście, potem pojawiały się pionowe rysy zginające między przyłożonymi obciążeniami, a w końcu nastąpiło zmiękczenie, gdy wewnętrzne zbrojenie stalowe przeszło w stan plastyczny. Belki wzmocnione były sztywniejsze niż belka kontrolna po powstaniu rys, a ich maksymalna nośność zginająca wzrosła nawet o jedną trzecią. Jednak dodanie kolejnych warstw BFRP nie dawało automatycznie dużego przyrostu wytrzymałości. W kilku przypadkach arkusze odrywały się od okładziny betonowej przed zerwaniem, więc wykorzystana została tylko część ich potencjalnej wytrzymałości. Belki z prawidłowo zakotwionymi arkuszami wykazywały gęściej rozmieszczone, lecz węższe rysy, co wskazuje, że BFRP pomagał rozkładać naprężenia rozciągające wzdłuż rozpiętości.

Dlaczego kotwienie ma tak duże znaczenie

Sednem badania było porównanie belek o podobnym układzie BFRP, ale różnych detalach kotwień. Gdy arkusze BFRP miały wystarczającą długość zgodną z regułami rozwoju z wymiarów projektowych, tryb zniszczenia przesunął się z odrywania arkusza do jego zerwania, a nośność zginająca belki wzrosła o około 29 procent w porównaniu z kontrolą. Kotwy w formie owijki U wywołały podobny efekt nawet przy krótszej wzmocnionej długości: zmieniły sposób uszkodzenia z delaminacji końcowej na zerwanie BFRP i zwiększyły nośność o około 25 procent. Kotwy typu spike działały tylko wtedy, gdy ich zakotwienie było głębokie; płytkie spike’i zachowywały się praktycznie jak brak kotew. We wszystkich konfiguracjach wzmocnienie zmniejszało dukt tyleść, co oznacza, że belki się mniej odkształcały przed zniszczeniem, ale utrata ta zwykle mieściła się w granicach około 30 procent pierwotnej odkształcalności belki.

Wnioski dla bezpieczniejszych napraw

Dla osób niezwiązanych z branżą główny przekaz jest taki: samo przyklejenie wytrzymałych włókien do słabej belki nie wystarczy. To, jak te włókna są przymocowane do betonu, w dużej mierze decyduje, czy rzeczywiście pomogą w sytuacji kryzysowej. Arkusze z włókna bazaltowego mogą wyraźnie zwiększyć nośność belki, ale tylko wtedy, gdy projektanci zapewnią wystarczającą długość klejoną lub skuteczne kotwy, takie jak owijki U obejmujące boki belki. Kotwy typu spike mogą być efektywne, jednak tylko przy głębokim osadzeniu w betonie. Badanie sugeruje, że przy starannym dobraniu detali tych systemów kotwienia inżynierowie mogą stosować kompozyty na bazie bazaltu jako praktyczne, bardziej ekologiczne narzędzie do przedłużania życia wielu codziennych konstrukcji betonowych.

Cytowanie: Aziz, J., Ragab, M., Elgabbas, F. et al. Efficiency of anchorage systems for RC beams strengthened in flexure using basalt fiber reinforced polymers. Sci Rep 16, 16288 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-52540-5

Słowa kluczowe: polimer zbrojony włóknem bazaltowym, wzmacnianie belek betonowych, kotwienie FRP, owijki U, remonty konstrukcyjne