Zintegrowane techniki NSM i wzmacniania GFRP/ECC/UHPC do usztywniania uszkodzonych słupów żelbetowych

Dlaczego bezpieczniejsze słupy betonowe mają znaczenie

Wiele starszych budynków żelbetowych stopniowo traci wytrzymałość, gdy ukryte w słupach stalowe zbrojenie koroduje. To powolne uszkodzenie może zmniejszyć nośność konstrukcji oraz jej odporność na trzęsienia ziemi i inne ekstremalne zdarzenia. W badaniu zaprezentowano nowy sposób nadania takim osłabionym słupom drugiego życia, wykorzystując cienkie, wysokowytrzymałe powłoki zewnętrzne oraz dodatkowe pręty zbrojeniowe umieszczone tuż pod powierzchnią.

Jak słupy cicho tracą wytrzymałość

Słupy żelbetowe są pionowymi „kośćmi” budynku, przenoszącymi piętra i dach. Z upływem czasu wilgoć i sole mogą powodować korozję prętów stalowych wewnątrz. Gdy stal rdzewieje, ulega odkorodowaniu, pęcznieje, powoduje rysy w otaczającym betonie i osłabia przyczepność między stalą a betonem. W efekcie słup traci wytrzymałość, sztywność oraz zdolność do plastycznych odkształceń przed nagłą utratą nośności. Istnieją tradycyjne metody naprawy, ale bywają masywne, kosztowne lub niewystarczająco efektywne w przypadku silnie zniszczonych elementów.

Nowe płaszcze i ukryte pręty

Badacze przeanalizowali połączoną metodę naprawczą, wzmacniającą zarówno od wewnątrz, jak i od zewnątrz. Najpierw wykonano płytkie nacięcia na powierzchni słupa i osadzono w nich dodatkowe pręty zbrojeniowe, wykonane ze stali tradycyjnej lub korozji odpornego włókna szklanego. Takie rozwiązanie nazywa się zbrojeniem osadzonym blisko powierzchni (near-surface mounted, NSM). Następnie słup owijano cienką powłoką z cementowych materiałów znacznie mocniejszych i trwalszych niż zwykły beton. Jeden z materiałów, tzw. engineered cementitious composite (ECC), zawiera drobne włókna kontrolujące rysowanie; drugi, ultra-high-performance concrete (UHPC), jest jeszcze wytrzymalszy i zawiera włókna stalowe. Lekka siatka z włókna szklanego została zatopiona w tych płaszczach, aby poprawić spójność układu.

Testy wzmocnionych słupów

Aby ocenić skuteczność systemu, zespół wykonał i przebadał w laboratorium jedenaście krótkich słupów o przekroju kołowym. Jeden był nienaruszonym „wzorcowym” słupem, drugi celowo osłabiono, aby naśladował efekt korozji poprzez zastosowanie cieńszych prętów stalowych. Pozostałe to osłabione słupy naprawione różnymi metodami: wyłącznie płaszczami z materiałów bogatych we włókna lub połączeniem zbrojenia NSM i płaszczy, z zastosowaniem prętów stalowych lub z włókna szklanego oraz z jedną lub dwiema warstwami siatki. Wszystkie słupy były następnie ściskane od góry do dołu aż do zniszczenia, przy jednoczesnym rejestrowaniu przenoszonego obciążenia i ugięcia.

Co się działo pod dużym obciążeniem

Uszkodzony słup bez naprawy zawiódł w sposób kruchy, z wyboczeniem wewnętrznych prętów i gwałtownym spadkiem nośności. Dodanie jedynie płaszcza z ECC z siatką przyniosło umiarkowany wzrost nośności i łagodniejszy charakter uszkodzenia. Połączenie zbrojenia NSM ze stalowymi prętami i tymi płaszczami zwiększyło nośność o 25–32% w porównaniu z uszkodzonym słupem oraz pozwoliło zaabsorbować prawie do czterech razy więcej energii przed zniszczeniem. Zastąpienie materiału zewnętrznego UHPC dało jeszcze lepsze rezultaty: wzrost nośności o 35–44% i absorpcję energii do około 4,7 razy. Najlepsze efekty osiągnięto przy użyciu prętów z włókna szklanego NSM w połączeniu z płaszczami UHPC, co zwiększyło wytrzymałość o około 49% przy zachowaniu dobrej duktylności.

Modele komputerowe i wnioski projektowe

Zespół opracował również szczegółowe modele komputerowe słupów, aby symulować wzajemne oddziaływania materiałów i przewidywać rysowanie, miażdżenie betonu oraz odspajanie się na styku. Modele te dobrze odzwierciedlały zmierzone wytrzymałości, przemieszczenia i obserwowane wzory uszkodzeń, co potwierdza, że podejście to można wykorzystać do badania innych wariantów projektowych. Dalsze studium numeryczne wykazało, że użycie większych prętów stalowych wewnątrz zwiększa nośność słupa, ale przyrosty maleją wraz ze wzrostem średnicy pręta, sugerując istnienie efektywnego zakresu zamiast zasady „im więcej, tym lepiej”.

Co to oznacza dla istniejących konstrukcji

Dla inżynierów i właścicieli budynków wyniki sugerują, że cienkie płaszcze z zaawansowanych materiałów cementowych w połączeniu ze zbrojeniem NSM mogą przywrócić lub nawet zwiększyć wytrzymałość i odporność uszkodzonych słupów bez znacznego powiększania przekroju. Płaszcze UHPC, zwłaszcza w połączeniu z prętami z włókna szklanego, okazały się szczególnie skuteczne w ograniczaniu rozprężania rdzenia betonowego i opóźnianiu nagłej utraty nośności. W praktyce ta zintegrowana technika daje obiecującą ścieżkę do przedłużenia bezpiecznego okresu eksploatacji starzejących się budynków i infrastruktury przy użyciu stosunkowo cienkich, trwałych wzmocnień.

Cytowanie: Elsamak, G., Bahrami, A., Emara, M. et al. Integrated NSM and GFRP-reinforced ECC/UHPC techniques for strengthening deficient RC columns. Sci Rep 16, 16440 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-52870-4

Słowa kluczowe: słupy betonowe, wzmacnianie konstrukcji, uszkodzenia korozyjne, beton wysokich właściwości, techniki naprawcze