Усиление корродированных стыков плиты–колонны из железобетона с использованием тонкопластинчатого гибридного FRP при прогибающем срезе (punching shear)

Почему стареющие бетонные перекрытия способны внезапно разрушиться

Многие парковки, склады и высотные здания опираются на плоские бетонные перекрытия, непосредственно поддерживаемые колоннами. Такая схема экономит место и материалы, но скрывает опасную уязвимость: хрупкое разрушение, называемое прогибающим срезом (punching shear), при котором плита может внезапно выдавиться вокруг колонны практически без предупреждения. При коррозии стали внутри бетона этот риск увеличивается. В исследовании, кратко изложенном здесь, рассматривается новый способ усиления таких уязвимых стыков с помощью очень тонких и лёгких композитных полос из стекловолокна и углеродного волокна.

Скрытая слабость в повседневных зданиях

Системы плоских плит с колоннами популярны, потому что они исключают балки и создают открытое, гибкое пространство. Цена за это — то, что область соединения каждой колонны с плитой воспринимает сильно концентрированные усилия. Если бетон и арматура не в состоянии противостоять этим нагрузкам, плита может внезапно разрушиться вокруг колонны коническим фрагментом. Прошлые землетрясения и неожиданные обрушения в гаражах показывали, насколько катастрофичен может быть такой «прокалывающий» отказ. Традиционные меры безопасности — дополнительная арматура, расширенные панели вокруг колонн или утолщённые зоны плиты — увеличивают вес, стоимость и сложность строительства и часто отсутствуют в старых зданиях. Усугубляет ситуацию то, что реагенты для борьбы с обледенением и агрессивные среды постепенно корродируют внутреннюю сталь, снижая прочность и делая прогибающий срез более вероятным.

Что делает коррозия со стыками плит

При коррозии арматуры она расширяется и растрескивает окружающий бетон. Этот процесс ослабляет несколько механизмов, которые обычно помогают сопротивляться прогибающему срезу: шероховатое зацепление между раскрошившимися поверхностями бетона, «штифтовое» действие стержней, пересекающих трещины, и сцепление между сталью и бетоном. Даже умеренная ржавчина может перевести поведение плиты от более прощающего изгибного разрушения к внезапному прогибающему отрыву. Предыдущие исследования в основном рассматривали коррозию или усиление по отдельности и часто фокусировались на балках или колоннах, а не на критическом стыке плита–колонна. Настоящая работа нацелена именно на этот стык и изучает, как разные схемы усиления работают при уже повреждённой арматуре.

Испытания тонких гибридных полос на повреждённых стыках

Исследователи изготовили одиннадцать масштабных образцов внутренних стыков плита–колонна, каждый моделировал типичную внутреннюю колонну в плоском перекрытии. Некоторые образцы оставили неповреждёнными, другие целенаправленно корродировали до примерно 15% потери массы арматуры с помощью ускоренного электрохимического метода в солевом растворе. Затем они приклеили тонкие композитные полосы — из стекловолокна (GFRP), углеродного волокна (CFRP) или гибридные из обоих материалов — к нижней стороне плиты вокруг колонны. Полосы располагали в разных схемах, уделяя особое внимание косой раскладке, рассчитанной на пересечение радиальных трещин, образующихся при прогибе. Плиты загружали вниз через колонну до разрушения, измеряя несущую способность, прогибы и распространение трещин.

Как показала себя новая стратегия усиления

Сама по себе коррозия снизила несущую способность при прогибающем срезе примерно на треть и почти удвоила прогиб при разрушении по сравнению с неповреждённым стыком. Добавление композитных полос вернуло значительную часть утраченных свойств. Системы на основе стекловолокна увеличивали прочность при прогибающем срезе примерно на 30–51% по сравнению с корродированным контролем, углеродные системы — на 40–60%, а гибридные стекло–углеродные полосы — примерно на 57–77%. Усиленные стыки демонстрировали более жёсткое поведение до образования трещин, задержку в возникновении трещин и более стабильную зависимость нагрузка–прогиб. Однако выигрыш не рос бесконечно: свыше примерно двух слоёв или общей толщины композита около 0,6–1,2 мм дополнительный материал давал лишь незначительный прирост прочности, потому что полосы начинали отрываться от бетона (дебондинг) до того, как их можно было полностью задействовать. С помощью продвинутых компьютерных моделей, откалиброванных по экспериментам, авторы исследовали множество вариантов толщины полос, числа слоёв, расположения и уровня коррозии. Они выяснили, что косые гибридные полосы, смещённые на 50 мм от грани колонны, дают наилучший баланс увеличения прочности и контролируемого образования трещин для проверенной геометрии.

Пределы усиления сильно корродированных конструкций

Исследование также показывает, что существует практический предел эффективности усиления по мере прогрессирования коррозии. В смоделированных стыках с уровнями коррозии от 5% до 30% относительная выгода от оптимального гибридного усиления падала от примерно 51% дополнительной прочности при слабой коррозии до около 25% при наивысшем рассматривавшемся уровне. По мере того как всё больше стали разрушается и окружающий бетон деградирует, поведение соединения всё в большей степени определяется хрупким прогибающим разрушением и дебондингом полос. В такой ситуации добавление большего количества композита мало помогает без улучшения сцепления или без устранения исходного разрушения.

Что это значит для реальных зданий

Для инженеров, отвечающих за стареющие парковки или здания с плоскими плитами, результаты говорят о том, что очень тонкие, стратегически расположенные гибридные стекло–углеродные полосы могут быть практичным вариантом реконструкции для частичного восстановления безопасности умеренно корродированных стыков плита–колонна. Система лёгкая, наносится снаружи и не требует утолщения плиты или установки тяжёлой стальной арматуры. Однако её успех сильно зависит от качественного сцепления, точной проработки раскладки полос и от того, что уровень коррозии ещё не стал экстремальным. Проще говоря, эта техника может обеспечить ценное дополнительное запаса прочности и жёсткости для уязвимых стыков, но она не является панацеей: при сильной коррозии потребуются более серьёзные ремонтные меры или замена, и каждое здание должно оцениваться в пределах условий, проверенных в этом исследовании.

Цитирование: Gomaa, A.M., Ahmed, M.A., Khafaga, S.A. et al. Strengthening of corroded RC slab–column joints using thin-ply hybrid FRP under punching shear. Sci Rep 16, 6526 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36610-2

Ключевые слова: прогибающий срез, железобетонные плиты, коррозия, армирование FRP, стыки плита–колонна