Поведение при осевой нагрузке бетонных заполненных и частично охваченных холодногнутых двойных сигма-композитных колонн

Более прочные колонны для повседневных сооружений

По мере роста городов и ускорения темпов строительства инженеры ищут колонны, которые были бы не только прочными и безопасными, но и быстрее в возведении и более экологичными. В этом исследовании рассматривается новый способ изготовления колонн — сочетание тонких стальных оболочек с особым текучим бетоном, армированным волокнами из вулканической породы. Учёные задают простой, но важный вопрос для будущих зданий: какая компоновка колонны даёт наилучшее сочетание прочности, пластичности и более низкого углеродного следа?

Как тонкие стальные оболочки превращаются в жёсткие колонны

В современных зданиях часто используют холодногнутую сталь — тонкие листы, согнутые в жёсткие профили. Эти лёгкие элементы удобно транспортировать и они подходят для модульного строительства, но сами по себе они могут смяться, как алюминиевый баллон, при сильном сжатии. Чтобы избежать этого, команда собрала колонны из двух сигма-образных стальных секций двумя способами: замкнув лицевыми сторонами друг к другу, формируя стальную коробку, и соединив открытыми спинками «спина к спине» с зазором, который можно заполнить бетоном. Каждый вариант испытывали в трёх исполнениях: только сталь, заполненный или охваченный обычным самоуплотняющимся бетоном, и заполненный или охваченный более совершенным бетоном, армированным короткими базальтовыми волокнами.

Новый тип текучего бетона, богатого волокнами

Применённый бетон разработан так, чтобы литься и распространяться под собственным весом, обтекая плотные углы и скопления арматуры без вибрации. Исследователи улучшили смесь, заменив часть цемента летучей золой и кремнезёмным дымом — промышленными побочными продуктами, которые повышают плотность упаковки, — и добавив короткие базальтовые волокна из вулканической породы. Под микроскопом эти волокна переплетаются в затвердевшем бетоне, связывают микротрещины и сцепляются с окружающей матрицей. Такое сочетание даёт более плотную внутреннюю структуру, которая лучше противостоит растрескиванию и деформируется более плавно, а не разрушается внезапно.

Доведение колонн до разрушения в лаборатории

Чтобы понять поведение разных колонн, команда нагружала каждый образец концентрированной осевой силой до разрушения, тщательно фиксируя укорочение вдоль высоты и боковое изгибание. Пустые стальные варианты прогибались рано: тонкие стенки складывались или скручивались. Добавление обычного самоуплотняющегося бетона более чем вдвое увеличило несущую способность, поскольку бетонное ядро помогало удерживать форму стали, а сталь ограничивала бетон. Настоящим лидером оказалась замкнутая полностью заполненная колонна с базальтовым волокнистым бетоном: она несла почти в три раза больше нагрузки по сравнению с пустой стальной колонной и примерно на треть больше, чем версия с обычным бетоном. Она также имела меньшее укорочение и могла испытывать значительно большие деформации после достижения текучести, демонстрируя существенно большую пластичность — важный запас безопасности при землетрясениях или экстремальных воздействиях.

Моделирование, правила проектирования и углеродный след

Исследователи использовали подробные компьютерные модели, чтобы воспроизвести испытания на сжатие, подтвердив, что их цифровой двойник очень близко повторяет реальные разрушения и прочностные характеристики. Затем они сравнили измеренные значения с предсказаниями индийских и международных строительных норм, адаптируя формулы, изначально предназначенные для более тяжёлой горячекатаной стали и обычного бетона. Обновлённый подход надёжно предсказывал прочность новых колонн и оставался несколько консервативным. Параллельно исследование «от колыбели до могилы» суммировало выбросы при производстве стали и бетона, транспортировке материалов, строительстве, обслуживании и переработке в конце срока службы. Хотя добавление бетона увеличивает общие выбросы по сравнению с пустой сталью, значительный рост несущей способности означает, что на каждую единицу углерода приходится гораздо больше полезной несущей работы — особенно для полностью заполненных колонн с волокнистым армированием.

Баланс безопасности и устойчивости в будущих зданиях

С приземлённой точки зрения, эта работа показывает, что тщательно сформованные тонкие стальные оболочки в сочетании с продуманным волокнистым бетоном могут создать колонны, которые легче, прочнее и более «терпимы» к разрушению, чем традиционные варианты, при этом используя меньше углерода на единицу несущей способности. Особенно выделяются замкнутые колонны, заполненные базальтовым волокном: они предлагают высокую прочность, лучше контролируемое растрескивание и местное выпучивание, а также улучшенную эффективность в течение жизненного цикла. Такое сочетание безопасности, долговечности и сниженного воздействия на окружающую среду делает их перспективными кандидатами для следующего поколения модульных зданий средней и большой этажности, которым предстоит выдерживать интенсивную эксплуатацию и меняющийся климат.

Цитирование: Sharon, R.P.O., Senthilpandian, M. Axial load behaviour of concrete infilled and partially encased cold formed double sigma composite columns. Sci Rep 16, 11497 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39171-6

Ключевые слова: композитные колонны, холодногнутый стальной профиль, бетон с базальтовыми волокнами, самоуплотняющийся бетон, запечатанный углерод