Параметрическое исследование поведения железобетонных глубоких балок, усиленных CFRP, с круглым вырезом в стенке в зоне среза

Почему важно просверливать отверстия в больших бетонных балках

В современных зданиях и мостах прячется множество труб, кабелей и каналов. Чтобы освободить для них место, инженеры часто сверлят отверстия в массивных бетонных балках после завершения строительства. В этом исследовании поставлен простой, но важный вопрос: что на самом деле происходит с такими балками, когда через них проделывают крупные круглые отверстия, и могут ли тонкие углеродные листы, приклеенные к бетону, безопасно компенсировать потерянную прочность? Ответы влияют на то, насколько безопасно мы можем модернизировать или ремонтировать существующие конструкции без дорогой перестройки.

Как вообще несут нагрузку глубокие балки

Глубокие бетонные балки ведут себя иначе, чем знакомые тонкие балки перекрытий. Вместо плавного изгиба они передают усилия по коротким, крутым путям сжатия, проходящим по диагонали от места приложения нагрузки к опорам. Арматурные стержни и хомуты внутри балки помогают удерживать конструкцию вместе, особенно против диагональных трещин. Когда внутреннее распределение элементов сохранено, эти скрытые пути позволяют глубоким балкам нести очень большие нагрузки при относительно компактных размерах.

Что происходит, когда позже просверливают круглые отверстия

На реальных объектах многие проемы не планируются заранее. Подрядчики часто сверлят круглые отверстия прямо через уже существующий бетон, разрезая не только бетон, но и стальные хомуты, предназначенные для восприятия срезающих усилий. Исследование сосредоточилось на таких «постустановленных» отверстиях в наиболее чувствительной зоне балки — срезовой пролете — и на случаях с симметричным расположением отверстий. Компьютерные модели, откалиброванные по лабораторным испытаниям, показали, что даже умеренные отверстия в этой зоне резко снижают несущую способность балки и энергоемкость до разрушения. По мере увеличения диаметра отверстия от 150 до 300 мм в балке глубиной 500 мм характер разрушения меняется: от преимущественно диагональных трещин к внезапному дроблению бетона над и под отверстием.

Испытания помощи от углеродных обмоток

Чтобы выяснить, в какой степени повреждения можно компенсировать, исследователь смоделировал обмотку зоны вокруг отверстий тонкими ламинированными материалами на основе углеродного волокна — CFRP. Эти полосы, приклеенные к поверхности балки, действуют как внешние усилительные ремни, способные перехватывать и перераспределять усилия после образования трещин. В работе варьировали и размеры отверстий, и толщину слоев CFRP. Для каждой комбинации модель отслеживала диаграммы нагрузка—прогиб, схему трещинообразования и количество энергии, который балка могла поглотить до разрушения, что позволило тщательно сравнить результаты с идентичной цельной балкой без отверстий.

Сколько прочности действительно теряется и восстанавливается

Числа дают ясную картину. Без какого-либо усиления круглое отверстие 300 мм в балке глубиной 500 мм снизило максимальную несущую способность более чем вдвое и энергоемкость почти на девяносто процентов по сравнению с эталонной цельной балкой. Даже меньшие отверстия в срезовой зоне вызывали существенное падение работоспособности. Добавление CFRP-ламинатов помогало, повышая и прочность, и вязкость разрушения, и более толстые слои обычно работали лучше. Тем не менее приросты были ограничены: балки с большими отверстиями и даже с самыми толстыми слоями CFRP так и не восстановили полностью прочность цельной балки. Выгода от дополнительного углеродного волокна уменьшалась с ростом отверстия, поскольку внутренний путь передачи усилий в бетоне оказывался слишком сильно нарушен.

Что это значит для реальных зданий

Для неспециалистов главный вывод прост: сверление больших круглых отверстий через массивные бетонные балки в критичных зонах гораздо более вредно, чем может показаться, особенно если при этом перерезаются внутренние стальные связи. Углеродные обмотки могут сделать такие поврежденные балки безопаснее и более стойкими, но они не в состоянии полностью вернуть исходную несущую способность, когда отверстия велики или пересекают ключевую арматуру. Подробный компьютерный анализ в исследовании дает инженерам ориентиры по взаимодействию размеров отверстий и толщины усиления, что подтверждает мысль: тщательное планирование сервисных проемов на стадии проектирования гораздо безопаснее, чем прорезание их позже и попытки исправить последствия.

Цитирование: Yagmur, E. Parametric study on the behavior of CFRP-strengthened reinforced concrete deep beams with cut circular web openings in shear spans. Sci Rep 16, 9414 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40071-y

Ключевые слова: бетонные балки, отверстия в стенке, усиление CFRP, восстановление конструкций, поведение при срезе