Влияние отверстий в теле на циклическую реакцию железобетонных связевых балок

Почему маленькие отверстия важны в больших зданиях

Современные высотные здания в сейсмических районах часто опираются на пары толстых бетонных стен, соединённых короткими горизонтальными балками, которые действуют как структурные предохранители. Эти балки должны раскачиваться и деформироваться во время качки, чтобы здание могло безопасно рассеивать энергию. В то же время архитекторы и инженеры регулярно проделывают в этих балках каналы для труб и кабелей. В исследовании поставлен, на первый взгляд, простой, но имеющий большие последствия для безопасности вопрос: насколько слабее и более хрупкими становятся эти критические элементы при наличии технологических отверстий, и может ли грамотно организованная стальная арматура внутри бетона восстановить утраченную прочность?

Как связевые балки защищают высокие сооружения

Во многих башнях ядра лифтов и лестниц формируют две параллельные бетонные стены, соединённые короткими, глубокими балками, называемыми связевыми балками. Когда землетрясение смещает здание вбок, эти балки должны сдаваться и деформироваться контролируемым образом, поглощая энергию и защищая основные стены от серьёзных повреждений. Для очень коротких балок традиционная прямая арматура склонна разрушаться внезапно в хрупкой сдвиговой форме. Поэтому нормы отдают предпочтение диагональным раскладкам арматуры, которые пересекают балку в виде буквы X — предыдущие эксперименты показали, что такие схемы более пластичны и лучше рассеивают энергию. Вместе с тем нормы дают лишь ограниченные указания о том, что происходит, когда практические нужды заставляют инженеров вырезать прямоугольные отверстия в этих балках.

Моделирование циклов землетрясения вместо разрушения множества балок

Поскольку крупные экспериментальные программы дороги, авторы создали детальную трёхмерную компьютерную модель железобетонных связевых балок с помощью программного обеспечения конечных элементов ABAQUS. Сначала они проверили, что модель воспроизводит лабораторные испытания коротких балок с традиционной и диагональной арматурой при монотонной и циклической нагрузке. Симуляции показали места образования трещин, распространение повреждений и эволюцию кривых «сдвиг — вращение», в точности соответствуя измеренным пиковым прочностям, деградации и рассеиванию энергии. С подтверждённой моделью они смоделировали двенадцать коротких балок одинакового размера, но с четырьмя вариантами армирования и с или без прямоугольных отверстий либо у торца балки, либо в середине пролёта.

Что происходит, когда в балке проделывают отверстия

В исследовании сравнивались три стратегии армирования — простые прямые стержни (традиционная схема), диагональные стержни в условиях поперечного сжатия (диагональное обжатие) и две ромбовидные схемы — чтобы выяснить, как каждая реагирует на отверстия. В целом балки без отверстий показывали лучшие характеристики, а схемы с диагональным обжатием выделялись: они демонстрировали плавные, стабильные гистерезисные петли, постепенную потерю жёсткости и наибольшее поглощение энергии. Появление отверстия неизбежно снижало прочность и пластичность, но местоположение и форма отверстия имели решающее значение. Малые отверстия у торцов балки ослабляли конструкции, однако диагональное обжатие ограничивало падение сдвиговой прочности примерно до 6% и сохраняло значительную часть вращательной способности, тогда как традиционные и ромбические схемы становились гораздо более хрупкими.

Почему отверстия в середине пролёта особенно опасны

Когда отверстие располагалось в середине пролёта, основной диагональный путь сжатия, несущий сдвиг, разрезался на две части, и поведение резко ухудшалось. В традиционных балках с высоким узким отверстием сдвиговая несущая способность падала примерно на треть, а максимальная угловая деформация — более чем вдвое, что приводило к быстрому хрупкому разрушению уже после нескольких циклов нагрузки. Ромбические схемы также теряли значительную долю пластичности и способности рассеивать энергию, иногда свыше 80%. Даже лучший вариант — диагональное обжатие с центральным отверстием — испытывал почти 50% потерю вращательной способности, хотя и продолжал превосходить целые балки с менее эффективными схемами арматуры. Моделирования также показали, что простая корректировка пропорций отверстия — сделать его длиннее и ниже при той же площади — может заметно снизить ущерб, сохранив критический диагональный бетонный путь более целым.

Выводы для проектирования с точки зрения сейсмобезопасности

С практической точки зрения результаты дают чёткие рекомендации. Для коротких связевых балок, где доминирует сдвиг, армирование с диагональным обжатием должно быть вариантом по умолчанию, особенно если отверстия неизбежны, поскольку оно лучше сохраняет прочность, пластичность и рассеяние энергии. Отверстия в середине пролёта гораздо более опасны, чем у торцов, поскольку они перерезают основной диагональный элемент, противостоящий воздействию дрожания. Если центральное отверстие необходимо, его следует делать небольшой высоты, большей протяжённости вдоль балки и отступать от граней, чтобы внутренний диагональный путь передачи нагрузки не был разорван. Проще говоря, статья показывает: где и как вы прорежете технологические отверстия в этих небольших, но жизненно важных звеньях, может определять — согнётся ли высокое здание и переживёт ли землетрясение, либо треснёт и преждевременно выйдет из строя.

Цитирование: Ramadan, O.M.O., Elghool, A., Elshafey, N. et al. Influence of web openings on the cyclic response of RC coupling beams. Sci Rep 16, 10475 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42360-y

Ключевые слова: связевые балки из железобетона, сейсмические характеристики, инженерные отверстия, метод конечных элементов, сейсмоинженерия