Усиление железобетонных балок и колонн ламина- тами CFRP, GFRP и KFRP

Почему более прочный бетон важен

Мосты, многоуровневые стоянки и каркасы зданий возводятся из железобетона — стержни арматуры, заключённые в бетон. С течением десятилетий суровая погода, интенсивное движение, землетрясения и даже пожары постепенно ослабляют эти конструкции. Снос и реконструкция обходятся дорого и имеют высокий углеродный след. В этом исследовании рассматривается более рациональный вариант: оборачивать существующие бетонные балки и колонны тонкими композиционными «жилетами» из углеродных, стеклянных или растительных кенафных волокон, чтобы повысить прочность, продлить срок службы и, возможно, снизить воздействие на климат.

Лёгкие обкладки для уставших конструкций

Авторы сосредоточились на ламинатах на основе армированного волокном полимера (FRP) — очень тонких, прочных листах, которые можно приклеивать снаружи к бетону. Углеродное FRP (CFRP) самое прочное и жёсткое, но и самое дорогое; стеклянное FRP (GFRP) дешевле и широко применяется для умеренного усиления. KFRP из волокон быстрорастущего Hibiscus cannabinus легче и экологичнее за счёт меньших выбросов при производстве. Поскольку большинство предыдущих работ сосредотачивались на синтетических волокнах, исследование выясняет, как система на натуральной основе, такая как кенаф, действительно соотносится по характеристикам и дает ли обёртывание балок и колонн аналогичные преимущества.

Испытания конструкций внутри компьютера

Вместо того чтобы изготавливать десятки реальных образцов, исследователи создали подробные компьютерные модели с использованием метода конечных элементов, который делит каждый бетонный элемент на множество мелких блоков для отслеживания напряжений и трещин. Сначала они воспроизвели ранее проведённый лабораторный испытательный прогон балки, чтобы убедиться, что виртуальная модель ведёт себя как реальная конструкция, согласуя грузоподъёмность и деформации с погрешностью менее 2 процентов. Модель позволяла бетону трескаться и дробиться, арматуре — пластически деформироваться, а тонким FRP-обкладкам — постепенно терять жёсткость по мере накопления повреждений, обеспечивая реалистичную картину процессов от начальной нагрузки до окончательного разрушения.

Как обёртки меняют поведение балок и колонн

После валидации модели команда сравнила четыре варианта простой опёртой балки и четыре варианта короткой колонны: одну необёрнутую «контрольную» и три, обёрнутые кенафом, стеклом или углеродным FRP при одинаковой толщине оболочки. Для балок эффект оказался драматичным. Обёртка увеличивала максимальную несущую способность балки примерно на 14% при KFRP, на 24% при GFRP и впечатляющие 66% при CFRP. Балки также прогибались меньше при той же нагрузке и поглощали больше энергии до разрушения — показатель пластичности, который увеличивался примерно на 19, 43 и 72% для кенафа, стекла и углерода соответственно. В отличие от этого, обёрнутые колонны, которые в основном работают на сжатие по вертикали, показали лишь скромный прирост несущей способности: около 2% для KFRP, 3% для GFRP и 6% для CFRP.

Почему балки выигрывают больше, чем колонны

Разница объясняется характером работы этих элементов. Балки — элементы изгиба; их нижние волокна растягиваются в зоне растяжения, где обычный бетон слаб. Внешние FRP-оболочки отлично работают на растяжение, поэтому они помогают взять на себя эту роль, задерживают образование трещин и перераспределяют нагрузку на прочные волокна. Колонны в этом исследовании были квадратными, короткими и изначально уже весьма прочными на сжатие. Обёртка в основном добавляет эффект поперечного сжатия вокруг бетонного ядра, а не новый путь восприятия нагрузки. Для квадратного сечения такое сжатие неравномерно — сильнее в углах и слабее по плоским сторонам — поэтому большая часть потенциала волоконной оболочки не используется полностью. В результате наблюдается заметное, но сравнительно небольшое увеличение прочности колонн.

Баланс прочности и устойчивости

В целом углеродные обёртки дали наибольший прирост характеристик и остаются наилучшим техническим выбором там, где критичны максимальная прочность и пластичность, например в сильно нагруженных балочных элементах мостов или зданий. Стеклянные обёртки обеспечивают надёжное среднее улучшение. Обёртки из кенафа в меньшей степени повышали несущую способность, но всё же значительно укрепляли балки, при этом предлагая преимущества по массе, стоимости и экологическому следу. Для многих типичных модернизаций — где требуется умеренное усиление и важны цели устойчивого развития — кенафовые ламинаты могут быть разумным вариантом. Исследование показывает, что при хорошо откалиброванных компьютерных моделях инженеры могут сопоставлять такие материалы и проектировать усиления, жертвуя небольшим снижением механических характеристик ради значительных выигрышей в климатических и ресурсных показателях.

Цитирование: Adel, K., Abdelazeem, M., Sherif, A. et al. Strengthening RC beams and columns with CFRP, GFRP and KFRP laminates. Sci Rep 16, 11004 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43464-1

Ключевые слова: усиление железобетона, полимеры, армированные волокном, углеродные и стеклянные волокна, натуральные волокна кенафа, моделирование методом конечных элементов