Экспериментальное и численное исследование осевого сжимающего поведения ЖБ стен, армированных стеклороволокном, при центральной и эксцентричной загрузке

Почему безопасные бетонные стены важны

Многие повседневные сооружения — от жилых башен до прибрежных мостов — опираются на толстые бетонные стены, чтобы нести вес здания и противостоять ветру, волнам и землетрясениям. Как правило, эти стены армированы стальными стержнями, скрытыми в теле бетона. С течением времени сталь может корродировать, особенно в солёной или химически агрессивной среде, что ослабляет конструкцию и сокращает срок её службы. В этом исследовании рассматривают, можно ли безопасно заменить сталь на стержни из стекловолокна, которые не ржавеют, без существенной потери прочности или безопасности.

От ржавой стали к нержавеющим стекловолокнам

Внутри железобетонной стены скрытая арматура так же важна, как и сам бетон. Традиционная стальная арматура обладает прочностью и пластичностью — она может деформироваться перед разрывом, — но уязвима к коррозии, когда вода и соли проникают в трещины. Стержни из полимера, армированного стекловолокном (GFRP), представляют иной набор свойств: они лёгкие, высокопрочные на растяжение и не подвержены ржавчине, но имеют иные жёсткостные характеристики и склонны к более хрупкому разрушению. Современные нормативы в основном учитывают, что такие стержни мало участвуют при сжатии, поскольку их поведение в сжатых стенах ещё недостаточно изучено. Авторы поставили цель восполнить этот пробел, испытывая бетонные стены с GFRP в сравнении с идентичными стенами со стальной арматурой.

Как конструкции изготовляли и испытывали

Команда изготовила шесть приземистых образцов стен высотой около метра и толщиной 15 сантиметров из высокопрочного бетона. В каждой стене была сетка вертикальных и горизонтальных стержней. Изменялись две основные переменные: тип арматуры (сталь или GFRP) и способ приложения нагрузки. В одной группе вертикальная сжимающая нагрузка передавалась через центр стены, моделируя равномерный вес сверху. Во второй группе та же нагрузка сдвигалась от центра, вводя изгиб совместно с сжатием, что ближе к реальным ситуациям. Датчики фиксировали укорочение, прогиб, образование трещин и окончательный отказ стен, а исследователи отслеживали появление первой видимой трещины и предельную нагрузку, которую могла выдержать каждая стена.

Что произошло при нагружении стен

Стены с арматурой из GFRP выдерживали несколько меньшие вертикальные нагрузки по сравнению со стальными аналогами, но вели себя стабильно и предсказуемо. При центральной загрузке замена стали на GFRP снизила максимальную несущую способность примерно на 11–13 %. При эксцентричной нагрузке потери составили примерно 6–14 %. При этом стены с GFRP показали несколько более высокие коэффициенты пластичности — меру того, насколько они могли деформироваться после начала серьёзного размягчения до отказа. Стальные стены обычно разрушались через дробление и отслоение бетона у грани сжатия после того, как арматура получила текучесть, тогда как GFRP-стены образовывали более равномерно распределённые трещины и затем разрушались более резко при разрыве стеклороволоконных стержней. Энергия, которую каждая стена могла поглотить до разрушения (рассчитанная как площадь под кривой нагрузка‑перемещение), была наибольшей для образцов со стальной арматурой, но для стен с GFRP она оставалась существенной.

Компьютерные модели, отражающие реальные трещины

Чтобы понять, можно ли инженерам полагаться на продвинутые симуляции вместо испытаний каждой конфигурации в лаборатории, авторы создали детальные компьютерные модели стен с помощью нелинейного конечно‑элементного анализа. В виртуальной модели бетон мог трескаться и дробиться, а встроенные стальные или GFRP‑стержни воспринимали растяжение и сжатие в соответствии с измеренными свойствами. При концентрической или эксцентричной нагрузке прогнозируемые предельные нагрузки, изменения жёсткости и схемы трещинообразования хорошо соответствовали экспериментам, с расхождениями по прочности обычно менее примерно 12 %. Исследование также сопоставило экспериментальные результаты с несколькими существующими формулами проектирования и методиками строительных норм, показав, что некоторые рекомендации склонны завышать несущую способность стен, армированных GFRP, и предложив простой корректирующий коэффициент для повышения точности.

Что это значит для будущих зданий

Для неспециалиста основная мысль такова: бетонные стены, армированные стекловолоконными стержнями, могут быть жизнеспособной нержавеющей альтернативой стали, особенно в суровых условиях — прибрежных районах и на промышленных площадках. Такие стены действительно теряют небольшую часть несущей способности и способности к поглощению энергии, но сохраняют устойчивое поведение после образования трещин и приемлемую пластичность, при этом избегая долговременных повреждений от коррозии стали. При тщательной разработке с учётом их немного меньшей прочности и с использованием верифицированных компьютерных моделей стены с GFRP могут помочь инженерам строить более долговечные и экологичные сооружения, требующие меньше ремонта в течение службы.

Цитирование: El-Sayed, T.A., Ibrahim, M.M., Shanour, A.S. et al. Experimental and numerical investigation of the axial compressive behavior of GFRP-reinforced concrete walls under concentric and eccentric loading. Sci Rep 16, 15338 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-52146-x

Ключевые слова: ЖБ армирование GFRP, поведение при осевом сжатии, несущие стены, защищённая от коррозии арматура, конечномерное моделирование