Поведение на изгиб стальной армированной бетонной стенки при использовании усовершенствованной конечно-элементной модели

Почему важны более безопасные бетонные стены

Современные городские горизонты опираются на высотные здания, которые должны оставаться стоять, когда земля начинает трястись. В этих сооружениях толстые вертикальные бетонные стены действуют как «позвоночник», помогая сопротивляться сейсмическим силам. В этой статье объясняется, как инженеры могут лучше предсказывать, как эти стены изгибаются, трескаются и в конечном счете выходят из строя при сильных землетрясениях, используя более продуманные компьютерные модели. Это важно, потому что более надежные модели помогают проектировщикам выбирать более безопасные и экономичные решения без догадок или чрезмерных упрощений поведения бетона при экстремальных нагрузках.

Как бетонные стены защищают высотные здания

Армированные железобетонные несущие стены — ключевые элементы, которые помогают зданиям противостоять боковым перемещениям от ветра и землетрясений. Стальные стержни внутри бетона придают стенам прочность и пластичность, в то время как сам бетон воспринимает сжатие. В зависимости от формы такие стены могут разрушаться по-разному. Стройные стены в высоких зданиях имеют тенденцию изгибаться как вертикальные балки, с концентрацией трещин и раздавливанием у основания. Более короткие, приземистые стены чаще дают диагональные трещины или сдвиг. Поскольку изгибные разрушения стройных стен распространены в высотном строительстве, в этом исследовании внимание сосредоточено на более точном предсказании именно такого типа поведения.

Почему сложно предсказывать поведение при землетрясениях

Во время землетрясения стена не остается упругой, а затем внезапно ломается. Вместо этого она проходит несколько стадий: сначала появляются трещины, затем сталь текет, бетон у основания раздавливается, и, в конечном счете, стена теряет прочность. Весь этот процесс сопровождается постепенным снижением жесткости, а деформации концентрируются в небольшой зоне у основания. Традиционные компьютерные модели либо чрезмерно упрощают это поведение, либо требуют огромных вычислительных затрат. Они могут нереалистично распределять повреждения, сильно зависеть от того, как стена разбита на элементы, или неверно оценивать степень размягчения после достижения пиковой нагрузки. Эти недостатки могут привести к небезопасным или чрезмерно консервативным проектным решениям.

Более умный способ разрезать и проверить стену в компьютере

Авторы предлагают улучшенную конечно-элементную модель, встроенную в стандартное программное обеспечение для анализа зданий. Вместо того чтобы рассматривать стену как одну шарнирную область у основания, они делят её на несколько штабелированных сегментов по высоте. В пределах каждого сегмента поперечное сечение представлено множеством мелких «волокон» бетона и стали, каждое из которых следует собственной кривой напряжение—деформация. Два ключевых усовершенствования делают такую модель более реалистичной. Во‑первых, модель бетона корректируется так, чтобы энергия, необходимая для его раздавливания, согласовывалась с лабораторными испытаниями вне зависимости от числа сегментов. Это решает проблему искусственной чувствительности к сетке. Во‑вторых, жесткость стены связана с четырехфазной кривой, которая повторяет реальный процесс: образование трещин, текучесть, достижение максимальной прочности и последующее размягчение, отражая постепенную потерю жесткости, наблюдаемую в экспериментах.

Сопоставление модели с реальными разрушенными стенами

Для проверки подхода исследователи собрали данные по тринадцати ранее испытанным бетонным стенам из девяти различных лабораторий. Эти образцы охватывали широкий диапазон размеров, расположения арматуры и условий нагружения, характерных для практического проектирования зданий. В лаборатории каждую стену подвергали циклическому изгибу вперёд‑назад до разрушения, воспроизводя требования, подобные землетрясению. Новая модель использовала более простое одностороннее «пушовер»-нагружение, однако её предсказанные кривые силы у основания против смещения верхней точки хорошо соответствовали экспериментальным данным. Модель воспроизвела важные характеристики: начальную жесткость, пик прочности, падающее поведение после пика и пределы прогиба перед потерей несущей способности. Ошибки в ключевых точках, таких как образование трещин, текучесть и максимальная нагрузка, в целом были невелики, что указывает на то, что модель отслеживает реальное поведение во всем диапазоне нагрузок.

Что это значит для более безопасных зданий

Проще говоря, исследование показывает, что инженеры могут использовать практичный улучшенный вычислительный метод для моделирования того, как высотные бетонные стены изгибаются и деградируют при сильных землетрясениях, без необходимости прибегать к чрезмерно упрощённым или чрезмерно сложным инструментам. За счёт более тесной привязки модели стены к реальным процессам образования трещин и раздавливания бетона и снижения чувствительности результатов к способу разбиения стены на элементы, метод даёт более надёжные прогнозы. Это может поддержать лучшие решения по сейсморедизайну и усилению, помогая обеспечивать, что бетонные «позвоночники» внутри наших зданий ведут себя в компьютере так же, как в реальных землетрясениях.

Цитирование: Nasr, O., Moustafa, A. & Ghallab, A.H. Flexural behaviour of RC shear wall using enhanced finite element model. Sci Rep 16, 15491 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-52257-5

Ключевые слова: армированные железобетонные стенки, конечно-элементное моделирование, сейсмические характеристики, нелинейное поведение, пушовер-анализ