Böjningsbeteende hos betongfyllda FRP-spiralformade rörbågar med interna FRP-stänger

Starkare tunnelskydd för krävande underjordiska miljöer

Moderna städer och transportsystem är i allt högre grad beroende av tunnlar och underjordiska utrymmen, men betongen och stålet som bär upp dem kan gradvis försvagas. Mörka, våta och ofta kemiskt aggressiva underjordiska miljöer korroderar stål och skadar betong, vilket ökar underhållskostnader och säkerhetsrisker. Denna studie undersöker en ny typ av tunnelskyddsbåge som ersätter rostbenäget stål med glasfiberkompositer och särskilt armerad betong, med målet att ge långvarig hållfasthet där traditionella material har problem.

En ny typ av skyddsbåge

Forskarlaget fokuserade på bågformade stöd tillverkade av glasfiberförstärkt polymer (GFRP) i rör som formas i förväg under automatisk produktion. Dessa rör fylls sedan med högpresterande bruk (en finbetong) och förstärks ytterligare med tunna, interna GFRP-stänger längs bågen. Eftersom GFRP inte rostar är denna kombination särskilt attraktiv för fuktiga, sura eller salta underjordiska miljöer som tunnlar, öppna rör och skyddsstrukturer. Teamet utvecklade en industriell filamentvindningsprocess som kan producera dessa kurvade rör med konsekvent kvalitet, vilket adresserar ett viktigt hinder för att använda kompositbågar i större skala.

Sätta bågarna på prov

För att förstå hur väl dessa kompositbågar presterar byggde och testade författarna 18 bågprover med fast storlek och form men olika interna utföranden. Några bågar var ihåliga GFRP-rör, vissa var endast fyllda med bruk och andra var fyllda med bruk plus fyra interna GFRP-stänger. De varierade också rörens väggtjocklek (3, 5 eller 7 millimeter). Varje båge klämdes fast i båda ändar och pressades nedåt vid kronan i en universell provningsmaskin, en uppställning vald för att skapa en tydlig, allvarlig böjning i mittspännet. Under belastningen registrerade teamet hur mycket bågarna böjde sig, hur sprickbildningen utvecklades och hur töjningarna förändrades längs kurvan, vilket gjorde det möjligt att följa hur de interna krafterna försköt sig när skadorna ackumulerades.

Hur tjocklek och inre stänger förändrar beteendet

Experimenten visade att en enkel ökning av GFRP-rörets tjocklek avsevärt ökade den last bågarna kunde bära före brott. För både ihåliga och betongfyllda bågar fördubblades den slutliga bärförmågan ungefär när man gick från tunnaste till tjockaste rör, och tjockare rör gjorde även bågarna styvare i det tidiga, elastiska skedet. Att fylla rören med betong gav ytterligare ett stort styrketillskott och ökade energibortförmågan. Det största språnget kom dock från att lägga till de interna GFRP-stängerna: jämfört med ihåliga rör bar bågar med både betong och stänger ungefär två och en halv till nästan fyra gånger mer last och kunde genomgå mer än dubbelt så stor deformation innan kapaciteten försvann. Beräkningar antyder att stängerna, trots att de upptar endast en liten del av tvärsnittet, står för ungefär hälften av den totala lastbärande kapaciteten, medan betongen bidrar med en stadig andel och röret både motstår drag och innesluter betongen i tryck.

Från provdata till prediktiv design

Utöver försöken byggde författarna en förenklad beräkningsmodell för att uppskatta hur mycket last en sådan båge kan bära under en koncentrerad kraft vid kronan. De behandlade bågen som en fast inspänd struktur som så småningom bildar fyra "plastiska" gångjärnsregioner där böjningen är mest intensiv. Genom att omvandla det kurvade rörtvärsnittet till ett ekvivalent rektangulärt tvärsnitt och använda etablerade formler för innesluten betong och GFRP i drag härledde de böjmotståndet vid dessa gångjärn och därigenom den totala slutliga lasten. När de jämförde dessa beräkningar med sina provresultat för bågar med interna stänger låg avvikelserna inom cirka 10 %, vilket tyder på att modellen fångar det väsentliga beteendet för denna specifika bågform och belastningssituation.

Vad detta betyder för framtida underjordiska konstruktioner

Enkelt uttryckt visar studien att betongfyllda GFRP-bågar med interna fiberstänger kan vara både starkare och mer förlåtande än konventionella betongbågar samtidigt som de står emot den korrosion som plågar stål. Kombinationen av ett industriellt producerat kompositrör, en innesluten betongkärna och högpresterande interna stänger ger stöd som kan bära stora laster och deformeras utan plötsligt kollaps. Även om de nuvarande konstruktionsreglerna endast validerats för bågar som liknar de som testats pekar resultaten mot en ny familj av hållbara, lättvikts tunnelskal och skyddsbågar som kan göra underjordisk infrastruktur säkrare och mer långlivad med mindre underhåll.

Citering: Li, B., Yang, Z., Qi, Y. et al. Bending behavior of concrete-filled FRP wound tubular arches with internal FRP bars. Sci Rep 16, 7876 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38886-w

Nyckelord: tunnelskydd, fiberförstärkt polymer, betongbågar, korrosionsbeständighet, underjordiska konstruktioner