Integrerade NSM- och GFRP-förstärkta ECC/UHPC-tekniker för förstärkning av bristfälliga armerade betongpelare

Varför säkrare betongpelare spelar roll

Många äldre betongbyggnader förlorar i tysthet bärförmåga när stålet inuti deras pelare rostar. Denna långsamma skada kan minska hur mycket vikt en konstruktion säkert kan bära och hur väl den står emot jordbävningar eller andra extrema händelser. Denna studie undersöker ett nytt sätt att ge sådana försvagade pelare ett andra liv genom tunna, höghållfasta yttre skal och extra armeringsstänger placerade strax under ytan.

Hur pelare i tysthet blir svagare

Armerade betongpelare utgör byggnadens vertikala ”skelett” och bär upp våningar och tak. Med tiden kan fukt och salter korrodera stängerna inuti dem. När stålet rostar tunnas det ut, expanderar, spräcker den omgivande betongen och försvagar bindningen mellan stål och betong. Pelaren förlorar då styrka, styvhet och förmåga att deformeras utan plötsliga brott. Traditionella reparationsmetoder finns, men de kan vara skrymmande, kostsamma eller inte tillräckligt effektiva för kraftigt skadade element.

Nya skal och dolda stänger

Forskarna studerade en kombinerad reparationsmetod som tillför styrka både inifrån och utanpå pelaren. Först sågade de ytliga fåror i pelarytan och infäste extra armeringsstänger, antingen traditionellt stål eller korrosionsbeständiga glasfiberstänger. Denna metod kallas near-surface mounted (NSM) armering. Därefter lindade de pelaren med ett tunt yttre skal av specialcementbaserade material som är betydligt starkare och mer hållbara än vanlig betong. En typ, kallad engineered cementitious composite (ECC), innehåller fina fibrer som kontrollerar sprickbildning; den andra, ultra-high-performance concrete (UHPC), är ännu starkare och innehåller stål- eller metallfibrer. Ett lätt glasfibernät bäddades in i dessa skal för att hjälpa till att hålla allt samman.

Att testa de förstärkta pelarna

För att se hur väl systemet fungerade byggde och testade teamet elva korta cirkulära pelare i laboratoriet. En var en oskadad ”referenspelare”, medan en annan medvetet försvagades för att efterlikna korrosion genom att använda mindre stålarmering. Resten var försvagade pelare reparerade på olika sätt: antingen endast med yttre skal av fibrerika material, eller med både near-surface-stänger och skal, med antingen stålor eller glasfiberstänger och ett eller två lager nät. Alla pelare pressades sedan ihop från topp till botten tills brott, medan instrument registrerade hur mycket last de kunde bära och hur mycket de förkortades.

Vad som hände under tung belastning

Den skadade pelaren utan reparation gick sönder sprött, med buktning av de inre stängerna och en brant styrkenedgång. Att endast lägga ett ECC-skal med nät gav måttliga förbättringar i kapacitet och en mjukare brottförlopp. När near-surface stålstänger kombinerades med dessa skal bar pelarna 25–32 procent mer last än den skadade referensen och absorberade upp till nästan fyra gånger mer energi före kollaps. Att ersätta det yttre materialet med UHPC gav ännu bättre resultat, ökade lastkapaciteten med 35–44 procent och energiupptagningen med upp till cirka 4,7 gånger. Bäst resultat uppnåddes med near-surface glasfiberstänger ihop med UHPC-skal, vilket ökade styrkan med ungefär 49 procent samtidigt som god duktilitet bibehölls.

Numeriska modeller och designinsikter

Teamet byggde även detaljerade datormodeller av pelarna för att simulera hur materialen interagerade och för att förutsäga sprickbildning, krossning och urblåsning vid gränsskikten. Dessa modeller stämde väl överens med uppmätta styrkor, förskjutningar och synliga skademönster, vilket ger förtroende för att metoden kan användas för att utforska andra utformningar. En ytterligare numerisk studie visade att användning av större inre stålstänger ökar pelarens styrka, men att avkastningen avtar med ökande ståldiameter, vilket antyder att det finns ett ekonomiskt effektivt intervall snarare än regeln ”ju mer desto bättre”.

Vad detta betyder för befintliga konstruktioner

För ingenjörer och fastighetsägare tyder resultaten på att slimmade skal av avancerade cementbaserade material, kombinerade med near-surface-armering, kan återställa eller till och med öka styrkan och segheten hos förfallna betongpelare utan större utvidgning. UHPC-skal, särskilt i kombination med glasfiberstänger, visade sig särskilt effektiva för att omsluta betongkärnan och fördröja plötsliga brott. I praktiska termer erbjuder denna kombinerade teknik en lovande väg för att förlänga livslängden för åldrande byggnader och infrastruktur med relativt tunna, hållbara uppgraderingar.

Citering: Elsamak, G., Bahrami, A., Emara, M. et al. Integrated NSM and GFRP-reinforced ECC/UHPC techniques for strengthening deficient RC columns. Sci Rep 16, 16440 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-52870-4

Nyckelord: betongpelare, strukturell förstärkning, korrosionsskador, högpresterande betong, renoveringstekniker