Scherverhalten hochfester Stahlbetonbalken mit kreisförmigen Öffnungen unter Brandbeanspruchung

Warum Löcher in Betonbalken bei einem Brand wichtig sind

Moderne Gebäude sind durchzogen von verdeckten Rohrleitungen, Kabeln und Schächten, von denen viele durch in Betonbalken eingebrachte Öffnungen führen. Diese Durchbrüche sparen Platz und erleichtern die Haustechnik, schwächen jedoch gleichzeitig die Struktur — besonders bei einem Brand, wenn Beton und Bewehrungsstahl an ihre Grenzen gebracht werden. Diese Studie untersucht, wie sich hochfeste Betonbalken mit großen kreisförmigen Öffnungen bei starker Hitze verhalten und wie zwei praktikable Verstärkungsmethoden ihnen helfen können, ein Feuer zu überstehen und danach sicher zu bleiben.

Balken, Feuer und große runde Öffnungen

Die Forschenden konzentrierten sich auf hochfesten Beton, ein Material, das für seine Dauerhaftigkeit und dichte Struktur geschätzt wird. Genau diese Dichte macht ihn jedoch spröder und anfälliger für explosive Abplatzungen bei Erwärmung. In vielen realen Gebäuden werden in die Stegzone (den mittleren Teil) solcher Balken große runde Öffnungen eingeschnitten, um Leitungen hindurchzuführen. Unter Belastung müssen die Kräfte um die Öffnung „fließen“, was Spannungen konzentriert und Rissbildung fördert. Bei einem Brand erwärmen sich die äußeren Betonschichten, verlieren an Festigkeit und reißen, was den Kraftfluss durch den Balken weiter stört. Dieses kombinierte Verhalten von Öffnungen und Brand zu verstehen ist für Ingenieure entscheidend, wenn sie beurteilen müssen, ob ein geschädigter Balken noch Lasten tragen kann oder wie er am besten instand gesetzt werden sollte.

Wie die Versuche durchgeführt wurden

Um das Problem anzugehen, bauten und prüften die Forschenden neun Balken gleicher Abmessung. Einer diente als massiver Referenzbalken ohne Öffnung. Die übrigen hatten jeweils eine große kreisförmige Öffnung im Steg, etwa halb so groß wie die Balkenhöhe, positioniert in einem schubkritischen Bereich nahe der Auflager. Einige Balken blieben unverstärkt, andere erhielten Stahlfasern im Beton, und eine dritte Gruppe wurde lokal mit einer dünnen Außenhülle aus Drahtgeflecht und Mörtel — bekannt als Ferrocement — umwickelt. Ausgewählte Balken wurden bei einer Temperatur von 500 °C für eine Stunde unter mäßiger Last erhitzt und dann schnell mit Wasser abgekühlt, um das plötzliche Eingreifen der Feuerwehr zu simulieren, bevor sie bis zum Versagen in Biegung und Schub belastet wurden.

Was Brand und Verstärkungen mit den Balken machten

Die großen kreisförmigen Öffnungen hatten einen dramatischen Einfluss. Im Vergleich zum massiven Referenzbalken trug ein unverstärkter Balken mit Öffnung nur etwa ein Drittel der Last bis zum Versagen und wies bei Versagen eine geringere Durchbiegung auf, was auf ein spröderes Verhalten hindeutet. Wurde dieselbe Konfiguration einem Brand ausgesetzt, fiel die Schubtragfähigkeit um bis zu 68 % und Risse bildeten sich früh und breiteten sich schnell um die Öffnung herum aus. Das Einbringen von Stahlfasern in den Beton half: Fasernanteile von 0,5 % und 1,0 % Volumenanteil überbrückten Risse und verzögerten deren Wachstum, hoben die Risslast leicht an und steigerten die Tragfähigkeit nach Brand um bis zu etwa 16 %. Ferrocement-Jacken, die den Bereich um die Öffnung umschlossen, verbesserten das Verhalten ebenfalls. Sie hielten den gerissenen Beton zusammen, führten zu vielen kleinen anstatt einigen wenigen breiten Rissen und verringerten die Durchbiegungen in der Mitte. Nach Brandbeanspruchung stellten diese Jacken bis zu ungefähr 14,5 % der verlorenen Schubtragfähigkeit wieder her und reduzierten die Durchbiegungen im Vergleich zum beschädigten, unverstärkten Balken um etwa ein Drittel.

Digitale Zwillinge und Auslegungskenntnisse

Über das Labor hinaus erstellten die Autoren detaillierte Computermodelle der Balken mittels Finite-Elemente-Analyse und verwendeten dafür realistische temperaturabhängige Eigenschaften für Beton und Stahl. Diese Modelle reproduzierten erfolgreich, wie sich die Balken durchbögen, wann sie rissen und wie sie schließlich versagten, mit Abweichungen von nur wenigen Prozent gegenüber den Experimenten. Die virtuellen Balken wurden dann dazu genutzt, zu untersuchen, was passiert, wenn die Öffnungen kleiner oder größer werden und wenn die Brandtemperaturen von 400 auf 600 °C ansteigen. Die Simulationen bestätigten, dass größere Öffnungen und höhere Temperaturen die Schubfestigkeit deutlich reduzieren und dass die Wirksamkeit der Verstärkungen abnimmt, wenn die Öffnung sehr groß wird.

Was das für reale Gebäude bedeutet

Für Nichtfachleute ist die Kernbotschaft klar: Große runde Öffnungen in hochfesten Betonbalken können zu ernsthaften Schwachstellen werden, besonders nach einem schweren Brand. Die Studie zeigt, dass das Einmischen kurzer Stahlfasern in den Beton dem Balken helfen kann, nach dem Aufreißen mehr Last zu tragen und mehr Energie aufzunehmen, während dünne Ferrocement-Jacken besonders effektiv sind, um Durchbiegungen und sichtbares Durchhängen zu begrenzen. Zusammen mit verlässlichen Computermodellen geben diese Erkenntnisse Ingenieuren bessere Werkzeuge an die Hand, um zu beurteilen, wann brandgeschädigte Balken mit Öffnungen repariert werden können, wie wirksam verschiedene Reparaturmethoden voraussichtlich sind und wann ein vollständiger Austausch die sicherere Wahl ist.

Zitation: Sedawy, A.E., Beshr, A.A.A. & Mahmoud, I.A. Shear behavior of high-strength reinforced concrete beams with circular openings under fire exposure. Sci Rep 16, 13138 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43162-y

Schlüsselwörter: baulicher Brandschutz, hochfester Beton, Balkenöffnungen, Stahlfaserbewehrung, Ferrocement-Verstärkung