התנהגות גזירה של קורות בטון רב-חוזק עם פתחים מעגליים בעת חשיפה לאש

מדוע חורים בקורות בטון חשובים בזמן שריפה

במבנים מודרניים עוברים צנרות, כבלים ולוחיות רבים דרך פתחים שנחפרו בקורות הבטון. פתחים אלה חוסכים מקום ומפשטים את מערכות השירות, אך הם גם מחלישים את המבנה — במיוחד במהלך שריפה, כאשר הבטון והפלדה נבדקים עד גבול יכולתם. המחקר בוחן כיצד קורות מבטון רב-חוזק עם פתחים מעגליים גדולים מתנהגות בחום קיצוני, ואילו שתי שיטות חיזוק מעשיות יכולות לסייע להן לשרוד ולהישאר בטוחות לאחר שריפה.

קורות, אש ופתחים עגולים גדולים

החוקרים התמקדו בבטון רב-חוזק — חומר מוערך בעמידותו ובמבנהו הצפוף. אותה צפיפות, עם זאת, הופכת אותו לשביר יותר ולמועמד לקילוף פיצוצי כשהוא מחומם. בבניינים רבים נחתכים פתחים עגולים גדולים בנתיב הקורה (החלק המרכזי) כדי לאפשר מעבר מערכות. כאשר על הקורה מופעל עומס, הכוחות צריכים "להתעקל" סביב הפתח, מה שממרכז מאמצים ומעודד סדקים. בשריפה, השכבות החיצוניות של הבטון מתחממות, מאבדות חוזק ומתסרקות, מה שמפריע עוד יותר לזרימת הכוחות בקורה. הבנת השילוב הזה של פתחים ושריפה חיונית למהנדסים שמעריכים האם קורה פגועה עדיין יכולה לשאת עומסים — או כיצד לתקן אותה בצורה הטובה ביותר.

כיצד נערכו הניסויים

כדי לטפל בבעיה זו, הקבוצה בנתה ובדקה תשע קורות בעלות ממדים זהים. אחת מהן שימשה כהתייחסות מוצקה ללא פתחים. השאר כללו פתח עגול יחיד ברוחב חצי עומק הקורה, ממוקם באזור קריטי לגזירה ליד התומך. חלק מהקורות נותרו ללא שינויים, אחרות הכילו סיבי פלדה שנערבבו בבטון, וקבוצה שלישית הוקפה מקומית במעטפת דקה של רשת וסמנט, הידועה כפרוצמנטו (ferrocement). בחלק מהקורות בוצעה חשיפה לחום של 500 °C למשך שעה תוך נשיאת עומס מתון, ואז קירור מהיר במים כדי לדמות תנאי כיבוי פתאומיים לפני הטענתן עד לכשל בכיפוף ובגזירה.

מה גרמה השריפה והחיזוק לקורות

הפתחים המעגליים הגדולים השפיעו במידה דרמטית. בהשוואה לקורה המוצקה, קורה לא מחוזקת עם פתח נשאה רק כשליש מהעומס לפני כשל, והיא התעקמה פחות בזמן הכשל, מעידה על תגובה שבירה יותר. כאשר אותה קורה קצרה הושמה בחשיפה לאש, קיבולת הגזירה שלה ירדה עד כ-68%, וסדקים נוצרו מוקדם והתפשטו במהירות סביב הפתח. הוספת סיבי פלדה לבטון סייעה: סיבים בריכוזים של 0.5% ו-1.0% בנפח גישרו על סדקים ועיכבו את התפתחותם, הגבירו מעט את עומס הסדיקה והעלו את עומס השבר לאחר שריפה עד לכ-16% בערך. מעטפות פרוצמנטו שהקיפו את אזור הפתח שיפרו גם הן את ההתנהגות. הן החזיקו את הבטון הסדוק יחד, יצרו הרבה סדקים קטנים במקום מספר סדקים רחבים, והפחיתו עיוותי מרכז הספאן. לאחר חשיפה לאש, מעטפות אלה השיבו עד כ-14.5% מקיבולת הגזירה האבודה והורידו את העיוותים בכמעלה שליש בהשוואה לקורה הפגועה שלא חוזקה.

בדיקות תאום דיגיטליות ותובנות לתכנון

מעבר למעבדה, המחברים יצרו מודלים ממוחשבים מפורטים של הקורות באמצעות ניתוח אלמנטים סופיים, תוך הזנת תכונות תלויות-טמפרטורה מציאותיות לבטון ולפלדה. מודלים אלה שחזרו בהצלחה את האופן שבו הקורות התעקמו, מתי נוצרו הסדקים וכיצד הן כשלו בסופו של דבר, עם סטיות של רק כמה אחוזים מהניסויים. הקורות הווירטואליות שימשו אחר כך לחקור מה קורה כאשר הפתחים מצטמצמים או מתרחבים וכאשר טמפרטורות השריפה עולות מ-400 ל-600 °C. הסימולציות איששו שפתחים גדולים יותר ושריפות חזקות יותר מפחיתים בחדה את עמידות הגזירה, ושהשפעות החיזוק פחות ברורות כאשר הפתח הופך לגדול מאוד.

מה משמעות הדבר למבנים אמיתיים

למעשה, המסר המרכזי פשוט: פתחים עגולים גדולים בקורות בטון רב-חוזק יכולים להפוך לנקודות תורפה משמעותיות, במיוחד לאחר שריפה קשה. המחקר מראה כי ערבוב סיבי פלדה קצרים בתוך הבטון יכול לסייע לקורה לשאת עומס רב יותר ולספוג אנרגיה לאחר סדיקה, בעוד שמעטפות פרוצמנטו דקות יעילות במיוחד במגבלת הכיפוף והשקיעה הנראית. ביחד עם מודלים ממוחשבים מהימנים, ממצאים אלה נותנים למהנדסים כלים טובים יותר להעריך מתי ניתן לתקן קורות שנפגעו בשריפה עם פתחים, עד כמה שיטות שיקום שונות יעילות, ומתי החלפה מלאה היא הבחירה הבטוחה יותר.

ציטוט: 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

מילות מפתח: בטיחות מבנית מפני שריפה, בטון רב-חוזק, פתחים בקורות, חיזוק בסיבי פלדה, שיקום בפרוצמנטו (ferrocement)