Zachowanie na ścinanie bel z betonu wysokowytrzymałego z okrągłymi otworami pod wpływem pożaru

Dlaczego otwory w belkach betonowych mają znaczenie podczas pożaru

W nowoczesnych budynkach sieci rur, kabli i kanałów często przebiegają przez otwory wykonane w belkach betonowych. Takie przepusty oszczędzają miejsce i upraszczają prowadzenie instalacji, ale osłabiają też element konstrukcyjny — zwłaszcza podczas pożaru, kiedy beton i stal są wystawione na ekstremalne warunki. Badanie to analizuje zachowanie belek z betonu wysokowytrzymałego z dużymi okrągłymi otworami pod wpływem intensywnego nagrzewania oraz skuteczność dwóch praktycznych metod wzmocnienia, które mogą pomóc zachować nośność i bezpieczeństwo po pożarze.

Belki, pożar i duże otwory okrągłe

Badacze skupili się na betonie wysokowytrzymałym, cenionym za trwałość i zwartą strukturę. Ta sama gęstość sprawia jednak, że materiał jest bardziej kruchy i podatny na gwałtowne łuszczenie się przy ogrzewaniu. W wielu rzeczywistych obiektach w środniku (środkowej części) belek wykonuje się duże okrągłe otwory na przepusty instalacji. Pod obciążeniem siły muszą „omijać” otwór, co powoduje koncentrację naprężeń i sprzyja tworzeniu się pęknięć. W pożarze zewnętrzne warstwy betonu nagrzewają się, tracą wytrzymałość i pękają, co dodatkowo zaburza rozkład sił w belce. Zrozumienie tego skumulowanego efektu otworów i pożaru jest istotne dla inżynierów, którzy muszą ocenić, czy uszkodzona belka nadal może przenosić obciążenia lub jak najlepiej ją naprawić.

Jak przeprowadzono testy

Aby rozwiązać problem, zespół wykonał i przetestował dziewięć belek o identycznych wymiarach. Jedna była pełna, bez otworu, jako odniesienie. Pozostałe miały pojedynczy duży okrągły otwór w środkowej części, o średnicy sięgającej około połowy wysokości belki, umieszczony w strefie krytycznej względem ścinania przy podparciu. Niektóre belki pozostawiono bez modyfikacji, inne miały włókna stalowe wymieszane w betonie, a trzecia grupa była miejscowo owinięta cienką powłoką z siatki drucianej i zaprawy, znaną jako ferrocement. Wybrane belki podgrzewano do 500 °C przez godzinę pod niewielkim obciążeniem, a następnie gwałtownie schładzano wodą, aby naśladować warunki akcji gaśniczej, po czym obciążano do zniszczenia na zginanie i ścinanie.

Co zrobił ogień i wzmocnienia z belkami

Duże okrągłe otwory miały dramatyczny wpływ. W porównaniu z belką odniesienia, belka z otworem bez wzmocnienia przenosiła jedynie około jednej trzeciej obciążenia do zniszczenia i wykazywała mniejsze ugięcie przy zniszczeniu, co wskazuje na bardziej kruchą reakcję. Po ekspozycji na ogień nośność na ścinanie spadła nawet o 68%, a pęknięcia pojawiały się wcześnie i szybko rozprzestrzeniały się wokół otworu. Dodanie włókien stalowych do betonu pomogło: włókna w udziałach objętościowych 0,5% i 1,0% mostkowały pęknięcia i opóźniały ich rozwój, nieznacznie podnosząc obciążenie pękania i zwiększając nośność końcową po pożarze do około 16%. Miejscowe owinięcie otworu płaszczem ferrocementowym także poprawiło zachowanie. Trzymały one spękany beton razem, powodując powstanie wielu małych pęknięć zamiast kilku szerokich, i zmniejszały ugięcia w przęśle. Po ekspozycji na ogień płaszcze te przywróciły do około 14,5% utraconej nośności na ścinanie i zredukowały ugięcia o około jedną trzecią w porównaniu z uszkodzoną belką bez wzmocnienia.

Sprawdzanie cyfrowych bliźniaków i wskazówki projektowe

Ponad laboratorium autorzy opracowali szczegółowe modele komputerowe belek z użyciem analizy elementów skończonych, uwzględniając realistyczne, zależne od temperatury własności betonu i stali. Modele te poprawnie odtwarzały ugięcia belek, momenty pękania i ostateczne mechanizmy zniszczenia, z różnicami rzędu zaledwie kilku procent względem eksperymentów. Wirtualne belki posłużyły następnie do zbadania efektów zmniejszania lub zwiększania otworów oraz przyrostu temperatury pożaru od 400 do 600 °C. Symulacje potwierdziły, że większe otwory i wyższe temperatury pożaru znacząco zmniejszają wytrzymałość na ścinanie, a korzyści ze wzmocnień stają się mniej wyraźne przy bardzo dużych otworach.

Co to oznacza dla rzeczywistych budynków

Dla osób niebędących specjalistami główne przesłanie jest proste: duże okrągłe otwory w belkach z betonu wysokowytrzymałego mogą stać się poważnymi punktami słabości, szczególnie po intensywnym pożarze. Badanie pokazuje, że dodanie krótkich włókien stalowych do betonu może pomóc belce przenosić większe obciążenie i absorbować więcej energii po spękaniu, podczas gdy cienkie płaszcze ferrocementowe są szczególnie skuteczne w ograniczaniu ugięć i widocznego ugięcia. W połączeniu z wiarygodnymi modelami komputerowymi wyniki te dają inżynierom lepsze narzędzia do oceny, kiedy belki uszkodzone przez pożar z otworami można naprawić, jak skuteczne będą różne metody naprawy i kiedy bezpieczniejszym wyborem jest ich całkowita wymiana.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: bezpieczeństwo pożarowe konstrukcji, beton wysokowytrzymały, otwory w belkach, wzmocnienie włóknami stalowymi, naprawa ferrocementowa