Поведение на сдвиг высокопрочных железобетонных балок с круглыми отверстиями при воздействии огня

Почему отверстия в бетонных балках важны при пожаре

Современные здания пронизаны скрытыми трубами, кабелями и воздуховодами, многие из которых проходят через отверстия, прорезанные в бетонных балках. Такие проемы экономят место и упрощают прокладку инженерных сетей, но в то же время ослабляют конструкцию — особенно при пожаре, когда бетон и сталь испытывают критические нагрузки. В этом исследовании изучается поведение балок из высокопрочного бетона с большими круглыми отверстиями при воздействии сильного нагрева и оценивалась эффективность двух практических методов усиления для повышения их огнестойкости и сохранности после пожара.

Балки, огонь и большие круглые отверстия

Исследователи сосредоточились на высокопрочном бетоне — материале, ценимом за долговечность и плотную структуру. Однако такая плотность делает его более хрупким и склонным к вспучиванию и локальному расслоению при нагреве. В реальных зданиях в полке балки часто выполняют большие круглые отверстия, чтобы пропустить инженерные коммуникации. При приложении нагрузки силы вынуждены «обтекать» отверстие, что приводит к концентрации напряжений и возникновению трещин. При пожаре наружные слои бетона нагреваются, теряют прочность и растрескиваются — это дополнительно нарушает пути передачи усилий в балке. Понимание совместного влияния проемов и огня важно для инженеров, которые должны оценивать, может ли поврежденная балка еще нести нагрузку, либо как лучше ее восстановить.

Как проводили испытания

Для решения задачи команда изготовила и испытала девять балок одинакового размера. Одна служила сплошной эталонной балкой без отверстия. У остальных в полке было одно большое круглое отверстие примерно в половину глубины балки, расположенное в критической по сдвигу зоне у опоры. Часть образцов оставили без модификаций, в некоторые в бетон добавили стальные волокна, а третью группу локально обернули тонкой внешней оболочкой из проволочной сетки и раствора — так называемым ферроцементом. Выбранные балки нагревали до 500 °C в течение часа при наличии небольшой статической нагрузки, затем быстро охлаждали водой, имитируя реальное тушение, после чего доводили до разрушения в изгибе и на сдвиг.

Как огонь и усиление повлияли на балки

Большие круглые отверстия оказали драматическое влияние. По сравнению со сплошной эталонной балкой неусиленная балка с отверстием несла лишь около трети нагрузки до разрушения и при этом имела меньший прогиб на момент разрушения, что указывает на более хрупкое поведение. При воздействии огня сдвиговая несущая способность такой конфигурации снижалась до 68%, а трещины образовывались рано и быстро распространялись вокруг отверстия. Добавление стальных волокон в бетон помогло: волокна в объёмных долях 0,5% и 1,0% пересекали трещины и задерживали их рост, несколько повышая нагрузку появления трещин и увеличивая предельную нагрузку после пожара примерно до 16%. Оболочки из ферроцемента, обёрнутые вокруг зоны отверстия, также улучшали поведение — они сдерживали раскрошенный бетон, вызывали образование множества мелких трещин вместо нескольких широких и уменьшали прогибы в середине пролета. После воздействия огня такие оболочки восстанавливали до примерно 14,5% утраченной сдвиговой несущей способности и сокращали прогибы примерно на треть по сравнению с поврежденной неусиленной балкой.

Проверки цифровой двойник и выводы для проектирования

Помимо лабораторных испытаний авторы создали подробные численные модели балок методом конечных элементов, используя реалистичные температурозависимые свойства бетона и стали. Эти модели успешно воспроизвели прогибы, моменты возникновения трещин и характер окончательного разрушения с погрешностью всего в несколько процентов по сравнению с экспериментами. Виртуальные испытания использовались для изучения влияния уменьшения или увеличения отверстий и изменения температуры пожара от 400 до 600 °C. Моделирование подтвердило, что увеличение размера отверстия и повышение температуры резко снижают сдвиговую прочность, а эффекты усиления становятся менее заметными при очень больших проемах.

Что это значит для реальных зданий

Для неспециалистов главный вывод прозрачен: большие круглые отверстия в балках из высокопрочного бетона могут стать серьёзными «слабинами», особенно после сильного пожара. Исследование показывает, что введение коротких стальных волокон в состав бетона помогает балке нести большую нагрузку и поглощать больше энергии после образования трещин, тогда как тонкие оболочки из ферроцемента особенно эффективны для ограничения изгиба и видимой провислости. В сочетании с надёжными численными моделями эти результаты дают инженерам более точные инструменты для оценки, когда повреждённые огнём балки с проемами можно восстановить, насколько эффективны разные методы ремонта и когда безопаснее выполнить их полную замену.

Цитирование: 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

Ключевые слова: пожарная безопасность конструкций, высокопрочный бетон, отверстия в балках, армирование стальными волокнами, ремонт ферроцементом