Skjuvuppförande hos högpresterande armerade betongbalkar med cirkulära öppningar vid brandexponering

Varför hål i betongbalkar spelar roll vid brand

Moderna byggnader är genomkorsade av dolda rör, kablar och kanaler, många av vilka passerar genom hål utsågade i betongbalkar. Dessa öppningar sparar utrymme och förenklar installationer, men försvagar också konstruktionen — särskilt vid brand, när betong och stål pressas till sina gränser. Denna studie undersöker hur högpresterande betongbalkar med stora cirkulära hål beter sig under intensiv värme, och hur två praktiska förstärkningsmetoder kan hjälpa dem att överleva och förbli säkra efter en brand.

Balkar, brand och stora runda hål

Forskarna fokuserade på högpresterande betong, ett material uppskattat för sin hållbarhet och kompakta struktur. Denna täthet gör det dock mer sprött och mer benäget för explosiva flagningsfenomen vid uppvärmning. I många verkliga byggnader formas stora runda hål i balkens webb (den centrala delen) för att låta installationer passera. När balken belastas måste krafter "flöda" runt hålet, vilket koncentrerar spänningar och bidrar till sprickbildning. Vid brand värms de yttre betonglagren upp, förlorar styrka och spricker, vilket ytterligare stör hur krafterna fördelas genom balken. Att förstå denna kombinerade effekt av öppningar och brand är avgörande för ingenjörer som måste bedöma om en skadad balk fortfarande kan bära laster — eller hur den bäst ska repareras.

Hur testerna genomfördes

För att angripa problemet byggde och testade teamet nio balkar med identisk dimension. En var en solid referens utan hål. De övriga hade en enda stor cirkulär öppning i webben, ungefär halva balkdjupet, placerad i ett skjuvkritiskt område nära stödet. Vissa balkar lämnades oförändrade, andra hade stål­fiber tillsatta i betongen, och en tredje grupp var lokalt omsluten av ett tunt yttre hölje av tråd­nät och bruk, känt som ferrocement. Utvalda balkar värmdes till 500 °C under en timme medan de bar en måttlig last, och kyldes sedan snabbt med vatten för att efterlikna plötsliga släckinsatser innan de lastades till brott i böjning och skjuvning.

Vad brand och förstärkning gjorde med balkarna

De stora cirkulära öppningarna hade en dramatisk inverkan. Jämfört med den solida referensbalken bar en icke-förstärkt balk med öppning bara omkring en tredjedel av lasten före brott, och den visade mindre nedböjning vid brott, vilket indikerar ett mer sprött beteende. När samma konfiguration utsattes för brand minskade dess skjuvhållfasthet med upp till 68 %, och sprickor uppstod tidigt och spred sig snabbt runt öppningen. Att tillsätta stål­fiber i betongen hjälpte: fiberhalter på 0,5 % och 1,0 % volymprocent brottförband sprickor och fördröjde deras tillväxt, ökade något sprickningslasten och förbättrade den ultimata lasten efter brand med upp till ungefär 16 %. Ferrocementhöljen som täckte området kring öppningen förbättrade också beteendet. De höll ihop den spruckna betongen, gav många små sprickor istället för några få breda, och minskade mittspännens nedböjningar. Efter brandexponering återställde dessa höljen upp till cirka 14,5 % av den förlorade skjuvhållfastheten och minskade nedböjningarna med ungefär en tredjedel jämfört med den skadade, icke-förstärkta balken.

Digitala tvillingkontroller och konstruktionsinsikter

Utöver laboratoriet skapade författarna detaljerade datormodeller av balkarna med hjälp av finite element-analys och matade in realistiska temperaturberoende egenskaper för betong och stål. Dessa modeller reproducerade framgångsrikt hur balkarna böjde sig, när de sprack och hur de slutligen gick sönder, med avvikelser på endast några få procent från experimenten. De virtuella balkarna användes sedan för att utforska vad som händer när öppningarna görs mindre eller större och när brandtemperaturer stiger från 400 till 600 °C. Simuleringarna bekräftade att större hål och varmare bränder båda kraftigt reducerar skjuvhållfastheten, och att fördelarna med förstärkning blir mindre uttalade när öppningen blir mycket stor.

Vad detta betyder för verkliga byggnader

För icke-specialister är huvudbudskapet enkelt: stora runda hål i högpresterande betongbalkar kan bli allvarliga svaghetspunkter, särskilt efter en omfattande brand. Denna studie visar att tillsats av korta stål­fiber i betongen kan hjälpa balken att bära mer last och absorbera mer energi efter sprickbildning, medan tunna ferrocementhöljen är särskilt effektiva för att begränsa böjning och synlig nedböjning. Tillsammans med tillförlitliga datormodeller ger dessa fynd ingenjörer bättre verktyg för att bedöma när brand­skadade balkar med öppningar kan repareras, hur effektiva olika reparationsmetoder sannolikt är, och när fullständig utbyte är det säkrare valet.

Citering: 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

Nyckelord: strukturell brandsäkerhet, högpresterande betong, balköppningar, stålfiberförstärkning, ferrocementförstärkning