Yangın etkisi altındaki dairesel boşluklara sahip yüksek dayanımlı donatılı beton kirişlerin kesme davranışı

Beton Kirişlerdeki Deliklerin Yangında Neden Önemli Olduğu

Modern binalar, beton kirişlere açılan deliklerden geçen gizli boru, kablo ve kanallarla örülüdür. Bu açıklıklar alan tasarrufu sağlar ve tesisat işlerini kolaylaştırır, ancak yapıyı zayıflatır—özellikle beton ve çeliğin sınandığı yangın durumunda. Bu çalışma, büyük dairesel boşluklara sahip yüksek dayanımlı beton kirişlerin yoğun ısı altındaki davranışını ve iki pratik güçlendirme yönteminin yangın sonrası hayatta kalmalarına ve güvenli kalmalarına nasıl yardımcı olabileceğini inceliyor.

Kirişler, Yangın ve Büyük Yuvarlak Delikler

Araştırmacılar, dayanıklılığı ve sıkı yapısı nedeniyle tercih edilen yüksek dayanımlı betona odaklandı. Aynı yoğunluk, bununla birlikte, ısıtıldığında daha gevrek olmasına ve patlayıcı dökülmelere yatkın hale gelmesine neden olur. Birçok gerçek binada, tesisatın geçebilmesi için kirişlerin gövdesinde (orta bölümünde) büyük yuvarlak boşluklar oluşturulur. Kiriş yüklendiğinde, kuvvetler deliğin etrafından “akmak” zorunda kalır, gerilmeleri yoğunlaştırır ve çatlakları teşvik eder. Yangında, betonun dış katmanları ısınır, dayanımını kaybeder ve çatlar; bu da kuvvetlerin kiriş içindeki aktarımını daha da bozar. Bu açıklıkların ve yangının birleşik etkisini anlamak, hasarlı bir kirişin yük taşımaya devam edip edemeyeceğini ya da nasıl en iyi şekilde onarılabileceğini değerlendirecek mühendisler için hayati önemdedir.

Deneyler Nasıl Yapıldı

Bu sorunu ele almak için ekip, boyutları aynı dokuz kiriş inşa etti ve test etti. Bir tanesi deliği olmayan dolu bir referanstı. Diğerlerinde, kiriş derinliğinin yaklaşık yarısı büyüklüğünde tek bir büyük dairesel açıklık, destek yakınlarındaki kesme açısından kritik bir bölgeye yerleştirildi. Bazı kirişler hiç değiştirilmedi, bazılarına betona çelik elyaf eklendi ve üçüncü grup, ferrosiment olarak bilinen tel örgü ve harçtan oluşan ince bir dış ceketle yerel olarak sarıldı. Seçilen kirişler, hafif bir yük taşırlarken bir saat boyunca 500 °C'ye kadar ısıtıldı, ardından ani itfaiye müdahalesini taklit etmek için hızla suyla soğutuldu ve sonra eğilme ve kesme altında kırılana kadar yüklendi.

Yangının ve Güçlendirmenin Kirişlere Etkisi

Büyük dairesel açıklıklar dramatik bir etki gösterdi. Dolu referans kirişe kıyasla, açıklıklı ve güçlendirilmemiş bir kiriş kırılmadan önce yalnızca yaklaşık üçte bir yük taşıdı ve kırılma anındaki süneklik daha düşüktü; bu daha gevrek bir tepkiyi işaret ediyordu. Aynı konfigürasyon yangına maruz kaldığında, kesme kapasitesi %68’e varan oranlarda düştü ve çatlaklar erken oluşup deliğin etrafında hızla yayıldı. Betona karıştırılan çelik elyafların eklenmesi yardımcı oldu: hacimce %0.5 ve %1.0 elyaf, çatlakları köprüleyip büyümelerini geciktirdi, çatlama yükünü biraz yükseltti ve yangın sonrası nihai yükü yaklaşık %16’ya kadar artırdı. Açıklık bölgesi etrafına sarılan ferrosiment ceketler de davranışı iyileştirdi. Çatlamış betonu bir arada tuttular, birkaçı geniş olan birkaç çatlak yerine çok sayıda küçük çatlak oluşmasını sağladılar ve orta açıklıkta eğilmeleri azalttılar. Yangın maruziyetinden sonra bu ceketler, kaybedilen kesme kapasitesinin yaklaşık %14.5’ine kadarını geri kazandırdı ve hasarlı, güçlendirilmemiş kirişe kıyasla eğilmeleri yaklaşık üçte bir oranında azalttı.

Dijital İkiz Kontrolleri ve Tasarım İçgörüleri

Laboratuvarın ötesinde, yazarlar beton ve çelik için sıcaklığa bağlı gerçekçi malzeme özelliklerini besleyerek kirişlerin ayrıntılı sonlu eleman modellerini oluşturdular. Bu modeller kirişlerin nasıl eğildiğini, ne zaman çatladığını ve nihai olarak nasıl kırıldığını başarıyla yeniden üretti; deneylerle arasındaki farklar yalnızca birkaç yüzdeydi. Sanal kirişler daha sonra açıklıklar küçültülüp büyütüldüğünde ve yangın sıcaklıkları 400’ten 600 °C’ye çıktığında ne olduğunun keşfedilmesi için kullanıldı. Simülasyonlar, daha büyük deliklerin ve daha sıcak yangınların her ikisinin de kesme dayanımını keskin şekilde azalttığını ve açıklık çok büyük olduğunda güçlendirmenin faydalarının daha az belirgin olduğunu doğruladı.

Gerçek Binalar İçin Anlamı

Uzman olmayanlar için ana mesaj basit: yüksek dayanımlı beton kirişlerdeki büyük yuvarlak delikler, özellikle şiddetli bir yangından sonra ciddi zayıf noktalar haline gelebilir. Bu çalışma, betona kısa çelik elyaf karıştırmanın çatlama sonrası kirişi daha fazla yük taşıyacak ve daha fazla enerji absorbe edecek şekilde destekleyebileceğini, ince ferrosiment ceketlerin ise eğilmeyi ve görünür sarkmayı sınırlamada özellikle etkili olduğunu gösteriyor. Güvenilir bilgisayar modelleriyle birlikte bu bulgular, mühendislerin açıklıklı yangın hasarlı kirişlerin ne zaman onarılabileceğine, farklı onarım yöntemlerinin ne kadar etkili olabileceğine ve ne zaman tamamen değiştirmenin daha güvenli bir seçenek olduğuna dair daha iyi kararlar almasına yardımcı olur.

Atıf: 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

Anahtar kelimeler: yapısal yangın güvenliği, yüksek dayanımlı beton, kiriş açıklıkları, çelik elyaf takviyesi, ferrosiment güçlendirme