Biegefestigkeit von Stahlbetonträgern, die mit CFF- und SCCFL-Lamellen bei zyklischer Belastung verstärkt wurden

Stärkere Brücken und Gebäude für eine bebenanfällige Welt

Viele der Betonbrücken und -gebäude, auf die wir täglich angewiesen sind, verschleißen stillschweigend durch Verkehr, Wind und sogar mäßige Erdbeben. Abreißen und neu bauen ist teuer und störend, weshalb Ingenieure nach intelligenten Wegen suchen, alternden Bauwerken ein zweites Leben zu geben. Diese Studie untersucht, wie dünne Kohlenstofffaserbahnen – einige davon mit Silikon beschichtet – auf die Unterseite von Stahlbetonträgern geklebt werden können, um sie stärker und widerstandsfähiger zu machen, wenn sie wiederholt gezogen und gedrückt werden, ähnlich wie reale Bauteile im Betrieb.

Müdem Beton ein Hightech-„Pflaster“ geben

Moderne Betonträger enthalten meist innenliegende Bewehrungsstäbe aus Stahl, die Zugkräfte aufnehmen; mit der Zeit können diese jedoch korrodieren oder die Träger unter wiederholter Last Risse entwickeln. Anstatt sperrige neue Stützen anzubringen, können Ingenieure heute flexible Kohlenstofffaserbahnen auf die Außenseite eines Trägers kleben, ähnlich dem Anlegen eines starken medizinischen Verbandes. Kohlenstofffaser ist extrem leicht, aber in Zugrichtung stärker als Stahl und rostet nicht. In dieser Arbeit verglichen die Forscher zwei solcher Materialien: ein konventionelles Kohlenstofffasergewebe und ein neueres, mit Silikon beschichtetes Kohlenstofffaserlaminat. Die Silikonbeschichtung soll die Haftung an Beton verbessern und das Material vor Umwelteinflüssen schützen.

Wie das Team die verstärkten Träger prüfte

Die Forschenden gossen fünfzehn Betonträger in einer Größe, die jener von kleinen Brücken oder Bodenplatten ähnelt. Drei Träger blieben unbearbeitet als Referenzen. Die übrigen wurden verstärkt, indem entweder eine oder zwei Lagen Kohlenstofffasergewebe bzw. Silikon-beschichtetes Laminat auf die Unterseite geklebt wurden – die Seite, die sich beim Biegen dehnt. Alle Träger wurden dann in einen Prüfrahmen eingebaut und an zwei Punkten entlang ihrer Länge wiederholt belastet. Die Last wurde in Zyklen langsam erhöht und verringert, während Instrumente maßen, wie stark die Träger durchbögen, wie sich Risse ausbreiteten, wie steif sie blieben und wie viel Energie sie absorbierten, bevor sie ernsthaft geschädigt wurden.

Was unter wiederholter Belastung geschah

Die verstärkten Träger schnitten deutlich besser ab als die unverstärkten. Träger mit einer Lage Kohlenstofffasergewebe trugen etwa ein Drittel mehr Last als die Referenzen, und jene mit zwei Gewebelagen schnitten noch besser ab. Die silikonbeschichteten Laminate waren noch beeindruckender: Eine Lage ermöglichte es den Trägern, etwa zwei Drittel mehr Last als die Referenzen zu tragen, und zwei Lagen verdoppelten nahezu die Tragfähigkeit. Diese aufgerüsteten Träger wichen bei gleicher Last außerdem weniger durch, zeigten kleinere und dichter beieinanderliegende Risse und verzögerten das erstmalige Auftreten sichtbarer Risse von etwa 1,5 Kilonewton bei den Referenzträgern auf über 4,5 Kilonewton bei Trägern mit silikonbeschichteten Laminaten. Messungen der zyklischen Last-Verformungs-Schleifen zeigten, dass die beschichteten Laminate den Trägern halfen, in jedem Zyklus mehr Energie zu dissipieren – ein Indiz für bessere Leistung bei Erschütterungen oder Verkehr.

Warum silikonbeschichtete Kohlenstofffaser hervortrat

Neben der reinen Festigkeit spielte auch das Versagensverhalten eine Rolle. Referenzträger brachen durch große Biege­risse und durch Quetschen des Betons im oberen Bereich. Träger mit normalem Kohlenstofffasergewebe versagten eher, wenn das Gewebe vom Beton abzulösen begann – eine Schwachstelle an der Schnittstelle. Im Gegensatz dazu blieben die silikonbeschichteten Laminate deutlich fester gebunden. Wenn diese Träger schließlich versagten, geschah dies meist durch allmähliches Betonquetschen oder durch Zerreißen des Laminats nach vielen Lastzyklen, nicht durch plötzliches Ablösen. Dieses Verhalten weist darauf hin, dass die Silikonschicht den Verbund zwischen Kohlenstofffaser und Beton verbessert und den verstärkten Trägern hilft, ihre Steifigkeit und Energieaufnahmefähigkeit länger unter wiederholter Belastung zu erhalten.

Was das für alltägliche Bauwerke bedeutet

Für Laien ist die Botschaft klar: Sorgfältig angebrachte Kohlenstofffaser‑„Verbände“ können die Lebensdauer und Sicherheit bestehender Betonbauwerke deutlich verlängern, und silikonbeschichtete Laminate erwiesen sich in dieser Untersuchung als die effektivste Option. Indem sie in manchen Fällen die Biegefestigkeit nahezu verdoppeln, das Riss­auftreten verzögern und den Steifigkeitsverlust über viele Zyklen verringern, bieten diese dünnen Bahnen eine praktische Möglichkeit, ältere Brücken und Gebäude nachzurüsten, sodass sie Verkehr, Wind und Erdbeben besser standhalten, ohne umfangreiche Rekonstruktionen. Angesichts alternder Infrastruktur und wachsender Anforderungen können solche Verstärkungsmethoden helfen, kritische Bauwerke länger und sicherer in Betrieb zu halten.

Zitation: Sujitha, V.S., Sriram, A.G., Raja, S. et al. Flexural performance of RC beams strengthened with CFF and SCCFL sheets under cyclic loading. Sci Rep 16, 6491 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35884-w

Schlüsselwörter: Kohlenstofffaserverstärkung, Stahlbetonträger, Ermüdung und zyklische Belastung, strukturelle Nachrüstung, Beständigkeit der Infrastruktur