Verstärkung korrodierter Stahlbetonplatten-Stützen-Verbindungen mit Thin‑Ply‑Hybrid‑Faserverbundwerkstoffen gegen Durchstanzbeanspruchung

Warum ältere Betondecken plötzlich versagen können

Viele Parkhäuser, Lagerhallen und Hochhäuser verwenden flache Betonböden, die direkt von Stützen getragen werden. Dieses Konzept spart Platz und Material, verbirgt aber eine gefährliche Schwachstelle: ein spröder Versagensmechanismus namens Durchstanzen, bei dem die Platte plötzlich rund um eine Stütze ausbrechen kann, oft ohne Vorwarnung. Wenn der Stahl im Beton rostet, steigt dieses Risiko. Die hier zusammengefasste Studie untersucht eine neue Methode, diese anfälligen Bereiche mit sehr dünnen, leichten Verbundstreifen aus Glas‑ und Kohlenstofffasern zu verstärken.

Ein verborgener Schwachpunkt in Alltagsbauten

Flachplatten‑Stützsysteme sind beliebt, weil sie Träger überflüssig machen und offene, flexible Räume ermöglichen. Der Preis dafür ist, dass der Bereich, in dem jede Stütze auf die Platte trifft, sehr konzentrierte Kräfte aufnehmen muss. Können Beton und Bewehrung diesen Kräften nicht widerstehen, kann die Platte abrupt rund um die Stütze in Form eines konusartigen Bruchstücks versagen. Frühere Erdbeben und unerwartete Einstürze in Parkhäusern haben gezeigt, wie katastrophal ein solches Durchstanzversagen sein kann. Traditionelle Schutzmaßnahmen wie zusätzliche Bewehrung, Absenkungen (drop panels) oder lokal verstärkte Plattenbereiche erhöhen Gewicht, Kosten und Baukomplexität und fehlen oft in älteren Gebäuden. Erschwerend kommt hinzu, dass Taumittel und aggressive Umgebungen die innere Bewehrung langsam korrodieren lassen, wodurch die Tragfähigkeit abnimmt und Durchstanzen wahrscheinlicher wird.

Was Korrosion in Platten‑Stützen‑Verbindungen anrichtet

Wenn die Bewehrung korrodiert, dehnt sie sich aus und rissbildet den umgebenden Beton. Dieser Prozess schwächt mehrere Mechanismen, die normalerweise dem Durchstanzen entgegenwirken: das rauhe Verzahnen gebrochener Betonteile, die „Dowel“-Wirkung der Bewehrungsstäbe, die Risse überqueren, und die Verbundwirkung zwischen Stahl und Beton. Selbst mäßiger Rost kann eine Platte von einem nachgiebigeren Biegeversagen zu einem plötzlichen Durchstanzbruch verlagern. Frühere Untersuchungen betrachteten meist Korrosion oder Verstärkung isoliert und konzentrierten sich oft auf Träger oder Stützen statt auf die kritische Platten‑Stützen‑Verbindung. Die vorliegende Arbeit richtet sich genau auf diese Verbindung und prüft, wie verschiedene Verstärkungsanordnungen wirken, wenn die Bewehrung bereits geschädigt ist.

Prüfung dünner Hybridstreifen an geschädigten Verbindungen

Die Forschenden fertigten elf skalierte Innenplatten‑Stützen‑Proben, die jeweils eine typische Innenstütze einer Flachplatten‑Konstruktion repräsentierten. Einige Proben blieben unbeschädigt, andere wurden gezielt auf etwa 15 % Massenverlust der Bewehrung mittels beschleunigter elektrochemischer Korrosion in einer Salzlösung geschädigt. Anschließend klebten sie dünne Verbundstreifen aus Glasfaser (GFRP), Kohlenstofffaser (CFRP) oder einer Hybridkombination an die Unterseite der Platte rund um die Stütze. Die Streifen wurden in verschiedenen Mustern angeordnet, wobei besonderes Augenmerk auf eine schräg gestellte Anordnung lag, die die radialen Risse überkreuzt, die beim Durchstanzen entstehen. Die Platten wurden über die Stütze nach unten belastet bis zum Versagen, wobei das Team Tragfähigkeit, Durchbiegung und Rissausbreitung vermessene.

Wie die neue Verstärkungsstrategie abschnitt

Allein die Korrosion reduzierte die Durchstanztragfähigkeit um etwa ein Drittel und verdoppelte nahezu die Durchbiegung bis zum Versagen im Vergleich zur ungeschädigten Probe. Das Anbringen von Verbundstreifen kehrte einen Großteil dieses Verlustes um. Glasfaser‑Systeme erhöhten die Durchstanzfestigkeit gegenüber der korrodierten Kontrollprobe um etwa 30–51 %, Kohlenstofffaser‑Systeme um 40–60 % und die hybriden Glas‑Kohlefaser‑Streifen um etwa 57–77 %. Verstärkte Verbindungen zeigten vor dem Rissbilden ein steiferes Verhalten, verzögerte Rissbildung und eine stabilere Last‑Durchbiegungs‑Charakteristik. Der Nutzen wuchs jedoch nicht unbegrenzt: ab etwa zwei Lagen bzw. einer Gesamtdicke der Verbundschicht von ca. 0,6–1,2 mm führten zusätzliche Lagen nur noch zu geringen Festigkeitsgewinnen, weil die Streifen vor ihrer vollständigen Ausnutzung durch Abblättern (Debonding) vom Beton getrennt wurden. Mit Hilfe fortgeschrittener Computersimulationen, die an die Experimente kalibriert wurden, untersuchten die Autorinnen und Autoren viele Varianten in Schichtdicke, Lagenzahl, Anordnung und Korrosionsgrad. Sie fanden, dass schräg angeordnete Hybridstreifen, um 50 mm von der Stützenkante versetzt, für die getestete Geometrie das beste Verhältnis von zusätzlicher Festigkeit und kontrollierter Rissbildung lieferten.

Grenzen der Verstärkung stark korrodierter Bauteile

Die Studie zeigt außerdem, dass es eine praktische Grenze dafür gibt, wie viel Verstärkung noch hilft, wenn die Korrosion sehr weit fortgeschritten ist. In simulierten Verbindungen mit Korrosionsgraden von 5 % bis 30 % sank der relative Nutzen der optimalen Hybridverstärkung von etwa 51 % zusätzlicher Kapazität bei leichter Korrosion auf etwa 25 % beim höchsten untersuchten Niveau. Mit zunehmendem Materialverlust der Bewehrung und Verschlechterung des umgebenden Betons wird das Verhalten zunehmend von sprödem Durchstanzen und dem Debonding der Streifen bestimmt. In diesem Stadium bringt mehr Verbundmaterial wenig, solange nicht auch der Verbund verbessert oder die zugrunde liegende Schädigung behoben wird.

Was das für reale Gebäude bedeutet

Für Ingenieurinnen und Ingenieure, die für alternde Parkhäuser oder Flachplattenbauten verantwortlich sind, deuten die Ergebnisse darauf hin, dass sehr dünne, strategisch angeordnete Hybridstreifen aus Glas und Kohlenstoff eine praktische Nachrüstmaßnahme sein könnten, um die Sicherheit moderat korrodierter Platten‑Stützen‑Verbindungen teilweise wiederherzustellen. Das System ist leicht, außen anbringbar und erfordert weder eine Aufdickung der Platte noch schwere Stahlkonstruktionen. Sein Erfolg hängt jedoch stark von guter Klebung, sorgfältiger Detailplanung der Streifenanordnung und Korrosionsgraden ab, die noch nicht extrem sind. Kurz: Diese Technik kann gefährdeten Verbindungen wertvolle zusätzliche Tragfähigkeit und Steifigkeit verschaffen, ist aber kein Allheilmittel — bei starker Korrosion sind umfassendere Reparaturen oder ein Ersatz erforderlich, und jedes Gebäude muss innerhalb der in dieser Forschung untersuchten Bedingungen geprüft werden.

Zitation: Gomaa, A.M., Ahmed, M.A., Khafaga, S.A. et al. Strengthening of corroded RC slab–column joints using thin-ply hybrid FRP under punching shear. Sci Rep 16, 6526 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36610-2

Schlüsselwörter: Durchstanzen, Stahlbetonplatten, Korrosion, FRP-Verstärkung, Platten‑Stützen‑Verbindungen