Untersuchung von Biegeversuchen und modifizierter Berechnung der Biegefestigkeit für hybrid bewehrte Rohrpfähle

Stärkere Fundamente für alltägliche Bauwerke

Brücken, Häfen und Hochhäuser beruhen auf tiefen Fundamenten, die im Erdreich verborgen sind. Viele dieser Fundamente bestehen aus hohlen Betonstützen, sogenannten Rohrpfählen, die nicht nur vertikale Lasten tragen, sondern auch seitliche Kräfte durch Wind, Wellen und Erdbeben aushalten müssen. Diese Studie untersucht einen praxisnahen Weg, diese im Boden verankerten Stützen so zu gestalten, dass sie eher plastisch nachgeben als plötzlich versagen, und stellt eine verfeinerte Methode vor, mit der Ingenieure berechnen können, wie viel Biegung sie aushalten.

Warum manche Pfähle Risse bekommen und versagen

In modernen Projekten werden häufig vorgespannte Hochleistungsbeton-(PHC-)Rohrpfähle eingesetzt. Diese hohlen Rohre werden fabrikmäßig geschleudert, sodass der Beton dicht und stark wird, und dann mit hochfesten Stahlseilen vorgespannt, die das Bauteil in Druck halten. Dadurch sind sie sehr gut für vertikale Lasten geeignet. Unter starken seitlichen Kräften können PHC-Pfähle jedoch reißen und mitunter brechen, insbesondere in Bodennähe, wo die Biegung am größten ist. Diese Schwäche hat ihren Einsatz in anspruchsvollen Fällen eingeschränkt, etwa bei tiefen Baugruben oder in seismischen Gebieten, wo sowohl Festigkeit als auch Verformungsfähigkeit gefragt sind.

Mehr Stahl, damit Pfähle nachgiebiger wirken

Um dieses Problem anzugehen, prüften die Forschenden eine neuere Pfahlart: den vorgespannte, bewehrten Beton-(PRC-)Rohrpfahl. Diese Pfähle behalten die ursprünglichen Vorspannlitzen, ergänzen aber einen Ring aus gewöhnlicher Bewehrung im Betonmantel. Im Labor verglichen sie vier PRC-Pfähle mit zwei traditionellen PHC-Pfählen, alle neun Meter lang und aus sehr hochfestem Beton gefertigt. Die Versuche bogen die Pfähle in kontrollierten Stufen, beobachteten das Auftreten erster Risse, verfolgten, wie diese Risse sich ausbreiteten und verbreiterten, und maßen die Durchbiegung bis zum Versagen.

Wie sich die neuen Pfähle unter Belastung verhalten

Der Unterschied im Verhalten war deutlich. Pfähle mit zusätzlicher Bewehrung trugen 36 % bis 51 % höhere Biegebeanspruchungen als die traditionellen Pfähle. Statt einiger weniger weiter Risse entwickelten die PRC-Pfähle viele feinere Risse, die relativ schmal blieben, was zeigt, dass die zusätzliche Bewehrung den Beton zusammenhielt und die Zugbeanspruchung verteilte. Sie verformten sich auch stärker vor dem Versagen, das heißt, sie nahmen mehr Energie auf und gaben eher Warnzeichen, statt plötzlich zu brechen. Größere Durchmesser der eingesetzten Bewehrungsstäbe erhöhten die Leistung zusätzlich leicht, indem sie sowohl das maximale Biegemoment als auch die letztmögliche seitliche Durchbiegung etwas anheben.

Neues Denken bei der rechnerischen Bewertung

Die Bemessungsregeln für diese Pfähle hängen davon ab, welcher Anteil des Betonquerschnitts in Druck liegt, wenn der Pfahl kurz vor dem Versagen steht. Bestehende Formeln schätzen diese Druckzone und sagen dann die ultimative Biegefestigkeit voraus. Frühere Versuche haben jedoch gezeigt, dass die berechneten Festigkeiten für hybride Pfähle oft hinter den Versuchswerten zurückbleiben, sodass die Bemessungen tendenziell konservativ und materialintensiv sind. In dieser Studie maßen die Autoren die Dehnung im Beton während der Biegeversuche direkt und bestimmten daraus die tatsächliche Höhe der Druckzone. Anschließend verglichen sie diese Werte mit den theoretischen und führten einen neuen Koeffizienten, genannt η, ein, um den realen Druckbereich besser mit den annahmen der Formeln zu verknüpfen.

Präzisere Vorhersagen für sicherere, schlankere Entwürfe

Durch die Herleitung eines einfachen Zusammenhangs zwischen η und bestehenden Kompressionsparametern modifizierten die Autoren die Standardformel zur Berechnung der ultimativen Biegekapazität hybrider Rohrpfähle. Beim Abgleich dieser überarbeiteten Formel mit 95 geprüften Pfählen aus ihrer Arbeit und früheren Studien stimmte die verbesserte Version näher mit den Versuchsergebnissen überein und zeigte weniger Streuung, bei zugleich ausreichender Sicherheitsreserve. Für Nicht-Fachleute bedeutet das: Ingenieure können schlankere oder effizientere Pfähle entwerfen, die bei extremer Biegung sicher bleiben und möglicherweise Beton und Stahl einsparen, ohne Zuverlässigkeit zu opfern. Die Kombination aus zusätzlicher Bewehrung und besseren Vorhersagewerkzeugen bringt uns näher an Fundamente, die nicht nur stark, sondern auch zäher und widerstandsfähiger sind, wenn die Natur oder menschliche Eingriffe sie an die Grenzen bringen.

Zitation: Liu, X., Men, S., Wang, W. et al. Research on bending tests and modified calculation of flexural strength for hybrid reinforced pipe piles. Sci Rep 16, 8241 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38392-z

Schlüsselwörter: Rohrpfähle, Betonfundamente, strukturelle Biegung, Bewehrungsentwurf, Strukturduktilität