Biegeverhalten von mit Beton gefüllten, aus FRP gewickelten Rohrbögen mit internen FRP-Stäben

Stabilere Tunnelsicherungen für anspruchsvolle Untergrundbedingungen

Moderne Städte und Verkehrssysteme sind zunehmend auf Tunnel und unterirdische Räume angewiesen, doch der Beton und Stahl, die diese Bauwerke stützen, können im Verborgenen an Festigkeit verlieren. Dunkle, feuchte und oft chemisch aggressive Untergrundumgebungen korrodieren Stahl und schädigen Beton, was Wartungskosten und Sicherheitsrisiken erhöht. Diese Studie untersucht eine neue Art von Tunnelstützbogen, der rostanfälligen Stahl durch glasfaserverstärkte Verbundwerkstoffe und speziell bewehrten Beton ersetzt, mit dem Ziel, dort dauerhafte Tragfähigkeit zu bieten, wo herkömmliche Materialien an ihre Grenzen stoßen.

Ein neuer Typ schützender Bögen

Die Forschenden konzentrierten sich auf bogenförmige Stützen aus glasfaserverstärktem Polymer (GFRP), die während der automatisierten Fertigung vorgeformt werden. Diese Rohre werden anschließend mit hochfestem Mörtel (fein zementärer Beton) verfüllt und zusätzlich durch dünne, entlang des Bogens verlaufende interne GFRP-Stäbe verstärkt. Da GFRP nicht rostet, ist diese Kombination besonders attraktiv für feuchte, saure oder salzhaltige Untergrundverhältnisse wie Tunnel, Durchlässe und Schutzbauwerke. Das Team entwickelte ein industrielles Filamentwickelverfahren, das diese gebogenen Rohre mit konstanter Qualität herstellen kann und damit eine wesentliche Hürde für den großflächigen Einsatz von Verbundbogenprofilen überwindet.

Erprobung der Bögen

Um die Leistungsfähigkeit dieser Verbundbögen zu bewerten, bauten und prüften die Autoren 18 Bogenproben mit gleicher Abmessung und Form, jedoch unterschiedlicher innerer Anordnung. Einige Bögen waren hohle GFRP-Rohre, andere nur mit Mörtel verfüllt und wieder andere mit Mörtel sowie vier internen GFRP-Stäben. Zudem variierten sie die Wanddicke der Rohre (3, 5 oder 7 Millimeter). Jeder Bogen wurde an beiden Enden eingespannt und an der Kronenmitte in einer Universalprüfmaschine nach unten belastet — ein Versuchsaufbau, der eine eindeutige, starke Biegesituation in der Spannweite erzeugt. Während der Belastung zeichneten die Forscher Durchbiegung, Rissbildung und die Entwicklung von Dehnungen entlang des Bogens auf, sodass sie die Verschiebung der inneren Kräfte mit fortschreitendem Schaden verfolgen konnten.

Wie Dicke und innere Stäbe das Verhalten verändern

Die Versuche zeigten, dass eine einfache Erhöhung der Rohrwanddicke die Tragfähigkeit der Bögen vor dem Versagen deutlich steigert. Sowohl bei hohlen als auch bei mit Beton gefüllten Bögen führte der Wechsel von der dünnsten zur dicksten Wand etwa zu einer Verdopplung der maximalen Traglast, und dickere Rohre erhöhten außerdem die Steifigkeit in der frühen, elastischen Phase. Das Verfüllen der Rohre mit Beton bewirkte einen weiteren großen Zuwachs an Stärke und Energieaufnahme. Der größte Sprung ergab sich jedoch durch das Einlegen der internen GFRP-Stäbe: Im Vergleich zu hohlen Rohren konnten Bögen mit Beton und Stäben etwa zweieinhalb- bis fast viermal so hohe Lasten tragen und mehr als das Doppelte an Verformung erreichen, bevor die Tragfähigkeit nachließ. Berechnungen legen nahe, dass die Stäbe, obwohl sie nur einen kleinen Bruchteil des Querschnitts einnehmen, ungefähr die Hälfte der Gesamttragfähigkeit bereitstellen, während der Beton einen stetigen Anteil beisteuert und das Rohr sowohl Zugkräfte aufnimmt als auch den Beton in der Druckzone einschließt.

Von Versuchsdaten zur prädiktiven Auslegung

Über die Tests hinaus entwickelten die Autoren ein vereinfachtes Rechenmodell, um die Tragfähigkeit eines solchen Bogens unter einer konzentrierten Kraft in der Krone abzuschätzen. Sie betrachteten den Bogen als an den Enden eingespanntes System, das schließlich vier „plastische“ Gelenkbereiche ausprägt, in denen die Biegung am stärksten ist. Durch die Umwandlung des gebogenen Rohrquerschnitts in ein äquivalentes Rechteck und die Verwendung etablierter Formeln für eingeengten Beton sowie GFRP unter Zug konnten sie die Biegekapazität an diesen Gelenken und daraus die gesamte ultimative Last ableiten. Beim Vergleich dieser Vorhersagen mit den Versuchsergebnissen für Bögen mit internen Stäben lagen die Abweichungen bei etwa 10 %, was darauf hindeutet, dass das Modell das wesentliche Verhalten für diese spezifische Bogenform und Belastungssituation erfasst.

Was das für künftige Untergrundbauwerke bedeutet

Einfach gesagt zeigt die Studie, dass mit Beton gefüllte GFRP-Bögen mit internen Faserstäben sowohl stärker als auch nachgiebiger sein können als konventionelle Betonbögen und gleichzeitig der Korrosion trotzen, die Stahl angreift. Die Kombination aus industriell gefertigtem Verbundrohr, einem eingekernten Betonkern und hochfesten Innenstäben ergibt Stützen, die große Lasten aufnehmen und sich verformen können, ohne plötzlich einzustürzen. Obwohl die aktuellen Bemessungsregeln bislang nur für Bögen gelten, die den getesteten ähneln, weisen die Ergebnisse in Richtung einer neuen Familie langlebiger, leichter Tunnelverkleidungen und Schutzbögen, die unterirdische Infrastruktur sicherer und wartungsärmer machen könnten.

Zitation: Li, B., Yang, Z., Qi, Y. et al. Bending behavior of concrete-filled FRP wound tubular arches with internal FRP bars. Sci Rep 16, 7876 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38886-w

Schlüsselwörter: Tunnelsicherung, faserverstärkter Kunststoff, Betonbögen, Korrosionsbeständigkeit, Untergrundbauwerke