Axiallastverhalten von mit Beton ausgefüllten und teilweise ummantelten kaltgeformten Doppel-Sigma-Verbundstützen

Stärkere Gebäudestützen für den Alltag

Mit dem Wachsen der Städte und der Beschleunigung der Bauprozesse suchen Ingenieure nach Stützen, die nicht nur sicher und belastbar, sondern auch schneller zu errichten und klimafreundlicher sind. In dieser Studie wird ein neuer Ansatz zur Herstellung von Gebäudestützen untersucht: dünne Stahlhüllen kombiniert mit einem special flowing Beton, der mit basaltischen Gesteinsfasern durchsetzt ist. Die Forschenden stellen eine einfache Frage mit großen Folgen für künftige Bauten: Welche Stützenanordnung liefert die beste Kombination aus Tragfähigkeit, Zähigkeit und geringerem CO2-Fußabdruck?

Wie dünne Stahlbleche zu widerstandsfähigen Stützen werden

Moderne Gebäude nutzen häufig kaltgeformten Stahl, der durch Umformen dünner Bleche in steife Profile entsteht. Diese leichten Elemente sind leicht zu transportieren und ideal für modulare Bauten, können unter starker Druckbeanspruchung jedoch wie eine Getränkedose einknicken. Um dem entgegenzuwirken, bauten die Forschenden Stützen aus zwei sigmaförmigen Stahlprofilen in zwei Varianten: geschlossen Gesicht-an-Gesicht zu einem Stahlkasten und offen Rücken-an-Rücken mit einem Spalt, der mit Beton ummantelt werden kann. Jede Variante wurde in drei Ausführungen geprüft: reine Stahlversion, ausgefüllt bzw. ummantelt mit normalem selbstverdichtendem Beton und ausgefüllt bzw. ummantelt mit einem fortschrittlicheren Beton, der mit feinen Basaltfasern verstärkt ist.

Eine neue Art von fließfähigem, faserreichen Beton

Der hier verwendete Beton ist so konzipiert, dass er aus eigener Schwerkraft fließt und um enge Ecken sowie dichte Bewehrung herumströmen kann, ohne gerüttelt zu werden. Die Forschenden verbesserten diese Mischung, indem sie einen Teil des Zements durch Flugasche und Silikastaub ersetzten – Industriebiprodukte, die helfen, das Gefüge dichter zu packen – und kurze Basaltfasern aus vulkanischem Gestein hinzufügten. Mikroskopisch gesehen verweben sich diese Fasern durch den erstarrten Beton, überbrücken Mikrorisse und verankern sich im umgebenden Material. Diese Kombination ergibt eine dichtere innere Struktur, die Rissbildung besser widersteht und sich plastischer verformt anstatt plötzlich zu versagen.

Stützen bis zum Versagen im Prüflabor

Um die Leistungsfähigkeit der verschiedenen Stützen zu beurteilen, luden die Forschenden jede Probe zentrisch, bis sie versagte, und verfolgten dabei Längenänderungen entlang der Höhe und seitliches Biegen. Die nackten Stahlversionen knickten früh ein, wobei dünne Wandbereiche einschlugen oder verdrehten. Das Einbringen von normalem selbstverdichtendem Beton mehr als verdoppelte die Tragfähigkeit, weil der Betonkern die Stahlform stützte und der Stahl den Beton seitlich einschnürte. Besonders überzeugend war die geschlossene, vollständig ausgefüllte Stütze mit Basaltfaserbeton: Sie trug nahezu das Dreifache der Last der leeren Stahlstütze und etwa ein Drittel mehr als die Version mit normalem Beton. Außerdem verkürzte sie sich weniger und konnte nach dem Erreichen der Streckgrenze deutlich weiter verformen, was eine deutlich höhere Duktilität zeigt – ein wichtiger Sicherheitsvorteil bei Erdbeben oder extremen Lastfällen.

Simulationen, Bemessungsregeln und CO2-Bilanzen

Die Forschenden nutzten detaillierte Computermodelle, um die Druckversuche nachzubilden, und bestätigten, dass ihr digitales Abbild die realen Versagensformen und Tragfähigkeiten sehr gut reproduzierte. Anschließend verglichen sie ihre Messwerte mit Vorhersagen aus indischen und internationalen Bemessungsvorschriften und passten Formeln an, die ursprünglich für schwerere, warmgewalzte Profile und gewöhnlichen Beton formuliert wurden. Der aktualisierte Ansatz prognostizierte die Tragfähigkeit der neuen Stützen zuverlässig und blieb dabei leicht konservativ. Parallel dazu summierte eine Lebenszyklusanalyse die CO2-Emissionen von Stahl- und Betonproduktion, Materialtransport, Bau, Instandhaltung und Recycling am Lebensende. Zwar erhöht das Hinzufügen von Beton die Gesamtemissionen gegenüber der reinen Stahlvariante, doch der enorme Zugewinn an Tragfähigkeit bedeutet, dass jede CO2-Einheit deutlich mehr strukturelle Leistung erbringt – besonders bei den faserverstärkten, vollständig ausgefüllten Stützen.

Gleichgewicht von Sicherheit und Nachhaltigkeit in künftigen Bauten

Aus praktischer Sicht zeigt diese Arbeit, dass sorgfältig geformte dünne Stahlhüllen in Kombination mit einem intelligenten, faserreichen Beton Stützen schaffen können, die leichter, stärker und verzeihender im Versagensfall sind als herkömmliche Lösungen und gleichzeitig weniger CO2 pro Tragfähigkeits-Einheit benötigen. Besonders die geschlossenen, mit Basaltfasern gefüllten Stützen bieten hohe Festigkeit, bessere Kontrolle von Rissbildung und Knicken sowie verbesserte Lebenszykluseffizienz. Diese Mischung aus Sicherheit, Dauerhaftigkeit und reduziertem Umweltimpact macht sie zu vielversprechenden Kandidaten für die nächste Generation modularer Mittel- bis Hochhäuser, die sowohl starker Beanspruchung als auch einem sich wandelnden Klima standhalten müssen.

Zitation: Sharon, R.P.O., Senthilpandian, M. Axial load behaviour of concrete infilled and partially encased cold formed double sigma composite columns. Sci Rep 16, 11497 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39171-6

Schlüsselwörter: Verbundstützen, kaltgeformter Stahl, Basaltfaserbeton, selbstverdichtender Beton, eingebettetes Kohlendioxid