Parametrische Studie zum Verhalten von mit CFRP verstärkten Stahlbeton-Tiefbalken mit ausgeschnittenen runden Öffnungen in den Schubfeldern

Warum das Aufbohren von Löchern in dicken Betonbalken wichtig ist

Moderne Gebäude und Brücken verbergen ein Geflecht aus Rohrleitungen, Kabeln und Schächten. Um Platz dafür zu schaffen, bohren Ingenieure häufig nachträglich Löcher durch dicke Betonbalken. Diese Studie stellt eine einfache, aber entscheidende Frage: Was geschieht tatsächlich mit diesen Balken, wenn größere runde Öffnungen durch sie hindurchgeschnitten werden, und können dünne kohlenstofffaserverstärkte Folien, die auf den Beton geklebt werden, den verlorenen Tragwiderstand sicher ausgleichen? Die Antworten beeinflussen, wie sicher wir bestehende Bauwerke aufrüsten oder nachrüsten können, ohne teuer neu zu bauen.

Wie Tiefbalken überhaupt Lasten aufnehmen

Tiefe Betonbalken verhalten sich anders als die bekannten schlanken Balken in Geschossdecken. Statt sich sanft durch Biegung zu verformen, leiten sie Kräfte entlang kurzer, steiler Druckbahnen, die diagonal von der Belastungsstelle zu den Auflagern verlaufen. Bewehrungsstäbe und Bügel im Inneren des Balkens helfen, alles zusammenzuhalten, besonders gegen diagonale Risse. Wenn die innere Anordnung intakt ist, erlauben diese verborgenen Pfade tiefen Balken, sehr große Lasten bei relativ kompakter Bauform zu tragen.

Was passiert, wenn nachträglich runde Öffnungen gebohrt werden

In realen Projekten sind viele Öffnungen nicht im Voraus geplant. Auftragnehmer bohren häufig kreisrunde Löcher durch den vorhandenen Beton, wobei nicht nur Beton, sondern auch die Stahlbügel durchschnitten werden, die die Schubkräfte aufnehmen sollten. Diese Studie konzentrierte sich auf solche „nachträglich eingebauten“ Öffnungen in der empfindlichsten Zone des Balkens, dem Schubfeld, und auf Fälle mit symmetrischer Anordnung der Löcher. Gegen Labortests kalibrierte Computer­modelle zeigten, dass selbst mäßige Öffnungen in diesem Bereich die Tragfähigkeit des Balkens und die vor dem Versagen aufzunehmende Verformungsenergie deutlich verringern. Wenn der Lochdurchmesser in einem 500 mm tiefen Balken von 150 auf 300 mm anwuchs, verschob sich das Versagensbild von vorwiegend diagonalen Rissen hin zu plötzlicher Betondruckversagen ober- und unterhalb der Öffnung.

Prüfung der Wirksamkeit von Kohlefaser-Ummantelungen

Um zu prüfen, wieviel dieses Schadensbild durch Verstärkung ausgeglichen werden kann, simulierte der Forscher das Umwickeln der Zone um die Öffnungen mit dünnen Laminaten aus kohlenstofffaserverstärktem Polymer (CFRP). Diese auf die Balkenoberfläche geklebten Streifen wirken wie externe Verstärkungsbänder, die nach Rissbildung Kräfte auffangen und umverteilen können. Die Studie variierte sowohl die Größe der Öffnungen als auch die Dicke der CFRP-Lagen. Für jede Kombination verfolgte das Modell Last-Verformungs-Kurven, Rissmuster und die vor dem Versagen aufnehmbare Energie, wodurch ein sorgfältiger Vergleich mit einem identischen, durchgehenden Referenzbalken ohne Öffnungen möglich wurde.

Wie viel Tragfähigkeit wirklich verloren geht und wiedergewonnen werden kann

Die Zahlen erzählen eine klare Geschichte. Ohne eine Verstärkung reduzierte eine 300 mm große Kreisöffnung in einem 500 mm tiefen Balken die maximale Tragfähigkeit um mehr als die Hälfte und die Energieaufnahme um fast neunzig Prozent im Vergleich zum durchgehenden Referenzbalken. Selbst kleinere Öffnungen innerhalb des Schubfelds führten zu erheblichen Leistungseinbußen. Das Anbringen von CFRP-Laminaten brachte Verbesserungen bei Stärke und Zähigkeit, und generell waren dickere Lagen effektiver. Dennoch blieben die Zuwächse begrenzt: Balken mit großen Öffnungen erreichten selbst bei den dicksten CFRP-Lagen nie vollständig die Tragfähigkeit des durchgehenden Balkens. Der Nutzen zusätzlicher Kohlefaser nahm mit wachsender Öffnung ab, weil der innere Lastpfad im Beton zu stark gestört war.

Was das für reale Bauwerke bedeutet

Für Nicht-Fachleute ist die zentrale Botschaft klar: Das Durchbohren großer runder Löcher durch dicke Betonbalken in kritischen Zonen ist deutlich schädlicher, als es auf den ersten Blick erscheinen mag, besonders wenn dabei innere Stahlverbindungen durchschnitten werden. Kohlefaserummantelungen können geschädigte Balken sicherer und widerstandsfähiger machen, aber sie können die ursprüngliche Tragfähigkeit nicht vollständig wiederherstellen, wenn die Öffnungen groß sind oder durch wichtige Bewehrung verlaufen. Die detaillierte Computeranalyse der Studie bietet Ingenieuren Hinweise darauf, wie Öffnungsgröße und Verstärkungsdicke zusammenwirken, und unterstreicht die Idee, dass eine sorgfältige Planung von Installationsöffnungen bereits in der Entwurfsphase weitaus sicherer ist als das nachträgliche Ausschneiden und anschließende Reparieren des Schadens.

Zitation: Yagmur, E. Parametric study on the behavior of CFRP-strengthened reinforced concrete deep beams with cut circular web openings in shear spans. Sci Rep 16, 9414 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40071-y

Schlüsselwörter: Betonbalken, Hohlraumöffnungen, CFRP-Verstärkung, strukturelle Nachrüstung, Schubverhalten