Verbund von gerippten und gewindeten Stahlbewehrungsstäben nachträglich in Beton eingebracht unter Berücksichtigung der Verankerungslänge und des Klebstofftyps

Beschädigten Beton reparieren, ohne ihn abzureißen

Weltweit altern viele Brücken, Gebäude und Parkbauten schneller, als wir sie ersetzen können. Einen solchen Baukörper vollständig abzureißen und neu zu errichten ist teuer und störend, daher suchen Ingenieure nach Möglichkeiten, Bestehendes zu stärken. Diese Untersuchung betrachtet eine solche Reparaturmethode: In ausgehärteten Beton werden Löcher gebohrt, neue Stäbe mit kraftvollen Epoxiden eingeklebt und diese „nachträglich eingebrachten“ Stäbe genutzt, um altem Beton neues tragfähiges Verhalten zu verleihen.

Wie Stahl und Klebstoff im Beton zusammenwirken

Stahlbeton funktioniert, weil die innerhalb des Betons verborgenen Bewehrungsstäbe im umgebenden Material greifen und Lasten teilen. Üblicherweise werden diese Stäbe bereits in die Schalung gelegt und der Beton darum gegossen. Bei Reparaturen ist der Beton jedoch bereits ausgehärtet; die Arbeiter müssen Löcher bohren, einen chemischen Klebstoff injizieren und neue Stahlstäbe als Verankerungen einschieben. Die Sicherheit der nachgerüsteten Struktur hängt davon ab, wie fest diese hinzugefügten Stäbe am Beton und Klebstoff „verklebt“ sind und wie viel sie beim Herausziehen nachgeben. Die Forschenden setzten sich zum Ziel, diese Verbundverhältnisse kontrolliert zu messen und zu untersuchen, wie unterschiedliche Stabformen, Lochdurchmesser und Klebstoffe die Leistung beeinflussen.

Prüfung der Ausziehfestigkeit im Labor

Um reale Reparatursituationen nachzuahmen, fertigte das Team einundzwanzig Betonwürfel, jeder ungefähr so groß wie ein kleiner Pflasterstein. In drei von ihnen waren gerippte Bewehrungsstäbe auf traditionelle Weise während des Gießens eingebettet und dienten als Referenzproben. In den anderen achtzehn wurden die Stäbe später hinzugefügt: Vertikale Löcher wurden gebohrt, gereinigt, mit einem von zwei kommerziellen Epoxidprodukten gefüllt und dann gerippte oder vollgewindete Stäbe bis zu definierten Einschubtiefen eingesetzt. Die Forschenden variierten drei Schlüsselfaktoren: die Länge des Stabs im Kontakt mit dem Klebstoff, den Durchmesser des gebohrten Lochs relativ zum Stab und ob die Staboberfläche gerippt (mit diskontinuierlichen Rippen) oder gewindet (mit durchgehender Spirale) war. Jede Probe wurde anschließend von einem Hydraulikzylinder gegriffen und der Stab langsam herausgezogen, während Instrumente Kraft und Verformung (Slip) aufzeichneten.

Was einen starken, sicheren Anker ausmacht

Die Versuche zeigten, dass in fast allen Fällen das Versagen dadurch eintrat, dass der Stahlstab seine Streckgrenze innerhalb eines klassischen Ausziehversagens erreichte, anstatt dass der Beton aufplatzte. Das bedeutet, dass die Klebeverbindung und der umgebende Beton meist stärker waren als der Stab selbst — ein wünschenswertes Ergebnis für die Bemessung. Mit Epoxid eingebrachte Stäbe in Löchern, die moderat größer als der Stab waren (etwa 60 bis 80 Prozent größer im Durchmesser), erreichten Ausziehkapazitäten, die denen der beim Gießen eingebrachten Stäbe ähnlich oder leicht überlegen waren. Sehr enge Löcher, nur etwa 20 Prozent größer, verringerten die Festigkeit. Längere Verankerungslängen ermöglichten es dem Stab, eine größere Gesamtlast zu tragen, verteilten diese Last jedoch stärker, wodurch die mittlere Verbundspannung entlang des Stabs sank. Beim Vergleich der Stabformen entwickelten konventionelle gerippte Stäbe durchweg höhere Verbundfestigkeiten als gewindete Stäbe, hauptsächlich weil ihre raueren Rippen besseren mechanischen Halt im Klebstoff und Beton boten.

Wie Steifigkeit und Nachgiebigkeit zusammenwirken

Über die Spitzenfestigkeit hinaus untersuchte die Studie auch, wie steif oder nachgiebig die Verbindung war, sobald der Stab zu verrutschen begann. Epoxidverklebte Anker waren zu Beginn der Belastung allgemein steifer als beim Gießen eingebrachte Stäbe, das heißt sie widerstanden dem ersten Gleiten stärker. Dennoch zeigten die nachträglich eingebrachten Stäbe für viele Konfigurationen, besonders bei längeren Verankerungslängen, größere „Duktilität“: Sie konnten nach dem Strecken deutlich verrutschen, ohne plötzlichen Kapazitätsverlust. Die beiden Epoxidtypen verhielten sich in Bezug auf die Festigkeit ähnlich; einer erzeugte tendenziell etwas steifere, weniger flexible Verbindungen, der andere erlaubte mehr Verrutschen vor dem Versagen. Gewindete Stäbe zeigten zwar geringere Spitzenverbundkräfte, wiesen jedoch häufig größere Verschiebungen bei hohen Lasten auf, was auf einen graduelleren und nachsichtigeneren Versagensprozess hindeutet.

Praktische Bemessungsregeln aus Versuchsdaten ableiten

Mithilfe des vollständigen Messdatensatzes entwickelten die Autorinnen und Autoren eine einfache Gleichung, die die maximale Verbundspannung für nachträglich eingebrachte Stäbe vorhersagt, basierend auf Betonfestigkeit, Stabdurchmesser, Verankerungslänge, Lochgröße und der Geometrie der Stabrippen. Diese Formel, anhand aller Versuchsergebnisse geprüft, lieferte sichere und hinreichend genaue Schätzungen. Für Ingenieurinnen und Ingenieure bedeutet das, dass das Hinzufügen von Bewehrungsstäben mit modernen Klebstoffen mit Zuversicht bemessen werden kann, vorausgesetzt Durchmesser der Bohrlöcher, Einbindelängen und Stabtypen werden sinnvoll gewählt. Für die Öffentlichkeit lautet die Botschaft, dass sorgfältige Laborarbeit wie diese vielen „unsichtbaren“ Reparaturen zugrunde liegt und es ermöglicht, alternde Betonstrukturen zu stärken und länger in Betrieb zu halten, ohne die Kosten und Störungen eines vollständigen Ersatzes.

Zitation: Fayed, S., Alkharisi, M.K., Bayoumi, ES.A. et al. Bond of ribbed and threaded steel reinforcement bars post-installed in concrete considering bonded length and adhesive type. Sci Rep 16, 10762 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42964-4

Schlüsselwörter: nachträglich eingebaute Anker, epoxidverklebte Bewehrungsstäbe, Instandsetzung von Stahlbeton, Haftzugfestigkeit, strukturelle Nachrüstung