Experimentelle und numerische Untersuchung des axialen Druckverhaltens von mit GFK bewehrten Betonwänden unter konzentrischer und exzentrischer Belastung

Warum sichere Betonwände wichtig sind

Viele alltägliche Bauwerke, von Wohnhochhäusern bis hin zu Küstenbrücken, verlassen sich auf dicke Betonwände, um das Gewicht des Gebäudes zu tragen und Wind, Wellen sowie Erdbeben zu widerstehen. Diese Wände sind üblicherweise mit Stahlstäben durchzogen, die im Beton verborgen liegen. Im Laufe der Zeit kann Stahl jedoch korrodieren, insbesondere in salzigen oder chemisch aggressiven Umgebungen, was die Struktur schwächt und ihre Lebensdauer verkürzt. Diese Studie untersucht, ob Glasfaserstäbe, die nicht rosten, Stahl in solchen Wänden sicher ersetzen können, ohne zu viel Tragfähigkeit oder Sicherheit einzubüßen.

Von rostigem Stahl zu rostfreien Glasfasern

In einer bewehrten Betonwand sind die verborgenen Stäbe ebenso wichtig wie der Beton selbst. Traditionelle Stahlstäbe sind stark und duktil, das heißt sie können sich verformen, bevor sie versagen, sind aber anfällig für Korrosion, wenn Wasser und Salze durch Risse eindringen. Glasfaserverstärkte Polymerstäbe (GFK) bieten einen anderen Kompromiss: Sie sind leicht, zugfest und unempfindlich gegen Rost, versagen aber anders — weniger duktil und eher spröder. Bemessungsnormen behandeln solche Glasfaserstäbe heute meist so, als trügen sie im Druck wenig oder nichts zur Tragfähigkeit bei, weil ihr Verhalten in gedrückten Wänden noch nicht gut verstanden ist. Die Autoren wollen diese Lücke schließen, indem sie Betonwände mit GFK-Stäben direkt mit identischen Wänden mit Stahlbewehrung vergleichen.

Wie die Wände gebaut und geprüft wurden

Das Team goss sechs gedrungene Wandproben von etwa einem Meter Höhe und 15 Zentimetern Dicke mit einer hochleistungsfähigen Betonmischung. Jede Wand enthielt ein Netz aus vertikal und horizontal verlaufenden Innenstäben. Zwei Variablen wurden verändert: die Art der Bewehrung (Stahl oder GFK) und die Art der Lastaufbringung. In einer Gruppe wurde die vertikale Drucklast genau durch die Mitte der Wand geführt, was eine gleichmäßige Auflast von oben simuliert. In der zweiten Gruppe wurde dieselbe Last dezentriert angebracht, wodurch Biegung zusätzlich zur Druckbeanspruchung auftrat — ein Szenario, das vielen realen Situationen näherkommt. Sensoren maßen, wie sich die Wände verkürzten, bogen, rissen und schließlich versagten; die Forschenden verfolgten sowohl den ersten sichtbaren Riss als auch die maximale Last, die jede Wand tragen konnte.

Was passierte, als die Wände belastet wurden

Wände mit GFK-Stäben trugen etwas weniger vertikale Last als ihre Pendants mit Stahl, zeigten jedoch ein stabiles und vorhersagbares Verhalten. Bei konzentrischer Belastung verringerte das Ersetzen von Stahl durch GFK die maximale Tragfähigkeit um etwa 11 bis 13 Prozent. Bei exzentrischer Belastung lag der Verlust etwa zwischen 6 und 14 Prozent. Gleichzeitig zeigten GFK-bewehrte Wände leicht höhere Duktilitätskennzahlen, ein Maß dafür, wie weit sie sich über das erste ernsthafte Nachgeben hinaus verformen konnten, bevor sie versagten. Stahlbewehrte Wände neigten zum Versagen durch Druckzertrümmerung und Abplatzungen des Betons in der Nähe der Druckkante, nachdem der Stahl gestreckt hatte, während GFK-Wände gleichmäßiger verteilte Risse entwickelten und dann abrupter versagten, wenn die Glasfaserstäbe rissen. Die Energie, die jede Wand bis zum Versagen aufnehmen konnte (berechnet aus der Fläche unter der Last–Weg-Kurve), war bei den stahlbewehrten Proben am höchsten, aber auch bei den GFK-bewehrten Wänden noch beträchtlich.

Computermodelle, die reale Risse abbilden

Um zu prüfen, ob Ingenieure sich auf fortgeschrittene Simulationswerkzeuge statt auf Tests jeder Wandvariante im Labor verlassen können, erstellten die Autoren detaillierte Computermodelle der Wände mittels nichtlinearer Finite-Elemente-Analyse. In diesem virtuellen Ansatz durfte der Beton reißen und zerdrückt werden, während die eingebetteten Stahl- oder GFK-Stäbe Zug und Druck entsprechend ihren gemessenen Eigenschaften übernahmen. Bei konzentrischer oder exzentrischer Belastung stimmten die vorhergesagten Höchstlasten, Steifigkeitsänderungen und Rissmuster gut mit den Experimenten überein, wobei die Abweichungen in der Tragfähigkeit meist unter etwa 12 Prozent lagen. Die Studie verglich die experimentellen Ergebnisse außerdem mit mehreren bestehenden Bemessungsformeln und Normverfahren und zeigte, dass einige Richtlinien dazu neigen, die Kapazität GFK-bewehrter Wände zu überschätzen, und schlägt einen einfachen Korrekturfaktor zur Verbesserung der Genauigkeit vor.

Was das für zukünftige Gebäude bedeutet

Für den Laien ist die Kernbotschaft, dass Betonwände mit Glasfaserstäben eine praktikable, rostfreie Alternative zu Stahl darstellen können, insbesondere in rauen Umgebungen wie Küstenregionen und Industrieanlagen. Diese Wände geben zwar einen modesten Anteil ihrer Tragfähigkeit und Energieaufnahme auf, behalten jedoch ein gleichmäßiges Verhalten nach dem Rissbildungspunkt und eine akzeptable Duktilität bei und vermeiden die langfristigen Schäden durch Stahlkorrosion. Mit sorgfältiger Auslegung, die ihre etwas geringere Festigkeit berücksichtigt, und mithilfe validierter Computermodelle könnten GFK-bewehrte Betonwände Ingenieuren helfen, langlebigere und nachhaltigere Bauwerke zu errichten, die über ihre Lebensdauer weniger Reparaturen benötigen.

Zitation: El-Sayed, T.A., Ibrahim, M.M., Shanour, A.S. et al. Experimental and numerical investigation of the axial compressive behavior of GFRP-reinforced concrete walls under concentric and eccentric loading. Sci Rep 16, 15338 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-52146-x

Schlüsselwörter: GFK bewehrter Beton, axiales Druckverhalten, Tragwände, korrosionsbeständige Bewehrung, Finite-Elemente-Modellierung