Effizienz von Verankerungssystemen für Stahlbetonträger, die biegesteif mit basaltfaserverstärkten Polymeren verstärkt wurden

Warum stärkere Träger wichtig sind

Versteckt in Brücken, Parkhäusern und Wohnblöcken tragen Betonträger über Jahrzehnte hinweg stillschweigend schwere Lasten. Mit der Zeit können diese Träger Risse entwickeln und an Tragfähigkeit verlieren, besonders wenn der Verkehr zunimmt oder sich Bauvorschriften ändern. Diese Studie untersucht eine neuere Methode, um müde Betonträger mit dünnen Lagen aus Basaltfasern – einem aus vulkanischem Gestein gewonnenen Material – ein zweites Leben zu geben, und legt den Schwerpunkt darauf, wie diese Lagen so befestigt werden können, dass sie Strukturen tatsächlich sicherer machen.

Neue Hüllen für alten Beton

Ingenieure verstärken bestehende Träger oft, indem sie Faserlagen an der Unterseite aufkleben, ähnlich wie ein schlanker, hochfester Verband. Übliche Lagen bestehen aus Kohlenstoff- oder Glasfasern; basaltfaserverstärktes Polymer (BFRP) bietet eine günstigere und umweltfreundlichere Alternative mit hoher Festigkeit und guter Dauerhaftigkeit. Das Problem ist, dass diese Lagen plötzlich vom Beton ablösen können, bevor sie ihre volle Festigkeit erreichen — ein spröder Versagensmodus, der Material verschwendet und die Sicherheitsgewinne begrenzt. Die Autorinnen und Autoren wollten prüfen, wie verschiedene Befestigungsarten, sogenannte Verankerungssysteme, die BFRP-Lagen fest anhaften lassen, sodass die Träger mehr Last tragen können, ohne unerwartetes Ablösen.

Wie die Versuche aufgebaut waren

Das Forschungsteam fertigte acht Träger in voller Größe, jeder etwas über drei Meter lang, mit identischer Stahlbewehrung im Inneren. Einige Träger blieben unverstärkt als Referenz, während andere zwei oder vier Lagen BFRP über unterschiedliche Längen an der Unterseite bekamen. Zur Sicherung der Lagen testete das Team zwei Hauptverankerungsarten: U-Umschließungen, die das BFRP wie ein Gürtel um die Seiten des Trägers legen, und Dornanker, die BFRP-Fasern zu Bolzen bündeln, die in Bohrlöcher im Beton eingesetzt werden. Alle Träger wurden in einem Laboraufbau mit zwei konzentrierten Lasten solange gebogen, bis sie versagten, während Sensoren Durchbiegung und Rissbild über die Spannweite verfolgten.

Was beim Durchbinden der Träger geschah

Mit zunehmender Last zeigten die Träger zunächst elastisches Verhalten, bildeten dann vertikale Biege­risse zwischen den aufgebrachten Lasten und gaben schließlich nach, als die innere Stahlbewehrung zu fließen begann. Verstärkte Träger waren nach Rissbildung steifer als der Referenzträger, und ihre maximale Biegesteifigkeit stieg um bis zu einem Drittel. Mehr BFRP-Lagen führten jedoch nicht automatisch zu deutlich mehr Tragfähigkeit. In mehreren Fällen lösten sich die Lagen vom Betondeckel, bevor sie rissen, sodass nur ein Teil ihres Potenzials genutzt wurde. Träger mit richtig verankerten Lagen zeigten dichter liegende, aber schmalere Risse, was darauf hindeutet, dass das BFRP die Zugkräfte besser über die Spannweite verteilte.

Warum Verankerung so viel ausmacht

Kern der Studie war der Vergleich von Trägern mit ähnlicher BFRP-Anordnung, aber unterschiedlichen Verankerungsdetails. Wenn die BFRP-Lagen lang genug waren, um die Entwicklungslängen aus den Bemessungsrichtlinien zu erfüllen, verschob sich der Versagensmodus vom Ablösen der Lage zur Rissbildung im BFRP, und die Biegefestigkeit des Trägers stieg gegenüber dem Referenzträger um etwa 29 Prozent. U-Umschließungen erzielten einen ähnlichen Effekt, selbst wenn die verstärkte Länge kürzer war: Sie änderten das Versagen von Enddelamination zu BFRP-Riss und erhöhten die Festigkeit um rund 25 Prozent. Dornanker halfen nur bei großer Einbindetiefe; flache Dornen verhielten sich weitgehend wie keine Verankerung. Insgesamt reduzierte die Verstärkung die Duktilität, das heißt die Träger verformten sich weniger vor dem Versagen, doch der Verlust blieb meist in der Größenordnung von etwa 30 Prozent der ursprünglichen Verformbarkeit des Trägers.

Folgerungen für sicherere Reparaturen

Für technische Laien lautet die wichtigste Erkenntnis: Allein das Aufkleben starker Fasern auf einen schwachen Träger reicht nicht aus. Entscheidend ist, wie diese Fasern am Beton befestigt sind — das bestimmt weitgehend, ob sie im Ernstfall tatsächlich helfen. Basaltfaserlagen können die Tragfähigkeit eines Trägers spürbar erhöhen, aber nur, wenn Planer ausreichende Verklebungs­längen oder wirksame Verankerungen vorsehen, etwa U-Umschließungen, die die Seiten des Trägers umfassen. Dornanker können funktionieren, aber nur, wenn sie tief genug im Beton verankert sind. Die Studie legt nahe, dass Ingenieure mit sorgfältiger Ausführung dieser Verankerungssysteme basaltbasierte Verbundstoffe als praktikables, umweltfreundlicheres Mittel einsetzen können, um die Lebensdauer vieler alltäglicher Betonbauwerke zu verlängern.

Zitation: Aziz, J., Ragab, M., Elgabbas, F. et al. Efficiency of anchorage systems for RC beams strengthened in flexure using basalt fiber reinforced polymers. Sci Rep 16, 16288 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-52540-5

Schlüsselwörter: basaltfaserverstärktes Polymer, Verstärkung von Betonträgern, FRP-Verankerung, U-Umschließungen, strukturelle Nachrüstung