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Optimierung von Fugensystemen in Betonfahrbahndecken – Messtechnische Grundlage zur Ermittlung realer Beanspruchungen in situ

Improvement of joint systems in concrete pavements – metrological basis for the determination of real stresses in situ

  • In den letzten Jahren zeigte sich die Verfügbarkeit und reale Lebensdauer von Betonfahrbahndecken, insbesondere im BAB-Netz, im Vergleich zur designten Lebensdauer in zunehmendem Maße als unbefriedigend. Dies ist sicherlich auf die stetige Zunahme des Schwerverkehrs zurückzuführen, die eine höhere Belastung der Konstruktion nach sich zieht, nicht zuletzt aber auch auf die mangelnde Funktionsfähigkeit und Dauerhaftigkeit der Fugen- und Fugenfüllungssysteme zwischen benachbarten Betonfahrbahnplatten. Fugenkonstruktionen und darin angeordnete Fugenfüllsysteme müssen dauerhaft flexibel, lagestabil und robust gegenüber den maßgebenden äußeren Einwirkungen und Beanspruchungen sein und den Fugenspalt vor dem Eindringen von Wasser, Verschmutzungen, Tausalzbeanspruchungen, Öl und sonstigen Substanzen schützen. Es ist nunmehr Stand der Erkenntnisse, dass mangelhafte Fugen-Performance und unzureichendes Gebrauchsverhalten sowie Dauerhaftigkeit von Fugenfüllsystemen direkt mit beeinträchtigter Fahrbahn-Performance und Lebensdauer des Beton-Fahrbahnbelages einhergehen. Geschädigte Betonautobahnen zeigen oftmals Anzeichen einer zuvor eingeschränkten bzw. mangelhaften Funktionalität und Dauerhaftigkeit der Fugenkonstruktion und Fugenfüllung. Eine wesentliche Ursache für diese Erscheinungsbilder sind in den veralteten Dimensionierungs- und Bemessungsregelungen sowie den zu erbringenden Eignungsnachweisen für Fugenkonstruktionen zu suchen. So beruhen die derzeitigen Konstruktions- und Validierungsgrundsätze auf Erkenntnissen, die auf den Wissenstand vergangener Jahrzehnte zurückzuführen sind. Sind spiegeln nicht in ausreichendem Maße den aktuellen Stand der Beton- und Straßenbautechnologie wider. Um diese Wissenslücke zu überbrücken, müssen auf dem Weg zu dauerhaft leistungsfähigen Fugen und Fugenfüllsystemen zunächst die realen Einwirkungen im Bereich der Fugen von hoch beanspruchten Betonfahrbahndecken unter den aktuellen Straßenbaubedingungen und Nutzungsbedingungen aufgeklärt werden. Neben klimatischen und straßentypischen Einwirkungen stellen insbesondere quasistatische saisonale und verkehrsinduzierte dynamische Fugenbewegungen wesentliche Beanspruchungen dar. Voraussetzung zur Aufklärung dieser Fugenbewegungen ist ein neues, innovatives und sensitives Sensorsystem, welches unter den Bedingungen der Autobahnpraxis schnell und sicher in entsprechend beanspruchte Bereiche installiert werden kann und in der Lage ist, stabile und hochaufgelöste Bewegungen in mehrere Raumrichtungen zu erfassen. Das durch die BAM neu entwickelte Sensorsystem ist geeignet, um direkt in die Betonfahrbahndecke integriert zu werden und sowohl über saisonale Messbereiche als auch in hoher Auflösung entsprechende Messwerte online zu erfassen und bereit zu stellen. Das für diesen Zweck entwickelte innovative Sensorsystem kann direkt in die Rollspur auf beiden Seiten der Fuge eingebaut werden und ist dafür ausgelegt, Lkw-Überfahrungen zu widerstehen. Es ist schnell und präzise genug, um die realen Bewegungen in allen drei Raumachsen in Echtzeit erfassen zu können. Die wesentlichen technischen Eigenschaften sind eine Messfrequenz von bis zu 2000 Hz, eine Auflösung von bis zu einem Mikrometer und eine widerstandsfähige Sensorumhausung, die der direkten Überrollung durch Lkw sowie allen chemischen und klimatischen Beanspruchungen in der Praxis standhalten kann. Dieser Forschungsbericht beschreibt das Funktions- und Wirkschema des Sensorsystems und seine Validierung im Labor- und Feldmaßstab. Die mit dem Sensorsystem gewonnenen Daten können eine Grundlage für die Konzeption einer performance-basierten Bewertung von Fugenfüllsystemen in Betondecken von Bundesautobahnen bieten. Sie sind geeignet, die Funktionsmechanismen der verschiedenen Betonfahrbahnkonstruktionen besser zu verstehen und zielgerichtet konstruktive und materialtechnische Optimierungen und Fortentwicklungen von Fugenkonstruktionen und Fugenfüllsystemen in gebrauchsbezogener Weise zu entwickeln. Durch weitere Datenerhebung, -fusion und -analyse können Instandsetzungsintervalle und Lebensdauerzyklen besser abgeschätzt und geplant werden.
  • In the last years, the performance and availability of concrete pavements, especially those in heavy-duty loaded freeways, is unsatisfying in relation to the designed lifetime cycles. Reason for that may be the permanent increase of traffic load, higher stresses in the concrete structure but also the deficient durability of the joint sealing systems linking adjacent slabs. The joint sealing systems need to be durable flexible, water and dirttight and long-lasting position stable to enable safe and comfortable pavement performance and to prevent the concrete road construction from water, gravel, oil and other substances, that emerge on motorways. It is nowadays state of the art that reduced joint performance or earlier joint damage lead to reduced lifetime of concrete freeways respectively limiting its performance and serviceability. The joint designing rules and approval methods with regards to the evaluation of performance and durability were designed based on a databasis of the seventies, which does not reflect neither actual road paving technology nor concrete technology anymore. To overcome the gap of knowledge the real loads in the joint region of concrete pavements have to be explored. Decisive load components are quasi-static seasonal and fast occurring traffic-induced movements of the joints. Pre-condition to explore these movements is a new innovative and sensitive sensor system able to be installed and to endure under the conditions of heavy-loaded concrete freeways. Our new measurement system is able to be integrated in concrete freeways, rolled-over by heavy goods vehicles and is fast and precise enough to measure the displacements of two adjacent slabs in three movement dimensions in real-time. The main features are a test frequency of up to 2000 Hz, a resolution down to 1 µm, an accuracy of 20 µm and better and an enclosure that resists HGV, acid, base, salt, water and dirt. This report describes the new developed sensor system and its approval under laboratory and field conditions. The upcoming data help to explore the real performance of the modern concrete pavements under heavy loading and may be a basis for the development of new and longer-lasting joint systems and joint sealing materials for heavy-duty concrete freeways. Further data analysis may open up an improved forecasting of maintenance actions, scientific based lifetime cycle forecasts and will lead to longer lasting concrete freeways with improved performance features and availability.

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Metadaten
Author:Christoph Recknagel, Stefan Spitzer, Johannes Hoppe, Norman Wenzel, Stephan Pirskawetz
URN:urn:nbn:de:hbz:opus-bast-25464
ISBN:978-3-95606-590-3
ISSN:0943-9323
Series (Serial Number):Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen, Reihe S: Straßenbau (153)
Publisher:Fachverlag NW in der Carl Ed. Schünemann KG
Place of publication:Bremen
Document Type:Book
Language:German
Date of Publication (online):2021/08/17
Date of first publication:2021/08/17
Publishing institution:Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt)
Granting Institution:Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt)
Release Date:2021/08/17
Tag:Bemessung; Betonstraße (Oberbau); Bewehrung; Fuge
Design (overall design)
Number of pages:172
Institutes:Abteilung Straßenbautechnik / Abteilung Straßenbautechnik
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 62 Ingenieurwissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Licence (German):License LogoBASt

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