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Bewertung der strukturellen Substanz für die systematische Erhaltungsplanung von Betonfahrbahndecken
(2017)
"Mobilität ist die zentrale Vorrausetzung für wirtschaftliches Wachstum, Beschäftigung und Teilhabe des Einzelnen am gesellschaftlichen Leben". Dieser Leitsatz des BMVI setzt eine intakte und funktionierende Infrastruktur voraus. Im Kontext mit dem Investitionshochlauf in den nächsten Jahren ist das Bundesfernstraßennetz insbesondere ein netzbezogenes systematisches Vorgehen im Rahmen der Baulichen Erhaltung von Relevanz. Bei der Planung von Erneuerungsmaßnahmen ist dabei die Kenntnis über den Zustand der strukturellen Substanz und deren langfristige Entwicklung von zentraler Bedeutung. Nachfolgend wird ein Verfahren vorgestellt, das die mechanisch und statisch abgesicherte Bewertung und Prognose der strukturellen Substanz von Betonfahrbahndecken ermöglicht. Zudem werden die Anwendung und das Vorgehen anhand eines Praxisbeispiels aufgezeigt.
Bewertung der strukturellen Substanz für die systematische Erhaltungsplanung von Betonfahrbahndecken
(2016)
"Mobilität ist zentrale Voraussetzung für wirtschaftliches Wachstum, Beschäftigung und Teilhabe des Einzelnen am gesellschaftlichen Leben." Dieser Leitsatz des BMVI setzt eine intakte und funktionierende Infrastruktur voraus. Im Kontext mit dem Investitionshochlauf in den nächsten Jahren ist für das Bundesfernstraßennetz insbesondere ein netzbezogenes systematisches Vorgehen im Rahmen der Baulichen Erhaltung von Relevanz. Bei der Planung von Erneuerungsmaßnahmen ist dabei die Kenntnis über den Zustand der strukturellen Substanz und deren langfristige Entwicklung von zentraler Bedeutung. Nachfolgend wird ein Verfahren vorgestellt, das die mechanisch und statistisch abgesicherte Bewertung und Prognose der strukturellen Substanz von Betonfahrbahndecken ermöglicht. Zudem werden die Anwendung und das Vorgehen anhand eines Praxisbeispiels aufgezeigt.
In Germany, expenditure for the construction of new and maintenance of existing federal highways is currently at a record level of EUR 8 billion per year. In connection with the planned infrastructure policy reforms it is necessary to further develop the planning tools for dimensioning and substance assessment of road structures in order to increase the efficiency of construction measures. The stress caused by traffic is of central importance here. Since unevenness in the road surface has a significant influence on the dynamic part of the wheel load, dynamic effects must be explicitly taken into account. As a result, increasing unevenness can lead to higher dynamic loads and, in the context of a corresponding number of wheel rollovers, to disproportionate damage to the road structure. In general, a shock factor is taken into account during dimensioning, which is to be considered as a function of vehicle suspension, load, speed and evenness. This approach is not sufficient for concrete road structures executed as slabs. In the normal case, only the periodically occurring individual event of a transverse contraction joint, superimposed by irreversible and/or temporary slab deformations, can lead to a significant increase in the dynamic wheel load. In addition, the existing slab deformations are tied to many boundary conditions and can therefore vary greatly in their characteristics. For the further development of methods for dimensioning and residual substance assessment with regard to their accuracy, a three-dimensional slab-specific view of the road surface is therefore appropriate. In this paper, a suitable measuring method for three-dimensional surface laser scanning and an algorithm for the classification of slab deformations are presented.
Für die Instandsetzung von schadhaften Betonfahrbahnplatten mittels "Heben und/oder Festlegen" werden in zunehmendem Maße Injektionsmaterialien aus Kunststoff verwendet. Aktuell existieren für die Prüfung und Bewertung derartiger Materialien mittels straßenbauspezifischer Kennwerte jedoch noch keine hinlänglichen Erfahrungen und Prüfvorschriften. In Laborversuchen wurden nunmehr geeignete Prüfungen und Auswertalgorithmen entwickelt und zweckgerichtete Festigkeitskennwerte an ausgesuchten Materialien bestimmt sowie erste Anforderungswerte formuliert. Zudem wurden die Wirksamkeit und die Dauerhaftigkeit von Unterpressungen im Hinblick auf das verwendete Injektionsmaterial in Praxisversuchen überprüft. Aus den Ergebnissen der Tragfähigkeitsmessungen ließ sich vorerst folgern, dass durch das Unterpressen von Fahrbahnplatten die Tragfähigkeits- und Lagerungsbedingungen signifikant verbessert werden können. Unterschiede in der kurzfristigen Wirksamkeit - im Hinblick auf das verwendete Injektionsmaterial - konnten hierbei nicht explizit deduziert werden. Vielmehr zeigte sich, dass die Dauerhaftigkeit maßgeblich von den vorliegenden Randbedingungen, das heisst, faktisch von der richtigen Auswahl des Materials abhängt.
Der Einsatz von aus alten Straßen rückgewonnenem Asphaltgranulat in Asphalttragschichten ist in Deutschland Stand der Technik. Aus zahlreichen Studien ist bekannt, dass die mechanischen Eigenschaften der Asphalttragschicht durch die Verwendung von Asphaltgranulat verändert werden. Zur Quantifizierung und Bewertung dieser Veränderung können Performance-Prüfungen herangezogen werden, bei denen im Labor unter definierten Prüfbedingungen das last-, temperatur- und zeitabhängige Materialverhalten von repräsentativen Probekörpern untersucht wird. So erhaltene Kennwerte der mechanischen Asphalteigenschaften finden zunehmend Eingang in die rechnerische Dimensionierung von Asphaltstraßen, mit deren Hilfe die Lebensdauer der Straßenkonstruktion abgeschätzt wird. Dieses Forschungsprojekt ist der Bestimmung der Einflüsse aus der Mischgutherstellung im Labor auf die resultierenden mechanischen Eigenschaften von mit Asphaltgranulat modifiziertem Asphalttragschicht-Mischgut gewidmet. Unter Variation der Herstellungsmodalitäten wurde untersucht, wie Asphalttragschicht-Mischgut mit Asphaltgranulat im Labor möglichst praxisnah hergestellt und daraus Probekörper gewonnen werden können, die vergleichende mechanische Eigenschaften aufweisen, wie das gleiche unter Praxisbedingungen in situ hergestellte und eingebaute Asphaltmischgut. Im Projektverlauf wurden für 2 Varianten an Asphalttragschicht-Mischgut, nämlich
- Asphaltbeton der Sorte AC 32 T S mit unterschiedlichen Asphaltgranulat-Anteilen bei Warmzugabe (Referenz 50 M.-%) und
- Asphaltbeton der Sorte AC 32 T N mit unterschiedlichen Asphaltgranulat-Anteilen bei Kaltzugabe (Referenz 30 M.-%), die Einflüsse auf die resultierenden Performance-Eigenschaften aus unterschiedlichen Labormischverfahren analysiert, nämlich
- Zweiwellen-Zwangsmischer (ZZM), Schlag-Rührmischer (SRM) und Gegenlauf-Zwangsmischer (GZM),
- unter Variation des Zugabeanteils von Asphaltgranulat von 0 bis 60 M.-% bei der Mischgut-Variante 1 (AC 32 T S) und
- unter Variation des Zugabeverfahrens bei Mischgut-Variante 2 (AC 32 T N), nämlich Warm- und Kaltzugabe.
Die durchgeführten Performance-Prüfungen hinsichtlich Steifigkeit, Widerstand gegen Kälterissbildung, Ermüdungswiderstand und Verformungswiderstand bestätigen
frühere Studien dahingehend, dass das Herstellverfahren im Labor die Performance-Eigenschaften von Asphalt signifikant beeinflusst. Bei Wahl einer ausreichend langen Nachmischzeit von mindestens 180 Sekunden wurde nun der Nachweis erbracht, dass Asphaltmischgut mit Asphaltgranulat im Labor möglichst praxisnah mittels Einsatzes eines Zweiwellen-Zwangsmischers oder alternativ mittels eines Gegenlauf-Zwangsmischers hergestellt werden kann (der Zweiwellen-Zwangsmischer ist gegenüber dem Gegenlauf-Zwangsmischer nach Möglichkeit vorzuziehen). Mit Hilfe der im Projektbericht detailliert beschriebenen Vorgehensweise ist nach dem heutigen Stand des Wissens bestmöglich sichergestellt, dass die im Labor hergestellten Probekörper vergleichbare mechanische Eigenschaften aufweisen, wie das gleiche unter Praxisbedingungen in situ hergestellte und eingebaute Asphaltmischgut.
Im Hinblick auf das Lösen werden Boden und Fels nach DIN 18300 beschrieben. Dabei werden bindige Bodenarten in Abhängigkeit von ihrer Konsistenz in unterschiedliche Bodenklassen unterteilt. Bodenarten von leichter bis mittlerer Plastizität und weicher bis halbfester Konsistenz werden der Bodenklasse 4 zugeordnet. Ausgeprägt plastische Tone von weicher bis halbfester Konsistenz gehören der Bodenklasse 5 an. Bodenarten von fester Konsistenz sind der Bodenklasse 6 zuzuordnen. Die Grenze zwischen halbfester und fester Konsistenz ist dabei über die Schrumpfgrenze definiert, die nach DIN 18122-2 bestimmt wird. Da vor allem bei leichtplastischen Böden der Wassergehalt an der Schrumpfgrenze häufig oberhalb des Wassergehaltes an der Ausrollgrenze liegt, kommt es bei der Einordnung bindiger Böden in die Bodenklassen der DIN 18300 häufig zu Unklarheiten, was zu Streitfällen zwischen Auftragnehmer und Auftraggeber führen kann. Das Ziel des Forschungsvorhabens war es deshalb, ein geeigneteres Kriterium zur Einordnung halbfester und fester Böden in die Bodenklassen der DIN 18300 zu erarbeiten und dazu eine Versuchstechnik zu entwickeln. In einem ersten Schritt wurde das Schrumpfverhalten bindiger Böden analysiert und die Versuchstechnik zur Bestimmung der Schrumpfgrenze untersucht. Es hat sich gezeigt, dass bei Böden mit einer Plastizitätszahl IP < 18 % der Wassergehalt an der Schrumpfgrenze in der Regel oberhalb des Wassergehalts an der Ausrollgrenze liegt. Anhand von Untersuchungen zum Schrumpfverhalten an Proben, die bei unterschiedlichen Spannungen vorbelastet worden waren, wurde ausserdem festgestellt, dass der Wassergehalt an der Schrumpfgrenze mit zunehmender Vorbelastung abnimmt. Diese Untersuchungen haben damit bestätigt, dass anhand der nach DIN 18122-2 ermittelten Schrumpfgrenze keine eindeutige Zuordnung in die Bodenklassen 4 und 6 bzw. 5 und 6 möglich ist. Deshalb wurden im Folgenden Untersuchungen zu anderen Kriterien zur Unterscheidung zwischen halbfesten und festen Böden durchgeführt. Hierzu wurden zunächst Untersuchungen zur einaxialen Druckfestigkeit durchgeführt. Da das Herausarbeiten von ungestörten Probekörpern im relevanten Konsistenzbereich aber mit großen Schwierigkeiten verbunden ist, kann die Verwendung der einaxialen Druckfestigkeit zur Einordnung der Bodenklassen nicht empfohlen werden. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden daher im weiteren Verlauf Untersuchungen zu einem einfach durchzuführenden Versuch durchgeführt, der eine Unterscheidung von halbfestem und festem Boden auf Grundlage der Festigkeit ermöglicht. Dazu wurden an aufbereiteten Böden Eindringversuche mit einer Proctornadel und einer Konusspitze durchgeführt. Die Versuchsergebnisse belegen, dass ein klarer Zusammenhang zwischen der Konsistenz und dem Eindringwiderstand besteht und dass eine Bewertung der Festigkeit mit Hilfe dieser Versuche prinzipiell möglich ist. Zur Festlegung konkreter Werte für eine Unterscheidung der Bodenklassen 4, 5 und 6 gemäß DIN 18300 sind jedoch weitere Untersuchungen erforderlich.
Mobility is a central requirement for economic growth, employment and participation of each individual in social life. This basic principle of the BMVI (Federal Ministry of Transport and Digital Infrastructure) requires an intact and functional infrastructure. In a context of increasing investments over the next few years, it will be relevant to develop a network related systematic procedure to be part of the structural maintenance of the federal highway network. In the planning of maintenance measures, the knowledge about the state of structural performance and its long-term development is of central importance. In the following, a method is presented which allows the mechanically and statistically reliable assessment and prognosis of structural performance of concrete pavements. In addition, the application and procedure are applied to a case study.
Die klassische Bestimmung der Dicke des Straßenoberbaus in Deutschland ist eine auf Erfahrungswerten beruhende Kategorisierung der Verkehrswege in Straßenklassen mit standardisierten Aufbauten. Die rechnerische Dimensionierung für Straßen nach [RDO Beton 09] erlaubt es den bekannten, durch Erfahrungswerte belegten Bereich zu erweitern, sodass insbesondere für höhere Verkehrslasten und Sonderverkehrsflächen eine fundierte Dimensionierung des Oberbaus erfolgen kann. Die Berechnung der Lastzustände nach [RDO Beton 09] basiert auf den analytischen Lösungen von Differentialgleichungen. Dies erlaubt eine einfache und schnelle Berechnung der Belastungszustände der Betonplatten. Die Berechnung ist jedoch an Bedingungen gebunden, welche für die Lösung der Differentialgleichungen vorausgesetzt werden müssen. Damit liefern diese Gleichungen nur für einen begrenzten Parameterbereich exakte Ergebnisse. Um die Dimensionierung flexibel handhaben zu können, ist es notwendig, verschiedene Einflüsse pauschal über Anpassungsfaktoren zu berücksichtigen. Die Ergebnisse werden dadurch entsprechend unsicher. Das Berechnungsverfahren nach [RDO Beton 09] erlaubt in diesem Sinne nur eine pauschale Erfassung der Querkraftübertragung in den Fugen, der Vorverformung der Platte, der Lastverteilung im Plattenquerschnitt und des Einflusses mehrerer Radlasten. Auch bezüglich der Plattengeometrie und der detaillierten Erfassung der Einflussfaktoren sind dem Berechnungsmodell enge Grenzen gesetzt. Mit der Nutzung der Finite-Elemente-Methode ist es möglich, diese Defizite des Berechnungsmodells zu beseitigen. Die Dimensionierung wird damit genauer und flexibler. Die FEM bietet außerdem das Potenzial für eine wesentliche Weiterentwicklung des Dimensionierungsverfahrens. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde ein Finite-Elemente-Modell definiert, welches geeignet ist, in einem Dimensionierungsprogramm nach [RDO Beton 09] die Grundlage für die Spannungsberechnung zu bilden. Das Modell umfasst 9 aus Volumenelementen modellierte Platten, einen Volumenblock für den Untergrund, sowie Anker und Dübel. Für die Berechnung des Modells wird das Programm CalculiX aus dem Open-Source-Bereich als Solver verwendet. Mithilfe von systematischen Serienrechnungen wurde das Modell optimiert und validiert. Um die Rechenzeit zu optimieren, wurde für die unterschiedlichen Berechnungsfälle geprüft, ob die Kalkulation der Spannungen an einem reduzierten Modell mit weniger Platten möglich ist. Die Einbindung in die Dimensionierungssoftware AWDSTAKO ermöglicht die FEM-basierte Dimensionierung nach [RDO Beton 09]. An ausgewählten Problemstellungen wurden die neuen Möglichkeiten, welche sich durch die FEM-Berechnung ergeben demonstriert.
Verwendung von selbstverdichtendem Beton (SVB) im Brücken- und Ingenieurbau an Bundesfernstraßen
(2006)
Im Rahmen des Projektes wurden bei zwei Maßnahmen die Herstellung von Bauwerksteilen in Ortbeton und bei einer Maßnahme die Serienherstellung großformatiger Fertigteile aus selbstverdichtendem Beton (SVB) fachtechnisch begleitet. Die dabei gesammelten Erfahrungen konnten durch Auswertung von Fachveröffentlichungen bestätigt und vertieft werden. Die Vorteile von SVB können auch für den Brücken- und Ingenieurbau genutzt werden. Durch das selbsttätige Fließen des SVB, das selbsttätige Entlüften und das Verteilen bis nahezu zum Niveauausgleich können Schäden infolge nicht ausreichender Verdichtung des Betons vermieden und die Oberflächenqualität verbessert werden. Die für konventionellen Rüttelbeton typische, körperlich stark belastende, lärm- und zeitintensive Verdichtungsarbeit entfällt. Zur Herstellung von freien Oberflächen mit Gefälle, die sich bei Brücken und Unterführungen von Bundesfernstraßen aus der Trassierung ergeben oder zur Ableitung des Oberflächenwassers im Beton der Fahrbahntafel des Überbaus erforderlich sind, ist SVB jedoch nicht geeignet. rnDie Herstellung von Bauteilen mit SVB erfordert einen erheblich größeren Aufwand bei Betonherstellung und bauvorbereitenden Maßnahmen als die Herstellung mit konventionel-lem Rüttelbeton. SVB ist wenig robust gegenüber baupraktischen Schwankungen von Ausgangstoffen, Betonherstellung und Einbaubedingungen. Unerwartete Konsistenzschwankungen, Änderung der Verarbeitbarkeitsdauer und Sedimentieren der Gesteinskörnung können bisher nur unter sehr hohem Aufwand (z.B. umfangreiche Vorversuche) sicher vermieden werden. Zur Steigerung der Robustheit von SVB sind bisher schon einige Verbesserungen erkannt und umgesetzt worden. Von einem herkömmlichen "gutmütigen" Rüttelbeton ist sie jedoch noch weit entfernt. Eine Schulung des Personals im Umgang mit dem neuen Baustoff ist unerlässlich. Dem Erfordernis der partnerschaftlichen Zusammenarbeit zwischen Herstellung und Einbau steht die heute übliche Trennung der Verantwortlichkeiten von Betonlieferant und Bauunternehmung gegenüber. Die sehr hohen Erwartungen an die Verbesserung der Sichtbetonqualität konnten nicht immer erfüllt werden. Typische Verdichtungsfehler werden zwar vermieden. Vollständig lunkerfreie und vollständig gleichmäßig gefärbte glatte Oberflächen wurden an Bauwerken in der Praxis jedoch nicht beobachtet.rnDer technologische, planerische und wirtschaftliche Aufwand für die Herstellung von Bauwerken mit SVB ist sehr hoch. SVB ist nicht für jedes Bauwerk im Zuge von Bundesfernstrassen geeignet. Die Wahl der Bauteile und die Einsatzbedingungen vor Ort verlangen deshalb eine umfassende Vorplanung. Die erwartete hohe Ausführungsqualität und der Wegfall der körperlich stark belastenden, lärm- und zeitintensiven Verdichtungsarbeit sind sehr von Vorteil und ein wichtiges Kriterium bei einer Entscheidung für die Verwendung von SVB.rn
Mit dem Ziel die Verkehrssicherheit zu verbessern sowie den intermodalen Verkehr und die Nachhaltigkeit im Straßenbau zu fördern, legten im Jahr 2003 die OECD -Mitgliedsländer ein Verkehrsforschungsprogramm auf. In diesem Rahmen wurde das Projekt \"Beurteilung der Wirtschaftlichkeit langlebiger Straßenbeläge\" initiiert. Phase I dieses Projektes beinhaltete dazu eine internationale Studie. Ein Ergebnis der Studie ist, dass der Einsatz langlebiger Deckschichten trotz anfänglich höherer Baukosten für stark beanspruchte Straßen aufgrund geringerer Unterhaltungsarbeiten und damit Verzögerungen für den Straßennutzer wirtschaftlich vorteilhaft sein können. Darüber hinaus konnten zwei Materialien gefunden werden, die sich derzeit in der Entwicklung befinden beziehungsweise bisher in Kleinprojekten eingesetzt wurden, die den Anforderungen an eine langlebige Deckschicht genügen könnten - Epoxid-Asphalt und zementgebundene Hochleistungsmaterialien (HPCM). Mit einer Phase II wurde die Eignung der beiden Materialien hinsichtlich ihrer Verwendung als langlebige Straßendeckschicht im Labor beurteilt. Dafür wurden zwei Projektgruppen gebildet. Die Projektgruppe zur Entwicklung des HPCM arbeitet unter der Leitung des französischen Forschungsinstitutes Laboratoire Central des Pontes et Chaussées. Teil dieses Berichtes sind die Untersuchungen der Oberflächeneigenschaften des HPCM, die von der BASt selbst durchgeführt beziehungsweise in Auftrag gegeben wurden. Für die Untersuchungen war es erforderlich eigene HPCM-Probekörper herzustellen. Nach umfangreichen Vorversuchen mit dem angelieferten HPCM-Trockenmörtel sowohl mit als auch ohne Faserzugabe konnten Probeplatten mit der vorgegebenen Mörtelschichtdicke von 8 Millimeter zielsicher hergestellt werden. Die von der OECD-Projektgruppe empfohlene Abstreutechnik der groben Gesteinskörnung wurde dahingehend modifiziert, dass wassergesättigte Gesteinskörner manuell aufgestreut und anschließend mit einer nicht klebenden Platte angedrückt worden sind. Dadurch konnte der Kornverlust an der Oberfläche deutlich reduziert werden. Die Oberflächeneigenschaften und deren Verhalten unter den Einflüssen von Witterung und Verkehr wurden im Labor mit Hilfe des kombinierten Labor-Beanspruchungszykluses (Technische Universität München) sowie des Hybridmodells SperOn (Müller BBM) simuliert. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die Mikro- und Makrotextur hinsichtlich des zu erwartenden Griffigkeitsverhaltens der Oberfläche sehr gute Eigenschaften aufweisen. Werden jedoch die Gestalt der Oberfläche, die die akustischen Eigenschaften beeinflusst, mit betrachtet, so weist die Oberfläche eine ungünstige Gestalt auf. Die Eigenschaften der HPCM-Oberfläche sollten unter Berücksichtigung der Hinweise für geräuschreduzierende Oberflächengestaltungen, wie zum Beispiel Reduzierung des Größtkorns oder Ausbildung der Oberfläche als Plateau mit Schluchten, weiter optimiert werden. Darüber hinaus ist das Verhalten der Oberfläche hinsichtlich des Kornverlustes und damit nicht weiter vorhandenem Griffigkeitspotenzial weiter zu untersuchen. Im Rahmen der Phase II werden großformatige Probeflächen mittels Rundlaufprüfanlagen in Frankreich und England untersucht. Die Ergebnisse könnten weiteres Optimierungspotenzial aufzeigen. Der Abschluss des OECD-Projektes, Phase II ist für Sommer 2007 geplant. Im Anschluss an die Phase II ist geplant, diese Ergebnisse sowie die dann verfügbaren Ansätze aus anderen EU-Projekten zu verknüpfen und einen langlebigen Straßenbelag im Originalmaßstab auf einer Versuchsstrecke zu erproben (Phase III).