APT with the mobile load simulator MLS10 towards non-destructive pavement structural analysis
(2019)
In 2014 a research program has been started about non-destructive test methods to evaluate the structure of pavements. This task has been given to two research groups - first research group is led by RWTH Aachen University (Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule) and the second by University of Siegen. This paper focuses on the initial findings of the running research program. The assessment of the existing infrastructure and its condition will be one of the main tasks during the next years in order to use the available budget for maintenance accurately and efficiently. Therefore, it is necessary to identify possible damages and examine their effects on the road construction. BASt (Federal Highway Research Institute) is using the Mobile Load Simulator MLS10 for accelerated pavement testing (APT) on different types of pavements. In addition to non-destructive test methods, sensors are applied to measure structural impacts. The overall objective of this research program is to develop a non-destructive test method that allows the calculation of the remaining life time and load cycles of pavements. To simulate realistic wheel loads in a short period of time the MLS10 on German full scale standard pavement constructions has been used. The first pavement test section was loaded with 3 x 10 high 6 50 kN wheel loads while the second, thinner pavement test section was loaded with 3 x 10 high 5 50 kN wheel loads. Both loads are equivalent to the pavement design load. Three different strategies have been used to analyze and monitor structural changes. The innovative measurements have been realized by the two research groups to collect data for their models. The RWTH Aachen collected data with twelve geophones aligned in a row parallel to the wheel path. The geophones measure the entire vertical deflection basin of the pavement surface that exists due to the passing real truck wheels. These measurements were done for different truck speeds and at different transverse distances to the wheel path. The University of Siegen collected data by using acceleration sensors on the surface of the road construction. After recording the data they were integrated into displacement signals and evaluated. Additionally to those measurements BASt used conventional equipment to monitor the pavement structure and surface characteristics. The measurements and evaluation tools used for the innovation program have a high potential to validate APT programs in the future. Based on this research it is possible to start further research activities to push the non-destructive evaluation of pavements structures - not only in APT - into an improved direction.
Aufgrund der Altersstruktur des Brückenbestands und der zunehmenden Verkehrsbelastung besteht die dringende Notwendigkeit viele ältere Brücken im Bundesfernstraßennetz zukunftsfähig zu ertüchtigen. Im Rahmen der Ressortforschung des BMVI und der BASt werden die wesentlichen Aspekte analysiert und erforderliche Verfahren entwickelt. Dies betrifft eine netzweite Risikoanalyse hinsichtlich des Erfordernisses von objektbezogenen Betrachtungen, die Weiterentwicklung der Nachrechnungsformate und Entscheidungshilfen zur Unterstützung der Straßenbauverwaltungen im Hinblick auf die Ertüchtigung des Bestands.
Mit der Forschungsarbeit sollte zur Klärung der Frage beigetragen werden, ob und gegebenenfalls in welcher Richtung und in welchem Ausmaß die Verwendung von Spikesreifen das Unfallgeschehen unmittelbar beeinflussen. Es wurden 3 Untersuchungsgebiete ausgewählt, von denen man annahm, dass die Spikesbenutzung unterschiedlich wäre: 1. Im norddeutschen Flachland: 3 Kreise im Münsterland, 2. Im hügeligen Bergland: 4 Kreise am Vogelsberg, 3. Im Voralpengebiet: 6 Kreise in Südbayern. Im Teil a) des Berichtes werden Verkehrserhebungen beschrieben, mit denen die Fahrleistungen spikesbereifter Fahrzeuge im Winter 1970/71 erfasst worden sind. Der Anteil spikesbereifter Fahrzeuge lag bei 33 % (Gebiet 1) bzw. 50 % (Gebiete 2 und 3). Der Anteil an den Fahrleistungen schwankte zwischen 17 % und 42 % (Einfluss der Witterungsbedingungen). Die Berechnung der Fahrleistungen der spikesbereiften Fahrzeuge wird dargestellt sowie der Anteil an der Gesamtfahrleistung, die Spikesbenutzung in Abhängigkeit von Fahrzeuggröße, Fahrtzweck, Sicherheitsgurt und Fahrweite untersucht. Im Teil b) wird die Unfallbeteiligung spikesbereifter Kfz untersucht. Insgesamt werden 6.107 Unfälle, davon 1.635 mit Personenschaden, erfasst. Fahrzeuge mit Spikesreifen waren gegenüber der Verkehrsbeteiligung unterrepräsentiert (um rd. 35 - 50 %). Die Unfallbeteiligung wird im Hinblick auf Unfallschwere, polizeilich festgestellte Unfallursachen und Abhängigkeit von der Tageszeit untersucht. Außerdem werden die Nebeneinflüsse Lebensalter, Alter der Fahrerlaubnis, Hubraum, Sicherheitsgurt analysiert. Im Anhang wird u.a. das Ergebnis einer Sondererhebung der Meinungen und Erfahrungen der Kfz-Sachverständigen zum Spikesproblem wiedergegeben.
Die Planung des 1973/1974 fertiggestellten Großversuchsstandes für Verschleissmessungen bei der Bundesanstalt für Straßenwesen in Köln umfasste Überlegungen zur Systemwahl, zu den Anforderungen an die Versuchsstraßenbeläge und Prüfräder, zur Prüfanordnung und zur Messausrüstung. Das Ergebnis ist ein Innentrommelprüfstand mit Klimaeinrichtungen, der im Prinzip eine vergrößerte und erweiterte Ausführung des Karlsruher Innentrommelprüfstandes darstellt. Die einseitig offene Trommel (Innendurchmesser etwa 3,85 m), an deren Innenseite in 12 Kassetten der Straßenbelag befestigt ist (es können auch Ausbruchstücke von bituminösen Straßendecken eingesetzt werden), rotiert um eine horizontale Achse (Umfangsgeschwindigkeit bis 150 km/h). Zwei unabhängig voneinander angetriebene Prüfräder laufen im unteren Teil der Trommel innen auf dem Belag ab. Sie sind normal zu ihrer Aufstandfläche belastbar und federnd beweglich und können quer zur Laufrichtung auf verschiedene Laufspuren eingestellt werden. Die Messmöglichkeiten umfassen insbesondere: Verschleiß von Straßenbelägen und Markierungsstoffen, Kraftschluss zwischen Pkw-Reifen und Fahrbahn in Längs- und Querrichtung in Abhängigkeit von Umfangsschlupf und Schräglaufwinkel (auch für Griffigkeitsuntersuchungen an Fahrbahnen), Aquaplaning, Reifenvergleiche in Bezug auf die vorgenannten Aspekte. Als vordringliche Aufgabe wurde im Juli 1974 im Innentrommelprüfstand der Verschleiß von Straßenbelägen unter dem Einfluss verschiedener Winterreifentypen untersucht; Einzelheiten des Prüfprogramms werden mitgeteilt.
Die Anwendbarkeit von Regressionsrechnungen zur Erfassung der Abhängigkeitsbeziehungen zwischen Kenngrößen des Unfallgeschehens und der Verkehrsmenge wurde theoretisch untersucht und empirisch überprüft. Die Ergebnisse betreffen die Transformierbarkeit sowie die Zulässigkeit bestimmter Regressionsrechnungen ohne Gewichtung der Beobachtungsvektoren. Für das Netz der Bundesautobahnen (BAB) wurde mit dem Datenmaterial eines Jahres für fast alle Abschnitte und nach Fahrtrichtungen getrennt eine Ermittlung der Unfallraten der Unfälle mit Personenschaden (URP), vorgenommen. Diesen wurden unter Berücksichtigung einer Reihe von baulichen verkehrlichen Einflussgrößen nach dem Verfahren der multiplen linearen Regression errechnete Erwartungswerte der Unfallraten URP gegenübergestellt. Auf der Grundlage der entsprechenden theoretischen Konzeption wurde hieraus eine Karte der Unfallhäufungen auf BAB erstellt, in der Unfallschwerpunkte ausgewiesen werden. Mit dem Datenmaterial konnte neben einer Untersuchung der Auswirkungen des DTV und verschiedener baulicher Einflussgrößen überprüft werden, welche Auswirkungen ein unterschiedlicher Anteil der Güterverkehr am Gesamtverkehr auf die Höhe der Unfallrate hat. Es ergab sich nur ein geringer Einfluss des Güterverkehrsanteils auf die Unfallrate. Weiter wurde festgestellt, dass es eine Reihe baulicher Bedingungen gibt, welche die Unfallrate der Unfälle mit Personenschaden (URP) deutlich beeinflussen. So konnte unter anderem herausgestellt werden, dass Autobahnen mit 2-streifigen Richtungsfahrbahnen bei Vorhandensein eines Standstreifens eine i.M. wesentlich geringere Unfallrate aufwiesen als bei fehlendem Standstreifen. Mit dem Vorhandensein von Reparaturbaustellen sowie mit zunehmender mittlerer Neigung der Strecke steigt ebenfalls i.M. der Wert von URP. Treffen mehrere der genannten Umstände zusammen, so führt dies zu einem Kumulierungseffekt, ebenso tritt bei Vorliegen ungünstiger baulicher Bedingungen mit wachsendem durchschnittlichen täglichen Verkehr (DTV) i.M. eine deutliche Zunahme von URP auf.
Eine gleichmäßige Verteilung der Streustoffe auf der Fahrbahn gemäß den Bedienervorgaben ist für effektive Winterdienstmaßnahmen eine wesentliche Voraussetzung. Viele in der Winterdienstpraxis eingesetzte Streumaschinen mit der Feuchtsalztechnologie erreichen heute nicht die gewünschte Gleichmäßigkeit der Streustoffverteilung. Die vorhandenen Anforderungen und Prüfverfahren für die Streustoffverteilung (TLG B3) entsprechen nicht mehr den heutigen Praxisanforderungen. Ausgangsbasis in Bezug auf Anforderungen und Prüfverfahren für die Streubildbeurteilungen bei den durchgeführten Untersuchungen waren zwei Arbeitspapiere: der derzeitige Arbeitsstand für eine Europäische Norm zur Streustoffverteilung und ihrer Prüfung sowie Empfehlungen einer Bund-Länder-Arbeitsgruppe zur Qualitätssicherung für Streumaschinen. Letztere schlägt als neues Verfahren das sogenannte Kehrverfahren vor, dessen Wiederholbarkeit in diesem Projekt zu untersuchen war. Beide Arbeitspapiere geben als Anforderungen gleiche durchschnittlich zu streuende Mindestmengen in 1-m-Längsstreifen vor. Bei diesem Verfahren werden unter realen Bedingungen ausgebrachte Streustoffe längs der Fahrtrichtung über eine vorgegebene Länge zusammengekehrt und anschließend in jeweils 1-m-Abschnitten quer zur Fahrtrichtung aufgenommen. Durch Wägung der aufgenommenen Streustoffe lässt sich die Einhaltung der entsprechenden Anforderungen bewerten. Ein entscheidendes Qualitätsmerkmal eines Prüfverfahrens für die Streustoffverteilung ist die sogenannte Wiederfindungsrate der ausgebrachten Streustoffe. In speziellen Versuchen konnte für das Kehrverfahren eine Wiederfindungsrate > 80% für feinkörnige Tausalze sowie >90% für die in Deutschland am meisten verbreiteten Steinsalze nachgewiesen werden. Eine weitere entscheidende Frage für die Ergebnisbewertung ist die Länge einer zu beurteilenden Streufläche. Hier unterscheiden sich beide genannten Arbeitspapiere. Während die Europäische Norm von einer Prüffeldlänge von 10 m ausgeht, fordern die deutschen Empfehlungen eine durchschnittliche Mindeststreudichte in Längsstreifen mit 20 m Länge. Versuche mit bereits im Winterdienst eingesetzten Streumaschinen führten trotz gleicher Bedingungen zu sehr hohen Spannweiten der Ergebnisse. Dabei betrug die Länge der Prüffelder 10 m. Keine Maschine erfüllte dabei die gegenwärtigen Anforderungen. Typprüfungen mit neuen Streumaschinen weisen deutlich bessere Ergebnisse auf. Bis zu einer Geschwindigkeit bis 40 km/h erfüllte ein großer Teil der Streumaschinen die Anforderungen bei einer Prüffeldlaenge von 20 m. Bei höheren Geschwindigkeiten bis 60 km/h wurden die Anforderungen mit Ausnahme eines Ergebnisses nicht erfüllt. Die erzielten Ergebnisspannweiten im Bezug zum Mittelwert betrugen dabei in 85% von über 300 betrachteten Streustreifenabschnitten weniger als 30%. Die Höhe der Abweichung ist dabei unabhängig von den Einstellungen am Bedienpult und der gefahrenen Geschwindigkeit. Eine Ausnahme bildet das asymmetrische Streuen mit einer Breite von 12 m und einer Geschwindigkeit mit 60 km/h. Das Kehrverfahren hat sich bei den durchgeführten Prüfungen für die Überprüfung von Feuchtsalzverteilungen bewährt. Es ist einfach durchführbar, aber aufgrund der Anforderungen an die Prüffeldoberfläche und der notwendigen trockenen Umfeldbedingungen in der Durchführung an zwei sehr einschränkende Voraussetzungen gebunden. Eine Aufnahme des Verfahrens in bestehende Regelwerke der FGSV wird empfohlen. Eine entsprechende Verfahrensbeschreibung ist Ergebnis des Projektes.
Eine effiziente Glättebekämpfung setzt u. a. eine möglichst gleichmäßige Verteilung von Tausalzen in ausreichender Menge voraus. Eine Voraussetzung ist die richtige Eignung der Streumaschine für eine automatische, qualitätsgerechte Ausbringung der Tausalze. Die vorliegenden Anforderungen an Streumaschinen reichen dafür nicht aus. Eine gleichbleibende Streulage bei verschiedenen Streudichten und Fahrgeschwindigkeiten wird nicht gefordert und deshalb von den meisten Streumaschinentypen auch nicht erreicht. Die Streubilder ändern sich unter verschiedenen Einsatzbedingungen in der Praxis meist erheblich. Die Streufahrzeugführer müssen daher während des Einsatzes eine Nachregulierung vornehmen. Dafür müssen Erfahrungen beim Streufahrzeugführer vorhanden sein. Voraussetzung ist eine entsprechende Schulung. Bei Neubeschaffungen von Streumaschinen wird die Forderung nach einer automatischen Einhaltung einer Streubreite bzw. -streifenlage bei verschiedenen Streudichten und Fahrgeschwindigkeiten empfohlen. Einen wesentlichen Einfluss auf die Streubildqualität hat auch das eingesetzte Tausalz. Die Streumaschine muss für das genutzte Tausalz entsprechend justiert sein. Für die Beurteilung von Streubildern für die Feuchtsalzausbringung gab es bisher keine Verfahren zur quantitativen Bestimmung der Streustoffverteilung. Die Ergebnisse der Projektarbeit zeigen, dass die richtige Justierung der Streumaschine und der Einfluss des Fahrtwindes beim Ausbringen zwei wesentliche Einflussgrößen auf die Streustoffverteilung sind. Deshalb sollte die vorgenommene Justierung der Streustoffausbringung visuell bei Hinterherfahrt mit praxisgerechten Fahrgeschwindigkeiten beurteilt und gegebenenfalls korrigiert werden. Dieses Verfahren ist zwar subjektiv, wird jedoch für eine Einschätzung der Streubreite und -streifenlage als hinreichend genau angesehen. Für genauere objektive Beurteilungen wurden im Rahmen der Projektarbeit zwei neue Verfahren untersucht. Mit ihnen ist eine Beurteilung von Feuchtsalzstreubildern bei praxisgerechten Fahrgeschwindigkeiten möglich. Beim ersten Verfahren werden die Streustoffe über Gummimatten ausgebracht und anschließend abschnittsweise aufgesaugt. Beim zweiten Verfahren werden die Streustoffe direkt auf die Fahrbahn ausgebracht und anschließend zusammengekehrt. Anschließend werden die Streustoffe abschnittsweise aufgenommen und verwogen. Das erste Verfahren ist bei der Aufnahme der Streustoffe sehr genau. Es ist aber durch die Herstellung der Prüffläche mit den Gummimatten recht aufwändig, und der Einfluss der andersartigen Oberfläche der Gummimatten auf das Streubild konnte bisher nicht ermittelt werden. Die Durchführung des zweiten Verfahrens ist schneller zu realisieren. Das Zusammenkehren kann aber bei der Beurteilung von Feuchtsalzstreubildern zu größeren Fehlern führen, da zum einen Anteile der verwendeten Tausalzlösung in die Fahrbahn einziehen und zum anderen Teile der Tausalze aufgrund unzureichender Kehrung nicht erfasst werden können. Zur Feststellung der Wiederholbarkeit der Messergebnisse sind weitere Untersuchungen notwendig. Die Ergebnisse der durchgeführten Untersuchungen sind bereits mehrfach publiziert worden. Es wird empfohlen, diese Erkenntnisse auch in einer zu überarbeitenden TLG B3 oder in die vorgesehene Europäische Norm für Streumaschinen und in das Merkblatt für die Überprüfung von Streumaschinen einzuarbeiten. Bei einer breiten Umsetzung der Erkenntnisse durch Hersteller und Anwender wird ein qualitätsgerechteres und sparsameres Ausbringen von Streustoffen erwartet.