Für eine fachgerechte Ausführung des Ersatzes oder Teilersatzes von Betonplatten erfordern konventionelle Methoden ein relativ großes Zeitfenster, da die Verkehrsfreigabe ein Erreichen der erforderlichen Materialfestigkeit voraussetzt. Bei akutem Handlungsbedarf wird daher häufig eine temporäre Instandsetzung mit Asphalt vorgenommen. Seit 2012 werden Einsatzmöglichkeiten und -grenzen eines modularen Schnellreparatursystems für partiell geschädigte Betonfahrbahndecken untersucht. Dabei werden industriell vorgefertigte Betonteile in ihren Abmessungen individuell an den Schadensumfang angepasst und eingesetzt. Wichtige Aspekte stellen dabei die präzise Entfernung des geschädigten Altbetons aus der Fahrbahndecke und eine stabile Einbindung und Bettung des eingesetzten Fertigteils in den vorhandenen Straßenaufbau dar. In einem ersten Schritt wurden theoretische und technische Grundlagen erarbeitet sowie die praktische Anwendung in Orientierungsversuchen erprobt. Im Fokus der durchgeführten Untersuchungen stand die Findung der Fertigteilgeometrie im Kontext mit der Instandhaltung/Instandsetzung von geschädigten Plattenecken beziehungsweise Fugenkreuzen. Zudem wurden die Untersuchungen messtechnisch begleitet, um erste allgemeine Aussagen zur Dauerhaftigkeit zu erlangen. Aufbauend auf den gesammelten Erfahrungen erfolgte in einem zweiten Schritt die Optimierung und Weiterentwicklung des Systems. Dies betrifft im Speziellen die Schneidtechnologie zur Herstellung der verfahrensbedingt benötigten Aussparungen. Im Ergebnis entstanden spezielle Arbeitsgeräte, die eine Instandsetzung geschädigter Plattenbereiche mit kreisrunden Betonfertigteilen ermöglichen. Die Praxistauglichkeit wird gegenwärtig in ersten Anwendungen untersucht.

Die Spannungszustände in Betonfahrbahndecken werden von den Temperaturverläufen über den Querschnitt im Kontext mit den Klimadaten, den Materialkennwerten, der Nullspannungstemperatur und der Reibung zwischen Platte und Unterlage beeinflusst. Ziel des Projekts war die Entwicklung eines Informationssystems zur Ermittlung und Prognose dieser Spannungszustände. Zur Realisierung wurden folgende Arbeitsschritte durchgeführt: • Konzipierung eines geeigneten Messverfahrens mit den zu bestimmenden physikalischen Größen, • Recherche bisher in der Praxis angewendeter Mess- und Aufnahmesysteme, • messtechnische Ermittlung erforderlicher Daten und rechnerische Ermittlung der Spannungszustände in der Fahrbahn, • Entwicklung eines Ablaufschemas zur Datenerfassung, -übertragung und -speicherung, • Entwicklung eines Rechenalgorithmus und Softwaretools zur automatischen Datenauswertung mit Anbindung an Klimaprognosedaten sowie Definition von Grenzen, • Modul zur automatisierten Umsetzung von Maßnahmen (z. B. Warnsignale an die Autobahnmeistereien), • Herstellung eines Demonstrators unter Einsatz des gesamten Informations- bzw. Prognosesystems und wissenschaftliche Auswertung. Nach Eruierung der erforderlichen Daten wurden als Demonstratoren an drei Standorten Messstationen zur Erfassung von Fugenbewegungen, Betontemperaturen über den Querschnitt und Klimadaten konzipiert und errichtet bzw. erweitert, deren Daten automatisch in eine Datenbank übermittelt, normalisiert und weiterverarbeitet werden. Es wurde ein Softwaretool für die automatische Datenauswertung entwickelt, das auf Basis von Klimadaten den Temperaturverlauf und qualitative Spannungszustände in der Betondecke berechnet, um dann eine Risikobewertung durchführen zu können. Zur Entscheidungshilfe wurde ein Modul entwickelt, das in der Lage ist, aus der Klimaprognose und den vorliegenden Materialparametern realistische Spannungsprognosen zu berechnen und das jeweilige Niveau zu bewerten. Des Weiteren wurde die Möglichkeit einer automatisierten Deformationsanalyse auf einem 70 m langen Betonfahrbahnabschnitt mit einem Messsystem getestet, mit dem hochauflösende Lasermodelle zur Bewertung der momentanen Deformation im Kontext zu den umgebenden klimatischen Bedingungen erstellt werden.

Gegenstand des Forschungsvorhabens war es, aus den Ergebnissen zerstörungsfrei arbeitender Messsysteme und erweiterten Informationen (z.B. Aufbau, Alter und Zustand der Strecken) eine Systematik zu entwickeln, mit der die Ermittlung von repräsentativen homogenen Abschnitten möglich ist. Auf vier ausgewählten Beton- und drei Asphaltabschnitten erfolgte die Analyse der ZEB-Daten und der nur lückenhaft vorliegenden Bestandsdaten. Parallel dazu erfolgten Messungen mit dem Georadar. Zur Verifizierung der ZEB-Ergebnisse und zur Interpretation der Ergebnisse der Georadarmessungen wurde zusätzlich eine Streckenbegehung mit visueller Zustandserfassung durchgeführt. Gleichzeitig konnten mit der visuellen Zustandserfassung in begrenztem Umfang fehlende Angaben zur Erhaltungsgeschichte der Fahrbahnen gesammelt werden. Anhand von Bohrkernentnahmen wurden Schichtaufbauten und Schichtdicken ermittelt, die einerseits dem Abgleich mit Bestandsdaten und andererseits zur Kalibrierung der Georadarmessungen dienten. Zu den relevanten Einzelmerkmalen hinsichtlich der strukturellen Substanz wurden homogene Abschnitte gebildet, die in einem weiteren Schritt zu übergeordneten homogenen Abschnitten zusammengefasst wurden. Zur Untersuchung dieser Abschnittsbildung wurden FWD-Messungen durchgeführt und die Abschnittsbildung aufgabenbezogen interpretiert. Aus zwei parallel dazu laufenden Forschungsarbeiten wurden die Ergebnisse von Laborversuchen aus den an diesen Strecken entnommenen Bohrkernen zur Untersuchung der übergeordneten Abschnitte hinzugezogen. Im Ergebnis kann festgestellt werden, dass eine Abschnittsbildung für eine spätere Bewertung der strukturellen Substanz prinzipiell erfolgen kann, wenn relevante ZEB-Daten mit einer visuellen Zustandserfassung präzisiert und mit qualitativ hochwertigen Georadardaten kombiniert werden. Letztere müssen momentan jedoch noch mit großem Aufwand ausgewertet werden. FWD-Daten waren bei den untersuchten Strecken als Ergänzung und Präzisierung nur in einigen Fällen sinnvoll. Bei Strecken mit relativ homogenen Randbedingungen und geringem Schädigungsgrad sind statistisch repräsentative Bohrkernentnahmen dennoch erforderlich, um Abschnittsgrenzen von Homogenbereichen zu detektieren, die dann nur noch von den mechanischen Kenngrößen des gebundenen Oberbaus abhängig sind.

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.

Ziel des Projekts war die Entwicklung einer lärmtechnisch optimalen Grindingtextur auf Grundlage existierender theoretischer Berechnungsmodelle und dem Einsatz optimierter Oberbetone. Unter Einbeziehung der Erkenntnisse aus den [FE 08.0210/2010/ORB], [FE 08.0211/2011/OGB], [FE 08.0219/2012/IGB], den zusätzlich zu Testzwecken auf der A 92, der A 93 und der A 13 hergestellten Grinding- und Groovingtexturen, den im Labor für das Grinding entwickelten optimierten Betonrezepturen und den Texturen auf der ersten Erprobungsstrecke auf der A 12 wurden in Computersimulationen mit dem Rechenmodell SPERoN® Grindingtexturen mit optimalen lärmmindernden Eigenschaften entwickelt. Nach kritischer Abwägung der theoretischen Berechnungen hinsichtlich der Anforderungen an die Dauerhaftigkeit und die zu erzielende Griffigkeit der Texturen wurden für eine zweite Erprobungsstrecke auf der A 5 drei verschiedene Grindingvarianten ausgewählt und auf drei verschiedenen Oberbetonen hergestellt. In Zusammenarbeit mit der BASt wurden auf allen in die Untersuchungen einbezogenen Grindingabschnitten umfangreiche Untersuchungen zur Bestimmung der - schalltechnischen Eigenschaften, - anforderungsgerechten Griffigkeit, - anforderungsgerechten Ebenheit, - Dauerhaftigkeit der erzeugten Textur, - Dauerhaftigkeit hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften des Oberbetons durchgeführt. Aus den Ergebnissen aller untersuchten Streckenabschnitte lassen sich folgende Erkenntnisse ziehen: Eine signifikante Lärmminderung durch das Grinding ist bei Einhaltung der vorab definierten Grindingparameter möglich. Der Einfluss der Oberbetone auf die Lärmentwicklung ist als eher gering einzustufen. Aus akustischer Sicht verhalten sich die Abschnitte der Erprobungsstrecken mit kombinierten Grinding- Grooving-Texturen neutral. Der Grindingvorgang sollte nicht zu früh nach der Betonherstellung erfolgen, damit nicht durch die geringe Anfangsfestigkeit des Oberbetons vermehrt Kornausbrüche verursacht werden. Ein langfristiges Monitoring zur Entwicklung des Lärm- und Griffigkeitsverhaltens und zur Dauerhaftigkeit der erzeugten Texturen ist notwendig.

Die in diesem Forschungsprojekt an Asphaltbefestigungen durchgeführten Untersuchungen basieren im Wesentlichen auf einer Bewertung der strukturellen Substanz nach den RSO Asphalt [RSO Asphalt E 15]. Für einen fiktiven Streckenabschnitt, dessen Materialparameter aus den Ergebnissen vorangegangener Forschungsprojekte stammen wurde die Auswirkung unterschiedlicher Abstände des Lasteintragungspunktes zum Fahrbahnrand auf die Dauerhaftigkeit der Befestigung untersucht. Resultierend aus den Abmessungen der Fahrbahnbreiten und Markierungen wurde eine Auswahl der zu betrachtenden, relevanten Abstände des Lasteintragungspunktes zum Fahrbahnrand getroffen. Zur Bewertung der strukturellen Substanz nach den RSO Asphalt [RSO Asphalt E 15] sind die Beanspruchungen (Spannungen und Dehnungen) in den maßgeblichen Nachweispunkten zu bestimmen. Diese können mit der Mehrschichtentheorie oder mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) berechnet werden. Die Anwendung der Mehrschichtentheorie setzt unter anderem voraus, dass die Schichten in horizontaler Richtung unendlich ausgedehnt sind. Für den Regelfall wird angenommen, dass diese Voraussetzung gegeben ist (Berechnung der Beanspruchung nach den RDO Asphalt). Bei den hier untersuchten Laststellungen ist diese Voraussetzung jedoch nicht erfüllt. Die Beanspruchungen wurden deshalb mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) bestimmt. Zunächst wurde das Finite-Elemente-Modell entwickelt, die Berechnungsverfahren nach den RSO implementiert, und beides miteinander verknüpft. Zur Prüfung und Validierung wurden für ein Referenzmodell Berechnungen sowohl auf Grundlage der Mehrschichtentheorie als auch mit der FEM durchgeführt und gegenübergestellt. Die Bewertung aller weiteren Berechnungen erfolgt jeweils in Bezug auf dieses Referenzmodell. Im nächsten Schritt wurde auf Basis des deterministischen Berechnungskonzeptes die Auswirkung des Abstandes der Lasteintragungsstelle zum Rand der befestigten Fläche auf die ertragbare Lastwechselzahl der Asphaltbefestigung untersucht. Darauf aufbauend wurde die Wirksamkeit mehrerer Varianten konstruktiver Maßnahmen zur Verbesserung der Dauerhaftigkeit untersucht. Im Ergebnis dieser Untersuchungen wurden 2 konstruktive Maßnahmen ausgewählt und für diese Bewertungen der Strukturellen Substanz anhand des probabilistischen Verfahrens durchgeführt. Für die Untersuchungen der temporären Nutzung von Randbereichen bei Oberbauten mit Betondecke werden im ersten Schritt rechnerische Dimensionierungen/Nachrechnungen nach dem Verfahren der [RDO Beton 09] vorgenommen. Hierbei kann auf den Erfahrungshintergrund der Dimensionierung der Platten des Hauptfahrstreifens zurückgegriffen werden. Dabei ist auch das Sicherheitsniveau des semiprobabilistischen Verfahrens hinreichend praxiserprobt. Im nächsten Schritt werden mit Hilfe der analytischen Rechenmethode der RDO Beton die Platten des Seitenstreifens dimensioniert, wobei die geringere B-Zahl, die veränderte Plattengeometrie und der freie Plattenrand Berücksichtigung finden. Im Folgeschritt können präzise FEM-Berechnungen angestellt werden, bei denen realistischere Laststellungen berücksichtigt werden. Zur Beibehaltung des Sicherheitsniveaus der RDO Beton wird als gemeinsamer Referenzpunkt die Berechnung im Hauptfahrstreifen ohne Seitenstreifenfreigabe verwendet.

Im Jahr 2018 wurden die Technischen Regeln für Arbeitsstätten ASR A5.2 „Anforderungen an Arbeitsplätze und Verkehrswege auf Baustellen im Grenzbereich zum Straßenverkehr – Straßenbaustellen“ veröffentlicht, um einen verbesserten Arbeitsschutz für Beschäftigte auf Straßenbaustellen zu erreichen. Diese beinhalten Vorgaben zu Arbeits- und Sicherheitsräumen, die sich in Abhängigkeit von Arbeitsstelle, Fahrzeugrückhaltesystem und Maßnahme ergeben. Zudem wurde im Jahr 2021 mit Aktualisierung der „Richtlinien für die verkehrsrechtliche Sicherung von Arbeitsstellen an Straßen“ die Mindestbreite von Behelfsfahrstreifen in Verkehrsführungen erhöht. Bei Berücksichtigung der Mindestbreiten aus beiden Regelwerken und unter Beachtung von Arbeits-breiten notwendiger Maschinen und Geräte herkömmlicher Bauweisen und -verfahren ist ein Aufrechterhalten des Verkehrs auf der betroffenen Fahrbahn bei einigen Regelquerschnitten nicht mehr möglich, sodass zur Durchführung der Arbeiten eine Vollsperrung der Fahrbahn bzw. Richtungsfahrbahn erforderlich wird. Konfliktbetrachtungen sollten zeigen, welche Maßnahmen an Betonfahrbahnen mit möglichst unveränderter Verfügbarkeit durchgeführt werden können bzw. welche Änderungen notwendig sind, um weitreichende Verkehrseinschränkungen aufgrund der Baumaßnahme zu vermeiden. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass eine pauschale Betrachtung nicht möglich und vielmehr der jeweilige Querschnitt als Einzelfall zu betrachten ist. Die im Projekt gemachten Annahmen führten zu dem Ergebnis, dass Einschränkungen der Verfügbarkeit oftmals nicht zu vermeiden waren. Die Betrachtung alternativer Plattengeometrien kam zu dem Ergebnis, dass diese oftmals nicht zu einer Verbesserung der Situation beitragen. Die rechnerischen Untersuchungen haben jedoch gezeigt, dass sich alternative, insbesondere kleinere Plattengeometrien positiv auf Tragfähigkeit und Dauerhaftigkeit der Konstruktion auswirken. Die Fugenanzahl erhöht sich, die Belastungen des Fugensystems sind aber entsprechend geringer, sodass eine längere Nutzbarkeit erwartet werden kann. Der Einsatz von Schnellbeton verringert zwar die Gesamtdauer der Baumaßnahme, bringt jedoch gegenüber „Normalbeton“ keine weiteren Vorteile, da der für die anzusetzenden Arbeitsraumbreiten maßgebende Arbeitsschritt identisch ist. Durch den Einsatz von Fertigteilen, bei deren Einbau Arbeiten über den Fugen den maßgebenden Arbeitsschritt darstellen, kann ein Plattenaustausch in zwei Bauphasen teilweise noch erfolgen während bei Schnellbeton auch mit Längsteilung der Platte kein ausreichender Raum zur Verfügung steht. Fertigteile können daher dazu beitragen, Verkehrseinschränkungen zu reduzieren. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass pauschale Lösungen nicht möglich sind, da sich die Randbedingungen teilweise deutlich unterscheiden. Demnach ist es auch nur schwer möglich, Ergänzungen in den aktuellen Regelwerken vorzunehmen, ohne Parameter festzusetzen. Die nach den ASR A5.2 anzusetzenden Breiten sind nur dann anzuwenden, wenn sich auch tatsächlich Arbeiter in dem entsprechenden Bereich aufhalten. Werden Arbeiten automatisiert bzw. teilautomatisiert ausgeführt und ist kein Personal im Grenzbereich zum fließenden Verkehr notwendig, können Sicherheitsabstände und Arbeitsraumbreiten entfallen. Im Hinblick darauf sind in Zukunft Systeme zu entwickeln, die im Gefahrenbereich eingesetzt werden können. Somit würde mehr Breite der Fahrbahn für den Verkehr und den Arbeitsbereich zur Verfügung stehen. Die Verfügbarkeit von Streckenabschnitten und die Sicherheit auf Arbeitsstellen könnten somit verbessert werden.

Die gezielte Berechnung der erforderlichen Deckendicke für eine vorgesehene normative Nutzungsdauer erfolgt mittels rechnerischer Dimensionierung nach dem Verfahren der [RDO Beton 09] und ist seit einigen Jahren Stand der Wissenschaft und Technik. Die dort formulierten theoretischen Grundlagen und Grundsätze sollen künftig für eine Bewertung der strukturellen Substanz und somit zur rechnerischen Abschätzung der Restsubstanz herangezogen werden. Daher sind die zu Grunde gelegten Stoffmerkmale und das Ermüdungsverhalten des Deckenbetons sowie die Randbedingungen aus Geometrie, Schichtdicken und Unterlage hinsichtlich der Betrachtungsweise bei einer Substanzbewertung zu untersuchen. Das Hauptaugenmerk gilt dabei der zeitlichen Entwicklung der Festigkeit des Betons sowie der Entwicklung unter Ermüdungsbeanspruchung. In zwei großen Komplexen wurde die Festigkeitsentwicklung von im Straßenbau eingesetzten Zementen und Betonen sowie das Ermüdungsverhalten von Straßenbetonen jeweils über einen Zeitraum von 360 Tagen untersucht. Dabei wurden insbesondere die Spaltzugfestigkeiten betrachtet, um eine Zugfestigkeitskenngröße zu untersuchen, die versagensrelevant ist. Zur Überprüfung der Ergebnisse der Laborversuche wurden parallel vier Autobahnabschnitte untersucht und beprobt. Mit Hilfe von visuellen Zustandserfassungen in Kombination mit Georadar- und FWD-Messungen wurde die tatsächlich vorhandene Ausfallrate des Hauptfahrstreifens zum Bewertungszeitpunkt ermittelt. Bohrkernentnahmen aus den Untersuchungsstrecken gaben Aufschluss über die Art und Wirksamkeit der Unterlage und ermöglichten darüber hinaus Labor-untersuchungen der statischen Festigkeit zum Bewertungszeitpunkt sowie nach weiterer Ermüdungsbeanspruchung im Labor. Für die Bewertung der strukturellen Substanz erfolgte zunächst eine rechnerische Überprüfung der Dimensionierung. Die Restsubstanzermittlung führte in ihrer rechnerischen Prognose zu immer unsicherer werdenden Ergebnissen, je größer der Prognosezeitraum angesetzt wurde. Aus diesem Grund wurde das Verfahren mit einem alternativen Ansatz zur Ermittlung der prognostischen Ausfallrate versehen. Dabei wurde mit Hilfe der Hazard-Funktion der qualitative Schadensverlauf, der von Fahrbahndecken aus Beton aus der Praxis bekannt ist, mathematisch gefasst. Die einzelnen Ergebnisse der Substanzbewertung der Untersuchungsstrecken konnten nunmehr für eine rechnerische Prognose der Restsubstanz Im Anschluss konnten die Ergebnisse der Substanzbewertung objektscharf verwendet werden, um die Restsubstanz prognostizieren zu können.