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Die Ermittlung einer voraussichtlichen Restnutzungsdauer von Verkehrsbefestigungen und somit der Abschätzung des Eingreifzeitpunkts für eine grundhafte Erneuerung ist ohne die Kenntnis der strukturellen Substanz nur sehr unzureichend zu bewerkstelligen. Mit Vorliegen des Entwurfs zu den "Richtlinien zur Bewertung der strukturellen Substanz des Oberbaus von Verkehrsflächen in Asphaltbauweise" (RSO Asphalt) ist zwar ein hierfuer nutzbares Verfahren verfügbar, allerdings basiert dieses auf der Analyse von Laborversuchen an den aus Streckenabschnitten zu entnehmenden Bohrkernen, wodurch eine netzweite Anwendung nicht praktikabel ist. Um trotzdem einen umfassenden Einsatz zu ermöglichen und eine deutliche Verbesserung gegenüber bisherigen Verfahren herbeizufuehren, können aber begründete Annahmen zu den Materialkennwerten getroffen werden. Alle weiteren Eingangsdaten des Verfahrens decken sich mit denen des bisherigen. Deren Vollständigkeit und Plausibilität muss zukünftig mehr Bedeutung zugemessen werden.
Der Erhaltungsstau der deutschen Verkehrsinfrastruktur hat mittlerweile ein Maß erreicht, das zu spürbaren Problemen im Reise- und Güterverkehr führt. Insbesondere der Zustand der Brücken und der der Straßen im nachgeordneten Netz ist offensichtlich nicht mehr als gut zu bezeichnen. Die Politik hat nach vielen Jahren, in denen die Schwerpunkte des Handelns und Investierens in anderen Bereichen gesehen wurden, nunmehr reagiert und stellt deutlich mehr Finanzen zur Verbesserung der Verkehrsinfrastruktur zur Verfügung. Dies zum Anlass zu nehmen, schlicht die baulichen Aktivitäten erheblich zu intensivieren, führt jedoch zu weiteren gravierenden Beeinträchtigungen der Verfügbarkeit des Verkehrsnetzes. Gefragt sind Anstrengungen, die zu einer Verbesserung der Qualitäten im Straßenbau und damit zu einer Verlängerung der Nutzungsdauern von Schichten und ganzen Befestigungen beitragen, um langfristig eine Reduktion der Beeinträchtigungen für den Verkehr zu erwirken.
Das in den vergangenen Jahrzehnten zu beobachtende und auch für die Zukunft anzunehmende Wachstum der Gütertransportleistung auf den Bundesfernstraßen sowie die allmähliche Einführung von Funktionsbauverträgen, die dem ausführenden Bauunternehmen die Verantwortung für sein Bauwerk über Jahrzehnte in die Hand geben, lässt die Frage nach der Nutzungsdauer von Straßenbefestigungen zunehmend in den Vordergrund treten. Für die Oberbauweisen aus Asphalt werden zur Ermittlung eines Substanzwertes, auf dessen Basis gleichfalls eine Bemessung wie auch eine Restwertbestimmung durchführbar sein soll, zum einen analytische Berechnungsverfahren, zum anderen Verfahren, in denen Ergebnisse aus Ermüdungsversuchen vergleichend bewertet werden, verfolgt. Letzteres Verfahren, das vorrangig für die Bestimmung der Restsubstanz einer bereits langjährig unter Verkehr liegenden Asphaltbefestigung angewendet werden soll, wird im Folgenden vorgestellt.
Der Beitrag gibt einen kurzen Überblick zu den Inhalten und der Struktur der Arbeitsvorhaben der BASt im Jahr 1999. Im Rahmen des internen Arbeitsprogramms verfolgt die BASt als wissenschaftlich-technische Einrichtung des Bundes die sechs langfristigen Ziele: Verbesserung der Effizienz des Baus und der Erhaltung von Straßen, Verbesserung der Effizienz des Baus und der Erhaltung von Brücken und Ingenieurbauwerken, Verbesserung der Verkehrssicherheit, Verbesserung der Effizienz der Straßennutzung, Vermeidung beziehungsweise Minderung der verkehrsbedingten Umweltbelastung und Integration der Straße in das Gesamtsystem Verkehr. Hinter den sechs langfristigen Zielsetzungen, deren Bedeutung im Beitrag anhand von Beispielen kurz begründet wird, stehen sehr vielfältige Aktivitäten, die sich über 28 inhaltlich ausgewiesene Forschungsfelder erstrecken und die sich an die fachlich-organisatorische Struktur der BASt anlehnen. Das Gesamtvolumen der von der Bundesanstalt betreuten externen Forschungsvorhaben und in eigener Regie durchgeführten Forschung wird sich in 1999 auf rund 71 Millionen DM summieren.
Die Ermittlung einer voraussichtlichen Restnutzungsdauer von Verkehrsbefestigungen und somit der Abschätzung des Eingreifzeitpunktes für eine grundhafte Erneuerung ist ohne die Kenntnis der strukturellen Substanz nur sehr unzureichend zu bewerkstelligen. Mit Vorliegen des Entwurfes zu den "Richtlinien zur Bewertung der strukturellen Substanz des Oberbaus von Verkehrsflächen in Asphaltbauweise" (RSO Asphalt) ist zwar ein hierfür nutzbares Verfahren verfügbar, allerdings basiert dieses auf der Analyse von Laborversuchen an den aus Streckenabschnitten zu entnehmenden Bohrkernen, wodurch eine netzweite Anwendung nicht praktikabel ist. Um trotzdem einen umfassenden Einsatz zu ermöglichen und eine deutliche Verbesserung gegenüber bisherigen Verfahren herbeizuführen, können aber begründete Annahmen zu den Materialkennwerten getroffen werden. Alle weiteren Eingangsdaten des Verfahrens decken sich mit denen des bisherigen. Deren Vollständigkeit und Plausibilität muss zukünftig mehr Bedeutung zugemessen werden.
Das vorliegende Forschungsprojekt (FE 89.0288/2013) hatte zur Aufgabe, die Eignung verschiedener Systeme zur flächendeckenden Verdichtungskontrolle beim Einbau von Schichten in Asphaltbauweise zu untersuchen. Auf einer Versuchsstrecke zwischen Pirmasens und Landau wurden hierzu insgesamt 5 Testfelder mit einer Länge von jeweils 1 km angelegt und unter Anwendung herstellerspezifischer Kontrollsysteme verdichtet. Ein Feld diente dabei als Referenz, in dem keine flächendeckende Verdichtungskontrolle vollzogen wurde. Alle zur Beurteilung des Verdichtungserfolgs notwendigen Randparameter wurden kontinuierlich aufgezeichnet und anschließend ausgewertet. Hierzu zählten beispielsweise die Temperatur des Mischguts und der Luft, aber auch die durch Kameraaufnahmen dokumentierten tatsächlichen Walzüberfahrten in jedem Abschnitt. Zusätzlich wurden im Nachgang umfangreiche Kontrollprüfungen und Druck-Schwellversuche zur Bewertung der erreichten Verdichtung durchgeführt. Zusammenfassend lassen sich aus den Ergebnissen des Forschungsprojekts folgende Erkenntnisse gewinnen: - Zwischen dem Referenzfeld und den Feldern mit flächendeckender Verdichtungskontrolle konnten keine gravierenden Abweichungen der erreichten Verdichtungsgrade festgestellt werden. - Die Streuungen der Verdichtungsgrade in den jeweiligen Testfeldern weisen keine signifikanten Unterschiede auf. Die erreichten Verdichtungsgrade werden bei Verwendung von Verdichtungskontrollsystemen mit weniger Walzübergangszahlen erreicht. - Bei Verwendung von Verdichtungskontrollsystemen stellen sich eine homogenere Verteilung von Walzübergängen und damit eine gleichmäßigere Flächenverdichtung ein. Insgesamt konnte dem Einsatz von Systemen zur flächendeckenden Verdichtungskontrolle ein positiver Effekt auf den erreichten Verdichtungserfolg nachgewiesen 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 vom Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS) beauftragte Studie zu den Auswirkungen neuartiger Lastzugkombinationen auf die Infrastruktur, den Verkehrsablauf und die Verkehrssicherheit liegt jetzt vor. Die Untersuchungen der Arbeitsgruppe der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) konzentrieren sich ausschließlich auf die technischen Fragestellungen. Die wesentlichen Ergebnisse: - Eine erhöhte Straßenschädigung ist wegen der zugrunde gelegten neuen Fahrzeugtypen mit acht Achsen nicht zu erwarten. Infolge der prognostizierten allgemeinen Transportleistungssteigerung ist dieser Effekt jedoch von begrenzter Dauer. - Die Beanspruchung der Brücken wird durch 60-Tonnen-Lastzugkombinationen deutlich erhöht, was Ersatz oder Verstärkungen erforderlich machen wird. - Für die Tunnel der Bundesfernstraßen können sich wegen des deutlich größeren Ladevolumens höhere Brandlasten ergeben, mit der Folge erhöhter Anforderungen an die Sicherheitsausstattung. - Probleme bei der Befahrbarkeit von Kreisverkehren, Straßenkreuzungen und -einmündungen sowie Parkplätzen auf Rastanlagen werden sich infolge der größeren Fahrzeuglängen ergeben. Durch zusätzliche fahrzeugtechnische Einrichtungen - wie Lenkachse oder zusätzliche Gelenke - können diese gemindert werden. - Nach den vorliegenden Erfahrungen aus dem Ausland sind für ausreichend motorisierte und mit zuverlässigen Bremsanlagen ausgerüstete Transportfahrzeuge keine gravierenden Probleme hinsichtlich des Verkehrsablaufs und der Verkehrssicherheit auf Autobahnen zu erwarten. Im nachgeordneten Straßennetz (insbesondere Landes-, Kreis- und Gemeindestraßen) ist mit negativen Auswirkungen der Lastzugkombinationen sowohl auf die Verkehrssicherheit als auch auf die Leistungsfähigkeit der Straßen zu rechnen. So muss beispielsweise mit längeren Überholwegen und längeren Räumzeiten - etwa beim Abbiegen und an Bahnübergängen - gerechnet werden. - Die derzeitigen Schutz- und Rückhaltesysteme sind nicht für 60-Tonnen-Lastzugkombinationen ausgelegt. Derartige Rückhaltesysteme müssten erst entwickelt werden. Aufgrund der höheren Fahrzeuggewichte könnte die Unfallschwere bei Auffahrunfällen deutlich zunehmen. Moderne Fahrerassistenzsysteme (Spurhalteassistent sowie Bremsassistent mit Abstandsradar) könnten jedoch grundsätzlich dazu beitragen, sowohl Unfallrisiko als auch Unfallschwere zu verringern.
Der Autor beleuchtet die aktuelle Situation am Arbeitsmarkt und die universitäre Ausbildung. Zum einen stehen, da 45% der Bauingenieure älter als 50 Jahre sind, Unternehmen und der öffentliche Dienst im Wettbewerb um gut ausgebildete Absolventen. Zum anderen müssen Ausbildungsinhalte und der Ausbildungsstandard (Bachelor/Master) Schritt halten mit den anspruchsvoller werdenden Tätigkeiten. Erfordernisse, um die Attraktivität des Berufs des Straßenbauingenieurs zu verdeutlichen, werden aufgezeigt.
Bereits vor rund zwanzig Jahren wurde die Entwicklung einer bundeslandübergreifenden Erhaltungsstrategie für Verkehrsflächen und Ingenieurbauwerke auf Netzebene angegangen. Zwischenzeitlich sind hierfür Erfassungs- und Bewertungsverfahren erarbeitet worden und in Betrieb. Aufbauend auf den guten Erfahrungen, die mit den bestehenden Managementsystemen gemacht wurden, erscheint es somit folgerichtig für die bislang vernachlässigten sonstigen Anlagenteile der Straße ein eigenständiges Asset Management zu entwickeln. Um die hierfür notwendige Datengrundlage zu schaffen, wurde in dem vorliegenden Forschungsprojekt mittels Literaturrecherche und bundesweiter Befragung von Verantwortlichen Erhaltungskostensätze, Nutzungsdauern sowie Ausstattungsquoten für die sonstigen Anlagenteile " beispielsweise Lichtsignalanlagen oder Schutzeinrichtungen " erhoben. Die Ergebnisse der Umfrage fußten in der Festlegung von für ein Asset Management relevanten sonstigen Anlagenteile sowie einer Untergliederung dieser in einzelne Aggregate. An den jeweiligen Anlagenteilen/Aggregaten konnten dann Leistungen der Instandhaltung, Instandsetzung und Erneuerung definiert werden, die in Kombination mit den Nutzungsdauern und den Ausstattungsquoten eine Kalkulation der benötigten finanziellen Aufwendungen für die Erhaltung der sonstigen Anlagenteile ermöglichen. Weiterer Forschungsbedarf besteht von allem bei der Verbesserung und Verdichtung der Datengrundlage sowie die Umsetzung in einem Computer-Programm nach dem Prinzip des PMS und BMS.
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.
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.
