22 Entwurf von Verkehrsinfrastruktur
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Zur Zustandsbeurteilung von Brückenfahrbahnplatten ist es wichtig, die Feuchte und den Salzgehalt des bewehrten Betons zu kennen. Üblicherweise wird die Versalzung mittels Potenzialmessung bestimmt und durch Laboranalyse von Proben verifiziert. Diese Methode erfordert aber das Entfernen des Fahrbahnbelags. Um eine zerstörungsfreie Bestimmung des Betonzustandes und des Salzgehaltes des Betons mit einem fahrzeugbasierten Messsystem von der Fahrbahn aus durchführen zu können, wurde eine Kombinationsmethode aus Georadar und Magnetfeldmessung entwickelt. Ermittelt man die komplexe Dielektrizitätskonstante (DK) des Baustoffs im Mikrowellen-Bereich, so ist es möglich, über entsprechende Kalibrationskurven seine Feuchte und seinen Salzgehalt abzuleiten. Mit einem 1 GHz-Bodenradar wird die Laufzeit der elektromagnetischen Wellen von der Fahrbahnoberfläche bis zur oberflächennahen Bewehrung bestimmt. Die Tiefe dieser Bewehrungsstähle wird unabhängig durch eine magnetische Gleichfeld-Methode ermittelt. Nach Aufmagnetisierung werden mehrere Gradientenkomponenten des statischen magnetischen Feldes der Bewehrungsbügel gemessen und daraus die Bügeltiefe berechnet. Diese magnetische Tiefenbestimmung ist unabhängig von den dielektrischen Eigenschaften der dazwischen befindlichen Materialien. Durch Vergleich der Radar-Laufzeit mit der magnetisch gemessenen Tiefe lässt sich der Realteil der effektiven DK des überdeckenden Betons bestimmen. Die Analyse der reflektierten Radar-Amplitude erlaubt eine Abschätzung des Salzgehaltes. Zusätzlich wurde ein dielektrischer Resonator für die Feuchte- und Salzgehaltmessung von Baustoffen entwickelt, der aus einer zylindrischen Mikrowellenkeramik hoher DK in einem halboffenen Metallgehäuse besteht. Aus der Messung der Resonanzfrequenz und der Güte beim Aufbringen des Resonators auf den Baustoff lässt sich sein Feuchte- und Salzgehalt ableiten. Die an Beton-Probekörpern bekannter Feuchte und Versalzung durchgeführten experimentellen Untersuchungen bestätigten die Erwartungen. Ein Radar-Magnet-Messwagen wurde entwickelt und auf zwei Brückenbauwerken erfolgreich erprobt. Die effektive komplexe DK konnte gut bestimmt werden.
In den vergangenen Jahrzehnten sind einige Untersuchungsstrecken mit dem Ziel angelegt worden, verschiedene Bauweisen bei gleichen Belastungs- und Umweltbedingungen in einem direkten Vergleich bezüglich ihrer Gleichwertigkeit zu beurteilen und/oder das Verhalten von Bauweisen bei unterschiedlichen Belastungs- und Umweltbedingungen langfristig zu beobachten. Die Untersuchungen an diesen Untersuchungsstrecken dauerten einige Monate bis zu mehreren Jahren. Ziel dieser Arbeit war es, die aus den seinerzeitigen Untersuchungsergebnissen der Untersuchungsstrecken mit zum Teil jahrzehntelanger Liegedauer gezogenen bemessungsrelevanten Schlussfolgerungen zu überprüfen. Ein wesentliches Kriterium für die Auswahl von zehn Untersuchungsstrecken waren der vorhandene Datenumfang und dessen Aufbereitungsgrad. Bei einer Anzahl von zehn Strecken sind die Variationsmöglichkeiten der einzelnen oben genannten Parameter nur gering. Im Zuge der Bearbeitung des Forschungsvorhabens durch elf Forschungseinrichtungen beziehungsweise Einzelpersonen wurden für die Untersuchungsstrecken örtliche Verhältnisse, Verkehrsdaten, Wetterdaten, Schicht- und Materialdaten, Bauklassen, Einsenkungen, Deflexionen, Krümmungen, Ebenheit im Längs- und Querprofil, Fahrbahnoberflächenzustand, Zustand der seitlichen Entwässerungseinrichtungen und Erhaltungsmaßnahmen ermittelt, ausgewertet und in Teilberichten dokumentiert. Die erhobenen Daten wurden in die Datenbank der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) eingespeist und stehen somit allen potentiellen Nutzern zur Verfügung. Die vorhandenen und 1992 bis 1995 erhobenen Daten wurden zur Auswertung miteinander verknüpft. Teilweise wurden Abhängigkeiten nachgewiesen und teilweise, aufgrund der geringen Streckenanzahl, nur tendentielle oder vermutete Abhängigkeiten aufgezeigt.
Durch vergleichende Untersuchungen an einem RC-Baustoffgemisch, bei dem die Gesteinskörnung aus einem AKR-geschädigten Autobahnabschnitt gewonnen worden ist, und einem Referenzgemisch (ohne AKR-Vorschädigung) sollte die Eignung des AKR-RC-Gemisches als Baustoffgemisch für hydraulisch gebundene Tragschichten untersucht werden. Umfassende Untersuchungen zur Charakterisierung der beiden Ausgangsmaterialien, der Baustoffgemische und an daraus hergestellten HGT-Probekörpern wurden durchgeführt. Im Ergebnis der Untersuchungen kann gezeigt werden, dass das AKR-geschädigte RC-Baustoffgemisch bezüglich seiner körnungsspezifischen Eigenschaften das Potenzial für eine Verwendung als Frostschutzschicht und auch für eine hydraulisch gebundene Tragschicht besitzt. Eine entsprechende Klassierung zum Erreichen bzw. Einstellen der nach Norm geforderten Kennwerte ist ohne weiteres möglich. Auch die erreichbaren Druckfestigkeiten des Baustoffgemisches liegen mit deutlich über 10 N/mm2 (im Mittel 15 N/mm2) in einem Bereich, der das Material für den Anwendungsfall HGT interessant erscheinen lässt. An diesen Festigkeiten ändert sich auch signifikant nichts bei Veränderung der Umgebungsbedingungen (erhöhte Temperaturen bis 40-°C, hohe Luftfeuchten bis 100% und Alkalizufuhr). Deutliche Einschränkungen gelten für das Formänderungsverhalten der mit den AKR-geschädigten RC-Baustoffgemischen hergestellten HGT-Proben, insbesondere dann, wenn diese den reaktionsbeschleunigenden Bedingungen einer AKR-Performance-Prüfung ausgesetzt sind. Die an den Baustoffproben gemessenen Dehnungen sind mit ca. 1 mm/m recht hoch, nicht nur im Vergleich zum aktuell geltenden Grenzwert von 0,5 mm/m (der hier nicht anzusetzen ist), insbesondere im Vergleich zu den Messwerten, die am Referenzmaterial ermittelt werden. Anhand des Kurvenverlaufes ist ersichtlich, dass der Dehnungs-Endwert nach 10 Zyklen noch nicht erreicht ist. Als Ursache für dieses Verhalten muss eine Kombination/Überlagerung aus weiterhin stattfindender schädigender AKR (was durch die Untersuchungen unter dem Mikroskop aber nicht zweifelsfrei bestätigt werden konnte) und einer sekundären Ettringitbildung in Betracht gezogen werden. Aus diesen Ergebnissen sollte eine Verwendung von AKR-geschädigten RC-Baustoffgemischen für HGT für jede Baumaßnahme separat bewertet werden.
Bei den Messverfahren für die Tragfähigkeit von Straßenbefestigungen wird bei den jeweils verschiedenen Belastungsarten der Quotient aus der Größe der Last und der sich an der Straßenoberfläche einstellenden vertikalen Einsenkung bestimmt — die Steifigkeit. Anhand der 16 Abschnitte zweier Versuchsstrecken werden die Ergebnisse einer ganzen Anzahl von Tragfähigkeitsmessverfahren miteinander verglichen. Die Verfahren werden beschrieben. Der Verlauf der an der Oberfläche erfassten räumlichen Einsenkungsmulde gestattet im Prinzip die Rückrechnung der Elastizitätsmoduli der einzelnen Schichten einer Straßenbefestigung. Der Grad der Verträglichkeit zwischen gemessenen und mit Hilfe der linearen elastischen Mehrschichtentheorie ermittelten Mulden hängt vom Messverfahren sowie vom Straßenaufbau ab. Für die untersuchten Bauweisen und die verwendeten Messverfahren wird dieser Grad angegeben.
An fünf Forschungseinrichtungen wurden statische und dynamische Versuche durchgeführt, um mit den Ergebnissen ein neues Stoffmodell für Asphalt zu validieren. Zur Untersuchung des Verformungswiderstandes wurden neben Triaxialversuchen mit dynamischer Radialspannung auch Versuche in dem Spurbildungsgerät durchgeführt. Diese Untersuchungen wurden durch Spurbildungsversuche an Ausbauplatten im Großmaßstab mit praxisgerechten Reifen ergänzt. Das Ermüdungsverhalten wurde mittels einaxialer Zug-Schwell-Versuche sowie dynamischer Spaltzugversuche untersucht. Sowohl die dynamischen Spaltzugversuche als auch die einaxialen Zug-Schwell-Versuche sind geeignet, das Ermüdungsverhalten von Asphalt zu untersuchen. Die aus einer Versuchsstraße entnommenen Probekörper wiesen große Unterschiede im Hohlraumgehalt auf, die zu relativ hohen Streuungen der Ergebnisse der Versuche führten. Die Zug-Schwellversuche wurden bei Temperaturen zwischen "15 -°C, -2,5 -°C sowie +10 -°C und die Spaltzugversuche bei "5 -°C, +5 -°C und +20 -°C durchgeführt. Durch Variationen der Prüfbedingungen in den dynamischen Spaltzugversuchen wurde festgestellt, dass das Aufbringen einer Unterlast zur Simulation kryogener Unterspannungen zu einer deutlichen Reduzierung der Resistenz gegenüber Ermüdung führt. Weiterhin konnten Einflüsse durch verschiedene Lastimpuls- und Lastpausenlängen auf das Ermüdungsverhalten nachgewiesen werden. Bei der Ermittlung der statischen Zugfestigkeit und des Elastizitätsmoduls wurden unterschiedliche Aussagen der beiden Versuchsarten festgestellt. Der unterschiedliche Spannungszustand in den Versuchen hat einen großen Einfluss auf die ermittelten Parameter. Mit dem an Hand der Ergebnisse der axialen Zug-Schwell-Versuche validierten Stoffmodell konnte der komplexe Beanspruchungszustand im Spaltzugversuch erfolgreich simuliert werden.
Autobahnfahrbahnen aus unbewehrtem Beton sind durch Quer- und Längsfugen in Plattenelemente mit Standardmaßen unterteilt, wobei die Abmessungen auf Erfahrungswerten beruhen. Im Zuge des Forschungsprojektes wurde das Schwingungs- und Verformungsverhalten einer Betonfahrbahnplatte untersucht, um so Erkenntnisse über das dynamische Verhalten einer Betonfahrbahnplatte unter Verkehr zu erlangen. Zu diesem Zweck wurde eine neuartige Messstelle mit Beschleunigungssensoren zur Erfassung der Plattenbewegung errichtet. Einsenkungsdaten der Platte wurden durch Integration der Beschleunigungswerte bestimmt. Zunächst konnten bei der Auswertung der gemessenen Daten wertvolle Empfehlungen für Verbesserungsmöglichkeiten der Messeinrichtung bezüglich Auswahl, Anzahl, Platzierung der Sensoren, Ausführungsdetails und zweckmäßigerweise zusätzlich zu installierender Messsysteme gewonnen werden. Nach Analyse der Messdaten hinsichtlich Einsenkung und spektraler Leistungsdichte konnte festgestellt werden, dass ein harmonisches Schwingungsverhalten oder ein Nachschwingen der Platte durch die starke Dämpfung des Systems ausgeschlossen werden kann. Des Weiteren wurde ein FE-Modell der Betonplatte mit den realen Abmessungen und Stoffkennwerten erstellt und nach dem Verfahren von Westergaard sowie anhand der Messwerte kalibriert. An diesem können Variationen von Länge, Breite und Höhe der Platte berechnet und das Verhalten bei Überfahrt eines Lkw untersucht werden. Hierbei zeigte sich ein dominanter Einfluss des Untergrundes auf das Schwingungs- und Verformungsverhalten der Betonfahrbahnplatte. Bei Variationen der Plattenlänge konnte ein Einfluss der Länge auf die Relativbewegung in der Fuge ermittelt werden. Hier ist besonders bei Längen von mehr als 5 m eine starke Zunahme zu bemerken. Durch Betrachten des Plattenverhaltens beim Lastübergang zwischen den Platten konnte die Theorie des Pumpens und der dadurch verursachten Stoffumlagerung bestätigt werden.
Im vorliegenden Forschungsvorhaben wird zunächst das aus dem Jahre 2010 stammende Bewertungssystem für Brückenbauwerke (FE 15.494/2010/FRB) überarbeitet. Der erforderliche Anpassungsbedarf wird dabei hauptsächlich aus der bereits durchgeführten Pilotstudie (FE 15.0522/2011/FRB) ermittelt. Zudem finden auch Erkenntnisse aus weiteren Forschungsprojekten der BASt Berücksichtigung. Diese sind z.B. "Konzeptionelle Ansätze zur Nachhaltigkeitsbewertung im Lebenszyklus von Elementen der Straßeninfrastruktur" (FE 09.0162/2011/LRB), "Einheitliche Bewertungskriterien für Elemente der Straßenverkehrsinfrastruktur im Hinblick auf Nachhaltigkeit " Straße und Tunnel" (FE 09.0164/2011/LRB) und "Grundlagen für einen Leitfaden "Nachhaltige Straßeninfrastrukturen" " Anforderungen an Baustoffe, Bauwerke und Realisierungsprozesse der Straßeninfrastrukturen im Hinblick auf Nachhaltigkeit" (FE 09.0179/2011/MRB). Im zweiten Teil des Vorhabens wird mit der Entwicklung eines Pre-Check Systems ein neuer Systembaustein zur Komplettierung des Bewertungssystems für Brücken erarbeitet. Mit Abschluss des vorliegenden Projekts steht damit ein Systempaket für die Bewertung von Brücken in verschiedenen Leistungsphasen nach HOAI zur Verfügung. Nun kann sowohl eine Pre-Check Bewertung in der Leistungsphase 2 durchgeführt werden, als auch ein fertiggestelltes Bauwerk am Ende der Leistungsphase 8 bewertet werden. Die Pre-Check Bewertung kann zukünftig zur Entscheidungsfindung für die Festlegung einer Vorzugsvariante dienen. Nach Fertigstellung der Brücke kann dann die Pre-Check Bewertung mit der Bewertung des fertiggestellten Bauwerks verglichen werden. Hierbei ist besonders die Prognosequalität des Pre-Checks im Hinblick auf das endgültige Bewertungsergebnis für das fertiggestellte Bauwerk interessant. Durch die klare Trennung der Bewertung des Ist-Zustands (fertiggestelltes Bauwerk) von der Prognose der Nachhaltigkeitsqualität im Rahmen des Pre-Check, gewinnt die Bewertung an Transparenz.
In den letzten 29 Jahren bis 2007 nahm die Verkehrsleistung des Straßengüterverkehrs im Gegensatz zu Eisenbahn und Binnenschifffahrt, die im selben Zeitraum kaum Zuwächse verzeichneten, von circa 74 Milliarden Tonnenkilometer (tkm) im Jahre 1978 bis auf knapp 449 Milliarden tkm im Jahre 2007 zu. Das entspricht einer Steigerung auf das Sechsfache oder einer durchschnittlichen jährlichen Zunahme um 6,4 Prozent. Prognosen zufolge wird sie sich bis 2050 auf dann etwa 870 Milliarden tkm fast verdoppeln. Die Ursachen für die vergangene starke Zunahme sind zum einen die Wiedervereinigung Deutschlands im Oktober 1990, die Schaffung des europäischen Binnenmarktes, die Ost-Erweiterung der EU sowie die Liberalisierung des Welthandels. Die Folgen für das geografisch in der Mitte Europas liegende Deutschland in einer erweiterten EU sind nicht nur eine Zunahme des Binnenverkehrs, sondern auch des grenzüberschreitenden und insbesondere des Transitverkehrs. Deutschland ist also auch zukünftig mit deutlich wachsendem Verkehrsaufkommen konfrontiert. Da ein nachfrageadäquater Ausbau des Straßennetzes aus ökonomischen und ökologischen Gründen kaum machbar ist, ist mit zunehmendem Straßengüterverkehr ein Beanspruchungszuwachs der gleichzeitig immer älter werdenden Straßeninfrastruktur verbunden. Zukünftig wird somit ein wesentlicher Anteil der trotz der in die Straßeninfrastruktur zurückfließenden Straßenbenutzungsgebühren nur knapp zur Verfügung stehenden finanziellen Ressourcen in die Erhaltung von Straßen und Brücken investiert werden müssen. Für die Entwicklung von Erhaltungsstrategien und eines optimalen Einsatzes der knappen finanziellen Ressourcen für die Straßenerhaltung, der Einführung neuer Finanzierungskonzepte im Straßenbau (Funktionsbauverträge, A-Modelle und andere) und der rechnerischen Dimensionierung von Verkehrsflächen ist die Kenntnis der aus dem Straßengüterverkehr resultierenden Belastung/Beanspruchung und deren zeitliche und räumliche Entwicklung von grundlegender Bedeutung. Daher entschied Mitte der 1990er Jahre das ehemalige Bundesministerium für Verkehr, Bau- und Wohnungswesen (BMVBW, jetzt Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS)), ein neues repräsentatives Netz zur permanenten Achslasterfassung auf BAB bundesweit zu installieren. Die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) wurde durch das BMVBW mit der Konzeption und der fachlichen Begleitung des Netzaufbaus beauftragt. Das Achslasterfassungsnetz auf BAB wird in vier Ausbaustufen realisiert und soll 40 repräsentative Achslasterfassungsquerschnitte umfassen. Zwei Ausbaustufen mit insgesamt 14 Messquerschnitten und 38 Achslastwaagen sind in acht verschiedenen Bundesländern bereits realisiert. Mit der sukzessiven Inbetriebnahme der zweiten Ausbaustufe des Achslasterfassungsnetzes konnte nun das im Jahr 2000 vom Verfasser entwickelte Modell SVIB-BAB (Berechnung der Schwerverkehrsinduzierten Straßenbelastung/-beanspruchung der BAB), mit dem erstmalig die Berechnung der Straßenbelastung/-beanspruchung des Hauptfahrstreifens von BAB nur anhand der durchschnittlichen täglichen Verkehrsstärke des Schwerverkehrs möglich wurde, aktualisiert und präzisiert werden. Darüber hinaus wurde die Möglichkeit einer Einbindung von an automatischen Dauerzählstellen (603 auf BAB; Stand: 2006) erfassten Verkehrsmengen des Schwerverkehrs geschaffen, die eine Betrachtung der Straßenbelastung/-beanspruchung auf Netzebene erlaubt.
Ziel der Studie ist eine Untersuchung extrem miniaturisierter autarker Mikrosysteme mit Sensoren, die, eingebaut in der Straße, Daten empfangen, verarbeiten, speichern und senden können. Der strukturelle Straßenzustand soll mit solchen Systemen erfasst werden. Die Kommunikation mit den Mikrosensorsystemen muss drahtlos und bidirektional über RFID-Technologie erfolgen. Da die Sensorgröße der Korngröße des Bodens entsprechen soll, ist im Vergleich zu heutigen Systemen eine völlig neue Dimensionierung der Miniaturisierung notwendig. Wichtige Parameter bei der Bewertung der Straße sind Empfindlichkeit, Langzeitstabilität, Selektivität, Einbaugröße, Schnittstelle und die Energieaufnahme. Die in diesem Bericht erwähnten Sensoren erfassen die physikalischen Parameter Temperatur, Bodenfeuchte und Salinität sowie Dehnung, Druck und Beschleunigung. Sie eignen sich aufgrund ihres geringen Energieverbrauchs, oder durch äusserste Robustheit für ein solches Mikrosystem. Aus dem Messen der physikalischen Größen und der Umweltparameter soll eine Bewertung des strukturellen Straßenzustandes entstehen. Die Energieversorgung des Sensorsystems ist ein wichtiger Teil der Studie. Dabei wird die Möglichkeit beschrieben, unter Verwendung von Piezogeneratoren, das Überfahren der eingebetteten Generatoren durch Fahrzeuge als Energielieferant zu nutzen und somit die Gesamtlaufzeit zu verlängern. Des Weiteren werden die verschiedenen Frequenzbereiche der RFID-Technologie und unterschiedliche Techniken von RFID-Transpondern sowie RF-Transceivern erläutert. In diesem Zusammenhang werden die Ergebnisse eines Reichweitentests von in einer Teststrasse eingebrachten Temperaturtranspondern gezeigt. Abschließend werden die Ergebnisse zur Integration der Systembestandteile und das Einbringen des Systems in den Straßenbau aufgezeigt. Ein keramisches Gehäuse bietet ein hohes Potential und erweist sich für diese Anwendung durch seine große Robustheit gegen thermischen und mechanischen Stress am geeignetsten.
Die messtechnische Erfassung der Längsebenheit ist Bestandteil der Zustandserfassung und -bewertung von Fahrbahnoberflächen der Bundesfernstraßen (ZEB). Zur Steigerung der Prozesssicherheit und Gewährleistung der Vergleichbarkeit unterschiedlicher Messsysteme wurde innerhalb dieses Forschungsprojektes ein einheitlicher Auswertealgorithmus zur Ermittlung des Höhenlängsprofils aus den Lasermessdaten entwickelt sowie Anforderungen an die Güte der verwendeten Sensorik abgeleitet. Der entwickelte Auswertealgorithmus basiert auf dem TRRL LR 922, wobei anhand von theoretischen Überlegungen Vereinfachungen und Ergänzungen abgeleitet wurden, um u.a. das HRM-Verfahren an das spezifische Messsystem anzupassen. Empfohlen wird eine Messbalkenlänge von 2m oder 4m. Die algorithmische Höhenlängsprofilbestimmung erfolgt anhand bereits auf ein 10-cm-Raster gemittelter Lasermesswerte und führt in einem abschließenden Schritt eine Trendbereinigung mit einer Grenzwellenlänge von 150m aus. Zur Ableitung der Anforderungen an vorangehende Prozessschritte wurden existierende Messgeräte miteinander verglichen sowie virtuelle Messsysteme simuliert und eine Sensitivitätsanalyse durchgeführt. Anhand der Betrachtung gemessener Höhenlängsprofile konnten Rückschlüsse auf die zugrundeliegende Genauigkeit der Wegerfassung und der Spurtreue gezogen werden. Je nach Fahrbahnbeschaffenheit kann sich eine schlechte Spurtreue oder eine fehlerhafte Wegerfassung stärker auf die Genauigkeit des erfassten Höhenlängsprofils auswirken als der Einfluss des Einzelfehlers der Laserabstandsmessung. Anhand typischer Eigenschaften der Fahrbahnlängsprofile (Unebenheit (Phi(Index h) und Welligkeit w) konnten Vorschläge für die Anforderungen an die Messtechnik abgeleitet werden. So ist eine Lasermessgenauigkeit von unter 0,1mm nicht erforderlich. Die Mittelung der Laserwerte über einen 10cm-Abschnitt erfordert nicht mehr als 10 Werte. Eine Fehlertoleranz der Wegerfassung von 1% ist für die Berechnung des Höhenlängsprofils ausreichend.