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.
Nach aktuellem Stand wird bei der Zustandserfassung und -bewertung (ZEB) der Bundesfernstraßen die Zustandsgröße "Spektrales Unebenheitsmaß" - abgekürzt AUN (für Allgemeine Unebenheit) - als alleiniges Kriterium zur Beurteilung der Längsebenheit herangezogen. Erfahrungen haben gezeigt, dass regellose Längsunebenheiten dadurch im Allgemeinen hinreichend charakterisiert werden können. Einzelhindernisse jedoch und periodische Unebenheitsausprägungen, wie sie beispielsweise bei Plattenversätzen älterer Betonfahrbahnen vorkommen, werden durch die AUN nur unzureichend beschrieben. Im Rahmen der Verbesserung des Verfahrens wird daher der Vorschlag gemacht, die Auswertung der Längsprofile im Rahmen der ZEB künftig auf zwei Säulen zu stellen: die Bewertung der Geometrie (bisher nur durch die AUN) und der von ihr verursachten Wirkungen. Ein neuer Längsebenheitsindikator, der "Längsebenheitswirkindex" (LWI) wird vorgeschlagen. Er basiert auf der Auswertung dreier Bewertungskriterien für die Ebenheit: der Beanspruchung der Straße, des Fahrers und des Ladegutes. Die Untersuchungen zeigen, dass der LWI Periodizitäten und Einzelhindernisse detektieren und angemessen bewerten kann und damit die Lücke, die das derzeitige Verfahren aufweist, in geeigneter Weise zu schließen vermag. Mit dem LWI ist ein aussagekräftiger, einfacher und universeller Längsebenheitsindikator gefunden worden, der sich harmonisch in das bisherige Bewertungskonzept der ZEB einfügt und dieses im Hinblick auf die Auswirkungen der Unebenheit in sinnvoller Weise ergänzt.
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.
Der Bewertung der strukturellen Substanz von Straßenaufbauten kommt im Rahmen einer wirtschaftlichen Erhaltungsplanung eine entscheidende Bedeutung zu. Die vorhandenen Zustandsdaten aus der regelmäßigen Zustandserfassung und -bewertung (ZEB) bieten hierfür eine gute Grundlage, beschränken sich allerdings auf die Bewertung von Oberflächeneigenschaften. Die Messung der Tragfähigkeit stellt daher einen wichtigen Baustein bei der Bewertung der strukturellen Substanz dar, ist allerdings bei den etablierten Messverfahren aufgrund der Messgeschwindigkeit und der damit gegebenenfalls verbundenen Behinderung des fließenden Verkehrs eher auf Objektebene einsetzbar. Mit dem im letzten Jahrzehnt entwickelten Traffic Speed Deflectometer (TSD) sind nun schnellfahrende Tragfähigkeitsmessungen möglich. Im Rahmen eines Pilotprojekts im Freistaat Bayern wurde die Anwendbarkeit des TSD im Vergleich zu anderen Messverfahren auf Bundesautobahnen, Bundesstraßen und Staatsstraßen untersucht.
Derzeit beruht das Erhaltungsmanagement von Brücken vornehmlich auf turnusmäßigen visuellen Bauwerksprüfungen. Schäden werden häufig erst entdeckt, wenn sie offensichtlich sind - was unwirtschaftlich ist. Schäden und kritische Reaktionen des Bauwerks kündigen sich allerdings oftmals schon im Inneren der Struktur, in nicht einsehbaren Bereichen und durch die tatsächlich vorliegenden, aber oft nicht genau bekannten Einwirkungen auf das Bauwerk an. Bestands- und Neubau-Brücken sollten daher in der Lage sein, bereits frühzeitig und ergänzend zu den Bauwerksprüfungen Auskunft über ihren Zustand und dessen Entwicklung geben zu können. Benötigt werden hierzu flexible und modular anpassbare Systeme zur messtechnischen Unterstützung in und am Bauwerk, differenzierte Bewertungsverfahren und ein entsprechend erweitertes Erhaltungsmanagement. Hinsichtlich einer messtechnischen Instrumentierung am Bauwerk sind zum einen leistungsfähige und dauerhafte Sensorik zur Erfassung von Einwirkungen und Bauteilreaktionen an diesem sowie zum anderen eine intelligente Messdatenverarbeitung zur Plausibilisierung, Fusion, Interpolation und Reduktion von Sensordatenströmen vor Ort erforderlich. Der Beitrag fasst im Rahmen aktueller Forschung untersuchte Ansätze und Realisierungsmöglichkeiten zur Sensordatenanalyse und -überwachung - wie sie insbesondere zur Sicherstellung belastbarer, stark fehlerminimierter Zustandsinformationen erforderlich sind - unter praktischen Gesichtspunkten einer Umsetzung bei der Überwachung von Brückenbauwerken zusammen. Verschiedene Verfahrensansätze werden hinsichtlich Einsatzbereich, Aufwand und Nutzen diskutiert. Die gewonnenen Erkenntnisse sind von allgemeiner Bedeutung und daher auf andere Bereiche des Erhaltungsmanagements von Infrastruktur übertragbar.
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.
Sowohl im Bereich der invasiven, nicht zerstörungsfrei arbeitenden Methoden als auch bei den zerstörungsfrei und schnellfahrenden Techniken und Methoden ist in den letzten Jahren ein deutlicher Innovationsschub erkennbar. Mit diesen Methoden und Techniken wird das Ziel verfolgt, vergleichbare und hochwertige Substanzbewertungsverfahren sowohl fuer die Objekt- als auch die Netzebene aufzustellen. Der FGSV-Arbeitsausschuss "Substanzbewertung", seine Arbeitskreise, verschiedenste Forschungseinrichtungen und die BASt arbeiten gemeinsam daran, diese Methoden und Techniken zu evaluieren, zu standardisieren und auch neue Methoden und Techniken aufzustellen. Da die Fragestellungen der Substanzbewertung derzeit weltweit ein sehr beachtetes Thema darstellen, erfolgt die Bearbeitung oftmals im engen internationalen Austausch. Der Beitrag fasst den aktuellen Stand der Technik sowohl invasiv arbeitender Methoden als auch der zerstörungsfrei arbeitenden Methoden zusammen und zeigt, welche Potenziale und Grenzen hierbei noch zu bewerten sind. Des Weiteren wird ein Ausblick auf neue Methoden, Forschungsprojekte und Wissensdokumente gegeben.
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.