22 Entwurf von Verkehrsinfrastruktur
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Der Benkelman-Balken zählt zu den weltweit verbreitesten Untersuchungsverfahren zur zerstörungsfreien Ermittlung der elastischen Verformung einer Straßenbefestigung unter statischer Belastung. Der Einfluss unterschiedlicher Temperaturen im bituminös gebundenen Oberbauteil auf die Einsenkungsmesswerte ist allerdings für die in Deutschland festgelegte Messmethodik und die hier vorhandenen Befestigungen noch nicht näher betrachtet worden. Im Rahmen der vorliegenden Untersuchung wird dazu auf theoretischem und empirischem Weg eine eingehende Analyse dieses Einflusses vorgenommen. Auf der Basis umfangreicher Temperaturmessreihen werden schließlich Angaben über die Temperatur in 10 cm Tiefe eines bituminösen Oberbaus in Abhängigkeit von der Jahreszeit und der Oberflächentemperatur abgeleitet. Für Temperaturen über 20 Grad Celsius an der Straßenoberfläche können die Oberbautemperaturen dabei je nach Befestigungsart und Tagesstunde aus Tabellen abgelesen werden. Darauf aufbauend wird eine mittlere Oberbautemperatur definiert, die anschließend als Grundlage von Umrechnungsverfahren für Einsenkungsmesswerte auf eine Standardtemperatur von 20 Grad Celsius dient. Die Verfahren werden für Straßenbefestigungen ohne und mit hydraulisch gebundenen Tragschichten getrennt entwickelt. Dabei kann die mittlere Oberbautemperatur zwischen 5 und 36 Grad Celsius liegen. Einsenkungswerte sind damit untereinander vergleichbar und die Bewertung der Wirkunken anderer Einflüsse im Straßenkörper auf die Tragfähigkeit wird möglich.
In einer Großversuchsanlage der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) werden Dauerbelastungsversuche an Asphalt-Modellstraßen im natürlichen Maßstab 1:1 durchgeführt. Bei diesen Versuchen wird die Verkehrsbelastung durch rollende Räder mit Hilfe von Impulsgebern (pulse generators) simuliert. Die Wirkungen aus Impulsgeber-Belastung und Radüberfahrt können miteinander verglichen werden, wenn als Wirkung der Anteil der bleibenden Verformung im Asphalt berücksichtigt wird, welche auf den rheologischen Normalfall des Kriechens zurückführbar ist. Das Schadensereignis bei allen Dauerbelastungsversuchen war bleibende Verformung in Gestalt von Spurrinnen. Es ergaben sich keine konkreten Hinweise auf Materialermüdung, zum Beispiel durch Ausbildung von Rissen. Es werden zwei Typen der Spurrinnenbildung beobachtet. Der erste Typ kann auf den Normalfall des Kriechens von Asphalt zurückgeführt werden, beim zweiten Typ wird eine "Einfahrphase" beobachtet, in der das ungebundene Material des Untergrundes konsolidiert oder plastische Verformung in der Asphaltschicht stattfindet. In einigen Versuchen wurde die Lastabhängigkeit der Spurrinnenbildung untersucht. Diese Untersuchungen führen auf die Möglichkeiten einer Berechnung der Lastabhängigkeit bei gemischtem Verkehr (Lastäquivalenz). Ebenso wird die Abhängigkeit der Spurrinnenbildung bei gemischten Temperaturen diskutiert. In Abschnitt 7 der Arbeit erfolgt eine vergleichende Darstellung aller Versuchsergebnisse, insbesondere im Hinblick auf die Feststellung von Bauweisen-Äquivalenzen. In Abschnitt 8 wird das Konzept eines Verfahrens zur experimentellen Bemessung von Asphaltbefestigungen dargelegt. In Verbindung mit Dauerbelastungsversuchen wird angestrebt, hieraus die Spurrinnenbildung zu prognostizieren.
Flexible Straßenbefestigungen werden durch den Verkehr mit nichtzeitkonstanten Kräften belastet und reagieren mit nichtzeitkonstanten Spannungen und Dehnungen. Bei linearelastischen Körpern sind Spannung und Dehnung durch ein Modul verknüpft. Für den viskoelastischen Baustoff Asphaltbeton hingegen gilt dies nicht in der herkömmlichen Form: Das "Modul" ist eine von der Temperatur und der Belastungszeit abhängige Funktion. Eine solche Modulfunktion kann zur Beschreibung des viskoelastischen Baustoffes benutzt werden und Materialkennwerte für Bemessungsrechnungen liefern. Hierfür wird häufig der temperaturabhängige absolute Modul /E/ bei einem Frequenzwert von 10 Hz verwendet. Die experimentelle Ermittlung von Modulfunktionen für bituminöse Straßenbaustoffe war das Thema der vorliegenden Arbeit. Hierzu wurden grobe Körper aus Mischgut hergestellt oder aus Ausbruchstücken oder Bohrkernen gesägt und in Belastungseinrichtungen sinusförmigen Kräften unterworfen. Die Probekörpertemperatur wurde variiert. Mehrere einfache Lastfälle wurden benutzt: Ein Biegeversuch, ein Zug-Druckversuch, zwei Schubversuche und ein Torsionsversuch. Nachteil der Belastungseinrichtungen war eine Beschränkung auf geringe Kräfte, Vorteile lagen in der großen Flexibilität und Anpassungsfähigkeit an unterschiedliche Problemstellungen. Durch die Messung von Kräften, Dehnungen und Bewegungen werden die Verformungswiderstände der Probekörper, die Steifigkeiten, bestimmt. Zwischen diesen Werkstückgrößen und den Werkstoffgrößen, den Moduli, schafft ein die Versuchsanordnung beschreibender "Formfaktor" die Verknüpfung. Die Berechtigung, einen solchen mit den Mitteln der Elastizitätstheorie abgeleiteten Formfaktor auch bei viskoelastischen Baustoffen und zeitveränderlichen Belastungen anwenden zu dürfen, wird nachgewiesen. Dabei muss Linearität zwischen Spannung und Dehnung vorausgesetzt werden. Die Querkontraktionszahl, die für linearelastische Stoffe die Verknüpfung der Moduli E und G beschreibt, ist ebenfalls temperatur- und frequenzabhängig. Auch für viskoelastische Stoffe lässt sich eine Verknüpfung zwischen den Modulfunktionen E und G mit Einschränkungen nachweisen. Eine Weiterverarbeitung der experimentell ermittelten Modulfunktionen wird nicht vorgenommen. Es kann hier aber auf eine theoretische Arbeit in der Bundesanstalt für Straßenwesen verwiesen werden, die die gefundenen Modulfunktionen benutzt und zu einem weitgehenden Verständnis des Verhaltens bituminöser Straßenbaustoffe führen konnte.
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.
Im Rahmen der Erhaltung bestehender Straßen ist die Erfassung und Bewertung der Tragfähigkeit von großer Bedeutung. Zu deren Messung stehen statische, quasistatische und dynamische Verfahren zur Verfügung. Seit etwa 20 Jahren wird weltweit die dynamische Messmethode mit dem Falling Weight Deflectometer (FWD) angewendet. Die mit dem Falling Weight Deflectometer (FWD) gemessenen Deflexionen werden meistens unter vereinfachten Annahmen bezüglich der Last, der Materialgesetze für verschiedene Schichten und der dynamischen Effekte analysiert. Um einen Überblick über die wissenschaftlichen Veröffentlichungen zu erhalten, wurde eine Literaturstudie durchgeführt, aus der sich folgende Gliederung ergab: - Arbeits- und Wirkungsweise des FWD, - Rückrechnungsmethoden, - Interpretierbarkeit der FWD-Messergebnisse, - Vergleich verschiedener Rückrechnungsprogramme, - Vergleich verschiedener FWD-Geräte, - Vergleich FWD mit anderen Messverfahren, - Sonstiges. Ein Ergebnis dieser Literaturstudie ist, dass eine theoretische Analyse des FWD-Verfahrens, wie sie in diesem Forschungsvorhaben durchgeführt wurde, noch nicht existiert. Darüber hinaus wurde das FWD-Verfahren detailliert mathematisch-physikalisch analysiert. Anhand der mathematisch-physikalischen Analyse des FWD-Verfahrens wird deutlich, das die E-Moduli elasto-statisch zurückgerechnet werden können. Allerdings kann die Dämpfung ab einer Deflexion von etwa größer gleich 0,4 mm die Messergebnisse des Falling Weight Deflectometer beeinflussen. Wie sich die Dämpfung auf die Messergebnisse auswirkt müsste analysiert werden. Darüber hinaus konnte nachgewiesen werden, dass die Dispersion zu keiner nennenswerten Verfälschung der Impulsform führt. Des weiteren wurden Deflexions-, Einsenkungs- und Krümmungsmessungen auf ehemaligen Untersuchungsstrecken und auf Strecken aus den jungen Bundesländern durchgeführt. Anhand der Messergebnisse auf ehemaligen Untersuchungsstrecken wurden die Schicht-E-Moduli zurückgerechnet und interpretiert. Hierzu wurden folgende Programme verwendet: - Mehrschichtenprogramm, - FWD-Rückrechnungsprogramm, - PROBE90-Programm und - Finite-Element-Programm. Zur Überprüfung der Rückrechnungsergebnisse erfolgten Asphalt-E-Modul-Bestimmungen im Labor.
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.