22 Entwurf von Verkehrsinfrastruktur
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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 einer von Mitte 1998 bis Anfang 2002 laufenden Erstanwendung eines in Forschungsprojekten entwickelten Pavement Management Systems (PMS) wurde geprüft, inwieweit die Anforderungen der Erhaltungspraxis im Hinblick auf die Benutzerfreundlichkeit und die Ergebnisqualität erfüllt sind. An der PMS-Erstanwendung beteiligten sich alle 13 Flächenländer mit insgesamt 25 Verwaltungseinheiten. Die 3 Stadtstaaten nahmen beobachtend teil. Die zum Abschluss der praktischen Anwendung übermittelten Erfahrungsberichte bestätigten die Brauchbarkeit des Instrumentariums und die Plausibilität der im Ergebnis ausgewiesenen Vorschläge zur Art, Örtlichkeit und zeitlichen Priorität von Erhaltungsmaßnahmen, die nach einer netzweiten Optimierung als Basis für operative und erhaltungsstrategische Fragestellungen dienen können. Die Erstanwendung zur Überprüfung der Praxistauglichkeit des PMS ist vielfach nahtlos in eine Anwendung und teilweise bereits in eine Routineanwendung übergegangen. In circa der Hälfte der beteiligten Länder wird das PMS bereits im operativen Einsatz für die Vorbereitung von Erhaltungsprogrammen verwendet. Durch laufende Verbesserungen wird kurzfristig ein noch zuverlässigeres und komfortableres Instrumentarium verfügbar sein, das im Rahmen der Richtlinien für die Planung von Erhaltungsmaßnahmen an Straßenbefestigungen (RPE-Stra 01) effektive Hilfestellung bei der systematischen Erhaltungsplanung auf Projekt- und Netzebene leisten kann.
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.
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.
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.
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.
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.
Betondecken auf Schottertragschichten sind bewährte Bauweisen. Bei der Anwendung von Schottertragschichten unter Betondecken (STSuB) werden besondere Anforderungen nach TL/ ZTV SoB-StB 04 gestellt. Ob mit Kiestragschichten mit optimiertem Anteil gebrochener Gesteinskörnung die geforderte Umlagerungs- und Erosionsbeständigkeit unter Betondecken erreicht werden kann, wurde an 5 Varianten einer Tragschicht ohne Bindemittel (ToB) untersucht (2 STSuB, 1 Kiestragschicht (KTS), 2 modifizierte Kiestragschichten). Die Anforderungen an die bodenmechanischen Kennwerte (Korngrößenverteilung, Proctordichte, CBR-Wert, Wasserdurchlässigkeit) wurden in der Regel eingehalten. Dauerschwellversuche mit Lastplatte auf ToB, die schweren Baustellenverkehr simulieren sollen, zeigen eine Zunahme der plastischen Verformung der ToB mit dem Logarithmus der Lastwechselzahl, womit eine vergleichende Bewertung ermöglicht wird. Beim Dauerschwingversuch im Großprüfstand mit Betonplatte mit Fuge auf ToB wurde die Belastung der Fugenränder und die Phasenverschiebung so eingestellt, dass die Überfahrt eines schweren Lkw über die Fuge mit stufenweiser Zunahme der Schwingweite in 4 Versuchsphasen simuliert wird. Die gezielte Wasserzugabe über die Fuge führte zu einer starken Zunahme der bleibenden Verformung. Die größere Einsenkung und bleibende Einsenkung am "zuletzt befahrenen" Fugenrand steht in Übereinstimmung mit den Beobachtungen der Stufenbildung in situ (in Fahrtrichtung abwärts), ebenso ein stärkeres Freilegen der groben Gesteinskörnung an der Oberseite infolge Pumpens. Eine Feinkornumlagerung an die Unterseite der ToB konnte aus der Korngrößenverteilung nicht abgelesen werden. Eine tendenzielle Veränderung der Wasserdurchlässigkeit vor und nach dem Dauerschwingversuch war nicht festzustellen. Bei der Versuchsreihe war der CBR-Wert kein geeignetes Kriterium für die Beurteilung der Tragfähigkeit einer ToB unter Betondecken. Von den untersuchten Kiestragschichten wies eine modifizierte Kiestragschicht die beste Eignung für die Anwendung unter einer Betondecke auf. Das korngestufte Baustoffgemisch bestand aus gebrochener Gesteinskörnung <8 mm (Korngruppe 0/2 mm gewaschen) und ungebrochener Gesteinskörnung >8 mm, Erweiterung des Sieblinienbereichs von STSuB bei 2 mm von 28 auf 31 %, Feinanteil < 0,063 mm im eingebauten Zustand <5 Masse %, Wasserdurchlässigkeit in der Laborprüfung mit Durchlässigkeitsbeiwert k ≥ 5,4 • 10-5 m/sec. Eine theoretische Untersuchung zeigte, dass eine Reduzierung des EV2-Wertes einer ToB von 180 auf 150 N/mm2 unter Verkehrslast nur eine geringe Spannungserhöhung in der Betondecke herbeiführt. Bei modifizierten KTS mit einem entsprechend optimierten Anteil an gebrochener Gesteinskörnung kann auch bei Auflagerung auf einer Frostschutzschicht die Anforderung an den Verformungsmodul auf der Oberfläche der ToB mit EV2 ≥ 150 N/mm2 beibehalten werden. Gegen den Einsatz entsprechender ToB unter Betondecken bestehen keine Bedenken.