22 Entwurf von Verkehrsinfrastruktur
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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.
Für den Einsatz im Erdbau des Straßenbaus müssen die eingesetzten Geokunststoffe hohen Qualitätsansprüchen genügen. Das Straßenbauregelwerk ist durch die Veröffentlichung der "Zusätzlichen Technischen Vertragsbedingungen und Richtlinien für Erdarbeiten im Straßenbau" (ZTV E-StB 09) in dieser Hinsicht nun vollständig, so dass eine lückenlose Nachverfolgung der Produkte von der Herstellung über die Lieferung bis zum Einbau möglich ist. Wichtig ist jedoch die Einhaltung der Vorschriften und Anforderungen, angefangen beim Hersteller über den Lieferanten, über den Auftragnehmer bis hin zum Auftraggeber, um einen hohen Qualitätsstandard des Produktes und der fertigen Leistung zu garantieren. Hersteller, deren Produkte einer freiwilligen Überwachung unterliegen, können diese Produkte mit einem Qualitätssiegel kennzeichnen und liefern zusammen mit der CE-Kennzeichnung ein Produktzertifikat. Da in diesem Fall auf die Baustoffeingangsprüfung verzichtet werden kann, reduziert sich der finanzielle und zeitliche Prüfaufwand und es wird ein reibungsloser Bauablauf erzielt.
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.
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.
Die Straßeninfrastruktur sieht sich immer größer werdenden Herausforderungen gegenübergestellt. Das Netz der Bundesfernstraßen wird immer älter bei gleichzeitig weiterhin stark ansteigendem Güterverkehrsaufkommen. Um diesen Herausforderungen gerecht zu werden, gilt es, eine dauerhafte Straßeninfrastruktur zur Verfügung zu stellen. Eine entscheidende Rolle wird dabei der bautechnischen und wirtschaftlichen Bewertung von Straßenbefestigungen zuteil, dabei ist der "Blick" in die Straßenkonstruktion selbst von maßgebender Bedeutung. "Was passiert in der Straße?", "Wie kann dies beschrieben werden?" sind dabei die Fragen, die es zu beantworten gilt. Über die Weiterentwicklung der bestehenden Mess-Sensorik eingebunden im Straßenaufbau sowie den Einsatz verschiedener möglichst zerstörungsfreier Messsysteme, zum Beispiel Georadarverfahren, sollen neue Ansätze verfolgt sowie Merkmale und Zustandsgrößen abgeleitet werden, die die strukturelle Substanz des Straßenaufbaus beschreiben. Darüber hinaus gilt es, neue Messverfahren sowie neue Ansätze zur Bewertung der strukturellen Substanz unter möglichst realistischen Umgebungsbedingungen zu erproben und zu validieren. Hierfür bieten sich großmaßstäbliche Untersuchungen unter zeitraffender Belastung an. Diese Möglichkeit bietet die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) in ihrer Modellstraße mit der neuen Belastungseinrichtung, dem Mobile Load Simulator MLS10. Aktuelle Forschungsaktivitäten zu den genannten Forschungsschwerpunkten leisten somit einen wichtigen Beitrag, um den Herausforderungen über die wirtschaftliche Erhaltung und über die Bereitstellung einer dauerhaften Straßeninfrastruktur zu begegnen.
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.
Die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) führt derzeit umfangreiche Versuchsprogramme zur zeitraffenden Belastung auf verschiedenen Straßenbaukonstruktionen mit dem Großversuchsstand Mobile Load Simulator MLS30 (früher unter MLS10 bekannt) in Versuchshallen durch. Die Mobilität der Maschine erlaubt auch Belastungsversuche auf außenliegenden Versuchsflächen, wie dem duraBASt. Während der ersten Versuche, die seit 2013 mit dem MLS30 durchgeführt wurden, konnten signifikante Temperaturveränderungen insbesondere der Belastungsflächen festgestellt werden. Die entsprechenden Daten wurden mit Sensoren aufgezeichnet und Veränderungen mit einer Infrarotkamera sichtbar gemacht. Dazu wurde der MLS30 gemäß Standardvorgaben und in einer modifizierten Betriebsform eingesetzt. Außerdem wurden für die Zeit nach der Belastung zwei unterschiedliche Varianten verwendet und getestet. Die Ergebnisse dieses Forschungsprojekts werden bei den nächsten Versuchsprogrammen berücksichtigt und mit anderen Betreibern von zeitraffenden Belastungseinrichtungen diskutiert. Die Versuche in diesem Forschungsvorhaben konnten belegen, an welchen Stellen Temperatureinflüsse durch die Belastung mittels Mobile Load Simulator MLS30 entstehen, und wie sie sich im Straßenkörper verteilen. Durch die Verwendung einer Infrarotkamera konnte der Aufwärmprozess aus verschiedenen Positionen visualisiert werden. Die nun vorliegenden Kenntnisse über die Temperaturverteilungen und die sich einstellenden Temperaturdifferenzen werden einerseits für die detaillierte Planung von möglichst standardisierten Versuchsprogrammen mit dem MLS30 verwendet und dienen andererseits zur vertieften Interpretation der Ergebnisse aus den Belastungsversuchen. Der Versuch, die Temperaturerhöhung innerhalb des MLS30 mit geringer Modifikation der Luftzufuhr deutlich zu mindern, hat nicht den erwarteten Erfolg gebracht. Es zeigte sich allerdings auch, dass die durch die Radüberrollung hervorgerufene Reibungswärme den maßgeblichen Anteil an der Wärmeentwicklung im Asphalt hat. Die Regulierung der Innenraumtemperatur im MLS30 verliert daher an Bedeutung, wird aber dennoch mit dem Hersteller diskutiert.
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.
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.
EPS-Hartschaumstoffe (expandiertes Poly-Styrol, handelsübliche Bezeichnung "Styropor") werden im Straßenbau in Deutschland schon seit 25 Jahren als Ersatz für Frostschutzschichten erfolgreich angewendet. Seit einigen Jahren liegen aus dem Ausland Erfahrungen mit der Verwendung von EPS-Hartschaum als Ersatz für klassische Dammbaustoffe vor. In der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) sind an Modellstraßen mit EPS im Straßenunterbau Großversuche durchgeführt worden. Auf diesen Grundlagen wurde vom AK 5.12.1 "Leichtbaustoffe" der Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (FGSV) das 1995 erschienene "Merkblatt für die Verwendung von EPS-Hartschaumstoffen beim Bau von Straßendämmen" erarbeitet. Mit EPS-Hartschaum lassen sich wegen seiner sehr geringen Rohdichte von 20 bis 30 kg pro m3 viele standsicherheits- und verformungsrelevante Probleme beim Straßenbau auf wenig tragfähigem Untergrund lösen, wie zum Beispiel bei Rampen an Überführungsbauwerken, bei der Verarbeitung von Straßen oder bei der Sanierung von Setzungsschäden. In dem Beitrag werden Materialeigenschaften von EPS, wie mechanisches, chemisches und biologisches Verhalten, sowie die verschiedenen Bauweisen, die sich hinsichtlich der Höhenlage des EPS-Körpers im Damm unterscheiden, vorgestellt. Außerdem wird über die Ergebnisse von Dauerbelastungsversuchen der BASt an Modellstraßen berichtet, die für unterschiedliche EPS-Überdeckungsarten verschiedene Einstufungen in die Bauklassen nach den RStO 86/89 ergaben. Daraus lassen sich allgemeine Empfehlungen für die Dimensionierung der EPS-Überdeckung bei verschiedenen Randbedingungen ableiten. Anhand zweier Beispiele werden die Bemessungs- und Ausführungskriterien für die Verwendung von EPS-Hartschaumstoff erläutert.