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Inkrementelle Berechnungsmethode zur Beschreibung der strukturellen Schädigung von Asphaltbeton
(2016)
Es existieren erhebliche Diskrepanzen zwischen labortechnischen, analytischen und Feld-Performance-Untersuchungen bezüglich der Entwicklung verschiedener Zustandsgrößen (Schädigungen) von Asphaltbefestigungen in Abhängigkeit von der Zeit. Es gibt mehrere Gründe, weshalb sich die im Labor ermittelten Funktionen zur Beschreibung der Schadensentwicklung nicht mit den realen Entwicklungen in Übereinstimmung bringen lassen. Gegenwärtige Asphalt-Performance-Modelle können die Eigenschaftsänderungen von Baustoffen und Asphaltschichten in Abhängigkeit von Zeit, Verkehrsbelastung und Klima in der Regel nicht genau beschreiben. Daher kann die Schadensentwicklung von Asphaltbefestigungen mit diesen Modellen nur bedingt prognostiziert werden. Alterungsbedingte Veränderungen der Asphalteigenschaften wurden bislang nicht in die Modellbildung mit einbezogen, sodass bislang keine inkrementellen Methoden zur Berücksichtigung der alterungsbedingten Änderung der Materialkenngrößen existierten. Eine Berechnung der Auswirkungen der Materialveränderung durch Alterung auf die Schädigungsmechanismen erfordert eine Modellierung auf der Basis von Zeitinkrementen. Um solche Zeitinkremente sinnvoll einsetzen zu können, ist die Kenntnis der Änderungen der Asphalteigenschaften in Abhängigkeit von der Zeit erforderlich. Der Beitrag stellt Forschungsergebnisse zur Entwicklung und Validierung einer neuen inkrementellen Methode für mechanische Schädigungsmodelle von Asphaltbefestigungen vor. Diese Methode kann die inkrementellen Veränderungen der mechanischen und Performance-Eigenschaften von Asphalt berücksichtigen und somit die daraus resultierende Reaktion über den Verlauf der Nutzungsdauer beschreiben, was einen wesentlichen Beitrag zur Entwicklung eines neuen rechnerischen Prognoseverfahrens für die Nutzungsdauer von Asphaltbefestigungen darstellt.
Die Berücksichtigung aller Einflüsse im gesamten Lebenszyklus einer Brücke bildet die Grundlage für Nachhaltigkeitsanalysen. Hierfür müssen Instandhaltungsszenarien auf Basis von Erneuerungszyklen für die einzelnen Bauteilgruppen " das sind Lager, Fahrbahnübergänge, Kappen etc. " definiert werden. Dieser Beitrag leitet drei Strategien für den deutschen Raum her, die für die Nachhaltigkeitsbewertung von Brückenbauwerken angewendet werden können. Die Auswertungen der in Deutschland vorhandenen empirischen Datenbasis bildet hierfür die Grundlage. Zwei Strategien werden abschließend an einer Referenzbrücke als Autobahnüberführung in Integralbauweise zur Anwendung gebracht und mit Hilfe einer Ökobilanzierung, als Teil einer Nachhaltigkeitsanalyse, aus ökologischer Sicht bewertet.
Durch die in den letzten Jahren enorm gestiegenen Verkehrsbelastungen und damit einhergehenden gestiegenen lokalen Beanspruchungen im Deckblech kommt es bei bestehenden Stahlbrücken mit orthotropen Fahrbahnplatten vermehrt zu Ermüdungsschäden im Bereich der geschweißten Anschlüsse der Längsrippen an das Deckblech (Kategorie-1-Schäden). Der vorliegende Beitrag gibt einen Übernblick über existierende Verstärkungsmaßnahmen, die bereits in Pilotprojekten erprobt wurden sowie aktuelle Forschungsarbeiten zur Verstärkung von orthotropen Fahrbahnplatten mit Kategorie-1-Schaeden.
Die Straßenverkehrsinfrastruktur und der Straßenverkehr müssen sich künftig neuen Herausforderungen stellen, wie dem technologischen, demografischen und klimatischen Wandel. Im Hinblick auf den projizierten Klimawandel entwickelte die BASt eine Strategie zur "Adaptation der Straßenverkehrsinfrastruktur an den Klimawandel (AdSVIS)". Diese Strategie soll dazu beitragen, die Verwundbarkeit des Straßenwesens gegenüber den negativen Folgen des Klimawandels durch Anwendung geeigneter Adaptationsmaßnahmen zu mindern. Um das Ziel zu erreichen, wurden vielfältige Projekte initiiert. Den zentralen Punkt der Anpassungsstrategie stellt dabei das Projekt "Risikoanalyse wichtiger Güter- und Transitverkehrsachsen unter Einbeziehung von Seehäfen (RIVA)" dar. Ziel dieses Projekts ist, eine Methodik für die Identifikation, Analyse und Bewertung der Risiken aus den projizierten Klimaänderungen zu entwickeln und an ausgewählten Streckenabschnitten im deutschen Teil des TEN-T (Transeuropäisches Netz - Transport) zu validieren. Durch dieses hierbei entwickelte und validierte Verfahren soll ferner das gesamte Bundesfernstraßennetz im Hinblick auf die klimabedingten Risiken untersucht und bewertet werden, mit dem Ziel, einen Aktionsplan für die erforderlichen Anpassungsmaßnahmen zu erstellen. Darüber hinaus befassen sich weitere Projekte des AdSVIS-Programms mit der Anpassung der maßgeblichen Regelwerke, beispielsweise mit der Überprüfung der Dimensionierungsansätze von Entwässerungseinrichtungen und Straßenbefestigungen. Gleichzeitig werden konkrete Anpassungsmaßnahmen entwickelt und erprobt.
Die Forschungsarbeit behandelt die Vor- und Nachteile der Teilung einer vierstreifigen Richtungsfahrbahn einer Autobahn in eine Hauptfahrbahn ohne Anschlussstellen für den Fernverkehr und eine getrennte Fahrbahn für den lokalen Verkehr hinsichtlich des Verkehrsablaufs. Diese getrennte Fahrbahn erschließt die Anschlussstellen ins nachgeordnete Netz und verfügt nur am Anfang und Ende über eine Verbindung zur durchgehenden Hauptfahrbahn. Während eine solche Verkehrsführung in den Ballungsräumen im Ausland erfolgreich Verwendung findet, ist sie in Deutschland bisher weitestgehend unbekannt. Im Rahmen der Forschungsarbeit wurden lange Verteilerfahrbahnen an Autobahnen zur räumlichen Trennung von durchfahrendem und ausfahrendem Verkehr hinsichtlich ihres Verkehrsablaufs untersucht. Anhand einer umfangreichen empirischen Untersuchung und darauf aufbauenden mikroskopischen und makroskopischen Simulationen sollten insbesondere Einsatzkriterien für lange Verteilerfahrbahnen festgelegt werden. Ziel der Untersuchung ist es, anhand der gewonnenen Erkenntnisse aus Gründen des Verkehrsablaufs Entscheidungsgrundlagen für die Trennung von Fernverkehr und örtlichem Verkehr mit langen Verteilerfahrbahnen bereitzustellen.
Mit einem Simulationsmodell wurden die Auswirkungen des Lkw-Überholverbots auf zweistreifigen Richtungsfahrbahnen in der Ebene und an Steigungsstrecken untersucht. Dabei wurde ein Einfluss von Anschlussstellen und von vorausliegenden Abschnitten (zum Beispiel Baustellen, Rückstau) ausgeschlossen. In Abhängigkeit vom Lkw-Anteil und von der Verkehrsstärke wurden Bereiche aufgezeigt, in denen sich die Geschwindigkeit des Verkehrsflusses steigert und in denen sich die Anzahl der Konfliktsituationen beim Fahrstreifenwechsel reduziert. Eine Umsetzung der Ergebnisse in ein Steuerungverfahren von Wechselverkehrszeichenanlagen ist damit möglich. Vor einer Anordnung des Lkw-Überholverbots mit statischer Beschilderung kann mit dem entwickelten Modell berechnet werden, zu welchen Tageszeiten und ab wieviel Tonnen (zum Beispiel größer 4 t) eine solche Anordnung sinnvoll ist.
Die Griffigkeit wurde erstmals als Anforderung für die Abnahme und bis zum Ablauf der Verjährungsfrist für Mängelansprüche bei allen Straßenbau- und -erhaltungsmaßnahmen des Bundes in die Bauverträge durch die Einführung der Regelwerke ZTV Asphalt-StB 01 (Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für den Bau von Fahrbahndecken aus Asphalt) und ZTV Beton-StB 01 (Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für den Bau von Fahrbahndecken aus Beton) im Jahr 2001 aufgenommen. Die Auswirkungen zeigen sich in den Messergebnissen der Zustandserfassungen und -bewertungen (ZEB). So werden niedrige Griffigkeiten auf Bundesautobahnen, Fahrstreifen 1 und Bundesstraßen seit 2001 stärker abgebaut als vor der Einführung der Regelwerke. Die somit erzielten Verbesserungen der Verkehrssicherheit würdigen die gemeinsamen Anstrengungen von Forschung, Bauverwaltung und Bauindustrie. Die Genauigkeit der Messtechnik zur Erfassung der Griffigkeit hat eine zentrale Bedeutung bei der Akzeptanz der Messergebnisse und der Sicherung des Messniveaus. Die erforderlichen Prüfungen aus den Regelwerken belegen die erreichte Präzision des Griffigkeitsmessverfahrens SCRIM und des neuentwickelten deutschen Messreifens. Weiterentwicklungen zum Beispiel bei der Temperaturkorrektur dienen vor allem der Absicherung des Betriebs bei stabiler Messqualität.
Für eine fachgerechte Ausführung des Ersatzes oder Teilersatzes von Betonplatten erfordern konventionelle Methoden ein relativ großes Zeitfenster, da die Verkehrsfreigabe ein Erreichen der erforderlichen Materialfestigkeit voraussetzt. Bei akutem Handlungsbedarf wird daher häufig eine temporäre Instandsetzung mit Asphalt vorgenommen. Seit 2012 werden Einsatzmöglichkeiten und -grenzen eines modularen Schnellreparatursystems für partiell geschädigte Betonfahrbahndecken untersucht. Dabei werden industriell vorgefertigte Betonteile in ihren Abmessungen individuell an den Schadensumfang angepasst und eingesetzt. Wichtige Aspekte stellen dabei die präzise Entfernung des geschädigten Altbetons aus der Fahrbahndecke und eine stabile Einbindung und Bettung des eingesetzten Fertigteils in den vorhandenen Straßenaufbau dar. In einem ersten Schritt wurden theoretische und technische Grundlagen erarbeitet sowie die praktische Anwendung in Orientierungsversuchen erprobt. Im Fokus der durchgeführten Untersuchungen stand die Findung der Fertigteilgeometrie im Kontext mit der Instandhaltung/Instandsetzung von geschädigten Plattenecken beziehungsweise Fugenkreuzen. Zudem wurden die Untersuchungen messtechnisch begleitet, um erste allgemeine Aussagen zur Dauerhaftigkeit zu erlangen. Aufbauend auf den gesammelten Erfahrungen erfolgte in einem zweiten Schritt die Optimierung und Weiterentwicklung des Systems. Dies betrifft im Speziellen die Schneidtechnologie zur Herstellung der verfahrensbedingt benötigten Aussparungen. Im Ergebnis entstanden spezielle Arbeitsgeräte, die eine Instandsetzung geschädigter Plattenbereiche mit kreisrunden Betonfertigteilen ermöglichen. Die Praxistauglichkeit wird gegenwärtig in ersten Anwendungen untersucht.
Im Rahmen eines Forschungsvorhabens an der RWTH Aachen wurden mehrere Spannbetondurchlaufträger bis zum Versagen belastet. Neben umfangreicher konventioneller Messtechnik wurden zusätzlich innovative Messmethoden durch die Bundesanstalt fuer Materialforschung und -prüfung (BAM) getestet. Darunter waren eingebettete Ultraschall-Transducer, deren Daten mit einer neuartigen Methode, der Codawelleninterferometrie (CWI), ausgewertet wurden. Dieses Verfahren detektiert auch kleinste Änderungen im Signal und in der Wellengeschwindigkeit gegenüber einer Referenzmessung. Hiermit koennen Belastungs- und Strukturänderungen sowie Schaeden sehr viel sensibler angezeigt werden als bei konventionellen Ultraschallmessungen. Durch eine Modifikation des Verfahrens mit gleitender Referenz können aber auch starke Veränderungen im Material, wie sie bei Bruchversuchen auftreten, erfasst werden. In den Versuchen gelang es mit Netzwerken aus bis zu 20 Ultraschall-Transducern, Spannungskonzentrationen und Rissbildungen qualitativ zu detektieren und zu verfolgen, ohne dass die Sensoren direkt am Ort der Änderung angebracht werden müssen.
Brückenbauwerke werden für eine sehr lange Lebensdauer geplant und errichtet. Vor allem für Straßenbrücken ist bei der Beurteilung eine Abkehr von den reinen Herstellungskosten in Richtung einer lebenszyklusorientierten, ganzheitlichen Bewertung voranzutreiben. Durch die Bottom-Up-Analysen an Realbauwerken, die typische Autobahnbrücken mittlerer Spannweite repräsentieren, wurden detaillierte Untersuchungen durchgeführt. Die Resultate von Lebenszykluskostenrechnungen, Ökobilanzierung und Berechnungen von externen Effekten werden hier für drei Varianten von Autobahnbrücken dargestellt und analysiert.