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Bewertung der strukturellen Substanz für die systematische Erhaltungsplanung von Betonfahrbahndecken
(2016)
"Mobilität ist zentrale Voraussetzung für wirtschaftliches Wachstum, Beschäftigung und Teilhabe des Einzelnen am gesellschaftlichen Leben." Dieser Leitsatz des BMVI setzt eine intakte und funktionierende Infrastruktur voraus. Im Kontext mit dem Investitionshochlauf in den nächsten Jahren ist für das Bundesfernstraßennetz insbesondere ein netzbezogenes systematisches Vorgehen im Rahmen der Baulichen Erhaltung von Relevanz. Bei der Planung von Erneuerungsmaßnahmen ist dabei die Kenntnis über den Zustand der strukturellen Substanz und deren langfristige Entwicklung von zentraler Bedeutung. Nachfolgend wird ein Verfahren vorgestellt, das die mechanisch und statistisch abgesicherte Bewertung und Prognose der strukturellen Substanz von Betonfahrbahndecken ermöglicht. Zudem werden die Anwendung und das Vorgehen anhand eines Praxisbeispiels aufgezeigt.
Die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) hat 2009 eine Pilotstudie initiiert, an der sich vier Autobahnmeistereien aus Niedersachsen und Nordrhein-Westfalen beteiligt haben und deren Schlussbericht nun vorliegt. Grund dafür waren die immer stärker spürbaren psychischen Belastungen, die sich aus der gefährlichen und stressreichen Arbeit ergeben, die die Frauen und Männer in der orangefarbenen Arbeitskleidung auf der Straße verrichten. Bundesweit kommen nach Angaben des Bundesverbandes Deutscher Straßenwärter jedes Jahr acht bis zehn Straßenwärter ums Leben. Die Zahl der Verletzten ist hoch. Zu der Arbeit in unmittelbarer Nähe des fließenden Verkehrs auf der Fahrbahn oder im direkt angrenzenden Seitenbereich von Straßen und Autobahnen kommen Belastungen durch die immer knapper werdende Personalausstattung der Meistereien und den daraus resultierenden Überstunden hinzu, besonders im Winter. Diese ziehen oft gesundheitliche Einschränkungen und persönliche Krisen nach sich. Probleme, mit denen sich viele Kollegen allein gelassen fühlen. Der "Burn-out" ist praktisch schon vorprogrammiert. Das Ergebnis der Studie muss realistisch betrachtet werden. Die angebotenen Trainingseinheiten können die Belastungen der Straßenwärter, denen sie Tag für Tag ausgesetzt sind, zwar nicht weiter senken, aber sie können lernen, mit den daraus resultierenden Beanspruchungen deutlich besser fertig zu werden. Vor allem, indem sie miteinander und mit ihren Vorgesetzten sprechen und die Last des Einzelnen nötigenfalls auf mehrere Schultern verteilen.
Zur Ermittlung einer Mehr- oder Minderbeanspruchung des Straßenoberbaus durch Lang-Lkw wurde eine Stichprobe von 1.746 Fahrten im Direktverkehr und 483 Fahrten im kombinierten Verkehr analysiert. Die durchschnittliche Fahrzeuggesamtmasse der Lang-Lkw betrug 32,3 t. Ca. 9 % der Lang-Lkw fuhren überladen. Das Niveau der Überladungen lag jeweils unterhalb 3 t. Die maximale Achslast betrug 11,7 t. Die Achslastverteilung von Lang-Lkw im kombinierten Verkehr weist ein niedrigeres Niveau als für Lang-Lkw im Direktverkehr auf. Im Vergleich zu äquivalenten konventionellen Lkw ergibt sich für Lang-Lkw eine um 5 % niedrigere Anzahl äquivalenter 10-t-Achsen. Der mittlere Achszahlfaktor fA von Lang-Lkw beträgt 7,40. Das Transportvolumen eines Lang-Lkw entspricht rechnerisch dem Transportvolumen von 1,53 äquivalenten konventionellen Lkw. Mit zunehmendem Anteil Lang-Lkw am Gesamtkollektiv Schwerverkehr (bis zu 9 %) ist eine zunehmende, vergleichsweise geringe Reduzierung der B-Zahl nach RStO 12 zu verzeichnen, was in der Regel jedoch nicht zu einem Wechsel in die nächstkleinere Belastungsklasse führen würde. Mittels Dimensionierung nach RDO Asphalt 09 errechnet sich bei Einsatz von Lang-Lkw nach dem Ende einer 30-jährigen Nutzungsdauer der Straßenbefestigung ein geringfügig niedrigerer Ermüdungsstatus, der zu einer marginalen Verlängerung des Nutzungszeitraums führen würde. Der Einsatz von Lang-Lkw würde unter Einhaltung der im Feldversuch definierten fahrzeugtechnischen Vorgaben und zulässigen Grenzwerte für Fahrzeuggesamtgewichte und Achslasten nicht zur Mehrbeanspruchung des Oberbaus von Straßen führen. Die rechnerisch festgestellte Minderbeanspruchung des Oberbaus im Vergleich zu konventionellen Lkw hat nur marginale Bedeutung und würde sich somit in der Praxis kaum spürbar auf die Nutzungsdauer der Straßen auswirken.
Der Straßenbaustoff Asphalt ist unter bestimmten Voraussetzungen in der Lage, während Erholungsphasen eine bereits eingetretene Strukturschädigung selbsttätig zum Teil oder vollständig zurückzubilden und so eine Regeneration des Baustoffs zu bewirken. Man spricht von Selbstheilungs- oder Healing-Eigenschaften. Für eine Steigerung der Dauerhaftigkeit von Straßenbauasphalten wäre es von großem Nutzen, die Healing-Eigenschaften kontrollieren bzw. stimulieren zu können. Eine systematische Untersuchung der Healing-Eigenschaften von Bitumen und Asphalt sowie geeignete Verfahren zu ihrer prüftechnischen Ansprache waren bisher nicht bekannt. Ziel des Forschungsprojekts war es, zu klären, ob und mit welchen Prüf- und Auswertemethoden die Healing-Eigenschaften von Straßenbauasphalten im Labor angesprochen werden können. Mit dieser Arbeit werden erstmals Ergebnisse aus systematisch variierten Reihenuntersuchungen zu den Selbstheilungskräften von Bitumen und Asphalt vorgestellt. Es wurden statische und zyklisch-dynamische Laborprüfungen mit Lastpausen (Erholungsphasen) zwischen den Belastungszyklen eingesetzt. Zur Ansprache von Healing-Eigenschaften erwiesen sich auf Asphaltebene kraftgeregelte Zug-Druck-Wechsellastprüfungen und auf Bitumenebene kraftgeregelte DSR-Ermüdungsprüfungen jeweils mit Lastpause als gut geeignet. Es wurde eine Auswertemethodik entwickelt und neue Healing-Indices eingeführt, die eine Beurteilung des Healing-Verhaltens an einem einzigen Probekörper nach Durchführung einer Ermüdungsprüfung erlauben. Die materialspezifischen Healing-Eigenschaften könnten bei der rechnerischen Dimensionierung vorteilhaft berücksichtigt werden. Dazu wird ein Konzept vorgestellt, nach dem die im Rahmen von Dimensionierungen notwendigen Ermüdungsprüfungen mit Untersuchungen zum Healing-Verhalten zu ergänzen sind. Folglich kann ein modifiziertes Materialgesetz verwendet werden, welches auch die materialspezifischen Healing-Eigenschaften abbildet.
Im Rahmen des vom Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS) geförderten Forschungsprogramms "Straße im 21. Jahrhundert" wurde eine adaptive Spannbetonstruktur mit lernfähigem Fuzzy-Regelungssystem entwickelt. Durch die Realisierung eines sich an Beanspruchungsänderungen selbstanpassenden Betontragwerks werden aufgrund der Adaptivität kritische Zustände des Tragwerks vermieden und auftretende Verformungen reduziert. Mittels eines Sensorsystems gemessene Tragwerksreaktionen werden dem lernfähigen Regelungsalgorithmus als Eingangswerte übergeben. Dieser ermittelt die je nach Beanspruchungszustand erforderliche Vorspannkraft zur Erfüllung der jeweiligen Zielsetzung. Die Aktualisierung der Vorspannung des Tragwerks wird von einem hydraulischen Stellantrieb vorgenommen. Zur Untersuchung der Funktionsfähigkeit der entwickelten adaptiven Spannbetonstruktur werden Versuche an zwei Prototypen durchgeführt. Die jeweiligen Zielsetzungen der Verformungsminimierung bzw. Spannungsoptimierung werden durch die Regelung effektiv erreicht. Das Potential der adaptiven Vorspannung wird bestätigt und ausführlich demonstriert.