620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Zunehmende Belastungen insbesondere der Bundesstraßen durch Schwerverkehr und Witterungsextreme führen dazu, dass viele Straßenabschnitte vor Ablauf der geplanten Nutzungsdauer erneuert werden müssen. Hinzu kommt die Herausforderung der Beseitigung von Investitionsstaus, das heißt die Erneuerung von Straßenabschnitten, deren substanzieller Zustand durch Überschreiten der geplanten Nutzungsdauer nicht mehr wirtschaftlich ist. Insbesondere bei extremen Witterungsbedingungen zeigen sich unter Umständen die Schwächen der verschiedenen Bauweisen. So kann es bei hohen Temperaturen und Stop-and-go-Verkehr bei Asphaltbauweisen zur erhöhten Spurrinnenbildung oder zur Schädigung der Längsnähte kommen. In der Betonbauweise können unter Umständen Hitzeschäden auftreten, wenn größere Imperfektionen – die direkt aus der Herstellung oder mangelnder/fehlerhafter Erhaltung resultieren – vorliegen. Aufgrund außergewöhnlicher klimatischer Situationen (Hitzeperioden) im Jahr 2013 kam es insbesondere im Bundesland Bayern zu einem vermehrten Auftreten von Hitzeschäden. Deshalb wurde im gleichen Jahr eine „Expertengruppe Hitzeschäden“ gegründet, die aus Vertretern des BMVI, der BASt, der Straßenbauverwaltungen und externer Experten bestand. Ziel war es, die Ursachen und Mechanismen von Hitzeschäden zu eruieren, um geeignete Maßnahmen zu deren Vermeidung ergreifen zu können. In diesem Zusammenhang wurde eine spezielle Messstation entwickelt, um die Temperatur über den Betondeckenquerschnitt, die Fugenbewegungen und weitere relevante Klimadaten ermitteln zu können. In enger Zusammenarbeit mit dem Bund und den Ländern wurden bisher 15 derartige Stationen aufgebaut. Somit besteht die Möglichkeit, in der Praxis auftretende witterungsinduzierte Spannungszustände im Kontext mit den verschiedenen Bauweisen sowie den zunehmend auftretenden Witterungsextrema zu analysieren. Die genaue Kenntnis über den Temperaturverlauf im Betonquerschnitt und zur Fugenbewegung, im zeitlichen und örtlichen Kontext zu den Witterungsbedingungen ist notwendig, um das Spannungsniveau im Deckensystem ableiten und prognostizieren zu können. Zudem ist die Kenntnis über konstruktive und materialtechnische Parameter aus dem zu betrachtenden Straßenoberbau erforderlich. Um Aussagen zur zeitlichen Entwicklung des Verhaltens des Plattensystems im Lebenszyklus treffen zu können, ist die kontinuierliche Erfassung, Speicherung und Analyse relevanter Daten von Bedeutung. Für die temporäre Spannungsprognose (z. B. über den Zeitraum einer Hitzeperiode) ist jedoch eine Analyse der Ausgangsdaten innerhalb weniger Stunden notwendig, um entsprechende Handlungsempfehlungen (z. B. Einrichtung von Tempolimits) treffen zu können. Durch die Verknüpfung mit weiteren Daten können ferner Aussagen zur Entwicklung wichtiger zeitlich veränderlicher Parameter über den Nutzungszeitraum gewonnen werden.
As investigations by BASt have shown, a bond between concrete surfaces and bases may be a disadvantage when water penetrates via joints and from the sides if the bond becomes partially detached at an early stage. Free water may penetrate into the area between the concrete surface and the base and build up in areas where the bond is still intact. The high pressure caused by lorry wheels rolling over the pavement causes hydrodynamic pumping. This creates very high flow speeds with considerable corrosion power. This results in the base course surface being eroded in the areas where heavy vehicles drive over the road and may even lead to water and fine particles from the base courses being expelled through the longitudinal joints between the pavement slab and the lower hard shoulder or first overtaking lane. The erosion of the base leads unavoidably to the bearing conditions deteriorating and increased loading of the concrete surface. Cracks may occur and, later stepping-off and tilting of the plates components. This significantly deteriorates the evenness and consequently the service value of the road. This finally leads to a reduction in the service life of the concrete surface. To avoid such damage water which has penetrated must be able to lose pressure and to then seep away. A possible solution is: A nonwoven fabric substance between concrete suface and bound base course. This construction method has proved himselve on numerous test road sections and were rightly included in the new Codes of Practice for the Standardisation of the Upper Structure of Traffic-Bearing Surfaces (Richtlinien für die Standardisierung des Oberbaues von Verkehrsflächen- RStO).
Bankettmaterialien müssen zwei Anforderungen erfüllen, die von verschiedenen Bestandteilen der Böden gewährleistet werden. Aufgrund der Verkehrssicherheit müssen sie eine dauerhaft hohe Tragfähigkeit aufweisen, damit von der Fahrbahn abkommende Fahrzeuge nicht einsinken und verunfallen. Die Tragfähigkeit und Standfestigkeit der Böden wird hauptsächlich durch den Kiesanteil der Böden erreicht. Da im Bereich des Banketts Straßenoberflächenwasser versickert, müssen sie andererseits ein möglichst hohes Schadstoffrückhalte- und -bindevermögen aufweisen, um den Untergrund und das Grundwasser zu schützen. Dies wird durch die Sand- und Feinanteile der Böden erreicht. Bei den bestehenden Bauweisen besteht nach Auffassung einiger Straßenbauverwaltungen der Länder ein Optimierungsbedarf. Im Rahmen dieser Forschungsarbeit sollten diese Bauweisen überprüft und ggf. weiter entwickelt werden, um noch stärker den bau-, als auch den umwelttechnischen Ansprüchen gerecht zu werden. Dabei werden die Bankette aus einem Gemisch von Gesteinskörnungen bzw. rezyklierten Baustoffen der Körnung 0/32 mm mit Feinkorn bzw. Oberboden hergestellt. Geeignete Zusammensetzungen waren durch Untersuchungen im Labor- und Technikumsmaßstab zu ermitteln. 18 Gemische von Gesteinskörnungen und Baustoffen der Körnung 0/32 mm mit unterschiedlichen Feinkorn- bzw. Oberbodenanteilen wurden in Bezug auf ihre Tragfähigkeit (CBR-Versuche) und Durchlässigkeit im Labor untersucht. Unter Berücksichtigung der Laborergebnisse wurden im Technikumsmaßstab Versuche mit vier Mischungen zur Ermittlung der Tragfähigkeit und des Verformungsverhaltens mittels statischen und dynamischen Verformungsmoduln durchgeführt. Basierend auf den Versuchsergebnissen sollte der Feinkornanteil der Bankettmaterialien einen Wert von 15 M.-% nicht übersteigen. Mit solchen Materialien sollte ein Verformungsmodul Ev2 ≥ 60 MN/m2 bzw. Evd ≥ 30 MN/m2 bei einem Verdichtungsgrad von DPr = 100 % sicher erreichbar sein. Falls eine höhere Tragfähigkeit für Bankette erforderlich ist, sollte der Feinkornanteil der Materialien ggf. weiter beschränkt werden.
Bei Straßenbaumaßnahmen werden im Erdbau große Massen bewegt. Nicht immer gelingt der Massenausgleich innerhalb einer Baumaßnahme, sodass dann andere Baustoffe zur Herstellung der Erdbauwerke benötigt werden. Hierfür können Ersatzbaustoffe, wie Recycling-Baustoffe, industrielle Nebenprodukte oder aufbereitetes Bodenmaterial verwendet werden, um natürliche Ressourcen zu schonen. Neben der bautechnischen Eignung der Ersatzbaustoffe spielt der Schutz von Boden und Grundwasser mittlerweile bei der Auswahl der Baustoffe eine wesentliche Rolle. Um diesen zu gewährleisten, ist bei Ersatzbaustoffen zu prüfen, ob umweltrelevante Inhaltsstoffe mit dem Sickerwasser in relevanten Mengen in Boden und Grundwasser ausgetragen werden können. Die Bundesanstalt für Straßenwesen widmet sich diesem Themenbereich in der Forschungslinie "Die postfossile Gesellschaft: Verbesserte Nutzung endlicher Ressourcen im Straßenwesen". Das übergeordnete Ziel der verschiedenen Forschungsprojekte ist dabei, den Einsatz von Ressourcen zu optimieren, und gleichzeitig die Auswirkungen auf die Umwelt zu bewerten. Aus Sicht des Straßenbauingenieurs reicht das vorhandene Wissen über Wasser im Straßenbauwerk für die Beurteilung der Gebrauchstauglichkeit vollkommen. Für die hydrogeologische Beurteilung der Durchsickerung im Hinblick auf den Boden- und Grundwasserschutz ist der heutige Wissensstand jedoch noch unzureichend. Insbesondere sind dazu folgende Fragen offen: Wie viel Wasser gelangt in das Straßenbauwerk und wie viel Wasser durchsickert die Straßenböschung? Zum Schutz von Boden- und Grundwasser wurden im Erdbau mit Ersatzbaustoffen technische Sicherungsmaßnahmen (TSM) entwickelt. Mit diesen Bauweisen kann die Menge des Sickerwassereintrags in das Bauwerk reduziert und damit der Austrag an umweltrelevanten Inhaltsstoffen verringert oder sogar ganz vermieden werden. Ziel der Forschungsarbeiten zum Thema Durchsickerung von Straßenböschungen ist es, eine belastbare Datengrundlage zur Sickerwassermenge zu schaffen. Daraus werden Instrumente entwickelt, um die Wirksamkeit der unterschiedlichen technischen Sicherungsmaßnahmen zu beurteilen. Durch die ökonomisch und ökologisch optimierten Bauweisen soll das Potenzial für den Einsatz von Ersatzbaustoffe im Erdbau des Straßenbaus erhöht werden. In diesem Projekt "Effizienz technischer Sicherungsmaßnahmen im Erdbau " Lysimeteruntersuchungen unter Laborbedingungen" wird der Forschungsansatz der großmaßstäblichen Versuche verfolgt, mit dem Ziel die Wirksamkeit von TSM zu beurteilen. Hierzu wurden Lysimeter entwickelt und eine zugehörige Beregnungseinheit. Mit der Anlage wurde ein Instrument geschaffen, um unter vergleichbaren, kontrollierten und zeitgerafften Bedingungen verschiedene Kombinationen aus TSM und Ersatzbaustoffen am Ausschnitt einer Böschung im Maßstab 1:1 zu prüfen. Um klimatische Einflüsse weitestgehend auszuschließen, wird die Anlage in einer Versuchshalle aufgestellt, sodass Lysimeteruntersuchungen unter Laborbedingungen durchgeführt werden können. Die Vorteile der Lysimeteruntersuchungen unter Laborbedingungen liegen in einer gut erfassbaren Wasserbilanz und der Möglichkeit, regelmäßig Wasserproben für die chemischen Untersuchungen zu gewinnen. Zu den Schwächen gehört, dass Umwelteinflüsse und Straßenabfluss nicht berücksichtigt werden und ggf. nicht erfassbare Randeinflüsse vorhanden sind. Zudem sind die Versuchsdauern lang und die Versuche sind betreuungsintensiv. Aufgrund der Abmessungen des Lysimeterkastens sind nicht alle TSM realisierbar. In dieser ersten Versuchsserie wurden ein bindiger und ein kiesiger Boden untersucht. Als TSM wurden eine Dränmatte, eine wasserabweisende Anspritzung mit Bitumen und eine Vergleichsvariante ohne TSM eingesetzt, sodass sich aus der Kombination von zwei Böden und drei Bauweisen insgesamt sechs Versuchsreihen ergeben. Die Lysimeterversuche wurden von September 2011 bis Dezember 2012 durchgeführt. Während der 15-wöchigen Versuchsreihe wurde jeden Tag das Gewicht des Lysimeters und des Oberflächenabflusses ermittelt. Das Sickerwasser wurde gemessen und analysiert. Während dieser Zeit wurden in jeder Woche ein bis drei Regenereignisse durchgeführt. Die wesentlichen Erkenntnisse zur Wirksamkeit der TSM sind: 1. trotz mehrfacher Bitumenanspritzung konnte für beide Böden die Sickerwassermenge nicht wesentlich reduziert werden und 2. die beste Wirkung hat die Bauweise kiesiger Boden mit Dränmatte erzielt. Dies ist erstaunlich, da diese Bauweise eigentlich nur für Baustoff mit geringer Durchlässigkeit vorgesehen ist. Die Menge an umweltrelevanten Inhaltstoffen wird von den beiden Faktoren Konzentration im Sickerwasser und Menge des Sickerwassers bestimmt. Der entscheidende Faktor bei den aufsummierten Frachtkurven ist die Sickerwassermenge, diese wird von der TSM beeinflusst. Es ist also möglich mit einer geeigneten TSM den Austrag von umweltrelevanten Inhaltsstoffen aus einer Straßenböschung zu verringern.
Reaktionsharzgebundene Dünnbeläge (RHD-Beläge) können als Beläge bis zu einer Dicke von 15 mm auf stählernen Fahrbahnplatten und Dienststeg-, Geh- und Radwegflächen aufgebracht werden. Ihre bevorzugten Anwendungsbereiche sind Fahrbahnen auf beweglichen Brücken (zum Beispiel Klappbrücken), auf Festbrückengeräten (zum Beispiel D-Brücken), Fußgängerbrücken und auf Nebenbereichen von stationären Brücken (zum Beispiel Geh- und Radwegen, Dienststegen, Schrammborden und Mittel- und Randkappen). Die Begehungen und Untersuchungen zu diesem Projekt konzentrierten sich auf die Begutachtung von Schadensfällen. In diesem Bericht werden daher hauptsächlich die Schwachstellen der RHD-Beläge aufgezeigt, die zum überwiegenden Teil in der Ausführung der Belagsarbeiten liegen. Dies sagt keinesfalls etwas über die grundsätzliche Qualität der RHD-Beläge aus. Ordnungsgemäß unter den vorgeschriebenen Witterungsbedingungen ausgeführte RHD-Beläge sind von sehr hoher Qualität und können durchaus eine Lebensdauer von 15, 20 oder mehr Jahren erreichen, ohne die Notwendigkeit von Instandsetzungsmaßnahmen. Diese Lebensdauer kann sich zukünftig bei der Verwendung von Chromerzschlacke und Korund als Zuschlag und Abstreuung für befahrene Beläge noch verlängern. Wenn Belagsschäden auftreten, so werden diese fast ausschließlich durch Mängel in der Ausführung hervorgerufen. Reaktionsharze sind bei ihrer Aushärtung sehr empfindlich gegenüber verschiedenen äußeren Einflüssen, weshalb die Hauptursache für Schäden an RHD-Belägen der Einbau unter ungünstigen meteorologischen Bedingungen ist. Daher befasst sich ein Hauptteil dieses Berichtes mit einer statistischen Untersuchung meteorologischer Daten zur Feststellung, in welchen Monaten RHD-Beläge mit welcher Sicherheit unter den geforderten Einbaubedingungen eingebaut werden können. Zu diesem Zweck wurden die Wetterdaten der Jahre 1995 - 1997 von sechs verschiedenen über Deutschland verteilten Wetterstationen ausgewertet, die vom Deutschen Wetterdienst in Offenbach zur Verfügung gestellt wurden.
In dem Beitrag präsentieren die Autoren einige laufende und geplante Forschungsvorhaben der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt), die wesentliche Bestandteile der Forschungslinie (FL) Q5 "Innovationen: Von der Idee in die Praxis" der mittelfristigen Forschungsplanung der BASt darstellen. Bei den konkreten Projekten geht es um die Entwicklung eines geeigneten Bewertungsverfahrens für Innovationen, um das Sichten neuer Forschungsideen aus denen neue Forschungsvorhaben resultieren können, um Nutzung von numerischen Methoden für die Entwicklung neuer Baustoffe und Bauweisen, sowie um den Aufbau einer geeigneten Untersuchungsinfrastruktur.
Anhand der durchgeführten Auswertungen der Wetterdaten von sechs verschiedenen repräsentativen Wetterstationen in Deutschland konnte gezeigt werden, dass die Ausführung von Arbeiten mit Reaktionsharzen als Abdichtungs- oder Belagsystem auf Stahlbrücken ohne Schutzmaßnahmen gegen störende Witterungseinflüsse nur in den Monaten Juni-September mit ausreichender Sicherheit möglich ist. In den Monaten April, Mai und Oktober sind solche Arbeiten ohne Schutzmaßnahmen nur mit einer 30- bis 40-prozentigen Sicherheit möglich, weshalb Schutzmaßnahmen oder ein ausreichend langer Zeitraum für die Durchführung der Arbeiten eingeplant werden müssen. In den Monaten Januar, Februar, März, November und Dezember können Arbeiten mit Reaktionsharzen ohne Schutzmaßnahmen mit fast 100-prozentiger Sicherheit nicht ausgeführt werden.
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.
Mit dem Allgemeinen Rundschreiben Straßenbau (ARS) Nummer 40/1996 wurden die aktualisierten Technischen Lieferbedingungen für Oberflächenschutzsysteme, Ausgabe 1996 (TL OS) und die Technischen Prüfvorschriften für Oberflächenschutzsysteme, Ausgabe 1996 (TP OS) zur Anwendung im Geschäftsbereich der Bundesfernstraßen eingeführt. Beide Regelwerke sind aufgrund der Erfahrungen bei der Anwendung von Oberflächenschutzsystemen im Brückenbau, der technischen Weiterentwicklung von Materialien und Prüfverfahren, der voraussehbaren Anpassung an die in Bearbeitung befindlichen Europäischen Regelwerke sowie durch inhaltliche und sprachliche Übernahme der Begriffe der Bauproduktenrichtlinie vollständig neu bearbeitet worden. Die Neubearbeitung führte auch zu einer deutlichen Verminderung beziehungsweise Straffung der durchzuführenden Prüfungen. Die Bestätigung der Übereinstimmung der Produkteigenschaften mit den Anforderungen in den TL OS erfolgt nunmehr durch ein Übereinstimmungszertifikat einer von der Bundesanstalt für Straßenwesen anerkannten Zertifizierungsstelle. Die Gebinde solcher Produkte erhalten ein Ü-Zeichen und dürfen uneingeschränkt bei allen Betoninstandsetzungen an Brücken und anderen Ingenieurbauwerken im Verkehrswegebau eingesetzt werden. Im ARS Nummer 40/1996 wird auch das Vorgehen zum Nachweis der Gleichwertigkeit von Produkten ohne ein solches Übereinstimmungszertifikat geregelt, die bei einzelnen Baumaßnahmen entsprechend VOB/A Paragraph 21, Nummer 2 angeboten werden können.
Die Richtlinien für die Standardisierung des Oberbaues von Verkehrsflächen (RStO) wurden überarbeitet, um zwischenzeitlich gewonnene Erkenntnisse und Erfahrungen aus Forschung und Praxis umzusetzen. Dabei bestand die Aufgabe außerdem darin, den Entwurf der Richtlinien für die Standardisierung des Oberbaues bei der Erneuerung von Verkehrsflächen (RStO-E) in die neuen RStO zu integrieren, da die RStO-E auf denselben Planungsgrundlagen und Anwendungsprinzipien aufbauen. Die wesentliche Neuerung der RStO 01 ist die Festlegung der Bauklassengrenzen anhand der bemessungsrelevanten Beanspruchung auf der Grundlage äquivalenter 10-t-Achsübergänge oder anhand der DTV(hoch (SV))-Angaben, die mit Hilfe straßenklassenspezifischer Lastkollektivquotienten bewertet werden. Die neuen RStO unterscheiden sich außerdem von der bisherigen Ausgabe dadurch, dass Bauweisen herausgenommen, modifiziert und neue aufgenommen wurden. Außerdem wurden die Ausgangswerte und die Mehr- oder Mindestdicken infolge örtlicher Verhältnisse für die Bestimmung des frostsicheren Straßenaufbaues geändert. Im abschließenden Teil 2 werden der Neubau von Fahrbahnen und Erneuerung von Fahrbahnen im Tiefeinbau (5.), die Erneuerung von Fahrbahnen im Hocheinbau (6.), die Erneuerung von Fahrbahnen im Hocheinbau bei teilweisem Ersatz der vorhandenen Befestigung (7.) und der Neubau und die Erneuerung von sonstigen Verkehrsflächen (8.) behandelt. Siehe auch Teil 1 des Beitrages.