620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Ziel der vorliegenden Arbeit war die Untersuchung des Alterungsverhaltens von Schutzhelmen für Kraftfahrer und der Einflüsse der photochemischen Alterung der Außenseite der Helmschale auf die Schutzwirkung des Helms. Für die künstliche Bewitterung wurde ein neues Gerät mit speziellen UV-Leuchtstofflampen nach DIN 53384, Verfahren B aufgebaut, in dem neun komplette Schutzhelme gleichzeitig bestrahlt und beregnet werden können. Für die Untersuchungen wurden Schutzhelme nach der ECE-Regelung 22 mit Helmaußenschalen aus den Kunststoffen PC, PA und UP-GF bewittert, wobei eine maximale natürliche Beanspruchung in vier Jahren Gebrauch simuliert wurde. Nach der künstlichen Bewitterung wurden die Schutzhelme einer Stoßdämpfungsprüfung nach Abschnitt 7.3 der ECE-Regelung 22 unterzogen. Bei den nach ECE-Regelung 22 typgeprüften Schutzhelmen konnte keine Alterung ermittelt werden, die die Schutzwirkung der Helme beeinträchtigt hat. Vergleichsversuche mit älteren Helmen mit Helmschalen aus ABS dagegen haben nach der gleichen künstlichen Bewitterung einen deutlichen Einfluss der Alterung gezeigt.
Bindemitteldesign für Asphaltstraßen : Definition eines chemisch-rheologischen Anforderungsprofils
(2018)
Das Ziel dieses Projekts war das Auffinden von Zusammenhängen zwischen den chemischen Bitumeneigenschaften und dem rheologischen Verhalten, dem Alterungsverhalten sowie dem Haftverhalten des Bindemittels. Zum Erreichen dieses Ziels wurden zwölf Bitumenproben in unterschiedlichen Alterungszuständen und vier Gesteinsproben mit verschiedenen chemischen, rheologischen, physikalischen und haftbetreffenden Methoden untersucht. Bei der Gegenüberstellung der Prüfergebnisse konnte eine Vielzahl an bilateralen Korrelationen zwischen den einzelnen Kennwerten gefunden werden. Zusätzlich zu diesen bilateralen Zusammenhängen wurden weiterhin mithilfe von multiplen Regressionsanalysen Linearkombinationen erstellt, die durch eine kombinierte Berücksichtigung der Gehalte und der Molmassenmittelwerte Mn der SARA-Fraktionen die Beschreibung und Prognose einer Vielzahl von Kennwerten ermöglicht. Zu diesen Kennwerten zählen neben den rheologischen Prüfgrößen, wie dem Erweichungspunkt, der Nadelpenetration sowie dem komplexen Schermodul |G*| und dem Phasenwinkel δ, auch die Alterungsindices dieser Prüfgrößen. Somit können anhand der SARA-Fraktionen im nicht gealterten Zustand Aussagen über das Alterungsverhalten der Bitumen getroffen werden. Neben der Rheologie und dem Alterungs-verhalten ist zudem eine Beschreibung des Haftverhaltens möglich, wobei neben den SARA-Fraktionen als Gesteinskennwerte weiterhin der Siliziumdioxidgehalt sowie der isoelektrische Punkt zu berücksichtigen sind. Zudem konnte durch die Umstellung der gefundenen Linearkombinationen ein synthetisches Bindemitteldesign abgeleitet werden, sodass durch die Vorgabe der angestrebten rheologischen, alterungsbedingten und haftungsbedingten Kennwerte die zum Erreichen dieser Kennwerte erforderlichen Gehalte der SARA-Fraktionen ermittelt werden können.Dies ermöglicht die Modifizierung von Bitumenzusammensetzungen, um eine gezielte Beeinflussung der Bindemitteleigenschaften zu erreichen.
In der Bundesanstalt für Straßenwesen war ein Meßverfahren für Betonoberflächen entwickelt worden, dessen Anwendung zur Prüfung von Beschichtungen auf metallischen Untergründen ebenfalls möglich erscheint. Da es sich hier um einen neuen Einsatzbereich handelt, waren jedoch zur Abschätzung der Anwendung für eine Bewertung von Beschichtungen auf metallischen Untergründen grundlegende, systematische Untersuchungen notwendig. Das Meßverfahren beruht auf dem Prinzip der Leitung des elektrischen Stromes in Elektrolytlösungen. Die Meßwerte sind proportional zu den Fehlstellen, beziehungsweise Strompfaden in einer Beschichtung. Das Meßverfahren kann als zerstörungsarm eingestuft werden. Als Beschichtungssysteme wurden Beschichtungen mit den Bindemitteln: Polyvinylchlorid (PVC), 2-Komponenten-Epoxidharz/Polyurethan (EP/PUR) und 1-Komponenten-Polyurethan (1 K PUR) für die Versuche ausgewählt. Als künstliche Belastung dieser Beschichtungen wurde die Salzsprühnebelbelastung nach DIN 50021-SS angewandt. Das untersuchte Meßverfahren ist nach den Ergebnissen der Laboruntersuchungen als brauchbar für die Bewertung von Beschichtungen, insbesondere von Altbeschichtungen einzuschätzen. Die Meßergebnisse sind wiederholbar. Die Zusammenhänge zwischen dem Meßwert und der Schichtdicke, beziehungsweise der Belastungsdauer sind plausibel. Die ermittelten Kurven, die den Zusammenhang zwischen den Meßwerten und der Schichtdicke der Beschichtung darstellen, haben die Form einer "Treppenfunktion". Die Meßwerte können in drei Kategorien eingestuft werden: niedrige, hohe und unzulässige Meßwerte. Die niedrigen Meßwerte sind Indiz für eine funktionsfähige Beschichtung. Darüber hinausgehende hohe Meßwerte sind als Warnsignal zu verstehen, um möglicherweise eine Instandsetzungsmaßnahme zu veranlassen. Bei Überschreitung des Meßbereiches (unzulässige Meßwerte) ist mit ungehindertem Elektrolytlösungsfluß zum Untergrund und einer baldigen Durch- beziehungsweise Unterrostung zu rechnen. Wie weit diese Ergebnisse auf die Praxis zu übertragen sind, ist in einem Folgeprojekt an Bauwerken mit unterschiedlichem Zustand und Alter der Beschichtungen noch zu untersuchen.
Im Laufe des Lebenszyklus von Lärmschutzwänden (Lsw) können diverse Schadensbilder auftreten. Diese reichen von Löchern und Schlitzen zwischen abschirmenden Wandelementen durch Unfallschäden oder Montagemängel bis hin zu Witterungs- und Verschmutzungserscheinungen von Absorptionsmaterialien. Die Auswirkung dieser Schäden auf die akustischen Eigenschaften des Schallschirms ist bisher nicht detailliert untersucht. Das Vorhaben soll diese Lücke schließen und stellt einen Katalog bereit, auf dessen Basis konkrete Angaben zum Einfluss spezifischer Schäden insbesondere auf die Reduzierung der Schalldämmung und damit die Abschirmwirkung des Schallschirms gemacht werden können. Auf Basis dieser Angaben lassen sich ggf. gezielte und kosteneffiziente Maßnahmen ergreifen, um den Schallschutz von Immissionsorten dauerhaft zu gewährleisten. Zur Erstellung des Schadenskatalogs wird das bestehende nationale Schallausbreitungsmodell der RLS 90 um eine Beschreibung der Schalltransmission durch die Lsw sowie die geometrische Berücksichtigung von runden und schlitzförmigen Leckagen erweitert. Simulationen zeigen, dass hinter der Leckage in der Lsw ein akustisch kritischer Bereich entsteht. Die Grenze dieses Bereichs kann innerhalb des Schadenskatalogs für eine Vielzahl geometrisch abstrahierter Schäden abgelesen und mit einem Bebauungsplan abgeglichen werden. Katalogparameter sind insbesondere die Wirkfläche (Produkt aus Transmissionsgrad und Fläche runder Leckagen) und die Wirkbreite (Produkt aus Transmissionsgrad und Breite schlitzförmiger Leckagen). Es wird gezeigt, dass der Transmissionsgrad von Leckagen zuverlässig durch Berechnung nach MECHEL sowie durch Messung an Lsw in situ bestimmt werden kann. Letztere dienen zudem der erfolgreichen Validierung der verwendeten Modelle zur Beschreibung des Transmissionsgrads von Leckagen sowie der Schallausbreitung an Lsw mit Berücksichtigung der Transmission.
Tunnel in Spritzbetonbauweise werden in der Regel mit einem Abdichtungssystem aus Kunststoffdichtungsbahnen (KDB) gegen das anstehende Bergwasser abgedichtet. Die Tunnelabdichtungen aus KDB müssen dabei über die gesamte Nutzungsdauer des Bauwerks von in der Regel 130 Jahren zuverlässig ihre Funktion erfüllen. Ein einfacher Austausch der KDB oder der Einbau einer gleichwertigen Alternative ist in der Regel nicht, oder nur mit erheblichem Aufwand möglich. Bislang existieren national und international keine abgesicherten Prüfkriterien, die eine Bestimmung der Langzeitbeständigkeit von KDB über die geforderte Nutzungsdauer von mindestens 100 Jahren ermöglichen. Im vorliegenden Beitrag werden Untersuchungsergebnisse eines BASt Forschungsprojektes präsentiert, in dem Prüfkriterien für die Abschätzung der Langzeitbeständigkeit von KDB aus PVC-P hergeleitet werden. In diesem Projekt werden verschiedene marktübliche KDB für die Tunnelabdichtung mit einem beschleunigten Prüfverfahren "Lagerung in heißem Wasser" systematisch auf ihr Alterungsverhalten hin untersucht. Das hierfür verwendete Immersionsprüfverfahren wurde neu entwickelt und basiert auf der SIA V 280 (Prüfung Nr. 13) und DIN EN 14415. Ziel der Untersuchungen ist es, die erforderlichen Prüfkriterien zu definieren, die für eine praxisgerechte Abschätzung der Nutzungsdauer von mindestens 100 Jahren erforderlich sind. Hierfür werden beispielsweise die Einlagerungsdauer, die Einlagerungstemperatur und das Prüfmedium strukturiert untersucht. Zum Vergleich der Prüfergebnisse aus dem Immersionsprüfverfahren werden Untersuchungen an ausgebauten KDB Proben aus 2 älteren Straßentunneln herangezogen. Die Ergebnisse des Forschungsvorhabens sollen in die Fortschreibung des nationalen Regelwerks für den Straßentunnelbau (TL/TP KDB) einfließen.
Untersuchungen an in situ gealterten Kunststoffdichtungsbahnen aus Abdichtungen von Straßentunneln
(2011)
Tunnel in Spritzbetonbauweise werden in der Regel mit einem Abdichtungssystem aus Kunststoffdichtungsbahnen (KDB) gegen das anstehende Bergwasser abgedichtet. Zur Gewährleistung der Dauerhaftigkeit und Gebrauchstauglichkeit aber auch der Verkehrssicherheit (z.B. Gefahr der Glatteisbildung in undichten Tunneln) müssen die Tunnelabdichtungen aus KDB dabei über die gesamte Nutzungsdauer des Bauwerks von in der Regel 100 Jahren zuverlässig Ihre Funktion erfüllen. An der Entwicklung von Prüfverfahren zum Nachweis dieser Nutzungsdauer wird zurzeit national und international intensiv geforscht. Zur Verifizierung und Kalibrierung dieser Prüfverfahren können Untersuchungen an in situ gealterten KDB-Proben aus bestehenden Straßentunneln sehr nützlich sein. Im vorliegenden Beitrag werden erste Ergebnisse der Untersuchungen zu Materialeigenschaften von ausgebauten KDB Proben aus älteren Straßentunneln vorgestellt. Im Rahmen eines Forschungsprojektes der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) wurden bereits zahlreiche Materialproben aus bestehenden Straßentunneln, die aktuell bautechnisch nachgerüstet werden, entnommen und untersucht. Bei der Entnahme der KDB-Proben wurde parallel auch die Bergwassertemperatur gemessen und an Bergwasserproben der Chemismus analysiert. Soweit möglich wurden die Produktdaten des Anlieferungs- bzw. Einbauzustandes beim Hersteller oder Bauherrn recherchiert, um so die Veränderungen der mechanischen Eigenschaften durch die in situ Alterung bewerten zu können. Die ermittelten mechanischen Eigenschaften nach Alterung wurden mit den Anforderungen damals gültiger und aktueller Regelwerke verglichen.
Seit etwa 20 Jahren gibt es in Deutschland Erfahrungen mit Strecken, die in offenporiger Asphaltbauweise ausgeführt sind. Die Entwicklung des offenporigen Asphalts (OPA) erfolgte in 5 Schritten. In der ersten OPA-Generation der Jahre 1986 bis 1993 fand Bitumen der Sorte 50/70 (B 80) mit einem Anteil von 5,2 bis 5,8 M.-% Verwendung. Das aufgrund der Bitumen-Verhärtung auftretende Problem des Kornausbruchs führte dazu, dass heute ausschließlich höhere Gehalte an modifizierten Bindemitteln zur Herstellung verwendet werden. Durch Optimierung der Sieblinie der Gesteinskörnung wurde der Hohlraumgehalt erhöht und dadurch eine Verbesserung der lärmtechnischen Eigenschaften erreicht. Verbesserungsbedarf besteht nach wie vor hinsichtlich der Dauerhaftigkeit. In Zusammenarbeit mit der RWTH Aachen hatte die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) Gelegenheit, im Auftrag des niederländischen Instituts für Dienst Weg en Waterbouwkunde (DWW) etwa 200 Bohrkernproben zu studieren, die aus zwölf Streckenabschnitten niederländischer Autobahnen stammten. Die Strecken besaßen ein Alter von 3 bis 16 Jahren. Da in allen untersuchten Streckenabschnitten der OPA auf gleiche Weise konzipiert war, ergab sich die Möglichkeit, die zeitliche Veränderung zu untersuchen. Von der BASt wurde insbesondere das Bitumen und dessen Wechselwirkung mit dem verwendeten Füller und Gestein untersucht. Die rückgewonnenen Bitumen wurden mit Hilfe moderner instrumenteller Methoden untersucht. Zusätzlich wurde der Asphaltenstatus nach Zenke bestimmt, um die Asphaltene in leicht-, mittel- und schwerlösliche Anteile zu differenzieren. Als besonders wertvoll hat sich die mikroskopische Untersuchung von Bohrkernproben in Kombination mit einfachen mikroanalytischen Tests erwiesen. Anhand der Ergebnisse konnte der Schadensmechanismus für den Kornausbruch geklärt werden. Für die Haltbarkeit von OPA ist die Oxidation des Bitumens durch Luftsauerstoff von zentraler Bedeutung. Möglichkeiten zur Verbesserung der Dauerhaftigkeit von offenporigen Asphalten sind deshalb in einer Erhöhung der Oxidationsbeständigkeit der verwendeten Bindemittel zu suchen.
Ziel des hier vorliegenden Forschungsvorhabens war es, die Prüfbedingungen für die Versuche im Dynamischen Scherrheometer so zu optimieren, dass die häufig in Deutschland verwendeten polymermodifizierten Bindemittel differenziert und plausibel auf ihre Gebrauchseigenschaften angesprochen werden und die rheologischen Kenngrößen der Bindemittel bestimmt werden können. Daher sollten die Prüfbedingungen im DSR-Versuch möglichst vereinheitlich und diese in einer Arbeitsanleitung dokumentiert werden. Anhand des Literaturstudiums wurden die bisher gewonnenen Kenntnisse und Erfahrungen mit dem DSR-Verfahren gesammelt und beurteilt. Des weiteren wurden an acht unterschiedlichen Bitumenarten / -sorten DSR-Versuche sowohl im Original- als auch im gealterten Zustand (RTFOT-Verfahren) durchgeführt. Über Vorversuche wurden die grundsätzlichen Rahmenbedingungen für den DSR-Versuch festgelegt und die Probenvorbereitung optimiert. In den Oszillationsversuchen wurden die Deformation in drei Stufen, die Frequenz f in drei Stufen und die Temperatur T in vier Stufen systematisch variiert. Somit ergaben sich bei acht unterschiedlichen Bindemittelsorten im Original- und im gealterten Zustand insgesamt 576 verschiedene Varianten von Oszillationsversuchen. Wegen der Wiederholungsprüfungen (n = 3) verdreifachte sich die Versuchsanzahl auf insgesamt 1728 Oszillationsversuche. Die Durchführung der Kriechversuche wurde auch an den acht Original- und nach dem RTFOT-Verfahren gealterten Bindemittelsorten vorgenommen, wobei die Prüftemperatur T in drei Stufen und die Schubspannung t in drei Stufen systematisch variiert wurden. Aufgrund der Wiederholungsprüfungen (n = 3) ergab sich somit eine Gesamtanzahl von 432 Kriechversuchen (144 Kriechversuchsvarianten). Das bei den experimentellen Untersuchungen gewonnene Datenmaterial wurde unter Anwendung mathematisch-statistischer Methoden ausgewertet. Anhand von multiplen Varianzanalysen konnten die Stärken der einzelnen Einflussgrößen qualitativ ermittelt werden, wobei die Dominanz der systematischen gegenüber den zufälligen Einflüssen als sehr hoch ermittelt worden ist. Zur Quantifizierung des Einflusses einzelner Prüfbedingungen sowie der Ermittlung etwaiger Korrelationen zwischen der im DSR-Versuch ermittelten Kennwerten und konventionellen Bindemittelkenndaten wurden multiple Regressionsanalysen gerechnet. Aus den gewonnenen Ergebnissen konnten die Rahmenbedingungen für die Durchführung und Auswertung von Oszillations- und Kriechversuchen abgeleitet werden. Demnach sollten Oszillationsversuche bei einer Prüftemperatur von T = 50 -°C, einer Frequenz von f = 1,59 Hz und einer Deformation von d = 6 % durchgeführt werden. Für die Kriechversuche ergaben sich die optimalsten Versuchsbedingungen bei einer Temperaturstufe von T = 50 -°C und einer Schubspannungsstufe von t = 500 Pa. Unter Berücksichtigung der vorgeschlagenen Versuchsbedingungen konnte durch Darstellung der rheologischen Kenngrößen Phasenverschiebungswinkel d und komplexer Schubmodul G* in einem Black- Diagramm nachgewiesen werden, dass die untersuchten acht Original- und gealterten Bindemittelsorten sich in ihrem rheologischen Verhalten recht gut voneinander trennen lassen und somit eine objektivere Beurteilung des rheologischen Verhaltens der untersuchten polymermodifizierten Bindemittel möglich ist. Für die aus Kriechversuchen ermittelten Kenngrößen konnte kein eindeutiges Kriterium zur Unterscheidung des rheologischen Verhaltens der untersuchten Bindemittelsorten herausgearbeitet werden.
Entgegen dem ursprünglichen Ziel des Forschungsvorhabens (Entwicklung und Optimierung eines Verfahrens zur Alterung von Asphalt-Probekörpern und prüftechnische Ansprache der Performanceeigenschaften von Asphalt) war Gegenstand der Forschungsarbeit schwerpunktmäßig die Entwicklung und Optimierung eines Alterungsverfahrens. Für die Untersuchungen wurde überwiegend ein Asphaltbeton AC 8 D S (Gestein: Basalt, Straßenbaubitumen 50/70) eingesetzt. Weiter wurde noch ein offenporiger Asphalt PA 8 mit polymermodifiziertem Bindemittel 40/100-65 A berücksichtigt. In den Projektphasen wurden insbesondere folgende Untersuchungsansätze gewählt: Es wurden zwei Konditionierungsverfahren zur Alterung von Asphalt-Probekörpern angewendet – das BSS-Verfahren, ein gängiges Verfahren aus der Kunststoffindustrie zur künstlichen Bewitterung und das PAV-A-Verfahren in Anlehnung an bestehende Prüfverfahren (SATS-Prüfung, PAV-Verfahren). Für das PAV-A-Verfahren wurde zunächst eine Konditionierungsdauer von 20 h, eine Konditionierungsdruck von 2,1 MPa und Temperaturen von 30 sowie 60 °C gewählt. Ab der zweiten Projektphase wurde nur noch das PAV-A-Verfahren berücksichtigt, wobei der Druck in zwei Stufen (1,0 und 0,5 MPa) reduziert wurde. Im Rahmen der Projektphase 4 wurde neben Asphalt-Probekörpern auch Asphaltmischgut und Bindemittel mittels PAV-A konditioniert, wobei der Druck auf 0,1 MPa verringert wurde und die Konditionierungszeit in vier Stufen bis 80 h erhöht wurde. In der Projektphase 5 wurde zudem noch die Art und Geschwindigkeit des Druckablassens am Ende der Konditionierung variiert. Zusammenfassend kann aus den Ergebnissen der Projektphasen festgehalten werden, dass die zur Asphaltalterung erforderlichen Konditionierungsbedingungen mit dem PAV-A-Verfahren zu Gefügeveränderungen bzw. -zerstörungen der Asphalt-Probekörper führen. Bedingt durch die Gefügeveränderung/- zerstörung wird, wie am Beispiel der hier durchgeführten Abkühlversuche erkannt, nicht der Einfluss auf die Kälteflexibilität durch das gealterte und versprödete Bindemittel angesprochen, was sich durch ein geringeres Relaxationsvermögen und damit verbundenem schlechterem Abbau von Zugspannungen (Relaxieren) im Abkühlversuch zeigen müsste. Vielmehr hat der Asphalt bedingt durch die Gefügestörungen/-zerstörungen nicht mehr die Fähigkeit Spannungen aufzubauen.
Ziel des Projektes war es, bedingt durch die wachsende Anzahl der im Verkehr befindlichen elektrisch und hybrid-elektrisch betriebenen Fahrzeuge, notwendige Anpassungen der periodisch technischen Überwachung zu erarbeiten. Dazu wurden von verschiedenen Fahrzeugen die relevanten Bauteile des elektrischen Antriebsstrangs identifiziert und deren Ausfallverhalten analysiert. Um die Degradationsauswirkungen einzelner Bauteile und Funktionen auf das gesamte System bestimmen zu können, hat die FSD ein Simulationsmodell erstellt. Die daraus ermittelten Ergebnisse waren Grundlage für die Bestimmung verkehrssicherheits- und umweltkritischer Bauteile sowie deren Funktionen. Diese Modellaussagen wurden mit Realversuchen an Fahrzeugen validiert. Zusätzlich konnten in einem Feldversuch 2.560 Fahrzeuge mit elektrischem Antriebsstrang untersucht werden. Aus diesen Ergebnissen lassen sich Änderungsvorschläge für die Untersuchungen und Vorgaben ableiten. Dafür ist für einen Großteil dieser Untersuchungen die Nutzung von Diagnosedaten eine geeignete Möglichkeit. Die 47. Verordnung zur Änderung straßenverkehrsrechtlicher Vorschriften berücksichtigt bereits an vielen Stellen die neuen Antriebskonzepte. Von daher werden lediglich geringe Anpassungen in der StVZO für -§ 19 und den Beispielkatalog dazu, -§ 29, Anlage VIIIa, Anlage VIIId sowie die HU-Richtlinie vorgeschlagen. Für die Durchführung der Untersuchungspunkte zum HV-System ist die Entwicklung einer Hochvolt-Richtlinie empfehlenswert. Einige wichtige Prüfverfahren lassen sich derzeit technisch noch nicht umsetzen. Dazu sind Änderungen der internationalen Bau- und Betriebsvorschriften notwendig. Diese werden bei der EU/UNECE anzuregen sein. Es besteht über dieses Projekt hinaus weiterhin Forschungsbedarf, um sich intensiv mit diesen Fahrzeugen zu befassen und deren Weiterentwicklung zu beobachten, damit notwendige Auswirkungen auf die PTI rechtzeitig erkannt werden können.
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.