In diesem Projekt „FE 04.0303/2016/ORB“ wurden Methoden für die Dimensionierung und Analyse von flexiblen Straßenbefestigungen entwickelt und implementiert. Primär wurde das Programm flexCALC erstellt, das die rechnerische Dimensionierung (gemäß RDO Asphalt) und die Substanzbewertung (gemäß RSO Asphalt) auf Basis eines Finite-Elemente-Rechenkerns in einer einheitlichen Softwareplattform zusammenführt. Des Weiteren steht in dem modular strukturierten Programm ein Rechenkern auf Basis der Mehrschichtentheorie zur Verfügung. Dieser zeichnet sich durch seine enorme Geschwindigkeit aus, unterliegt jedoch verschiedenen geometrischen und materiellen Einschränkungen. Der durch der Fourier-Reihen unterstützte Rechenkern auf Basis Finite-Elemente-Methode ermöglicht gegenüber der Mehrschichtentheorie die Berücksichtigung anderer Geometrien und Randbedingungen. Beide Methoden gelten für linear-elastische Statik. Nichtlineare Materialmodelle und dynamische Effekte werden aufgrund ihrer Komplexität in der Dimensionierungspraxis bislang nicht berücksichtigt. Detaillierte Analysen erfordern allerdings deren Berücksichtigung, da die Ergebnisse unter idealisierten Annahmen stark von der Realität abweichen können. Daher wurde ein Finite-Elemente-Rechenkern mit rein polynomialen Ansatzfunktionen implementiert. Zur Auswahl stehen verschiedene Modelle für ungebundene, granulare Materialien und ein etabliertes Modell für viskoelastische Materialien. Zur Modellierung des Schichtenverbundes wurden verschiedene Konstitutivgesetze und die dazugehörige Elementformulierung implementiert. Außerdem ist ein expliziter Löser implementiert. Damit steht ein Werkzeugkasten bereit, der die Weiterentwicklung der Dimensionierung unterstützen wird. Besonderes Augenmerk wurde auf eine ausführliche Dokumentation sowie die Möglichkeit zur einfachen Weiterentwicklung und Wartbarkeit gelegt. Durch aufwändige Verifikationen wurde die Korrektheit der implementierten Algorithmen sichergestellt.

Die Filterregeln für Geokunststoffe werden in dem Merkblatt über die Anwendung von Geokunstoffen im Erdbau des Straßenbaus (M Geok E, 2016) durch Einteilung der Anwendung in drei hydraulische Sicherheitsfälle unterschieden. Die drei hydraulischen Sicherheitsfälle werden durch die Angabe von Bereichen der zulässigen charakteristischen Öffnungsweite O90 beschrieben. Zum Zeitpunkt der Erarbeitung des M Geok E wurde die Obergrenze der Öffnungsweite als technisch sinnvoll angesehen, während die Untergrenze ein Zugeständnis an die verfügbaren Produkte war. Die im Rahmen des Forschungsprojekts durchgeführte Marktstudie zeigt, dass zwischenzeitlich fast ausschließlich Produkte mit Öffnungsweiten zwischen 0,06 mm und 0,08 mm, also an der unteren Grenze, am Markt verfügbar sind. Beim Einsatz dieser Produkte für geotextile Filter können in der Praxis Durchlässigkeitsprobleme auftreten. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden zunächst die national und international für die Bemessung von geotextilen Filtern gebräuchlichen Filterregeln zusammengestellt. In welchen Fällen in der Praxis aus der Anwendung der gängigen Filterregeln bei der Bemessung geotextiler Filter derzeit tatsächlich systematische Probleme im Hinblick auf die Kolmationsgefahr erwachsen, sollte durch eine bundesweite Erhebung zum Einsatz von Trenn- und Filterkunststoffen im Erdbau des Straßenbaus bei den zuständigen Fachbehörden eruiert werden. Aufgrund der geringen Anzahl an Rückmeldungen konnte anhand der Erhebung nur eine Tendenz ermittelt werden. Es werden hauptsächlich geotextile Filter mit einer Öffnungsweite an der unteren Grenze mit geringen Filterdicken eingesetzt. Ein Filterversagen war nur in einem Fall bekannt. Das Hauptaugenmerk des Forschungsprojekts lag in der Überprüfung der bestehenden Filterkriterien des M Geok E durch experimentelle Untersuchungen unter Laborbedingungen in Form von Versuchen am System Boden/Geokunststoff. Dazu wurden sowohl erosions- und suffosionsgefährdete Böden (SW und UL nach DIN 18196), als auch solche Böden, die als verhältnismäßig wenig suffosionsempfindlich gelten (SE und ST* nach DIN 18196), ausgewählt. Die Geotextilien wurden anhand der Marktstudie gewählt. Zum Einsatz kamen insgesamt sieben Geotextilien mit Öffnungsweiten an der oberen und unteren Grenze (mit Filterdicken von 1 mm/ 3 mm). Die Öffnungsweite wurde im Rahmen des Forschungsprojekts nach dem Verfahren gemäß DIN EN ISO 12956 nachgewiesen. Als Systemversuche wurden Langzeitversuche, zyklische Versuche und Versuche mit Suspensionsbeaufschlagung durchgeführt. Dazu wurde ein Versuchsstand, ähnlich einem GR-Test (Gradient Ratio Test), entwickelt. Bei den Langzeitversuchen sollte die zeitliche Entwicklung des Durchlässigkeitsbeiwertes des Systems Boden/Geokunststoff unter konstanten Randbedingungen untersucht werden (hydraulisches Gefälle i = 12, Dauer = 200 Stunden). Gemessen wurde der Durchfluss, die Masse des ins Geotextil eingelagerten Bodens, die Drücke innerhalb der Bodenprobe, sowie der Materialdurchgang. Diese Parameter liefern Aufschluss über das Clogging-Potenzial bzw. zeigen Kolmationsprozesse im Boden/Geotextil. Insgesamt wurden 14 Langzeitversuche durchgeführt. Bei den zyklischen Versuchen sollten Regenereignisse mit Trockenfallen des geotextilen Filters simuliert werden. Dazu wurde das hydraulische Gefälle am Versuchsstand zwischen 0 < i < 12 variiert (Versuchsdauer = 13 Std.). Erfasst wurden die gleichen Parameter wie bei den Langzeitdurchlässigkeitsversuchen. Insgesamt wurden acht zyklische Versuche durchgeführt. Zur Untersuchung des Materialtransports wurden vier Versuche mit einer Suspensionsbeaufschlagung unter konstanten Randbedingungen (i = 12, Versuchsdauer = 5 Std.) durchgeführt. Dazu wurde intervallweise Kaolin dem Versuch zugeführt und neben den üblichen Parametern die Veränderung der Kornverteilung des Prüfbodens erfasst. Zusammenfassend zeigen die Versuche, dass ein Clogging-Potenzial bei der Verwendung von Geotextilien mit einer Öffnungsweite an der unteren Grenze besteht. Besonders Geotextilien mit einer Filterdicke von 1 mm sind davon betroffen. Aus diesem Grund ist auf Grundlage der gewonnenen Ergebnisse eine Fortentwicklung des M Geok E hinsichtlich der folgenden Punkte empfehlenswert: • Die untere Grenze der Öffnungsweite gemäß M Geok E (hydraulischer Sicherheitsfall II) sollte angehoben werden. Ein Einsatz von Geotextilien mit Öffnungsweiten an der oberen Grenze sollte bevorzugt werden. • Die bestehende obere Grenze der Öffnungsweite sollte überprüft und gegebenenfalls angehoben werden. • Es wird empfohlen, ein Kriterium zur Berücksichtigung der Filterdicke mit aufzunehmen (vgl. Ansatz nach BAW MAG 1993, STOEWAHSE 2017). • Es sollte ein Kriterium zur hydraulischen Filterwirksamkeit entwickelt werden. • Kriterien zur Berücksichtigung weiterer Parameter wie beispielsweise die Lagerungsdichte des Bodens und die Ungleichförmigkeitszahl sollten in die Geotextilfilterbemessung mit einbezogen werden (vgl. Ansätze nach DWA-M 511, GIROUD & LUETTICH).

Ziel des Forschungsprojektes ist, aufbauend auf den SKM-Messdaten in 0,1m-Auflösung, eine einheitliche Vorgabe für die Aufzeichnung der Sensorrohdaten zu entwickeln. Besonderes Augenmerk wurde dabei auf eine hohe Aussagekraft bezüglich der lokalen Fahrbahngriffigkeit gelegt. Derzeit wird in Deutschland der Seitenkraftbeiwert des SKM-Messverfahrens als Quotient aus der gemessenen Seitenkraft und einer genau definierten, statisch bestimmten Normalkraft gebildet. Während die gemessene Seitenkraft eine zeit- und räumlich veränderliche Größe darstellt, ist die statisch bestimmte Normalkraft eine Konstante. Dies hat zur Folge, dass der lokal bestimmte Seitenkraftbeiwert nicht nur von Eigenschaf¬ten der Fahrbahnoberfläche, sondern auch der aktuellen Vertikalkraft abhängt, die zum Teil deutlich von der statisch ermittelten Normalkraft abweicht. Dies bedingte in der Vergangenheit, durch Filterung und Mittelwertbildung über längere Streckenabschnitte diese dynamischen Einflüsse auszugleichen. In dieser Arbeit wird nun eine Vorgehensweise entwickelt, mit der zum einen die Frage der Signalfilterung vereinheitlicht wird und gleichzeitig unter Nutzung der Messung der Vertikalkraft wesentlich kürzere Bewertungsabschnitte gebildet werden können. Dabei wird der Quotient aus Seitenkraft und Normalkraft weiterhin konform mit der bestehenden TP Griff-StB (SKM) gebildet, um bislang ungeklärte Fragen wie beispielsweise Zusammenhänge zwischen verschiedenen Lastzuständen am Messreifen, Veränderungen im Drainageverhalten bei unterschiedlich großem Kontaktpatch zur Fahrbahn, variabler Reibungswärme durch verschiedene Auflastsituationen etc. zu umgehen. Die hier entwickelten Vorschläge sind konform mit der bestehenden TP Griff-StB (SKM) und können dementsprechend sofort umgesetzt werden, um die Griffigkeit mit dem SKM-Messverfahren auch für sehr kurze Bewertungsabschnitte unter 10 m zuverlässig ermitteln zu können.

Die Dimensionierung der Dicke von Straßenbetondecken erfolgt neben den standardisierten Vorgaben gemäß RStO [N1] mittels rechnerischer Dimensionierung des Oberbaus gemäß RDO [N3]. Dabei werden den Straßenbetonklassen charakteristische Spaltzugfestigkeiten zugeordnet. Die Erfahrungen hinsichtlich des zielsicheren Erreichens der erforderlichen Spaltzugfestigkeit oder ihrer Beeinflussung bei der Wahl der einzusetzenden Ausgangsstoffe sowie weiterer verarbeitungstechnischer Parameter bei den konventionellen, aber auch neuartigen Betonfahrbahndecken sollten weiterentwickelt werden. Es bestand daher eine Notwendigkeit, im Rahmen einer breit angelegten Parameterstudie durch zielgerichtete Laboruntersuchungen ergänzende Erfahrungen zur Verarbeitung, Erreichung der erforderlichen Festigkeitswerte und der Dauerhaftigkeit für zu konzipierende Betonzusammensetzungen zu erlangen. Der Einsatz alternativer Ausgangsstoffe und das Anpassen verarbeitungstechnischer Parameter könnten ressourcenschonend und nachhaltig die Wirtschaftlichkeit und die Öko-Bilanz der Betonfahrbahndecken ohne Verlust von Dauerhaftigkeit und Leistungsfähigkeit erhöhen, besonders auch im Hinblick auf die Entwicklung von Betonfahrbahndecken, deren Oberflächen durch Grinding zur Lärmminderung und Erhöhung des Nutzungskomforts beitragen sollen. In umfangreichen, grundlegenden Untersuchungen mit aktuell praxisüblichen und modifizierten Mischungszusammensetzungen galt es, die Auswirkungen einzelner Ausgangsstoffe von Straßenbetonen auf die Spaltzugfestigkeit und die Dauerhaftigkeit zu quantifizieren. Basierend auf den gewonnenen Ergebnissen sollten Einflüsse auf die Betonzusammensetzungen definiert und Empfehlungen für die Praxis abgeleitet werden. In mehreren Arbeitsphasen wurden Betonprobekörper mit variierender Zusammensetzung der Ausgangsstoffe hergestellt, bis zu 91 Tage gelagert und geprüft. Weiterhin wurden die Zusammenhänge zwischen den einzelnen Ausgangsstoffen, den damit konzipierten Mischungszusammensetzungen sowie deren Festigkeits- und Dauerhaftigkeitskennwerte detailliert untersucht und bewertet. Zusätzlich wurde der Einfluss unterschiedlicher Lagerungsbedingungen der Probekörper auf die erreichte Spaltzugfestigkeit untersucht. Auf Basis der theoretischen und labortechnischen Erkenntnisse wurde die vor- oder nachteilige Auswirkung von insgesamt neun betrachteten Variationsparametern identifiziert und gewichtet. Die im Labor ermittelte Spaltzugfestigkeit lässt sich demnach durch die Anpassung des Luftporengehaltes im Frischbeton und des w/z-Wertes sowie durch den Einsatz alternativer Zementarten deutlich beeinflussen. Durch die Untersuchung ausgewählter Dauerhaftigkeitskenngrößen konnte gezeigt werden, dass alle betrachteten Laborbetone die normativen Anforderungen an Luftporenkennwerte der Festbetone erfüllten sowie ein hohes Maß an Frost-Tausalz-Widerstand aufweisen konnten. Auf Grundlage der gewonnenen Erkenntnisse kann eine Empfehlung für die Praxis formuliert werden, wie Betonzusammensetzungen durch gezieltes Anpassen der untersuchten Variationsparameter beeinflusst werden können, um den Anforderungen an die Spaltzugfestigkeit in Abhängigkeit der Straßenbetonklasse gerecht zu werden.

Im Bereich der Erhaltung kamen Fertigteile schon seit einigen Jahren vermehrt zum Einsatz. Die Technologie eignet sich aber auch zum Neubau bzw. der Erneuerung von Verkehrsflächen. Dieses Forschungsvorhaben wurde initiiert, um hierzu die vorhandenen Grundlagen zu verbessern und die Praxistauglichkeit von Fertigteilen im Neubau nachzuweisen. Im Rahmen dessen wurden zu Beginn theoretische Betrachtungen zur Anwendung der Bauweise gemacht. Es wurden verschiedene Möglichkeiten zur Querkraftübertragung von Fertigteilen untereinander und zur Höhenjustierung erörtert. Weiterhin wurde ein FEM-Modell erstellt, das der Berechnung der Spannungen in Fertigteilen infolge verschiedener Belastungen und somit auch der Dimensionierung von Fertigteilen dient. Weiterer Kernbestandteil des Forschungsvorhabens war die praktische Umsetzung der Bauweise in Form eines Demonstrators. Auf dem duraBASt wurde eine Versuchsstrecke mit den Abmessungen ca. 30 m x 3,90 m angelegt. Hierzu wurde vorab ein Konzept erstellt, bei dem die Varianten der Querkraftübertragung, die Höhenjustiersysteme, die Oberflächentextur und die Unterlage variiert wurden. Nach Herstellung der Fertigteile wurden diese auf die Baustelle geliefert, verlegt, höhenmäßig ausgerichtet und die Hohlräume unter den Fertigteilen und teilweise in den Kopplungssystemen mit Unterpressmaterial dauerhaft verfüllt. Der fertiggestellte Demonstrator diente sodann dem Nachweis der Dauerhaftigkeit und zur Kalibrierung des FEM-Modells. Hierzu wurde die Untersuchungsstrecke durch die BASt mit dem MLS30 belastet. Im Anschluss an die jeweiligen Belastungen wurden unter anderem FWD-Messungen und visuelle Begutachtungen durchgeführt.