Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen, Reihe S: Straßenbau
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"Grubenberge" fallen beim Auffahren von untertägigen Strecken zur Erschließung von Steinkohlenflözen an. Aufgrund früherer Untersuchungen wurden höhere Anteile an festen Sandsteinen, neben Schluff- und Tonsteinen, erwartet, als in den "Waschbergen" aus dem unmittelbaren Flözbereich enthalten sind. Wegen dieses Sandsteinanteils wurde die Verwendbarkeit der Grubenberge in Tragschichten ohne Bindemittel untersucht. Dazu wurden Frostbeständigkeit, die Raumbeständigkeit und die mechanische Festigkeit von Mineralstoffkörnungen für den Straßenbau geprüft, die in zwei Pilotanlagen aus Grubenbergen aufbereitet wurden. Die Untersuchungen ergaben, dass sowohl die Widerstandsfähigkeit gegen Frost als auch die Raumbeständigkeit der Grubenberge nicht den geltenden Anforderungen an Mineralstoffe für den Straßenoberbau genügen. Die Ursachen sind der hohe Anteil an Schluff- und Tonsteinen, aber auch die mangelnde Frostbeständigkeit der Sandsteine.
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Um die bisherigen Kenntnisse über die Verwitterungsbeständigkeit von Recycling-Baustoffen zu erweitern, wurde deren Widerstandsfähigkeit gegen Frost-Tau-Wechsel in verschiedenen Versuchsdurchführungen in Verbindung mit der Raumbeständigkeit und der Widerstandsfähigkeit gegen Schlag geprüft. Die Untersuchungen zeigten, dass zu den für bewährte Mineralstoffe geltenden Prüfungen zur Ermittlung der Widerstandsfähigkeit gegen Frost-Tau-Wechsel ergänzende Verfahren zugefügt werden müssen, um die Recyclingbaustoffe besser beurteilen zu können. So können mit einem Prüfverfahren, bei dem die Erhöhung des Feinkornanteils im Gemisch ermittelt wird, gute Aussagen gemacht werden. Es werden Aussagen zu Kennzeichnung, Festigkeit und Raumbeständigkeit der Recycling-Baustoffe gemacht und dazu Empfehlungen gegeben.
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Der vorliegende Bericht über Bodenersatzverfahren beim Straßenbau auf wenig tragfähigem Untergrund vervollständigt eine dreiteilige Untersuchung zu dieser Thematik. Die Teile "Konsolidationsverfahren" und "Aufgeständerte Gründungspolster" wurden bereits als Hefte S 24 und S 26 in der Schriftenreihe der Bundesanstalt für Straßenwesen, Unterreihe Straßenbau, veröffentlicht. Bodenersatzverfahren lassen sich unterscheiden in Bodenaustauschverfahren und Bodenverdrängungsverfahren. Bei den Bodenaustauschverfahren sind die Teilleistungen Aushub der Weichschichten und Einbau des Ersatzmaterials zu erbringen. Hiermit ist ein relativ aufwendiger Einsatz von Maschinen und Personal verbunden, dem jedoch der Vorteil einer genaueren Steuerung der Qualität des Ersatzkörpers und im Zusammenhang mit Sicherungsmaßnahmen in Form eines Verbaues die Anpassungsfähigkeit an besondere Randbedingungen (zum Beispiel benachbarte bestehende Bauwerke) gegenübersteht. Hingegen erfordern die Bodenverdrängungsverfahren einen wesentlich weniger aufwendigen Maschinen- und Personaleinsatz, da hierbei im wesentlichen lediglich die Teilleistung Einbau zu erbringen ist. Dies drückt sich auch in den resultierenden Kosten aus , im Vergleich zu den klassischen Austauschverfahren sind die Kosten der Verdrängungsverfahren bei gleicher Ersatzkörperkubatur geringer. Nachteilig bei der Bodenverdrängung ist jedoch, dass eine ausreichende Qualität des Ersatzkörpers, auch bei Einsatz entsprechender Hilfsmittel (zum Beispiel Sprengung), wesentlich schwieriger und weniger zuverlässig zu erreichen ist als bei den Bodenaustauschverfahren. Durchgeführte Standsicherheits- und Verformungsberechnungen an Fallbeispielen zeigen, dass eine Vielfalt an Alternativen und Variationen innerhalb der Gruppe der Bodenaustauschverfahren vorhanden ist, um einen beliebigen Straßendamm auf wenig tragfähigem Untergrund standsicher und verformungsarm zu gründen. Bei einem Teilbodenaustausch sind unter ungünstigen Baugrundverhältnissen mit tief reichenden Weichschichten nennenswerte Restsetzungen nach Fertigstellung eines Straßendammes hinzunehmen. Neben der Setzungsverminderung führt der Teilbodenaustausch jedoch insbesondere bei geringen Dammkörperhöhen, ggf. in Verbindung mit der Verwendung von Geotextilien, auch zu einer Vergleichmäßigung der Setzungen bzw. Verringerung von Setzungsdifferenzen. Eine Serie von durchgeführten Setzungsberechnungen zeigt, dass ein Teilbodenaustausch nicht immer notwendigerweise eine Verminderung der resultierenden Setzungen zur Folge hat. Aufgrund der Wichteerhöhung im Austauschbereich können bei zu geringen Austauschtiefen größere Setzungen eintreten als ohne Bodenaustausch. Bei ungünstigen Bodenverhältnissen muss der Verhältniswert zwischen der in den Untergrund eingeleiteten Zusatzlast aus der Damm- sowie der Ersatzkörperschüttung und der Mächtigkeit der im Untergrund verbleibenden Weichschicht einen ungünstigsten Betrag überschreiten, damit die Setzungen mit zunehmender Austauschtiefe abnehmen. Der wichtigste Anwendungsbereich eines Teilbodenaustausches besteht darin, lediglich eine besonders weiche oberflächennahe Bodenschicht auszutauschen und die in der Natur vorgegebene Inhomogenität der Bodenschichtung mit der Folge von ungleichmäßigen Setzungen auf kurzen Distanzen deutlich zu vermindern.
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Entwicklung eines scannenden Prüfgeräts zur Detektion von Delaminationen in Betonfahrbahndecken
(2019)
Ein bedeutender Teil (ca. 30 %) der Bundesautobahnen ist in Betonbauweise hergestellt. An solchen Fahrbahnen können spezielle Schadensbilder auftreten, die in Zusammenhang mit chemischen Reaktionen (insbesondere Schädigung aufgrund Alkali-Kieselsäure-Reaktion) oder mechanischer und thermischer Beanspruchung stehen (z. B. Hitzeschäden). Zur zerstörungsfreien Zustandserfassung im Hinblick auf substanzielle Schäden von Fahrbahndecken aus Beton steht derzeit noch kein wirtschaftlich sinnvoll einsetzbares Prüfsystem zur Verfügung, das als Entscheidungsgrundlage für Instandsetzungsmaßnahmen dienen könnte. Zwar gibt es Systeme mit denen z. B. die Tragfähigkeit oder der komplette Straßenaufbau (Georadar) repräsentativ und auch mit hohen Scangeschwindigkeiten abgebildet werden kann. Jedoch ist die Abbildung von auf der Oberfläche nicht sichtbaren horizontalen Rissen und Delaminationen im Inneren der Betondecke nur mit großem Aufwand messtechnisch durchführbar. Deshalb wurde im Rahmen des hier beschriebenen Forschungsvorhabens ein scannendes Messverfahren entwickelt und in einem Prototypensystem implementiert. Das System erlaubt die Durchführung von Messungen auf Basis von elastischen Wellen- und Schwingungsphänomenen, die direkt mit strukturellen Eigenschaften wie z. B. dem Vorhandensein von Rissen korrelierbar sind. Das entwickelte Messsystem nutzt als Grundlage das sog. Impakt-Echo-Verfahren, bei dem durch einen mechanischen Impakt elastische Wellen im Betonkörper ausgelöst, mit geeigneter Sensorik empfangen und mit Methoden der Datenverarbeitung im Hinblick auf Informationen bezüglich Materialkennwerten und Schäden analysiert werden. Im Laufe der Entwicklungsarbeiten wurden messtechnische Komponenten wie Sensorik, Signalquellen und Messelektronik für die speziellen Erfordernisse scannender Messungen an Betonfahrbahndeckenim Bestand konzeptioniert, hergestellt und optimiert. Insbesondere wurde zur Realisierung der scannenden Funktionsweise eine luftschallbasierte Signalaufzeichnung implementiert. Darüber hinaus wurden auf Basis numerischer Simulationen und Realmessungen Methoden zur Datenverarbeitung und korrekten Interpretation der Messdaten erarbeitet. Testmessungen wurden sowohl an ausgebauten Fahrbahnplatten als auch an ausgewählten Fahrbahnen im Bestand durchgeführt. Mit dem System konnten an Fahrbahnen unterschiedlicher Bauart Messergebnisse erzielt werden, die Rückschlüsse auf das Vorhandensein horizontaler Risse ermöglichen. Bei Vorliegen mehrerer Rissebenen ergibt sich durch das Messprinzip die Einschränkung, dass nur die oberste Rissebene detektierbar ist. Die Messergebnisse konnten an ausgewählten Stellen durch Kernbohrungen verifiziert werden. Wo keine direkte Verifikation möglich war, ergab sich eine gute Übereinstimmung mit alternativen Messverfahren (Ultraschall) oder eine plausible Übereinstimmung mit dem allgemeinen Fahrbahnzustand, der z. B. durch Ausbesserungsstellen im umgebenden Bereich der Messlokationen ersichtlich war. Das Prototypensystem erlaubt erstmals eine scannende Erfassung struktureller Schädigung durch horizontale Risse und Delaminationen in Betonfahrbahndecken von einer beweglichen Plattform aus. Obwohl noch Optimierungsmöglichkeiten v. a. hinsichtlich der Scangeschwindigkeit bestehen, ergab sich durch die Bearbeitung des Forschungsvorhabens eine wesentliche Verbesserung bestehender Prüftechnik zur Abbildung kleinskaliger Schäden in Fahrbahndecken aus Beton.
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Arbeitsanleitung für den Einsatz des Georadars zur Gewinnung von Bestandsdaten des Fahrbahnaufbaues
(2003)
Das Georadarverfahren (auch Ground Penetration Radar (GPR)) ist ein Verfahren zur Unter-suchung des Aufbaues und zur Detektion von Objekten im Ober- und Unterbau sowie dem Untergrund. Das Verfahren beruht auf der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen und er-möglicht so eine kontinuierliche und zerstörungsfreie Aufnahme des Straßenoberbaues bzw. des Untergrundes/Unterbaues. Das Georadarmesssystem bieten eine Reihe von Möglichkeiten auf verschiedenen Anwendungsgebieten. Diese Anwendungsgebiete lassen sich in die Bereiche Netzebene und Projektebene unterscheiden. In Forschungsvorhaben konnte gezeigt werden, dass sich das Messsystem auf Netzebene zur Erfassung von Bestandsdaten im Straßenoberbau eignet. Aufbauend auf den Forschungsergebnissen, den durchgeführten Messreihen und dem Erfahrungsaustausch mit Georadarbetreibern ist eine Arbeitsanleitung für den Einsatz des Georadars zur Gewinnung von Bestandsdaten des Fahrbahnaufbaues erstellt worden. Sie beschränkt sich auf den Einsatz auf Netzebene, stellt Anforderungen an die Gerätetechnik, Messkonfiguration sowie an die Durchführung, Auswertung und Dokumentation der Messungen. Ziel der Arbeitsanleitung ist es, den Einsatz des Messverfahrens zur Bestimmung von Aufbaudaten zu erleichtern und unsachgemäße Handhabung zu vermeiden. Sie dient einer einheitlichen Grundlage zur Durchführung und Auswertung von Georadarmessungen. Bei der Projektbearbeitung hat sich gezeigt, dass das Georadarmesssystem Potential für andere Anwendungsfälle insbesondere auf Projektebene im Bereich der Schadensanalyse und der Entwicklung von Erhaltungsstrategien besitzt. Für den Einsatz des Georadarverfahrens im Asphaltstraßenbau auf Projektebene gibt es noch keinen ausreichenden Bewer-tungshintergrund, um allgemeine Anforderungen an die Durchführung und Auswertung von Georadarmessungen für diese Anwendungsfälle in einer Arbeitsanleitung festzuschreiben. Hier besteht aktueller Forschungsbedarf. Zur Sicherstellung qualitativ hochwertiger Auswertungen von Georadarmessungen ist weiterhin eine Zertifizierung der Messgeräte und des Messpersonals wünschenswert, da Erfahrungen aus dem Bereich Straßenbau sind für die Auswertung der Messdaten und der Dateninterpretation unerlässlich sind.
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Da Polymer-, Gummi-, wachs- und mehrfachmodifizierte Bitumen seit Jahren im Asphaltstraßenbau eigesetzt werden, kommen diese vermehrt im Ausbauasphalt vor. Zur Bewertung des Ausbauasphalts ist es daher notwendig, die Modifizierungen an der Mischanlage zu identifizieren. Die Ausbildung des Bindemittelsacks beim Erweichungspunkt Ring und Kugel ist charakteristisch für die Modifizierung. Hierdurch können wachsmodifizierte Bitumen (WmB) recht präzise und Polymermodifizierten Bitumen (PmB) teilweise identifiziert werden. Mittels Differential Scanning Calorimetry (DSC) werden die Schmelztemperaturen der Wachse erfasst. Hierdurch können WmB identifiziert und die Wachsarten unterschieden werden. Die Analytik mittels Dynamischem Scherrheometer (DSR) startet mit der Bestimmung der Äquisteifigkeitstemperatur EG*T. Bei EG*T werden Frequenz-, Amplituden- und MSCR-Tests durchgeführt. Die Grenze des LVE-Bereichs dient der Identifizierung von WmB. Anhand der Kennwerte bei 0,1 Hz können PmB erkannt werden. Die Rückformung (MSCRT) dient der Identifizierung von Mehrfachmodifizierungen. Da Gummimodifizierte Bitumen (GmB) bei der Extraktion erkannt werden, können alle Modifizierungsarten identifiziert werden. In den FTIR-Spektren (Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie) der modifizierten Bitumen verursachen einige Polymere und Wachse charakteristische Banden, wodurch diese erkannt werden. Die Identifizierung der übrigen Additive erfolgt mithilfe einer multivariaten Auswertung, wodurch mit Ausnahme der GmB (nicht erforderlich) alle Additive erkannt werden. An Stichproben konnte zudem eine Abgrenzung von Mehrfachmodifizierungen sowie eine Abschätzung der Zugabemenge erreicht werden. DSR und FTIR ermöglichen beide eine schnelle, einfache und zielsichere Identifizierung der Bitumenmodifizierungen. Durch die FTIR-Analytik können die Modifizierungen mit der größtmöglichen Präzision bestimmt werden. Die DSR-Analytik erlaubt dafür zusätzlich eine baupraktische Bewertung der Bindemittel.
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Bau und Messungen an einer Versuchsstrecke mit optimierter Kiestragschicht unter der Betondecke
(2018)
Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde ein bereits unter Laborbedingungen bewährtes Baustoffgemisch 0/32 mm " bestehend aus gebrochenen und ungebrochenen Gesteinskörnungen - für die Herstellung einer modifizierten Kiestragschicht unter einem Betonfahrbahndeckensystem einer realen Versuchstrecke verwendet. Die messtechnische Begleitung dieses Versuchsstreckenbaus an einer Fahrgasse der Tank- und Rastanlage Köschinger Forst (BAB 9) im Sommer / Herbst 2012 umfasste unter anderem umfangreiche Tragfähigkeitsmessungen auf den einzelnen ungebundenen Schichten des Oberbaus. Die 30 cm dicke modifizierte Kiestragschicht wurde mit einer 27 cm dicken unbewehrten Betonfahrbahndecke in Plattenbauweise überbaut. Die Tragfähigkeitsmessungen auf der modifizierten Kiestragschicht wurden unmittelbar nach dem Einbau und nach 16 Tagen unter freier Witterung und Baustellenverkehr durchgeführt. Bei allen Messungen wurden die Vorgaben der ZTV SoB-StB " Ev2 ≥ 150 MPa " erfüllt. Eine Fuge der Fahrgasse wurde unverdübelt und ohne Fugenmasse ausgeführt, um durch die erhöhten Relativbewegungen der Plattenränder und den gleichzeitigen hohen Wassereintrag eine Erosion der Tragschicht im Fugenbereich zu induzieren. Im Mai 2015 erfolgten - nach 32-monatiger Liegedauer - die Wiederholungsmessungen. Die Überrollungen der unverdübelten Querscheinfuge konnten zum damaligen Zeitpunkt grob mit 350.000 Fahrzeugen (ca. 1 Mio. äquivalente 10t-Achsen) abgeschätzt werden. Für die Wiederholungsmessungen wurden zwei Einzelfahrbahnplatten der Lkw-Fahrgasse abgehoben. Es konnten hierbei keine wesentlichen Veränderungen der für eine KTSuB relevanten Performanceparameter festgestellt werden. Die in den ZTV SoB-StB und den RStO geforderten Mindestwerte der Tragfähigkeit - statischer Verformungsmodul und Verhältniswert Ev2/Ev1 - konnten an allen untersuchten Prüfpunkten eingehalten werden. Des Weiteren konnten die Bedenken hinsichtlich der Erosions- und Umlagerungsbeständigkeit im Fugenbereich beim vorliegenden - relativ langsam fahrenden Schwerlastverkehr - relativiert werden.
S 148
Die Spannungszustände in Betonfahrbahndecken werden von den Temperaturverläufen über den Querschnitt im Kontext mit den Klimadaten, den Materialkennwerten, der Nullspannungstemperatur und der Reibung zwischen Platte und Unterlage beeinflusst.
Ziel des Projekts war die Entwicklung eines Informationssystems zur Ermittlung und Prognose dieser Spannungszustände.
Zur Realisierung wurden folgende Arbeitsschritte durchgeführt:
• Konzipierung eines geeigneten Messverfahrens mit den zu bestimmenden physikalischen Größen,
• Recherche bisher in der Praxis angewendeter Mess- und Aufnahmesysteme,
• messtechnische Ermittlung erforderlicher Daten und rechnerische Ermittlung der Spannungszustände in der Fahrbahn,
• Entwicklung eines Ablaufschemas zur Datenerfassung, -übertragung und -speicherung,
• Entwicklung eines Rechenalgorithmus und Softwaretools zur automatischen Datenauswertung mit Anbindung an Klimaprognosedaten sowie Definition von Grenzen,
• Modul zur automatisierten Umsetzung von Maßnahmen (z. B. Warnsignale an die Autobahnmeistereien),
• Herstellung eines Demonstrators unter Einsatz des gesamten Informations- bzw. Prognosesystems und wissenschaftliche Auswertung.
Nach Eruierung der erforderlichen Daten wurden als Demonstratoren an drei Standorten Messstationen zur Erfassung von Fugenbewegungen, Betontemperaturen über den Querschnitt und Klimadaten konzipiert und errichtet bzw. erweitert, deren Daten automatisch in eine Datenbank übermittelt, normalisiert und weiterverarbeitet werden.
Es wurde ein Softwaretool für die automatische Datenauswertung entwickelt, das auf Basis von Klimadaten den Temperaturverlauf und qualitative Spannungszustände in der Betondecke berechnet, um dann eine Risikobewertung durchführen zu können.
Zur Entscheidungshilfe wurde ein Modul entwickelt, das in der Lage ist, aus der Klimaprognose und den vorliegenden Materialparametern realistische Spannungsprognosen zu berechnen und das jeweilige Niveau zu bewerten.
Des Weiteren wurde die Möglichkeit einer automatisierten Deformationsanalyse auf einem 70 m langen Betonfahrbahnabschnitt mit einem Messsystem getestet, mit dem hochauflösende Lasermodelle zur Bewertung der momentanen Deformation im Kontext zu den umgebenden klimatischen Bedingungen erstellt werden.
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Die Sensibilität der Bevölkerung in Bezug auf Straßenlärm ist in den letzten Jahrzehnten zunehmend gestiegen. Die bisherige Standardbauweise von Betondecken ist Waschbeton, welche im Vergleich zum Referenzwert mit -2 dB(A) als lärmmindernd angesetzt wird. Offenporige Deckschichten können hingegen eine Pegelminderung von bis zu 5 dB(A) bewirken.
Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurde zunächst die Prozesskette bei der Herstellung von Offenporigem Beton (OPB) herausgearbeitet, um zukünftig einen prozessoptimierten Einbau bei dieser Bauweise zu gewährleisten. Hierzu wurden in einer Literaturrecherche Informationen früherer Versuchsstrecken gesammelt und ausgewertet.
Parallel dazu wurde, auf Grundlage einer bestehenden OPB-Rezeptur, eine im Hinblick auf die Verarbeitbarkeit, bei Einhaltung der Anforderungen an die Festbetoneigenschaften, optimierte Rezeptur erstellt.
Anhand der Ergebnisse aus der Recherche sowie der Rezepturoptimierung wurde eine Versuchstrecke auf einem Autobahnparkplatz in der Planung sowie der Ausführung begleitet. Bei der Herstellung der Versuchsstrecke wurden die Prozessparameter dokumentiert sowie die Frisch- und Festbetoneigenschaften bestimmt.
Im Anschluss an den Bau der Versuchsstrecke wurde die Umsetzbarkeit der im Vorfeld herausgearbeiteten Einzelprozesse analysiert und Anpassungen für zukünftige Baumaßnahmen mit OPB definiert. Zur weiteren Charakterisierung der Versuchstrecke wurden entstandene Risse lokalisiert und durch regelmäßige in-situ Messungen überwacht. Zur Untersuchung der Materialeigenschaften des OPB wurden Bohrkerne aus der Strecke entnommen.
Diese Daten bildeten die Eingangsdaten für eine Finite Elemente Simulation des Rissverhaltens in der OPB-Schicht. Dabei wurden die praxisrelevanten Beanspruchungen, wie Witterung und Verkehr als Beanspruchungen auf das System betrachtet.
Abschließend wurde ein allgemeines Monitoringkonzept für offenporige Betondecken erarbeitet. Dieses enthält die Ermittlung der für Fahrbahndecken üblichen Gebrauchseigenschaften sowie speziell für offenporige Systeme zu untersuchende Kennwerte. Zudem wurden Hinweise zur Anwendbarkeit standardisierter Verfahren gegeben.
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In den ZTV Beton-StB 07 sind die Anforderungen an die Lage der Dübel enthalten. Größere Abweichungen können zu Schäden führen. Ziel der Forschungsarbeit war, die Messergebnisse (Pulsinduktionsverfahren) der vergangenen Jahre zu bewerten und aus Folgerungen ggf. die Qualität des Dübeleinbaus zu verbessern. Dazu wurden von 21 Strecken 894 Querscheinfugen mit 40389 Dübeln ausgewertet. Die vorliegenden Messdaten zeigten eine sehr unterschiedliche Qualität der Lage der Dübel. Soweit bekannt, waren auch bei Überschreitungen der festgelegten Toleranzen keine Schäden vorhanden. Bei einer beispielhaft angenommenen Erweiterung der Toleranzen konnten teilweise die Toleranzüberschreitungen auf etwa die Hälfte reduziert werden. Dagegen hatte bei einigen Strecken die Toleranzerweiterung geringe Auswirkungen. Auswirkung auf die Messergebnisse mit ggf. Fehlern konnten bei einer Hochspannungsleitung und an der Längsfuge durch den Einfluss der Anker und durch unterschiedliche Geräte festgestellt werden. Dagegen waren die Position der Dübelsetzergabeln und der Abstand der Rüttelflaschen untereinander von geringem Einfluss. Durch die Maßnahme, geringeren Energieeintrag über die Rüttler an zu tief liegenden Dübel einzuleiten, wurde ein hervorragendes Ergebnis der Dübellage erzielt. Durch die frühzeitige Kontrolle der Dübellage und entsprechende maschinentechnische Korrekturen (Kennzeichnung der Fuge, Qualität, Steifigkeit und Zusammensetzung des Betons sowie Einbaugeschwindigkeit des Fertiger) lässt sich eine gute Dübellage erreichen, bei der auch die Toleranzen nach den ZTV Beton-StB 07 eingehalten werden können. Aufgrund früherer Untersuchungen kann eine abweichende Höhenlage nach unten von 35 mm und eine Verschiebung der Dübel von +/- 80 mm zugelassen werden. Eine Toleranzerweiterung hat bei den einzelnen Stecken je nach Häufigkeitsverteilung sehr unterschiedliche Auswirkungen.