Rechnerische Dimensionierung von Straßen (Sivapatham)

Transport von Personen und Gütern mit einem höchsten Maß an Verkehrssicherheit und einer angemessenen Verkehrsqualität

• 5 Zustandsmerkmale:

  • Quer- und Längsebenheit)

  • Griffigkeit / Rauheit

  • Flickstellen

  • Risse

• Ermüdungsrisse

• Deformation

• Querebenheit

• Tieftemperatur

• ...

• Messtechnik: Flächenanteile durch film- oder videotechnische Aufzeichnung

  • Methode muss von BASt zugelassen sein + optisch überprüft werden

• Visuell: Schätzung von Rissen an betroffenen Flächenteile in %

Schwitzstelle, Schlagloch, Abrieb, Ausmagerung, ...

• Dadurch Messung / Visuell Erhoben

• Lokale Entmischung beim Einbau mit inhomogener Struktur

-> Abtasten mit Lasersensoren -> Verwölbung, wellenartige Verformung, Schubverformungen, Setzungen, Einsenkungen

-> Messungen mit Messfahrzeug durchgeführt, welches das Längsprofil der Straße erfasst -> wird in cm³ angegeben, basiert auf spektralen Dichte der Unebenheitshöhen

• Ursachen: Setzung / Einsenkungen, Verdichtung, Frosteinwirkung, Materialinhomogenität, Stoppsignal, starke Neigung

  • 4 Kategorien:

    • 1. Sehr gut:

      Straßen mit sehr geringer Unebenheit, die einen hohen Fahrkomfort und eine geringe Beeinträchtigung für Fahrzeuge bieten.

    • 2. Gut:

      Straßen mit geringer Unebenheit, die einen guten Fahrkomfort und eine akzeptable Beeinträchtigung für Fahrzeuge bieten.

    • 3. Mittel:

      Straßen mit mittlerer Unebenheit, die einen eingeschränkten Fahrkomfort und eine zunehmende Beeinträchtigung für Fahrzeuge aufweisen.

    • 4. Schlecht:

      Straßen mit hoher Unebenheit, die einen deutlichen Einfluss auf den Fahrkomfort und die Fahrzeugbeanspruchung haben.

Verschiedene Methoden

• zerstörende Verfahren

  • z. B. Bohrkernentnahme, werden oft zur Ermittlung der Asphaltdicke oder Materialeigenschaften eingesetzt

• zerstörungsfreie Verfahren

  • Falling Weight Deflectometer (FWD)

    • misst dynamische Verformung der Fahrbahnoberfläche unter einer Stoßbelastung

    • Messungen geben Aufschluss über Tragfähigkeit des Straßenoberbaus -> können zur Bewertung des Zustands & der Lebensdauer der Straße eingesetzt werden

  • elektromagnetische Schichtdickenmessung

    • Methode nutzt elektromagnetische Impulse, um Dicke von Asphaltschichten zerstörungsfrei zu messen

    • ist besonders nützlich bei der Überprüfung der Einbaudicke von Asphalt & der Überwachung von Bauprojekten

  • -> bieten Vorteil, dass sie keine Schäden an der Fahrbahn verursachen & somit für regelmäßige Kontrollen geeignet

• Ebenheit (im Längst- und Querprofil)

• Rauheit

• Substanzmerkmale (Oberfläche)

  -> Bei Asphaltstraßen

Längsebenheit

• Zustandsindektoren:

  • AUN Allgemeine Unebenheit

  • LWI Längsebenheitswirkindex

  • SBL / DBL Bewertetes Längsprofil (bisher kaum in Praxis angewandt

• Arten von Unebenheiten

  • Stochastisch Verteilte -> AU

  • Einzel

  • Periodische -> LWI --> alle 3 Problem da keine Gesamtbeurteilung der Längsebenheit möglich (keiner der Faktoren reicht alleine aus)

Querebenheit

• Zustandsindektoren:

  • MSPT [mm] Spurrinnentiefe (2m-Latte über Oberfläche legen und dazwischen Rillen beurteilen)

  • MSPH [mm] fiktive Wassertiefe (zwischen Soll-OK bis nach unten der Vertiefung messen)

• Ursachen:

  • Aus Deformation

  • Ungünstige Zusammensetzung

  • Kein Schichtenverbund

  • Schlechter Verdichtungsgrad

  • Hoher / geringer Hohlraumgehalt im eingebauten Zustand

Griffigkeit (kann nicht visuell erhoben werden)

• Zustandsindektoren:

  • SKM (Seiten Kraft Messfahrzeug) -> Seitenkraftbeiwert Müh

    • schräg gestelltes Messrad mit definierter Auflast über Fahrbahn ziehen, dabei auftretende Seitenkraft messen, diese zur Radlast ins Verhältnis setzen, um Seitenkraftbeiwert zu ermitteln -> beschreibt Griffigkeit

  • Grip Tester

    • definiertes, gebremstes Rad über Fahrbahn zieht & dabei auftretende Kraft misst, diese wird durch Reibung zwischen Reifen & Fahrbahn verursacht

  • SRT-Pendel (Skid Resistance Tester)

    • Reibung zwischen einem Gleitkörper und der angenässten Prüffläche misst

  • Über alle 3 Messwerte erheben

• Insbesondere bei nassen Zustand prüfen

• Nur auf saubere Straßen prüfen, sonst Griffigkeit künstlich beeinflusst

• Vor Prüfen muss Bitumenfilm abgefahren sein (ca. 6 Wochen, bei Nebenspuren länger, nach 12 Wochenmuss geprüft werden)

• Müh bei 3 verschiedenen Geschwindigkeiten ermitteln (40/60/80 km/h (bei Autobahnen nur 80 km/h)

• Ursachen:

  • Nutzungsbedingte Verschleißerscheinungen

  • Ungeeignete Mischgutzusammensetzung (geringer Polierwiderstand) -> zu viel Mörtel oder Bindemittel Anteil

  • Mangelhafte Deckenherstellung (Qualität und dicke der Feinmörtelschicht, Oberflächentexturierung)

  • Mangelhafte Entwässerung der Oberfläche

Risse (verschiedene Arten), offene Nähte und Fugen, Ausbrüche, Restschadensfläche

• Risse

  • Arten: Längstrisse, Querrisse, Wild Risse, Netzrisse

  • Erfassung: Messtechnisch --> Flächenanteile durch Film oder videotechnische Aufnahmen

  • Ursachen: Tragfähigkeit, Alterung, an offenen Rändern von Grabungen / Arbeitsnähten, Setzungsrisse

• Offene Nähte und Fugen: Gesamtlänge

  • Erfassung: visuell, messtechnisch (leicht/mittel/schwer)

  • Ursachen: fehlerhafte / keine Nahtbehandlung, unzureichende Verdichtung am Nahtbereich / der ungebundenen Schicht bei Grabungen, Nähte öffnen sich infolge tiefer temperaturgebundener Zugspannungen

• Flickstellen

  • Erfassung: Messtechnisch durch Film- / Video Aufnahmen, visuell auch

  • Ursachen: Unterhaltungsarbeiten an schadhaften Stellen, Ursache demnach wegen den Primärproblem meist

• Ausmagerungen -> lokale Entmischung beim Einbau mit inhomogener Struktur

• Abplatzungen

1. Längstebenheit

2. Querebenheit

3. Griffigkeit

4. Oberflächenmerkmale wie Flickstellen

5. Risse wie Tieftemperaturrisse, Ermüdungsrisse

• Nicht Teil der ZEB: Tragfähigkeit, Schichtverbund, Affinität zwischen Gk und Bitumen, Alterung, Kernausbrüche (saure Gk stößt das Bitumen ab), Bindemittelanreicherungen

• Jeweils Zustandsmerkmal, Zustandsindikator und Zustandsgröße lernen

  • z. B.: Bindemittelanreicherungen, prozentualer Anteil, BIN [%]

• Wichtige Merkmale müssen noch genauer erforscht werden:

  • Netzweite Bewertung und Prognose der Tragfähikeit

  • Eingrenzung einer möglicher Erhaltungsmaßnahmen

  • Finanzmittel zielgerecht einsetzten

• Ausbrüche, Stufenbildung, Abplatzungen, ...

  • Ursachen: mangelhafte Tragfähigkeit, undichte Fugenverguss, Eindringen von Wasser in Hohlräume von Fugen- oder Rissbereiche, fehlender oder ... Erosion

    • Auch bei Betonoberbau ausreichende Entwässerung darunter nötig

  • Indikatoren: Anzahl der betroffenen Platten [%]

• Kantenschäden und Eckabbrüche

  • Ursachen: zu geringe Betonfestigkeit, Verformungen der Unterlage, mangelhafter Fugenzustand, behinderte Horizontal- oder Vertikalbewegungen, mechanische Beanspruchungen (Kettenfahrzeuge, Räumfahrzeuge)

• Abplatzungen

  • Ursachen: chemische / thermische / mechanische Einwirkungen, Betonfestigkeit

• Abblätterungen, Frosthebungen

• Abwandern von Platten

  • Ursache: fehlende Verankerung

• Risse in Betonbefestigung

  • Welche Arten von Rissen gibt es in der Betonbefestigung?

    • Verschiedene Arten: Randrisse, Risse im Querfugenbereich, Querrisse, Netzrisse

  • Was sind die Ursachen für die Entstehung der Risse?

    • Ursache: Alkali-Kieselsäure-Reaktion, Schwinden, zu hoher w/z-Wert

• Verminderte Griffigkeit

  • Ursachen: ungeeignete Betonzusammensetzung, mangelhafte Deckenherstellung / Entwässerung der Oberfläche

• Flickstellen: Anteil der Reperaturstellen

• Schäden an Pflasterbefestigungen

  • Verformungen in den Randspuren

  • Verkantungen oder kippen von Pflastersteinen

• ZTV Asphalt-StB 07/13 (R1)

  • Herstellung von Asphaltbefestigungen im Straßenbau -> Erneuerung

• ZTV BEA-StB 09/13 (R1)

  • bauliche Erhaltung von Verkehrsflächenbefestigungen in Asphaltbauweisen -> umfasst Maßnahmen zur Instandhaltung & Instandsetzung

• ZTV BEB-StB 02 (R1)

  • bauliche Erhaltung von Verkehrsflächenbefestigungen in Betonbauweise

• M BEB (R2)

  • Muster einer Technischen Vertragsbedingung für bauliche Erhaltung von Verkehrsflächenbefestigungen in Betonbauweise

hartes Bitumen (weniger Rohölanteil, niedrigere Nadelpenetration)

• höhere Stabilität bei hohen Temperaturen

  • behält Form besser bei hohen Temperaturen & ist daher ideal für stark befahrenen Straßen und heiße Klimazonen

• geringere Anfälligkeit für Verformungen

  • weniger anfällig für Spurrillenbildung/ andere Verformungen unter hoher Belastung (Schubbeanspruchungen)

weiches Bitumen (mehr Rohölanteil, höhere Nadelpenetration)

• höhere Dehnbarkeit, Flexibilität

  • kann sich besser an Temperaturschwankungen anpassen, was Rissbildung vorbeugen kann

• bessere Haftung auf verschiedenen Oberflächen

  • stärkere Bindung mit Zuschlagstoffen im Asphalt eingehen -> kann Lebensdauer der Fahrbahnoberfläche verlängern

• weniger anfällig für Rissbildung bei Kälte

  • größere Flexibilität kann Risse bei niedrigen Temperaturen, wie sie in kalten Klimazonen auftreten, reduzieren

• Maßnahmen, die der Erhaltung der Substanz und des Gebrauchswertes, der Sicherheit für Verkehrteilnehmende sowie Umweltverträglichkeit von Verkehrsflächen dienen

• Betriebliche und Bauliche Erhaltung

  • Betrieblich: Kontrolle und Wartung

  • Baulich: Instandhaltung, Instandsetzung, Erneuerung

    • Verbesserung Oberflächeneigenschaften:

      • Rauheit -> Griffigkeit

      • Ebenheit -> Längs- & Querebenheit

    • Verbesserung der Substanz (-mängel)

      • Netzrisse, Ausmagerung, Flickstellen, Kornausbrüche, Einzelrisse

    • Tabelle 2 Instandsetzungsmaßnahmen (ZTV BEA-StB 09, FGSV)

• Bauliche Maßnahmen kleineren Umfangs zur Substanzerhaltung (lokale geschädigte Flächen)

  • 4 Gruppen:

    • Verfüllen von Schlaglöchern

    • Oberflächenbehandlung einzelner Schadstellen

    • Verguss offener Fugen

    • Abfräsen von Verformungen

• Max. 10% der Gesamtfläche, sonst Instandsetzungsverfahren

• Anspritzen und Abstreuen

• Aufbringen von bitumenhaltigen Schlämmen

• Aufbringen von Porenfüllmassen

• Ausbessern mit Asphalt

• Aufrauen

  • Abtragende Verfahren (Feinfräsen z.B.), Auftragende Verfahren

• Abfräsen von Unebenheiten

• günstiger und umweltschonender als Neubau

• Bis zu Dicke von 4 cm über ganze Fahrbahnbreite, sonst bei über 4 cm Erneuerung

1. Oberflächenbehandlung - OB

• Mit einfacher Abstreuung OB-eA

  • Verspritzt, abstreuen und gewalzt

• Mit doppelter Abstreuung OB-dA

  • Verspritzt, abstreuen, gewalzt, abstreuen und gewalzt

• Mit doppelter Oberflächenbehandlung OB-dO

  • Zweimal verspritzt, abgestreut und gewalzt

• -> Mitte April-September wegen Wetter durchführen

• -> Danach abkehren

2. Aufbringen dünner Asphaltdeckschichten

• 2.1 dünne Schichten im Kalteinbau – DSK

  • Kontinuierliche, selbsthaftende Maschienenanlage

  • 0,5-1 cm normalerweise

• 2.2 dünne Schichten im Warmeinbau – DSH-V

  • Das –V steht für auf Versiegelung

  • z.B. 4 Walzen damit schnell verdichtet

  • Anspritzmittel mit Bitumenemulsionen

  • Direkt über Anspritzen wird asphaltiert (eingebaut)

3. Rückformen - RF

• Verfahren A: Einbaufahrzeug -> schonend aufheißen altes Material, aufgelockert, aufgenommen, durchmischt mit ggf. Ergänzungsmaterial (nur bei Verfahren B), Wiedereinbau und Verdichten

• Verfahren B: Remix (siehe A mit Zusatz B)

• Verfahren C: Remix compact -> wie vorher + neue Asphaltdeckschicht mit zusätzlichen Fertiger einbauen

• Fahrbahnmarkierung vorher entfernen, vereinzelt Flickstellen ausbauen

4. Ersatz einer Asphaltdeckschicht – ED

• Fräsung, Unterlage anspritzen, Neueinbau Asphaltdeckschicht, nur wenn Mängel nur in Deckschicht

• Erneuerung: mehr als 4 cm, Hoch- oder Tiefeinbau bzw. Kombiniert

• Instandhaltung: Abbildung (Bild 1: Merkmale für Betonbauweise)

  • Gliederung zu Schadensarten, Erscheinungsbild und Ursache

• Ausbessern von Fugenfüllungen (schadhafte Fugenfüllungen), Abdichtung des Gesamtsystems

• Instandsetzungsverfahren

• EF: Ersatz von Fugenfüllungen

• HFP: Heben und Festlegen von Platten

• E PuPT: Ersatz von Platten und –teilen

• SE: Streifenweise Ersatz

• OP-RH: Oberflächenbehandlung, Reaktionsharz

• OS-RH: Oberflächenbeschichtung, Reaktionsharzmörtel

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• Instrument: Findung eines optimierten Ergebnisses unter Berücksichtigung ingenieurmäßige Grundsätze mit volks- und betriebswirtschaftlichen Prinzipien

• Kenntnisse über den Straßenzustand und dessen Bewertung

• Voraussetzungen für eine gezielte Verkehrsflächenerhaltung periodische Erfassung: Verlauf der Zustandsentwicklung

• Ziel: Bestimmung der wirtschaftliche sinnvollsten Erhaltungsstrategie mittels eines Praxisbezogenen Modellverfahrens

  • Informationen über aktuellen Zustand und Bauweise

  • Entwicklung des Zustandes

  • Wirkung von Maßnahmen

  • Wirtschaftliche Auswirkungen

  • Verkehrsbelastung

• Aus Investitionsrahmenplan 2019-2023 (IRP)

• Bundesverkehrswegeplan 2030

• Ein Sammelbegriff für die Maßnahmen, die der Erhaltung der Substanz und des Gebrauchswerts ...

• Ziele: Bestimmung der wirtschaftlich sinnvollen Erhaltungsstrategie mittels eines praxisbezogenen Modellverfahrens

  • Infos über aktuellen Zusatnd und Bauweise

  • Entwicklung des Zustandes

  • Wirkung von Maßnahmen

  • Wirtschaftliche Auswirkungen

  • Verkehrsstärken

• Funktionsklassen 1-3 für Heller Teil lernen

  • Dimensionslose Zustandswerte, schlechtester der Teilwerte wird maßgeblich für Zustandsklassen

• Typisierte Verhaltenskurve für Asphaltbefestigungen

• Verhaltensklasse der Zustandsmerkmale

• Erarbeitung von Szenarien über die Entwicklung des Straßennetzes

  • Standardfkt für die Spurrinnen -> Verhaltensfkt (nach Lebensdauer oder Lastwechsel) der Zustandsmerkmale in Abhängigkeit von Nutzungsdauer (RPE-Stra 01)

• Anhaltswerte zur Abschätzung des Zeitraums zwischen dem Neubau und dem Eingreifzeitpkt

• Zuordnung der gefundenen Bestandstypen zu verhaltenskonformen Gruppen (VhG) mit Tabelle zu diesen

• 1. Standardverhaltenfkt für die Spurrinnentiefe in Abhängigkeit von kumulierter Achslastwechseln (AL) Tabelle dazu -> in dem Regelwerk auch für andere Merkmale und auch Diagramme mit Fktverläufen darin

• 2. Verhaltensklasse der Zustandsmerkmale (Standardfkt für Spurrinnen Diagramm)

--> nochmal auf Blatt von Übung schauen oder RDO

• Prognostizierung der Zustandsentwicklung

  • z_i,j,tZEB = a_j,k + b_j,k * AL_i,tZEB^c_j,k

  • Erst aus Tabelle ablesen, dann in echt beobachten, dann mit Formel an Verhalten von hier verwendeten Materialien von Straße anpassen

  • Entweder Zustandszeit nach C Lastwechseln oder nach X Jahren wie viele Lastwechsel ok bestimmen

• Wie funktioniert die Prognostizierung der Entwicklung von Substanzmerkmalen, Spurinnentiefe?

  • …

• Warnwert: Ab wann Straße Mängel aufweißt 4,5/5

  • Es soll über Sanierungsmaßnahmen nachgedacht werden

• Schwellenwert: Ab wann Zustand mangelhaft ist 3,5/5

  • Mängel müssen beseitigt werden

• 10 m Kästchen als Abschnitte, ob Merkmal betroffen oder nicht

• Warnwerte und Übergabewerte der einzelnen Merkmale in Tabelle in Richtlinie

• Zustandserfassung und –bewertung (ZEB)

• Visuell bzw. Messtechnisch

• Indefikation von kritischen Abschnitten

• Tragfähikeitsanalyse und Substanzbewertung

• Prognose der Zustandsentwicklung

• Dringlichkeitsreihung

• Technisch-wirtschaftliche Maßnahmenoptimierung

• Sanierungsempfehlung

• Bereitstellung von Zustandsinfos als objektive Basisinfo für kurz, mittel und langfristige Erhaltungsentscheidungen

• Grundlage für optimierten Einsatz zunehmend begrenzter finanzieller Mittel

• Basis für Transparenz

• Grundlage für eine effiziente Straßenerhaltung

• Objektive Zustandsbewertung

• Bestimmung von Handlungsbedarf

• Sicherstellung der Verkehrssicherheit

• Bestimmung der verbliebenen Nutzungsdauer einer Straßenbefestigung

• Ermittlung Prognose Ausfallzeitpkt über Zeitraum über viele Jahre

  • RDO Asphalt 09 nur Asphalt Oberbau in Bewertung

  • Annahme: Untergrund / Unterbau unverändert wie bei Neubau

(0.) Eingangsparameter

• Erhaltungsplanung für ges. Grenzzustand der Tragfähigekt (GZT): bei Rissen an Unterseite der Asphaltschicht

1. Ermittlung von Aufbau und Belastungsdaten

• Aufbau der Straßenbefestigung (Schichten des Oberbaus) mittels Bohrkernen und Radaruntersuchungen, Baugrunduntersuchungen (TP D-StB)

  • Georadar / Ground Penetration Radar

  • Baugrunduntersuchungen bei über 1-2 m tiefer Erkundung (kann Radar nicht mehr)

• Klimabedingungen: Temperatur von klimainduzierte Temperaturverläufen (Temperaturklassen je nach Region)

• Verkehrsbelastung: bisher und wie in Zukunft (in äquivalenten 10-t-Achsübergängen)

2. Bildung homogener Abschnitte

• Je nach Zustand und Bauweise (Schichtaufbau und Schichten),

• Alter der Asphalttragschichten,

• sehr unterschiedliche Verkehrsaufkommen,

• unterschiedlicher Schichtverbund,

• (FWD-Bemessung -> Tragfähigkeit)

• —> Verfahren der kumulierten Summen (da wo sich der Verlauf ändert, fängt neuer Abschnitt an, restlichen Differenzen sind vernachlässigbar)

3. Ermittlung relevanter Materialparameter

• Voraussetzungen: Entnahme rissfreier Bohrkerne (16 pro Abschnitt a 500 m) aus allen Abschnitten, Ergebnisse der Substanzbewertung gelten nur für strukturell homogene Streckenabschnitte

  • Bohrkerne: 10 für Ermüdungsfkt, 4 für Steifigkeit, 2 für Schichtenverbund

• Berechne E_V2-Wert, krygonen Spannung, Verkehrsprognose -> Restnutzungsdauer

• Es wird meist nur Haupt- und Standspur saniert, beim Rest auch Deckschicht abfräsen und erneuern, damit es besser aussieht

4. Ermittlung der strukturellen Substanz

• Ermittlung der Restnutzungsdauer für die vorhandenen Streckenabschnitte in Asphaltbauweise

  • Ermittlung der materialspezifischen Kenngrößen für die analytische Dimensionierung

    • Steifigkeitsmodul bei unterschiedlichen Temperaturen und

    • Die Ermüdungslinie

  • (wenn Asphalt lange wenig nicht genutzt wird (z. B. Rand von Landebahnen) wird Asphalt rissig (porös), da diese sich nicht unter Nutzung teilweise Selbstheilen können)

  • Mit deterministischen Vorgehen (RDO)

    • Restsubstanz aufgrund von Mittelwerten für Eingangsparameter (1 Kurve)

    • Sicherheitsbeiwert: Streuung von Werten

  • Mit probalistischen Vorgehen (RDO)

    • Dicken- und Materialschwankungen werden berücksichtigt (3 Kurven)

    • Sicherheitsbeiwert: Unsicherheit Berechnungsverfahren

(5.) Wirtschaftliche Bewertung der Straßenbefestigung möglich

• Monetäre Bewertung der Straßenbefestigung

• Standard und Rechnerich

1. Empirische Bemessung: Bemessung unter Verwendung von Erfahrungswerten

2. Standardisierte Bemessung: Bemessung unter Verwendung von standardisierter Oberbauweisen

• Mehrere Dimensionierungsmodelle:

  • Distinct-Element-Methode (DEM)

  • Finite-Element-Methode (FEM) -> beide sehr aufwendig

  • Mehrschichtenmodelle (Elastizitätstheorie) -> in Praxis

3. Theoretische Bemessung: Bemessung durch Vergleich von theoretisch rechnerisch ermittelten mit zul. Beanspruchungsgrößen

Unterschied Bemessungsmethoden:

• Ermüdungsfestigkeit

  • Muss experimentell bestimmt werden, Wöhler-Curve

• Tieftemperaturverhalten

  • Reversible Verformung, direkter Zugversuch

• Hochtemperaturverhalten

  • Spurrinnenbildung

• Welche Nachweise werden bei der RDO Dimensionierung in den einzelnen Schichten geführt?

  • Planum und Tragschichten ohne Bindemittel (ToB)

    -> plastische Verformung / Standsicherheit

  • Asphalttragschicht (UK) und hydraulischgebundene Tragschicht

    -> Ermüdung / Rissbildung

  • Asphaltdeck- und –binderschicht

    -> Spurrinnengefährdung / Standfestigkeit

• Ablaufschema zur rechnerischen Dimensionierung von Asphaltbefestigung

  • Eingangswerte (Verkehrsbelastung, Klimatische Bedingungen, Schichtfolgen)

  • Materialparameter (mechanische wie temperaturabhängige Steifigkeit, performanceorientierte wie Ermüdungsfestigkeit, Tief- und Hochtemperaturverfahren)

  • Schichtdicken festlegen

  • maßgebende Spannungen an maßgebenden Nachweispkt berechnen

  • Nachweisführung

• Festlegung der Sicherheitsbeiwerte

• Aktuell wird ein beschleunigtes Prüfverfahren versucht (so viele Probekörper sind zu teuer inzwischen)

• AP EDS-2 Arbeitspapier: Eingangsgrößen für die Dimensionierung und Bewertung der strukturellen Substanz, Teil 2: Klima, Ausgabe 2023

  • Es gibt 2 verschiedene normierte charakteristische Temperaturprofile

  • 12x13 Fälle (12 normierte charakteristische Temperaturprofile (theoretisches Modell), 13 Temperaturklassen)

• Berechnung der Teilsummen nach Minor für eine Oberflächentemperatur TOF=27,5°C unter Berücksichtigung aller normierten charakteristischen Temperaturprofile (ncT) und aller Achslasten (ALK)

• NW in den einzelnen Schichten durchführen

• Berechnung der Beanspruchungen

• Überlagerung der Auftritshäufigkeiten der Temperaturzustände mit den Belastungssituationen

• Vorhandene / prognostizierte max. zul. Lastwechselzahlen -> Quotienten der Teilsummen nach Minor -> kumulierte Summe muss unter 1 sein

• RStO: Standardisierung des Oberbaus, Empirisches Verfahren

• RDO: Rechnerische Dimensionierung

• Bestimmung der Materialparameter nach TP Asphalt-StB

  • Temperaturabhängigen Steifigkeitsmodul

  • Ermüdungsfestigkeit

  • Tieftemperaturverhalten

  • Hochtemperaturverhalten

  • Schichtenverbund

Zerstörung nach einmaliger Belastung

Zerstörung nach wiederholter Belastung

• Widerstand einer Straße gegen kurzzeitige Belastung

• Widerstand = Kraft durch Verformung (plastisch + elastisch)

-> damit bessere Tragfähigkeit möglich

Durchbiegung f als Reaktion der aufgebrachten Last

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• Bohrpfähle bei netzweiten systematischen Straßenerhaltung nicht zielführend -> schnellfahrende Tragfähigkeitsmesssysteme -> müssen dem Verkehrsfluss bei Messgeschwindigkeit entsprechen

• Traffic Speed Deflectometer TSD (z. B. Pavement Scanner)

  • + Georadar für Messung der Schichtdicken

    • Verändern sich die Schichtdicken? Falls nicht und Steifigkeit verändert -> schlechtes Material

  • + Laserscanner DPS, GPS-Antenne, Messwerterfassung, Frontkameras, Distanzmessrad, Messbalken (11 Doppler-Lasersensoren), HRM Balken, Bedienplatz

  • Messprinzip:

    • Doppler-Laser: Verformungsgeschwindigkeit der Fahrbahnoberfläche

    • Odometer: exakte Fahrgeschwindigkeit, Steigung der Deflexionsmulde kann abgeleitet werden

  • Name, weil mehr als TSD kann

  • Daraus Modelle in BIM vom Straßenraum erstellbar

  • Kann auch bei Beton-Straßen eingesetzt werden

Schichtdickenbestimmung nach RStO (Standardisierte Methode)

• Ermittlung der Bauklasse (BK)

  • Basierend auf den äquivalenten 10-t-Achsüberfahrten (z. B. BK 1,8 / BK 10 / BK 32 usw.)

• Ermittlung der Frostempfindlichkeitsklasse (F1–F3)

  • Für den Untergrund gemäß ZTVE-StB

• Bestimmung der Frostschutzschicht (mind. 15 cm bei F2/F3)

  • Ggf. notwendig, um Frosthebungen zu vermeiden

• Auswahl eines geeigneten Oberbauaufbaus aus den Tabellen (z. B. Tafel 7 oder 9)

  • Dabei sind Kombinationen aus Tragschicht, Binderschicht, Deckschicht standardisiert angegeben.

Schichtdickenbestimmung nach RDO (Rechnerische Methode)

• Verkehrskollektiv festlegen

  • (Verkehrsmengen & Achslasten → E100)

• Materialkennwerte festlegen

  • Elastizitätsmodul, Dauerverformungswiderstand, Ermüdungskennwerte etc.

• Modellierung als Mehrschichtsystem (z. B. nach Burmister)

  • → Belastung durch Radlast, Reaktion des Systems (Spannung/Dehnung) wird berechnet

• Dimensionierung nach Grenzzuständen

  • Ermüdung (z. B. Zugverformung in Asphalttragschicht)

  • Dauerverformung (vertikale Dehnung im Untergrund)

• Iteratives Anpassen der Schichtdicken

  • bis alle Nachweise erfüllt sind.

Unterschiede bei der Schichtdickenbestimmung:

1. Fahrzeug & Messtechnik

• Aufbau: Der Scanner ist ein meist 14,5 m langer, 22 t Lkw (Zugmaschine + Auflieger), entwickelt von Greenwood, finanziert u. a. durch EU und das Verkehrsministerium NRW

• Messgeschwindigkeit: Alle Sensoren arbeiten synchron bei 40–80 km/h, also im fließenden Verkehr

• GPS & Zeitsynchronisation: Exaktes Georeferencing durch präzises GPS und einheitlichen Zeitstempel aller Messdaten

2. Traffic Speed Deflectometer (TSD)

• Kernkomponente: 10 t statische Achslast (optionale Lasten bis 13 t), um Bodenreaktionen zu erzeugen

• 11 Doppler-Lasersensoren messen Dynamisch-Verformungen unter der Achslast – schnell, kontaktlos & auf ganzen Fahrspur

• Ergebnis: Tragfähigkeitskennwerte und Hinweise auf Schäden in Fahrbahnaufbau und Untergrund.

3. Oberflächenanalyse und bildgebende Sensorik

• Ebenheit: Erfassung von Längs- und Querebenheit gem. ZEB‑TP1

• Risse & Substanzmerkmale: Digitalkameras (HD) für Plausibilitätskontrolle, Umfeldchecks und visuelle Dokumentation (ZEB‑TP3)

• Georadar: Zerstörungsfreie Bildgebung bis etwa 80 cm Tiefe zur Analyse von Schichtdicken und inneren Schäden

4. Datenverarbeitung & Ergebnisse

• Simultane Messungen über alle Sensorgruppen ermöglichen integrierte Analysen – Inneres & Oberfläche in einem Datensatz.

• Georeferenzierte Daten erlauben präzises Mapping auf Netzebene bis zu 600 km/Tag

• Kennwerte-Ausgabe:

  • Tragfähigkeit, Ebenheitskennzahlen, Risslage & Schadensbilder, Schichtdickenprofile

5. Einsatz & Nutzen

• Straßenerhaltungsmanagement auf Netzebene: Frühwarnung & gezielte Instandsetzung dank objektiver Innen‑ und Außendaten

• Pilotprojekte mit Bundesstraßen, Flughäfen (z. B. Fraport), kommunalen Netzen (Dortmund, Wuppertal) und Betonbauwerken.

• Erweiterung bestehender Verfahren: Vergleich mit stationären FWD-Messungen und Integration in Regelwerke

Zusammenfassung - Funktionen im Überblick:

• Fazit

  • Kombiniert erstmals weltweit an einer Hochschule:

    • ein kontaktloses Traffic-Speed-Deflectometer

    • Ebenheits- und Rissmessung in einem

    • Georadar zur inneren Substanzanalyse

  • multifunktionales, zerstörungsfreies Messsystem

  • während des normalen Verkehrszustandes funktionsfähig

  • strategisches Straßenerhaltungsmanagement (Netzebene)

• ermöglicht berührungslose Messungen mit hoher Geschwindigkeit (bis zu 80 km/h im fließenden Verkehr) -> kann effizient große Strecken erfassen

  liefert detaillierte Informationen über Tragfähigkeit der Fahrbahn, einschließlich Aufdeckung von strukturellen Mängeln, die visuell nicht erkennbar sind

  • Geschwindigkeit und Effizienz:

    hohe Geschwindigkeit im fließenden Verkehr durchgeführt -> schnelle Erfassung großer Straßennetze

    (Benkelman-Balken / statische Plattendruckversuche benötigen Unterbrechung / Verlangsamung des Verkehrs -> zeitaufwändiger)

  • Berührungslose Messung:

    berührungslos, Gefahr von Beschädigungen der Fahrbahn / Messgerät selbst minimiert

    (Benkelman-Balken / Plattendruckversuche erfordern direkte Kontaktierung der Fahrbahnoberfläche -> potenzielle Schäden)

  • Detaillierte Informationen:

    über Tragfähigkeit, decken versteckte strukturelle Mängel auf, die mit bloßem Auge nicht erkennbar -> ermöglicht gezieltere Schadensanalyse + Instandsetzung

    (Benkelman-Balken / statische Plattendruckversuche hauptsächlich Aussagen über oberflächennahe Tragfähigkeit treffen, TSD auch tiefer liegende Schichten)

  • Erfassung von visuellen & strukturellen Defiziten:

    visuelle + strukturelle Defizite der Fahrbahn erkennen

    (sonst Methoden, hauptsächlich auf visuelle Inspektionen / oberflächennahe Messungen beschränkt) 

  • Verbindung Tragfähigkeits- & Schichtdickeninformationen:

    Infos zu Schichtdicken der Fahrbahn -> fundierte Analyse & Bewertung der Straßenstruktur unerlässlich & so möglich

• FWD

  • Dynamisches Messverfahren

    • Kraftimpuls auf Fahrbahn aufgebracht, Verformung im Lastzentrum gemessen

    • Auf Asphalt-, Betondecken, ungebundener Befestigung

    • Geophonen (Sensoren, um Schwinggeschwindigkeit zu messen) und Lastplatten damit messen

  • Es sollte die Hauptspur gemessen werden

  • Temperatur zusätzlich messen für Temperaturkorrekturfaktoren für Steifigkeit der Materialien

  • Messung bei 5-30°C

  • Ergebnisse sofort prüfen, ggf. Messung wiederholen

  • Rückrechnung von Zwischenschitensystem konvergent und eindeutig

  • 3 Schichtsystem mit dünnen gebundenen Schichten konvergieren

  • Tragfähigkeitszahl: indirekt oder direkt berechnen

  • UI-Wert: UI-TZ-Diagramm erlaubt ohne Infos zu Schichtdicken Beurteilung von Tragfähigkeit

• Curviametro

  • Gute Wiederholbarkeit, sehr ähnliche Ergebnisse trotz verschiedener Geschwindigkeiten

  • Trend im Vergleich zur FWD-Messung gleich

• FWD (Falling Weight Deflectometer) -> Netzanalyse

  • erzeugt stoßartige Belastung durch fallenden Gewichtskörper, die die Radlast eines Lkw simuliert

  • Sensoren messen daraus resultierende Verformung der Straße, um Rückschlüsse auf Tragfähigkeit zu ziehen

  • + sehr verbreitetes, normiertes Referenzverfahren

    - nur punktuell, nicht im Fließverkehr einsetzbar

• Curviametro -> günstig Netz

  • italienisches Verfahren, wo einzelne, rollende Achse mit definierter Last genutzt wird, während Durchhang mit Neigungsmessern im Nachlaufwagen erfasst

  • + erlaubt kontinuierliche Messungen im Fließbetrieb

    - geringere Tiefenerfassung als Georadar / TSD

• TSD (Traffic Speed Deflectometer) -> punktuelle Analyse

  • misst kontaktlos Verformungen während Fahrt mit Laservibrometern hinter belasteten Achse, ohne Fahrbahn aktiv zu belasten / Verkehr zu stören

  • + kontinuierliche Tragfähigkeitsdaten bei voller Fahrgeschwindigkeit & eignet sich ideal für Netzanalysen

    - technisch aufwendig und kostenintensiv

• Dynaflect -> alt / günstig punktuell

  • verwendet 2 oszillierende Massen (rotierende Unwuchten), die harmonische Schwingung in Straßenaufbau einleiten

  • misst Oberflächendeflexion mit Geophonen

  • + leicht einsetzbar

    - weniger realitätsnah bezüglich Achslasten als FWD

• Lacroix Deflectograph -> alt

  • französische System, nutzt rollende Last & misst kontinuierlich Deflexion über Schleppsystem mit Sensoren (ähnlich Curviametro)

  • + fließenden Betrieb & Netzanalysen

    - zunehmend durch TSD / FWD ersetzt, da auf ältere analoge Technik basiert

• Krümmungsmesser -> Forschung

  • oft als einfache Messbalken ausgeführt

  • erfassen Differenzverformung zwischen mehreren Punkten auf Straße bei Belastung

  • + simpel & günstig

    - eher für Forschung / punktuelle Untersuchungen als für systematische Netzanalysen geeignet

• Benkelman Balken -> alt

  • misst rückfedernde Verformung hinter belasteten Fahrzeugrad über langen Hebelarm

  • + klassisches, sehr einfaches Verfahren

    - langsam, personalintensiv & veraltet als FWD / TSD

• Niedrige Geschwindigkeit

• Temperatur

• Verwendbare Ergebnisse >20 km/h, besser > 40 km/h

• Maschinelles Stocken (Lösen von Betonschichten zur Verbesserung der Ebenheit)

• Ausbessern von Fugenfüllungen (Schnittfläche muss gereinigt werden)

• Griffigkeitsverbesserung (Hochdruckwasserstrahlen, Stahlkugelstrahlen)

• Einbau von Ankern (Verdübeln, Verankern, Abdichtung)

• Rillenschneiden (Grooving)

• Abdichtungen des Gesamtsystems

• Einschneiden der Schlitze

• Ausbessern von Kantenschäden und Eckabbrüchen

• Abstemmen (Auflockerung der dicken Betonschicht bei Kanten und Eckabbrüchen)

• Heben und Festlegen von Platten HFP (mittels Unterpressmörtel oder Harz)

• Oberflächenbehandlung mit Reaktionsharz OP-RH (Verbesserung Griffigkeit)

• Stufenweiser Ersatz SE (bei Unterdimensionierung)

• Ersatz von Platten und Plattenteilen E PuPT

• Ersatz von Fugenfüllungen EF (z.B. durch Überalterung)

• Instandhaltung: bis 10% der Gesamtfläche

• Instandsetzung: gesamte Fahrstreifenbreite und bis 4 cm

• Erneuerung: mehr als 4 cm / die Asphaltdeckschicht

Verfüllung und Vergießen

• Fräs-Verguss-Verfahren

• Ersatz-Verfahren

• Riss-Abdeck-Verfahren

• Naht-Remix-Verfahren

Sanierung von Anschlüssen -> Reperatur-Verguss-Verfahren

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