Das in die Jahre gekommene, gewachsene Straßennetz hält dem stetig zunehmenden Schwerverkehr immer weniger stand und zeigt Qualitäts- und Substanzverluste. Aus Gründen der Verkehrssicherheit sowie aus volkswirtschaftlichen Erwägungen ist es eine vordringliche Aufgabe, die Qualität und die Leistungsfähigkeit des Straßennetzes zu erhalten. Dies erfordert wirtschaftlich optimierte, objektive und statistisch abgesicherte Untersuchungsverfahren und Bewertungsmethoden, welche die Verkehrssicherheit und den Verkehrsfluss möglichst wenig beeinträchtigen. Zu diesem Zweck stehen zerstörungsfreie Untersuchungsverfahren zur Verfügung. Diese ermöglichen in Kombination mit zerstörenden Untersuchungen unabhängig von kurzfristigen äußeren Einflüssen die vorhandene Substanz realitätsnah zu beschreiben. Zur Bewertung empfiehlt es sich, vorhandene Vergleichsmethoden zusammen mit derzeit noch in der Entwicklung befindlichen analytischen Methoden anzuwenden, um den Erhaltungsbedarf des Straßennetzes hinreichend genau prognostizieren zu können.

Der Fachvortrag zur Veranstaltung ist im Volltext verfügbar. Das PDF enthält alle Bilder und Formeln.

1 Einleitung

Das in die Jahre gekommene, gewachsene Straßennetz mit zum Teil unbekanntem Schichtaufbau hält dem zunehmenden Schwerverkehr immer weniger stand und zeigt einen stetig zunehmenden Qualitäts- und Substanzverlust. Aus Gründen der Verkehrssicherheit und aus volkswirtschaftlichen Erwägungen ist es eine vordringliche Aufgabe, die Qualität und damit die Leistungsfähigkeit des Straßennetzes zu erhalten. Hierzu sind sowohl wirtschaftlich optimierte Bauverfahren als auch wirtschaftliche und objektive Untersuchungsverfahren und Bewertungsmethoden erforderlich, welche zeit- und kostensparend die Verkehrssicherheit und den Verkehrsfluss infolge von Aufschlüssen und Baumaßnahmen möglichst wenig beeinträchtigen.

Die realitätsnahen Bewertungen bestehender Straßenaufbauten und die daraus abgeleiteten Erhaltungsmaßnahmen sind umso wirtschaftlicher, je mehr Kenntnisse über die vorhandene Substanz vorliegen. Heute steht neben der traditionellen visuellen Bewertung des Oberflächenzustandes und der Materialuntersuchungen an Proben aus einzelnen, subjektiv ausgewählten Bohraufschlüssen eine Reihe von geeigneten zerstörungsfreien Messverfahren zur Verfügung. Mit diesen ist es möglich, die Untersuchungen bezüglich Kosten und Dauer wirtschaftlich und technisch zu optimieren. In Kombination mit an repräsentativen Stellen ausgeführten Materialuntersuchungen lassen sich die vorhandene Substanz zutreffender beschreiben und die objektive Einschätzung der vorhandenen Substanz über die Bewertung des Oberflächenzustandes und des Befestigungszustandes deutlich verbessern.

2 Bewertung der Substanz

Nach RStO 01 [1] und RPE-Stra 01 [2] wird die vorhandene Substanz des Straßenaufbaus zum einen über die Bewertung des Oberflächenzustandes und zum anderen über die Bewertung des Befestigungszustandes bezüglich Tragfähigkeit, Art und Zustand der Befestigung einschließlich Untergrund und Unterbau beurteilt. Liegen Kenntnisse über Art, Dicke und Zustand der einzelnen Schichten von Asphaltbefestigungen vor, kann die vorhandene Befestigungssubstanz abschätzend nach dem Dickenäquivalenzprinzip bewertet werden. Danach werden den einzelnen Schichten des Straßenaufbaus Äquivalenzfaktoren für die unterschiedlichen Schichtarten und Abminderungsfaktoren für den jeweiligen Grad der strukturellen Schädigung zugeordnet. Die abgeleitete äquivalente Gesamtdicke D_vorh ergibt sich damit zu:

D_vorh = Σ a_i · α_i · d_i                                                             (1)

mit:

D_vorh = äquivalente Gesamtdicke der vorhandenen Asphaltbefestigung [cm]

a_i = Äquivalenzfaktoren für unterschiedliche Schichtarten

α_i = Abminderungsfaktoren für strukturell geschädigte Befestigungsschichten

d_i = Dicke der einzelnen Befestigungsschichten [cm].

Ungebundene Schichten werden nach Schmuck [3] infolge ihrer nicht vorhandenen Zugfestigkeit wie die Unterlage behandelt und durch den auf ihrer Oberseite vorhandenen Verformungsmodul E_v2 berücksichtigt.

Sind keine Kenntnisse über die strukturellen Schäden der einzelnen gebundenen Schichten vorhanden, kann der anzusetzende Äquivalenzfaktor über das Alter der einzelnen Schicht und des auf der obersten ungebundenen Schicht in situ ermittelten E_v2-Wertes anhand empirischer Tabellenwerte abgeschätzt werden:

D_vorh = Σ Aq_i · d_i                                                               (2)

mit:

Aq_i = Äquivalenzfaktor für unterschiedliche Schichtarten in Abhängigkeit des Alters (Tabellenwerte).

Sind auch keine in situ ermittelten E_v2-Werte vorhanden, kann die Tragfähigkeit der ungebundenen Schichten und des Untergrunds/Unterbaus ebenfalls tabellarischen Erfahrungswerten entnommen werden. Die Tragfähigkeit des Untergrunds/Unterbaus wird dabei mit einer Mindestragfähigkeit von E_v2 ≥ 45 MN/m² angenommen.

3 Bestimmung der Substanz

Die Verwendung empirischer Tabellenwerte zur Bestimmung der Substanz stellt für die Konzeption wirtschaftlicher Erhaltungsmaßnahmen keine Alternative zur genaueren Erkundung dar. Stehen wie zumeist bei älteren Straßen keine ausreichenden Informationen über den Straßenaufbau zur Verfügung, sind nach den RStO 01 Erkundungen mit geeigneten Verfahren und mit einem ausreichenden Umfang so auszuführen, dass die Art, die Dicke und der Zustand der Schichten sowie die Tragfähigkeit des Straßenaufbaus hinreichend genau beschrieben werden können. Die Erkundung der Substanz setzt sich zusammen aus der Erkundung des Zustandes der Oberfläche nach Ebenheit und Schadensbild sowie des Zustandes der Befestigung nach Schichtarten, -dicken, -zustand, -verbund und der Tragfähigkeit.

3.1 Oberflächenzustand

Der Oberflächenzustand wird oftmals nur auf Grundlage visuell-sensitiver Verfahren abgeschätzt. Der Zustand der Ebenheit kann z. B. durch Befahrungen mit einem Pkw bei konstant 80 km/h über das Schwingungsempfinden in 5 Stufen von „sehr schwach“ bis „sehr stark“, erfasst werden. Der Zustand der Oberfläche wird anhand der Art und des Flächenanteils der Schäden eingeschätzt.

Demgegenüber führt der Einsatz von im Verkehr mitschwimmenden Messfahrzeugen zur Erfassung der an der Straßenoberfläche vorhandenen Unebenheiten und Schäden in Verbindung mit der standardisierten Auswertung der Messergebnisse zu einer dokumentierten, genauen und unabhängigen Bewertung des Oberflächenzustandes. Mit der, wie im deutschen PMS vorgesehenen, in bestimmten Zeitintervallen durchzuführenden Wiederholung der Messkampagnen an denselben Streckenabschnitten, kann die Veränderung des Zustandes über die Zeit erfasst und der Substanzverlust abgeleitet werden. Die notwendige reproduzierbare Datenerfassung setzt den Einsatz von Messgeräten voraus, welche von der Bundesanstalt für Straßenwesen als geeignet eingestuft sind. Damit ist es möglich Rissbreiten ab 1,0 mm Breite sowie Unebenheiten mit einer Genauigkeit von 1/80 mm zu erfassen.

Zur realitätsnahen Bestimmung der vorhandenen Substanz reicht eine Übertragung der aus dem Zustand der Oberfläche abgeleiteten Einschätzung, auf die nicht einsehbaren Schichten alleine oftmals nicht aus. Auch die Ausführung einzelner, stichprobenartiger Aufschlüsse über den Straßenaufbau an willkürlich gewählten Stellen erlaubt keine gesicherte Aussage über den Zustand des gesamten zu untersuchenden Abschnittes. Zur weiteren Optimierung ist es deshalb erforderlich, neben dem Oberflächenzustand auch den Befestigungsstand zu erkunden und der Bewertung auch zugrunde zu legen.

3.2 Befestigungszustand

Die Feststellung des Zustandes der Befestigung hinsichtlich der Schichtdicken, den Schichtenverbund, die Art der Schichten und deren strukturellen Zustand kann über zerstörende Materialentnahmen mittels visueller und/oder labortechnischer Untersuchungen erfolgen. Der Umfang der Untersuchungen ist so zu wählen, dass der Befestigungsstand möglichst zutreffend beschrieben werden kann. Liegen keine weiteren Kenntnisse über den zu untersuchenden Abschnitt vor, kann die Bildung von Untersuchungsabschnitten nur anhand des an der Oberfläche erkennbaren Zustandes erfolgen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass der Zustand der Straßenoberfläche, das heißt der Deckschicht nicht zwangsläufig auf den strukturellen Zustand der tiefer liegenden, nicht einsehbaren, in der Regel älteren Schichten schließen lässt. Zur ausreichend genauen Beschreibung des Befestigungszustandes des einzelnen Untersuchungsabschnittes sind Beprobungen in einem statistisch abgesicherten Umfang notwendig.

Besonders kostenintensiv werden die Untersuchungen bei der unabdingbaren Feststellung der Tragfähigkeit des Untergrunds/Unterbaus mittels Plattendruckversuchen, infolge der erforderlichen Aufgrabungen und Verkehrssicherungen.

3.3 Zerstörungsfreie Erkundungsverfahren

Zur umfassenderen Beurteilung des Befestigungszustandes empfiehlt sich der Einsatz zerstörungsfreier Untersuchungsverfahren. Diese ermöglichen eine größere Untersuchungsdichte in kürzerer Dauer und über die Zuweisung repräsentativer Stellen die Ausführung eines geringeren Umfanges an zerstörenden Untersuchen mit aussagekräftigeren Ergebnissen.

3.2.1 Schichtdicken

Zur Ermittlung der Dicken einzelner Schichten empfiehlt sich der Einsatz des Impuls-Radars. Dabei breitet sich eine von einem Sender abgestrahlte elektromagnetische Welle mit einer materialabhängigen Geschwindigkeit im Straßenaufbau aus. Am Übergang zwischen zwei Medien (z. B. Schichtgrenzen, Hohlräume) mit unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften (Dielektrizität) wird das Radarsignal (teilweise) reflektiert und von einem Empfänger aufgenommen. Aus der Laufzeit der reflektierten Wellen wird mit bekannter Ausbreitungsgeschwindigkeit die Tiefenlage des Reflektors bestimmt. Bei der Messung werden mit einer Sende- und Empfangsantenne in kurzen Zeitabständen die Amplituden der empfangenen Signale in Abhängigkeit der Zeit aufgezeichnet. Durch eine gleichzeitige Aufnahme des Weges erfolgt die Zuordnung der Radarsignale zu den Messpunkten. Mittels Aneinanderreihung der Einzelmessungen an einem Punkt zu einer Messlinie entstehen Diagramme, in welchen die Reflexionen entlang der Messlinie mit dem Abstand zur Oberfläche aufgetragen sind (Radargramme). In diesen Tiefenschnitten werden die Reflexionsamplituden eines Laufzeitbereiches dargestellt, was bedeutet, dass Bereiche mit gleichen Reflexionen in gleicher Tiefe gut zu erkennen sind, zum Beispiel werden Schichtgrenzen besser dargestellt.

Einsatzgrenzen des Impuls-Radars bestehen insbesondere bei zu geringen Änderungen der Dielektrizität zwischen den Schichten (z. B. Beton auf HGT), elektromagnetische Störungen durch das Umfeld (Trafos, Mobilfunk, Hochspannungsleitung und Wasser auf der Messfläche oder Durchfeuchtung infolge Totalreflexionen oder Signalabsorption.

Zur Erzielung einer für die Bestimmung der Kubatur bzw. für weiterführende Berechnungen ausreichenden, gesicherten Messgenauigkeit sollten die ermittelten Schichtdicken durch an signifikanten Stellen ausgeführte Bohrkernaufschlüsse verifiziert werden. Bei der Berechnung der Steifigkeit der einzelnen Schichten mittels Mehrschichtmodellen können sich bereits bei einer Abweichung der vorhandenen Schichtdicke zu der im Berechnungsmodell angesetzten Schichtdicke von 1 cm prozentuale Fehler in Höhe von mehr als 10 % ergeben.

3.3.2 Schichtenverbund

Das Ultraschall-Echoverfahren beruht auf der Reflexion von Schallwellen an Werkstoffinhomogenitäten wie z. B. Schichtgrenzen im Straßenaufbau. Aus den empfangenen Signalen kann indirekt eine Aussage über den inneren Zustand gebundener Oberbauten bzw. den Zustand des Schichtenverbundes getroffen werden. Aus bekannter Bauteilabmessung und Laufzeit kann die Geschwindigkeit der Schallwellen bestimmt werden, mit der dann eine Kalibrierung der Laufzeitmessungen erfolgt und Schichtdicken als Ergebnisse ausgegeben werden. Ebenso kann die Gleichmäßigkeit der Bauteildicke von nur einer zugänglichen Seite aus untersucht werden.

Zum Anregen der Transversalwellen wird eine Sende-Empfangseinheit bestehend aus 12 Punktkontakt-Prüfköpfen als Sender und 12 Prüfköpfen als Empfänger verwendet. Dieser Prüfkopf hat den Vorteil, dass kein Koppelmittel erforderlich ist und somit eine schnellere Messung ohne Verunreinigung der Messfläche möglich ist. Der Prüfkopf wird mit einer Frequenz von 50 bis 70 kHz angeregt.

Der Vorteil der Ultraschall-Echotechnik gegenüber der bekannten Ultraschall-Durchschallungstechnik ist, dass nur eine Bauteilseite zugänglich sein muss. Physikalisch sind dem Einsatz von Ultraschallecho vor allem bei Totalreflexionen durch Risse parallel zur Oberfläche Grenzen gesetzt, indem der darunter befindliche Bereich nicht durchschallt und damit nicht untersucht werden kann.

Mit dem Verfahren ist es möglich, innerhalb kurzer Zeit zahlreiche punktuelle Versuche zur Erkundung relativer Schwachstellen beispielsweise im Schichtenverbund im Asphaltoberbau oder die innere Ausbreitung von Rissen im Betonoberbau sowie für die Überprüfung der Schichtdicken einzusetzen, um anschließend zerstörende Untersuchungen zielgerichtet auszuführen.

3.3.3 Tragfähigkeit

Entscheidend für den Zustand des Straßenaufbaus ist dessen Tragfähigkeit (Widerstand gegen Verformungen). Diese ist abhängig von Art und Dicke der Schichten, Schichtenverbund, Einbaubedingungen, dem strukturellen Zustand (Ermüdung, Schäden), kurzfristig wechselnden äußeren Randbedingungen aus der Belastung, der Temperatur der Asphaltschichten und eventueller jahreszeitlich bedingter Änderung der Tragfähigkeit des Untergrunds/Unterbaus infolge Trocken-/Nasszyklen.

Die Bestimmung der Tragfähigkeit erfolgt mit statischen oder dynamischen Verfahren, über die Messung der durch Lasteintrag an der Oberfläche der Straßenbefestigung entstehenden Einsenkungen (Deflexionen). Die gebräuchlichen Messgrößen zur Beschreibung des Tragverhaltens der Straßenbefestigung sind die maximale Einsenkung im Lastzentrum und der zugehörige Krümmungsradius der Einsenkungsmulde. Bewertet werden die Messungen über empirische oder analytische Methoden.

Durch die Messung der Tiefe und Form Deflexionsmulde kann bei bekannter Schichtdicke die Tragfähigkeit einzelner Schichten über Mehrschichten-Modelle nach Boussinesq bzw. Odemark-Boussinesq berechnet werden. Dabei bietet sich vereinfachend die Verwendung eines Zweischichtensystems an. Hierbei werden die gebundenen Schichten zu einer ersten, oberen Schicht und alle darunter befindlichen Schichten einschließlich Untergrund/Unterbau zu einer zweiten, unteren Schicht zusammengefasst [3]. Mittels Elastizitätstheorie wird die Form der Einsenkungsmulde rechnerisch ermittelt. Unter Annahme der Querdehnzahlen μ für die einzelnen Schichten werden die Elastizitätsmodulen E1 und E2 der einzelnen Schichten solange iterativ variiert, bis die berechnete Verformung nach deren Tiefe, Ausdehnung und Krümmungsradien hinreichend genau mit der gemessenen Verformung übereinstimmt.

Im Regelfall ergeben die Messungen aufgrund der Belastung und der Nähe zum Rand der Straßenbefestigung ungünstigste Ergebnisse in der rechten Radspur des am stärksten durch Lkw belasteten rechten Fahrtreifens. Um Unterschiede aus Belastung, Straßenaufbau sowie bei wechselnden Verhältnissen in Untergrund und Hydrologie bzw. Entwässerung zu berücksichtigen kann es von Vorteil sein, Messungen in der jeweils rechten Fahrspur der beiden Richtungsfahrstreifen auszuführen. Die Abstände der Messpunkte in Fahrstreifenrichtung sind in Abhängigkeit des Untersuchungszwecks festzulegen.

Die Anwendung der zerstörungsfreien Verfahren zur Bestimmung der Tragfähigkeit setzt die Berücksichtigung der die Messergebnisse beeinflussenden, kurzfristig wechselnden äußeren Randbedingungen aus Temperatur der Asphaltschichten und eventueller jahreszeitlich bedingter Änderung der Tragfähigkeit des Untergrunds/Unterbaus voraus.

3.3.3.1 Statische Verfahren

Statische bzw. quasi statische Verfahren (Benkelman-Balken oder Lacroix) werden infolge der erforderlichen Mindestverformbarkeit des zu messenden Straßenaufbaus ausschließlich auf flexiblen Befestigungen angewandt. Dabei wird die Last über eine zwillingbereifte Hinterachse eines Lkw auf die Straßenoberfläche aufgebracht. Die hierdurch entstehende Setzung aus elastischen und plastischen Verformungen wird an der Stelle der vermuteten maximalen Einsenkung in der Mitte der Radaufstandsfläche zwischen den Zwillingsreifen gemessen. Während der Fortbewegung der Belastungseinheit wird der Messpunkt weiter beobachtet bis die gesamte Setzungsmulde erfasst ist.

Neben den sonstigen äußeren Randbedingungen wirken sich bei Anwendung des Verfahrens die verfahrensbedingten Einflussfaktoren wie die Belastungsdauer, das heißt die Geschwindigkeit des Messfahrzeuges, die aufgebrachte Radlast, die verwendete Reifenart und der Reifendruck unmittelbar auf die Messergebnisse aus. Die den Versuchen tatsächlich zugrunde liegende Belastung kann deshalb nur annähend geschätzt werden.

Bei der Bewertung der gemessenen Einsenkungen ist zu berücksichtigen, dass bei diesen Verfahren die Verformungen in Form von Einsenkungen grundsätzlich kleiner als vorhanden gemessen werden. Dies ist darauf zurückzuführen, dass sich zum einen die Messeinrichtung innerhalb der Setzungsmulde befindet. Ungünstig wirken sich dabei steife obere und weiche untere Tragschichten aus. Nach Hothan [4] kann dies dazu führen, dass nur 10 % der Einsenkung gemessen werden.

Zum anderen ergeben sich im analytischen Modell [5] der Belastung des Straßenaufbaus durch eine zwillingsbereifte Achse die maximalen Spannungen und damit auch die maximalen Einsenkungen direkt unter den Radaufstandsflächen. Die Einsenkungen im Zwischenraum der Zwillingsräder sind dagegen in Abhängigkeit der Asphalttemperatur (°C) und der Belastungsdauer deutlich geringer. Der bei den statischen und quasistatischen Verfahren vorhandene Messpunkt zwischen den Zwillingsrädern gibt folglich die maximale Einsenkung nicht wieder. (Bild 1).

Bild 1: Analytisch ermittelte Deflexion, Asphalttemperatur zwischen 15 und 20°, Deflexion bis 0,5 m vom Messpunkt [5]

Zur Verifizierung des analytischen Modells wurde durch die LGA Bautechnik im Feldversuch der Zustand der Straßenoberfläche im unbelasteten Zustand als Nullmessung während sowie unmittelbar nach der Belastung durch einen zwillingsbereiften, beladenen Lkw mit einem Lasernivellier aufgenommen. Die Aufnahmen wurden überlagert und bestätigen nach Abzug der Messungenauigkeit die analytisch ermittelten Deflexionen. Unter den im Feldversuch vorhandenen Randbedingungen wurden unter den Aufstandsflächen der Räder Verformungen in einer Größenordnung von 0,75 bis 1,5 mm (im Bild 2 türkis dargestellt), zwischen den Zwillingsreifen von 0 bis 0,75 mm (im Bild 2 gelbgrün dargestellt) ermittelt.

Bei der Bewertung der Messergebnisse dieser statischen Messverfahren ist zu berücksichtigen, dass die tatsächliche Belastung nur indirekt ermittelt werden kann und die maximale Einsenkung unter den Radaufstandsflächen von der Einsenkung zwischen den Zwillingsrädern in Abhängigkeit der Belastungsdauer und der Asphalttemperatur abweicht.

Zusammenfassend ist bei der Auswertung der Messergebnisse dieser Verfahren zu beachten, dass zum einen die vorhandene Belastung nur indirekt abgeschätzt werden kann und die gemessene Verformung nicht die maximale Verformung wiedergibt. Daraus resultiert die für die Bewertung dieser Ergebnisse erforderliche große regionale Erfahrung.

Zur Bewertung der Messergebnisse dieser statischen Messverfahren liegen entweder empirisch ermittelte Bemessungsdiagramme zu Sanierungsdicken von Straßenaufbauten, wie beispielsweise in der Schweizer Norm SNV 640738 und in der englischen TRRL Methode oder Grenzwerte aus deutschen Arbeitspapieren [6, 7] vor. Bei Anwendung der Diagramme bzw. der Bemessungswerte ist wie bei allen empirischen Methoden zu berücksichtigen, dass Bemessungswerte immer nur für die Randbedingungen ihrer Erstellung zutreffen können.

Bild 2: Im Feldversuch verifiziertes Deflexionsverhalten unter Zwillingsbereifung, Asphalttemperatur 27 °C

3.3.3.2 Dynamische Verfahren

Die dynamische Bestimmung der Tragfähigkeit erfolgt in der Regel mit dem Falling Weight Deflexiometern (FWD). Dieses belastet den Straßenaufbau über einen Lastimpuls mit einer aus definierter Höhe fallenden Masse zur Erzeugung einer Regel-Radersatzlast von 50 kN. Infolge der Belastung verformt sich die Straßenbefestigung kurzfristig. Die Lasteinwirkungsdauer beträgt zwischen 20 und 30 ms und entspricht damit in etwa der Größe und der Zeitdauer der Belastung einer Radüberrollung eines Lkw. Mit einer Kraftmessdose werden der zeitliche Verlauf und die Größe des Kraftstoßes ermittelt. Die maximalen Verformungs-Zeitverläufe werden durch 9 bis 13 Geophone, im Allgemeinen ausgehend vom Lastzentrum in Abständen von 200, 300, 450, 600, 900, 1 200, 1 500 und 1 800 mm bestimmt. Die miteinander verbundenen maximalen Deflexionswerte einer Messung stellen die Deflexionsmulde dar.

Empirische Methoden zur Bewertung der Messergebnisse verwenden die maximale Deflexion im Lastmittelpunkt sowie die sogenannten Indexwerte (Verformungsdifferenzen zweier Messpunkte) bestimmter Abschnitte der Setzungsmulde [8, 9] und unterscheiden in die relative Tragfähigkeit der gebundenen Schichten und der ungebunden Schichten einschließlich des Untergrunds/Unterbaus.

3.3.3.3 Einfluss der äußeren Randbedingungen

Neben dem Aufbau und dessen sich mittel- bis langfristig verändernden strukturellen Zustand unterliegt die Tragfähigkeit des Straßenaufbaus kurzfristig veränderlichen Einflüssen aus wechselnden Temperaturen und damit wechselnden Tragfähigkeiten in den Asphaltschichten und eventuellen, jahreszeitlich bedingten Schwankungen in der Tragfähigkeit des Untergrunds/Unterbaus. Zur Bewertung der Messergebnisse ist es erforderlich diese variablen äußeren Randbedingungen auszuschließen bzw. die hieraus resultierende Ergebnisabweichungen so weit als möglich zu verringern.

3.3.3.3.1 Temperatur

Die Asphaltschichten des Straßenoberbaus sind ständig wechselnden Temperaturen und temperaturverändernden Einflüssen wie z. B. Verschattung, Sonneneinstrahlungsintensität, Wind oder Regen ausgesetzt. Durch die Abhängigkeit der Tragfähigkeit der Asphaltschichten von der inneren Temperatur ist es zur einheitlichen Bewertung von bei verschiedenen Temperaturen ausgeführten Messungen erforderlich, die Ergebnisse von der zum Zeitpunkt der Versuchsausführung vorhandenen Temperatur auf eine in Deutschland gebräuchliche Bemessungstemperatur von 20 °C zu beziehen.

Für die Bestimmung der Temperaturverteilungen über die Schichtdicke in Abhängigkeit der Oberflächentemperatur sind aus der Literatur unterschiedliche Ansätze bekannt. Deshalb wird derzeit in der Regel die Oberflächentemperatur bei jeder Tragfähigkeitsmessung, die innere Temperatur der Asphaltschichten nach Bedarf aber mindestens einmal je Messabschnitt gemessen. Um den Fehlereinfluss zu verringern, sollten bei einer signifikanten Veränderung der Temperatur oder der Witterungsbedingungen innerhalb eines Messabschnittes die Messungen der inneren Temperatur wiederholt werden. Nachdem die Ermüdungstheorie von ersten Schäden an der Unterseite der Asphaltschicht, der Biegezugzone, ausgeht, erscheint die mittlere Temperatur dieses Bereiches und damit die Temperatur des unteren Viertelspunktes der Gesamtschichtdicke des gebundenen Oberbaus maßgebend.

Für die Umrechnung der Messergebnisse auf eine Bemessungstemperatur sind ebenfalls unterschiedliche Rechenverfahren, vor allem für den Benkelman-Balken bekannt. Beispielsweise sind nachfolgend die Verfahren der Schweiz [10] nach Gleichung (3) und aus Deutschland nach dem Arbeitspapier zum Benkelman-Balken [7] für zwischen 5 und 25 °C ermittelten Messwerte nach Gleichung (4) genannt:

Von Ehrola [11] wurden 1176 Messungen mit dem Falling Weight Deflectometer bei Schichtdicken von 42 bis 235 mm, einem Alter der Befestigung zwischen 3 und 20 Jahren und Temperaturen von 2 bis 36 °C ausgewertet. Daraus abgeleitet wird für das FWD der Korrekturfaktor zur Temperatur in Abhängigkeit der Schichtdicke angegeben zu:

Formel in der PDF

3.3.3.3.2 Untergrund/Unterbau

Aus der Literatur ist bekannt, dass die Tragfähigkeit des Untergrunds/Unterbaus in Abhängigkeit von der Frostempfindlichkeit der anstehenden Böden und deren veränderlichen Wassergehalten klimatischen und damit jahreszeitlichen Schwankungen unterliegt. Insbesondere bei ungünstigen Böden und ungünstigen hydrologischen Verhältnissen ist die Tragfähigkeit in der Frühjahrstauperiode am geringsten, während in den trockenen Sommermonaten eine hohe Tragfähigkeit zu erwarten ist. Die wird beispielsweise in der Schweizer Norm SN 640733b und in der österreichischen Anwendungsempfehlung RVS 03.08.64 durch anzusetzende Korrekturfaktoren berücksichtigt. Unabhängig von der Bodenart und den hydrologischen Verhältnissen wird in der Literatur der Korrekturfaktor mit 1 bis 0,37 mitgeteilt. Im Arbeitspapier [7] erfolgt eine Zuordnung des Korrekturfaktors fUG zu der in den ZTV E-StB definierten Frostempfindlichkeitsklasse des im Untergrund/Unterbau anstehenden Bodens:

F1 – nicht frostempfindlich: fUG = 1,0

F2 – gering bis mittel frostempfindlich: fUG = 0,9

F3 – sehr frostempfindlich:   fUG = 0,6.

Nach gängiger Praxis wird der Bemessung der Konstruktion, auf der sicheren Seite liegend, der ungünstigste Fall „Tauperiode“ zugrunde gelegt. Außerhalb der Tauperiode ermittelte Messergebnisse werden mit einem Korrekturfaktor an den ungünstigsten Fall angeglichen. Ergänzend hierzu ist es von Vorteil zur wirtschaftlichen Optimierung durch Minimierung der Baukosten bei gleichzeitiger Minimierung der Schadensanfälligkeit den Korrekturfaktor nicht pauschal sondern erst nach Prüfung der im Einzelfall maßgebenden Randbedingungen in Ansatz zu bringen. Die Beschreibung des Boden erfolgt über:

• Korngrößenverteilung nach DIN 18132
• Zustandsgrenzen nach DIN 18122
• Glühverlust nach DIN 18128
• Wassergehalt nach DIN 18121
• Korndichte nach DIN 18124
• Dichte nach DIN

Nach den ZTV E-STB [12] liegen ungünstige hydrologische Verhältnisse vor, wenn während der Frostperiode Wasser dauernd oder auch nur zeitweise höher als 2 m unter Planum oder aus angrenzenden Bereichen seitlich oder durch den Oberbau dem frostempfindlichen Bereich zusickern kann. In die deutsche Bewertung des Befestigungszustandes vorhandener Straßen gehen die hydrologischen Verhältnisse derzeit nicht ein. Berücksichtigt könnten die Wasserverhältnisse durch Anlehnung an AASHTO Guide [13] werden. Dieser gibt in Abhängigkeit von der Dauer des Wasserabflusses und des wassergesättigten Zustandes der ungebundenen Schichten Abminderungsfaktoren, im AASHTO Guide Dränagekoeffizient m_i genannt, an.

Bei Auswertung im Zwei- bzw. im Mehrschichtsystem ist zu beachten, dass die Zahlenwerte der E-Moduln für den Untergrund/Unterbau den sogenannten Überbauungseffekt beinhalten. Dabei steigt der Verformungswiderstand überbauter ungebundener Schichten aufgrund der Auflast und der Steifigkeit der darüber liegenden Schichten an.

3.4 Verifizierung im Feld

Zur Überprüfung des Verfahrens zur dynamischen Tragfähigkeitsbestimmung wurden von die LGA Bautechnik Feldversuche an zwei Versuchsfeldern ausgeführt. Ziel der Versuche war es, die Zuverlässigkeit des Mehrschichtmodells nach Boussinesq bzw. OdemarkBoussinesq im praktischen Einsatz zu überprüfen und für Asphaltschichten eine Korrelation auf Grundlage aus der Literatur bekannter Temperaturkorrekturen zwischen vorhandener Temperatur und Bemessungstemperatur auf die Tragfähigkeit des Versuchsfeldes zu übertragen.

3.4.1 Aufbau der Versuchsfelder

3.4.1.1 Feld 1

Versuchsfeld 1 besteht aus einer 30 m • 450 m messenden Flugbetriebsfläche mit einem gebundenen 0,3 m dicken Betonoberbau. Im Unterbau/Untergrund stehen grobkörnige Böden (Sand, Gruppensymbol SE nach DIN 18196) an. Die Wasserverhältnisse sind als günstig einzustufen.

3.4.1.2 Feld 2

Auf dem Gelände der LGA Bautechnik wurde eine 40 m lange Teststraße nach Bauklasse III errichtet. Der Untergrund besteht bis 1,5 m unter Planum aus Sand (Gruppensymbol SE nach DIN 18196), unterlagert von Sandstein und weist günstige Wasserverhältnisse auf. Einwirkungen aus äußeren jahreszeitlich- und witterungsbedingten Einflüssen auf die Messergebnisse des Unterbaus/Untergrunds können somit ausgeschlossen werden. Zur Simulation eines wenig tragfähigen Untergrunds erfolgte auf 4 m Länge und eine Tiefe bis 1 m unter Planum ein Austausch der anstehenden Sande gegen ein Gummigranulat der Körnung 2/8 mm, dessen Eigenschaften keinen veränderlichen Einflüssen aus Witterung und Wasserverhältnissen unterliegt. In die 32 cm dicke Frostschutzschicht wurden in einem weiteren Prüffeld ebenfalls auf 4 m Länge zur Simulation eines weiteren Inhomogenbereiches Matratzen eingebracht.

Die Tragfähigkeit wurde über Plattendruckversuche auf dem Planum mit E_v2 = 59,1 MN/m² und E_v2 = 55,2 MN/m², auf Oberkante der Frostschutzschicht mit E_v2 = 122,9 MN/m² und E_v2 = 126,7 MN/m und oberhalb des Gummigranulates mit E_v2 = 26,2 MN/m² bestimmt.

Der gebundene Oberbau besteht aus zwei je 9 cm dicken Tragschichten (Hohlraumgehalt 7,3 und 6,9 %; EP RuK 58,5 und 60,0 °C, jeweils Straßenbaubitumen 50/70) und einer 4 cm dicken Deckschicht (Hohlraumgehalt 3,1 %; EP RuK 56,0 °C). Ein Prüffeld wurde mit einer weiteren 9 cm dicken Tragschicht hergestellt. In zwei weiteren Prüffeldern wurden Geogitter, unkaschiert und kaschiert, zwischen die beiden Tragschichtlagen eingelegt. An den Schichtgrenzen sind Temperaturmessfühler und Folien zur induktiven Bestimmung der Schichtdicken eingebaut.

3.4.2 Zweischichtsystem

Die Berechnung der Steifigkeiten bzw. Schichtmoduln wurden auf Grundlage der Theorie des elastischen Halbraumes und eines Mehrschichtmodells nach Boussinesq bzw. Odemark-Boussinesq ausgeführt. Dabei werden die Elastizitätsmoduln der einzelnen Schichten mittels Rückrechnung aus den gemessenen Einsenkungsmulden der Fahrbahn unter Berücksichtigung der Schichtdicken der gebundenen Tragschicht ermittelt.

3.4.2.1 Feld 1

Nach Ausführung von 300 zerstörungsfreien Prüfungen mit dem Falling Weight Deflectometer wurden in Öffnungen mit, zum Erhalt des Überbauungseffektes, lichten Durchmessern von 31 cm 5 statische Plattendruckversuche auf der Oberkante der ungebundenen Schichten ausgeführt. Die Korrelation der Ergebnisse (E_dynFWD) mit dem Prüfmerkmal der Tragfähigkeit (Verformungsmodul E_v2) erfolgte in Anlehnung an die Vorgehensweise bei Ausführung der Flächendeckenden Verdichtungskontrolle [14]. Der ermittelte Korrelationskoeffizient von r = 0,87 wäre nach den dort genannten Grundsätzen geeignet, um Mindestwerte für die Prüfung der Tragfähigkeit festzulegen. Im Bild 3 ist das Tragfähigkeitsniveau über die Fläche des Versuchsfeldes 1 dargestellt. Rot gekennzeichnete Bereiche weisen einen Verformungsmodul von E_v2 < 100 MN/m², grün gekennzeichnete Bereiche einen Verformungsmodul von E_v2 > 120 MN/m² auf. Gelb markierte Bereiche befinden sich dazwischen.

Bild 3: Tragfähigkeitsniveau über Feld 1

3.4.2.2 Feld 2

Nach Auswertung der Deflexionsmessungen im Zweischichtsystem ist feststellbar, dass die Ermittlung der qualitativen Tragfähigkeit der beiden Schichten (Schicht E1: gebundener Oberbau, Schicht E2: zu einer Schicht zusammengefasste ungebundene Tragschicht mit Unterbau/Untergrund) jeweils unabhängig voneinander bestimmt werden können. Im Bereich des verstärkten gebundenen Oberbaus wurde die Tragfähigkeit der Schicht E2 in derselben Größenordnung ermittelt wie in den weiteren Abschnitten. Die Tragfähigkeit des gebundenen Oberbaus wurde unbeeinflusst von dem wenig tragfähigen Untergrund oberhalb desselben in gleicher Größenordnung bestimmt.

Im Abschnitt mit eingebautem kaschierten Geogitter wurde ein Rückgang der Tragfähigkeit des Oberbaus festgestellt (Bild 4). Dies kann auf den fehlenden Schichtenverbund infolge des planmäßigen, unsachgemäßen Einbaus der Geogitter ohne das nach Herstellerangabe vorzunehmende Eindrücken in die Bitumenemulsion zurückgeführt werden.

Bild 4: Aufbau und Versuchsergebnisse Feld 2

Die Ergebnisse aus den Versuchsfeldern zeigen, dass durch Messungen mit dem FWD und Bewertung der Messungen im Zweischichtsystem nach Odemark und Boussinesq, die Bewertung der einzelnen Schichten unabhängig von der jeweils anderen Schicht erfolgen kann.

3.4.3 Temperatur

Zur Überprüfung einer möglichen Temperaturkorrektur wurden, auf einem der Bauklasse III entsprechendem Bereich der Versuchstrecke mit einem 22 cm dicken gebundenen Oberbau, 800 Messungen mit dem Falling Weight Deflectometer ausgeführt. Die Messung der Temperatur erfolgt über an den Schichtgrenzen eingebaute Temperaturmessfühler mit Datenloggern. Der Auswertung wurde die aus den Messwerten gemittelte Temperatur des gebundenen Oberbaus zugrunde gelegt. Die gemittelte Asphalttemperatur befand sich bei den FWD Messungen zwischen 0,5 und 42,6 °C bei einer Maximaltemperatur von 52,7 °C und einer Minimaltemperatur von –1,3 °C.

Wie von Jendia [8] bereits vermutet, zeigt die Auswertung der Ergebnisse die Notwendigkeit, den Korrekturfaktor von Gleichung (5) anzupassen. Dies kann einerseits in den hiesigen Verhältnissen, andererseits in der unterschiedlichen Vorgehensweise zur Bestimmung der vorhandenen Asphalttemperatur begründet sein.

Für die ausgeführten Messungen ergibt sich bei einer Standardabweichung von 5 % der modifizierte Korrekturfaktor für eine Schichtstärke von 22 cm und einer Bemessungstemperatur von 20 °C am Messpunkt d₁ im Lastzentrum zu

k_EhrolaMod = (0,998+0,00006342 · h)^(t20-tm)                                             (6)

Zur Abschätzung des aus einer ungenauen Bestimmung der Temperatur des gebundenen Oberbaus entstehenden Fehlers wurde bei der Berechnung des Korrekturfaktors die Temperatur bei sonst gleichbleibenden Randbedingungen variiert. Ausgehend von einer Bemessungstemperatur von 20 °C ergibt sich die im Bild 5 dargestellte prozentuale Abweichung. Beispielsweise ergibt sich bei einer Temperaturdifferenz von +5 °C zwischen der vor Ort gemessenen Temperatur und der tatsächlich im gebundenen Oberbau vorhandenen Temperatur eine prozentuale Abweichung von 5,5 %.

Um den beschriebenen Fehlereinfluss so gering wie möglich zu halten, empfiehlt es sich bei wechselnden klimatischen Verhältnissen/Temperaturen die innere Temperatur des gebundenen Oberbaus in geeigneten Intervallen zu messen. Üblicherweise wird zu Begin der Messreihe die Oberflächentemperatur und über eine Bohrung die innere Temperatur des gebundenen Oberbaus bestimmt und die Messung der Oberflächentemperatur an jedem Messpunkt fortgeführt. In Anhängigkeit der Oberflächentemperatur kann ein Intervall zur Bestimmung der inneren Temperatur gebildet werden. Abgeleitet aus dem Fehlereinfluss des Bildes 5 bietet es sich an, die Messung der inneren Temperatur bei einem Unterschied der Oberflächentemperatur von mehr als 5 °C zum letzten Bohrpunkt zu wiederholen.

Bild 5: Prozentualer Fehler in Abhängigkeit zum Temperaturunterschied

4 Bildung homogener Abschnitte

Nach den RStO kann die Bestimmung der Tragfähigkeit zur Ermittlung visuell nicht erkennbarer Schwachstellen und zur Festlegung von Erneuerungsabschnitten in homogene Abschnitte gleicher Tragfähigkeitseigenschaften erfolgen. Neben der Beurteilung der Einzelwerte können anhand der Ergebnisse Abschnitte mit gleichen bzw. vergleichbaren Zustandsdaten gebildet werden. Beispielweise kann nach der Schweizer Norm SNV 670362

[10] die Homogenität eines Streckenabschnittes über die maßgebende Deflexion d_m und den Variationskoeffizient cv wie folgt bestimmt werden:

cv = s/d_m                                                                           (7)

Dabei gilt

cv < 0,20 = sehr gleichmäßig

cv = 0,20 bis 0,35 = gleichmäßig cv > 0,35 = ungleichmäßig.

Die maßgebende Deflexion (ohne Korrektur der Randbedingungen) ermittelt sich zu:

d_m = d + 2s                                                                       (8)

mit:

d_m = maßgebende Deflexion

d = Mittelwert der Deflexionsmessung

s = Standardabweichung der Deflexionsmessungen.

Eine einfachere und übersichtlichere Möglichkeit zur Bildung homogener Abschnitte bietet die kumulative Summenmethode [15]. Dabei weisen Neigungswechsel der über den zu betrachtenden Abschnitt aufgetragenen kumulierten Summen auf Inhomogenitäten der Tragfähigkeit hin.

Die kumulative Summe berechnet sich zu:

S_i = d_i – d_m +S_Si-1                                                              (9)

mit:

S_i = kumulative Summe der Abweichungen von Mittelwert der Deflexionen d_m des betrachteten Streckenabschnittes im Messpunkt i

d_i = berechnete Deflexion im Lastzentrum am Messpunkt i

d_m = Mittelwert der berechneten Deflexion im Lastzentrum für den betrachteten Streckenabschnitt.

Die genannten Verfahrensweisen zur Bildung homogener Abschnitte können ebenso mit anderen Kenngrößen, beispielsweise auch mit Schichtmoduln durchgeführt werden. Insgesamt empfiehlt sich die Unterteilung eines Streckenabschnittes nach:

• Belastung aus Schwerverkehr
• Zustand der Ebenheit, der Substanzmerkmale, der Griffigkeit
• Schichtarten, Schichtdicken
• Tragfähigkeit des gebundenen Oberbaus, des Untergrunds/Unterbaus
• Frostempfindlichkeit des Untergrunds
• Lage des Planums (Damm, Einschnitt, geländegleich)
• Hydrologie.

5 Ausblick

Um die Substanz der Straßen realitätsnah zu beschreiben und wirtschaftlich optimiert zu erhalten, sind objektive, statistisch abgesicherte Untersuchungsverfahren und Bewertungsmethoden erforderlich. Der Einsatz schnellfahrender Messgeräte zur Erfassung des Oberflächenzustandes stellt dabei eine wesentliche Verbesserung der früher üblichen visuellensensitiven Verfahren dar. Mit den modernen, zerstörungsfreien Untersuchungsverfahren z. B. zur Bestimmung der Schichtdicke und der Tragfähigkeit unter der Berücksichtigung der kurzzeitig wechselnden Einflussfaktoren aus Temperatur des gebundenen Oberbaus und dem Verhalten des Unterbaus/Untergrunds ist es möglich, den Straßenaufbau wirtschaftlich in großem Umfang zu erkunden, in homogene Bereiche einzuteilen und zerstörende Materialuntersuchungen an repräsentativen Stellen auszuführen. Zu berücksichtigen ist, dass insbesondere bei den zerstörungsfreien Verfahren einer Qualitätssicherung mit regelmäßiger Überprüfungen und Kalibrierung der einzelnen Messeinrichtungen sowie des Gesamtsystems zwingend notwendig sind

Zur Bewertung der so erkundeten vorhandenen Substanz empfiehlt sich, zukünftig eine Kombination aus vorhandenen Vergleichsmethoden mit derzeit noch in der Entwicklung befindlichen analytischen Methoden anzuwenden. Umso genauer die für die analytische Bemessung erforderlichen Randbedingungen, die tatsächliche Belastung in Abhängigkeit der Temperatur und die Materialparameter (Schichtdicken, E-Moduln und Querdehnzahlen) über die Zeit beschrieben werden, umso hinreichender werden die Ergebnisse der analytischen Näherungslösungen für das zukünftige Verhalten bzw. den zukünftigen Erhaltungsbedarf des Straßenaufbaus.

Literaturverzeichnis

1. Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Richtlinien für die Standardisierung des Oberbaus von Verkehrsflächen (RStO 01), Ausgabe 2001 (FGSV 499)
2. Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Richtlinien für die Planung von Erhaltungsmaßnahmen an Straßenbefestigungen (RPE-Stra 01), Ausgabe 2001 (FGSV 988)
3. Schmuck, A.; Hehenberger, F.: Mängelursachen, Erhaltungsmaßnahmen und Auswirkungen auf das Zustandsniveau – Entwicklung einer Systematik für das Management der Straßenerhaltung, Schriftenreihe Forschung Straßenbau und Straßenverkehrstechnik Heft 652, 1993, Bonn
4. Hothan : Der Benkelmanbalken: Meßverfahren oder Zufallsgenerator Straße und Autobahn, Heft 8, 1993
5. Litzka, J. et al.: Oberbauverstärkung von Asphaltstraßen; Methodenüberblick und Ableitung von Klimadaten für die analytische Bemessung Bundesministerium für Verkehr, Innovation und Technologie, Straßenforschung, Heft 546, 2004, Wien
6. Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Arbeitspapier Tragfähigkeit, Teil C 3: Einsenkungsmessgerät „Lacroix“: Auswertung von Einsenkungsmessungen, Ausgabe 2008 (FGSV 433/C 3)
7. Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Arbeitspapier Tragfähigkeit, Teil C 1: Benkelman-Balken: Auswertung und Bewertung von Einsenkungsmessungen, Ausgabe 2005 (FGSV AP 33/C 1)
8. Jendia, S.: Bewertung der Tragfestigkeit von bituminösen Straßenbefestigungen, Institut für Straßen- und Eisenbahnwesen der Universität Karlsruhe, Heft 45, 1995
9. Hothan, J.; Schäfer, F.: Analyse und Weiterentwicklung der Bewertung von Tragfähigkeitsmessungen, Institut für Verkehrswirtschaft Straßenwesen und Städtebau, Fachgebiet Konstruktiver Straßenbau, Universitär Hannover
10. Vereinigung Schweizerischer Straßenfachleute (VSS): Normblätter SNV 670 362: Versuche, Benkelman-Balken, Zürich 1970
11. Ehrola, E. et al.: Influence of temperature on the deflection of asphalt pavements, Third International Conference of Bearing Capacity of Roads and Airfields, 1990
12. Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für Erdarbeiten im Straßenbau (ZTV E-StB 09), Ausgabe 2009 (FGSV 599)
13. Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Der AASHTO-Road-Test Ausschusses Forschungsarbeiten aus dem Straßenwesen, Heft 73, 1968
14. Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Technische Prüfvorschriften für Boden und Fels im Straßenbau (TP BF-StB), Teil E 2 Flächendeckende dynamische Prüfung der Verdichtung, Ausgabe 1994, (FGSV 591/E 2)
15. Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Arbeitspapier Tragfähigkeit, Teil C 2 Falling Weight Deflectometer (FWD) Auswertung und Bewertung, Entwurf 2004