| FGSV-Nr. | FGSV 001/21 |
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| Ort | Karlsruhe |
| Datum | 11.10.2006 |
| Titel | Prognose der Lebensdauer von Asphaltbefestigungen auf der Grundlage struktureller Eigenschaften |
| Autoren | Univ.-Prof. Dr.-Ing. Frohmut Wellner, Univ.-Prof. Dr.-Ing. Rolf Leutner |
| Kategorien | Kongress |
| Einleitung | Im Rahmen des vom BMBF geförderten Forschungsvorhabens „Verbundprojekt: Nachhaltiger Straßenbau – Bemessungsmodell zur Förderung der Innovations- und Wettbewerbsfähigkeit kleiner und mittelständiger Straßenbauunternehmen (KMU)“ konnten die mit der Straßenbautechnik befassten Institute der TU Dresden und TU Braunschweig ein rechnerisches Dimensionierungs- und Prognoseverfahren wesentlich verbessern. Auf dieser Grundlage kann das Risiko bei der Kalkulation von Erhaltungsaufwendungen während der Nutzungsdauer erheblich reduziert werden. Bestimmenden Einfluss haben die Materialeigenschaften der verwendeten Baustoffe, welche an verschiedenen Asphalten mit Hilfe von Triaxial-, Druck- und Zugschwellversuchen sowie Retardations- und Relaxationsversuchen quantifiziert wurden. Nach Abschluss des Forschungsprojektes steht ein anwendungsbereites Verfahren zur Verfügung, welches im Rahmen weiterer Untersuchungen validiert werden soll. |
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| Volltext | Der Fachvortrag zur Veranstaltung ist im Volltext verfügbar. Das PDF enthält alle Bilder und Formeln.1 EinleitungIm Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekts „Bauen und Wohnen im 21. Jahrhundert“ erarbeiten die mit der Straßenbautechnik befassten Institute der Technischen Universitäten in Braunschweig und Dresden mit dem Forschungsvorhaben „Verbundprojekt: Nachhaltiger Straßenbau – Bemessungsmodell zur Förderung der Innovations- und Wettbewerbsfähigkeit kleiner und mittelständischer Straßenbauunternehmen (KMU)“ ein Bemessungsverfahren für die analytische Bemessung von Straßenbefestigungen aus Asphalt. Dieses soll der mittelständischen Bauindustrie, die nicht über wissenschaftlich orientierte Prüflaboratorien verfügen kann, eine individuelle Bemessung des Asphaltoberbaus sowie eine abgesicherte Prognose der Zustandsentwicklung hinsichtlich Ermüdung und Spurrinnenbildung ermöglichen. Durch das so verminderte Kalkulationsrisiko sollen auch KMU Funktionsbauverträge abschließen können. Für die Durchführung der Bemessungsalgorithmen müssen die Materialeigenschaften der verwendeten Baustoffe sowie der daraus hergestellten Schichten quantifiziert werden. Dazu wird im genannten Forschungsvorhaben das Gebrauchsverhalten von sechs verschiedenen Asphalten
die aus der laufenden großtechnischen Produktion in Mischwerken entnommen wurden, untersucht. Zur Ermittlung der Eigenschaften bei tiefen Temperaturen dienen die aus Zug- und Abkühlversuchen abgeleiteten Ergebnisse. Zusätzlich werden mittels Retardations-und Relaxationsversuchen Eingangsgrößen für die entsprechenden rheologischen Modelle gewonnen. Zur Ermittlung von Stoffgesetzen, die das Ermüdungsverhalten unter verschiedenen Spannungs- und Temperaturzuständen beschreiben, werden Zug-Schwellversuche, Spaltzug- Schwellversuche und Zug-Schwellversuche mit dynamischem Radialdruck (Triaxiale Zug-Schwellversuche) durchgeführt. Mit dem dynamischen Triaxialversuch im Druckbereich können Materialkennwerte bestimmt werden, die eine Prognose des Verformungsverhaltens unter präzise definierten Spannungs- und Temperaturzuständen erlauben. Um zu prüfen, ob einfachere, auch von KMU durchführbare Prüfverfahren zur Ermittlung von Eingangsgrößen für die Bemessung geeignet sind, werden die Ergebnisse aus den Druck-Schwellversuchen und dynamischen Stempeleindringversuchen eingebunden. Die mathematisch-statistischen Methoden zur Auswertung der etablierten Versuchsverfahren gehen dabei über die in deren Prüfvorschriften beschriebenen Verfahren hinaus. Das Modell zur Prognose des Gebrauchsverhaltens soll an einer Probestrecke validiert werden. Folgende Firma und Institutionen sind in die Bearbeitung des im Jahre 2004 begonnenen Forschungsvorhabens, das vom TÜV Rheinland beaufsichtigt wird, eingebunden:
Bei Betrachtung des Lebenszyklus eines Verkehrsweges (Bild 1) wird deutlich, dass das Zusammenwirken aller – in den einzelnen Phasen – getroffenen Entscheidungen unter Berücksichtigung der jeweils vorherrschenden Randbedingungen die erzielte Qualität der Bauleistung beeinflusst. Die Realisierung von Planung und Entwurf ohne Kenntnis der vielfältigen Ansprüche aus Bau, Erhaltung und Betrieb kann nicht zu einer optimalen Lösung führen. Diese Feststellung wird im Folgenden bei der Betrachtung der in die Bemessung einzubeziehenden Parameter untermauert. Bild 1: Lebenszyklus eines Verkehrsweges Die Auswertung der auf der Versuchsstraße der BASt erzielten Ergebnisse zeigt die mechanische Beanspruchung (Dehnung) auf, die an der Unterseite der Asphalttragschicht (Bild 2) und an der Unterseite der Asphaltdeckschicht (Bild 3) bei Überrollung durch einen Lastkraftwagen in dem dreischichtigen Asphaltpaket auftritt. Hierzu wurden in einer Diplomarbeit 172.800 Datensätze ausgewertet [1]. Bild 2: Mechanische Beanspruchung einer Asphaltdeckschicht [2] Bild 3: Mechanische Beanspruchung einer Asphalttragschicht [2] Je nach Laststellung entstehen Biegezug- und Biegedruckspannungen infolge der „wandernden Einsenkungsmulde“. Während sich bei Betrachtung der Tragschicht unter den Lasteinleitungsflächen der Räder Biegezug einstellt, bewirkt die Lasteinleitung bei der Deckschicht dagegen ausgeprägte Biegedruckspitzen. Fehlt allerdings der volle Schichtenverbund zwischen den einzelnen Schichten und/oder Lagen des Pakets, dann stellt sich dieser Zustand nicht ein: Die Tragfähigkeit des Systems ist beträchtlich abgemindert. Die Auswirkungen der mechanischen Eigenschaften jeder Einzelschicht führen wiederum – abhängig von deren spezieller Position und Dicke im Paket – zu weiteren Interaktionen und Beanspruchungen [2]. Bisher waren lediglich mechanogene, d. h. durch die Verkehrsbelastungen erzeugte Beanspruchungen angesprochen. Berücksichtigt man die durch das Wetter (Gesamtstrahlung) hervorgerufenen, sog. kryogenen Spannungen im „schwarzen Körper“ mit Hilfe thermomechanischer Methoden, dann finden Überlagerungen statt, die als resultierende Spannung sehr wirklichkeitsnah die tatsächliche Beanspruchung der Straßenbefestigung Bild 4: Beanspruchungen aus Verkehr und Wetter Das Bild 4 zeigt links die Verteilung der kryogenen Spannung in Abhängigkeit von der Tiefenposition und den vorherrschenden – thermodynamisch durch das Wetter bedingt sich stets ändernden – Temperaturzuständen im Asphaltpaket. In der Bildmitte ist links die mechanogene Spannung direkt in der Lastachse und rechts neben der Lastachse aufgetragen. Will man die resultierende Spannung ermitteln, so führt dies in logischer Fortsetzung zur Betrachtung dreidimensionaler Spannungszustände im Asphalt; dargestellt rechts. Diese hier äußerst kurz behandelten Interaktionen in der Straßenbefestigung sind bei der Erarbeitung neuer Lösungsansätze für die (Einzelfall-) Bemessung unbedingt zu beachten. Die Bemessung muss typische Spannungszustände bei Kälte, Durchschnittstemperaturen und Wärme berücksichtigen. Dies erfordert die möglichst exakte Ermittlung von Kenngrößen und Parametern (Bild 5), die in ein umfassendes Stoffmodell Eingang finden. Benötigt werden demnach möglichst wenige aber dafür aussagekräftige Prüfverfahren. Bild 5: Eingangsparameter für die rechnerische Prognose
2 PrüfverfahrenEs kommen Verfahren zum Einsatz, die in Forschungsvorhaben entwickelt und erprobt wurden. Sie werden bereits seit einigen Jahren im Rahmen erweiterter Eignungsprüfungen eingesetzt und erlangen durch die Realisierung neuer Bauvertragsformen zunehmend an Bedeutung. 2.1 Verhalten bei tiefen TemperaturenZugversuch und Abkühlversuch [3, 4, 5] Als Probekörper dienen in der Regel 40 mm · 40 mm · 160 mm große Prismen, die aus walzsektorverdichteten Platten gesägt werden (Bild 6). Die Abmessungen der Prismen sind vom Größtkorn des zu prüfenden Mischguts abhängig. Dehngeschwindigkeit und Abkühlrate sind unter laborökonomischen Grundsätzen aufeinander abgestimmt. Sie bilden die schärfsten in der Praxis vorkommenden Beanspruchungen nach, d.h. den Lastfall „worst case“. Bild 6: Prüfgerät „Tieftemperatur“ [4, 5] Im Prüfgerät können auch Prismen aus mehrlagigen Befestigungen geprüft werden (Bild 6). Die Auswertung der Ergebnisse aus Zugversuch und Abkühlversuch führt zur Ermittlung der sog. Zugfestigkeitsreserve, deren ständig sich ändernde Größe durch die unbeeinflussbaren Wetterbedingungen bestimmt wird (Bild 7). Nur diese Reserve steht bei tiefen Temperaturen für die Bewältigung der aus der Verkehrsbeanspruchung resultierenden mechanogenen Zugspannungen zur Verfügung. Wird die Reserve überschritten, ergibt sich zwangsläufig ein Riss. Bild 7: Prüfergebnisse „Zugfestigkeitsreserve“ 2.2 ErmüdungsversucheHier kommt – bei allen plausiblen Temperaturen – der Zug-Schwellversuch [4, 6] zum Einsatz. Es werden Prismen aus walzsektorverdichteten Platten einer sinusförmigen Schwellspannung ohne Lastpause im sog. spannungsgeregelten Ermüdungsversuch eingesetzt. Die Unterspannung orientiert sich an der kryogenen Spannung und die Spannungsdifferenz (doppelte Schwingungsamplitude) repräsentiert die mechanogene Spannung aus der Verkehrsbelastung (Bild 8). Bild 8: Prüfeinrichtung und Ergebnis „Zug-Schwellversuche“ [4, 6] Die Diskussion der gemessenen Reaktion des Probekörpers zeigt:
Das Ergebnis ist die Ermüdungsfestigkeit: Anzahl der ertragenen Lastwechsel NMakro bis zum Eintreten eines definierten Schadens, z. B. Makroriss. Der Verlauf kann durch eine Potenzfunktion – wichtig für Prognosen – ausreichend genau beschrieben werden (Bild 9). Dargestellt ist die Ermüdungsfestigkeit eines Asphaltbetons 0/11 S in Abhängigkeit von der Variation der Belastungsfrequenz, wobei die Potenzfunktion eine Abnahme des Bestimmtheitsmaßes bei geringen Frequenzen aufzeigt. Bild 9: Ermüdungsfestigkeit eines Walzasphaltes AB 0/11S bei –10 °C In [7] wurden vier Asphaltsorten bei 4 Temperaturzuständen mit 3 Frequenzen und 3 Spannungsdifferenzen mit dreifacher Belegung untersucht, was einer Anzahl von mindestens 108 Versuchen pro Variante (ohne Ausreißer) entspricht. Natürlich ist man bestrebt, mit weniger Aufwand zu zuverlässigen Aussagen zu gelangen, aber mathematisch-statistisch einwandfrei abgesicherte Effekte dürfen nicht verdrängt werden. Hierzu bietet der durch Versuche abgesicherte Bereich des Bildes 10 für Prognosen (Extrapolation) eine hilfreiche Orientierung. Bild 10: Mittels Variation der Prüfbedingungen abgesicherter Bereich der Ermüdungsfestigkeit [7] Verlässt man den Problemkreis Ermüdung, so ist zu überlegen, inwieweit eine „Mehrfachoptimierung“ vom Aufwand her betrachtet opportun erscheint, denn es gibt den Übergang vom Tieftemperaturverhalten (Zugbeanspruchung = Risse) über die Ermüdung hin zum Verhalten bei Wärme (Druckbeanspruchung = Verformung). 2.3 Verhalten bei WärmeDas Verhalten bei hohen Temperaturen lässt sich unter Auslassung statischer Kriechversuche zutreffend durch dynamisch angelegte, der tatsächlichen Verkehrsbeanspruchung entsprechende Versuche der neuen Generation erfassen:
Druck-Schwellversuche und Triaxialversuche können Materialkennwerte für das neue Stoffmodell liefern. Mit Hilfe dieses Stoffmodells und FEM-Methoden ist es möglich, die Versuchsergebnisse nachzurechnen. Um zu überprüfen, ob das Stoffmodell auch für inhomogene Spannungszustände wie z. B. beim dynamischen Stempeleindringversuch zutrifft, werden diese Versuche zur Validierung des Stoffmodells benutzt. Druck-Schwellversuch [8]: Das Bild 12 zeigt das Ergebnis aus einer Versuchsserie, die unter Variation der Belastung und Frequenz durchgeführt wurde (Bild 11). Bild 11: Prüfeinrichtung „Druck-Schwellversuch“ [8] Bild 12: Bleibende Dehnungen bei Variation von Last und Temperatur [8] Der Vergleich der Reaktion (bleibende Dehnung) zweier Deckschichtarten AB 0/11 S und SMA 0/11 S auf die variierte Belastungsfrequenz zeigt mit steigender „Belagstemperatur“ einen deutlichen Unterschied im Verhalten auf; der SMA reagiert in geringerem Umfang. Berechnet man den E-Modul zweier zu vergleichender SMA-Varianten mittels der Resultate aus dem Druck-Schwellversuch, zeigt sich neben der Temperatur- und Frequenzabhängigkeit auch ein geringer Unterschied im Betrag (Bild 13) Bild 13: Absoluter E-Modul in Abhängigkeit von Frequenz und Temperatur Triaxialversuch [9]: Der Triaxialversuch (Bild 14) erlaubt es, unabhängig von der axialen Belastung auch eine radiale „Stützwirkung“ auf den Probekörper einwirken zu lassen, wie im Bild 15 symbolisch dargestellt wird. Bild 14: Prüfeinrichtung Triaxialzelle Bild 15: Deviatorspannung von verschiedenen Asphaltgemischen (Triaxialversuch) Auch die sich aus der Kräfte-Überlagerung aufbauende Deviatorspannung übt einen nicht zu vernachlässigenden Einfluss auf die Größe des E-Moduls der einzelnen geprüften Mischgutsorten aus, erkennbar an der Steigung der Ausgleichsgeraden. Dynamische Stempeleindringtiefe [10]: Letztendlich wird der Versuch unternommen, mit dem wesentlich einfacher durchzuführenden Prüfverfahren Dynamische Stempeleindringtiefe kostengünstiger und weniger aufwändig ausreichend präzise Kenngrößen für die prognosefähige Ansprache des Baustoffes Asphalt bereitzustellen (Bilder 16 und 17). Bild 16: Prüfeinrichtung für den Dynamischen Stempeleindringversuch Bild 17: Validierung mit dem Dynamischen Stempeleindringversuch Anhand der Modellierung eines Prüfkörpers, z. B. Asphaltbohrkern Ø 200 mm, mittels „Finiter Elemente“, deren Größe sich auch am Größtkorn des Mischguts orientieren kann, gelingt es, die Reaktion der Asphaltschicht auf Verkehrsbelastungszustände zu simulieren (Bild 18). Die Qualität der durch FEM-Simulation erzielten Ergebnisse kann durch Vergleich mit den im Laborversuch gewonnenen Daten beurteilt werden. Bild 18: FEM-Simulation mechanisch erzeugter Spannungszustände Abschließend ist zusammenzufassen: Die Prognose der Lebensdauer über die Ansprache des Gebrauchsverhaltens ist nur über die ausreichend zutreffende Ermittlung von Materialparametern möglich, die mittels Prüfverfahren bestimmt werden, die auf der Berücksichtigung der tatsächlichen Beanspruchung sowohl durch Wetter als auch Verkehr beruhen (Bild 19). Bild 19: Strukturdiagramm zur Prognose des Verhaltens von Asphaltbefestigungen
3 Vorbemerkungen zur rechnerischen PrognoseDie Bemessung von Straßenbefestigungen erfolgt in Deutschland bisher auf der Grundlage der RStO, d.h. der Standardisierung von Befestigungen für vorgegebene Verkehrsbelastungen (Bauklassen) sowie eine grobe Kategorisierung örtlicher Gegebenheiten und klimatischer Bedingungen. Zur Verbesserung der Möglichkeiten der Berücksichtigung der Materialeigenschaften sowie der detaillierteren Berücksichtigung der Verkehrsbelastung sowie der klimatischen Gegebenheiten wurde am Lehrstuhl Straßenbau der TU Dresden ein Verfahren zur rechnerischen Dimensionierung von Asphaltbefestigungen entwickelt und programmtechnisch umgesetzt. Dieses Verfahren ist im Bild 20 dargestellt. Bild 20: Schematische Darstellung des rechnerischen Verfahrens der TU Dresden zur Dimensionierung von Asphaltbefestigungen Bei diesem Verfahren werden unter Berücksichtigung der Verkehrsbelastung auf der Grundlage gemessener Achslastkollektive (Achslastklassen und zugeordnete Häufigkeit des Auftretens der Achslasten innerhalb der Klassen), der klimatischen Bedingungen (Temperaturverläufe in den Asphaltschichten und zugeordnete Häufigkeit des Auftretens dieser im Jahresverlauf) sowie der Materialkennwerte (elastische Materialkennwerte) und Startschichtdicken Beanspruchungen berechnet, welche zur Nachweisführung gegenüber Ermüdung im Asphalt und in Tragschichten mit hydraulischen Bindemitten sowie der Spurrinnenbildung im Asphalt und den bleibenden Verformungen der Tragschichten ohne Bindemittel und des Untergrundes/Unterbau verwendet werden. In einem iterativen Prozess können die Materialkennwerte und/oder Schichtdicken so festgelegt werden, dass die Befestigungen als ausreichend dimensioniert für einen vorgesehenen Nutzungszeitraum gelten können. Durch Kalibrierung des Verfahrens für bestimmte Bedingungen an den Schichtdicken der RStO kann weiterhin davon ausgegangen werden, dass die Dimensionierung der Befestigungen mit dem Sicherheitsniveau analog zu den RStO erfolgt. Diese Vorgehensweise wurde durch den Arbeitsausschuss 4.5 „Dimensionierung“ der FGSV in einem ersten Entwurf zu einer Richtlinie (Richtlinie zur rechnerischen Dimensionierung des Oberbaus von Verkehrsflächen mit Asphaltdecke, RDO-Asphalt) zusammengefasst. Im Rahmen des durch das BMBF finanzierten Forschungsprojektes [11] wurden Grundlagen für ein Prognosemodell zur Spurrinnenbildung und Rissentwicklung erstellt, welches bei entsprechender Kalibrierung an Beobachtungsstrecken Grundlagen zur Prognose der strukturellen Substanz liefern kann. Darauf aufbauend ist im Rahmen des durch das BMVBS finanzierten Forschungsthemas 4.199 „Prognose der Restnutzungsdauer von Asphaltbefestigungen“ [12] die Möglichkeit der Kalibrierung dieses Verfahrens zur Bewertung der strukturellen Substanz bezüglich der Ermüdungsrissbildung ermöglicht worden.
4 Prinzipielle VorgehensweiseDie zur Anwendung kommende prinzipielle Vorgehensweise bei der Prognose sowie der Bewertung der strukturellen Substanz ist dem Bild 21 zu entnehmen. Die Eingangswerte in die Bild 21: Prinzipielle Vorgehensweise zur Bewertung der strukturellen Substanz Berechnung ergeben sich analog zur Vorgehensweise bei der Dimensionierung aus den klimatischen Bedingungen, der Verkehrslast sowie den Materialparametern einschließlich der Schichtdicke. Im Unterschied zur Dimensionierung sind die Materialparameter jedoch zugeordnet zu der einzuschätzenden Befestigung festgelegt. Der Unterschied zur Vorgehensweise bei der Dimensionierung besteht nun in der Abschätzung der Nutzungsdauer bei Berücksichtigung der durch die vorhandene Befestigung festgelegten Eingangsparameter. Daraus können Aussagen zur Restnutzungsdauer der vorhandenen Befestigung sowie zur Ermittlung von Erhaltungsaufwendungen abgeleitet werden. Dabei ist die Prognose der Zeitdauer bis zum Auftreten von Schäden (Risse, Spurrinnen) Voraussetzung für eine zuverlässige Vorhersage der Nutzungsdauer einer Befestigung. Die Genauigkeit dieser Prognose ist wiederum abhängig von der Realitätsnähe der Eingangsparameter. Wenn die Bestimmung von Schicht- und Materialeigenschaften in situ und im Labor natürlich mit Fehlern behaftet ist, welche jedoch anhand von statistischen Verfahren in Größe und Auswirkung abschätzbar sind, ist die Festlegung von Eingangsparametern zur Berücksichtigung der Wetterverhältnisse sowie die Entwicklung der Verkehrsbelastung z. B. über einen Nutzungszeitraum von 30 Jahren mit außerordentlich großen Unsicherheiten behaftet. Hier können nur – um ausreichend verlässliche Prognosen zu bekommen – für die Berechnungen Szenarien angenommen werden, welche Grundlagen zur Abschätzung der Auswirkung pessimistischer bzw. optimistischer Entwicklungstendenzen liefern. Im Folgenden soll ein Modell zur Abschätzung der Zeitdauer bis zum Auftreten von Schäden vorgestellt und diskutiert werden. Dabei ist davon auszugehen, dass als wesentliche Eingangswerte zunächst die Material- und Schichtenparameter behandelt werden. Zur Abschätzung der Verkehrsbelastung laufen derzeit noch verschiedene Untersuchungen, welche nach Abschluss an gleicher Stelle vorgestellt werden sollen.
5 Material- und SchichtenparameterDie hier zu behandelnde Problematik bezieht sich auf die Ermittlung der berechnungsrelevanten Parameter bezüglich der Entstehung von Rissen und Spurrinnen. 5.1 Rissbildung (Ermüdung)Zur Ermittlung und Berücksichtigung der Material- und Schichtenparameter ergab sich zunächst die Notwendigkeit, eine Methodik zur Bestimmung der relevanten Material- und Schichtenparameter sowie zur Einführung dieser in das Dimensionierungs- bzw. Prognoseverfahren zu entwickeln. Für die Bestimmung der Material- und Schichtenparameter ist die Entnahme von Bohrkernen aus der einzuschätzenden Befestigung erforderlich. Dabei ist es wesentlich, dass zunächst anhand von Tragfähigkeitsmessungen und/oder kontinuierlichen Schichtdickenmessverfahren Abschnitte mit homogenen Eigenschaften festgestellt werden, aus welchen dann repräsentative Bohrkerne entnommen werden können. Es wird vorgeschlagen, die Menge der zu entnehmenden Bohrkerne auf mindestens 9 festzuschreiben, um aus statistischen Überlegungen vertretbar abgesicherte E-Modul- und Ermüdungsfunktionen bestimmen zu können. Anhand von Spaltzugversuchen ist dann für mindestens 3 verschiedene Prüftemperaturen (Multistageversuche) je 3-fach der E-Modul zu bestimmen. Diese Werte können zur Ermittlung der E-Modulfunktion herangezogen werden (Bild 22). Diese Funktion (im Bild 22 hell dargestellt) kann grafisch an den Verlauf bekannter, z. B. nach dem Verfahren von Francken und Verstraeten berechneter Funktionen (im Bild 22 dunkel dargestellt) angepasst werden. Die Berechnung der Beanspruchung in den Asphaltschichten kann dann mit dieser auf den Versuchsergebnissen basierenden Funktion erfolgen. Bild 22: Bestimmung der E-Modulfunktion aus Ergebnissen von Spaltzugversuchen Unter der Voraussetzung, dass diese Multistageversuche zur Bestimmung der E-Moduln bei einem geringen Dehnungsniveau mit geringer Anzahl an Lastwechseln durchgeführt werden, kann eine nennenswerte Schädigung dieser Bohrkerne durch diese Beanspruchung während des Versuches ausgeschlossen werden. Deshalb stehen die Probekörper für die Ermüdungsuntersuchungen weiter zur Verfügung. Die Ermüdungsfunktion ist anhand von Messwerten bei mindestens drei verschiedenen Beanspruchungsniveaus zu ermitteln (Bild 23). Zur ausreichend guten Erfassung der Auswirkungen des räumlichen Beanspruchungszustandes in den gebundenen Schichten der Asphaltbefestigungen sollte die Ermüdungsfunktion auf der Grundlage der Anfangsdehnungen aufgestellt werden in der Form: Formel siehe PDF Bild 23: Bestimmung der Ermüdungsfunktion aus Ergebnissen von Spaltzugversuchen In der weiteren Behandlung der Messwerte sollte dann auf der Grundlage statistischer Betrachtungen des Mutungsbereiches die Ermüdungsfunktion so festgelegt werden, dass nur mit 5 %iger Wahrscheinlichkeit der Ermüdungsparameter schlechter als die gefundene Funktion sein wird. Mit dieser Funktion erscheint dann unter Verwendung des rechnerischen Verfahrens zur Prognose der Rissentstehung, der Beginn bzw. bei weiterer Kalibrierung an Versuchsstrecken auch der Zustand der Befestigungen unter Berücksichtigung struktureller Schädigungen möglich. Im Bild 24 ist beispielhaft eine Ermüdungsfunktion dargestellt, welche an Bohrkernen einer Versuchsstrecke bestimmt wurde. Das Bild 25 beinhaltet die Prognose des Ermüdungsstatus auf der Grundlage der Annahme realitätsnaher Verkehrsbelastungen und Wetterverhältnisse. Wenn die dargestellte Prognosefunktion 100 % erreicht, ist in Realität das Versagen der Befestigung zu erwarten. Im vorliegenden Falle handelte es sich um eine Befestigung, welche bereits 15 Jahre dem Verkehr entsprechend der Grenze zwischen Bauklasse I und SV gemäß RStO 01 ausgesetzt war. Die Befestigung war außerdem mit lediglich 24 cm Asphaltdicke auf Frostschutzschicht mit ca. 4 cm gegenüber den Vorgaben der RStO 01 „unterbemessen“. Insofern erklärt sich auch die prognostizierte Nutzungsdauer von 15 + 7 = 22 Jahren als plausibles Ergebnis. Bild 24: Ermüdungsfunktion Bild 25: Prognose des Ermüdungsstatus 5.2 SpurrinnenPlastische Verformungen eines Volumenelementes als Voraussetzung für die Entwicklung einer Spurrinne entstehen infolge einer gestaltändernden Beanspruchung. Diese lässt sich in Form der Deviatorspannung am besten beschreiben. Die Devitorspannung ist die Differenz aus der in der jeweiligen Richtung wirkenden Spannung und der hydrostatischen Spannung (= Drittel der Summe der Hauptspannung). In der Lastachse unter der Radaufstandsfläche ergibt sich diese Deviatorspannung aus der Differenz der Vertikalspannung und der Biegespannung (im Deck- und Binderschichtbereich i. d. R. Biegedruckspannung). Dieser Beanspruchungszustand lässt sich realitätskonform im Triaxialversuch nachbilden (Bild 26). Aus der Differenz der Vertikalspannung s1 und der Horizontalspannung s3 ergibt sich die Deviatorspannung, welche Voraussetzung für die plastische Deformation des Volumenelementes ist. Das Bild 27 zeigt Ergebnisse eines Triaxialversuches, welcher an einem Probekörper mit 15 cm Durchmesser und 30 cm Höhe in der Triaxialversuchsanlage der TU Dresden durchgeführt wurde. Bild 26: Beanspruchungsprinzip im Triaxialversuch Bild 27: Triaxialversuchsergebnisse eines SMA 0/11 S für verschiedene Deviatorspannungen Unter Zugrundelegung dieser Versuchsergebnisse konnten anhand von berechneten Deviatorspannungen in der Lastachse bei Asphaltoberflächentemperaturen von 40, 45 und 50 °C zunächst zur Reduzierung des Berechnungsaufwandes nur mit einer äquivalenten Radlast von 5 t (10 t Achslast) bei einer Überrollungshäufigkeit von 32 Mio. (entspricht Bauklasse SV) die im Bild 28 dargestellten ersten Berechnungsergebnisse erzielt werden. Bei der Bewertung der Ergebnisse ist zu beachten, dass in Realität wesentlich höhere Radlasten (bis 23,5 t gemessen) auftreten, sowie auch niedrigere Oberflächentemperaturbereiche (< 40 °C) zur Spurbildung beitragen, welche bisher noch nicht berücksichtigt werden konnten. Beide Vereinfachungen führen jedoch zu einer Vergrößerung der berechneten Absolutbeträge der Spurrinnentiefe und somit zum schnelleren Erreichen der berechneten Maximalbeträge. Damit ist zu erwarten, dass sich dann die Berechnungsergebnisse der aus der Erfahrung bekannten schnelleren Spurrinnenbildung nähern werden. Derzeit wird noch an der Verbesserung des Berechnungsverfahrens gearbeitet, so dass in Kürze eine realitätsnähere Spurrinnenprognose möglich sein wird. Bild 28: Spurrinnenprognose Aus diesen ersten Berechnungsergebnissen zeigt sich jedoch bereits jetzt, dass die Befestigung entsprechend Zeile 2.1 Tafel 1, RStO 01 (Asphalt auf HGT) eine deutlich höhere Neigung zur Spurrinnenbildung zeigt als die Befestigung gemäß Zeile 1, Tafel 1, RStO 01 (Asphalt auf Frostschutzschicht). Im vorliegenden Beispiel erreicht die Befestigung mit HGT bereits nach ca. 16 Jahren die gleiche Spurrinnentiefe wie die Befestigung mit Frostschutzschicht nach ca. 24 Jahren. Das ist damit zu begründen, dass die HGT wegen höherer Steifigkeit gegenüber der Frostschutzschicht die Biegedruckbeanspruchung in der Asphaltdecke reduziert. Das bewirkt bei gleichbleibender Vertikalspannung infolge der Reifenkontaktpressung zwangsläufig eine Erhöhung der Deviatorspannung und bedingt damit eine größere Neigung zur Spurrinnenbildung.
6 Zusammenfassung und AusblickIn diesem Beitrag konnten ein Verfahren zur rechnerischen Bewertung der strukturellen Substanz, bezogen auf die Ermüdungsrissbildung, sowie ein Verfahren zur rechnerischen Prognose der Spurrinnentiefe vorgestellt werden. Das Modell kann bei entsprechender Kalibrierung an Beobachtungsstrecken als Grundlage für die Vorhersage von Schädigungen und damit zur Berechnung von Zeitintervallen von Erhaltungsmaßnahmen unter Berücksichtigung von wahrscheinlichen Szenarien der Entwicklung der Verkehrsbelastung und klimatischer Bedingungen dienen. Erste Berechnungen auf der Grundlage von Laborversuchen zeigen plausible Ergebnisse, welche jedoch der weiteren Untermauerung bedürfen.
7 Literaturverzeichnis
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