Zur Erfassung relevanter Klima und Fahrbahnparameter wurden über das gesamte Bundes gebiet verteilt, an repräsentativen Standorten, im Rahmen von Forschungsvorhaben Mess stationen errichtet. Diese Messstellen sollen als Ergänzung zu vorhandenen DWD-Stationen das Mikroklima direkt an einer Fahrbahn erfassen sowie, mittels an und in der Fahrbahn verbauter Sensorik, Daten über den Temperaturgradienten in der Fahrbahn, die Fugenbewegungen und das Verformungsverhalten kontinuierlich aufzeichnen. An der BAB A92 wurde für eine dreimonatige Erprobungsphase zusätzlich eine Multistation (Leica Nova MS60) unterhalb eines Überführungsbauwerkes an der Brückenwiderlagerwand montiert, um mit einer automatischen Deformationsanalyse die Oberfläche der Betonfahrbahn zu erfassen und die Verformungen des Deckensystems ermitteln zu können. Die Messdaten sind über ein Web-Portal in Echtzeit einsehbar. In einem weiteren Forschungsvorhaben wurde ein erster Prototyp für ein fahrbares System entwickelt, welches zerstörungsfrei mittels Impakt-Echo-Verfahren die Fahrbahnstruktur auf Gefügeschäden, wie z. B. horizontale Risse durchleuchten kann. Die Ergebnisse der oben genannten Untersuchungen fließen in eine Simulation auf Basis der Methode der Finiten Elemente (FEM) ein. Somit kann die Substanz der Fahrbahn zielgerichtet qualifiziert und beurteilt werden.

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

1 Einleitung

Aufgrund der im Hitzesommer 2013 vermehrt aufgetretenen Hitzeschäden auf deutschen Betonfahrbahnen hatte man, zur Klärung der Entstehungsmechanismen und der in der Fahrbahn vorherrschenden Spannungszustände, begonnen die Datenerfassung relevanter Parameter an Autobahnen voranzutreiben und in einem derzeit laufenden Forschungsprojekt vergeben. Die für Untersuchungen in diesem Bereich wesentlichen Daten, welche z. B. die Spannung im Plattenquerschnitt beeinflussen, sind heutzutage nur aus älteren Quellen bekannt. Dies betrifft insbesondere die Temperaturverteilung über den Querschnitt im Kontext zu Klimadaten, Materialkennwerte und die Nullspannungstemperatur. Beispielhaft sei hier die Bestimmung der aktuell an der Fahrbahn existierenden Nullspannungstemperatur genannt, die, wie im Bild 1 dargestellt ist, im Laufe der Liegedauer durch Schmutzeintrag in eine Fuge mit undichter Fugenausbildung herabgesetzt wird und somit das Verhalten der Fahrbahn entscheidend beeinflusst.

Bild 1: Schmutzeintrag in eine undichte Fuge

2 Anlage von Demonstratoren

2.1 Ermittlung relevanter Parameter

Zur Erfassung relevanter Klima- und Fahrbahnparameter wurden über das gesamte Bundesgebiet verteilt, an repräsentativen Standorten, Messstationen errichtet. Diese Messstellen sollen als Ergänzung zu vorhandenen DWD-Stationen das Mikroklima direkt an einer Fahrbahn erfassen und dokumentieren. Es wird neben der Lufttemperatur und der Oberflächentemperatur der Fahrbahn auch durch in die Fahrbahn eingebrachte Fühler die Temperaturverteilung über den Deckenquerschnitt erfasst. Zusätzlich werden an diesen Messeinrichtungen die Windgeschwindigkeit und Windrichtung sowie die Globalstrahlung über ein Pyranometer erfasst (Bild 2).

Bild 2: Messstation zur Erfassung relevanter Klimaparameter an Autobahnen

Bisherige Untersuchungen haben gezeigt, dass die Globalstrahlung im Vergleich zur Lufttemperatur einen besseren Indikator zur Beurteilung der in der Decke vorherrschenden Spannungssituation darstellt. Zur genaueren Untersuchung dieses Zusammenhangs wurden im Bereich der neu errichteten Messstellen an ausgewählten Querscheinfugen Wegaufnehmer an Fugenflanken appliziert, um die Bewegungen (Öffnen und Schließen) der Fugen über einen längeren Zeitraum kontinuierlich erfassen zu können. Zusätzlich wurden in einem Bohrloch (Durchmesser 150 mm) in der Betonfahrbahndecke im Bereich einer Querscheinfuge, Dehnmessstreifen in horizontaler und vertikaler Richtung an die Bohrlochwandung, zur Erfassung der Längsdruck- und Querzugspannungen im Deckensystem, geklebt (Bild 3).

Bild 3: Mit Dehnmessstreifen instrumentiertes Bohrloch

Nach Fertigstellung des Einbaus der Dehnmessstreifen wurde das Bohrloch zur Sicherung der verbauten Messtechnik und zur Wiederherstellung der Verkehrssicherheit durch eine demontierbare und befahrbare Abdeckung verschlossen und gegen eindringendes Wasser abgedichtet (Bild 4).

Bild 4: Demontierbarer und befahrbarer Bohrlochverschluss

Die Daten der Dehnmessstreifen und des Temperaturgradienten in der Fahrbahn werden in festgelegten Zeitschritten erfasst und ausgewertet. So kann z. B. einer Überlagerung der Fahrbahnkerntemperatur mit den an der Bohrlochwandung erfassten Verformungen des Betons entnommen werden, dass der Beton in seinem Verformungsverhalten sich etwa analog der Temperaturganglinie anpasst. Dies ist in den Bildern 5 und 6 für einen ausgewählten Zeitraum beispielhaft dargestellt.

Bild 5: Beispielhafter Verlauf der Dehnung an horizontal geklebten DMS

Bild 6: Beispielhafter Verlauf der Dehnung an vertikal geklebten DMS

Über eine im Labor durchgeführte Kalibrierung der Verhältniswerte Dehnung zu eingeleiteter Druckkraft kann auf die Spannungen innerhalb der Betondecke in situ geschlossen werden.

2.2 Automatische Deformationsanalyse

Die Messstelle in Bayern an der BAB A92 wurde für einen Zeitraum von drei Monaten zur Erprobung einer automatisierten Deformationsanalyse der Fahrbahnplatten erweitert. Das Ziel einer automatisierten Deformationsanalyse besteht darin, die absoluten und relativen Bewegungen eines Bauwerkes kontinuierlich zu messen, in Echtzeit zu übertragen und mit einem vorab definierten Sollwert abzugleichen. Während die bisherigen Messsysteme nur das Monitoring von zwei einzelnen Betonfahrbahnplatten ermöglichen, können durch automatisierte Deformationsanalysen in einem Abschnitt einer Richtungsfahrbahn die Bewegungen überwacht und Verformungen registriert werden. Automatisierte Deformationsmessungen werden im Tunnelbau oder zur Überwachung von sensiblen Bauwerken (Talsperren, Brücken etc.) bereits seit vielen Jahren angewandt. An den Bewegungen und Verformungen des Fahrbahndeckensystems kann z. B. erkannt werden, welche Fugenkonstruktionen „inaktiv“ sind und wann die „aktiven“ Querscheinfugen bei steigenden Fahrbahndeckentemperaturen geschlossen sind. Zentrales Element der automatischen Deformationsanalyse ist eine Totalstation (elektronischer Tachymeter) mit eingebautem Laserscanmodul, in diesem Fall die Leica Nova MS 60 Multistation (Bild 7), die an der Widerlagerwand eines Brückenbauwerks für eine dreimonatige Testphase montiert wurde. Die maximale Reichweite des Scanners beträgt laut Herstellerangaben bis zu 500 m bei einer Messgenauigkeit von 0,6 mm (Leica Geosystems AG, Datenblatt). Zur absoluten Geokodierung benötigt die Multistation mindestens drei Referenzpunkte (Festpunkte), die in Fahrtrichtung gelegen im Bereich der Entwässerungsmulde angeordnet wurden. Ein Schema, das die Anordnung der Messtechnik und den Zielbereich erläutert, ist im Bild 8 dargestellt.

Bild 7: Leica Nova MS60

Bild 8: Installationsskizze Multistation (eigene Darstellung nach Leica Geosystems AG)

Über eine Kommunikationseinheit mit Mobilfunksensor und mehreren Meteosensoren, die zur kontinuierlichen Kalibrierung der Multistation durch Messung der Lufttemperatur, des Luftdrucks sowie der Luftfeuchte erforderlich sind, werden die Messwerte per Internet (GSM-Netz) in Echtzeit an einen Computer übertragen und ausgewertet. Die automatisiert ausgewerteten Daten können über ein Web-Portal eingesehen werden. Die dort ankommenden Daten können zusätzlich mit vorab definierten Sollwerten automatisch verglichen und bei Bedarf eine Warnmeldung angezeigt werden.

Zur Verifikation und genaueren Überwachung einzelner Querscheinfugen wurden zwischen zwei Betonfahrbahnplatten des Seitenstreifens zwei Monitoringprismen installiert.

Bild 9: Auf der Fahrbahn montierte Monitoringprismen (Screenshot aus GeoMoS der Leica Geosystems AG)

Durch die Anordnung dieser beiden Monitoringprismen ist es möglich, die horizontalen und vertikalen Plattenbewegungen an der Oberfläche der Querscheinfuge noch genauer als über eine definierte Scanfläche (Punktwolke) durch den Laserscanner zu erfassen und zu überwachen.

Innerhalb der 3-monatigen Testphase sollen verschiedene Anwendungsbereiche des Messsystems näher untersucht und bewertet werden:

• ­Erfassung von Verformungen einzelner Platten eines Betonfahrbahndeckensystems infolge Temperatureinwirkungen
• ­Erfassung von Bewegungen eines definierten Betonfahrbahndeckenabschnittes
• ­Erkennung von Hitzeschäden im Entstehen.

Zunächst wurde ein „Nullscan“ der Fugenbereiche und des zentralen Fugenkreuzes sowie der Plattenmitte durchgeführt. Parallel hierzu wurde die absolute Lage der „Fahrbahnplatten“ durch drei zusätzliche Referenzpunkte (Prismen) eingemessen. Die definierten Scanbereiche werden in regelmäßigen zeitlichen Abständen erneut erfasst. In einem weiteren Schritt analysiert die Auswertesoftware das Ergebnis dieses Scans. Die benötigte Zeit zum Scannen einer Fläche hängt von der Flächengröße und der eingestellten Genauigkeit des Vorgangs ab. Die Wiederholungsrate, d. h. die Häufigkeit der Messungen, kann frei definiert und beispielsweise über ein Smartphone jederzeit auch im laufenden Betrieb verändert werden. Die einzelnen 3D-Punktwolken der Laserscans werden übereinander gelegt, somit können Abweichungen in vertikaler und horizontaler Richtung über die Definition von Verschiebungsvektoren detektiert werden. Durch Definition eines zulässigen Abweichungsbereiches und zwei weiterer Grenzen, kann ein automatisiertes Alarmsystem bei Überschreitung dieser Grenzen eingerichtet werden. Um Fehlmessungen und dadurch induzierte Fehlalarme weitestgehend auszuschließen, werden maximale Abweichungen und Grenzbereiche definiert. Im Anwendungsfall „Bundesautobahn“ sichert dieses zusätzliche Sicherheitsmodul, dass ein während der Messung durchfahrendes Fahrzeug oder größere Teile auf der Fahrbahn keinen Alarm auslösen.

Das Bild 10 zeigt die Benutzeroberfläche des Web-Portals. Dort sind unterschiedliche Grafiken der automatisierten Deformationsanalyse, wie z. B. horizontale und vertikale Plattenbewegungen, mit entsprechend farbig hinterlegten Warnstufen (Bild 11) dargestellt.

Bild 10: Benutzeroberfläche des Web-Portals (Screenshot aus GeoMoS der Leica Geosystems AG)

Bild 11: Beispielhafte Anzeige der automatisierten Deformationsanalyse mit Warnstufen (Screenshot aus GeoMoS der Leica Geosystems AG)

Es werden aber auch Bilder der auf der Fahrbahn definierten Scanflächen sowie einer angeschlossenen Kamera zur Beobachtung der Messstelle und des Verkehrs angezeigt. Weitere angebundene Sensoren, wie z. B. solche zur Erfassung der Globalstrahlung oder der Lufttemperatur, sind ebenfalls im Web-Portal graphisch dargestellt.

3 Scannendes Prüfverfahren

Aufgrund der bisherigen Erfahrungen der letzten Jahre aus der intensiven Ursachenforschung zur Entstehung von Hitzeschäden auf Betonfahrbahnen und den Untersuchungen im Zuge des vermehrten Auftretens von Schäden an Betonfahrbahnen durch Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR), wurde über ein fahrbares System nachgedacht, das zerstörungsfrei die Fahrbahnstruktur auf Gefügeschäden, wie z. B. horizontale Risse (Bild 12) durchleuchten kann.

Bild 12: Horizontale Delamination in einer Betonfahrbahndecke

Im Zuge des derzeit am Lehrstuhl für Zerstörungsfreie Prüfung und am Lehrstuhl und Prüfamt für Verkehrswegebau der Technischen Universität München laufenden BASt-Forschungsprojektes FE 08.0238/2015/CRB „Scannendes Prüfgerät zur Detektion von Delaminationen in Betonfahrbahndecken“ wurden bereits einige Messungen auf Betonfahrbahndecken zur Detektion von horizontalen Delaminationen mit unterschiedlichen zerstörungsfreien Messmethoden wie Ultraschall, Radar und einem Impakt-Echo-Verfahren durchgeführt (Bild 13).

Bild 13: Zerstörungsfreie Messmethoden (v. links Impakt-Echo-System, Ultraschall und Radar)

Ein Vergleich der Ergebnisse der unterschiedlichen Messmethoden hatte gezeigt, dass das Impakt-Echo-Verfahren über eine Luftschallkopplung für den Anwendungsfall eines fahrbaren Systems zur Analyse von Fahrbahnstrukturen am geeignetsten ist. Nach einiger Entwicklungsarbeit wurde das System bereits in einem fahrbaren Versuchsprototypen verbaut und erfolgreich in situ getestet (Bild 14).

Bild 14: Versuchsprototyp zur Detektion von Delaminationen

Das Impakt-Echo-System basiert auf einem mechanischen Impaktor, der auf die Fahrbahnoberfläche schlägt und dadurch eine Schallwelle sowohl in der Fahrbahn als auch in der Luft erzeugt.

Bild 15: Wellenausbreitung in der Fahrbahn nach Impakt auf der Oberfläche (Groschup R., 2015)

Bild 16: Wellenausbreitung nach Impakt auf der Oberfläche (Groschup R., 2015)

Über ein Mikrofon-Array kann diese Schallwelle gezielt aufgezeichnet und ausgewertet werden. Anschließend werden nach dem Scannen der Fahrbahn über ein automatisiertes Interface Stellen mit vorhandener Delamination am Display aufgezeigt (Bild 17). Im Bild 17 kann relativ deutlich eine Resonanz bei 5,75 kHz erkannt werden, die sich im Bereich der überfahrenen Querscheinfuge von der Resonanz der Fahrbahnunterseite (etwa 10 kHz) abzeichnet. Diese Resonanzabweichung, die durch das veränderte Schwingverhalten des Baustoffs verursacht wurde, zeigt eine an dieser Stelle in der Fahrbahn vorhandene Delamination an.

Bild 17: Auswertung einer Impakt-Echo Analyse (Groschup R., 2015)

4 Datenzusammenführung und Ausblick

Die Auswertung und Zusammenführung der Messdaten, die an verschiedenen, über das Bundesgebiet verteilten Standorten gesammelt werden, ermöglicht es eine Substanzbewertung der untersuchten Streckenabschnitte vorzunehmen und Prognosen über die Eintrittswahrscheinlichkeit eines Schadensfalls zu errechnen. Mit Hilfe der Methode der Finiten Elemente (FEM) kann z. B. das Verhalten der Betonfahrbahndecke unter den real vorherrschenden Bedingungen simuliert werden. Die bisher im Rahmen der Forschungsarbeit gesammelten Klimaparameter, Fahrbahnparameter und Konstruktionsparameter fließen direkt in die Modellbildung für Simulationen ein. Die Auswertung der dabei erzeugten Daten wird durch ein neu entwickeltes Softwaretool realisiert. Momentan wird im BASt-Forschungsprojekt FE 08.0237/2015/ARB „Informationssystem ­ Ermittlung und Prognose von Spannungszuständen in Betonfahrbahndecken“, das von VKI federführend bearbeitet wird, an einem Modul zur automatisierten Umsetzung von Maßnahmen zur Verkehrsbeeinflussung gearbeitet. Die Verkehrsbeeinflussungsanlagen werden durch Verkehrszentralen oder Verkehrsmanagementzentralen gesteuert. Das zur Steuerung der Verkehrsbeeinflussungsanlagen vorhandene Netzwerk entlang deutscher Bundesautobahnen wird in drei Hauptebenen gegliedert. Die Feldebene besteht aus den Datenendgeräten, also den Sensoren und Aktoren, sowie einer zentralen Steuereinheit, die vor Ort die Daten- und Energieverteilung sichergestellt. Über die Automatisierungsebene wird die Datenerfassung und -verarbeitung sowie die Berechnung automatischer Ereignisse zur Prozesssteuerung abgewickelt. Die Bedien- und Leitebene dient der Systemvisualisierung und Überwachung, der Datenprotokollierung und dem manuellen Betrieb. Das im Zuge des laufenden Forschungsprojektes neu entwickelte Softwaretool, das die fortlaufend in situ erfassten Messdaten analysiert, können direkt in der Bedien- und Leitebene angebunden werden. Um letztendlich den Straßenbenutzer zu erreichen stehen in der Verkehrszentrale durch Aktivierung eines Handprogrammes zur Regelung des Verkehrs, einer Meldung an den Operator oder dem Absenden einer Email an einen festgelegten Personenkreis verschiedene Aktionen zur Verfügung, um den Verkehr entsprechend der vorherrschenden Situation über die Verkehrsbeeinflussungsanlagen zu informieren und zu leiten.

Bild 19: Beispiel eines FEM-Modells

Bild 20: Übersicht Kommunikationsnetzwerk an Autobahnen (eigene Darstellung nach Siemens AG)

Literaturverzeichnis

G r o s c h u p, R.: Technische Universität München, Lehrstuhl für Zerstörungsfreie Prüfung, Präsentation zum BASt-Forschungsprojekt „Scannendes Prüfgerät zur Detektion von Delaminationen in Betonfahrbahndecken“, 25. November 2015, München

Leica Geosystems AG: Heerbrugg, Schweiz, 2016

Leica-Geosystems AG: Datasheet Leica GeoMoS, Heerbrugg, Schweiz

Leica-Geosystems AG: Datenblatt zur Leica Nova MS60 Multistation, Heerbrugg, Schweiz

Siemens AG: Forschungsprojekt Betonfahrbahn, Systemskizze Kommunikation, München, 2015