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Die zielgerichtete Weiterentwicklung von Bauteilen und Konstruktionselementen im Straßenbau hochbeanspruchter Verkehrswege unserer Infrastruktur (Bundesfernstraßen) erfordert spezielle, bauteiladaptierte technische Möglichkeiten/Sensorik zur Quantifizierung des Gebrauchsverhaltens. Bei Fugen in Verkehrsflächen stellen insbesondere langsam und schnell ablaufende Plattendeformationen infolge jahreszeitlicher und verkehrlicher Beanspruchungen maßgebende Beanspruchungszustände dar. Eine Quantifizierung dieser Einwirkungen hilft bei der Weiterentwicklung sowie auch bei der Bewertung optimierter technischer Lösungen. In Forschung kompakt 17/21 „Innovative Sensorik für Fugensysteme“ wird eine neuartige, robuste Lösung der BAM zur Datenerfassung und Bauwerksmonitoring von hochbeanspruchten Verkehrsflächen aus Beton vorgestellt.
Gradual or sudden changes in the state of structural systems caused, for example, by deterioration or accidental load events can influence their load-bearing capacity. Structural changes can be inferred from static and/or dynamic response data measured by structural health monitoring systems. However, they may be masked by variations in the structural response due to varying environmental conditions. Particularly, the interaction of nominally load-bearing components with nominally non-load bearing components exhibiting characteristics that vary as a function of the environmental conditions can significantly affect the monitored structural response. Ignoring these effects may hamper an inference of structural changes from the monitoring data. To address this issue, we adopt a probabilistic model-based framework as a basis for developing digital twins of structural systems that enable a prediction of the structural behavior under varying ambient condition. Within this framework, different types of data obtained from real the structural system can be applied to update the digital twin of the structural system using Bayesian methods and thus enhance predictions of the structural behavior. In this contribution, we implement the framework to develop a digital twin of a simply supported steel beam with an asphalt layer. It is formulated such that it can predict the static response of the beam in function of its temperature. In a climate chamber, the beam was subject to varying temperatures and its static response wass monitored. In addition, tests are performed to determine the temperature-dependent properties of the asphalt material. Bayesian system identification is applied to enhance the predictive capabilities of the digital twin based on the observed data.
Flexible joint transition systems in the form of bituminous joint transitions, type 4.1a according to RTD1007-1, have been used in the Netherlands with varying success. The lifespan in practice was found to vary greatly: between 1 and 5 years. This is too short a lifespan in relation to the lifespan of the layers of asphalt pavement. Ideally, the replacement of these bituminous joint transitions should take place simultaneously as the maintenance of the asphalt layers.
In the meantime, research has been carried out nationally and internationally into improving the life span of bituminous joint transitions. In Germany and Switzerland, the regulations have been shown to lead to a life span of more than 10 years. On this basis, ETAG032-3 was established in the context of EOTA in 2013.
In a competition "Silent sustainable joint transitions" held by the Dutch Directorate-General for Public Works and Water Management in the period 2007-2012, three flexible bituminous joint transitions have already been tested, two of which were ultimately found to be suitable. These have been included in the multi-choice matrix (RTD 1007-1) as concept 4.1b (anchored bituminous joint transition) and 4.1c (unanchored bituminous joint transition with stretch-spreading inlay and poured asphalt edge beams). Monitoring these joint transitions in practice over the past 8 years has shown that the desired life span is achievable with these improved joint transitions.
It is expected that the improvement in life span achieved abroad can also be realised in the Netherlands if several aspects specific to the Netherlands are taken into account:
For large parts of the Dutch main road network, the traffic intensity of 500,000 heavy vehicles per year assumed in the ETAG032-3 is insufficient. This is a factor 4 to 5 higher on the busiest main roads in the Netherlands.
On 90% of the Dutch main road network, in contrast to countries such as Germany and Switzerland, an open layer (ZOAB (zeer open asfaltbeton [very open asphalt concrete])) is used.
In the Netherlands, in contrast to countries such as Germany and Switzerland, bridges and viaducts are made on a large scale of prefabricated beams and 'floating' support systems that consist entirely of rubber supports that can be deformed all-round. Such constructions have a less favourable, high-frequency deformation behaviour under traffic load.
In Germany and Switzerland, a minimum joint mass temperature of -20 °C is assumed to test bituminous joint transitions. For the Netherlands, -15 °C is assumed, which has a favourable effect.
The present second version of RTD 1007-4 is a guideline for the development and realisation of a new generation of more durable flexible joint transitions with a minimum design life of 10-15 years and is a guideline for contractors to demonstrate that a flexible joint transition system meets the requirements as set out in the Directorate-General for Public Works and Water Management guideline RTD 1007-2.
Straßenverkehr stellt in Deutschland die stärkste Quelle für Lärmbelastungen dar. In 2014 wurde durch den Forschungsverbund Leiser Verkehr ein Bericht zur Situation der Lärmwirkungsforschung in Deutschland veröffentlicht, der den aktuellen Wissensstand zum Einfluss des Verkehrslärms auf die Lebensqualität und die Gesundheit der Bevölkerung dokumentiert. Verschiedene Studien belegen, dass Dauerbelastungen über 65 dB(A) die Betroffenen stark beeinträchtigen. So mindern die hohen Lärmbelastungen nicht nur die Lebensqualität, sondern sie können auch Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Schlafstörungen, kognitive Leistungseinschränkungen und Tinnitus verursachen. Gerade wegen des stetig wachsenden Verkehrsaufkommens sind deshalb Strategien zu entwickeln, die die Bevölkerung noch wirksamer vor Straßenverkehrslärm schützen.
Aus dem Verkehrsforschungsprogramm der Bundesregierung wurden seit 2001 die Verbundprojekte Leiser Straßenverkehr gefördert. In 2014 wurde das dritte und letzte Verbundprojekt erfolgreich abgeschlossen.
Das Verbundprojekt Leiser Straßenverkehr 3 (LeiStra3) hatte sich als zentrales Ziel gesetzt, Maßnahmen zur Minderung des Straßenverkehrslärms in Ballungsräumen zu entwickeln, die dort aufgrund der hohen Bevölkerungsdichte besonders wirkungsvoll sind. Es wurden verschiedene Forschungsansätze verfolgt, die die Geräuschemission an der Lärmquelle nachhaltig reduzieren. Da die Geräuschemission des fließenden Verkehrs maßgeblich durch Wechselwirkungen an der Kontaktstelle von rollendem Reifen und Fahrbahn bestimmt wird, standen die Reifen-Fahrbahn-Geräusche im Fokus der Untersuchungen.
Ein Schlüsselelement in LeiStra3 war die Erweiterung des Simulationsmodells SPERoN zur quantitativen Analyse und Vorhersage der Reifen-Fahrbahn-Geräusche. Systematische Analysen von experimentell aufgenommenen Geräuschspektren mit dem Modell zeigten in LeiStra3, dass neben der Anregung von Reifenschwingungen aerodynamische Effekte im Reifen-Fahrbahn-Kontakt maßgeblich an der Geräuschentstehung beteiligt sein müssen. Um diese aerodynamischen Effekte eingehend charakterisieren und kritische Größen identifizieren zu können, mussten auf einem angemieteten Testgelände Modelloberflächen mit speziellen Texturmustern hergestellt werden, die die Entstehungsmechanismen des Rollgeräusches weitgehend getrennt und unabhängig voneinander anregen. Diese Projektstudien bildeten die Grundlage für die Entwicklung eines tragfähigen physikalischen Modells zur Beschreibung der aerodynamischen Effekte.
Im Ergebnis von LeiStra3 lassen sich mit SPERoN 2020 nun reale Fahrbahnoberflächen hinsichtlich ihres Einflusses auf die Reifen-Fahrbahn-Geräusche quantitativ analysieren und Designs für neuartige geräuschmindernde Fahrbahnbeläge zuverlässig synthetisieren. Darüber hinaus stellt das Modell ein leistungsfähiges Modul zur Reifenoptimierung zur Verfügung, mit dem der Einfluss der Profilierung und des Reifenaufbaus auf die Schallabstrahlung und den Rollwiderstand untersucht werden kann. Im Fokus stand dabei die Auswahl und Anwendung geeigneter numerischer Verfahren zur Verkürzung der Rechenzeiten, um ein praxistaugliches Optimierungstool bereit zu stellen. Dies ermöglicht eine effiziente Bestimmung von Schallabstrahlung und Rollwiderstand ohne aufwendigen Prototypenbau.
Im Regionalverkehr treten vielfach Beschleunigungs- und Abbremsvorgänge auf, zudem werden häufig enge Kurven durchfahren. Um die nötige Traktion zu gewährleisten, müssen die Antriebsachsreifen Profile mit einem hohen Anteil an Querrillen aufweisen. Diese Blockprofile neigen zu einer starken Schwingungsanregung auf der Fahrbahn und damit zu einer höheren Geräuschemission. In LeiStra3 wurden technologische Ansätze erarbeitet, um Rollgeräusche blockprofilierter Lkw-Reifen über die gesetzlichen Grenzwerte hinaus zu reduzieren. Im Straßenversuch hat eine Entwicklungsvariante einen Schalldruckpegel von 74,4 dB(A) erreicht. Gegenüber den aktuellen Produkten wurde damit eine Geräuschreduzierung von etwa 4 bis 5 dB(A) erzielt. Diese Variante wurde etwa ein Jahr nach Projektabschluss auf dem Markt eingeführt.
Darüber hinaus wurden in LeiStra3 schallabsorbierende Unterbodenverkleidungen realisiert, die das Rollgeräusch effizient absorbieren und damit den Vorbeifahrtpegel um bis zu 3 dB(A) mindern können. Mit Blick auf Elektrofahrzeuge wurden grundlegende Untersuchungen zur Reifen-Fahrbahn-Wechselwirkung unter Antriebsmoment und zur psychoakustischen Charakterisierung durchgeführt.
Einen weiteren Schwerpunkt in LeiStra3 stellte die Entwicklung leiserer Fahrbahnoberflächen dar. Modellrechnungen belegen, dass die Oberflächengestalt einen starken Einfluss auf die Schwingungsanregung des Reifens und die aerodynamischen Vorgänge in der Kontaktfläche zwischen Reifen und Fahrbahn hat. Aus akustischer Sicht ist es günstig, wenn alle Profilspitzen auf einer Ebene liegen und sich plateauartige Texturen mit schluchtenförmigen Vertiefungen ausbilden.
Die lärmtechnisch optimierte Asphaltdeckschicht AC D LOA stellte zu Projektbeginn eine neue Entwicklung in der Straßenbautechnik dar und greift diesen Ansatz auf. Die Deckschicht wurde auf Basis einer dichten Asphaltzusammensetzung konzipiert und zeichnet sich durch eine Korngrößenverteilung aus, die auf eine lärmtechnisch wirksame Oberflächentextur abgestimmt ist. Der erste Einbau von AC D LOA erfolgte 2007 in Düsseldorf im Bereich der kommunalen Straßen. In LeiStra3 wurde daran gearbeitet, die Verdichtungswilligkeit des Asphaltmischgutes zu verbessern. Auf diese Weise lassen sich die Dauerhaftigkeit der Deckschicht und damit ihr lärmtechnischer Nutzen erhöhen. Die Erkenntnisse flossen in die neuen „Empfehlungen für die Planung und Ausführung von lärmtechnisch optimierten Asphaltdeckschichten“ ein, die in 2015 von der Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen herausgegeben wurden.
Der Gussasphalt mit offenporiger Oberfläche (engl.: Porous Mastic Asphalt, PMA) zeigt ebenfalls lärmmindernde Effekte. Im Vergleich zum herkömmlichen Gussasphalt enthält der PMA einen wesentlich höheren Anteil grober Gesteinskörnung. Es entsteht eine Deckschicht, die im unteren Bereich dicht und im oberen Bereich offenporig strukturiert ist. Die akustische Wirksamkeit ergibt sich aus der günstigen Oberflächentextur und einem hohen Hohlraumgehalt. In 2009 wurden erste Erprobungsstrecken gebaut, bei denen Schallpegelmessungen nach der Statistischen Vorbeifahrtmethode eine Lärmminderungen von bis zu 3 dB(A) gegenüber dem Referenzwert zeigten.
Auf Grundlage dieser Erkenntnisse wurden in LeiStra3 weiterführende Untersuchungen durchgeführt, um die Ausführungssicherheit des PMA zu erhöhen. Zu diesem Zweck wurde die Mischgutzusammensetzung optimiert und Laborverfahren zur Herstellung von praxisnahen Probekörpern für die Mischgutkonzeption entwickelt. Auf den Bundesautobahnen A 553 bei Brühl, A 3 bei Lohmar und A 5 bei Friedberg konnten Erprobungsstrecken mit verschiedenen PMA-Varianten hergestellt werden. Diese wurden hinsichtlich der Mischgut- und Einbauparameter untersucht.
Außerdem wurde in LeiStra3 untersucht, inwieweit der Herstellungsprozess von Elektroofenschlacke (EOS) verbessert werden kann, um bestimmte Kornformen und Korngrößen gezielt zu erzeugen und damit einen hochwertigen Ausgangswerkstoff für den Asphaltstraßenbau zu gewinnen. Im ersten Schritt wurden dazu EOS-Körnungen hinsichtlich ihrer bautechnischen Eignung geprüft und darauf aufbauend das Potenzial verschiedener Prozessrouten bewertet. Mit einer ausgewählten EOSKörnung (EloMinit®) konnten zwei Asphaltdeckschichtvarianten konzipiert und im Mai 2014 auf einem Testfeld eingebaut werden.
Die Nachgiebigkeit bestimmt neben der Oberflächentextur und der Offenporigkeit die akustischen Eigenschaften eines Fahrbahnbelags. Ein Ziel in LeiStra3 war es, Asphaltkonstruktionen durch die Nutzung der schwingungsdämpfenden Eigenschaften des Straßenoberbaus geräuschmindernd zu gestalten. Dabei wurden verschiedene Ansätze wie die Integration einer elastischen Dämpfungsschicht oder die Konzeption eines Asphaltmischgutes mit schwingungsdämpfenden Eigenschaften verfolgt.
Im Bereich Betonbauweisen stand die Herstellung einer Betondecke mit offenporiger Oberfläche (COPS) im Vordergrund. Die Grundidee des Systems COPS greift die im Asphaltstraßenbau bereits erfolgreich eingesetzte Mischgutkonzipierung mit hohem Grobkornanteil und einer feinkörnigen standfesten Bindemittel-/Mörtelphase auf. Während des Einbauvorganges sinkt der feinkörnige Mörtel nach unten ab, so dass innerhalb der oberen 10 mm der Deckschicht eine offenporige Oberfläche entsteht. In Laborversuchen wurde die Betonrezeptur so eingestellt, dass ein kontrolliertes Absetzverhalten des Zementleimes erreicht wird. Die Betonrezeptur muss möglichst stabil gegenüber Einflüssen von Witterung und Einbau sein, um die vorteilhaften akustischen Eigenschaften der fertigen Betondeckschicht sicherzustellen.
Im Verbundprojekt LeiStra3 haben Partner aus Wirtschaft und Wissenschaft in einer interdisziplinär angelegten Forschungsarbeit gemeinsam Lösungen erarbeitet, mit denen das Lärmminderungspotenzial von Reifen, Fahrzeug und Fahrbahn weiter ausgeschöpft werden kann. In allen Arbeitspaketen wurden zahlreiche Ergebnisse und Erkenntnisse gewonnen, die dazu beigetragen haben, die bestehende Technik zu verbessern, die Impulse zur Entwicklung neuer Technologien gesetzt haben und auf deren Basis das Technische Regelwerk fortgeschrieben wurde.
Voraussetzung zur Aufklärung von Fugenbewegungen in hochbeanspruchten Verkehrsflächen aus Beton ist ein neues, innovatives und sensitives Sensorsystem, welches unter den Bedingungen der Autobahnpraxis schnell und sicher in entsprechend beanspruchte Bereiche installiert werden kann und in der Lage ist, stabile und hochaufgelöste Bewegungen in mehrere Raumrichtungen zu erfassen. Das durch die BAM neu entwickelte Sensorsystem ist geeignet, um direkt in die Betonfahrbahndecke integriert zu werden und sowohl über saisonale Messbereiche als auch in hoher Auflösung entsprechende Messwerte online zu erfassen und bereit zu stellen. Das für diesen Zweck entwickelte innovative Sensorsystem kann direkt in die Rollspur auf beiden Seiten der Fuge eingebaut werden und ist dafür ausgelegt, Lkw-Überfahrungen zu widerstehen. Es ist schnell und präzise genug, um die realen Bewegungen in allen drei Raumachsen in Echtzeit erfassen zu können. Dieser Forschungsbericht beschreibt das Funktions- und Wirkschema des Sensorsystems und seine Validierung im Labor- und Feldmaßstab. Dabei wird insbesondere auch die praxisgerechte Einbau- und Nutzungsmethodik vorgestellt. Auflösungsvermögen, Robustheit und Nutzerfreundlichkeit werden am Beispiel einer Konzeptstudie auf dem Testgelände DuraBASt erprobt. Es werden grundlegende Hinweise auf den dringlichen Bedarf einer gebrauchsgerechten Beschreibung des realen Verhaltens des Bauwerks Betonstraße identifiziert.
Die mit dem Sensorsystem gewonnenen Daten können eine Grundlage für die Konzeption einer performance-basierten Bewertung von Fugenfüllsystemen in Betondecken von Bundesautobahnen bieten. Sie sind geeignet, die Funktionsmechanismen der verschiedenen Betonfahrbahnkonstruktionen besser zu verstehen und zielgerichtet konstruktive und materialtechnische Optimierungen und Fortentwicklungen von Fugenkonstruktionen und Fugenfüllsystemen in gebrauchsbezogener Weise zu entwickeln. Durch weitere Datenerhebung, -fusion und -analyse können Instandsetzungsintervalle und Lebensdauerzyklen besser abgeschätzt und geplant werden.