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Joint sealants influence decisively the performance and service life of pavements although they account for only a small fraction of the total investment. Motivated by the damages observed and the resulting, increasing maintenance efforts, the Federal German Government recognizes the need for performance-evaluated joint sealing systems with improved capability (fitness-for-purpose) and durability. A literature study showed that an identification of the actual mechanical system behavior under realistic loads as well as a prediction regarding the durability (fatigue, climatic effects) of joint sealing systems are either completely lacking in most of the relevant evaluation methods or have only been incompletely addressed previously. Furthermore an imbalance between commonly used test methodologies and the actual development status of modern modified sealing materials exists, i.e., the current test methods are not effective in evaluating the performance of tailor-made products. In this paper, the authors suggest a methodology to overcome the present situation. In contrast to the existing, predominantly empirical evaluation and selection of joint sealing materials and systems for pavements, the new approach is defined by verified performance under relevant and superimposed loads. This new approach is expected to allow a more engineered joint design. In addition to the adaptation of performance-oriented material identification tests, a special focus was placed on the development and installation of a complex test facility for the investigation of the service capability and durability of joint sealing systems in building constructions in general. This paper presents an attempt at the realization of this approach for pavement joints with the help of our new joint sealant test equipment utilizing a specific, adapted load function, which comprises cyclic movements (slow and fast acting), as well as crucial climatic exposures. The test data and its interpretation are discussed. For example, the actual mechanical behavior of the various joint sealing systems as well as the relevant maximum loading of cohesive and adhesive bonds can be deduced and used to differentiate between systems. Furthermore, information gained allows discrimination of products within the various joint sealing systems. The test results will also enable numerical simulations, e.g., of different joint designs or materials by finite element analysis. The fatigue behavior is detected by analysis of cycle-dependent changes of the mechanical system characteristics. The evaluation methodology further allows investigation of the degradation mechanisms of specific system failures and, thus, enables service life prediction by reproducing the performance of the complete system under realistic conditions. Constructional defects and material flaws can be activated and detected by the performance-related test methodology, thus identifying possible corrections to material selection and application procedures. The potential of the proposed evaluation methodology is discussed for several thermoplastic and reactive joint sealing systems.
Joint sealants influence decisively the performance and service life of pavements although they account for only a small fraction of the total investment. Motivated by the damages observed and the resulting, increasing maintenance efforts, the Federal German Government recognizes the need for performance-evaluated joint sealing systems with improved capability (fitness-for-purpose) and durability. A literature study showed that an identification of the actual mechanical system behavior under realistic loads as well as a prediction regarding the durability (fatigue, climatic effects) of joint sealing systems are either completely lacking in most of the relevant evaluation methods or have only been incompletely addressed previously. Furthermore an imbalance between commonly used test methodologies and the actual development status of modern modified sealing materials exists, i.e., the current test methods are not effective in evaluating the performance of tailor-made products. In this paper, the authors suggest a methodology to overcome the present situation. In contrast to the existing, predominantly empirical evaluation and selection of joint sealing materials and systems for pavements, the new approach is defined by verified performance under relevant and superimposed loads. This new approach is expected to allow a more engineered joint design. In addition to the adaptation of performance-oriented material identification tests, a special focus was placed on the development and installation of a complex test facility for the investigation of the service capability and durability of joint sealing systems in building constructions in general. This paper presents an attempt at the realization of this approach for pavement joints with the help of our new joint sealant test equipment utilizing a specific, adapted load function, which comprises cyclic movements (slow and fast acting), as well as crucial climatic exposures. The test data and its interpretation are discussed. For example, the actual mechanical behavior of the various joint sealing systems as well as the relevant maximum loading of cohesive and adhesive bonds can be deduced and used to differentiate between systems. Furthermore, information gained allows discrimination of products within the various joint sealing systems. The test results will also enable numerical simulations, e.g., of different joint designs or materials by finite element analysis. The fatigue behavior is detected by analysis of cycle-dependent changes of the mechanical system characteristics. The evaluation methodology further allows investigation of the degradation mechanisms of specific system failures and, thus, enables service life prediction by reproducing the performance of the complete system under realistic conditions. Constructional defects and material flaws can be activated and detected by the performance-related test methodology, thus identifying possible corrections to material selection and application procedures. The potential of the proposed evaluation methodology is discussed for several thermoplastic and reactive joint sealing systems.
Structural sealant glazing (SSG) is an impressive technical response to the challenges of modern structural design. The evaluation of fitness for use as well as durability is a precondition for approval of SSG-façades by building authorities because of their special safety relevance. However, the potential of the actual evaluation methodology to reproduce performance as well as durability under real use conditions is generally assessed to be limited. The concept so far is criticized as mainly single-loading and incomplete in comparison to the real use conditions. The exercised separation of the in reality interacting loading effects is assessed as insufficient and inadequate to explore performance. Consequently, the performance and capability of SSG-solutions is only fragmentarily explored. However, the most restricting argument so far is the deficit of the actual test methodology for life cycle prognosis under interacting mechanical as well as climatic loads. Because of the limited acceptance, additional structural design conditions are imposed by the authorities. Besides this restriction, there is also an increasing demand by the authorities, architects, and users for determinable working life cycles, not least under economic aspects. That is why knowledge, particularly regarding SSG-performance and durability, must be expanded. Together with partners representing all branches involved in façade engineering (engineering design, sealant producer, applicator, and cladding company) the Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM) develops a new system test focused on the substrate–sealant–glass panel interaction. With it, a new comprehensive dynamic–mechanical evaluation methodology already introduced at the fourth Symposium in Anaheim, CA, in 2011 shall be complemented by a performance-related system test. Subject-matter of this contribution is the presentation of a new dynamic–mechanical system test method and its first experimental application on SSG-systems. We describe our approach beginning with the discussion of relevant load effects on sealant joints and with the help of a highly generalized finite element (FE) analysis. Resulting from a parameter study of various load combinations acting on different SSG-construction types, we derive a practicable deformation load function from the decisive load categories taking into account regular as well as extraordinary loads. Assumptions and procedures to quantify their parameter values (regarding the effective direction and order of deformation magnitude affecting the substrate–sealant–glass bond) are discussed. The calculated decisive sealant deformations resulting from the parameter study are validated by simplified mechanical plausibility tests. Subsequently, the transfer of the findings about the substrate–sealant–glass panel bond loading into the design and construction of an adapted system test specimen and the development of a multifunctional test facility is introduced. The multi-functional applicability of the system test device is discussed. On the basis of results during our actual operational checks, first ideas about system performance and durability under superimposed loading are presented. A validation of this new test methodology by comparison to test results of disassembled samples and in situ results is a task for separate research activities.
More information about the capability and especially about the durability of structural sealant glazing (SSG) systems are needed. To make a contribution to unanswered questions, a suitable system evaluation test is necessary. The basis for such a test is a load function, which accounts for the decisive loads SSG systems are exposed to during their working life. This paper proposes a general load function for standard SSG systems at central German locations for accelerated durability tests. Decisive loads are determined and different SSG construction types defined. The performance of these SSG systems under exposure to external loads and to a dynamic pendulum impact is investigated via finite element analyses using a hyperelastic material model. The external loads are applied separately and superimposed. Compression, tensile, and shear deformations of the sealant are determined. It is found that the sealant is subjected to normal and shear stresses simultaneously. The requirements for a representative specimen are derived. The results will be taken as basics for the development and the construction of a test facility to evaluate the durability of structural sealant glazing systems.
Ingenieurbauwerke wie Brücken, hoch beanspruchte Verkehrsflächen oder auch Hochhäuser und deren Bauwerksteile wie z.B. Hochhausfassaden werden aus technischen und ästhetischen Gründen durch Fugen in Einzelabschnitte unterteilt. Zur Sicherstellung der Gebrauchsfähigkeit und zum Schutz des Gesamtbauwerks, aber in zunehmendem Maße auch zur statisch-konstruktiven Anbindung der Bauwerksteile, werden diese Fugenspalte in aller Regel durch spezielle Fugenfüllsysteme verschlossen. Aufgrund der hohen Sicherheitsrelevanz bei Fugenfüllungen im Glasfassadenbau fordert das Baurecht auch bei diesen Bauprodukten als Voraussetzung für die baupraktische Verwendbarkeit neben dem Nachweis der Funktionsfähigkeit auch den Nachweis der Dauerhaftigkeit. Da die hierfür bekannten Nachweismethoden zur Dauerhaftigkeit keine allgemeine Zulassungsakzeptanz finden, kann das ästhetische, bauphysikalische und ökonomische Potential von modernen geklebten Ganzglasfassaden (sogenannte SSG-Fassaden) in der Baupraxis der Bundesrepublik Deutschland derzeit nicht ausgenutzt werden. Grund dafür sind die ungenügend erfassten und in den Bewertungsverfahren simulierten Wechselwirkungen derartiger Baukonstruktionen mit der Umwelt. In diesem Beitrag soll am Beispiel moderner Fugen im Glasfassadenbau (SSG-Fassaden) eine ganzheitliche gebrauchsbezogene Versuchsmethodik zur kontrollierten Ansprache der Funktionsfähigkeit und Dauerhaftigkeit von Fugensystemen unter realitätsnah und reproduzierbar simulierten Umwelteinwirkungen vorgestellt werden. Dazu werden die maßgebenden Umwelteinflüsse und die Quantifizierung der daraus folgenden Beanspruchungen auf derartige Fugensysteme dargestellt. Basierend darauf werden eine repräsentative Beanspruchungsfunktion zur Nachstellung der maßgebenden Umwelteinflüsse und Beanspruchungen auf das System Tragrahmen - Fugenfüllung- Glasscheibe sowie eine geeignete Probendimensionierung abgeleitet. In der Konsequenz werden die Erkenntnisse in den Aufbau einer neuartigen komplexen Versuchseinrichtung überführt. Funktionsprinzip und Leistungsparameter dieser Anlage zur Umweltsimulation werden vorgestellt. Die Möglichkeiten der Systemkennzeichnung werden vorgestellt. Erste Versuchsergebnisse zeigen das Potential der neuartigen Bewertungsmethodik auf, die Kunst der Fuge im Bauwesen gebrauchsorientiert weiter zu entwickeln.
Klebverbindungen im modernen Hochbau können helfen, innovative ästhetische Bedürfnisse im Fassadenbau umzusetzen, technologische Verbesserungen zu erreichen, aber auch die Wechselwirkung von Gebäuden mit der Umwelt unter energetischen Aspekten zu optimieren. Aufgrund der hohen sicherheitstechnischen Bedeutung gibt es hohe Anforderungen an die Leistungsfähigkeit, Dauerhaftigkeit und die Gütesicherheit.
Mit einer zerstörungsfreien praxistauglichen Prüftechnik, die eine sichere Überprüfung der Integrität von Glas-Metall Klebverbindungen im Ingenieurhochbau gewährleistet, kann sowohl ein wichtiger Beitrag zur Qualitätssicherung bei der Herstellung von Fassadenelementen aber auch bei der späteren Bauwerksüberwachung im Verlauf der Nutzungsdauer geleistet werden. Für eine Beurteilung der Qualität der Verbundfuge (z.B. bezgl. Standsicherheit) sind dabei Aussagen zur Homogenität der Verbundfuge, zum adhäsiven und kohäsiven Verbundverhalten gefordert. Hierzu besteht aktuell insbesondere Bedarf an zerstörungsfreien praxisgerechten, hoch ortsauflösenden und möglichst bildgebenden Untersuchungsverfahren.
Es wird mit einem Matrixarray und mit konventionellen Winkelprüfköpfen eine Prüftechnik vorgestellt, mit der die Wechselwirkung zwischen Ultraschallwelle und Fehlstelle in der Klebefuge untersucht wird. Hierbei ist das erste Untersuchungsziel, mit einer angepassten Ultraschall-Prüftechnik mögliche Inhomogenitäten oder Schädigungsstellen in der geklebten Glas-Metall Verbindung zu detektieren.
Über diese qualitativen Aussagen hinaus werden weiterführende Informationen über die flächenhafte Ausdehnung und den Ort einer mangelnden Klebung ermittelt. Dazu werden die Messwerte zusammen mit den Positionen des Ultraschallprüfkopfs aufgezeichnet. Mit Hilfe einer bildhaften Auswertung der gemessenen Ultraschallechos in Abhängigkeit vom Prüfkopfort werden die Möglichkeiten einer detaillierten Integritätsanalyse der Glas-Metall Klebschicht dargestellt. In diesem Beitrag werden experimentelle Prüfergebnisse vorgestellt, die im Sinne einer Verfahrensvalidierung an einem speziellen Beispielprobekörper zur Nachstellung einer SSG-Verglasung (ermittelt wurden und die Detektion fehlerhafter Klebestellen in einer Glas-Metall-Klebverbindung zum Ziel haben.
Zunächst wird für eine gebrauchsbezogene Auswahl von Fahrbahnübergängen im Rahmen der Planung von Brückenbauwerken argumentiert. Auf der Grundlage der Ableitung maßgebender nutzerbezogener Gebrauchsanforderungen wird das grundlegende Leistungspotential belagsähnlicher flexibler Fahrbahnübergangskonstruktionen aufgezeigt. Die der Leistungsfähigkeit und Dauerhaftigkeit zugrunde liegenden stofflichen und konstruktiven Funktionsprinzipien werden erläutert. Die aktuelle baurechtliche Situation unter Berücksichtigung nationaler und europäischer technischer Regelwerke wird vorgestellt. Es werden auf entsprechend bei der Auswahl, Planung, Anwendung und Zulassung resultierenden Konsequenzen aufmerksam gemacht und Anwendungsregelungen gegeben. Dabei stehen insbesondere die für den Planer, Hersteller, Ausführenden sowie Bauauftraggeber aus den Regelwerken aber auch aus einzelnen technischen Zulassungen abzuleitenden wichtigen technischen und technologischen Informationen und zu berücksichtigenden Randbedingungen sowie Konsequenzen zur Güte- und Qualitätssicherung im Vordergrund.
Structural Silicone Glazing (SSG) is a curtain walling method that utilizes silicone sealants to adhere glass, ceramic, metal or composite panels to supporting framing members by means of a peripheral adhesive joint. In SSG curtain walls, silicone sealants serve not only as a weather seal, but also act as a structural bonding element, eliminating the need for exterior retainers and covers.
The paper discusses some essential findings of two recent research studies on the durability and service life of structural silicone glazing sealants and structures. The first study demonstrates, that specimens of a first generation 2-part silicone sealant taken from a SSG façade after 23+2 years of real life successfully passed the European ETAG002-1 performance criteria for residual strength.
In a second study, a new performance-based durability test method was developed in partnership with the Federal Institute for Materials Research Berlin/Germany (BAM). This method is based on simultaneously exposing system test specimens to artificial weathering and complex, multiaxial mechanical loadings. 2-part structural silicone sealants of the first and of the second generation where subjected to this test, which is considered to correspond to an anticipated service life of 50 years.
Structural Silicone Glazing (SSG) is a curtain walling method that utilizes silicone sealants to adhere glass, ceramic, metal or composite panels to supporting framing members by means of a peripheral adhesive joint. In SSG curtain walls, silicone sealants serve not only as a weather seal, but also act as a structural bonding element, eliminating the need for exterior retainers and covers.
The paper discusses some essential findings of two recent research studies on the durability and service life of structural silicone glazing sealants and structures. The first study demonstrates, that specimens of a first generation 2-part silicone sealant taken from a SSG façade after 23+2 years of real life successfully passed the European ETAG002-1 performance criteria for residual strength. In a second study, a new performance-based durability test method was developed in partnership with the Federal Institute for Materials Research Berlin/Germany (BAM). This method is based on simultaneously exposing system test specimens to artificial weathering and complex, multiaxial mechanical loadings. 2-part structural silicone sealants of the first and of the second generation where subjected to this test, which is considered to correspond to an anticipated service life of 50 years.
Eyewitnesses describe burning pavement surfaces in extreme fire scenarios. However, it was believed that the pavement plays a negligible role in comparison to other items feeding such an extreme fire at the same time. The asphalt mixtures used differ widely, thus raising the question as to whether this conclusion holds for all kinds of such materials. Three different kinds of asphalt mixtures were investigated with the aim of benchmarking the fire risks. Cone calorimeter tests are performed at an irradiance of 70kWm-2. All three investigated asphalts burn in extreme fire scenarios. The fire response (fire load, time to ignition, maximum heat release rate and smoke production) is quite different and varies by factors of up to 10 when compared to each other. The fire load per mass is always very low due to the high content of inert minerals, whereas the effective heat of combustion of the volatiles is quite typical of non-flame retarded organics. The heat release rate and fire growth indices are strongly dependent on the fire residue and thus the kind of mineral filler used. Comparing with polymeric materials, the investigated Mastic Asphalt and Stone Mastic Asphalt may be called intrinsically flame resistant, whereas the investigated Special Asphalt showed a pronouncedly greater fire risk with respect to causing fire growth and smoke. Thus the question is raised as to whether the use of certain kinds of asphalts in tunnels must be reconsidered. Apart from the binder used, the study also indicates varying the kind of aggregate as a possible route to eliminate the problem.
Fugenfüllungen im kommunalen Stadtstrassenbau unterliegen besonderen mechanischen Beanspruchungen. Hier kommt es bereits bei der Planung darauf an, Fugenausführungen und insbesondere Fugenfüllstoffe bewusst nach ingenieurtechnischen Gesichtspunkten auszuwählen. Dazu ist das ingenieurtechnische Verständnis der relevanten Fugenfüllstoffe - Funktionsweise, Leistungskriterien, Prüfungen, Dauerhaftigkeit - von entscheidender Bedeutung. Der Vortrag erläutert nicht nur die maßgebenden Fugenfüllstoffe unter den vorgenannten Schwerpunkten, sondern stellt auch das Verständnis zu den Rahmenbedingungen, Grundlagen und Wirkmechanismen des entsprechenden technischen Regelwerkes her. Neueste Entwicklungen werden den Praxisvertretern näher gebracht und erläutert. Die Zusammenhänge und Strategien zur Weiterentwicklung der „Betonstrasse der Zukunft“ werden diskutiert und dargestellt.
During the service life of structural sealant glazing (SSG) facades, the loadbearing capacity of the silicone bonds needs to be guaranteed. Laboratory Tests can assess the durability of SSG-systems based on mechanical characteristics of the bond after simultaneous exposure to both climatic and mechanical loads.
This article studies how the material characteristics of two common structural sealants are affected by laboratory and field exposure. Dynamic mechanical Analysis (DMA) confirms a reduction in the dynamic modulus of exposed Silicone samples. Results from thermogravimetric analysis, Fourier-transform infrared spectroscopy, differential scanning calorimetry, and small-angle X-ray scattering/wide-angle X-ray scattering show differences between the two sealants and indicate no/minor changes in the composition and morphology of the laboratory and field exposed sealants. Mechanical characterization methods, such as DMA, and tensile and shear testing of the structural bond, are shown to be sensitive toward the combined climatic and mechanical loadings, and are hence suitable for studying degradation mechanisms of structural sealants.
In den "Technischen Lieferbedingungen für die Dichtungsschicht aus einer Polymerbitumen-Schweißbahn zur Herstellung von Brückenbelägen auf Beton" (TL BEL-B 1) sind die Regelungen über die erforderlichen Voraussetzungen zur Verwendung von Polymerbitumen-Schweißbahnen zur Ausbildung einer Dichtungsschicht aus einer einlagigen Polymerbitumen-Schweißbahn auf Beton aufgeführt. Sie umfassen den grundsätzlichen Nachweis der Funktionsfähigkeit und Dauerhaftigkeit sowie die Sicherstellung des nachgewiesenen Qualitätsniveaus.
Die "Technischen Prüfvorschriften für die Dichtungsschicht aus einer Polymerbitumen-Schweißbahn zur Herstellung von Brückenbelägen auf Beton" (TP BEL-B 1) enthalten alle notwendigen Angaben zur Durchführung der nach den "Technischen Lieferbedingungen für die Dichtungsschicht aus einer Polymerbitumen-Schweißbahn zur Herstellung von Brückenbelägen auf Beton" (TL BEL-B 1) geforderten Prüfungen. Art und Umfang der Einzelprüfungen sowie die entsprechenden Anforderungen sind den zugehörigen TL BEL-B 1 zu entnehmen.
Dieses Wissensdokument führt zu den Vertragstexten der früheren ZTV BEL-FÜ (ZTV-ING 8-2) und heutigen ZTV-ING Teil 6 Abschnitt 7 aus und erläutert die „Zusätzlichen Technischen Vertragsbedingungen und Richtlinien für Ingenieurbauten, Teil 6: Bauwerksausstattung, Abschnitt 7: Fahrbahnübergänge aus Asphalt“. Dabei geht es insbesondere um Fugen von Ingenieurbauwerken des Verkehrswegebaus, die quer oder in einem bestimmten Winkel zur Fahrbahn verlaufen und befahren werden. Diese Fugen müssen deshalb einerseits in fahrtechnischem Sinne verschlossen werden, damit die Fahrzeuge den Spalt störungsfrei und verkehrssicher überqueren können. Andererseits ist ein Fugenverschluss zum Schutz des Tragwerks vor Feuchte- oder Schadstoffbeanspruchung (Korrosionsgefahr) erforderlich. Je nach Größe des Fugenspaltes und der auftretenden Bewegungen müssen die Fugenfüllungen unterschiedlich ausgebildet werden, um die überquerenden Lasten sicher in das Tragwerk abzuleiten. Bauteile oder Konstruktionen, die diese verkehrstechnische Aufgabe übernehmen, werden allgemein als Fahrbahnübergänge bezeichnet.
Die H ZTV-ING 6-7 ersetzen die „Hinweise und Erläuterungen zu den Zusätzlichen Technischen Vertragsbedingungen und Richtlinien für die Herstellung von Fahrbahnübergängen aus Asphalt in Belägen auf Brücken und anderen Ingenieurbauwerken aus Beton“, Ausgabe 2001.
Die Überarbeitung der „Hinweise und Erläuterungen“ wurde aufgrund der Überarbeitung der ZTV-ING 6-7 erforderlich. Außerdem wurden in den Hinweisen neue Entwicklungen in den Bereichen der Fahrbahnübergänge aus Asphalt mit größeren Einbaubreiten und dehnungsverteilenden Einbauten, der Belagsdehnfugen sowie des Oberflächenabschlusses mit GFK-Platten berücksichtigt.
Die Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen hat den „Abschnitt 1: Brückenbeläge auf Beton mit einer Dichtungsschicht aus einer Polymerbitumen-Schweißbahn“ zu dem Teil 7: „Brückenbeläge“ der ZTV-ING überarbeitet und neu herausgegeben. Die Neuausgabe berücksichtigt die aktuellen Anforderungen durch die Europäische Normung bezüglich der Polymerbitumen-Schweißbahnen. Weitere Änderungen zur Vorgängerausgabe von 2003 wurden notwendig durch die Neuauflagen weiterer FGSV-Regelwerke, insbesondere der TL Bitumen-StB (FGSV 794), der ZTV Fug-StB (FGSV 897/1), der TL Fug-StB (FGSV 897/2), der TP Asphalt-StB (FGSV 756) und der E KvB (FGSV 727).
Die ZTV-ING Teil 7 Abschnitt 1 führt insbesondere aus zu den Grundlagen des Brückenbelages, zur Ausführung und Qualitätssicherung sowie zur Herstellung unmittelbar auf Trog- und Tunnelsohlen aus Beton.
Der Anhang enthält die „Vorgaben für die Prüfungen während der Bauausführung“ sowie das Formblatt „Protokoll über die Entnahme von Rückstellproben“ und eine tabellarische Zusammenstellung über „Art und Umfang sowie Anforderungen und Toleranzen für die Baustoffeinangsprüfungen“. Das Bundesverkehrsministerium hat mit seinem ARS 23/2021 zur Fortschreibung der ZTV-ING die Neuausgabe der Teils 7 Abschnitt 1 bekannt gemacht.
Die „Zusätzlichen Technischen Vertragsbedingungen und Richtlinien für Ingenieurbauten, Teil 7: Brückenbeläge, Abschnitt 1: Brückenbeläge auf Beton mit einer Dichtungsschicht aus einer Polymerbitumen-Schweißbahn“, Ausgabe 2021 ersetzen die „Zusätzlichen Technischen Vertragsbedingungen und Richtlinien für Ingenieurbauten, Teil 7: Brückenbeläge, Abschnitt 1: Brückenbeläge auf Beton mit einer Dichtungsschicht aus einer Bitumen-Schweißbahn“, Ausgabe 2003.
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.
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.
Durability Assessment of Structural Sealant Glazing Systems applying a Performance Test Method
(2020)
During the service life of a Structural Sealant Glazing (SSG) facade, its silicone bond is exposed to climatic, chemical, and mechanical loads. While current durability assessment methods schedule separate test programmes for accelerated weathering and fatigue, the presented test applies mechanical loading and weather cycling simultaneously to simulate 50 years of use. Specifically designed medium-scale system specimens resemble a common SSG-bond. Displacement-controlled sinusoidal load cycles in two load directions subject these specimens to tensile, compression and shear loads. Weathering comprises temperature and humidity cycles, UV-radiation, and application of water and detergent. During testing, the forces transmitted by the system specimens are continuously measured for performance assessment. The resulting system response reveals mechanical performance characteristics like elastic moduli and dissipated energies which decrease during exposure, indicating stress relaxation and degradation. Two common structural sealants were tested. After testing, sections of the system specimens were subjected to tensile and shear tests for mechanical characterisation. Strengths and moduli are notably reduced by combined loading compared to those of reference and weathered specimens. Hardness and visual inspections of the bond correlate with the performance and bond characteristics. The approach introduced in this article provides a basis for life cycle assessment of SSG-systems.
SENSO JOINT - An innovative sensor system for a sustainable joint design of concrete pavements
(2020)
Inacceptable capability and durability of joint sealing systems but also inadequate traffic performance (noise emission; overrolling comfort) up to traffic safety aspects reflect the still enormous demand for data-based description of concrete pavements performance under heavy loading conditions. Especially the deformation behavior of concrete pavement slabs in the joint region in consideration of new pavement construction types and improved concrete mixtures meanwhile established but also under the steeply rising traffic loads is not sufficiently explored. To create a data basis for advanced design rules, evaluation methods and product standards - and with it to improve quality, durability and finally sustainability of pavements - an innovative 3-D sensor system SENSO JOINT adapted to german roadworking requirements and suitable for heavy-duty operating conditions was developed. The contribution introduced describes the development of an extensive technical solution based on the analysis of decisive loads, interactions and boundary conditions. Based on calibration data, results of laboratory testing and finally field-testing on different concrete pavement construction types the outcome of a multi-level evaluation process shall introduce the potential of the new sensor system.
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.
Inacceptable capability and durability of joint sealing systems but also inadequate traffic performance (noise emission; overrolling comfort) up to traffic safety aspects reflect the still enormous demand for data-based description of concrete pavements performance under heavy loading conditions. Especially the deformation behavior of concrete pavement slabs in the joint region in consideration of new pavement construction types and improved concrete mixtures meanwhile established but also under the steeply rising traffic loads is not sufficiently explored. To create a data basis for advanced design rules, evaluation methods and product standards - and with it to improve quality, durability and finally sustainability of pavements - an innovative 3-D sensor system SENSO JOINT adapted to german roadworking requirements and suitable for heavy-duty operating conditions was developed. The contribution introduced describes the development of an extensive technical solution based on the analysis of decisive loads, interactions and boundary conditions. Based on calibration data, results of laboratory testing and finally field-testing on different concrete pavement construction types the outcome of a multi-level evaluation process shall introduce the potential of the new sensor system.
Die Ausführung von Abdichtungssystemen insbesondere an Ingenieurbauwerken der Verkehrsinfrastruktur greift in die unmittelbare Verfügbarkeit/Nutzbarkeit des Bauwerks ein und erfolgt deshalb i.a.R. unter höchstem Zeitdruck. Neuere materialtechnische Entwicklungen im Bereich der Flüssigkunststoff-Systeme erlauben kürzere Ausführungszeiten in einem erweiterten Einsatzspektrum. Zur Sicherstellung anforderungsgerechter Gebrauchseigenschaften des gesamten Brückenabdichtungssystems gibt die vorliegende Veröffentlichung Hinweise für die einzuhaltenden Baugrundsätze, bautechnologische Besonderheiten und Erfordernisse im Umgang mit Polymethylmethacrylat (PMMA) sowie qualitätssichernde Maßnahmen.
Fugenfüllsysteme für Fahrbahnbeläge unter höchsten Beanspruchungen bestimmen in zunehmenden Maße die sichere Verfügbarkeit des Autobahnnetzes. Die aktuellen europäischen technischen Regelungen zu deren Verwendbarkeit folgen noch einem spezifikatorischen Ansatz auf empirischen Grundlagen. Es hat sich gezeigt, dass ein solcher Ansatz den Dauerhaftigkeits- und Nutzungsanforderungen nicht mehr entsprechen kann. Der Autor plädiert in seinem Vortrag für einen Paradigmenwechsel hin zu einem funktionsanalytischen Bewertungsansatz. Es werden Vorschläge für eine versuchstechnische Lösung des Problems und die damit verbundenen Chancen für Optimierung und Innovation aufgezeigt.
Reliable performance of structural sealant glazing (SSG) systems is necessary to utilise advantages of SSG in glass facades. Conventional durability assessment of structural sealant joints is based on separated weathering tests and empirical fatigue testing. This work presents a new test methodology for performance assessment of SSGjoints at simultaneous weathering and two-dimensional mechanical loading. The climatic and mechanical load function were derived from common loading scenarios according to a worst case approach. A System test specimen, resembling a common SSG-joint, was exposed to 24 h of combined loading in a custom-designed test facility. From the recorded mechanical system response, characteristic parameters were evaluated to assess the performance of the system at varying climatic and mechanical conditions. These experimental results reveal effects of ambient conditions, previous loading and deformation Amplitude peaks on the system response. The proposed test methodology opens up for new performance-related approaches in durability testing.
lm Jahre 2001 wurden einheitliche vertragliche, material- und konstruktionsspezifische Regelungen über die Ausführung, Prüfung und Abnahme von Fugenfüllungen in Verkehrsflächen eingeführt. Mit dem vorliegenden Beitrag soll die ZTV Fug-StB 01 vorgestellt und in das Technische Regelwerk zur Ausbildung von Betonfahrbahndecken im Bundesfernstraßenbau eingeordnet werden.
Die sehr gute Reproduzierbarkeit von tomographischen Messungen zusammen mit den digital vorliegenden Ergebnissen ermöglicht die zerstörungsfreie dreidimensionale quantitative Analyse der untersuchten Bauteile und Proben mit Methoden der Bildverarbeitung. Vorwiegend für den Nachweis von Poren eingesetzt, lassen sich mit CT auch unterschiedliche Materialbestandteile analysieren, wobei die einzige Voraussetzung ein hinreichender Unterschied (es genügen wenige Prozent) in den Röntgenabsorptionseigenschaften der zu unterscheidenden Bestandteile ist.
Mit den in der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung entwickelten Computertomographieanlagen kann der Anteil von Hohlräumen und Materialbestandteilen einer Probe bestimmt werden, wobei die Größe der nachzuweisenden Bestandteile sich über mehrere Größenordnungen erstreckt.
An ausgewählten Beispielen aus den Bereichen Keramik, Bodenproben und Fahr-bahnübergangssystemen aus Asphalt werden die quantitativen Ergebnisse dargestellt und die in der Bestandteilanalyse erreichbare Genauigkeit diskutiert.