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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.
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.
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.
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.
Betonfahrbahndecken zeichnen sich insbesondere durch eine hohe Dauerhaftigkeit und Wartungsarmut aus, welche im Ergebnis zu einer sehr guten Kosteneffizienz und Nachhaltigkeit führen. In den vergangenen Jahren wurden große Fortschritte hinsichtlich der Weiterentwicklung von Konstruktion, Baustoff und Fahrbahnoberfläche erzielt. Forschung und Entwicklung befassen sich seit einigen Jahren systematisch auch mit der Optimierung von Fugensystemen für hochbeanspruchte Bundesfernstraßen. Das Forschungsprojekt INFUKON liefert einen generalisierbaren methodischen Ansatz zur ganzheitlichen Analyse des Gebrauchsverhaltens hochbeanspruchter Fugensysteme in Betonfahrbahndecken und eine innovative Versuchseinrichtung die als technische Grundlage zur Verfügung stehen. In diesem Beitrag werden wesentliche Projektergebnisse vorgestellt.
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.