Thema: Tragfähigkeitsmessverfahren von Asphalt und Betonbefestigungen

Präsentation zum Thema: "Thema: Tragfähigkeitsmessverfahren von Asphalt und Betonbefestigungen"—  Präsentation transkript:

1 Thema: Tragfähigkeitsmessverfahren von Asphalt und Betonbefestigungen
Straßenbautechnik II Thema: Tragfähigkeitsmessverfahren von Asphalt und Betonbefestigungen Sommersemester 2013

2 Allgemeines Was ist Tragfähigkeit?
Wodurch wird die Tragfähigkeit beeinflusst? Wie werden die Messverfahren unterschieden? Wie sieht jedes Verfahren im Detail aus?

3 Was ist Tragfähigkeit? Grenzzustand , bei dem die Beanspruchung gleich dem maximalen Widerstand ist. Bei einer Straßenbefestigung beschreibt sie ihre Eigenschaft, die auf sie wirkende Belastung aufzunehmen, über ihre Schichten zu verteilen und schadlos in den Untergrund abzuleiten. Begriffsdefinition: „mechanischer Widerstand einer Straßenbefestigung gegen kurzzeitige Verformung“ (FGSV 1990) Riss- und Verformungsbeständigkeit einer Straßenbefestigung

4 Wodurch wird die Tragfähigkeit beeinflusst?
Verkehrsbelastung Klima Temperatur In Verbindung mit Konstruktiven Gegebenheiten Struktureller Zustand

5 Wodurch wird die Tragfähigkeit beeinflusst?

6 Wodurch wird die Tragfähigkeit beeinflusst?

7 Wie werden die Messverfahren unterschieden?
Tragfähigkeitsmessungen können in Statische Quasistatische und Dynamische Messverfahren analog zur Belastungswirkung unterschieden

8 Wodurch werden die Messverfahren unterschieden?
Eine weitere Möglichkeit der Unterscheidung ist nach der jeweiligen Schicht Untergrund/ Unterbau (nicht relevant für uns) Fertig gebundene Konstruktionsschicht Benkelmann Balken Lacroix Curviametro Falling Weight Deflectometer (FWD)

9 Wodurch werden die Messverfahren unterschieden?
Eine weitere Möglichkeit der Unterscheidung ist nach der jeweiligen Schicht Untergrund/ Unterbau (nicht relevant für uns) Fertig gebundene Konstruktionsschicht Benkelmann Balken Asphalt,(Beton) Lacroix Asphalt Curviametro Asphalt Falling Weight Deflectometer (FWD) Asphalt, Beton

10 Benkelmann Balken Einsenkungsmessung

11 Benkelmann-Balken Standard Benkelmann-Balken
Besteht aus einem als Dreibein ausgebildeten Traggestell auch Messbasis genannt. Am Traggestell ist ein waagebalkenartiger Tastarm (zweiarmiger Hebel) in seinen Drittelspunkten gelenkig befestigt. Über diesen Tastarm werden die Vertikalbewegungen des Messpunktes, welcher sich zwischen den Zwillingsreifen des Belastungsfahrzeuges befindet, von der Tastarmspitze auf eine Messuhr übertragen.

12 Benkelmann-Balken Bestandteile im Überblick:
Traggestell mit drei höhenverstellbaren, gelenkig gelagerten Füßen Vertikal beweglicher, zum Transport arretierbarer Testarm Messuhr mit einem Messbereich von mindestens 25 mm und einer Genauigkeit von mindestens +/- 0,005 mm

13 Benkelmann-Balken

14 Benkelmann-Balken

15 Benkelmann-Balken Der modifizierte Benkelmann-Balken
Zur Beschreibung des räumlichen Verlaufes einer Einsenkungsmulde ist die gleichzeitige Erfassung mindestens eines weiteren Messwertes erforderlich(außerhalb des Lastzentrums) Ziel ist es, durch die Lkw Radlast den Beanspruchungszustand der Fahrbahnbefestigung (Spannungen; Dehnungen) abzuschätzen und Art und Dicke der Verstärkungsschichten abzuleiten.

16 Benkelmann-Balken Modifizierung: Zwei-Uhr-Benkelmann-Balken Zweite Messuhr im Abstand am zur Tastarmspitze

17 Benkelmann-Balken Drei-Uhr-Benkelmann-Balken Die Modifizierung und der Hintergrund ist der gleiche wie bei dem Zwei-Uhr-Benkelmann-Balken. Die Uhr ist lediglich verschieblich angebracht. Somit kann ein 3. Messwert abgelesen werden

18 Benkelmann-Balken Grundsätzliche Vorgehensweise der Messdurchführung:
Zweiachsiger Lkw mit Zwillingsrädern hinten, die im Regelfall mit je 5 t Radlast belastet sind. Abweichung von 9 bis 11 Tonnen Achslast sind zulässig, Gewicht muss über die Ladefläche gleichmäßig verteilt sein Keine Geländereifen mit grobstolligem Profil Anzahl und Position der Messstellen sollten bei Einsenkungsmessungen am verfolgten Untersuchungsziel ausgerichtet werden. Abstand im Regelfall 25m

19 Benkelmann-Balken Vorbereitung der Messung
Informationen zum Aufbau der Fahrbahnbefestigung, zu den hydrologischen Verhältnissen, zur Frostempfindlichkeit des Untergrundes/ Unterbaus sowie zum Verlauf ggf. vorhandener Leitungen sollten vorliegen bevor größere Abstände gewählt werden. Sollen Schadensbereiche ermittelt werden, wird ohne festen Abstand gemessen, sondern nur im Schadensbereich direkt

20 Benkelmann-Balken Messung der Einsenkung in der rechten Radspur des fahrbahnäußeren Fahrstreifens. Bei besonderen Ortslagen oder verformten Fahrbahnrändern sind besondere Messprogramme festzulegen Messstellen in Kilometrierung einmessen und Abstände zu markanten Punkten(Schachtabdeckung, Kunstbauwerke etc.) festzuhalten Pro Untersuchungsabschnitt etwa 20 Einzelwerte messen

21 Benkelmann-Balken Temperaturmessung der Fahrbahnoberfläche und des charakteristischen Oberbaus (bei etwa einem Drittel der Gesamtdicke der gebundenen Schichten) auf +/- 1 °C genau.

22 Benkelmann-Balken Messdurchführung

23 Benkelmann-Balken Die Einsenkung der Tastarmspitze berechnet sich nach der Formel: Das Verhältnis l1/l2=2 ist

24 Benkelmann-Balken Die Gesamtzeit eines Messvorgangs an einer Messstelle beträgt im Mittel 2,5 Minuten (mit Fahrzeugaufstellung und Positionierung) Der Vorgang vom Aufstellen des Belastungsfahrzeuges auf der Messstelle bis zu deren Entlastung darf bei Messungen aus Asphalt höchstens 1 Minute dauern, um den Einfluss des viskoplastischen Verhaltens von bituminöser Baustoffe weitgehend auszuschließen.

25 Benkelmann-Balken Ermittlung der Einflusslinie
Einflusslinie wird bei stetig fortschreitender Entlastung bestimmt. Das Belastungsfahrzeug fährt langsam nach vorne, währenddessen bleibt der Benkelmann Balken unverändert stehen und misst die Einsenkung Wegstreckenmessung des Fahrzeugs und Einsenkungsmessung an der Messstelle müssen elektronisch aufgezeichnet werden

26 Benkelmann-Balken Witterungsverhältnisse, Straßenlage und –zustand
Tauperiode des Frühjahrs, 1 bis 3 Wochen nach Frostaufgang (Zeitpunkt der geringsten Tragfähigkeit) keinesfalls während Frost in dem Oberbau oder Untergrund steckt. Nicht bei hohen Asphalttemperaturen

27 Einsenkungsmessgerät Lacroix
Bei diesem Verfahren handelt es sich um ein quasistatisches Verfahren zur Aufnahme tragfähigkeitsrelevanter Größen auf Asphaltbefestigungen Gemessen wird die relative Einsenkung eines Punktes der definiert beanspruchten Straßenoberfläche in vertikaler Richtung. Die Messwerterfassung erfolgt über ein Aufnahmesystem im Bereich der die Straße kontaktierenden Zwillingsreifen eines Lkw.

28 Einsenkungsmessgerät Lacroix

29 Einsenkungsmessgerät Lacroix

30 Lacroix Technische Daten:
Messbalken ist frei auf der Straßenoberfläche zwischen der Vorder- und Hinterachse liegend Messarm am Messbalken befestigt, vertikal innerhalb von oberen und unteren Begrenzungen frei beweglich je Radspur ein Messarm mit induktivem Wegaufnehmersystem je Radspur ein fest mit dem Messbalken verbundenes Messgehäuse darin enthalten: induktive Wegaufnehmer und ergänzende Schaltelemente

31 Lacroix Geräte zur Messwerterfassung, -auswertung und -darstellung:
induktive Wegaufnehmer zur Erfassung der Messarmbewegung (messbare Einsenkungsgröße: Obis 5 mm) Signalweiterleitung in die Steuer- und Verstärkereinheit Datenverarbeitung und Speicherung Ergebnisdarstellung, nummerisch und/oder grafisch.

32 Lacroix Anwendungsgrenzen:
Mindestverformbarkeit des Befestigungsaufbaus Oberfläche muss ausreichend eben sein Starke kurzwellige Unebenheiten in Längsrichtung Schlaglöcher sowie in Querrichtung stark gewölbte Fahrbahnen können eine kontinuierliche Messungwerterfassung verhindern die Maximalwerte der Einsenkung sollten 0,25 mm nicht überschreiten

33 Lacroix Messgenauigkeit
Grundsätzlich sind die gemessenen Einsenkungen kleiner als die realen Exakte Korrektur ist nicht möglich Voraussetzung für eine fehlerfreie Messwerterfassung ist ein kontinuierlicher Messvorgang!!

34 Lacroix Vorbereitung der Messung:
Eine Messdurchführung auf einer Spur reicht aus, solange keine Unterschiede in Konstruktion, Untergrundverhältnissen und Entwässerungsbedingungen vorliegen. An mehrstreifigen Straßen ist auf dem äußeren Fahrstreifen zu messen Grundvoraussetzung ist die Frostfreiheit im Untergrund/Unterbau und Oberbau. Bei Asphaltoberflächentemperaturen >35 °C erfolgen keine Messungen Die Last auf der Hinterachse wird durch die Füllmenge des Wassertankes vor der Messung eingestellt. Regelachslast 10t

35 Lacroix Messdurchführung:
Messung kann unter Verkehr erfolgen, es sind aber alle relevanten Sicherungsmaßnahmen zu treffen. Fahrzeug Lacroix fährt nur 3 km/h und die Standzeiten für Anheben und Absenken des Messarms müssen beachtet werden. Messarm wird abgesetzt, Meterrad in Positions gebracht Anschließend die Daten der Messstrecke, der Achslast, der Oberflächentemperatur und die Station des Startpunktes eingeben.

36 Lacroix ca. alle 6 m eine Erfassung der Vertikalverformung der Fahrbahnoberfläche auf einer Messlänge von 2,10 m. mit ca. 40 bis 42 Einzelmesswerten wird die Verformung bei Annäherung der Zwillingsreifen erfasst

37 Einsenkungsmessgerät Lacroix

38 Lacroix Es werden in einem Abstand von jeweils ca. 6 m folgende Messwerte ermittelt: Einflusslinie (Verformung am Messpunkt bei Annäherung und Entfernung der Lastachse) maximale Einsenkung (Lastachse genau über Messarmspitze). Ergebnisse werden mit Nummer und Maximalwert auf dem Bildschirm des Boardcomputers angezeigt Tragfähigkeitsband für einen Längenabschnitt von jeweils 600 m entsteht

39 Curviametro kontinuierlich messendes System zur Aufnahme von Messwerten anhand derer die Tragfähigkeit von Verkehrsflächenbefestigungen aus Asphalt an definierten Messpunkten beschrieben wird Gemessen wird die Verformung der beanspruchten Verkehrsflächenbefestigung in vertikaler Richtung an der Straßenoberfläche

40 Curviametro Technische Angaben:
Belastungsfahrzeug ist ein Lkw (zwillingsbereift) mit verlängertem hinteren Ausleger Trägerkette (15m lang) auf der im Abstand von jeweils 5m die Geophone befestigt sind Die Kette wird zwischen den hinteren Zwillingsreifen mit Hilfe von Zahnrädern geführt Sie dient der Übertragung der elektrischen Signale von den Geophonen zur Datenverarbeitungseinrichtung Für eine guten Kontakt mit der Straße ruht sie auf Gummiklötzen Geophone erfassen die Reaktion der Straßenoberfläche infolge dynamischer Belastung

41 Messfahrzeug

42 Messfahrzeug

43 Curviametro Anwendungs- und Einsatzgrenzen: Messdurchführung:
Erfassung ausschließlich auf Asphaltstraßen Keine Messungen bei Kurvenradien < 40 m Keine Messungen bei Regen, bzw. feuchter oder nasser Fahrbahnoberfläche Fahrzeugbewegung: Messstrecken ohne LKW-Fahrverbote Messstrecken ohne Durchfahrtsbeschränkung in Gewicht und Lichtraumprofil Beachtung des Sonn- und Feiertagfahrverbotes

44 Curviametro Vorbereitung der Messung: Maßnahmen am Curviametro:
Kalibrierung der Thermometer. Einstellen der Achslast. Kontrolle des Reifendrucks. Kalibrierung der Beschleunigungsaufnehmer. Ergebnisse aus einer Zustandserfassung und Bewertung (ZEB) heranziehen Messungen in nur einer Fahrtrichtung können ausreichend sein Außer bei Unterschieden in der Konstruktion, den Untergrundverhältnissen oder der Entwässerungseinrichtung in der rechten Rollspur alle 5m(systembedingt) messen bei 5 °C bis max. 30 ° Asphalttemperatur

45 Curviametro Durchführung der Messung:
für jeden Messabschnitt einen Vor- und Nachlauf von etwa 50 m Curviametro positionieren und Trägerkette herablassen Messungen bei einer konstanten Geschwindigkeit von 5 m/s ± 0,2 m/s (18 km/h ± 0,7 km/h) im fließenden Verkehr Sicherungsmaßnahmen in Abhängigkeit von der Straßenkategorie erforderlich Im Zuge der Messung werden sowohl der Belastungs- als auch der Entlastungsvorgang erfasst Nach Abschluss der Messung wird die Trägerkette in den Transportzustand versetzt

46 Curviametro Messzyklus: Ein Zyklus dauert 3 Sekunden (15m)
Geophone zeichnen 100 Messwerte pro Zyklus auf Messraum: 1 m vor der Hinterachse bis 3 m hinter der Hinterachse

47 Curviametro

48 Curviametro Ergebnisse: (Datenbetrachtungsprogramm)
zu jeden Messpunkt (alle 5 m) werden folgende Informationen erfasst: Lokalisierung gemäß Anweisung Straßeninformationsdatenbank (ASB). Max. Verformung. Krümmungsradius [m]. Luft- und Oberflächentemperatur [ºC]. Straßenraumbild (in der Regel alle 20 m) graphisch und tabellarisch mit aufgezeichneten Bildern synchronisieren

49 Curviametro

50 FWD (Falling Weight Deflectometer) Asphaltbauweise
Einsatz: Dynamisches Messverfahren zur Bestimmung der Tragfähigkeit von Straßenbefestigungen wird auf Asphalt- und Betonstraßen eingesetzt aufspüren von wenig tragfähigen Abschnitten Aussagen zur Nutzungsdauer und zur Restnutzungsdauer können nicht getroffen werden Messungen mit dem FWD können nicht im fließenden Verkehr durchgeführt werden

51 FWD (Falling Weight Deflectometer) Asphaltbauweise

52 FWD (Falling Weight Deflectometer) Asphaltbauweise
Beschreibung des Messgerätes: Fahrgestell (FWD-Anhänger) bzw. Fahrzeug (built-in-FWD) Belastungs- und Deflexionsmesseinheit Fallgewicht Lastplatte Ø = 300mm, d = 15mm Kraftmessdose Geofonbalken. Datenerfassungssystem

53 FWD (Falling Weight Deflectometer) Asphaltbauweise
Beschreibung des Messverfahrens:

54 FWD (Falling Weight Deflectometer) Asphaltbauweise
Vorbereitung der Messung: Feststellung der Aufbaudaten bestehende Struktur der Fahrbahnkonstruktion aus Bauakten oder durch Bohrkernentnahmen sowie Georadar-Systemen Immer den Fahrstreifen mit dem meisten Aufkommen von Schwerverkehr Bei großen Unterschieden in der Konstruktion (Bauweise, Schichtdicken u.a.) beide Fahrtrichtungen betrachten Deflexionsmessungen sind in der Regel in der mittleren äußeren Radspur durchzuführen innere Radspur scheidet meistens aus Sicherheitsgründen aus, da das Messsystem in den Gegenverkehr hineinragen kann Der Abstand zwischen den Messpunkten in Fahrtrichtung beträgt in der Regel 25m Abstände zu markanten Punkten (Schichtdickenwechsel, Schachtabdeckungen u.a.) sind mit aufzunehmen FWD-Messungen sind nur bei Oberbautemperaturen zwischen ≥ 5 und ≤ 30°C durchzuführen

55 FWD (Falling Weight Deflectometer) Asphaltbauweise
Durchführung der Messung: Lastplatte (Unterseite mindestens 5 mm dicke Gummiplatte) muss vollflächigen Kontakt zur Straßenoberfläche haben (Besondere Aufmerksamkeit bei Spurrinnen) An jedem Messpunkt sollen pro Laststufe mindestens zwei Kraftstöße aufgebracht werden Werte auf Plausibilität überprüfen Bei einer Abweichung zweier aufeinanderfolgenden Werte von mehr als 5%, sind weitere Kraftstöße aufzubringen Vorzugsweise sind FWD-Messungen in der Auftauperiode durchzuführen Jahreszeit in der im Allgemeinen die geringsten Tragfähigkeiten festgestellt werden

56 FWD (Falling Weight Deflectometer) Asphaltbauweise
Durchführung der Messung: Folgende Daten werden erfasst und gespeichert: Name und Ort der Straße Kilometrierung Fahrstreifen und Messlinie Position der Geofone Durchmesser der Lastplatte Datum der Messung Uhrzeit (Stunden, Minuten) lfd. Nummer des Kraftstoßes Luft- und Oberflächentemperatur Größe des Kraftstoßes und die maximalen Deflexionen an den Geofonpositionen

57 FWD (Falling Weight Deflectometer) Asphaltbauweise
Durchführung der Messung: Größe des Kraftstoßes beträgt in der Regel 50 kN Dauer des Kraftstoßes soll in einem Bereich zwischen ≥25 und ≤30 ms liegen Entfernungen der Geofone vom Lastflächenmittelpunkt hängt von der Steifigkeit der gesamten Straßenbefestigung ab In der Regel sollen folgende Entfernungen gewählt werden: mm Temperaturen des gebundenen Oberbaues sind auf ±1 °C genau zu messen Messgeschwindigkeit je Messpunkt ca.1 – 2 min.

58 FWD (Falling Weight Deflectometer) Asphaltbauweise
Ergebnisse nach Grätz: die elastische Länge l beschreibt die Tragfähigkeit der gesamten Straßenbefestigung das Schichtmodul M0 beschreibt die Tragfähigkeit der ungebundenen Schichten im Straßenaufbau 𝑀 0 = 𝐸 0 1− µ² 0 𝑙= 3 2∗𝐷 𝑀 0

59 Beurteilung Bereich II Bereich I Bereich III Bereich IV

60 FWD (Falling Weight Deflectometer) Betonbauweise
Zur Erkennung von hohlliegenden Betonplatten Auflagerbedingungen können messtechnisch zerstörungsfrei und schnell bestimmt werden Unterschied zur Asphaltbauweise: Anordnung der Geofone Auf dem Geofonbalken stufenlos vom Lastflächenmittelpunkt 127 cm und rückwärtig bis mindestens -51 cm angeordnet werden Messlinie in der mittleren äußeren Radspur (ca.1m) Messpunkte Platten Anfang und Mitte Abstand der Messpunkte in Fahrtrichtung 2,5m

61 FWD (Falling Weight Deflectometer) Betonbauweise
Anordnung der Messlinie und –punkte:

62 FWD (Falling Weight Deflectometer) Betonbauweise
Messverfahren: Drei Kenngrößen werden aus den Deflexionen der Laststufe gewonnen Deflexion „do“; relative vertikale Fugenbewegung „f“ und Wirksamkeitsindex „W“ do f