Flexibler Oberbau - Infralab SA

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Flexibler Oberbau - Infralab SA

Beschreibung des FWD-Messgerätes

1. Beschreibung des FWD-Messgerätes

FWD-Geräte – seit mehreren Jahren weltweit die zahlenmässig führenden Deflektionsmessgeräte – sind

wegen der Qualität der gelieferten Messergebnisse auch bezüglich der Interpretation absolute Spitze.

1.1 Das FWD-Gerät

Das Fallgewichtsgerät Dynatest 8000 (auch kurz FWD-Gerät genannt aus: Falling Weight Deflectometer)

dient der Messung von Deflektionsmulden unter der Impulsebelastung einer auf einer Grundplatte mit 30

cm Durchmesser fallenden Masse. Das Messsytem besteht aus :

− dem Messanhänger mit einem Gesamtgewicht von ca. 850 kg mit der Belastungsvorrichtung und den

Signalaufnahmesensoren,

− der EDV-gestützten Steuerungsvorrichtung mit der Auswertesoftware, welche im Zugfahrzeug

eingebaut ist.

Nach der Einnahme der Messstellung am Messpunkt wird das Fallgewicht aus einer zwischen 2 und 40

cm variabel einstellbaren Höhe ausgeklinkt. Die Fallhöhe und die Belastung werden in Funktion der

untersuchten Struktur gewählt. Dabei wird auf die Grundplatte eine Kraft zwischen 7 und 135 kN erzeugt.

Die Lastübertragung erfolgt über ein Federungselement dessen Konstante die Belastungsdauer vorgibt.

Die Deflektionen werden mittels 9 seismischen Sensoren (einer davon im Zentrum der Belastungsplatte)

registriert – auf einem Träger unter der Deichsel in unterschiedlichem Abstand vom Lastzentrum

angebracht – welche die Aufnahme der Deformationsmulde auf einer Länge von ca. 2 m ermöglichen.

Für strassenbauliche Anwendungen sind die Federungselemente und die entsprechende Konstante so

gewählt, dass die Impulsdauer 28 ms beträgt oder anders ausgedrückt, einer Belastungsfrequenz von 34

Hz entspricht, was der Belastungsdauer eines Lastwagens bei 70 km/h gleichkommt. Die aufgebrachte

Belastung entspricht also genau den üblichen Verkehrslasten.

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1.2 Die Messung mit dem FWD

Bei jedem Messpunkt werden durch 9

an einem Balken befestigte Sensoren,

9 Delektionen registiert. Der erste

Sensor liegtim Belastungszentrum, der

letzte in einem Abstand von ca. 1.8 m

in de Längsachse des Gerätes. Der

Messleiter steuert die ganze Mesung

über den Bildschirm und löst jeweils

zwei Belastungen vor der definitiven

Speicherung des Messignals. Das

Ergebnis stellt die Aufnahme halben

Deformationsmulde (siehe Abbildung)

unter der Belastung einer halben

Standardachse dar. Ebenso werden

alle für die spätere Auswertung

nowendigen Parameter registriert, wie

z.B.:

- der Kontaktdruck unter der Platte

und die Gesamtlast,

- die Belastungsdauer in ms.

Ein wesentlicher Vorteil des FWD-

Gerätes, vorallem im Vergleich zu

anderen Geräten wie dem Benkelman-

Balken u.ä., ist seine Einsatzfähigkeit

auf starrem Oberbau (Betonbelag).

Dadurch, dass sich die Prüfung nicht

nur auf die punktuelle Messung der

Deflektion beschränkt, können

ebensogut wie bituminöse Beläge auch

diskontinuierliche starre Strukturen

(Betonplatten) untersucht werden. Die

"Bezugswerte" jeder Platte werden

durch eine Belastung in Plattenmitte

ermittelt. Die Ergebnisse einer Prüfung

mit Belastung am Plattenrand oder in

der Plattenecke können dann mit den

Ergebnissen in Plattenmitte verglichen

werden. Die nebenstehende Abbildung

zeigt das Prinzip der Belastung am

Plattenrand oder in der Plattenecke.

Beschreibung des FWD-Messgerätes

Flexibler Oberbau

m = Fallgewicht

k = Federkonstante

h = Fallhöhe

9 Sensoren

Starrer Oberbau

9 Sensoren

Deflektionsmulde

m = Fallgewicht

k = Federkonstante

h = Fallhöhe

Deflektionsmulde

Die Möglichkeit der gleichzeitigen Messung sowohl auf der belasteten als auch auf der unbelasteten

Platte gestattet die Beurteilung der Lastübertragung und die Berechnung einer differentiellen Verformung

bei der Querfuge.

Zusammenfassend gesagt simuliert das FWD-Gerät die Durchfahrt eines Lastwagens mit 70 km/h und

registriert dabei die auftretende deformationsmulde auf einer Länge von eta 2 m Länge. Der Hauptzweck

dieser Prüfung besteht in der Messung der Reaktion der Strassenstruktur unter realistischen

Belstungsbedingungen um damit fundierte Aussagen über den strukturellen Zustand und über die

Fähigkeit zur Aufnahme der künftigen Verkehrsbelastung zu ermöglichen..

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2. Mess-methode

Beschreibung des FWD-Messgerätes

Infralab empfiehlt für die Prüfung der Tragfähigkeit die Verwendung des Fallgewichtsgerätes FWD

(Falling Weight Deflectometer).

Dieses Gerät wurde seit 1992 mit Erfolg auf praktisch sämtliche in der Schweiz vorkommenden

Oberbautypen angewendet. Die bisherigen Erfahrungen dienen als Grundlage für eine kommende

Normierung einer „dynamisch-analytischen“ Dimensionierungsmethode und für die Kontrollprüfungen der

Tragfähigkeit (Forschungsauftrag 18/94 unter der Federführung von Viagroup S.A. / Infralab SA und in

Zusammenarbeit mit dem IVT der ETH Zürich) wie auch für die Entwicklung ersr Entwürfe europäischer

Normen.

Das Gerät, welches an sich für die rechnerische Auswertung der ganzen Deflektionsmulde (9 Einzelwerte

auf einer Länge von 1.8 m), gestattet ebenfalls eine ausschliessliche Beurteilung der maximalen

Deflektion, gemäss der Standard-Prüfung mit dem Benkelman-Balken oder dem Deflectographe Lacroix.

2.1 Evaluation der Deflektionswerte

Die maximale Einsenkung des FWD-Gerätes lässt sich in entsprechende Einsenkungswerte für Benkelman-

Balken, Deflectographe Lacroix oder Curviamètre umrechnen. Anerkannte Korrelationen sind in dänischen

Normen sowie in dem Schlusbericht des europäischen Forschungsprojektes COST 324 enthalten. Die

nachfolgende Abbildung enthält Beispiele verschiedener Korrelationen zwischen dem Fallgewichtsgerät und

dem Benkelman-Balken.

Déflexion FWD [10 -3 mm]

10000

1000

100

10

y = 9.505x 0.58

Cost 324, 1997

y = 0.8077x 0.9998

C

Korrelation

orrélations

Benkelman Beam - FWD Dynatest 8000

y = 0.641x

Normes Danoise, 1979

1

1 10 100 1000 10000

Déflexion Benkelman Beam [10 -3 mm]

Infralab hat bereits im Oktober 1994 die Akkreditation (STS 090) fü die meisten der durchgeführten

Materialanalysen erhalten, insbesondere für in-situ Messungen der Deflektion mit dem FWD-Gerät.

Im Rahmen der Standardauswertung FWD, und wenn die entsprechenden Randbedingungen gegeben

sind (bekannter Schichtaufbau: Materialart und Dicke im ganzen Quer- und Längsprofil der Strecke), kann

aber in Ergänzung zur allgemeinen Beurteilung der maximalen Deflektion die Restlebensdauer des

Oberbaus berechnet werden: das Ergebnis zeigt sich entweder in Form der Angabe der möglichen Anzahl

Jahre unter Verkehr ohne zusätzliche Verstärkung oder aber in Form der Angabe der Schichtdicke (in cm)

einer nötigen Verstärkung im Hocheinbau.

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Beschreibung des FWD-Messgerätes

2.2 Evaluation der Restlebensdauer und des Verstärkungsbedarfes

2.2.1 Flexibler Oberbau (bituminös)

Für jeden Messpunkt werden durch die Steuerungs- und Berechnungsprogramme folgende zwei Phasen

der Prüfung durchgeführt:

- Validierung der Deflektionsmessungen, zur Sicherstellungen dass die mittels 9 Sensoren

aufgenommene halbe Deformationsmulde den allgemeinen Gleichungen von Boussinesq für den

elastischen Halbraum genügt und also mit einem mittleren Modulwert reproduziert werden kann,

- Berechnung der Elastizitätsmoduli Ei der Schichten. Die einzelnen Schichtmoduli werden

berechnet nach der Eingabe der entsprechenden Schichtdicken (ei) und unter Berücksichtigung

des erwähnten mittelren Moduls und der bei der Prüfung gemessenen Werte. Ebenso werden die

entsprechenden Spannungen und Verformungen berechnet. Dieses iterative

Berechungsverfahren beruht auf das MET-Prinzip (Method of Equivalent Thicknesses), auch

Odemark-Kirk-Methode genannt, sowie auf der Theorie von Boussinesq.

Beim Abschluss dieser ersten Auswertungsphase stehen für jeden Messpunkt folgende Ergebnisse als

Ausdruck der Reaktion des Oberbaus unter der Last zur Verfügung:

Bituminöser Belag

Fundationsschicht

Untergrund

E1

E2

E3

↓↓↓↓↓↓↓

σ,ε + (Zug)

←+→

σ,ε - (Druck)


σ,ε - (Druck)


Nach diesem analytischen Teil gilt es die Ergebnisse aus der Sicht der generellen Tragfähigkeit im

Hinblick auf die vorgesehene Verkehrsbelastung zu interpretieren. Dabei müssen zunächst verschiedene

Parameter definiert werden, beispielsweise die Temperaturabhängigkeit des Moduls bituminöser Beläge.

Bei der empirischen Interpretation der Ergebnisse, welche mittels Auswerteprogrammen des

Geräteherstellers erfolgt, werden zwei Bewertungskriterien berücksichtigt: die Horizontalverformung an

der Unterkante des bituminösen Belages stellt dabei das strukturelle Kriterium dar und die vertikale

Beanspruchung der ungebundenen Schichten (Fundation, Untergrund) das funktionelle Kriterium dar.

Beide Kriterien führen zur Bestimmung der zulässigen Verkehrsbeanspruchung oder der

Restlebensdauer.

Schliesslich liefert die vollständige Analyse an jedem Messpunkt, in Ergänzung zu den Moduli jeder

Schicht und der Spannungen und Verformungen, folgende Angaben:

- die Restlebensdauer des Oberbaus,

- die Dicke einer allfälligen Verstärkungsschicht mittels bituminösem Belag,

-

die Bezeichnung der schwächsten Schicht des Oberbaus, welche den Verstärkungsbedarf

begründet.

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e1

e2


Beschreibung des FWD-Messgerätes

2.2.2 Zusätzliche Mess- und Auswertungsmöglichkeit beim starren Oberbau

3

Berechnung der Lastübertragung bei der Querfuge : LT = ⋅100

[ % ]

Berechnung der differentiellen Verformung bei der Querfuge :

d2 [10 -6 m] Deflektion auf belastete Bezugsplatte

d3 [10 -6 m] Deflektion auf unbelastete benachbarte Platte

( d

2(

d

2

DIF = ( d

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2

)

+ d

3

− d

3

)

)

[ 10

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−6

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