Tragfähigkeit von RC-Baustoffen unter höchster Beanspruchung
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Institut für Straßen- und<br />
Eisenbahnwesen<br />
Kolloquium für Fortgeschrittene im Straßenwesen am 20.11.2007<br />
Tragfähigkeit <strong>von</strong> <strong>RC</strong>-<strong>Baustoffen</strong><br />
<strong>unter</strong> höchster <strong>Beanspruchung</strong><br />
– Beispiel A 8<br />
Dipl.-Ing. Thomas Chakar
FE-Projekte<br />
• Vergleichende Beurteilung des Zeit-Setzungs-Verhaltens<br />
<strong>unter</strong>schiedlich zusammengesetzter Tragschichten ohne<br />
Bindemittel mit verschieden großen Asphaltanteilen in einer<br />
Versuchsstrecke (kurz: Vertoba)<br />
• Erarbeitung eines Bewertungshintergrundes für<br />
Tragfähigkeitsmessungen auf Basis <strong>von</strong> Zustandsindikatoren<br />
nach Jendia (kurz: Jendia)<br />
Untersuchungszeitraum (Versuchsstrecke):<br />
10/98<br />
Einbau<br />
ToB/ATS/ABS<br />
08/99<br />
Einbau<br />
ADS<br />
11/00<br />
Verkehrsfreigabe<br />
03/02<br />
03/03<br />
10/05<br />
Vertoba<br />
Jendia<br />
Kolloquium für Fortgeschrittene im Straßenwesen am 20.11.2007 2
Lage der Untersuchungsstrecke<br />
(RStO 01, Zeile 1, Bauklasse SV)<br />
Kolloquium für Fortgeschrittene im Straßenwesen am 20.11.2007 3
Auswahl und Herkunft der Baustoffe<br />
Kurzbezeichnung<br />
Variante<br />
V1<br />
<strong>RC</strong>-Anteile<br />
oder Art des<br />
Gemisches<br />
KTS<br />
V2 60/40<br />
V3<br />
STS<br />
Verwendete Baustoffgemische<br />
in der ToB<br />
Kies-Sand-Gemisch<br />
(Oberrhein-Moräne)<br />
<strong>RC</strong> Gemisch, 60 M.-% Betonaufbruch<br />
und 40 M.-% Aphaltgranulat<br />
Schotter-Splitt-Sand-Gemisch<br />
(Muschelkalk)<br />
V4 100/0 <strong>RC</strong> Gemisch, 100 M.-% Betonaufbruch<br />
V5 50/50<br />
V6 70/30<br />
<strong>RC</strong> Gemisch, 50 M.-% Betonaufbruch<br />
und 50 M.-% Aphaltgranulat<br />
<strong>RC</strong> Gemisch, 70 M.-% Betonaufbruch<br />
und 30 M.-% Aphaltgranulat<br />
Kolloquium für Fortgeschrittene im Straßenwesen am 20.11.2007 4
Labor<strong>unter</strong>suchungen<br />
Eigenschaften der Baustoffgemische:<br />
• Korn(Stück-)größenverteilung<br />
• Stoffliche Kennzeichnung<br />
• Frostbeständigkeit<br />
• Wiederstandsfähigkeit gegen Schlag<br />
• Reinheit<br />
• Proctordichte und optimaler Wassergehalt<br />
• Wasserdurchlässigkeit<br />
• Zeit-Setzungs-Verhalten<br />
Kolloquium für Fortgeschrittene im Straßenwesen am 20.11.2007 5
Dynamischer Druckschwellversuch<br />
Dehnung [Promille]<br />
12,00<br />
10,00<br />
8,00<br />
6,00<br />
4,00<br />
2,00<br />
0,00<br />
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000<br />
Lastimpulsanzahl [n]<br />
Standardversuchsbedingungen<br />
für ungebundene Gemische<br />
• Oberspannung б O<br />
= 0,35 N/mm²<br />
• Unterspannung б U<br />
= 0,011 N/mm²<br />
• Belastung: sinusförmiger<br />
Druckschwellimpuls,<br />
0,2 s Impulsdauer;<br />
1,5 s Lastpause<br />
• Verdichtungsgrad: D pr<br />
= 103%<br />
• Prüftemperatur: T = 20˚C<br />
• Prüfdauer: N = 10.000<br />
• Probekörper:<br />
3 Prüfzylinder d = 150 mm<br />
Kolloquium für Fortgeschrittene im Straßenwesen am 20.11.2007 6
Setzungen<br />
30<br />
25<br />
Versuchsergebnisse (arithmetisches Mittel)<br />
Vergleichswerte Vorgängerprojekt<br />
20<br />
Setzungen [‰]<br />
15<br />
10<br />
vorgeschlagener Grenzwert<br />
5<br />
0<br />
STS KTS 100/0 70/30 60/40 50/50 30/70 0/100<br />
Mischungsverhältnis - Beton/Asphalt [in %]<br />
Kolloquium für Fortgeschrittene im Straßenwesen am 20.11.2007 7
Untersuchungen in situ<br />
Planum<br />
Statischer und dynamischer Plattendruckversuch<br />
Ungebundene Tragschicht<br />
Verdichtungsgrad (Ballonverfahren)<br />
Statischer und dynamischer Plattendruckversuch<br />
Tragfähigkeit mit dem Falling Weight Deflectometer (FWD)<br />
Wasserdurchlässigkeit durch Versickerungsversuche<br />
Asphalttragschicht /-binder und -deckschicht<br />
Tragfähigkeit mit dem FWD<br />
Kolloquium für Fortgeschrittene im Straßenwesen am 20.11.2007 8
Infiltrationsversuche<br />
1,0E-05<br />
9,0E-06<br />
8,0E-06<br />
7,0E-06<br />
Abfluß q [m³/s]<br />
6,0E-06<br />
5,0E-06<br />
4,0E-06<br />
3,0E-06<br />
2,0E-06<br />
1,0E-06<br />
0,0E+00<br />
a<br />
V1 (KTS) V2 (60/40) V3 (STS) V4 (100/0) V5 (50/50) V6 (70/30)<br />
a = 1,35E-05<br />
(oberflächennaher Abfluß)<br />
Kolloquium für Fortgeschrittene im Straßenwesen am 20.11.2007 9
Statischer Plattendruckversuch<br />
Plattendruckversuch Tragschicht<br />
350<br />
300<br />
250<br />
Ev2<br />
200<br />
150<br />
100<br />
50<br />
0<br />
KTS<br />
STS<br />
40/60 0/100 50/50 30/70<br />
1 3 5 7 9 1 3 5 7 9 1 3 5 7 9 1 3 5 7 9 1 3 5 7 9 1 3 5 7 9<br />
Meßfeld/Meßstelle<br />
Kolloquium für Fortgeschrittene im Straßenwesen am 20.11.2007 10
Falling Weight Deflectometer<br />
Fallgewicht<br />
Gummipuffer<br />
Lastplatte<br />
Geophone<br />
Tragfähigkeitsmesssystem<br />
• Kraftimpuls 50 kN<br />
• 9 Geophone<br />
• Belastungsplatte Ø 300 mm<br />
Ergebnis<br />
• relativer Vergleich der Tragfähigkeit<br />
• absoluter Vergleich der Tragfähigkeit<br />
• Basisdaten für modelltheoretische Betrachtungen<br />
Fahrbahnbefestigung<br />
„Einsenkungsmulde“<br />
Einsatzmerkmale<br />
• gute Differenzierbarkeit der Ergebnisse<br />
• gute Wiederhol- und Vergleichbarkeit<br />
• schneller und unkomplizierter Einsatz<br />
Kolloquium für Fortgeschrittene im Straßenwesen am 20.11.2007 11
Tragfähigkeitskenngrößen nach Jendia<br />
250<br />
V1 - KTS V2 - 60/40 V3 - STS V4 - 100/0 V5 - 50/50 V6 - 70/30<br />
Deflexion D0 [µ m]<br />
200<br />
150<br />
100<br />
50<br />
0<br />
0 100 200 300 400 500 600<br />
Abstand Messpunkt <strong>von</strong> Messstreckenanfang [m]<br />
Kolloquium für Fortgeschrittene im Straßenwesen am 20.11.2007 12
Monitoring<br />
Rang<br />
Messtermin 6 5 4 3 2 1<br />
Oktober 98 (ATS)<br />
November 98 (ABS)<br />
Junic 99 (ABS)<br />
August99<br />
November 00<br />
März 01<br />
Juli 01<br />
Dezember 01<br />
März 02<br />
März 03<br />
Juni 04<br />
Oktober 04<br />
Juni 05<br />
August 05<br />
September 05<br />
Oktober 05<br />
schlechter besser<br />
V6 V4 V1 V5 V3 V2<br />
161,9 146,5 129,6 129,4 98,9 67,5<br />
V1 V3 V6 V4 V5 V2<br />
79,7 67,2 63,5 55,6 52,8 45,7<br />
V1 V6 V3 V4 V5 V2<br />
115,1 100,3 91,2 80,8 75,7 59,6<br />
V1 V6 V3 V4 V5 V2<br />
115,5 114,6 101,2 99,0 91,2 58,9<br />
V1 V6 V3 V5 V4 V2<br />
48,6 42,1 40,1 32,0 31,4 22,1<br />
V1 V6 V3 V5 V4 V2<br />
54,5 40,2 39,0 30,4 28,6 20,6<br />
V1 V3 V6 V5 V4 V2<br />
77,8 65,1 60,8 46,5 44,9 35,0<br />
V1 V3 V6 V5 V4 V2<br />
53,9 41,0 39,6 30,1 28,8 22,2<br />
V1 V6 V3 V5 V4 V2<br />
53,7 44,8 39,0 32,6 30,2 21,8 Legende:<br />
Konsolidierungsphase<br />
Beharrungsphase<br />
V1 V6 V3 V5 V4 V2<br />
Variante<br />
52,1 40,6 39,0 29,6 28,6 21,1 V1 KTS<br />
V1 V3 V6 V5 V4 V2 V2 60/40<br />
74,8 64,0 57,2 45,2 41,9 36,6 V3 STS<br />
V1 V3 V6 V5 V4 V2 V4 100/0<br />
65,4 54,0 52,0 38,0 35,0 30,6 V5 50/50<br />
V1 V3 V6 V5 V4 V2 V6 70/30<br />
86,7 80,0 67,6 54,4 49,4 45,4<br />
V1 V3 V6 V5 V4 V2<br />
73,4 61,0 50,6 41,5 37,9 31,5<br />
V1 V3 V6 V5 V4 V2<br />
64,2 50,8 45,3 34,5 31,2 26,7<br />
V1 V3 V6 V5 V4 V2<br />
60,3 46,1 42,0 32,5 32,5 23,9<br />
Kolloquium für Fortgeschrittene im Straßenwesen am 20.11.2007 13
Tragfähigkeitskenngrößen<br />
Untergrundindikator Tragfähigkeitszahl Deflexion D0 [µm] Tz UI [−] [µm]<br />
250 14 70<br />
12 60<br />
200<br />
10 50<br />
150<br />
40 8<br />
30 6<br />
100<br />
20 4<br />
50<br />
10 2<br />
Aufbau nach RStO 01, Tafel 1, Zeile 1, Bauklasse IV:<br />
Asphaltdeckschicht<br />
Aufbau nach ToB: RStO 01, Tafel 1, Zeile 1, natürl. Bauklasse Gesteinskörnungen II:<br />
Asphalttragschicht<br />
Untergrund/-bau:<br />
nicht felsig<br />
Asphaltdeckschicht<br />
Asphaltbinderschicht Frostschutzschicht<br />
Aufbau nach ToB: RStO 01, Tafel Frosteinwirkungszone:<br />
1, Zeile 1, natürl. Bauklasse Gesteinskörnungen SV: allgemein<br />
Asphalttragschicht<br />
Untergrund/-bau: Lage der Gradiente: nicht felsig allgemein Asphaltdeckschicht<br />
ToB:<br />
Frosteinwirkungszone: natürl. Zeitpunkt Gesteinskörnungen<br />
der Messung: allgemein<br />
Asphaltbinderschicht Frostschutzschicht<br />
Untergrund/-bau: Lage der Gradiente: nicht Jahreszeit: felsig allgemein allgemein<br />
Asphalttragschicht<br />
Frosteinwirkungszone: Zeitpunkt der Messung: allgemein Phase:<br />
Beharrungsphase<br />
Lage der Gradiente: Jahreszeit: allgemein Alter: allgemein allgemein Frostschutzschicht<br />
V1 - KTS V2 - 60/40<br />
Zeitpunkt der Messung: Phase: V3 - STS Beharrungsphase<br />
V4 - 100/0 V5 - 50/50<br />
Jahreszeit:<br />
Phase:<br />
Alter:<br />
Alter:<br />
allgemein<br />
allgemein<br />
Kenngrößen (Jendia)<br />
Beharrungsphase<br />
allgemein Temperaturbereich<br />
(für Messlinie "R")<br />
Deflexionsmuldenintervall<br />
Kenngrößen (Jendia) x ± s<br />
Temperaturbereich<br />
(für Messlinie "R")<br />
Kenngrößen (Jendia) R<br />
M<br />
Deflexionsmuldenintervall<br />
Messlinie<br />
x ± s<br />
Messlinie<br />
Deflexionsmuldenintervall Geofonabstand zum Lastzentrum [cm]<br />
x ± s R<br />
233 M<br />
(für Messlinie 0 "R") 21 33 51 90 127 150 180 210<br />
± 42 239 ± 24<br />
D0<br />
Geofonabstand 0<br />
zum Lastzentrum [cm] Messlinie<br />
24 (n: 683) (n: 31)<br />
47 35<br />
16<br />
0 21 33 51 90 127 150 78 180 210 49 36<br />
125<br />
66<br />
R<br />
79 ±<br />
100<br />
D0 M16<br />
85 ± 20<br />
0<br />
170 152 16 13 10 84 8<br />
(n: 835) (n: 148)<br />
Geofonabstand zum Lastzentrum 25 [cm]<br />
39 191<br />
127<br />
18 14<br />
46 ± 9<br />
47 ± 6<br />
1: 5 - 1763<br />
53<br />
47<br />
28 23<br />
0 21 33 5051 °C 90200<br />
127 150 42 190 180 210<br />
73 ± 19 73 ± 20<br />
4<br />
UI<br />
0<br />
225<br />
D0<br />
18 61 11 9 6<br />
(n: 683) (n: 31)<br />
73<br />
248<br />
(n: 671) (n: 187)<br />
29<br />
81<br />
275<br />
42 36<br />
300<br />
25<br />
1: 5 - 17 °C<br />
15 ± 3<br />
15 ± 4<br />
53 100 96<br />
35 29<br />
50<br />
39<br />
UI<br />
50<br />
(n: 835) (n: 148)<br />
65 400<br />
arithmetische Mittelwerte x<br />
80 74<br />
150<br />
100 92<br />
arith. Mittelwerte x ± Standardabweichung 13 ± 4 s<br />
13 ± 2,1 ± 0,5 1,7 ± 0,3<br />
UI<br />
Tz<br />
4<br />
500 arithmetische Mittelwerte x<br />
(n: 671) (n: 187) (n: 683) (n: 31)<br />
150<br />
200<br />
arith. Mittelwerte x ± Standardabweichung s Tz<br />
Temperaturbereich<br />
1: 5 - 17 °C<br />
2: 17 - 25 °C<br />
Deflexion [µm]<br />
Deflexion [µm]<br />
Deflexion [µm]<br />
4,6 ± 1,1<br />
(n: 835)<br />
arithmetische Mittelwerte x<br />
200<br />
250<br />
arith. Mittelwerte 0x ± Standardabweichung 21 33 51 s 90 127 150<br />
4,7 ± 1,3<br />
180 210<br />
5,4 ± 2,0<br />
0<br />
22<br />
D0<br />
0 21 33 51 90 127 150 180<br />
Tz 32<br />
45 210<br />
16<br />
250<br />
(n: 671) (n: 187)<br />
75<br />
62<br />
46 34<br />
0<br />
9 95 ± 22<br />
100<br />
24<br />
15 12<br />
7<br />
131<br />
80<br />
D0<br />
40<br />
165<br />
17<br />
14<br />
(n: 332)<br />
51<br />
190<br />
28 125 22<br />
58<br />
0 21 33 5051 219 42<br />
73 90200<br />
127 150 180 210<br />
202<br />
0 2: 17 - 25 °C<br />
66<br />
85 ± 20 80 ± 20<br />
22 14 11 8<br />
6<br />
UI<br />
82<br />
248<br />
D0<br />
10035<br />
95 300<br />
(n: 396) (n: 79)<br />
50<br />
43<br />
281<br />
319<br />
16 ± 4<br />
2: 17 - 2566<br />
°C<br />
117<br />
43 37<br />
31 26<br />
50<br />
UI<br />
55<br />
400<br />
(n: 332)<br />
150<br />
89 82 72<br />
100<br />
105<br />
500<br />
13 ± 4<br />
UI<br />
Tz<br />
Deflexion [µm]<br />
Deflexion [µm]<br />
Deflexion [µm]<br />
V6 - 70/30<br />
200<br />
(n: 79) (n: 221)<br />
150<br />
0<br />
3,3 ± 0,7 2,7 ± 0,7<br />
Tz<br />
250<br />
(n: 332) (n: 80)<br />
200<br />
0 100 0 21 300 33 51 90 127 150<br />
3,4 ± 0,7<br />
180 400210<br />
3,3 ± 0,6 314 ± 70<br />
500 -<br />
600<br />
250<br />
0<br />
0<br />
Deflexion [µm]<br />
50<br />
0 21 33 51 90200<br />
127 150 180 210<br />
57 ± 14<br />
0 3: 25 - 35 °C<br />
102 ± 29 106 ± 25<br />
UI<br />
-<br />
D0<br />
(n: 109)<br />
Abstand Messpunkt<br />
100<br />
(n: 230) (n: 149)<br />
zum Messstreckenanfang (n= 0)<br />
300<br />
18 ± 5<br />
18 ± 5<br />
[m]<br />
Deflexion [µm]<br />
37<br />
46<br />
3: 25 - 35 °C 53<br />
50 73<br />
132<br />
150<br />
77<br />
100<br />
103 91 3: 25 - 35 °C<br />
200<br />
131<br />
150<br />
250<br />
Deflexion [µm]<br />
200<br />
250<br />
87<br />
Kolloquium für Fortgeschrittene im Straßenwesen am 20.11.2007 14<br />
15 ± 4<br />
(n: 396)<br />
0<br />
Tz 31 22<br />
21 33 51 90 127 150 180 44 210(n: 396)<br />
75<br />
47<br />
24<br />
16 12 10 8<br />
64<br />
100<br />
139<br />
83<br />
D0<br />
181<br />
65 57 43<br />
19 15<br />
23<br />
30<br />
132<br />
208 44<br />
244<br />
74 13 10 7<br />
22<br />
5<br />
92<br />
228<br />
103<br />
30 26<br />
43 28937<br />
UI<br />
56<br />
331<br />
400 384<br />
16 ± 6<br />
UI<br />
500<br />
(n: 230)<br />
Tz<br />
Tz<br />
2,6 ± 0,6<br />
(n: 230)<br />
D0<br />
16 (n: 79)<br />
109 35 ± 22<br />
(n: 41)<br />
(n: 41)<br />
16 ± 5<br />
Tz<br />
(n: 149)<br />
2,6 ± 0,8<br />
(n: 41)<br />
2,3 ± 0,6<br />
(n: 149)<br />
3,9 ± 1,1<br />
(n: 148)<br />
269 ± 50<br />
(n: 221)<br />
104 ± 26<br />
(n: 80)<br />
51 ± 11<br />
(n: 221)<br />
17 ± 4<br />
(n: 80)<br />
1,6 ± 0,3<br />
(n: 109)<br />
108 ± 23<br />
(n: 39)<br />
(n: 39)<br />
1,3 ± 0,3<br />
(n: 109)<br />
2,4 ± 0,7<br />
(n: 39)<br />
271 ± 40<br />
(n: 39)<br />
51 ± 8<br />
(n: 39)<br />
1,6 ± 0,2<br />
(n: 39)<br />
(n= 0)<br />
-<br />
(n= 0)
Modell und Bemessungskriterien<br />
Mehrschichtentheorie<br />
Bemessungskriterien<br />
Schicht<br />
Asphaltschicht<br />
Schichtdicke<br />
E- Modul<br />
Ungeb.<br />
Tragschicht<br />
(ToB)<br />
h1<br />
h2<br />
E1<br />
E2<br />
Untergrund/<br />
Unterbau<br />
unendlich E3 z.B. kritische Spannung/Dehnung an<br />
der Unterseite der Asphaltschicht<br />
Kolloquium für Fortgeschrittene im Straßenwesen am 20.11.2007 15
Schichtsteifigkeiten<br />
Schichtsteifigkeit E1 E3 E2 [MPa]<br />
V1 - KTS V2 - 60/40 V3 - STS V4 - 100/0 V5 - 50/50 V6 - 70/30<br />
16000<br />
14000<br />
12000<br />
10000<br />
8000<br />
6000<br />
4000<br />
2000<br />
0<br />
0 100 200 300 400 500 600<br />
Abstand Messpunkt zum Messstreckenanfang [m]<br />
Kolloquium für Fortgeschrittene im Straßenwesen am 20.11.2007 16
Prinzip der Restnutzungsdauerbestimmung<br />
Georadar<br />
FWD-<br />
Messung<br />
Streckeninformationen<br />
Labor/Literatur<br />
Aufbau<br />
Schicht-E-Moduln<br />
Spannungen<br />
und<br />
Dehnungen<br />
Zul. Lastwechsel N<br />
Bemessungskriterium<br />
DTV (SV)<br />
Restnutzungsdauer<br />
nein<br />
Ausreichend?<br />
Ja: Ende<br />
Kolloquium für Fortgeschrittene im Straßenwesen am 20.11.2007 17
<strong>Beanspruchung</strong>sgrößen<br />
(Berechnungsannahmen: Querdehnzahlen: 0,35;<br />
Schichtenverbund: 100%, Ermüdungsgesetz nach SPDM,<br />
Schichtdicken h1: 34 cm; h2: 36 cm)<br />
Zusätzliche Berücksichtigung <strong>von</strong>:<br />
- Alterung <strong>von</strong> Bitumen<br />
- Frost-Tau-Wechselbeanspruchung<br />
- Einbaubedingte Schwächungen durch Entmischungsprozesse oder Fugen<br />
Kolloquium für Fortgeschrittene im Straßenwesen am 20.11.2007 18
Fazit<br />
• Charakterisierung des Verhaltens definierter Baustoffgemische möglich<br />
durch<br />
• erweiterte Labor<strong>unter</strong>suchungen<br />
• Messungen in situ (Monitoring): quantitative Abschätzung der<br />
<strong>Beanspruchung</strong>sgrößen zur Beurteilung der Wechselwirkung<br />
zwischen den Schichten<br />
• Bestätigung bisheriger Erkenntnisse:<br />
• Hohe Tragfähigkeiten<br />
• Bisher keine Tragfähigkeitsreduzierung innerhalb der<br />
Beharrungsphase feststellbar<br />
• Asphaltanteile bis 50 M.-% stellen kein grundsätzliches Problem<br />
dar<br />
aber:<br />
• Geringere Wasserdurchlässigkeit<br />
Kolloquium für Fortgeschrittene im Straßenwesen am 20.11.2007 19
Institut für Straßen- und<br />
Eisenbahnwesen<br />
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit<br />
Dipl.-Ing. Thomas Chakar
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