Ruhr-Universität Bochum

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1 Ruhr-Universität Bochum Lehrstuhl für Verkehrswegebau Prof. Dr.-Ing. M. Radenberg Modulprüfung WP-C01 Straßenbautechnik und Innovationen Masterstudiengang Umwelttechnik und Ressourcenmanagement (PO 13) Modulprüfung WP 28 Straßenbautechnik und Innovationen Masterstudiengang Bauingenieurwesen (PO 13) Dienstag, den :00 12:00 Uhr Zugelassene Hilfsmittel: Skripte und Mitschriften, Fachliteratur, Taschenrechner Aufgabe % Punkte Note erreicht Name: Matr. Nr.:

2 Aufgabe 1 17 Punkte Zur Erstellung einer Erstprüfung für ein Asphaltmischgut, wurden die folgenden Materialdichten ermittelt. Nach der Methode von Francken/Verstraeten wurde anhand dieser Werte ein Glasmodul von N/mm² ermittelt. Bestimmen Sie den Bindemittelgehalt der geprüften Probe. Nutzen Sie für die Berechnung zwei sinnvolle Schätzwerte für den Bindemittelgehalt und berechnen Sie anschließend aus den zwei Ergebnissen mittels linearer Extrapolation oder Interpolation den Bindemittelgehalt. Rohdichte des Bindemittels Raumdichte des Asphaltmischgutes Rohdichte des Asphaltmischgutes = 1,015 g/cm² = 2,495 g/cm² = 2,575 g/cm² E, ,55 0,0584 V 1 [N/mm²] U e mit: U = V G V B [-] V = (1 - ρ b ρ m ) 100 V B = ρ B B ρ 25 V G = (V + V B ) [Vol.-%] [Vol.-%] [Vol.-%]

3 Aufgabe 2 13 Punkte a) Skizzieren Sie das Spannungs-Verformungsverhalten von Gesteinskörnungsgemischen unter einer statischen Belastung. b) Was verstehen Sie unter dem Begriff Ermüdung im Straßenbau? c) Für eine Bundesautobahn soll die Restnutzungsdauer (Bewertung der strukturellen Substanz) gemäß RSO durchgeführt werden. Welche zwei Methoden der Bohrkernentnahme stehen gemäß RSO zur Verfügung? Nennen Sie je einen Vor- UND einen Nachteil der beiden Methoden. d) Bewerten Sie kurz mit jeweils ein bis zwei Sätzen die Vor- und Nachteile der Dimensionierung einer Asphaltbefestigung nach RStO bzw. RDO.

4 Aufgabe 3 14 Punkte Eine innerstädtische Straße soll großflächig saniert werden. Der verantwortliche Ingenieur hat sich überlegt, dass an der Oberseite des Untergrundes eine maximale Spannung von 0,013 MPa vorliegen soll. Für eine überschlägige Berechnung der Spannungen möchte der Ingenieur eine Ermittlung mittels äquivalenter Ersatzhöhen durchführen. Für die Berechnung wurden zwei Aufbauten gemäß RStO 2012 ausgewählt. a) Weisen Sie mit dem geplanten Verfahren nach, durch welche Vertikalspannung der Untergrund belastet wird. Vereinfachen Sie den Aufbau, falls erforderlich, sinnvoll. b) Bewerten Sie das Vorgehen des Ingenieurs. Welchen Aufbau würden Sie unabhängig von der Anforderung des Ingenieurs für die Sanierung empfehlen? Nennen Sie mindestens 2 Argumente dafür! Folgende Daten liegen Ihnen vor: Belastung: 2 Reifen je Achse, Achslast: 10 t Radius der Radaufstandsfläche: 15 cm Aufbau 1: 21 cm Betondecke (E = MPa) 24 cm Frostschutzschicht (E= 320 MPa) Untergrund (E = 75 MPa) Aufbau 2: 4 cm Asphaltdeckschicht (E = MPa) 10 cm Asphalttragschicht (E = MPa) 31 cm Frostschutzschicht (E= 320 MPa) Untergrund (E = 75 MPa)

5 Aufgabe 4 29 Punkte Die Dimensionierung einer Betonfahrbahndecke erfolgte gemäß RDO Beton 09. Der Baubeginn war für Ende des Sommers vorgesehen. Aufgrund des geringen Wasserstandes im angrenzenden Fluss, konnte dem Betonlieferanten der Baustelle jedoch keine ausreichende Menge des geplanten Kieses geliefert werden, so musste der Zugabeanteil gebrochener, grober Gesteinskörnung im Beton deutlich von 15 % auf 65 % erhöht werden. a) Der Anteil gebrochener, grober Gesteinskörnung hat Auswirkungen auf die physikalischen Eigenschaften der Betonfahrbahndecke. Führen Sie die Nachweise gemäß RDO Beton 09, verwenden Sie die nachfolgenden Tabellen (Anlage 1 bis 3), sowie die bereits ermittelten Momente infolge der Verkehrsbelastung. b) Welcher Materialkennwert der Betonfahrbahndecke wird durch den Austausch der Gesteinskörnung innerhalb der Dimensionierungsberechnung verändert? Ist der vorgenommene Austausch der Gesteinskörnung als positiv oder als negativ für das Tragverhalten der Betonfahrbahndecke zu bewerten? Verkehrsbelastung: B = 35 Mio. äquivalente 10 t-achsübergänge (qbm = 0,32) Straßenbetonklasse: StC 30/37-3,7 Lagesicherheit: Anker und Dübel Dicke der Betondecke: 260 mm Plattenlänge: mm Plattenbreite: mm Momente aus der Verkehrsbelastung: GZT quasidyn., längs: MEVu, längs = Nmm GZT quasidyn., quer: MEVu, quer = Nmm GZG quasidyn., längs: GZG quasidyn., quer: GZT Ermüdung längs: GZT Ermüdung quer: MEV, längs = Nmm MEV, quer = Nmm MEVu,Erm,längs = Nmm MEVu,Erm,quer = Nmm Momente aus der Temperaturbeanspruchung: GZT quasidyn., längs: METu, längs = Nmm GZT quasidyn., quer: METu, quer = Nmm Aufnehmbare Momente: GZT quasidyn., längs und quer: MRdu, längs und quer = Nmm GZG quasidyn., längs und quer: MRd, längs und quer = Nmm

6 Anlage 1: Berechnung der aufnehmbaren Momente: Rechnerische Solldicke : (mm) MRdu GZTquasidynamisch MRd GZGquasidynamisch MRdu GZTErmüdung Längsfuge Querfuge Längsfuge Querfuge Längsfuge Querfuge Lastkollektivquotient für 90 kn Bezugsachslast qb,b 0,39 Berechnungslastwechsel (90 kn) B90 Bn Berechnungslastwechsel Bnq = γq Bn Spaltzugfestigkeit am Bohrkern beim 5 % - Quantil Bnq fctk,core Bettungszahl (Geotextil auf HGT) K 0,15 Faktoren aus Tabellen Querverteilungsfaktor Materialfaktor aus Nacherhärtung (Ermüdungsnachweis) Materialfaktor aus Versagenswahrscheinlichkeit Anpassungsfaktor für quasidynamische Nachweise und konstante Last Berechnungen Ermüdungsfestigkeitsbeiwert γc,fat = 0,15 lg Bnq + 0,748 e -0,1365 Anpassungsfaktor für Berechnungsfestigkeit für Ermüdungsnachweis γq kbn kbt mb γc,fat mb = 1/ γc,fat Grundwert der Berechnungsfestigkeit fd 0 Berechnungsfestigkeit fd Ergebnis MRd,u

7 Anlage 2: Berechnung der einwirkenden Momente infolge Temperatur Rechnerische Solldicke (Annahme): (mm) METu GZTquasidynamisch MET GZGquasidynamisch METu GZTErmüdung Faktoren aus Tabellen Längsfuge Querfuge Längsfuge Querfuge Längsfuge Querfuge Zug-Elastizitätsmodul Ectm Wärmedehnzahl αct Faktor Verformungsaufbau bei Temperaturbeanspruchung γtot Faktor (Temperaturgradient) C1 0,091 0,052 Temperaturfaktor (Verkehrsverteilung über den Tag) mt1 1,0 1,0 Temperaturfaktor (Temperaturgebiet) mt3 1,0 Plattenlänge Lp Plattenbreite Bp Kontaktfaktor mba

8 Anlage 3: Berechnungen Temperaturgradient δt = C1 e -0,004 h δt Reduzierte Plattenlänge Lp,red Reduzierte Plattenbreite Bp,red Verhältnis Bp,red/ Lp,red Kritische Länge Lkrit Verhältnis Lp,red / Lkrit bzw. Bp,red / Lkrit Temperaturfaktor (Plattengeometrie) mt2 Ergebnis MET,ETu

9 Aufgabe 5 10 Punkte Auf einem Testfeld mit Betonplatten für Lastkraftwagen mit 44 t zulässigem Gesamtgewicht sollen neue Reifen getestet werden. Die Reifen unterscheiden sich maßgebend durch einen gestiegenen Reifeninnendruck um 0,25 MN/m². a) Weisen Sie nach, dass die maximalen Spannungen in Plattenmitte 0,750 MPa nicht übersteigen. Welche prozentuale Auslastung der maximalen Spannungen in Plattenmitte wird maximal erreicht? Nutzen Sie nachstehenden Angaben: palt = 1,25 MN/m² h = 220 mm E = MN/m² ks = 100 MPa Q = 50 kn μ = 0,15 b) Ist eine Erhöhung der Achslast bei 2 Reifen je Achse auf 15 t aus bautechnischer Sicht auch bedenkenlos möglich? Setzen Sie für Ihre Berechnung einen Reifendruck von 1,25 MN/m² an. Es gilt auch hier die Grenzspannung in Plattenmitte von 0,750 N/mm².

10 Aufgabe 6 7 Punkte Die geplante Straßenbefestigung soll aus quadratischen Betonplatten erstellt werden. Um eine ausreichende Tragfähigkeit zu gewährleisten, wurde das maßgebende Biegemoment M bereits mit dem Verfahren nach Eisenmann berechnet. a) Bestimmen Sie die maximale Radlast Q in MN zur Einhaltung des Biegemomentes. b) Ermitteln Sie darüber hinaus die Plattendicke. Beachten Sie die gegebenen Randbedingungen vollständig. Plattenlänge: L = 2350 [mm] Lastkreisradius: a = 123 [mm] Querdehnzahl: μ = 0,16 [-] Maximales Biegemoment: M = [Nmm] Biegezugfestigkeit unter Einzellast: βbz = 4,5 [N/mm²] Starker Verkehr mit Belastung durch Schwerverkehr

11 Aufgabe 7 30 Punkte Für die rechnerische Bemessung eines Straßenaufbaus muss das Steifigkeitsverhalten der einzelnen Schichten geprüft werden. In der Tabelle 1 (Anlage 4) sind die Ergebnisse der dynamischen Spaltzug-Schwellversuche für eine Asphaltdeckschicht für die Temperaturen 20 C, 10 C, 0 C und -10 C und die Belastungsfrequenzen 10 Hz, 5 Hz, und 1 Hz gegeben. Vor der Prüfung wurden alle verwendeten Probekörper einheitlich auf eine Höhe von 40 mm und einen Durchmesser von 100 mm geschliffen. Die während der gesamten Prüfung verwendete Unterspannung betrug 0,035 MPa. a) Berechnen Sie mit Hilfe der Tabelle 1 (Anlage 4) für alle Temperaturen die Steifigkeitsmoduln der Asphaltdeckschicht. b) Tragen Sie anschließend für jede Temperatur den Verlauf des Steifigkeitsmoduls in Abhängigkeit der Prüffrequenz in das gegebene Diagramm 1 (Anlage 5) ein. c) Welche generelle Aussage lässt sich über das Verhalten des Steifigkeitsmoduls beim Asphalt bei unterschiedlichen Temperaturen treffen? d) Welche generelle Aussage lässt sich über das Verhalten des Steifigkeitsmoduls beim Asphalt bei unterschiedlichen Belastungsfrequenzen treffen? Hinweis: Die Einheit MPa (Mega Pascal) entspricht der Einheit N/mm².

12 Anlage 4: Tabelle 1 Temperatur Frequenz σ min F min σ max F max ΔF Δu E [ C] [Hz] [MPa] [N] [MPa] [N] [N] [mm] [MPa] 10 0,30 0, ,25 0, ,15 0, ,50 0, ,40 0, ,25 0, ,80 0, ,70 0, ,55 0, ,10 0, ,05 0, ,95 0,003027

13 Steifigkeitsmodul [MPa] Anlage 5: Diagramm , Belastungsfrequenz [Hz]

14 Aufgabe 8 15 Punkte Sie sollen den Eignungsnachweis zur Zusammensetzung und den Eigenschaften eines Asphaltdeckschichtmischgutes für einen Autobahnausbau erbringen. Im Labor wurden dafür folgende Kennwerte ermittelt: Kornzusammensetzung: o Kornklasse 2/8 mm: 73,9 M.-% o Kornklasse 0/2 mm: 15,3 M.-% o Füller: 10,8 M.-% Dichten: o Rohdichte des Gesteinskörnungsgemisches: o Dichte des Bitumens: 2,715 g/cm³ 1,020 g/cm³ Mischguteigenschaften: Bindemittelgehalt [M.-%] 7,5 7,8 8,1 Raumdichte am Marshall-Probekörper [g/cm³] 2,326 2,333 2,348 a) Um welche Art von Deckschichtmischgut handelt es sich? Nutzen Sie zur Bestimmung Anlage 6. b) Prüfen Sie zunächst, ob die drei verschiedenen Asphaltgemische die Anforderungen nach den TL Asphalt-StB erfüllen. c) Schlagen Sie ein Mischgut zur Bauausführung vor und begründen Sie Ihre Wahl. d) Berechnen Sie für das von Ihnen vorgeschlagene Mischgut (1) den Hohlraumausfüllungsgrad, (2) den fiktiven Hohlraumgehalt und (3) den mit Bindemittel gefüllten Hohlraum. e) Nennen Sie die Bindemittelsorte, die für diesen Anwendungsfall verwendet werden kann. Geben Sie die maßgebenden Kennwerte an.

15 Aufgabe 8 15 Punkte Anlage 6: Kennwerte von Asphaltdeckschichten

16 Aufgabe 8 15 Punkte

17 Aufgabe 8 15 Punkte

18 Aufgabe 8 15 Punkte

19 Aufgabe 9 10 Punkte Im Eignungsnachweis für ein ungebundenes Baustoffgemisch wurde ein Proctorversuch durchgeführt. Es stellten sich die Trockendichten entsprechend Diagramm 2 ein. 2,400 2,350 2,300 2,250 2,200 2,150 2,100 2,050 2,000 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 8,5 9,0 9,5 10,0 Diagramm 2: Ergebnisse des Proctorversuchs a) Das Diagramm zeigt 2 Sättigungslinien. Ergänzen Sie das Diagramm mit dem zweiten Sättigungsgrad. b) Zeichnen Sie die Proctorkurve und bestimmen Sie die zwei maßgebenden Werte. c) Auf der Baustelle wurde an dieser Schicht eine Dichte von 2,155 g/cm³ ermittelt. Berechnen Sie den Verdichtungsgrad dieser Schicht.

20 Aufgabe 10 5 Punkte a) Nennen Sie zwei Prüfgeräte, mit denen die rheologischen Eigenschaften von bitumenhaltigen Bindemitteln untersucht werden können. b) Welche derzeit maßgebenden Kennwerte können mit diesen Prüfgeräten bestimmt werden?

21 Aufgabe Punkte a) Was bedeutet die Kurzbezeichnung GmB 25/55-55? b) Was bedeutet die Plastizitätsspanne bei Straßenbaubitumen und warum wird ist sie bei Gummimodifiziertem Bitumen größer? Was bedeutet dies für die Einsatzmöglichkeiten des Gummimodfizierten Bindemittels in der Praxis? c) Benennen Sie typische Asphaltsorten, bei denen Gummimodifiziertes Bindemittel eingesetzt wird und ihre möglichen Besonderheiten. d) Benennen Sie den Unterschied zwischen Frostwiderstand und Frostempfindlichkeit. e) Warum eignet sich der Einsatz einer Asphaltdeckschicht PA 11 nicht zur Reduzierung von Verkehrslärm im innerstädtischen Bereich? f) Beschreiben Sie die lärmreduzierende Wirkungsweise von AC 5 D LOA! g) Nennen Sie die drei Gruppen der in Deutschland gebräuchlichsten organischen Zusätze zur Temperaturabsenkung! h) Nennen Sie 4 Vorteile temperaturabgesenkter Asphalte! i) Welche 3 Materialien beeinflussen das Haftverhalten im Straßenbau maßgebend? j) Beschreiben Sie den Unterschied zwischen Kohäsion und Adhäsion.