Vorgehensweise: Im Forschungsprojekt werden zwei voneinander abhängige Verfahren entwickelt: 1. Ableitung von Tragfähigkeitskennwerten auf der Grundla

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1 Ermittlung von Strukturparametern an Straßenverkehrsflächenbefestigungen in Asphaltbauweise

2 Vorgehensweise: Im Forschungsprojekt werden zwei voneinander abhängige Verfahren entwickelt: 1. Ableitung von Tragfähigkeitskennwerten auf der Grundlage der Wellenausbreitung in der Fahrbahnkonstruktion unter impulsförmiger Belastung anhand von wellenphysikalischen Gesetzmäßigkeiten [Universität Siegen] 2. Ableitung der Steifigkeit von Asphaltgemischen und von Asphaltschichtensystemenanhand von Körperschallfeldern [Hochschule Mittweida]

3 Vorgehensweise: Institut für Straßenwesen der Universität Siegen: 1. Messverfahren mit dem Falling Weight Deflectometer 2. Wellentypen 3. Auswertung anhand von Wellenausbreitungen 4. Untersuchungsergebnisse an den bestehenden Fahrbahnkonstruktionen unter Laborbedingungen und in-situ

4 Messverfahren FWD Fallgewicht Fallhöhe Gummipuffer Geophone OK Fahrbahn D1(t) D2(t) D3(t) D4(t) D5(t) D6(t) D7(t) D8(t) D9(t)

5 Messverfahren FWD Fallgewicht Fallhöhe Gummipuffer Geophone OK Fahrbahn D1(t) D2(t) D3(t) D4(t) D5(t) D6(t) D7(t) D8(t) D9(t)

6 Messverfahren FWD schematischer Aufbau eines Geophons

7 Messverfahren FWD Eigenschaften des Geophons SM 6 bei den verwendeten Geophonen beträgt der Proportionalitätsfaktor ab einer Frequenz von 20 Hz ca. 28 V/m/s die untere Grenzfrequenzbeträgt 4,5 Hz, unterhalb dieser Frequenz sind die Messwerte nur bedingt nutzbar zwischen 4,5 und 20 Hz ist die induzierte Spannung und somit die gemessene Amplitude frequenzabhängig

8 Messverfahren FWD Messwertaufbereitung

9 Messverfahren FWD Messwertaufbereitung extern erfasste Messwerte (Rohdaten) Amplituden-Frequenz-Spektrum Bauklasse V, Zeile 3 unbelastet Amplitude real messbares Signal aufgrund der Dämpfung nur noch teilweise im Signal enthalten Frequenz [Hz]

10 Messverfahren FWD Messwertaufbereitung extern erfasste Messwerte (Rohdaten) Amplituden-Frequenz-Spektrum Bauklasse V, Zeile 3 belastet Amplitude real messbares Signal aufgrund der Dämpfung nur noch teilweise im Signal enthalten Frequenz [Hz]

11 Messverfahren FWD

12 Messverfahren FWD

13 Messverfahren FWD

14 Messverfahren FWD

15 Messverfahren FWD

16 Messverfahren FWD

17 Messverfahren FWD

18 Messverfahren FWD

19 Messverfahren FWD

20 Wellentypen Wellentypen Körperwellen Oberflächenwellen Kompressionswelle Scherwelle Rayleigh-Welle Love-Welle

21 Wellentypen Wellenausbreitung unter impulsförmiger Belastung Kompressionswelle

22 Wellentypen Wellenausbreitung unter impulsförmiger Belastung: im Zuge einer impulsförmigen Belastung, wie sie durch das FWD ausgeübt wird, entsteht in der Befestigung im Lastzentrum eine vertikal gerichtete P-Welle außerhalb des Lastzentrums eine Rayleigh-Welle

23 Wellentypen Kompressionswelle

24 Wellentypen Rayleigh-Welle k = Wellenzahl (Kreisfrequenz/Geschwindigkeit)

25 Wellentypen Externe Messwerterfassung

26 Wellentypen Bildung von Sensorpaaren geometrisches Verhältnis Wellenlänge Wirktiefe

27 Wellentypen Bildung von Sensorpaaren a 2 [m] 0,20 0,30 0,45 0,60 0,90 1,20 1,50 1,80 0,20 0,08 m - 0,70 m 0,11 m - 1,00 m 0,14 m - 1,30 m 0,18 m - 1,60 m 0,30 0,00 m - 0,15 m 0,10 m - 0,90 m 0,13 m - 1,20 m 0,17 m - 1,50 m a 1 [m] 0,45 0,00 m - 0,23 m 0,15 m - 1,35 m 0,60 0,00 m - 0,30 m 0,90 0,00 m - 0,45 m

28 Auswertungsverfahren Vergleich der Phasenverschiebung Rayleigh-Welle

29 Auswertungsverfahren Vergleich der Phasenverschiebung Rayleigh-Welle

30 Auswertungsverfahren Vergleich der Phasenverschiebung Rayleigh-Welle Frequenz [Hz] Phasenwinkel [ ]

31 Auswertungsverfahren Vergleich der Phasenverschiebung Rayleigh-Welle Frequenz [Hz] Phasenwinkel [ ]

32 Untersuchungsergebnisse

33 Messungen auf Straßenbefestigungen: mit dem veränderten Messsystem und dem entwickelten Auswerteverfahren wurden Untersuchungen an realen Verkehrsbefestigungen durchgeführt: 1. auf der Modellstraße der Bundesanstalt für Straßenwesen an Befestigungen unterschiedlicher Bauklassen gleicher Bauweise an Befestigungen unterschiedlicher Bauweise gleicher Bauklasse an einer Befestigung mit und ohne simulierter Verkehrsbelastung 2. auf einer Straßenbefestigung in-situ

34 Modellstraße der Bundesanstalt für Straßenwesen

35 Messungen auf der Modellstraße: Planum -90 cm

36 Messungen auf der Modellstraße: Messergebnis für Bauklasse SV Steifigkeit [MPa] ADS Tiefe unter Fahrbahnoberfläche e -10 cm -100 cm Messbereich ABi ATS FSS T = 20 C

37 Messungen auf der Modellstraße: Messergebnis für Bauklasse III Steifigkeit [MPa] ADS Tiefe unter Fahrbahnoberfläche e -10 cm -100 cm Messbereich ABi ATS FSS T = 20 C

38 Messungen auf der Modellstraße: Messergebnis für Bauklasse V Steifigkeit [MPa] ADS Tiefe unter Fahrbahnoberfläche e -10 cm -100 cm Messbereich ATS FSS T = 20 C

39 Messungen auf der Modellstraße: MPa MPa 250 MPa 230 MPa 200 MPa 126 MPa 135 MPa 116 MPa Planum -90 cm

40 Untersuchungsergebnisse Zwischenfazit: aufgrund der Sensoranordnung liegt der derzeitige Messbereich zwischen 0,15 1,35 m somit kann die gebundene Befestigung gemäß Zeile 1 der Bauklasse V nicht detektiert werden für die gebundene Befestigungen gemäß Zeile 1 der Bauklasse III und SV kann ein Steifigkeitsmodul aufgrund der Wellenausbreitung detektiert werden

41 Messungen auf der Modellstraße: Planum -90 cm

42 Messungen auf der Modellstraße: Messergebnis für Bauklasse III Steifigkeit [MPa] ADS Tiefe unter Fahrbahnoberfläche e -10 cm -100 cm Messbereich ABi ATS FSS T = 20 C

43 Messungen auf der Modellstraße: Messergebnis für Bauklasse III Steifigkeit [MPa] ADS Tiefe unter Fahrbahnoberfläche e -10 cm -100 cm Messbereich ABi ATS STS FSS T = 20 C

44 Messungen auf der Modellstraße: Messergebnis für Bauklasse III Steifigkeit [MPa] ADS Tiefe unter Fahrbahnoberfläche e -10 cm -100 cm Messbereich ABi ATS KTS FSS T = 20 C

45 Messungen auf der Modellstraße: MPa MPa MPa MPa MPa 158 MPa 144 MPa MPa MPa 280 MPa MPa 126 MPa 128 MPa Planum -90 cm

46 Messungen auf der Modellstraße: Zwischenfazit: anhand des Verfahrens ist eine Unterteilung der ungebundenen Schichten hinsichtlich der Bauweisen Zeile 1, Zeile 3 und Zeile 4 möglich die Steifigkeiten liegen deutlich höher als die E V2 -Werte der jeweiligen Schicht

47 Messungen auf der Modellstraße: unbelastet belastet Planum -90 cm

48 Messungen auf der Modellstraße: Messergebnis für Bauklasse III, auf Kiestragschicht Steifigkeit [MPa] ADS Tiefe unter Fahrbahnoberfläche e -10 cm -100 cm Messbereich ABi ATS KTS FSS T = 20 C

49 Messungen auf der Modellstraße: Messergebnis für Bauklasse III, auf Kiestragschicht Steifigkeit [MPa] ADS Tiefe unter Fahrbahnoberfläche e -10 cm -100 cm Messbereich ABi ATS KTS FSS T = 20 C

50 Messungen auf der Modellstraße: MPa MPa MPa MPa MPa MPa unbelastet belastet Planum -90 cm

51 Messungen auf der Modellstraße: Zwischenfazit: Veränderungen in einzelne Schichten aufgrund von strukturell zerstörenden Einflüssen (hier Impulsgeberbelastung) können anhand der Steifigkeitsänderung detektiert werden die Ergebnisse zeigen eine Versteifung der ungebundenen Schichten während der Belastungsdauer können diese Effekte auch in der Realität detektiert werden?

52 Untersuchungsergebnisse in-situ

53 Messungen in situ:

54 Messungen in situ: Messergebnis auf einer Bundesstraße der Bauklasse II Steifigkeit [MPa] ADS Tiefe unter Fahrbahnoberfläche e -10 cm -100 cm MPa MPa 750 MPa Messbereich ABi ATS FSS T = 20 C

55 Messungen in situ:

56 Messungen in situ: Messergebnis auf einer Bundesstraße der Bauklasse II Steifigkeit [MPa] ADS Tiefe unter Fahrbahnoberfläche e -10 cm -100 cm MPa MPa 750 MPa Messbereich E v2 mit mittelschwerem Gerät: ca. 300 MPa ABi ATS FSS T = 20 C

57 Messungen in situ: Messergebnis auf einer Bundesstraße der Bauklasse II Laborergebnisse FWD Binderschicht FWD Tragschicht

58 Messungen in situ: Zwischenfazit: in-situ kann die Tiefenbegrenzung von 0,15 m auf 0,08 m unterhalb der Oberkante der gebundenen Befestigung verringert werden die aufgrund der Wellentheorie abgeleiteten Steifigkeitsmoduln können in einen funktionalen Zusammenhang zu der im Labor ermittelten Master Curve gesetzt werden

59 Zusammenfassung: die bisherigen Ergebnisse zeigen, dass auf der Grundlage der Wellenausbreitung die Schichtgrenzen zwischen ungebundene Schichten unterschiedlichen Materialverhaltens zwischen ungebundenen und gebundenen Schichten zwischen gebundenen Schichten unterschiedlichen Materialverhaltens detektiert werden können.

60 Zusammenfassung: die bisherigen Ergebnisse deuten darauf hin, dass auf der Grundlage der Wellenausbreitung die Steifigkeitsmoduln in den ungebundene Schichten in den gebundenen Schichten ermittelt werden können. der Bewertungshintergrund ist aber noch nicht ausreichend unbekannt sind diesbezüglich insbesondere die Streuungen der Messwerte die Einflussparameter und deren Sensitivität

61 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!