Pflaster und Wissenschaft ein Widerspruch?

Transkript

1 Fakultät Bauingenieurwesen Professur für Straßenbau Pflaster und Wissenschaft ein Widerspruch? Technologiesymposium DESING DURCH FORM Lengenfeld, 14. September 2017 Frohmut Wellner

2 Folie Page 2 Geschichte

3 Folie Page 3 Geschichte China (Xi an) ca. 210 v.u.z.

4 Folie Page 4 Geschichte Straßen der Atzeteken ca. 14. Jh.

5 Folie Page 5 Natursteinpflaster Stockholm

6 Folie Page 6 Wissenschaft und Pflaster

7 Folie Page 7 Wissenschaft und Pflaster Pflastern ist ein Handwerk mit langer Geschichte!.. und wir haben ein umfassendes Regelwerk dafür!

8 Folie Page 8 Maßgebendes Regelwerk Ausgabe 2012

9 Folie Page 9 Schäden Aber...

10 Folie Page 10 Zerstörtes Bettungs-/Fugenmaterial/ Spurrinnen

11 Folie Page 11 Wasserundurchlässige Unterlage

12 Folie Page 12 Verschiebung der Steine

13 Folie Page 13 Vermörteltes Pflaster? Deutschland Sydney (Australien) Dali (China )

14 Folie Page 14 Falsch zugeschnitten

15 Folie Page 15 Pflaster und Wissenschaft Pflastern ist ein Handwerk mit langer Geschichte!.. Muss denn / Was kann denn die Wissenschaft heute noch dazu beitragen?

16 Folie Page 16 Verkehrsbelastung Ursachen für Schäden: - zu hohe Verkehrsbelastung - zu geringe Tragfähigkeit der Unterlage - zu geringe Fugenbreiten (maschinelle Verlegung!), leere Fugen (fehlende Filterstabilität ) - wasserundurchlässige Unterlage - vermörteltes Pflaster

17 Folie Page 17 Verkehrsbelastung Prognose 2050 Faktor: 5! Bast 2010

18 Folie Page 18 Verkehrsbelastung Prognose 2050 Faktor: 1,5 2? Bast 2010

19 Folie Page 19 Verkehrsbelastung

20 Folie Page 20 Verkehrsbelastung ist das relevant für Pflasterflächen? Lang-LKW/Giga-Liner (60 t LKW) Pflaster!

21 Folie Page 21 Verkehrsbelastung? Für Pflaster empfohlen!

22 Verkehrsbelastung Methode 1.1: B N ( SV ) [ DTA i 1 f 1 i f 2 i ( 1 i = 1 = 365 q f p )] Bm Wissenschaft? i Methode 1.2: Wer rechnet wirklich? Folie Page 22 B ( SV ) = N DTA q Bm f 1 f 2 f 3 f Z 365

23 Folie Page 23 Verkehrsbelastung RStO 12

24 Folie Page 24 Verkehrsbelastung RStO 12

25 Folie Page 25 Verkehrsbelastung Es besteht die Möglichkeit der Bewertung der Verkehrsbelastung nach den RStO, aber: Festlegung der Belastungsklasse nur nach Funktion der Straße ist risikobehaftet!

26 Folie Page 26 Verkehrsbelastung Es besteht die Möglichkeit der Bewertung der Verkehrsbelastung nach den RStO, aber: Festlegung der Belastungsklasse nur nach Funktion der Straße ist risikobehaftet! Auch bei Zählen der Fahrzeuge und Berechnung der B-Zahl mit Hilfe der Faktoren besteht ein Risiko der Fehleinschätzung! Methode 1.1: N ( SV ) [ DTA i 1 f1i f 2i ( 1 i= 1 B = 365 q Bm f pi )] Forschungsprojekt FE : Aktualisierung und Anpassung der Straßenbelastungsdaten für die Dimensionierung Methode 1.2: B ( SV ) = N DTA q Bm f1 f 2 f3 f Z 365

27 Folie Page 27 Ursachen Ursachen für Schäden: - zu hohe Verkehrsbelastung - zu geringe Tragfähigkeit der Unterlage - zu geringe Fugenbreiten (maschinelle Verlegung!), leere Fugen (fehlende Filterstabilität ) - wasserundurchlässige Unterlage - vermörteltes Pflaster

28 Folie Page 28 RStO Bei guter örtlicher Bewährung ist in der Belastungsklasse Bk3,2 ein Verformungsmodul E v2 auf der Tragschicht ohne Bindemittel von = 150 MPa ausreichend

29 Folie Page 29 ZTV Pflaster /15

30 Folie Page 30 ZTV Pflaster Fußnote 10) : Siehe ZTV Pflaster Generell gilt: Die Herstellung von Pflasterdecken... setzt voraus, dass die Unterlage geeignet ist; insbesondere muss sie ausreichend standfest, tragfähig, wasserdurchlässig sowie profilgerecht eben sein.... /15 Dies gilt im Allgemeinen als erfüllt, wenn die Unterlage den jeweils dafür maßgebenden technischen Regelwerken entspricht.

31 Folie Page 31 Versuchsstand

32 Folie Page 32 Pflastersteine A U R auf Kiestragschicht und Schottertragsschicht

33 Folie Page 33 Plastische Verformungen [mm] Vertikale Belastung 0-0,5-1 -1,5-2 -2,5-3 -3,5-4 -4,5 RBSK -5 ABSK -5,5 Ist EUBSK -6 RBBS v2 ausreichend bzw. aussagefähig? Sind -6,5die übrige ABBSAnforderungen nach TL/ZTV ausreichend? UBBS -7-7, Lastwechsel [-].obwohl bei beiden Tragschichtvarianten E v2 =150 MN/m²!!

34 Folie Page 34 Triaxialversuche Laststempel Zelldruckventil Dichtung Kopfplatte Druckmessdose Zelle Membran Vertikale Wegaufnehmer Horizontale Wegaufnehmer Probekörper Eingbauter Anker mit Gewindestange Zelldruckmessdose Fussplatte Dichtungsringe

35 Folie Page 35 Plastische Verformung nach Lastzyklen pro 100 mm Schichtdicke Versuchsergebnisse aus Neuseeland Belastung 1 Belastung 2 Belastung 3 Belastung 4

36 Folie Page 36 Lastverteilung Pflastersteine unter der Lastfläche (Kreis, 30 cm) Rechtecksteine Fläche zur Lastübertragung sehr klein! 7 Steine * 200 cm² = 1400 cm² Was tun? Winkelverbundsteine

37 Folie Page 37 Forschungsantrag Wird finanziert durch BMVI und demnächst ausgeschrieben

38 Folie Page 38 Verschiedene Steinformen A U R

39 Folie Page 39 Verschiedene Steinformen

40 Folie Page 40 Verformungen nach 1. Mio. LW Last Wegaufnehmer Lastplatte Last Stufe! Lastplatte

41 Folie Page 41 Lastverteilung Rechtecksteine Pflastersteine unter der Lastfläche (Kreis, 30 cm) Rechtecksteine 7 Steine * 200 cm² = 1400 cm² Erfasste Fläche unter der Lastplatte 7 Steine * 200 cm² Winkelverbundsteine = 1400 cm² 7 Steine * 375 cm² = 2625 cm² Winkelverbundsteine

42 Folie Page 42 ZTV Pflaster Wenn Verkehrsbelastungen der Belastungsklassen Bk3,2 bis Bk1,0 der RStO zu erwarten sind, sind Pflastersteinformen und/oder Verbände vorzusehen, welche durch möglichst große Flächenwirkung Lastübertragung in vertikaler Richtung gewährleisten. Bei Verkehrsflächen mit hohen Horizontalbeanspruchungen, wie z.b. an Steigungstrecken, Verzögerungs- oder Beschleunigungsstrecken sowie mit Rangierverkehr, ist zusätzlich abzuwägen, ob durch die Verwendung von Steinen mit größerer Dicke die Stabilität der Pflasterdecke erhöht werden kann. Bei Verkehrsflächen mit hohen Horizontalbeanspruchungen, wie z.b. an Steigungsstrecken, Verzögerungs- oder Beschleunigungsstrecken sowie mit Rangierverkehr, sind Pflastersteine mit Verbundwirkung und/oder Verbände, welche einen hohen Widerstand gegen Verdrehung (Verkippung) in Fahrtrichtung gewährleisten (z.b. Fischgrätverband) zu bevorzugen. Große Flächenwirkung!!

43 Folie Page 43 Versuche mit Horizontal- und Vertikalbelastung Horizontal- und Vertikalbelastung?

44 Folie Page 44 Pflastersteinformen und Tragschichten Schottertragschicht auf Kiessand, E v2 = 150 N/mm²

45 Folie Page 45 Horizontalverschiebung [mm] Versuchsergebnisse 1 Abstand von Lastachse [mm]

46 ZTV Pflaster ZTV Pflaster sagt hierzu: Folie Page 46 Wenn Verkehrsbelastungen der Belastungsklassen Bk3,2 bis Bk1,0 der RStO zu erwarten sind, sind Pflastersteinformen und/oder Verbände vorzusehen, welche durch möglichst große Flächenwirkung Lastübertragung in vertikaler Richtung gewährleisten. Forschungsprojekt FE : Bei Verkehrsflächen Untersuchungen mit hohen Horizontalbeanspruchungen, Über die Verteilung wie z.b. von an Steigungsstrecken, Verzögerungs- oder Beschleunigungsstrecken sowie mit Rangierverkehr, auftretenden ist zusätzlich Schubabzuwägen, und ob durch Torsionskräften die Verwendung von in Steinen mit größerer Dicke Pflasterbelägen die Stabilität der Pflasterdecke (RUB/TUD) erhöht werden kann. Bei Verkehrsflächen mit hohen Horizontalbeanspruchungen, wie z.b. an Steigungsstrecken, Verzögerungs- oder Beschleunigungsstrecken sowie mit Rangierverkehr, sind Pflastersteine mit Verbundwirkung und/oder Verbände, welche einen hohen Widerstand gegen Verdrehung (Verkippung) in Fahrtrichtung gewährleisten (z.b. Fischgrätverband) zu bevorzugen. Hohe Horizontalbeanspruchung!!

47 Folie Page 47 Vermörteltes Pflaster

48 Folie Page 48 Das Problem Ausgangsbedingungen Belastung + Wasser Temperaturänderung+ Frost Wasserbewegung mit hoher Geschwindigkeit Erosion

49 Folie Page 49 Tests Vertikale + horizontale Last (3.6 t) (geneigter Zylinder) Vertikale Last (5 t) Induktive Wegaufnehmer

50 Folie Page 50 Herstellung

51 Folie Page 51 Messtechnik

52 Folie Page 52 plastische Horizontaldeformation [mm] Testergebnisse (vertikale Last) 0-0,5-1 -1,5-2 -2,5-3 -3,5-4 -4,5-5 -5,5-6 -6,5-7 -7, cycles [-] RBSK ABSK UBSK RBBS ABBS UBBS Lastwiederholungen Gebundene Decke

53 Folie Page 53 Horizontalverschiebung [mm] Testergebnisse (vertikale und horizontale Last) Lastplatte Abstand von der Lastachse gebundene Decke

54 Folie Page 54 Nach 2,5 Mill. Lastzyklen - keine Schäden?! - keine Risse?!

55 Folie Page 55 Tests Erste Risse! Industriegeförderte Auftragsforschung: Untersuchungen zur Dauerhaftigkeit aber: vermörtelter Pflasterbeläge - kein Wasser! (Auftraggeber: Mörtelhersteller) - keine Erosion!

56 Folie Page 56 Beispiel Aufgabenstellung 100 t Befestigung eines Containerterminals mit einer Pflasterbefestigung unter folgenden Voraussetzungen: Untergrundtragfähigkeit: CBR = 5 % Nutzung: Containertransportfahrzeuge mit Achslasten bis 100 t Frequentierung: 20 Fahrzeuge/Tag

57 Folie Page 57 Spannung [MPa] Pflaster auf ToB Nachweis nicht eingehalten! Dicke der Tragschicht [mm]

58 Folie Page 58 Durchbiegung [mm] Pflaster auf HGT = ZGT Pflaster auf HGT

59 Folie Page 59 Direkter Vergleich Pflasterdecke: cm Tragschicht mit hydraulischem Bindemittel/ Asphalt: 55 cm cm Frostschutzschicht: 45 cm cm Summe: 115 cm cm

60 Folie Page 60 Maximalvariante (Niederlande) Pflasterdecke: cm Tragschicht mit hydraulischem Bindemittel/ Asphalt: 80 cm Frostschutzschicht: 55 cm Summe: 150 cm

61 Folie Page 61 Minimalvariante (Norwegen) Pflasterdecke: Schottertragschicht: Geogitter: Summe: cm 25 cm 0 cm 40 cm lag schon schadensfrei 8 Jahre unter Benutzung

62 Fortschritte in der Dimensionierung /Prognose (von Mike Wolf) alt: D Oberbau = 3,14 x P neu: D Oberbau = 3, x x F HEG Folie Page 62 F HEG : hat eigentlich gehalten - FAKTOR

63 Folie Page 63 Ursachen - zu hohe Verkehrsbelastung - zu geringe Tragfähigkeit der Unterlage - zu geringe Fugenbreiten (maschinelle Verlegung!), leere Fugen (fehlende Filterstabilität ) - wasserundurchlässige Unterlage - vermörteltes Pflaster

64 Folie Page 64 RStO Fußnote 10) : Siehe ZTV Pflaster

65 Folie Page 65 ZTV Pflaster Fußnote 10) : Siehe ZTV Pflaster Generell gilt: Die Herstellung von Pflasterdecken... setzt voraus, dass die Unterlage geeignet ist; insbesondere muss sie ausreichend standfest, tragfähig, wasserdurchlässig sowie profilgerecht eben sein.... Dies gilt im Allgemeinen als erfüllt, wenn die Unterlage den jeweils dafür maßgebenden technischen Regelwerken entspricht. / 15

66 Folie Page 66 M VV Merkblatt für Versicherungsfähige Verkehrsflächen Erste Grundlagen dafür: dafür: Optimierung der Zusammensetzung wasserdurchlässiger Asphaltbefestigungen AiF-Forschungsvorhaben Nr BG TU Darmstadt, Prof. Bald TU Dresden, Prof. Wellner Oktober 2005