Performance von Asphalt Ermüdungswiderstand und Steifigkeit Dipl.-Ing. Jan Jähnig Dipl.-Ing. Jan Jähnig www.gfsdd.de Folie 1
Eingangswerte für die rechnerische Dimensionierung Ermüdungswiderstand Widerstand gegen ermüdungsbedingte Rissbildung, die infolge wiederholter Verkehrsbelastung zu fortschreitender Schädigung und dadurch zu verringerter Steifigkeit und Festigkeit führt. Steifigkeit Viskoelastische Kenngröße zur Berechnung der temperatur- und belastungszeitabhängigen Spannungs-Dehnungsbeanspruchungen in Asphaltschichten. Die Steifigkeit von Asphalt wird durch den komplexen E-Modul und die komplexe Querdehnzahl beschrieben. Dipl.-Ing. Jan Jähnig www.gfsdd.de Folie 2
Dimensionierungsverfahren Empirische Verfahren i.d.r. Standardisierung - Vorgabe Schichtdicke nach Erfahrung, - keine Berücksichtigung von unterschiedlichen Materialeigenschaften Analytische Verfahren Flexibles Bemessungsverfahren - Schichtdicke nach Erfordernis, - Berücksichtigung unterschiedlicher Materialeigenschaften sowie verkehrlicher und klimatischer Bedingungen möglich Dipl.-Ing. Jan Jähnig www.gfsdd.de Folie 3
S 26-1 B 35 S 26-2 Einleitung Erfahrungen Tendenzen Rechnerische Dimensionierung BMBF Projekt Nachhaltiger Straßenbau 2002 200 2006 200 2010 Dipl.-Ing. Jan Jähnig www.gfsdd.de Folie
Dimensionierungsverfahren Nachweisführung Deckschicht Binderschicht ATS Simulation der Beanspruchungen im Labor Dipl.-Ing. Jan Jähnig www.gfsdd.de Folie 5
Rechnerische Dimensionierung Verkehrslastkollektiv Klimatische Bedingungen Materialkennwerte, Schichtdicken Modellbildung Berechnungsverfahren Neufestlegung: Materialeigenschaften und Schichtdicken Nachweis Asphalt Ermüdung "Nachweis" Asphalt Spurrinne Erfüllt? NEIN JA Nachweis ToB Verformung Erfüllt? NEIN JA Nachweis Boden (Planum) Verformung Erfüllt? NEIN JA Ausreichend dimensionierte Befestigung [Alexander KIEHNE] Dipl.-Ing. Jan Jähnig www.gfsdd.de Folie 6
Einfluss der Materialqualität 1. Standard-Asphalte nach ZTV Schichtdicken wie RStO 01 (Tafel 1) 2. optimierte Asphalte Einleitung Erfahrungen Tendenzen Bessere Performance Eigenschaften als Standard-Asphalte (Nachweis im Labor) Asphalttragschicht Frostschutzschicht Dicke der Frostschutzschicht Längere Nutzungsdauer, wenn Schichtdicke wie in RStO 01 5 Asphalttragschicht Geringere Schichtdicke, wenn Nutzungsdauer = 30 Kiestragschicht Jahre Dicke der Frostschutzschicht Einsatzmöglichkeit der Asphaltbauweise für höchste Beanspruchungen Hochbelastete BAB (B > 100 Mio.) Industrie- und Sonderverkehrsflächen Zeile Bauklasse SV I II Äquivalente 10-t-Achsübergänge B > 32 > 10-32 > 3-10 in Mio. Dicke des frostsich. Oberbaues 1) 55 65 75 5 55 65 75 5 55 65 75 5 5 Asphalttragschicht auf Frostschutzschicht 1 2.1 2.2 2.3 3 5 Tafel 1: Bauweisen mit Asphaltdecke für Fahrbahnen auf F2- u (Bauweisen auf F1-Böden s. Abschnitt 3.1.2) Asphaltdeckschicht Asphaltbinderschicht Asphalttragschicht Frostschutzschicht - - 30 2) 0 - - 3 2) - 2 3) 3 - Asphalttragschicht und Kiestragschicht auf Frostschutzschicht Asphaltdeckschicht Asphaltbinderschicht Frostschutzschicht 120 5 150 E v2 150(120) 20 120 5 5 1 50 60 150 120 5 5 1 20 6 56 150 120 - - 25 3) 35 - - 29 3) 39 - - 33 2) 3 - Asphalttragschicht und Schotter- oder Kiestragschicht auf Schicht aus fr Asphaltdeckschicht Asphaltbinderschicht Asphalttragschicht 1 1 10 150 150 150 Schotter- oder Kiestragschicht 17) 30 5) 30 5) 30 5) E v2 150(120) 5 5 1) Bei abweichenden Werten sind die Dicken der Frostschutzschicht bzw. des frostunempfindlichen Materials durch Differenzbildung zu bestimmen, siehe auch Tabelle 2) Mit rundkörnigen Gesteinskörnungen nur bei örtlicher Bewährung anwendbar 3) Nur mit gebrochenen Gesteinskörnungen und bei örtlicher Bewährung anwendbar ) Nur auszuführen, wenn das frostunempfindliche Material und das zu verfestigende Material als eine Schicht eingebaut werden 22 3 120 5 1 30 120 Dicke der Frostschutzschicht - 31 2) 1 51 25 3) 35 5 55 29 3) 39 9 59 - Asphalttragschicht und Tragschicht mit hydraulischem Bindemittel auf F Schicht aus frostunempfindlichem Material Asphaltdeckschicht Asphaltbinderschicht Asphalttragschicht Hydraulisch gebundene Tragschicht (HGT) Frostschutzschicht Dicke der Frostschutzschicht Asphaltdeckschicht Asphaltbinderschicht Asphalttragschicht Verfestigung Schicht aus frostunempfindlichem Material weit- oder intermittierend gestuft gemäß DIN 1196 Dicke der Schicht aus frostunempfindlichem Material Asphaltdeckschicht Asphaltbinderschicht Asphalttragschicht 5 1 15 5 1 Verfestigung 20 20 20 Schicht aus frostunempfindlichem Material 5 6 50 5 2 5 enggestuft gemäß DIN 1196 Dicke der Schicht aus frostunempfindlichem Material 5 ) 15 ) 25 35 9 ) 19 ) 29 39 13 ) 23 33 3 7 ) Asphalttragschicht und Schottertragschicht auf Frostschutzschicht Asphaltdeckschicht Asphaltbinderschicht Schottertragschicht 17) E v2 150(120) Schicht aus frostunempfindlichem Material Dicke der Schicht aus frostunempfindlichem Material 120 5 150 120 1 15 1 1 15 5 120 5 5 150 120 5 1 15 1 1 1 15 1 5 - - 3 2) - 2 3) 3-30 2) 0 50-5 10 ) 20 ) 30 0 1 ) 2 3 1 ) 2 3 12 10 15 37 120 5 5 10 20 2 1 26 10 15 37 10 10 52 150 15 120 1 37 Ab 12 cm aus frostunempfindlichem Material, geringe 15 35 5) Bei Kie VI in 30 6) Tragde 17) siehe A Dipl.-Ing. Jan Jähnig www.gfsdd.de Folie 7
Performance-Prüfungen Steifigkeiten (E-Modul-Temperaturfunktion) Ermüdungsfunktionen Schichtenverbund Verformungsverhalten Tieftemperaturverhalten Dipl.-Ing. Jan Jähnig www.gfsdd.de Folie
Dimensionierungskennwerte AK.5. Dynamischer Spaltzugversuch Dipl.-Ing. Jan Jähnig www.gfsdd.de Folie 9
Dimensionierungskennwerte Bestimmung des E - Moduls s e E ΔF 0,27 h Δu μ Dipl.-Ing. Jan Jähnig www.gfsdd.de Folie 10
abs. E-Modul [N/mm²] Lastwechselzahl N Makro [-] Einleitung Erfahrungen Tendenzen Versuchsaufwand zur Schichtdickenfestlegung E-Moduln aus Spaltzugschwellversuchen 0.000 35.000 27 Versuche 1.000.000 9 Versuche 30.000 100.000 25.000 20.000 15.000 AB EB ETO 10.000 10.000 1.000 5.000 0-20 -15-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 0 5 50 Temperatur [ C] 100 0,01 0,10 1,00 elastische Anfangsdehnung e el [ ] Dipl.-Ing. Jan Jähnig www.gfsdd.de Folie 11
Beispiel Oberbaudimensionierung B = 10 Mio BKl II + 2 cm - 1 cm - 6 cm cm DS cm DS cm DS 3 cm DS cm BS cm BS cm BS 7 cm BS 1 cm ATS 16 cm ATS Bandbreite: cm 13 cm ATS 10 cm ATS cm FSS 2 cm FSS von + 2 cm bis 6 cm im Vergleich zur RStO 7 cm FSS 50 cm FSS RStO 01 ATS A ohne PmB H bit ATS B ohne PmB H bit ATS C mit PmB H bit Dipl.-Ing. Jan Jähnig www.gfsdd.de Folie 12
S 26 - Neubau westlich von Mülsen Dipl.-Ing. Jan Jähnig www.gfsdd.de Folie 13
Schichtdickenfestlegung - 6 cm Höhere Verformungsbeständigkeit Dipl.-Ing. Jan Jähnig www.gfsdd.de Folie 1
Einfluss der Materialqualität Spezielle Mischgutzusammensetzung Spezielle Volumetrische Konzepte Stetig gestufte Sieblinie Spezialbindemittel Sieblinienbereich für modifizierte ATS Dipl.-Ing. Jan Jähnig www.gfsdd.de Folie 15
Besondere Eigenschaften = Besondere Anforderungen Verdichtungskontrolle im Rahmen der Eigenüberwachung Dipl.-Ing. Jan Jähnig www.gfsdd.de Folie 16
Dimensionierungskontrolle BK für Spaltzug-Schwellversuche Dipl.-Ing. Jan Jähnig www.gfsdd.de Folie 17 17
Dimensionierungskontrolle [S 26] [S 26] E-Modul Ermüdung Dipl.-Ing. Jan Jähnig www.gfsdd.de Folie 1
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Untersuchung zu Alternativen Asphaltbinderschichten 1. Straßenbaulabor TU Dresden E-Modul-Temperaturfunktionen Ermüdungsfunktionen Tieftemperaturverhalten Verformungswiderstand Typ AC 16 B S (TL) AC 16 B S - SMA BiMi 10/0-65 A 10/0-65 A Raumdichte 2,50 2,513 B,5 5,6 V (MPK) 5,6% 3,5% BV (MPK) 11,0% 13,7% VFB 66,3% 79,6% V1 V2 2. Nutzungsdauerprognose mit PaDesTo Berechnungen für die Untersuchungsvarianten Dipl.-Ing. Jan Jähnig www.gfsdd.de Folie 20
Zusammenfassung Typ AC 16 B S (TL) AC 16 B S - SMA BiMi 10/0-65 A 10/0-65 A Raumdichte 2,50 2,513 B,5 5,6 V (MPK) 5,6% 3,5% BV (MPK) 11,0% 13,7% VFB 66,3% 79,6% Ermüd. / Steifigkeit 100,0% > 150% V1 V3 s Z [MPa] 3,7,5 T [ C] -19,1-19,3 PRD_Luft 2,6% 2,9% Tendenz: AC B S - SMA + + + o o o Dipl.-Ing. Jan Jähnig www.gfsdd.de Folie 21
Hohlraumgehalt H bit [Vol.-%] Einleitung Erfahrungen Tendenzen 10,0 9,0 H M,bit 15,0 % H M,bit 17,5 % H M,bit 20,0 % H M,bit 22,5 % H A 60 %,0 H A 65 % 7,0 H M,bit 12,5 % 6,0 dichteabi H A 70 % 5,0,0 H M,bit 10,0 % H A 75 % H A 0 % AC 16 B S AC 22 B S 3,0 SMA-Binder H A 5 % stetige ABi 2,0 H A 90 % SMA-Binder 1,0 H A 95 % AC 22 B S AC 16 B S 0,0 H A 100 % 5 6 7 9 10 11 12 13 1 15 [AK 7.3.3] Bindemittelgehalt H B [Vol.-%] Dipl.-Ing. Jan Jähnig www.gfsdd.de Folie 22
Danke an R. Bull-Wasser & H. Els Anf. des Nutzers Sicherheit, Fahrkomfort, Verfügbarkeit,... Funktionale Anforderungen Griffigkeit, Ebenheit, Lärmminderung,... Anforderungen an die Konstruktion Tragfähigkeit, Dauerhaftigkeit,... Anforderungen an elementare Materialeigenschaften (Gebrauchsverhalten, Performance) Anforderungen an Baustoffgemische Widerstand gegen Ermüdung, Verformung, Kälterissbildung... Sieblinie, BM-Gehalt, Volumetrische Anforderungen,... Anforderungen an Baustoffe PSV, Kornform, PmB, Dipl.-Ing. Jan Jähnig www.gfsdd.de Folie 23
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Dipl.-Ing. Jan Jähnig www.gfsdd.de Folie 2