Forschung

Innovationen im Straßenbau – Zerstörungsfreie Verfahren zur Bewertung der strukturelle Substanz

Bestimmung der mechanischen Eingangsimpedanz einer Fahrbahn (Modellfahrbahn der Bundesanstalt für Straßenwesen)
We like to acknowledge the European Union for granting this research project by the EFRE funds

Kooperationspartner:

Pof. Wellner, N. Michailenko, TU Dresden,

Prof. Zander, M. Buch, Universität Siegen,

Pof. Hübelt, J. Röder, Hochschule Mittweida

Fördermittel:

Bundesanstalt für Straßenwesen
Nationales Innovationsprogramm Straße
„Innovationen im Straßenbau
–Zerstörungsfreie Verfahren zur Bewertung der strukturellen Substanz“

 

Bericht: ForschungsberichtFE 88.0136/2014.pdf

Laufzeit:  2014 -2016

 

Ziel des Forschungsprojektes war es, Grundlagen für ein zerstörungsfreies Prognoseverfahren zu schaffen und ggf. zu bewerten.

Zunächst wurde im Rahmen des Projektes ein Schichtenmodell der Asphaltstruktur erweitert und mit den Messergebnissen des Druckschwellversuchs erfolgreich verglichen. Weiterhin wurden in-situ-Messungen auf Oberbauvarianten der Modellstraße der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) durchgeführt. Für dessen Auswertung sind das Punktimpedanz-Verfahren und das Transferimpedanz-Verfahren weiterentwickelt und zur Anwendung gebracht worden. Grundsätzlich konnte nachgewiesen werden, dass die Schwingungamplituden auch berührungslos mit Hilfe eines Laser-Doppler-Vibrometers bestimmt werden können.

Laborversuche an verschiedenen Asphaltgemischvarianten zeigten außerdem, dass es offenbar möglich sein kann, durch die Verfolgung der Masterfunktion über die Nutzungsdauer und bei vorab asphaltspezifisch bestimmter Ermüdungsfunktion, Prognoseberechnungen durchzuführen. Aufbauend auf die vorliegenden Untersuchungsergebnisse und aus den Laborversuchen ist für ein zerstörungsfreies Prognoseverfahren die folgend dargestellte Vorgehensweise denkbar:

-        Bestimmung der relevanten Funktionen (Masterfunktion und Ermüdungsfunktion) an den Asphalten unmittelbar vor (Entnahme an der Mischanlage) oder ggf. nach dem Einbau (an Bohrkernen). Aus den Ergebnissen der Laboruntersuchungen des Projektteiles der TU Dresden kann in erster Näherung davon ausgegangen werden, dass sich während der Nutzungsdauer infolge voranschreitender Schädigung zwar die Masterfunktion ändert (Verringerung des Steifigkeitsmoduls = Absolutbetrag des Komplexen Elastizitätsmoduls), die Ermüdungsfunktion näherungsweise jedoch als unveränderlich über die Zeit angenommen werden kann.

-        zerstörungfreie Ermittlung der Veränderung der Masterfunktion während der Nutzungsdauer (Niveau und Streuung des Steifigkeitsmoduls) für die einzelnen Asphaltschichten. Hierfür kann das Verfahren, entwickelt in dem Projektteil der HS Mittweida angewendet werden. Mit Hilfe der so bestimmten Masterfunktion und der am Ausgangsasphalt bestimmten Ermüdungsfunktion können dann mit dem Verfahren nach den RSO Asphalt während der Nutzungsdauer zerstörungsfrei Prognoserechnung zur Bestimmung der Nutzungsdauer erfolgen, vorausgesetzt der Temperaturverlauf in den Asphaltschichten während des Messzeitpunktes ist bekannt.

Hierzu könnten entweder Temperatursensoren, welche in die Befestigung in verschiedenen Tiefen eingebaut werden, dienen. Möglicherweise kann der Temperaturverlauf auch auf der Grundlage der Ermittlung der maßgebenden Einflussfaktoren (Lufttemperatur, Globalstrahlung, Windgeschwindigkeit, Oberflächentemperatur), beobachtet über einen ausreichend langen Zeitraum vor der Messung, rechnerisch ermittelt werden.

Auch der Einfluss der Alterung sowohl auf die Entwicklung des Steifigkeitsmoduls (Masterfunktion) als auch auf die Ermüdungsfunktion ist weitestgehend unbekannt. Zur Temperatur- und Alterungsproblematik besteht dringender Forschungsbedarf.

Denkbar ist eine Überprüfung der auf den zerstörungsfrei ermittelten Berechnungsgrundlage berechneten Nutzungsdauern, in größeren Zeitabständen zur Validierung der Ergebnisse und Kalibrierung des Verfahrens.

Zusammenfassend ist dringender Forschungsbedarf zu den folgenden Themen abzuleiten:

-        Auswirkung der Lastpausen auf die relevanten Funktionen (Master- und Ermüdungsfunktion),

-        Auswirkung der Alterung auf die relevanten Funktionen,

-        Bestimmung des Temperaturverlaufes über die Höhe des Asphaltschichtenpaketes zum Messzeitpunkt,

Weiterentwicklung des Transferimpedanz-Verfahrens, um ebenfalls Aussagen zur Binderschicht treffen zu können.

Zerstörungsfreie Prüfung der Steifigkeit von Fahrbahnbelägen

Bestimmung der mechanischen Eingangsimpedanz einer Fahrbahn (Modellfahrbahn der Bundesanstalt für Straßenwesen)

Eine fundierte und abgesicherte Ermittlung des Zustandes der vorhandenen strukturellen Fahrbahnsubstanz einhergehend mit der Berechnung der Restnutzungsdauer ist für alle Straßenbauverwaltungen für die Prognose von Aufwendungen sowie für die bauliche Erhaltung von herausragender Bedeutung. Die dringende Notwendigkeit einer Substanzbewertung auf Netzebene erfordert den Einsatz eines Messsystems, das in der Lage ist, Strukturparameter von Streckenabschnitten hinreichend genau und vor allem sachgerecht interpretierbar zu erfassen.

Bisher wird der Zustand von Fahrbahnbelägen anhand von Bohrkernen ermittelt. Dabei werden der Fahrbahn Proben entnommen, die erst im Anschluss im Labor untersucht werden können. Das Verfahren ist somit nicht zerstörungsfrei und kann darüber hinaus nur an ausgewählten Stellen eingesetzt werden.

Das nunmehr im Rahmen eines Forschungsprojektes an der Hochschule Mittweida entwickelte Verfahren basiert auf der harmonischen Kraftanregung des Fahrbahnbelages. Hierbei werden zwei Beschleunigungsaufnehmer in unter­schiedlichen Abständen vom Anregungsort positioniert. Anhand der komplexwertigen Übertragungsfunktion zwischen den Sensorsignalen kann auf die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Körperschallwellen in der Fahrbahn und somit auf den Zustand des Belages geschlossen werden. Das Verfahren funktioniert zerstörungsfrei, kann flächendeckend Anwendung finden und liefert die Ergebnisse unmittelbar nach der Messung.

Fördermittelgeber: Bundesanstalt für Straßenwesen

Ultraschnelle Mikrobearbeitung mittels Hochleistungslaser, Teilprojekt Akustik

Im Rahmen des Forschungsprojektes werden Untersuchungen zur Onlineprozessüberwachung für die Bearbeitungsprozesse Laserschweißen, Laserschneiden und –strukturieren, sowie das Lasersintern durchgeführt.

Derzeit sind dafür optische Sensoren im Einsatz. Diese stoßen jedoch im Hinblick auf Messgenauigkeit, Zuverlässigkeit und Aussagekraft an ihre Grenzen. Mit der Anwendung schalltechnischer Sensoren, wie Mikrofon und Beschleunigungssensor, sollen daher neue Möglichkeiten der Prozessüberwachung untersucht werden. Denkbar ist auch der Einsatz einer Kombination aus optischen und akustischen Sensoren. Dieser Ansatz erlaubt unter Umständen eine Verbesserung der Zuverlässigkeit der Prozessüberwachung und der Aussagekraft der Messwerte.

Fördermittelgeber: ESF und Land Sachsen

Zerstörungsfreie Prüfung des zugänglichen Hohlraumgehalts von offenporigen Fahrbahnbelägen

Messung des zugänglichen Hohlraumgehaltes von Offenporigen Asphalten während des Einbaus

Der zugängliche Hohlraumgehalt von offenporigen Asphalten wird in der Regel an Bohrkernen bestimmt. Dieses Verfahren bedingt die Entnahme von Material aus der Asphaltdeckschicht und kann somit nicht als zerstörungsfreie Methode angesehen werden. Die Bestimmung des Hohlraumgehaltes kann auf diese Weise nur exemplarisch an bestimmten Stellen, jedoch nicht flächendeckend und somit i.d.R. nicht mit statistischer Sicherheit bestimmt werden. Da der zugängliche Hohlraumgehalt erst nach dem Einbau an der bereits erkalteten Deckschicht ermittelt werden kann, ist darüber hinaus eine Einflussnahme auf die Verdichtung noch während der Bauausführung ausgeschlossen.

Es erweist sich somit als erforderlich, eine zerstörungsfreie Methode zur Bestimmung des zugänglichen Hohlraumgehalts zu entwickeln, die ein Intervenieren während des Verdichtungsprozesses erlaubt.

Aufbauend auf dem phänomenologischen Modell für poröse Absorber wurde ein Verfahren entwickelt, das die Berechnung des zugänglichen Hohlraumgehalts aus der Oberflächenimpedanz der offenporigen Asphaltschicht ermöglicht. Zur Messung der Wandimpedanz wurde eine PU-Sonde verwendet. Ihre prinzipielle Eignung für den Anwendungszweck ist hierbei in Laboruntersuchungen getestet worden. Ein erster Prototyp eines Messsystems wurde entwickelt und unter Praxisbedingungen eingesetzt. Seine Weiterentwicklung sowie weitere messtechnische Untersuchungen an realen Probestrecken sind vorgesehen.

Fördermittelgeber: AIF mit Unterstützung des Deutschen Asphaltinsituts

Minderung des Verkehrslärms durch den Einsatz aktiver Lärmschutzwände für Anwendung im Straßen- und Schienenverkehr

Messungen an einer Aktiven Lärmschutzwand in schallreflexionsarmer Umgebung

Das Projekt hat die Entwicklung der technischen Grundlagen einer aktiven Lärmschutzwand und deren erste Erprobung zum Ziel. Hierbei soll eine 2-dimensionale Lautsprecheranordnung auf der Krone der Lärmschutzwand die auftreffenden Schallwellen derart beeinflussen, dass sich die Schattenzone der Wand in vertikaler Richtung vergrößert (Beeinflussung des Beugungseffekts). Dies hat eine Verminderung des Schalldruckpegels an Immissionsorten hinter dem Schallschirm zur Folge und wird somit zu einer deutlichen Verbesserung der Einfügungsdämpfung der Lärmschutzwand (ca. 6-9dB) führen.

Fördermittelgeber: Land Sachsen

Studentisches Projekt - Musikhörgewohnheiten bei Jugendlichen und jungen Erwachsenen: Tragbare Musikgeräte mit Kopfhörer, z.B.MP3-Player

Eine Vielzahl von Studien hat ergeben, dass in Deutschland wie auch in anderen Industriestaaten ca. 20-30 % der Bevölkerung unter Beeinträchtigungen des Hörvermögens leiden. Es kann als gesichert angesehen werden, dass heutige Lebensbedingungen und Lebensgewohnheiten schon in jüngeren Jahren zu einer Beeinträchtigung des Hörvermögens führen können.

An der Hochschule Mittweida wird deshalb im Rahmen der Ausbildung auf dem Fachgebiet Umweltakustik / Lärmschutz seit über 10 Jahren an der Problematik "Gehörschädigung bei Jugendlichen und jungen Erwachsenen durch Freizeitlärm" gearbeitet. Dabei geht es darum, Aussagen über die reale Lärmbelastung und den Zustand der Hörfähigkeit Jugendlicher zu gewinnen sowie daraus mögliche Zusammenhänge zwischen Geräuschbelastungen verschiedenster Art und Hörschädigungen zu erkennen.

Die Lärmbelastung während der Jugendzeit ist inzwischen so hoch, dass das Fundament für einen bleibenden Gehörschaden möglicherweise gelegt ist. Erste Hörminderungen sind bei Jugendlichen nur selten deutlich nachweisbar, weil der lärmbedingte Gehörschaden sich schleichend einstellt. Er ist dann aber irreversibel, d.h. nicht heilbar und muss bis zum Lebensende erduldet werden. Dem Risiko wird im Allgemeinen zu wenig Aufmerksamkeit geschenkt, eine frühzeitige und leicht verständliche Aufklärung wäre hier notwendig. Es gibt inzwischen eine Reihe von Maßnahmen, die darauf abzielen, der Entwicklung von Hörschäden bei Kindern und Jugendlichen vorzubeugen. Zum Beispiel empfahl die Bundesärztekammer, dass in Deutschland Pegelbegrenzungen für Diskotheken und tragbare Musikgeräte vorgeschrieben werden. Die eingesetzten Materialien bzw. durchgeführten Programmbausteine werden bisher aber nur vereinzelt auf ihre Qualität und Wirksamkeit hin überprüft. Musikschall in Diskotheken, Clubs und bei Konzertveranstaltungen stellt eine Form des Freizeitlärms dar, durch die bleibende Hörverluste bei den zumeist jugendlichen Besuchern derartiger Orte hervorgerufen werden können. Nach dem heutigen Erkenntnisstand ist die Gefahr einer bleibenden Gehörschädigung durch überlautes Musikhören gegeben. Bei der Abschätzung des Risikos für einen Gehörschaden kommt es neben der Höhe des Schallpegels aber auch auf die Einwirkzeit an. Ist diese hinreichend lang, besteht die Gefahr für einen lärmbedingten Hörverlust.

Im Rahmen der Problematik "Gehörschädigung bei Jugendlichen und jungen Erwachsenen durch Freizeitlärm" wurde ein studentisches Forschungsprojekt betrieben, bei welchem es um die Nutzung tragbarer Geräte zur Musikwiedergabe geht (Walkman, Discman, MP3-Player). Von besonderem Interesse ist dabei die Erfassung der Musik-Hörgewohnheiten, d.h. Umfang der Nutzung dieser Geräte im Vergleich zu anderen Möglichkeiten des Musikkonsums wie z.B. Heimstereoanlagen, Diskotheken, Konzerte u.a. In diesem Zusammenhang wurde eine Vielzahl von Schülern und Studenten über Fragebögen zu lärmrelevanten Problemen (Wohnumfeld, Freizeit, Schule) befragt und in einem Test die übliche Lautstärke des Musikhörens ermittelt.

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