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Ermittlung und Prognose von Spannungszuständen in Betonfahrbahndecken

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[Quelle: https://bast.opus.hbz-nrw.de]

Die Spannungszustände in Betonfahrbahndecken werden von den Temperaturverläufen über den Querschnitt im Kontext mit den Klimadaten, den Materialkennwerten, der Nullspannungstemperatur und der Reibung zwischen Platte und Unterlage beeinflusst. Ziel des Projekts war die Entwicklung eines Informationssystems zur Ermittlung und Prognose dieser Spannungszustände. Zur Realisierung wurden folgende Arbeitsschritte durchgeführt: Konzipierung eines geeigneten Messverfahrens mit den zu bestimmenden physikalischen Größen, Recherche bisher in der Praxis angewendeter Mess- und Aufnahmesysteme, messtechnische Ermittlung erforderlicher Daten und rechnerische Ermittlung der Spannungszustände in der Fahrbahn, Entwicklung eines Ablaufschemas zur Datenerfassung, -übertragung und -speicherung, Entwicklung eines Rechenalgorithmus und Softwaretools zur automatischen Datenauswertung mit Anbindung an Klimaprognosedaten sowie Definition von Grenzen, Modul zur automatisierten Umsetzung von Maßnahmen (z. B. Warnsignale an die Autobahnmeistereien), Herstellung eines Demonstrators unter Einsatz des gesamten Informations- bzw. Prognosesystems und wissenschaftliche Auswertung. Nach Eruierung der erforderlichen Daten wurden als Demonstratoren an drei Standorten Messstationen zur Erfassung von Fugenbewegungen, Betontemperaturen über den Querschnitt und Klimadaten konzipiert und errichtet bzw. erweitert, deren Daten automatisch in eine Datenbank übermittelt, normalisiert und weiterverarbeitet werden. Es wurde ein Softwaretool für die automatische Datenauswertung entwickelt, das auf Basis von Klimadaten den Temperaturverlauf und qualitative Spannungszustände in der Betondecke berechnet, um dann eine Risikobewertung durchführen zu können. Zur Entscheidungshilfe wurde ein Modul entwickelt, das in der Lage ist, aus der Klimaprognose und den vorliegenden Materialparametern realistische Spannungsprognosen zu berechnen und das jeweilige Niveau zu bewerten. Des Weiteren wurde die Möglichkeit einer automatisierten Deformationsanalyse auf einem 70 m langen Betonfahrbahnabschnitt mit einem Messsystem getestet, mit dem hochauflösende Lasermodelle zur Bewertung der momentanen Deformation im Kontext zu den umgebenden klimatischen Bedingungen erstellt werden.

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Erhaltung und Instandsetzung von Straßen verursachen jährlich Kosten in Milliardenhöhe, sodass es ein erstrebenswertes Ziel ist, die Entstehungs- und Entwicklungsmechanismen von Straßenschäden besser zu verstehen. Darüber hinaus vermindern longitudinale Unebenheiten von Straßen als eine wichtige Schädigungsart den Fahrkomfort und die Fahrsicherheit. Die Entwicklung dieser Unebenheit ist in besonderem Maße durch die Wechselwirkung mit dynamischen Lasten von Fahrzeugen geprägt: eine zunehmende Unebenheit ruft höhere dynamische Lasten hervor, welche wiederum die Straße in verstärktem Maße schädigen. Das Ziel der Arbeit ist es, dieses Wechselspiel zwischen Straßenunebenheiten und Fahrzeugen im Laufe einer großen Anzahl von Überfahrten zu untersuchen. Das Interesse gilt dabei dem Schwerlastverkehr, dem eine überproportionale Schädigung der Straßen zugeschrieben wird. Um systematisch den Einfluss einzelner Fahrzeug- und Straßenparameter auf die Entwicklung bereits vorhandener Unebenheiten in der Straßenoberfläche zu analysieren, wird ein geeignet abstrahiertes Fahrzeugmodell zur Abbildung der Vertikaldynamik von Lastkraftwagen formuliert sowie ein phänomenologisches Gesetz zur Berechnung der bleibenden Verformung infolge der Lasteinwirkung in Abhängigkeit der Anzahl der Fahrzeugüberfahrten verwendet. Die Veränderung der Spurrinnentiefe und der Unebenheitsamplituden sowie die Verschiebung der Bodenwellen durch die Radaufstandskräfte wird mittels eines inkrementellen Vorgehens auf Basis eines einseitig gekoppelten Ansatzes berechnet: für jede Überfahrt werden die dynamischen Kontaktkräfte und die resultierende bleibende Verformung ermittelt. Auf diese Weise ist es möglich, die Entwicklung der Unebenheitsamplitude einzelner Spektralanteile der Straßenoberfläche zu prognostizieren, ohne aufwändige Zeitintegrationen durchführen zu müssen. Dabei zeigt sich, dass ein in der Anzahl der Belastungen lineares Schädigungsgesetz im Normalfall qualitativ gleichwertige Aussagen wie ein in der Belastungsanzahl nichtlineares Gesetz li

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Wolfgang Breit, Eva-Maria Ladner, Anja Tusch
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Zeitschriftenartikel

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Rosauer, Verena
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