In diesem Projekt „FE 04.0303/2016/ORB“ wurden Methoden für die Dimensionierung und Analyse von flexiblen Straßenbefestigungen entwickelt und implementiert. Primär wurde das Programm flexCALC erstellt, das die rechnerische Dimensionierung (gemäß RDO Asphalt) und die Substanzbewertung (gemäß RSO Asphalt) auf Basis eines Finite-Elemente-Rechenkerns in einer einheitlichen Softwareplattform zusammenführt. Des Weiteren steht in dem modular strukturierten Programm ein Rechenkern auf Basis der Mehrschichtentheorie zur Verfügung. Dieser zeichnet sich durch seine enorme Geschwindigkeit aus, unterliegt jedoch verschiedenen geometrischen und materiellen Einschränkungen. Der durch der Fourier-Reihen unterstützte Rechenkern auf Basis Finite-Elemente-Methode ermöglicht gegenüber der Mehrschichtentheorie die Berücksichtigung anderer Geometrien und Randbedingungen. Beide Methoden gelten für linear-elastische Statik. Nichtlineare Materialmodelle und dynamische Effekte werden aufgrund ihrer Komplexität in der Dimensionierungspraxis bislang nicht berücksichtigt. Detaillierte Analysen erfordern allerdings deren Berücksichtigung, da die Ergebnisse unter idealisierten Annahmen stark von der Realität abweichen können. Daher wurde ein Finite-Elemente-Rechenkern mit rein polynomialen Ansatzfunktionen implementiert. Zur Auswahl stehen verschiedene Modelle für ungebundene, granulare Materialien und ein etabliertes Modell für viskoelastische Materialien. Zur Modellierung des Schichtenverbundes wurden verschiedene Konstitutivgesetze und die dazugehörige Elementformulierung implementiert. Außerdem ist ein expliziter Löser implementiert. Damit steht ein Werkzeugkasten bereit, der die Weiterentwicklung der Dimensionierung unterstützen wird. Besonderes Augenmerk wurde auf eine ausführliche Dokumentation sowie die Möglichkeit zur einfachen Weiterentwicklung und Wartbarkeit gelegt. Durch aufwändige Verifikationen wurde die Korrektheit der implementierten Algorithmen sichergestellt.

Die Filterregeln für Geokunststoffe werden in dem Merkblatt über die Anwendung von Geokunstoffen im Erdbau des Straßenbaus (M Geok E, 2016) durch Einteilung der Anwendung in drei hydraulische Sicherheitsfälle unterschieden. Die drei hydraulischen Sicherheitsfälle werden durch die Angabe von Bereichen der zulässigen charakteristischen Öffnungsweite O90 beschrieben. Zum Zeitpunkt der Erarbeitung des M Geok E wurde die Obergrenze der Öffnungsweite als technisch sinnvoll angesehen, während die Untergrenze ein Zugeständnis an die verfügbaren Produkte war. Die im Rahmen des Forschungsprojekts durchgeführte Marktstudie zeigt, dass zwischenzeitlich fast ausschließlich Produkte mit Öffnungsweiten zwischen 0,06 mm und 0,08 mm, also an der unteren Grenze, am Markt verfügbar sind. Beim Einsatz dieser Produkte für geotextile Filter können in der Praxis Durchlässigkeitsprobleme auftreten. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden zunächst die national und international für die Bemessung von geotextilen Filtern gebräuchlichen Filterregeln zusammengestellt. In welchen Fällen in der Praxis aus der Anwendung der gängigen Filterregeln bei der Bemessung geotextiler Filter derzeit tatsächlich systematische Probleme im Hinblick auf die Kolmationsgefahr erwachsen, sollte durch eine bundesweite Erhebung zum Einsatz von Trenn- und Filterkunststoffen im Erdbau des Straßenbaus bei den zuständigen Fachbehörden eruiert werden. Aufgrund der geringen Anzahl an Rückmeldungen konnte anhand der Erhebung nur eine Tendenz ermittelt werden. Es werden hauptsächlich geotextile Filter mit einer Öffnungsweite an der unteren Grenze mit geringen Filterdicken eingesetzt. Ein Filterversagen war nur in einem Fall bekannt. Das Hauptaugenmerk des Forschungsprojekts lag in der Überprüfung der bestehenden Filterkriterien des M Geok E durch experimentelle Untersuchungen unter Laborbedingungen in Form von Versuchen am System Boden/Geokunststoff. Dazu wurden sowohl erosions- und suffosionsgefährdete Böden (SW und UL nach DIN 18196), als auch solche Böden, die als verhältnismäßig wenig suffosionsempfindlich gelten (SE und ST* nach DIN 18196), ausgewählt. Die Geotextilien wurden anhand der Marktstudie gewählt. Zum Einsatz kamen insgesamt sieben Geotextilien mit Öffnungsweiten an der oberen und unteren Grenze (mit Filterdicken von 1 mm/ 3 mm). Die Öffnungsweite wurde im Rahmen des Forschungsprojekts nach dem Verfahren gemäß DIN EN ISO 12956 nachgewiesen. Als Systemversuche wurden Langzeitversuche, zyklische Versuche und Versuche mit Suspensionsbeaufschlagung durchgeführt. Dazu wurde ein Versuchsstand, ähnlich einem GR-Test (Gradient Ratio Test), entwickelt. Bei den Langzeitversuchen sollte die zeitliche Entwicklung des Durchlässigkeitsbeiwertes des Systems Boden/Geokunststoff unter konstanten Randbedingungen untersucht werden (hydraulisches Gefälle i = 12, Dauer = 200 Stunden). Gemessen wurde der Durchfluss, die Masse des ins Geotextil eingelagerten Bodens, die Drücke innerhalb der Bodenprobe, sowie der Materialdurchgang. Diese Parameter liefern Aufschluss über das Clogging-Potenzial bzw. zeigen Kolmationsprozesse im Boden/Geotextil. Insgesamt wurden 14 Langzeitversuche durchgeführt. Bei den zyklischen Versuchen sollten Regenereignisse mit Trockenfallen des geotextilen Filters simuliert werden. Dazu wurde das hydraulische Gefälle am Versuchsstand zwischen 0 < i < 12 variiert (Versuchsdauer = 13 Std.). Erfasst wurden die gleichen Parameter wie bei den Langzeitdurchlässigkeitsversuchen. Insgesamt wurden acht zyklische Versuche durchgeführt. Zur Untersuchung des Materialtransports wurden vier Versuche mit einer Suspensionsbeaufschlagung unter konstanten Randbedingungen (i = 12, Versuchsdauer = 5 Std.) durchgeführt. Dazu wurde intervallweise Kaolin dem Versuch zugeführt und neben den üblichen Parametern die Veränderung der Kornverteilung des Prüfbodens erfasst. Zusammenfassend zeigen die Versuche, dass ein Clogging-Potenzial bei der Verwendung von Geotextilien mit einer Öffnungsweite an der unteren Grenze besteht. Besonders Geotextilien mit einer Filterdicke von 1 mm sind davon betroffen. Aus diesem Grund ist auf Grundlage der gewonnenen Ergebnisse eine Fortentwicklung des M Geok E hinsichtlich der folgenden Punkte empfehlenswert: • Die untere Grenze der Öffnungsweite gemäß M Geok E (hydraulischer Sicherheitsfall II) sollte angehoben werden. Ein Einsatz von Geotextilien mit Öffnungsweiten an der oberen Grenze sollte bevorzugt werden. • Die bestehende obere Grenze der Öffnungsweite sollte überprüft und gegebenenfalls angehoben werden. • Es wird empfohlen, ein Kriterium zur Berücksichtigung der Filterdicke mit aufzunehmen (vgl. Ansatz nach BAW MAG 1993, STOEWAHSE 2017). • Es sollte ein Kriterium zur hydraulischen Filterwirksamkeit entwickelt werden. • Kriterien zur Berücksichtigung weiterer Parameter wie beispielsweise die Lagerungsdichte des Bodens und die Ungleichförmigkeitszahl sollten in die Geotextilfilterbemessung mit einbezogen werden (vgl. Ansätze nach DWA-M 511, GIROUD & LUETTICH).

Ziel des Forschungsprojektes ist, aufbauend auf den SKM-Messdaten in 0,1m-Auflösung, eine einheitliche Vorgabe für die Aufzeichnung der Sensorrohdaten zu entwickeln. Besonderes Augenmerk wurde dabei auf eine hohe Aussagekraft bezüglich der lokalen Fahrbahngriffigkeit gelegt. Derzeit wird in Deutschland der Seitenkraftbeiwert des SKM-Messverfahrens als Quotient aus der gemessenen Seitenkraft und einer genau definierten, statisch bestimmten Normalkraft gebildet. Während die gemessene Seitenkraft eine zeit- und räumlich veränderliche Größe darstellt, ist die statisch bestimmte Normalkraft eine Konstante. Dies hat zur Folge, dass der lokal bestimmte Seitenkraftbeiwert nicht nur von Eigenschaf¬ten der Fahrbahnoberfläche, sondern auch der aktuellen Vertikalkraft abhängt, die zum Teil deutlich von der statisch ermittelten Normalkraft abweicht. Dies bedingte in der Vergangenheit, durch Filterung und Mittelwertbildung über längere Streckenabschnitte diese dynamischen Einflüsse auszugleichen. In dieser Arbeit wird nun eine Vorgehensweise entwickelt, mit der zum einen die Frage der Signalfilterung vereinheitlicht wird und gleichzeitig unter Nutzung der Messung der Vertikalkraft wesentlich kürzere Bewertungsabschnitte gebildet werden können. Dabei wird der Quotient aus Seitenkraft und Normalkraft weiterhin konform mit der bestehenden TP Griff-StB (SKM) gebildet, um bislang ungeklärte Fragen wie beispielsweise Zusammenhänge zwischen verschiedenen Lastzuständen am Messreifen, Veränderungen im Drainageverhalten bei unterschiedlich großem Kontaktpatch zur Fahrbahn, variabler Reibungswärme durch verschiedene Auflastsituationen etc. zu umgehen. Die hier entwickelten Vorschläge sind konform mit der bestehenden TP Griff-StB (SKM) und können dementsprechend sofort umgesetzt werden, um die Griffigkeit mit dem SKM-Messverfahren auch für sehr kurze Bewertungsabschnitte unter 10 m zuverlässig ermitteln zu können.

Die Dimensionierung der Dicke von Straßenbetondecken erfolgt neben den standardisierten Vorgaben gemäß RStO [N1] mittels rechnerischer Dimensionierung des Oberbaus gemäß RDO [N3]. Dabei werden den Straßenbetonklassen charakteristische Spaltzugfestigkeiten zugeordnet. Die Erfahrungen hinsichtlich des zielsicheren Erreichens der erforderlichen Spaltzugfestigkeit oder ihrer Beeinflussung bei der Wahl der einzusetzenden Ausgangsstoffe sowie weiterer verarbeitungstechnischer Parameter bei den konventionellen, aber auch neuartigen Betonfahrbahndecken sollten weiterentwickelt werden. Es bestand daher eine Notwendigkeit, im Rahmen einer breit angelegten Parameterstudie durch zielgerichtete Laboruntersuchungen ergänzende Erfahrungen zur Verarbeitung, Erreichung der erforderlichen Festigkeitswerte und der Dauerhaftigkeit für zu konzipierende Betonzusammensetzungen zu erlangen. Der Einsatz alternativer Ausgangsstoffe und das Anpassen verarbeitungstechnischer Parameter könnten ressourcenschonend und nachhaltig die Wirtschaftlichkeit und die Öko-Bilanz der Betonfahrbahndecken ohne Verlust von Dauerhaftigkeit und Leistungsfähigkeit erhöhen, besonders auch im Hinblick auf die Entwicklung von Betonfahrbahndecken, deren Oberflächen durch Grinding zur Lärmminderung und Erhöhung des Nutzungskomforts beitragen sollen. In umfangreichen, grundlegenden Untersuchungen mit aktuell praxisüblichen und modifizierten Mischungszusammensetzungen galt es, die Auswirkungen einzelner Ausgangsstoffe von Straßenbetonen auf die Spaltzugfestigkeit und die Dauerhaftigkeit zu quantifizieren. Basierend auf den gewonnenen Ergebnissen sollten Einflüsse auf die Betonzusammensetzungen definiert und Empfehlungen für die Praxis abgeleitet werden. In mehreren Arbeitsphasen wurden Betonprobekörper mit variierender Zusammensetzung der Ausgangsstoffe hergestellt, bis zu 91 Tage gelagert und geprüft. Weiterhin wurden die Zusammenhänge zwischen den einzelnen Ausgangsstoffen, den damit konzipierten Mischungszusammensetzungen sowie deren Festigkeits- und Dauerhaftigkeitskennwerte detailliert untersucht und bewertet. Zusätzlich wurde der Einfluss unterschiedlicher Lagerungsbedingungen der Probekörper auf die erreichte Spaltzugfestigkeit untersucht. Auf Basis der theoretischen und labortechnischen Erkenntnisse wurde die vor- oder nachteilige Auswirkung von insgesamt neun betrachteten Variationsparametern identifiziert und gewichtet. Die im Labor ermittelte Spaltzugfestigkeit lässt sich demnach durch die Anpassung des Luftporengehaltes im Frischbeton und des w/z-Wertes sowie durch den Einsatz alternativer Zementarten deutlich beeinflussen. Durch die Untersuchung ausgewählter Dauerhaftigkeitskenngrößen konnte gezeigt werden, dass alle betrachteten Laborbetone die normativen Anforderungen an Luftporenkennwerte der Festbetone erfüllten sowie ein hohes Maß an Frost-Tausalz-Widerstand aufweisen konnten. Auf Grundlage der gewonnenen Erkenntnisse kann eine Empfehlung für die Praxis formuliert werden, wie Betonzusammensetzungen durch gezieltes Anpassen der untersuchten Variationsparameter beeinflusst werden können, um den Anforderungen an die Spaltzugfestigkeit in Abhängigkeit der Straßenbetonklasse gerecht zu werden.

Im Bereich der Erhaltung kamen Fertigteile schon seit einigen Jahren vermehrt zum Einsatz. Die Technologie eignet sich aber auch zum Neubau bzw. der Erneuerung von Verkehrsflächen. Dieses Forschungsvorhaben wurde initiiert, um hierzu die vorhandenen Grundlagen zu verbessern und die Praxistauglichkeit von Fertigteilen im Neubau nachzuweisen. Im Rahmen dessen wurden zu Beginn theoretische Betrachtungen zur Anwendung der Bauweise gemacht. Es wurden verschiedene Möglichkeiten zur Querkraftübertragung von Fertigteilen untereinander und zur Höhenjustierung erörtert. Weiterhin wurde ein FEM-Modell erstellt, das der Berechnung der Spannungen in Fertigteilen infolge verschiedener Belastungen und somit auch der Dimensionierung von Fertigteilen dient. Weiterer Kernbestandteil des Forschungsvorhabens war die praktische Umsetzung der Bauweise in Form eines Demonstrators. Auf dem duraBASt wurde eine Versuchsstrecke mit den Abmessungen ca. 30 m x 3,90 m angelegt. Hierzu wurde vorab ein Konzept erstellt, bei dem die Varianten der Querkraftübertragung, die Höhenjustiersysteme, die Oberflächentextur und die Unterlage variiert wurden. Nach Herstellung der Fertigteile wurden diese auf die Baustelle geliefert, verlegt, höhenmäßig ausgerichtet und die Hohlräume unter den Fertigteilen und teilweise in den Kopplungssystemen mit Unterpressmaterial dauerhaft verfüllt. Der fertiggestellte Demonstrator diente sodann dem Nachweis der Dauerhaftigkeit und zur Kalibrierung des FEM-Modells. Hierzu wurde die Untersuchungsstrecke durch die BASt mit dem MLS30 belastet. Im Anschluss an die jeweiligen Belastungen wurden unter anderem FWD-Messungen und visuelle Begutachtungen durchgeführt.

Mineralische Restmassen aus Bautätigkeiten sowie Gesteinskörnungen aus industriellen Prozessen und der thermischen Verwertung von Siedlungsabfällen stellen deutschlandweit einen erheblichen Massenstrom dar. Im Sinne der Nachhaltigkeit ist es geboten und durch den Gesetzgeber vorgegeben (vgl. KrWG von 2012), derartige Materialien möglichst hochwertig als Baustoffe wiederzuverwenden. Besonders geeignet hierfür ist der Erdbau, in dem kontinuierlich vergleichsweise große Massen an Baustoffen benötigt werden. Grundvoraussetzung einer Verwendung ist dabei, dass die Baustoffe sowohl aus umwelt- als auch bautechnischer Sicht geeignet sind und vertragssicher und regelwerkskonform eingesetzt werden können. Bei mineralischen Sekundärbaustoffen, die bereits seit den Anfängen in den 1980er Jahren zunehmend an Bedeutung als Erdbaustoffe gewinnen, bestehen bei der erdbautechnischen Prüfung mineralischer Sekundärbaustoffe im Labor und im Feld im Zusammenhang mit einigen Prüfverfahren derzeit allerdings noch Schwierigkeiten, die im Hinblick auf ihre vertragssichere und anforderungsgerechte Anwendung dringend geklärt werden müssen. Die Schwierigkeiten und Probleme, die im Zusammenhang mit der Klassifizierung sowie der Eignungs- und Kontrollprüfung von mineralischen Sekundärbaustoffen in der Praxis auftreten, wurden zu Beginn dieses Projektes zunächst identifiziert und erörtert. Hierzu wurde eine umfangreiche Literaturrecherche sowie eine Umfrage bei am Bau Beteiligten Firmen und Institutionen durchgeführt. Die Ergebnisse dieser beiden Arbeitspakete zeigen, dass die Versuchstechnik des Erdbaus zwar grundsätzlich für mineralische Sekundärbaustoffe geeignet ist. Dennoch können vor allem bei mineralischen Sekundärbaustoffen im Zusammenhang mit Bestimmung der Proctordichte im Proctorversuch sowie der indirekten Verdichtungskontrolle mittels Plattendruckversuchen unter Verwendung der Tabellenwerte der ZTV E-StB 17 Schwierigkeiten und Probleme auftreten, die gar zum Ausschluss von Sekundärbaustoffen über den Bauvertrag führen können. Im weiteren Verlauf wurden an fünf natürlichen Baustoffen und acht mineralischen Sekundärbaustoffen umfangreiche klassifizierende Untersuchungen, Laborversuche zum Verdichtungsverhalten sowie zum Last-Verformungs-Verhalten unter eindimensionaler Kompression und dreiaxialer Scherbeanspruchung sowie Plattendruckversuche nach großtechnischer Verdichtung durchgeführt. Die klassifizierenden Untersuchungen haben gezeigt, dass zwischen natürlichen Baustoffen und Sekundärbaustoffen Unterschiede hinsichtlich ihrer granulometrischen Eigenschaften bestehen. Letztere bestehen allerdings auch zwischen verschiedenen natürlichen Baustoffen sowie zwischen unterschiedlichen mineralischen Sekundärbaustoffen. Da viele Prüfverfahren des Erdbaus auf Erfahrungen an natürlichen Baustoffen beruhen und sich mineralische Sekundärbaustoffe hinsichtlich ihrer Granulometrie häufig von natürlichen Baustoffen unterscheiden, kommt es vor allem bei mineralischen Sekundärbaustoffen zu den genannten Auffälligkeiten. Besitzen natürliche Baustoffe eine vergleichbare Granulometrie, treten die Auffälligkeiten jedoch in gleicher Weise auf. Trotz bestehender Unterschiede in den Eigenschaften der Einzelkörner zeigen die Ergebnisse der Versuche zum Last-Verformungs-Verhalten unter eindimensionaler Kompression und drei-axialer Scherbeanspruchung sowie der Plattendruckversuche nach großtechnischer Verdichtung, dass natürliche Baustoffe und mineralische Sekundärbaustoffe mit ähnlicher Kornabstufung vergleichbare erdbautechnische Eigenschaften aufweisen. Die Schwierigkeiten und Probleme im Zusammenhang mit der Klassifzierung, der Eignungsprüfung sowie der indirekten Verdichtungskontrolle mittels Plattendruckversuchen unter Verwendung der Tabellenwerte der ZTV E-StB 17 stellen somit keine Minderung der erdbautechnischen Eignung von mineralischen Sekundärbaustoffen dar. Abschließend wurden auf Basis der Versuchsergebnisse Vorschläge für die Weiterentwicklung des erdbautechnischen Regelwerkes erarbeitet. Allgemeingültige Richtwerte zur indirekten Verdichtungskontrolle mittels Plattendruckversuchen konnten dabei allerdings weder für bestimmte Materialgruppen noch für bestimmte Materialarten angegeben werden.

Die in diesem Forschungsprojekt an Asphaltbefestigungen durchgeführten Untersuchungen basieren im Wesentlichen auf einer Bewertung der strukturellen Substanz nach den RSO Asphalt [RSO Asphalt E 15]. Für einen fiktiven Streckenabschnitt, dessen Materialparameter aus den Ergebnissen vorangegangener Forschungsprojekte stammen wurde die Auswirkung unterschiedlicher Abstände des Lasteintragungspunktes zum Fahrbahnrand auf die Dauerhaftigkeit der Befestigung untersucht. Resultierend aus den Abmessungen der Fahrbahnbreiten und Markierungen wurde eine Auswahl der zu betrachtenden, relevanten Abstände des Lasteintragungspunktes zum Fahrbahnrand getroffen. Zur Bewertung der strukturellen Substanz nach den RSO Asphalt [RSO Asphalt E 15] sind die Beanspruchungen (Spannungen und Dehnungen) in den maßgeblichen Nachweispunkten zu bestimmen. Diese können mit der Mehrschichtentheorie oder mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) berechnet werden. Die Anwendung der Mehrschichtentheorie setzt unter anderem voraus, dass die Schichten in horizontaler Richtung unendlich ausgedehnt sind. Für den Regelfall wird angenommen, dass diese Voraussetzung gegeben ist (Berechnung der Beanspruchung nach den RDO Asphalt). Bei den hier untersuchten Laststellungen ist diese Voraussetzung jedoch nicht erfüllt. Die Beanspruchungen wurden deshalb mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) bestimmt. Zunächst wurde das Finite-Elemente-Modell entwickelt, die Berechnungsverfahren nach den RSO implementiert, und beides miteinander verknüpft. Zur Prüfung und Validierung wurden für ein Referenzmodell Berechnungen sowohl auf Grundlage der Mehrschichtentheorie als auch mit der FEM durchgeführt und gegenübergestellt. Die Bewertung aller weiteren Berechnungen erfolgt jeweils in Bezug auf dieses Referenzmodell. Im nächsten Schritt wurde auf Basis des deterministischen Berechnungskonzeptes die Auswirkung des Abstandes der Lasteintragungsstelle zum Rand der befestigten Fläche auf die ertragbare Lastwechselzahl der Asphaltbefestigung untersucht. Darauf aufbauend wurde die Wirksamkeit mehrerer Varianten konstruktiver Maßnahmen zur Verbesserung der Dauerhaftigkeit untersucht. Im Ergebnis dieser Untersuchungen wurden 2 konstruktive Maßnahmen ausgewählt und für diese Bewertungen der Strukturellen Substanz anhand des probabilistischen Verfahrens durchgeführt. Für die Untersuchungen der temporären Nutzung von Randbereichen bei Oberbauten mit Betondecke werden im ersten Schritt rechnerische Dimensionierungen/Nachrechnungen nach dem Verfahren der [RDO Beton 09] vorgenommen. Hierbei kann auf den Erfahrungshintergrund der Dimensionierung der Platten des Hauptfahrstreifens zurückgegriffen werden. Dabei ist auch das Sicherheitsniveau des semiprobabilistischen Verfahrens hinreichend praxiserprobt. Im nächsten Schritt werden mit Hilfe der analytischen Rechenmethode der RDO Beton die Platten des Seitenstreifens dimensioniert, wobei die geringere B-Zahl, die veränderte Plattengeometrie und der freie Plattenrand Berücksichtigung finden. Im Folgeschritt können präzise FEM-Berechnungen angestellt werden, bei denen realistischere Laststellungen berücksichtigt werden. Zur Beibehaltung des Sicherheitsniveaus der RDO Beton wird als gemeinsamer Referenzpunkt die Berechnung im Hauptfahrstreifen ohne Seitenstreifenfreigabe verwendet.

Während für Unter- und Oberbeton bei der Waschbetonbauweise bereits seit Jahren unterschiedliche Betone zur Anwendung kommen, war die Verwendung von Zementen unterschiedlicher Art, z. B. CEM I im Oberbeton und CEM III für den Unterbeton, bisher nicht vorgesehen. Jedoch beinhaltet die Verwendung von hüttensandhaltigen Zementen ein großes Nachhaltigkeitspotenzial für die Betonbauweise. Durch Verringerung des Klinkeranteils werden erheblich CO2-Emissionen eingespart und aufgrund des verringerten Potenzials einer betonschädigenden AKR kann auch einer zunehmenden regionalen Rohstoffknappheit entgegengewirkt werden. Ein Erprobungskonzept für die Anwendung auf BAB wurde im Forschungsprojekt „Dauerhafte Betonfahrbahndecken unter Berücksichtigung aktueller ökologischer und wirtschaftlicher Aspekte“ (1) erarbeitet. Die erste Versuchsstrecke wurde im Oktober 2020 auf der BAB A7 bei Wörnitz auf einer Länge von 1.350 m errichtet und durch ein umfangreiches Untersuchungsprogramm wissenschaftlich von der BASt begleitet. Durch den Vergleich der Untersuchungsergebnisse von Referenz- und Versuchsstrecke konnten während des Beobachtungszeitraums die Erkenntnisse aus dem o. g. Forschungsprojekt und die Unbedenklichkeit der Bauweise bestätigt werden - die mechanischen Eigenschaften eines herkömmlichen Unterbetons unter Verwendung von Portlandzement sind mit denen eines Unterbetons unter Verwendung von hüttensandreichen Zementen (CEM III/A) vergleichbar.

Das Traffic Speed Deflectometer (TSD) wurde Ende des letzten Jahrhunderts in Dänemark entwickelt, mit dem Ziel, Verformungen bei hoher Geschwindigkeit zu erfassen. Dabei ist das Messsystem auf einem Lkw verbaut (inkl. aller zugehöriger Instrumentierung). So ist die Erfassung der Tragfähigkeit bei einer Geschwindigkeit von ca. 80 km/h möglich. Der Messbalken muss biege- und verwindungssteif und möglichst gleichmäßig temperiert sein, um gleiche Rahmenbedingungen bei der Korrektur der einzelnen Doppler-Laser-Daten zu gewährleisten. Ziel des vorliegenden Forschungsvorhabens ist es, geeignete Ansätze zur Aus- und Bewertung von Tragfähigkeitsmessungen mit dem TSD zu finden, diese zu beschreiben und zu evaluieren. In einem ersten Schritt wird mithilfe einer ausgedehnten, internationalen Literaturstudie der aktuelle Kenntnisstand bzgl. Tragfähigkeitsmessungen mit dem TSD zusammengetragen. Dabei wird zunächst das Messprinzip möglichst detailliert beleuchtet. Ein weiterer Fokus liegt zudem auf bisherigen Erfahrungen mit dem TSD. Angefangen mit Untersuchungen zu Wiederholgenauigkeit und Vergleichbarkeit bis hin zu ersten Anwendungsfällen. Dies wird als Überleitung zur Einführung möglicher Tragfähigkeitskennwerte, die mit TSD-Messungen erfasst oder berechnet werden können, verwendet. Hierbei werden insgesamt 26 Tragfähigkeitskennwerte identifiziert, die in der internationalen Fachliteratur als Kennwerte der strukturellen Substanz von Verkehrsflächenbefestigungen verwendet werden. Die weitergehende Analyse der Auswerte- und Berechnungsverfahren stützte sich zuerst auf eine Analyse des Einflusses von Rahmenbedingungen und Korrekturverfahren auf die quantitative Ausprägung von Tragfähigkeitskennwerten. Dabei kann festgestellt werden, dass die Messgeschwindigkeit im üblichen Geschwindigkeitsfenster kaum Einfluss hat (v > 20 km/h). Die Radlast hat einen Einfluss, jedoch kann dieser, sofern sich die Radlast im üblichen Wertebereich befindet, über einen linearen Korrekturansatz abgefangen werden. Die Temperatur hat einen maßgeblichen Einfluss, die vorgestellten Korrekturansätze können auch z.T. den Einfluss abfedern, jedoch gilt es diese für den TSD-Messungsablauf zu verfeinern. Gleichzeitig werden auch die Verformungsmuldenberechnungsverfahren analysiert. Dabei werden das Area-under-the-Curve-Verfahren (AUTC) und das Verfahren nach PEDERSEN (2013) verglichen. Mittels der Parameterstudie in 3D-Move können Slope- und Verformungswerte berechnet werden. Die Slope-Werte wurden dann verwendet, um anhand der beiden genannten Verfahren Verformungswerte zu berechnen und diese mit den „realen” Daten aus 3D-Move zu vergleichen. Ergebnis ist, dass das AUTC-Verfahren aufgrund des Tailtaming-Ansatzes bei steifen Verkehrsflächenbefestigungen Abweichungen aufweist, während der Ansatz nach PEDERSEN (2013) durchgehend sehr gute Übereinstimmungen zeigt. In 3D-Move wurde eine Vielzahl an Simulationen durchgeführt, bei denen verschiedenste Parameter variiert wurden. Hierzu werden auch alle zugehörigen Tragfähigkeitskennwerte berechnet, sodass eine Sensitivitätsanalyse entsteht, die Aussagen über den jeweiligen Tragfähigkeitskennwert zulässt. So wird deutlich, dass die Parameter der SCI-Familie, also Oberflächenkrümmungsindizes, sehr zuverlässige Kennwerte sind zur Beschreibung der Steifigkeiten der jeweils betrachteten Schicht. Gleiches gilt aber auch für die Kennwerte der Steifigkeitsrückrechnungsmethode. Zudem wird anhand einer Vielzahl an realen Messdaten untersucht, wie gut die Wiederholgenauigkeit der einzelnen Tragfähigkeitskennwerte ist – ebenfalls werden die Temperatur- und Konstruktionsabhängigkeit und die Korrelation zu ZEB-Daten (auf Ebene der Zustandsgrößen) untersucht. Dabei zeigt sich, dass die Kennwerte der SCI-Familie sehr zuverlässig sind, während die Kennwerte der Steifigkeitsrückrechnungsmethode höheren Streuungen ausgesetzt sind. Dies liegt aber an der Berechnungsart: Der zugehörigen Regressionsfunktion liegen beim TSD-Versuchsaufbau nur zwei bis drei Doppler-Laser zugrunde, sodass diese nicht prozesssicher parametrisiert werden kann. Die Werte der SCI-Familie hingegen als einfache Subtraktion zweier Verformungswerte können sicherer bestimmt werden. Die Korrelationsanalyse zeigt, dass keinerlei Korrelation o.ä. zwischen Zustandsgrößen und Tragfähigkeitskennwerten vorliegt – der Schluss von Zustandsgrößen der ZEB auf die Tragfähigkeit der untersuchten Verkehrsflächenbefestigung scheint daher unzulässig. Abschließend lässt sich feststellen, dass mit dem TSD und den aufgeführten Tragfähigkeitskennwerten die Tragfähigkeit von Verkehrsflächenbefestigungen zuverlässig und schnell erfasst und bewertet werden kann. Es ist aber Augenmerk auf die vorherrschenden Temperaturverhältnisse zu legen, da kleinste Inhomogenitäten zu falschen Ergebnissen führen können.

Ziel des Forschungsvorhabens war es, eine mögliche Gleichwertigkeit der Gebrauchseigenschaften von Asphalten unter Verwendung gummimodifizierter Bindemittel und polymermodifizierter Bindemittel nachzuweisen. Es wurden Asphalte mit gummimodifizierten Bindemitteln und mit einem polymermodifizierten Bindemittel vergleichend untersucht. Dafür wurden Untersuchungen zur Ansprache des Kälte-, des Steifigkeits-, des Ermüdungs-, und des Verformungsverhaltens bei Wärme sowie zur Ermittlung des Korn- und Substanzverlusts und zum Griffigkeitsverhalten durchgeführt. Im Laboratorium wurden Asphalte der Sorten SMA 8 S, AC 16 B S und PA 8 jeweils mit vier gummimodifizierten Bindemitteln und einem polymermodifizierten Bindemittel hergestellt. Als gummimodifizierte Bindemittel wurden jeweils zwei im Nassverfahren (Großmaßstab) hergestellte Fertigprodukte (GmB) und zwei im Laboratorium „im Trockenverfahren“ gemischte gummimodifizierte Bindemittel (GmBT) verwendet. An den für die Labormischungen eingesetzten Bindemitteln wurden Bindemittelkenndaten ermittelt. Weiterhin wurden durch den Auftraggeber überreichte Rückstellproben untersucht. Dabei handelte es sich um sieben Proben der Asphaltmischgutsorte SMA 8 S (sechs Varianten mit GmB(T) und eine Variante mit PmB) sowie zwei Rückstellproben der Sorte AC 11 D S (eine Variante mit GmB(T) und eine Variante mit PmB). Im Hinblick auf eine Bewertung der einzelnen Asphalteigenschaften bzw. ermittelten Kenngrößen wurden mathematisch-statistische Verfahren angewandt. Zusammenfassend können anhand der statistischen Auswertung der untersuchten Asphalteigenschaften abschließend nicht durchgängig signifikante Unterschiede (Vor- bzw. Nachteile) zwischen den Asphalten einer Sorte mit den hier eingesetzten gummimodifizierten Bindemitteln und mit dem eingesetzten polymermodifizierten Bindemittel über alle untersuchten Asphalteigenschaften erkannt werden. Es kann daher von einer Gleichwertigkeit der Gebrauchseigenschaften von Asphalten unter Verwendung gummimodifizierter Bindemittel und polymermodifizierter Bindemittel ausgegangen werde. Das Ziel des Forschungsvorhabens konnte somit erreicht werden.

Ziel des Forschungsvorhabens ist es, anhand von Laborversuchen praxisgerechte Anforderungen an den Polierwiderstand von feinen Gesteinskörnungen auszuarbeiten. Die Regelungen der TL Asphalt-StB 07/13 sehen beispielsweise die Übertragung des an der groben Gesteinskörnung ermittelten Polierwiderstandes auf die feine Gesteinskörnung vor, welches oftmals zu nicht zutreffenden Ergebnissen führt. Weiterhin dürfen nur Gesteinskörnungen eingesetzt werden, die der Kategorie PSVangegeben(42) entsprechen. Dies kann zum Ausschluss geeigneter Gesteinskörnungen führen. Die umfassende Analyse der vollständigen Bandbreite der relevanten feinen Gesteinskörnungen hinsichtlich des Einflusses der Polierresistenz auf das Griffigkeitspotenzial von Asphaltmischgut steht im Fokus dieses Forschungsvorhabens. Darüber hinaus sind Aspekte wie Dauerhaftigkeit, Nachhaltigkeit, Ressourcenschonung und Verfügbarkeit von Rohstoffen von Bedeutung. Unter Berücksichtigung dieser Gesichtspunkte werden praxisgerechte Anforderung an den Polierwiderstand von feinen Gesteinskörnungen ausgearbeitet.

Eine der wichtigsten Grundlagen für die systematische Straßenerhaltung in Kommunen ist die Kenntnis des Straßenzustands und seiner zeitlichen Entwicklung. Im Rahmen des Erhaltungsmanagements wird in Deutschland der Zustand von Verkehrsflächen mittels periodisch durchgeführter Zustandserfassungen aufgenommen, die bspw. messtechnisch oder visuell erfolgen können. Im Ergebnis liegen Zustandsmerkmale auf sogenannten Auswerteabschnitten vor. Für die Aufstellung eines Bauprogramms sind daraus im ersten Schritt zustandshomogene Abschnitte zu bilden. Ziel des Forschungsprojektes war, ein praxisorientiertes, automatisch arbeitendes Verfahren zur Bildung zustandshomogener Abschnitte zu entwickeln (Segmentierungsverfahren) und damit ein Werkzeug zu schaffen, mit dessen Hilfe objektive Entscheidungen über die durchzuführenden Erhaltungsmaßnahmen unterstützt werden können. Da die Segmentierung jedoch ausschließlich auf den Zustandsdaten beruht, müssen bei der Aufstellung eines Bauprogramms regelmäßig von der jeweiligen Kommune noch eine Reihe weiterer praktischer Aspekte berücksichtigt werden, die zumeist Ortskenntnis erfordern. Insoweit ist das Resultat aus vorliegendem Verfahren als ein hilfreicher Baustein und objektiver erster Vorschlag für ein Bauprogramm zu betrachten. In einem ersten Schritt wurden aus der Literatur bekannte Segmentierungsverfahren analysiert. Dabei konnte insbesondere auch auf Erkenntnisse aus dem abgeschlossenen Projekt FE 29.0360/2014 „Verfahren zur Bildung und Beschreibung zustandshomogener Abschnitte und repräsentativer Kennzahlen für das Erhaltungsmanagement“ zurückgegriffen werden, in dem der Forschungsnehmer eine ähnliche Fragestellung bereits für Bundesfernstraßen betrachtet hatte. Darauf aufbauend wurde ein eigenes Segmentierungsverfahren entwickelt und erprobt, welches insbesondere eine grundlegend neue Herangehensweise an die Gesamtsegmentierung mehrerer Folgen von Zustandsmerkmalen beinhaltet. Die Verfahrensentwicklung und -verifikation wurde anhand der Netz- und Zustandsdaten von vier Beispielkommunen durchgeführt. Zu Beginn der Projektbearbeitung war es notwendig, eine eingehende Analyse der Daten hinsichtlich ihrer Konformität im Hinblick auf die Regelwerke durchzuführen, damit nachfolgend das Segmentierungsverfahren auf die jeweils gleiche Inputdatenstruktur aufsetzen konnte. Ein solcher Preprozessingschritt – vergleichbar mit dem Teilprojekt TP 0 bei der ZEB – ist generell zu empfehlen. Aus den so aufbereiteten Daten wurden Post-greSQL-Projektdatenbanken aufgebaut. Der Algorithmus zur Bildung zustandshomogener Abschnitte wurde in PostgreSQL entwickelt. Künftige Nutzer können das SQL-Script durch verschiedene Eingabeparameter, wie z. B. die Auswahl des Netzbereiches und die Mindestsegmentlänge, steuern. Das Verfahren segmentiert Abschnittsfolgen des Netzes fahrstreifenbezogen nach mehreren Zustandsmerkmalen, die auf Auswerteabschnitten fester Länge vorliegen. Die Abschnittsfolge wird dabei in Segmente eingeteilt, die möglichst zustandshomogen sind. Es wurde so konzipiert, dass die zu segmentierenden Zustandsmerkmale aus der Menge der verfügbaren Zustandswerte und Teilwerte frei wählbar sind. Jedem Segment werden als charakteristische Kennzahlen die Mittelwerte (oder andere Lageparameter wie der Median) der beteiligten Zustandswerte und eine Zustandsklasse zugeordnet. Darauf aufbauend kann jedem Segment eine Mängelklasse und eine geeignete Erhaltungsmaßnahme zugewiesen und damit Erhaltungsabschnitte abgeleitet werden. Es wurde ein neuer Algorithmus entwickelt, der Ideen verschiedener etablierter Verfahren aufgreift, aber letztendlich eine Eigenentwicklung darstellt. So wurde das Verfahren der kumulativen Summen mit dem Verfahren nach RÜBENSAM und SCHULZE verknüpft, die gefundenen Changepoints wurden mit einem Signifikanztest verifiziert und ggf. wieder eliminiert und das Kriterium der Mindestsegmentlänge wurde an geeigneter Stelle integriert. Zur initialen Glättung der Folge der Zustandsdaten wurde eine spezielle Glättungsmethode entwickelt. Eine komplett neue Herangehensweise wurde für die Gesamtsegmentierung mehrerer Folgen von Zustandsparametern gefunden. Die netzweit berechnete Segmentierung wurde durch zwei der beteiligten Beispielkommunen einer stichprobenhaften Prüfung unterzogen. Es zeigte sich, dass das Verfahren grundsätzlich korrekte und verwertbare Resultate liefert, die bei der Aufstellung eines Bauprogramms unterstützend eingesetzt werden können. Weitere Testrechnungen haben gezeigt, dass sich das Verfahren grundsätzlich auch für Straßen des überörtlichen Netzes eignet, da die Auswerteabschnittslänge (10 m/20 m/100 m) hier einen skalierbaren Faktor darstellt. Erweiterungen des Verfahrens bzgl. der Anzahl zu segmentierender Zustandsmerkmale sind möglich und für einen generellen Praxiseinsatz vermutlich auch notwendig. Diese Option sollte durch weitere umfängliche Beispielrechnungen und Vergleiche mit den Ergebnissen etablierter Verfahren verifiziert werden.

Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wird das Programm ConCalc entwickelt, welches die RDO Beton 09 um simulationsbasierte Verfahren erweitert. Hierzu wird erstens die Deterministik auf die Finite-Elemente-Methode (FEM) umgestellt, damit aktuell vorhandene Einschränkungen überwunden werden können. Zweitens wird eine Probabilistik im-plementiert, um Ausfallwahrscheinlichkeiten berechnen zu können. In erster Linie werden die Lastfälle der RDO Beton 09 mit FE präzise nachgebildet, so dass eine Alternative zur klassischen Berechnung mit analytischen Lösungen bereitgestellt wird. Eine Parameterstudie stellte u. a. heraus, dass das den RDO Beton 09 zugrundeliegende Prinzip der Superposition von Verkehrs- und Temperaturlast nicht gilt. Daher sind zur Weiterentwicklung der RDO Beton 09 weitere Untersuchungen nötig. Die Modellierungsmöglichkeiten von ConCalc gehen weit über die der RDO Beton 09 hinaus und umfassen unter anderem: • Die Interaktion der Betonplatte mit der Unterlage mittels • Kontaktmechanik mit Volumenmodellen oder • zugfreier Winklerbettung. • Die Berücksichtigung von Dübeln und Ankern als Festkörper in Mehrplattenmodellen zur Analyse der Interaktion im Fugenbereich, sowie • die Abbildung nichtlinearer Temperaturverläufe. Neben den genannten Erweiterungen, bestehen mit der FEM nahezu unbegrenzte Möglichkeiten zur Weiterentwicklung. Zur Durchführung von Berechnungen unter Anwendung der probabilistischen Verfahrensweise werden bestehende Formulierungen zu probabilistischen Bewertungsansätzen implementiert. Unter Berücksichtigung variierender Eingangsgrößen, können somit Ausfallwahrscheinlichkeiten berechnet werden. Da das Programm vornehmlich Forschungszwecken dienen soll, müssen Erweiterungen bzw. Änderungen einfach möglich sein. Daher ist ConCalc modular gestaltet und wird in vier Haupt- und mehrere untergeordnete Module unterteilt, die sich einzeln ersetzen lassen. Die Module kommunizieren nur über menschenlesbare Dateiformate, was die Wartbarkeit und Fehlersuche vereinfacht. Soweit möglich wird auf quelloffene und etablierte Softwarelösungen zurückgegriffen, um die zukünftige Anwendbarkeit und Updates zu gewährleisten. Diese Punkte sind für unkomplizierte und zukunftsfähige Weiterentwicklungen essentiell. Die nachfolgend beschriebenen Hauptmodule sind komplett skriptbar. Um der Erweiterbarkeit Rechnung zu tragen wird die Benutzeroberfläche zur Konfiguration der Berechnung flexibel und anwenderfreundlich mit eingebundenen Drop-Down-Menüs und ausgewählten Eingabefeldern in Excel gestaltet. Die grafische Oberfläche exportiert eine übersichtlich formatierte Eingabedatei für ConCalc im verbreiteten JSON-Format. Damit ist es ebenfalls möglich bei Bedarf die grafische Oberfläche zu umgehen und die Eingabedateien manuell oder geskriptet zu erstellen. Der in Matlab geschriebene Präprozessor erstellt Eingabedateien zur Geometrie- und Netzerstellung mittels GMSH. Die von GMSH exportierten Netzdaten werden anschließend vom Präprozessor u. a. um Randbedingungen und Materialdaten ergänzt um lauffähige Eingabedateien im Abaqus-Format zu erhalten. Der ebenfalls in Matlab geschriebene FE-Rechenkern liest die Eingabedaten, führt die Berechnung aus und schreibt Ergebnisdateien für den Postprozessor. Die implementierten Algorithmen wurden gründlich anhand analytischer und numerischer Referenzlösungen verifiziert. Ein wesentlicher Aspekt liegt in der Reduzierung der Rechenzeit von ConCalc. Dies ist insbesondere in Hinblick auf Sensitivitätsanalysen sowie die Anbindung der probabilistischen Verfahrensweise erforderlich. Zur Beschleunigung wurde ein Verfahren zur projektionsbasierten Modellreduktion implementiert. Neben der Optimierung der Rechenzeit für die Einzelrechnung besteht außerdem die Möglichkeit, verschiedene Berechnungen, voneinander gänzlich unabhängig, zu parallelisieren. Das Maß der Parallelisierbarkeit und der Reduzierung des Rechenaufwandes ist dabei von der verfügbaren Hardware und dem Bedarf an Genauigkeit abhängig. Die Visualisierung der Ergebnisse übernimmt ParaView, wofür Dateien im Visualization-Toolkit-Format geschrieben werden. Zur Dimensionierung und Bewertung wird die maximale Zugspannung identifiziert. Mit ConCalc steht ein Code zur Verfügung, der alle notwendigen Voraussetzungen für die Umstellung der RDO Beton auf ein FEM-basiertes Verfahren erfüllt. Aufgrund seines modularen Aufbaus und seiner numerischen Effizienz ist ConCalc für die Weiterentwicklung der RDO Beton und für Forschungszwecke geeignet. Darüber hinaus bietet ConCalc einen Code, mit dem erstmals FEM-Berechnungen mit der probabilistischen Methode durchgeführt werden können.