Forschung

BASt testet innovative Sensorik für Fugensysteme

Mit Sensorsystemen ausgestattete Teststrecke auf dem Demonstrations-, Untersuchungs- und Referenzareal der BASt (duraBASt) am Autobahnkreuz Köln Ost (Bild: Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung)

Moderne Messtechnik soll dazu beitragen, die tatsächliche Beanspruchung auf Fugensysteme in Fahrbahndecken aus Beton zu ermitteln. Im Auftrag der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) wurde ein Sensorsystem entwickelt, mit dem sich alle relevanten mechanischen Beanspruchungsgrößen messtechnisch ermitteln lassen. Dessen Kenntnis stellt die Grundlage für eine wissenschaftlich fundierte ingenieurtechnische Bemessung von Fugen- und Fugenfüllsystemen dar, die zielsicher und dauerhaft die geforderte Funktionalität erreichen. Die Ergebnisse sollen in die künftigen Regelwerke einfließen.

Aufgabenstellung
Fugensysteme von Betonfahrbahndecken in Plattenbauweise stellen systemrelevante und sensitive Konstruktionsdetails dar. Aus Theorie und Praxis ist bekannt, dass sie einen entscheidenden Einfluss auf den Erhaltungsaufwand sowie die Lebens- und Nutzungsdauer einer Deckenkonstruktion besitzen können. In den letzten Jahren zeigte sich vermehrt eine unzureichende Dauerhaftigkeit und Funktionalität der konstruktiven und materialtechnischen Lösungen im Fugenbereich (Fugenkonstruktion, Fugenfüllsysteme). Dies ist einerseits sicherlich auf die rasante Zunahme des Schwerverkehrs aber auch auf klimatische Beanspruchungen zurückzuführen, die zu einer höheren Belastung der Konstruktion vor allem im Fugenbereich zwischen zwei angrenzenden Betonfahrbahnplatten führen. Die Auswirkungen der höheren Beanspruchung auf die Fahrbahnkonstruktion sind jedoch insbesondere für die modernen Betonfahrbahnbeläge nicht quantifiziert. Darüber hinaus wurde ebenfalls deutlich, dass die tatsächlichen Wirkmechanismen der verschiedenartigen Betonbelagssysteme unter den äußeren Beanspruchungen noch nicht vollständig aufgeklärt sind. Im Auftrag der BASt entwickelte die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, Berlin, ein Sensorsystem zur messtechnischen Ermittlung aller relevanten Beanspruchungsgrößen, die in situ auf Fugensysteme in Betonfahrbahndecken wirken. Darüber hinaus sollte ein Konzept für eine systematische Datenerhebung im Autobahnnetz erstellt werden, mit dem sich die relevante Beanspruchung von Fugensystemen quantifizieren lässt.

Untersuchungsmethode
Grundlegend wurde eine Recherche zur Thematik „Messsysteme für den Einsatz im Bereich von Fugenkonstruktionen“ durchgeführt. Dabei wurde sowohl der aktuelle Stand der Technik definiert als auch die jeweilige Eignung für das Forschungsprojekt bewertet. Dazu gehörte die Festlegung von Parametern, die für die Beschreibung der Beanspruchungszustände von Fugenfüllsystemen relevant sind. Im Hinblick auf die zu entwickelnde Messapparatur wurden die Anforderungen an die Messgenauigkeit, Messbereiche und Abtastraten festgelegt. Die Entwicklung der geeigneten Sensorik sowie die Erprobung fand auf zwei Teststrecken des Demonstrations-, Untersuchungs- und Referenzareals der BASt (duraBASt) statt. Abschließend wurde ein Konzept für die zukünftige Datenerhebung erstellt. Dafür erfolgten zunächst eine Analyse und eine Kategorisierung des BAB-Netzes nach relevanten Beanspruchungen. Anschließend wurden Vorschläge für die Festlegung eines repräsentativen Messprogramms erarbeitet sowie potenzielle Messorte festgelegt.

Ergebnisse
Das neu entwickelte Sensorsystem verfügt über eine innovative Steuerung und Datenverarbeitung. Mithilfe einer praxisgerechten Ein- und Ausbautechnologie wurde es erfolgreich im Feldversuch erprobt. Das Sensorsystem kann direkt in die Rollspur auf beiden Seiten der Fuge eingebaut werden und ist dafür ausgelegt, Lkw-Überfahrungen zu widerstehen. Direkt in die Betonfahrbahndecke integriert sind die Sensoren präzise genug, um durch Schwerlastverkehr induzierte, schnell ablaufende kleine Bewegungen der Fugenflanken detektieren zu können. Der Messbereich ist ausreichend groß ausgelegt, um auch tageszeitlich und saisonal langsam ablaufende Bewegungen genau zu erfassen.
In der Folge lassen sich in unterschiedlich beanspruchten Abschnitten des Streckennetzes sowie bei verschiedenen Bauweisen die realen dreidimensionalen quasistatischen sowie dynamischen Verformungen ermitteln. Dadurch besteht die Möglichkeit einer Zuordnung in Beanspruchungskategorien. Darüber hinaus lässt sich bereits aus den punktuellen Untersuchungsergebnissen auf dem duraBASt an zwei verschiedenen Fahrbahnbelägen der Bedarf nach einer Überarbeitung der bisherigen Dimensionierungsregelungen für Fugen in hochbeanspruchten Betonfahrbahndecken ableiten.

Folgerungen
Mit der Entwicklung des sensorbasierten Messsystems wurde die messtechnische Grundlage für die Erstellung eines Lastenheftes geschaffen, das essenziell für eine performance-basierte Untersuchung, Bewertung und Weiterentwicklung von Fugenfüllsystemen in Betonfahrbahndecken ist. In der Folge soll das System unter den Bedingungen realer Verkehrsbeanspruchung im Netz der Bundesautobahnen erprobt werden und im Rahmen einer umfassenden Datenerhebung der Ermittlung der realen Beanspruchungen an verschiedenen Oberbauvarianten sowie im zeitlichen Verlauf über die Nutzungsdauer dienen. Hierdurch können konstruktive und materialtechnische Beiträge zum Verformungsverhalten aufgeklärt und letztendlich Lebensdauer- oder Instandsetzungszyklen besser als bislang geplant werden. Die Forschungsergebnisse wurden den entsprechenden Arbeitskreisen der FGSV vorgelegt und sollen bei einer Überarbeitung der entsprechenden Regelwerke Beachtung finden.

Weitere Informationen
Bundesanstalt für Straßenwesen
D-51427 Bergisch Gladbach
www.bast.de
 

01.09.2021