Load-bearing capacity measurements of municipal main roads with the Pavement-Scanner of the University of Wuppertal

B. Esser, M. Sc.; Univ.-Prof. Dr.-Ing. P. Sivapatham; T. Schrödter, M. Sc., Wuppertal
Univ.-Prof. a. D. Prof. h.c. (Ukr) Dr.-Ing. H. J. Beckedahl,  Hilden

In Deutschland werden alle vier Jahre netzweite Messungen zur Beurteilung des Zustands von Straßen durchgeführt (ZEB). Die erfassten Merkmale ermöglichen bisher nur  eine Bewertung des Oberflächenzustands der Straßen. Um den strukturellen Zustand des gesamten Fahrbahnaufbaus beurteilen zu können, muss die Tragfähigkeit der  Straßen berücksichtigt werden. Die effizienteste und störungsärmste Tragfähigkeitsmessung, die auch im Hinblick auf die Arbeits- und Verkehrssicherheit vorteilhaft ist, erreicht das Traffic Speed Deflectometer (TSD) im Pavement-Scanner der Bergischen Universität Wuppertal. Im vorliegenden Pilotprojekt werden mit dem TSD über ein Jahr hinweg Messungen auf kommunalen Hauptverkehrsstraßen in Wuppertal durchgeführt. Es werden Randbedingungen identifiziert und hinsichtlich möglicher unerwünschter Einflüsse auf die Messdaten bewertet. Außerdem wird die Wiederholbarkeit ermittelt. Zur Bewertung der Tragfähigkeit werden Kennwerte gebildet und interpretiert, sodass Straßenabschnitte mit Sanierungsbedarf identifiziert werden können. Insgesamt kann festgestellt werden, dass durch die Untersuchung der Tragfähigkeit visuell nicht erkennbare Schwachstellen im Straßenaufbau identifiziert und bei frühzeitiger Einleitung geeigneter Maßnahmen der bauliche Straßenzustand strategisch und wirtschaftlich sinnvoll verbessert werden kann. Das TSD im Pavement-Scanner erweist sich somit als wesentliches und zuverlässiges Instrument in der Erhaltungsplanung – auch im kommunalen Bereich.

In Germany, network-wide the pavement condition survey and assessment (ZEB) are conducted every four years. Until now, the recorded characteristics only allow an evaluation of the surface condition of roads. In order to assess the structural condition of the entire pavement structure, the load bearing capacity of the road must be taken into consideration. The most efficient and least disruptive bearing capacity measurement, which is also advantageous in terms of operational and traffic safety, is only achieved by the Traffic Speed Deflectometer (TSD) in the Pavement-Scanner of the University of Wuppertal. In the present project, measurements are carried out with the TSD over the period of a year on main municipal roads in Wuppertal. Boundary conditions are identified and evaluated with regard to possible undesirable influences on the data. Furthermore, the repeatability is verified. Characteristic values are formed and interpreted in order to identify road sections in need of restoration measures. It can be concluded that, by examining the bearing capacity, visually undetectable weak points in the pavement can be determined and, if appropriate measures are initiated at an early stage, the structural road conditions can be improved in a strategic and economically beneficial manner. The TSD in the Pavement-Scanner thus proves to be an essential and reliable tool in maintenance planning – even in the municipal scope.

Map of Frost Zones (RStO) and Climate Change

Dipl.-Meteorologin Dr. G. Augter, Dreieich
Dipl.-Ing. T. Plehm, Hoppegarten

Die Klimaerwärmung betrifft nicht nur die Temperaturen in der Atmosphäre, sondern auch die im Erdboden. Daher hat die zunehmende Erwärmung auch Auswirkungen auf die Frosteindringtiefe, die sich aus dem Frostindex ableiten lässt. Die Frosteindringtiefe wurde für die RStO 12 anhand des 30-jährigen Wiederkehrwerts der maximalen Frostindexe für die Winter 1955/56 bis 2004/05 bestimmt, indem eine Weibull-Verteilung an diese Frostindexe angepasst und aus dieser die Wiederkehrwerte berechnet wurden. Die klimatisch bedingten Unterschiede dieses maßgeblichen Frostindexes können der Frostzonenkarte, die Bestandteil der RStO ist, entnommen werden. Führt man eine Neuberechnung für die Winter 1971/72 bis 2020/21 durch und stellt die Ergebnisse mit unveränderten Zonengrenzen in Kartenform dar (Bild 1), dann überdeckt die Frostzone I mit dem kleinsten Richtwert für die Dicke des frostsicheren Oberbaus, die bisher auf das westliche Drittel Deutschlands beschränkt ist, fast die gesamte  Landesfläche. Vergleicht man die maßgebenden Frostindexe der Winter 1955/56 bis 2004/05 mit denen der Winter 1971/72 bis 2020/21 für insgesamt 138 Messstationen, dann korrelieren diese Werte linear mit einem Bestimmtheitsmaß von 94 %. Bei entsprechender Anpassung der Grenzwerte der Frostzonen erhält man also eine Frostzonenkarte für den Zeitraum 1971 bis 2020, die der Karte aus den RStO sehr ähnlich ist. Wenn man die Grenzwerte aus den RStO 12 beibehält, aber eine zusätzliche Zone mit einer um 5 cm geringeren Frosteindringtiefe hinzufügt, ändert sich auch die Differenzierung der bestehenden Karte nur wenig. Damit wäre eine Aktualisierung der Frostzonenkarte unter Beibehaltung der bisher verwendeten Dimensionierungsansätze möglich. In diesem Zusammenhang wird zusätzlich empfohlen, den Berechnungszeitraum wegen der fortschreitenden Erwärmung zu verkürzen und das Risiko einer Überschreitung der berechneten Frosteindringtiefe durch eine Verlängerung der Wiederkehrzeit zu vermindern. Entsprechende Ergebnisse werden für die aktuelle Klimanormalperiode 1991 bis 2020 und eine Wiederkehrzeit von 60 Jahren vorgestellt.

Global warming affects not only the temperatures in the atmosphere, but also those in the ground. Therefore, the increasing warming also affects the depth of frost penetration derived from the frost index. The frost penetration depth was determined for the RStO 12 using the 30-year return value of the maximum frost index for the winters 1955/56 to 2004/05. For this purpose, a Weibull distribution was adjusted to these frost indices, from which the return values were then calculated. The climatic differences in this relevant frost index are shown on the frost zone map, which is part of the RStO. If you carry out a recalculation for the winters 1971/72 to 2020/21 and present the results in map form, then frost zone I with the smallest reference value for the thickness of the frost-proof superstructure, which has so far been limited to the western third of Germany, covers almost the entire area. If one compares the decisive frost indices of the winters 1955/56 to 2004/05 with those of the winters 1971/72 to 2020/21 for 138 measuring stations, then these values correlate linearly with a coefficient of determination of 94 %. Adjusting the limit values of the frost zones accordingly, a frost zone map is obtained for the period 1971 to 2020, which is very similar to the map from the RStO. If the limit values from RStO 12 are retained, but an additional zone with a 5 cm lower frost penetration depth is added, the existing map changes only slightly. This would allow updating the frost zone map while retaining the previously used dimensioning approaches. In this context, it is also recommended to shorten the calculation period due to the progressive warming and reduce the risk of exceeding the calculated frost penetration depth by extending the return time. Corresponding results are presented for the current climate normal period from 1991 to 2020 and a return time of 60 years.

The importance of proper sealing in asphalt road construction

Dr.-Ing. R. Çetinkaya, Leverkusen
Dr.-Ing. D. Gogolin, Dortmund
P. Meinel, M. Sc.; Dr.-Ing. C. Schulze, Aachen

Asphaltstraßen sind nur dann dauerhaft haltbar, wenn der Baukörper gegen eindringendes Oberflächenwasser abgedichtet wird. Eine fehlende oder fehlerhafte Fugenausbildung ist oftmals Ursache und Ausgangspunkt für zum Teil massive Schäden in der Asphaltkonstruktion. Durch die Einführung der ASR A5.2 (2018) haben sich zudem die Arbeitsräume für freie und unverstellte Bewegungsflächen der Beschäftigten auf Baustellen im Verkehrsraum verändert, was dazu führt, dass Fugen in die Bereiche der späteren Rollspuren angeordnet werden. Die direkte Befahrung hat hierbei bereits in vielen Fällen zu einem Versagen der Fugenabdichtungen und zu großflächigen Verschmutzungen der Fahrbahnen geführt. Um die Bedeutung einer fachgerechten Fugenabdichtung herauszuarbeiten, wurden Untersuchungen im Rahmen einer Erprobungsstrecke am Institut für Straßenwesen der RWTH Aachen mithilfe eines zu diesem Zweck neu entwickelten Prüfverfahrens durchgeführt. Aus den gewonnenen Erkenntnissen ist ersichtlich, dass eine fachgerechte Fugenausbildung  grundsätzlich die Straßenkonstruktion vor eindringendem Wasser und somit auch vor den daraus resultierenden Schäden effektiv schützt. Neben den Witterungseinflüssen und den damit verbundenen thermischen Spannungen unterliegt das Fugenfüllmaterial zum Teil zusätzlichen Belastungen durch den überrollenden oder stehenden Verkehr. Um eine dauerhafte Fugenfüllung zu gewährleisten, ist die Wahl des richtigen Fugenmaterials von entscheidender Bedeutung. Hierzu wurde von der Ingenieurgesellschaft PTM Dortmund mbH ein Laborprüfverfahren für den Nachweis der Eignung von Fugendichtstoffen in Asphaltflächen bei hohen Temperaturen und bei überrollendem Verkehr entwickelt. Das entwickelte Laborverfahren zeigt für einen solchen Extremfall   vergleichende Ergebnisse. Hiermit lässt sich bereits im Vorfeld eine zielgerichtete Materialauswahl treffen.

Asphalt roads are only durable if the structure is sealed against surface water penetration. A missing or faulty joint design is often the cause and starting point for sometimes massive damage in the asphalt structure. The introduction of ASR A5.2 (2018) has also changed the working spaces for free and unobstructed movement areas for employees on construction sites in the traffic area, which leads to joints being arranged in the areas of the subsequent rolling lanes. In many cases, direct traffic has already led to faulty joint sealing and extensive soiling of the roadways. In order to determine the importance of proper joint sealing, tests were carried out on a test section at Institute of Highway Engineering at RWTH Aachen University using a new test method developed for this purpose. From the findings obtained, it is evident that a professional joint design basically protects the road structure effectively against water penetration and thus also against the resulting damage. In addition to the effects of weathering and the associated thermal stresses, the joint filling material is in some cases subject to additional stresses caused by rolling or stationary traffic. To ensure durable joint filling, the choice of the right joint material is of crucial importance. For this purpose, Ingenieurgesellschaft PTM Dortmund mbH has developed a laboratory test method for demonstrating the suitability of joint sealants in asphalt surfaces at high temperatures and under overrolling traffic. The laboratory procedure developed shows clear and comparative results for such an extreme case. This allows a targeted material selection to be made in advance.