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Ein Projekt finanziert im Rahmen der Verkehrsinfrastrukturforschung 2015

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1 ConSTRUKT

STRUKTurelle Zustandserhebung und –bewertung von Betondecken

(CONcrete) auf Projektebene ConSTRUKT

Ein Projekt finanziert im Rahmen der Verkehrsinfrastrukturforschung 2015

(VIF2015)

März 2019

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2 ConSTRUKT

Impressum:

Herausgeber und Programmverantwortung:

Bundesministerium für Verkehr, Innovation und Technologie Abteilung Mobilitäts- und Verkehrstechnologien

Radetzkystraße 2 A - 1030 Wien

ÖBB-Infrastruktur AG Praterstern 3

A - 1020 Wien

Autobahnen- und Schnellstraßen-Finanzierungs Aktiengesellschaft

Rotenturmstraße 5-9 A - 1010 Wien

Für den Inhalt verantwortlich:

Institut für Verkehrswissenschaften – Forschungsbereich Straßenwesen Technische Universität Wien Gußhausstraße 28/230-3 A – 1040 Wien

Programmmanagement:

Österreichische Forschungsförderungsgesellschaft mbH Bereich Thematische Programme

Sensengasse 1 A – 1090 Wien

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3 ConSTRUKT

STRUKTurelle Zustandserhebung und –bewertung von Betondecken

(CONcrete) auf Projektebene ConSTRUKT

Ein Projekt finanziert im Rahmen der Verkehrsinfrastrukturforschung

(VIF2015)

AutorInnen:

DI Dr. Lukas EBERHARDSTEINER DI Pia MANDAHUS

Assoc. Prof. Priv.-Doz. DI Dr. Bernhard PICHLER Ass.Prof. DI Dr. Mehdi AMINBAGHAI

DI Dr. Martin PEYERL DI Gerald MAIER

Univ.-Prof. DI Dr. Ronald BLAB

Auftraggeber:

Bundesministerium für Verkehr, Innovation und Technologie ÖBB-Infrastruktur AG

Autobahnen- und Schnellstraßen-Finanzierungs-Aktiengesellschaft

Auftragnehmer:

Institut für Verkehrswissenschaften – Forschungsbereich Straßenwesen, TU Wien (IVWS)

Institut für Mechanik der Werkstoffe und Strukturen (IMWS)

Smart Minerals GmbH

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4 ConSTRUKT

INHALTSVERZEICHNIS

ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS ... 5

1 Einleitung ... 7

2 Stand der Technik ... 9

2.1 Zustandserfassung und –bewertung ... 9

2.2 Berechnung der Restlebensdauer ... 13

2.3 Ermittlung der mechanischen Materialparameter ... 13

2.4 Ermüdungsverhalten von Beton ... 19

2.5 Fallgewichtsdeflektometer ... 23

3 Probestrecken ... 25

3.1 A1 – Fahrtrichtung Salzburg – KM 32,776 ... 25

3.2 A2 – Fahrtrichtung Kärnten – KM 50,000 ... 28

3.3 A5 – Fahrtrichtung Wien – KM 26,967 ... 30

3.4 Bohrkernentnahme und Oberflächenbegutachtung ... 31

4 Visuelle Zustandserfassung ... 36

4.1 Begehung ... 36

4.2 Videoanalyse ... 43

5 Innovative Messungen mit dem Fallgewichtsdeflektometer (FWD) ... 48

5.1 „Sternförmige“ Messungen ... 48

5.2 Ergebnisse ... 51

5.3 Berechnung der Bettungssteifigkeit mittels hybrider Methode ... 60

6 Materialtechnologische Prüfungen ... 84

6.1 Probestrecken ... 84

6.2 Laboruntersuchungen ... 88

7 Skalierung mit Mehrskalen-Betonmodell ... 94

7.1 Modell für die Zugfestigkeit und die Zugentfestigung von Beton ... 94

7.2 Anwendung des Mehrskalenschädigungsmodells auf 3-Punkt-Biegeversuche 99 7.3 Darstellung und exemplarische Quantifizierung des Size-Effects ... 100

8 Gesamtbewertung ... 102

8.1 Visuelle und messtechnische Erfassung ... 102

8.2 Berechnung der Restlebensdauer ... 105

8.3 Gesamtbewertung ... 111

9 Zusammenfassung und Empfehlungen ... 114

LITERATURVERZEICHNIS ... 116

TABELLENVERZEICHNIS ... 119

ABBILDUNGSVERZEICHNIS ... 120

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5 ConSTRUKT

ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS

Aε Verformungsfläche (Fläche unter der Verformungskurve) [mm²]

AFWD Fläche der Lastplatte [mm²]

AB Bezugsfläche [m²]

AQS Asphaltquerschnittsfläche [mm²]

AMOS,i Schadensausmaß des Merkmals i der Oberflächenschäden [m]

AMLRI,i Schadensausmaß (Längenwert) des Merkmals i der Risse [m]

d Dicke der Betondecke [mm]

D1 Einsenkung an Geophon 1 [µm]

EB E-Modul des Betons [N/mm²]

ET E-Modul der Tragschichte [N/mm²]

EU E-Modul des Untergrundes [N/mm²]

εFWD Flächenhafte Verformung FWD Fallgewichtsdeflektometer

GOS,i Gewicht Schadensschwere des Merkmals i h*, hB*, hT* Ersatzschichtdicken [mm]

hB Schichtdicke der Betondecke [mm]

hT Schichtdicke der Tragschichte [mm]

JDTLV Jährlich durchschnittlich täglicher Lastverkehr

k Bettungsmodul [N/mm³]

MD1 Einsenkungsmodul [N/mm³]

MFWD Verformungsflächenmodul

NEin Einwirkende Normlastwechsel

NKum Kumulierte Lastwechsel

PFWD Last auf der Lastplatte [N]

S Spurverteilungsfaktor

σFWD Kontaktspannung unter der Lastplatte

V Verkehrsverteilungsfaktor

ZGOS,Beton Zustandsgröße Oberflächenschäden Betondecke [%]

ZGRI,Beton Zustandsgröße Risse Betondecke [%]

ZWOS Zustandswert der Oberflächenschäden ZWRI Zustandswert der Risse

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6 ConSTRUKT

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7 ConSTRUKT

1 EINLEITUNG

Die Bewertung des Zustandes von Betondecken erfolgt zurzeit in Österreich auf Basis von RVS 13.01.15 (FSV 2006), auf Grundlage der Kenngrößen Griffigkeit, Textur, Querebenheit und Längsebenheit sowie von RVS 13.01.16 (FSV 2013). Im Rahmen des Erhaltungsmanagementsystems (EMS) werden die erfassten Zustandsgrößen mit Hilfe von Zustandsfunktionen bewertet bzw. normiert und die Zustandsklassen 1 (sehr gut) bis 5 (sehr schlecht) für eine netzweite Betrachtung des Straßenzustandes in hochrangigen Straßennetzen vergeben (Weninger-Vycudil 2009). In Österreich werden zudem die Zustandswerte (1-5) der Spurrinnen, Griffigkeit, Längsebenheit, Oberflächenschäden, Risse, Deckschichtalter und Tragfähigkeit mit Hilfe von Gewichtung und Verknüpfungsregeln zu einem Gebrauchswert (GI), mit den Komponenten Sicherheit und Komfort, und zu einem Substanzwert (SI), mit den Komponenten Deckenschädigung und Tragfähigkeit, zusammengefasst. Aus GI und SI wird schließlich der Gesamtwert (GW) ebenfalls nach Schulnotensystem berechnet. Je nach EMS werden die Einzelnoten bzw. die Gesamtnote zur Visualisierung des relativen Straßenzustandes auf Netzebene als auch zur Maßnahmenplanung herangezogen. Für eine detaillierte Zustandsanalyse zur frühzeitigen Erkennung von Steifigkeits-, Ermüdungs-, sowie Strukturveränderungen in den Tragschichten und für die daran anschließende Abschätzung der Restlebensdauer der Fahrbahn auf Projektebene fehlen jedoch entsprechende Verfahren und Konzepte.

Das Projekt ConSTRUKT ermöglicht eine für den jeweiligen Straßenabschnitt spezifische Quantifizierung der Restlebensdauer von starren Oberbauten. Das erfolgt durch die Kombination von innovativen experimentellen und rechnerischen Methoden, sowohl auf materialtechnologischem, als auch auf strukturellem Niveau. Beispielweise ermöglicht das im Rahmen des Projektes entwickelte sternförmige Messschema für Fallgewichtsdeflektometer- messungen nicht nur die vorzeitige Identifikation struktureller Schäden, sondern gibt auch einen Hinweis auf deren Ursache. Zudem können aus den Ergebnissen wichtige Eingangsgrößen zur möglichst realitätsnahen Abschätzung einer strukturellen Restlebensdauer auf Basis einer jüngst entwickelten rechnerischen Dimensionierungs- methode für starre Oberbauten abgeleitet werden. Ergänzt durch eine vereinheitlichte visuelle Erfassung und Bewertung von Oberflächenschäden liefert das Projekt ConSTRUKT als Ergebnis maßgeschneiderte Empfehlungen für Planung, Durchführung und Auswertung dieser innovativen in-situ Versuche, sowie eine Bewertung des Gesamtzustandes und eine Ableitung von maßgeschneiderten Erhaltungsmaßnahmen.

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8 ConSTRUKT Dies soll eine frühzeitige Erkennung und Behebung von strukturellen Schäden ermöglichen, bevor diese vom Straßennutzer wahrgenommen werden. Dazu wird einerseits ein Formblatt erstellt, das zur Vereinheitlichung der visuellen Zustandsbewertung dient und den Aufbau einer wohlstrukturierten Datenbank erlaubt. Auf die visuelle Zustandsbewertung aufbauend wird zudem ein jeweils maßgeschneidertes experimentelles Programm definiert, in dem Art und Umfang der oben beschriebenen materialtechnologischen und strukturellen in-situ Prüfverfahren und eine entsprechende Vorgangsweise zur Auswertung der Experimente empfohlen werden. Beispielsweise erlauben die optimierten (strahlenförmigen) FWD- Messungen sowohl die standardmäßige durchgeführte Auswertung, als auch die in ConSTRUKT neu entwickelte Rückbestimmung der Größe und Verteilung der Untergrundsteifigkeit.

Zur Ableitung von Erhaltungsmaßnahmen werden die jeweils vorliegenden visuellen, materialtechnologischen und strukturellen Zustandsbewertungen zu einer Gesamtbewertung des Ist-Zustands verknüpft. Darauf aufbauend wird ein strukturierter Entscheidungsbaum für Projektleiter empfohlen, der im Sinne eines standardisierten Maßnahmenkatalogs technisch sinnvolle und wirtschaftliche Arbeitsanweisungen auflistet.

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9 ConSTRUKT

2 STAND DER TECHNIK

2.1 Zustandserfassung und –bewertung

Für eine wirtschaftliche Erhaltungsplanung auf Österreichs Straßen ist die Kenntnis des Zustandes von größter Bedeutung um langfristig die richtigen Erhaltungsstrategien zu verfolgen. Um dieses Wissen zu erlangen, werden sowohl visuelle als auch messtechnische Zustandserfassungen durchgeführt, aufgrund derer eine sinnvolle Erhaltungsplanung möglich ist.

Bei der visuellen Zustandserfassung werden Risse und Oberflächenschäden sowohl für Asphalt- als auch für Betondecken erfasst (FSV 2013). Da sich das gegenständliche Forschungsprojekt ConSTRUKT ausschließlich mit Betonstraßen beschäftigt, bleiben im Folgenden typische Schäden an Asphaltstraßen undiskutiert.

Die Erfassung erfolgt entweder messtechnisch (z.B. durch das Messsystem RoadSTAR) oder visuell durch Begehung des Straßenabschnittes. Dabei werden alle sichtbaren Schäden abgemessen, dokumentiert und später ausgewertet. Vorteil dieser Methode ist die hohe Genauigkeit, solange die Begehung von qualifiziertem Personal durchgeführt wird. Allerdings bedarf die hohe Genauigkeit auch viel Zeit, was einerseits zu sehr hohen Personalkosten und andererseits zu langen Streckensperren führt, da die Begehungen nur auf gesperrten Straßen durchgeführt werden können.

Ein weiterer Nachteil ist die Subjektivität der visuellen Zustandserfassung. Je nach Qualifizierung oder Genauigkeit des Personals ist mit unterschiedlichen Ergebnissen zu rechnen. Dieser Umstand ist vor allem bei den Planungen für Erhaltung und Instandsetzung ein großer Nachteil. Dieses Forschungsprojekt hat zum Ziel, die visuelle Zustandserfassung zu vereinheitlichen.

Die Griffigkeit, Längs- und Querebenheit werden im hochrangigen Straßennetz meist dem System RoadSTAR und/oder Griptester erfasst ((FSV 2004), (FSV 2004), (FSV 2004) (FSV 2009)). Alternativ können auf Projektebene auch für die Querebenheit die Messlatte oder der Profilograf, für die Längsebenheit die Messlatte oder der Planograf bzw. für die Griffigkeit das SRT-Pendel eingesetzt werden. In der nachfolgenden Tabelle 1 sind die Möglichkeiten für eine messtechnische Zustandserfassung je nach Anwendungsgebiet zusammengefasst.

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10 ConSTRUKT Tabelle 1: Möglichkeiten der messtechnischen Zustandserfassung

Zustandsmerkmal Anwendungsbereich

Netzebene Projektebene

Querebenheit RoadSTAR 2 m Messlatte und Keil Profilograf

Längsebenheit RoadSTAR 4 m Messlatte und Keil Planograf

Griffigkeit RoadSTAR

GripTester SRT-Pendel

Der nächste wichtige Schritt für die Erhaltungsplanung ist die Bewertung der bereits erfassten Schäden. Das Schema ist in Abbildung 1 dargestellt, und wird im Folgenden genauer erläutert.

Abbildung 1: Berechnungsschema für die Straßenzustandsbewertung (Weninger-Vycudil, Simanek et al. 2009)

Für die Zustandsbewertung werden die Merkmale Griffigkeit, Spurrinnen, Längsebenheit, Oberflächenschäden, Risse und die theoretische Tragfähigkeit betrachtet (Weninger-Vycudil, Simanek et al. 2009).

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11 ConSTRUKT Die Zustandsmerkmale Risse und Oberflächenschäden müssen visuell erfasst werden. Dem Merkmal Risse sind bei Betondecken zwei verschiedene Schäden zugeordnet:

• Risse

• Eckabbrüche

Bei der Schadensaufnahme werden sowohl die Länge der einzelnen Risse, als auch ihre Schadensschwere dokumentiert. Die Schadenschwere wird sowohl bei Rissen als auch bei Eckabbrüchen in saniert (S1) oder offen (S3) unterteilt. Mithilfe dieser Einteilung ist eine Gewichtung der erfassten Schäden möglich (FSV 2013). Das Ergebnis ist ein Prozentwert der geschädigten Fläche:

𝑍𝐺*+,-./01 = 0,5 ∙ ∑ 7𝐴𝑀𝐿; *+,;∙ 𝐺*+,;<

𝐴- ∙ 100

mit:

ZGRI,Beton… Zustandsgröße Risse Betondecke [%]

AMLRI,i… Schadensausmaß (Längenwert) des Merkmals i [m]

GRI,i… Gewicht Schadensschwere des Merkmals i AB… Bezugsfläche [m²]

Zu den Oberflächenschäden auf Betondecken zählen:

• Ablösungen, Abplatzungen und Ausbrüche

• Kantenschäden

• Schadhafte Reparaturstellen aus Beton

• Reparaturstellen aus Asphalt

Reparaturstellen aus Asphalt stellen eine deutliche Inhomogenität und somit eine Störung des Gefüges dar. Reparaturstellen aus Beton gelten als saniert, so lange die Stelle nicht erneut schadhaft ist.

Alle Oberflächenschäden sind mit der Schadensschwere S2 zu beurteilen bzw. zu gewichten.

𝑍𝐺>?,-./01 = ∑ 7𝐴𝑀; >?,;∙ 𝐺>?,;<

𝐴- ∙ 100 mit:

ZGOS,Beton… Zustandsgröße Oberflächenschäden Betondecke [%]

AMOS,i… Schadensausmaß des Merkmals i [m]

GOS,i… Gewicht Schadensschwere des Merkmals i AB… Bezugsfläche [m²]

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12 ConSTRUKT Anschließend müssen die dimensionsbehafteten Zustandsgrößen durch eine Normierung in Zustandswerte umgewandelt werden. Die Zustandswerte sind in Klassen von 1 (Sehr gut) bis 5 (Sehr schlecht) eingeteilt. Der Wert von 3,5 wird als Warnwert bezeichnet. An dieser Stelle sollten Erhaltungsmaßnahmen in Erwägung gezogen werden. Der Wert 4,5 isz ein Schwellenwert; er stellt den Übergang in einen kritischen Zustand dar. Bei Erreichen dieses Wertes sollten jedenfalls Maßnahmen getroffen werden (Weninger-Vycudil, Simanek et al.

2009).

Um eine Übersicht über die Auswirkung und mögliche Erhaltungsplanung zu bekommen, werden die einzelnen Zustandswerte durch Verknüpfungen und Gewichtungen zu den Teilwerten Gebrauchs- und Substanzwert zusammengefasst. Der Gebrauchswert gibt Auskunft über die Fahrsicherheit und den Fahrkomfort. Für diesen Teilwert werden folgende Zustandsmerkmale herangezogen:

• Griffigkeit

• Spurrinnen

• Längsebenheit

• Oberflächenschäden

Der Substanzwert bewertet die strukturelle Beschaffenheit des Straßenabschnittes und wird mithilfe folgender Merkmale berechnet:

• Risse

• Oberflächenschäden

• Spurrinnen

• Längsebenheit

• Theoretische Tragfähigkeit

Da die Substanz des Oberbaus nur bedingt mit visueller oder messtechnischer Erfassung bewertet werden kann, wird außerdem die theoretische Tragfähigkeit berechnet. Dieser Wert wird durch die Dicke der Betondecke und den Vergleich der kumulierten mit den zulässigen Lastwechsel berechnet und soll Aufschluss über die strukturelle Ermüdung geben.

Abschließend können die beiden Teilwerte noch zu einem Gesamtwert zusammengefügt werden, wodurch jedoch die Information über die Art der Schäden verloren geht.

Der Vorteil dieser Vorgehensweise bei der Bewertung des Straßenzustandes ist die Übersichtlichkeit durch eine Notenskala, wodurch der Straßenbetreiber ein einfaches aber zielführendes Instrument zur Entscheidungsfindung bei Erhaltungsmaßnahmen hat.

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13 ConSTRUKT Leider können bei dieser Methode aber möglicherweise wichtige Informationen verloren gehen. Es gibt zwar eine Unterteilung in Gebrauchs- und Substanzwert, allerdings werden alle gleichartigen Schäden zusammengezählt, ohne den Grund der Schäden zu hinterfragen.

Risse können beispielsweise eine Vielzahl an Ursachen haben. Wenn der Straßenbetreiber nur einen Blick auf die Endnoten wirft, kann er unmöglich die Ursachen der Schäden erkennen, und demnach nur bedingt die richtigen Maßnahmen zur Erhaltung einleiten. Es wäre dementsprechend wichtig, für die Erhaltungsplanung Schäden, welche unterschiedliche Ursachen haben, nicht einfach zusammenzufassen und als gleich zu behandeln.

2.2 Berechnung der Restlebensdauer

Die strukturelle Restlebensdauer wird derzeit nur aufgrund der bisher ertragenen Lastwechsel und des Alters berechnet. Durch einen Vergleich der zulässigen mit den kumulierten Normlastwechsel und einer anschließenden linearen Transformation wird ein Reduktionsfaktor ermittelt, mit welchem die noch möglichen Lastwechsel anschließend berechnet werden können. (Weninger-Vycudil, Simanek et al. 2009) Bei dieser Berechnungsmethode werden keine Strukturparameter beachtet, d.h. der derzeitige Zustand der Straße ist hier irrelevant.

Es gibt zwar die Möglichkeit, zusätzliche Tragfähigkeitsuntersuchungen (FWD, Bohrkernuntersuchungen) in die Berechnung miteinfließen zu lassen, allerdings müsste man aus diesen zusätzlichen Tests eine Prozentsatz für die Restlebensdauer erhalten, um diesen dann in den Formalapparat einzusetzen. Diese Restlebensdauer, als Prozentwert zur Bemessungslebensdauer, kann allerdings auch nach Durchführung dieser Tragfähigkeitsuntersuchungen nur abgeschätzt werden.

Eine weitere Alternative zur genaueren Berechnung bietet die visuelle Begutachtung. Dabei wird der Straßenabschnitt in Schulnotensystem 1-5 unterteilt, wobei die vergebene Note bei der Berechnung der Restlebensdauer berücksichtigt wird. Auch diese Möglichkeit hat den Nachteil, dass die Bewertung nur subjektiv und außerdem nur oberflächlich stattfinden kann.

2.3 Ermittlung der mechanischen Materialparameter

Die Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften von Betondecken im Rahmen der Kontroll- und Abnahmeprüfungen erfolgt aufgrund der europäischen Vorgaben gemäß EN 13877-1 (2013) durch Ermittlung der Spaltzugfestigkeit. Bis zum Jahr 2006 war das maßgebende Beurteilungskriterium zur Ermittlung der mechanischen Eigenschaften die Biegezugfestigkeit. Im Zuge einer Forschungsarbeit zur Anpassung der Festigkeiten an die europäische Normung (Macht and Nischer 2005) wurden Anforderungen an die

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14 ConSTRUKT Spaltzugfestigkeit für Erst-, Kontroll- und Abnahmeprüfungen festgelegt. Druckfestigkeit sowie der statische Elastizitätsmodul werden standardmäßig nicht ermittelt, stellen aber für genauere Charakterisierung sowie die Dimensionierung von Betonstraßen wichtige Kenngrößen dar.

2.3.1 Spaltzugfestigkeit

Für die Herstellung von Betondecken ist die Prüfung der Spaltzugfestigkeit die maßgebende Anforderung zur Definition der erforderlichen mechanischen Eigenschaften von Betondecken.

Tabelle 2 zeigt die in RVS 08.17.02 (FSV 2011) definierten Anforderungen an die Prüfung der Spaltzugfestigkeit an Prismen (12/12/36±4cm) für die Erst- und Konformitätsprüfung sowie für Bohrkerne (D=10cm, L=Betondeckendicke) für die Abnahmeprüfung.

Tabelle 2: Anforderungen an Spaltzugfestigkeiten gemäß RVS 08.17.02 (FSV 2011)

Spaltzugfestigkeits- klasse

Spaltzugfestigkeit [N/mm²]

EW EW MW

Erstprüfung Konformitätsprüfung

Unterbeton S 2,7 (Prisma) 3,7 2,5 3,5

Oberbeton S 3,3 (Prisma) 4,4 3,2 4,2

Abnahmeprüfung

Ober- und Unterbeton SC 2,4 (Bohrkern) 1,9 2,9

Oberbeton SC 2,7 (Bohrkern) 2,2 3,2

Die Ermittlung der Spaltzugfestigkeit erfolgt gemäß ONR 23303 (2010). Bei dieser Prüfung werden Bohrkerne normal zur Längsachse auf Druck belastet. Die dadurch im Probekörper eintretenden Querzugspannungen verursachen den Bruch der Probe. Die Spaltzugfestigkeit entspricht etwa 92 Prozent der einaxialen Zugfestigkeit. Abbildung 2 zeigt exemplarisch die Prüfung der Spaltzugfestigkeit an prismatischen Probekörpern mit Lasteinbringungsstreifen aus Stahl bzw. Hartfaserstreifen.

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15 ConSTRUKT Abbildung 2: Prüfung der Spaltzugfestigkeit an Bohrkernen, (1 Lasteinbringungsstreifen aus

Stahl, 2 Hartfaserstreifen), ONR 23303 (2010)

Versuche im Rahmen eines Forschungsprojektes zur Ermittlung der Tausalzbeständigkeit von Betonfahrbahndecken (Peyerl and Krispel 2015) zeigten, dass zum Erreichen der erforderlichen Spaltzugfestigkeit, speziell beim Straßenoberbeton, ein geringerer W/B-Wert (etwa 0,40) und ein nicht zu hoher Luftgehalt erforderlich sind (siehe Abbildung 3).

Abbildung 3: Spaltzugfestigkeit in Abhängigkeit von W/B-Wert und Gesamtluftgehalt (Peyerl and Krispel 2015)

2.3.2 Druckfestigkeit

Die Ermittlung der Druckfestigkeit dient zur standardmäßigen Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften aller Betonbauteile. Die Einteilung der im Betonbau üblichen Festigkeitsklassen (z.B. C25/30) erfolgt in Österreich durch Bestimmung der einaxialen

(16)

16 ConSTRUKT Druckfestigkeit an Würfeln mit einer Kantenlänge von 15 cm. Die Bestimmung der Festigkeit an Bauwerken erfolgt aufgrund der leichteren Entnahme meist an zylindrischen Proben. Bei der Prüfung wird die erreichte Höchstlast aufgezeichnet und die Druckfestigkeit des Betons berechnet.

Die Prüfung an Betonproben erfolgt gemäß ONR 23303 (2010) mit einer Belastungsgeschwindigkeit von (0,6 ± 0,2) MPa/s bis max. 30% der Bruchlast. Danach ist die Belastungsgeschwindigkeit so zu wählen, dass die abgeschätzte Druckfestigkeit nach 30 s bis 1 min eintritt. Generelle Anforderungen an die erforderliche Druckfestigkeit für Straßenoberbetone werden gemäß RVS 08.17.02 (FSV 2011) nicht gestellt. Lediglich bei der Ermittlung der Frühfestigkeit (z.B. für die Verkehrsfreigabe) wird meist die Straßenbetondruckfestigkeit ermittelt. Beispielsweise kann in der Regel eine Verkehrsfreigabe erfolgen, wenn die Druckfestigkeit größer als 20 N/mm² ist.

2.3.3 Statischer Elastizitätsmodul

Beton weist nur bei sehr geringen Lasten ein linear visko-elastisches Materialverhalten auf.

Bereits weit vor dem Erreichen der maximalen Druckfestigkeit entstehen Mikrorisse im Gefüge.

Wird ein fiktives Spannungs-Dehnungsdiagramm (Arbeitslinie) für einen einaxial auf Druck beanspruchten Beton dargestellt (siehe Abbildung 4), zeigt sich, dass schon bei geringer, aufgebrachter Spannung keine Proportionalität zwischen Spannung und Dehnung (Stauchung) vorherrscht. Zur Definition des Elastizitätsmoduls (E) gilt es als zulässig, einen gewissen Bereich (meist bis zur Spannung fc/3) als näherungsweise linear elastisch anzunehmen.

(17)

17 ConSTRUKT Abbildung 4: Beton unter einaxialer Druckbeanspruchung, qualitatives Spannungs- (σ)

Dehnungs- (ε) Diagramm (Grübl, Weigler et al. 2002)

Zur experimentellen Ermittlung des statischen Elastizitätsmoduls wird eine Probe mit einer Vorlast von 10 % der Druckfestigkeit zyklisch bis zu einer Maximallast von einem Drittel der voraussichtlichen Druckfestigkeit belastet. Die Ermittlung des statischen Elastizitätsmoduls erfolgt gemäß ONR 23303 (2010) nach dem in Abbildung 5 dargelegten Schema.

Abbildung 5: Schema für Belastungszyklen für die experimentrelle Ermittlung des statischen E- Moduls (2010)

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18 ConSTRUKT Im Rahmen der gemäß RVS 08.17.02 (FSV 2011) definierten Prüfungen erfolgt keine Bestimmung des statischen Elastizitätsmoduls im Rahmen von Erst-, Kontroll- und Abnahmeprüfungen. Erfahrungswerte über die Veränderung dieses Kennwertes über die Lebensdauer von Betondecken liegen daher bis dato in Österreich nicht vor.

2.3.4 Schalllaufzeit / dynamischer Elastizitätsmodul

Bei Werkstoffen, die bereits bei geringer Krafteinwirkung keinen linearen Zusammenhang zwischen Spannung und Dehnung aufweisen, ist die Ermittlung des statischen E-Moduls mit Fehlern behaftet. Deshalb erweist sich das Aufbringen von periodischen Belastungsänderungen auf einen Prüfkörper zweckmäßig, da bei dieser Belastung die Verformungen der Probe vernachlässigbar klein gehalten werden können. Der dynamische E- Modul entspricht daher der Steigung der Tangente im Ursprung (Tangentenursprungsmodul) und stellt eine echte Werkstoffkenngröße dar. Mithilfe dieses Materialkennwertes kann eine Charakterisierung von Baustoffen und deren Veränderung über die Zeit sehr gut erfolgen (Peyerl and Krispel 2015), (Grübl, Weigler et al. 2002), (Hohberg 2004).

Die Besimmung des dynamischen E-Moduls kann grundsätzlich durch Eigenschwingzeitmessung nach einer Impulsanregung oder durch die Laufzeitmessung von Ultraschallimpulsen erfolgen. Beim ersten Verfahren wird ein Probekörper an einer geeigneten Stelle impulsartig leicht angeschlagen und schwingt nach einer bestimmten Dauer mit der ersten Eigenfrequenz in der zugehörigen ersten Eigenschwingungsform.

Das Ergebnis ist ein Anzeigewert der Grundeigenschwingungszeit zweier Schwingungen in Millisekunden. Dieser Anzeigewert ist abhängig von der geometrischen Form des Probekörpers, seiner Rohdichte und der gewählten Schwingungsform (Dehn-, Torsions-, Biegeschwingung).

Bei der Methode der Laufzeitmessung wird die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Ultraschallwelle mit Hilfe einer Konstanten und der Rohdichte in Beziehung gesetzt. Dabei ist es möglich, zerstörungsfrei elastische Kennwerte von Beton über einen bestimmten zeitlichen Verlauf an den selben Proben zu ermitteln (Grübl, Weigler et al. 2002). Dieses Verfahren wird beispielsweise auch bei der Ermittlung der Frostbeständigkeit gemäß ONR 23303 (2010) bzw.

ÖNORM EN 12504-4 (2004) von Betonen herangezogen. Abbildung 6 zeigt den grundsätzlichen Messaufbau zur Ermittlung der Schalllaufzeit.

(19)

19 ConSTRUKT Abbildung 6: Messaufbau zur Ermittlung der Schalllaufzeit

2.3.5 Festbetonrohdichte und Wasseraufnahme

Je nach verwendeten Betonausgangsstoffen insbesondere Gesteinskörnung, Gehalt an künstlichen Luftporen sowie Porigkeit weisen Betone unterschiedliche Rohdichten auf. Es bestehen auch meist Korrelation zwischen Rohdichte und Druckfestigkeit. Die Rohdichte wird daher, auch zur Verifizierung der Ergebnisse, stets vor der Ermittlung von mechanischen Betoneigenschaften bestimmt.

Die Rohdichte von Festbeton wird gemäß ONR 23303 (2010) durch Messen (Volumenermittlung) und Wiegen oder, speziell bei unregelmäßig geformten Proben durch Wiegen und Volumsbestimmung durch Unterwasserwiegung ermittelt. Der Wassergehalt der Proben (wie angeliefert, wassergesättigt oder im Wärmeschrank getrocknet) ist jeweils anzugeben. Im gegenständlichen Fall wurde die Rohdichte auf die Trockenmasse bezogen.

Im Zuge der Rohdichtebestimmung werden die Proben auch unter Wasser gelagert bis keine Zunahme der Masse mehr festgestellt werden kann. Die Wasseraufnahme wird aus der Trockenmasse (Bezugswert) sowie der wassergesättigten Masse gemäß ONR 23303 (2010) errechnet.

2.4 Ermüdungsverhalten von Beton

Ermüdungsversuche zur Beschreibung des Materialverhaltens können beispielsweise mit dem Druckschwellversuch durchgeführt werden (siehe z.B. (Hohberg 2004)). Solche Beanspruchungszyklen können nur an extrem steifen Prüfmaschinen durchgeführt werden.

Dauerschwingversuche werden in der Regel nach einer Prüfprozedur (z.B. Schema gemäß Abbildung 7) gefahren. Die Regelungsprozedur beginnt mit der Belastungs- und Entlastungs- Rampe, an der der Verformungsmodul gemessen wird.

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20 ConSTRUKT Abbildung 7: Schematische Abfolge der Beanspruchung (Hohberg 2004)

Dauerschwingungsbeanspruchter Beton verliert über eine gewisse Beanspruchungs- bzw.

Lebensdauer an Festigkeit. Jedoch kann auf Basis von (z.B. in (Hohberg 2004)) durchgeführten Versuchen zusammengefasst werden, dass eine allgemeingültige Lebensdauerbetrachtung existiert, aber diese für Beton nicht in der klassischen Form wie für beispielsweise Stahl möglich ist.

Experimentelle Versuche zur Ermittlung der Schädigungsevolution von Beton ohne Stahlbewehrung bei Ermüdungsbeanspruchungen liegen nur wenige vor. Im Rahmen einer Arbeit an der Bundesanstalt für Materialprüfung (Thiele 2016) wurden Dauerschwingversuche im Druckschwellbereich an zylindrischen Probekörpern durchgeführt. Nach den Ermüdungsversuchen wurden die Probekörper durch Dehnungsmessung, Ermittlung der Oberflächenverformung, Ultraschallmessung und mikroskopische Analysen charakterisiert. Es wurde festgestellt, dass von Beginn an eine Schädigungsevolution vorliegt und eine Veränderung der gesamten Spannungs-Dehnungsbeziehung festgestellt werden konnte.

Entscheidende Ursachen für diese Veränderungen konnten jedoch nicht festgestellt werden.

Die Ergebnisse deuten jedoch darauf hin, dass die ermüdungsbedingten Veränderungen vorrangig aus einer Veränderung der Zementsteinstruktur in Phasen I und II (siehe Abbildung 8) zurückzuführen sind. Es zeigte sich ferner, dass eine ermüdungsbedingte Schädigung nicht mit einer skalaren Größe über die Steifigkeitsveränderung beschrieben werden kann.

Abbildung 8 zeigt schematisch den Schädigungsmechanismus des Betons.

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21 ConSTRUKT Abbildung 8: Schematische Darstellung des Ermüdungsvorganges und Probenahmezyklen

(Thiele 2016)

Bis heute ist die Wöhlerkurve eine grundlegende Größe zur Beschreibung des Ermüdungsverhaltens eines Werkstoffes. Sie zeigt die ertragene Lastspielanzahl in Abhängigkeit des einwirkenden Spannungsniveaus. Dabei wird entweder der Ober-, der Mittel- oder der Unterwert der Spannung konstant gehalten. Kann ein Spannungsniveau ermittelt werden, bei dem offensichtlich auch nach beliebig vielen Lastspielen kein Versagen auftritt, so wird es als Dauerfestigkeitsbereich des Baustoffes bezeichnet.

Durch die Auswertung mehrerer Ermüdungsversuche wird aus dem Zusammenhang zwischen Schwingbreite ∆σ und ertragbarer Lastspielzahl N, dargestellt in logarithmischem Maßstab, als Regressionsgerade die sogenannte Wöhlerlinie abgeleitet. Sie grenzt im ∆σ-logN- Diagramm die sich für das Festigkeitsverhalten ergebenden charakteristischen Bereiche voneinander ab (Fitik 2012).

Die Dauerschwingfestigkeit bezeichnet denjenigen Bereich, in dem die Schwingungsbeanspruchung im Einstufenversuch theoretisch gerade noch unendlich oft ertragen werden kann. Bei metallischen Werkstoffen ist die Grenze der Dauerschwingfestigkeit genau definiert und liegt für Spann- und Betonstahl bei zwei Millionen Lastzyklen. Bei Beton ist diese Grenzlastspielzahl nicht definiert. Man spricht daher von einer Quasi- Dauerschwingfestigkeit. Wenn die Schwingbeanspruchung nach einer bestimmten Anzahl von Lastwechseln zum Versagen führt, spricht man von Zeitfestigkeit.

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22 ConSTRUKT Die Wöhlerlinien von Beton werden im halblogarithmischen Maßstab dargestellt. Dabei wird die Lastwechselzahl N in Abhängigkeit der Oberspannung oder der Unterspannung, zum Teil auch in Abhängigkeit der Schwingweiten dargestellt (Abbildung 9) (Fitik 2012).

Abbildung 9: Wöhlerlinie am Beispiel Beton (Fitik 2012)

Generell ist der aktuelle Wissenstand bezüglich Ermüdung von Beton noch sehr lückenhaft und nur sehr wenige Forschungseinrichtungen besitzen das Equipment sowie die Erfahrung, um solche Versuche durchführen zu können.

Die Beschreibung des Ermüdungsverhaltes von Beton ist grundsätzlich schwierig, da sich unterschiedliche Mechanismen von Gefügeänderungen im Zuge der Lebensdauer überlagern.

Untersuchungen der TU Dresden (Wellner 2019) haben beispielsweise gezeigt, dass direkte Zusammenhänge zwischen Lastwechseln und Spaltzugfestigkeit kaum hergestellt werden können und sich anderen Parameter wie Nacherhärtung, Ebenheit und Veränderung der Auflagerbedingen ebenso auf den Zustand der Betonfahrbahndecke auswirken.

Tabelle 3 gibt einen Überblick, wie sich mechanische Eigenschaften von Betonfahrbahndecken bzw. deren Veränderung über die Lebensdauer aber auch Veränderungen der Auflagerbedingungen oder Veränderungen der Lasten zufolge Unebenheiten auf die erforderliche rechnerische Dimensionierung auswirken könnten.

(23)

23 ConSTRUKT Tabelle 3: Auswirkungen von Material- und Einbauparametern auf die erforderliche

Deckendicke, nach (Wellner 2019)

Einflussparameter Veränderungen Deckendicke

Ermüdung Spaltzugfestigkeit ± 0 cm (?)

Ermüdung E-Modul ??

Nacherhärtung - 5cm

Veränderungen Auflagerbedingungen + 2,0 cm

Veränderung Belastung durch Unebenheit + 2,5 cm

Tabelle 3 zeigt, dass nach derzeitigem Wissenstand kaum eindeutige Aussagen über Zusammenhänge getätigt werden können. Weiterführene Untersuchungen zu diesem Thema erfolgen derzeit sowohl an der TU Wien, als auch an der TU Dresden im Rahmen des VIF Projektes BEREBE.

2.5 Fallgewichtsdeflektometer

Um messtechnisch die strukturelle Restlebensdauer bewerten zu können, findet vor allem das Fallgewichtsdeflektometer Anwendung. Dazu wird eine Last sehr konzentriert auf die Betonplatte aufgebracht, und die resultierende Einsenkung entlang einer Messlinie von Geophonen gemessen. Diese Einsenkung variiert je nach Lagerung, Bettungssteifigkeit und struktureller Beschaffenheit der Betondecke.

Abbildung 10: Funktionsprinzip des Fallgewichtsdeflektometers (Fuchs 2001)

(24)

24 ConSTRUKT Zur Zeit finden die FWD-Messungen linienförmig in Fahrtrichtung statt. Ein großer Vorteil dieser Prüfungsart ist vor allem die Geschwindigkeit. Innerhalb kurzer Zeit können viele Messstellen angefahren werden, und die Behinderung für den fließenden Verkehr ist somit als eher gering einzuschätzen. Durch die Ergebnisse erhält man Aufschluss über die strukturelle Beschaffenheit eines kompletten Straßenabschnittes, allerdings sind die Einzelergebnisse einer Betonplatte nicht sehr aussagekräftig.

Für den Nachweis der Tragfähigkeit können nicht die Werte einer Einzelmessung herangezogen werden, da (u.a. aufgrund der wechselnden Temperaturbedingungen) unterschiedliche Ergebnisse auftreten können. Eine (relativ) einfach Rückrechnungsmethode für Steifigkeiten bei Asphaltdecken wie bei (Fuchs 2001) gibt es für Betondecken leider nicht.

Um die strukturelle Beschaffenheit einer Betonkonstruktion bewerten zu können, wird die Standardabweichung der Einzelmessungen eines gleichartigen Abschnittes herangezogen.

(Großmann 2003) empfiehlt, die Standardabweichung sD1 der Einsenkung des ersten Geophones an der Querfuge als Indikator für die Tragfähigkeit der Konstruktion heranzuziehen. Aus seiner Arbeit ergeben sich Grenzwerte von 50 µm als Warnwert, und 75 µm als Schwellenwert.

Derzeit funktioniert die Auswertung der Messergebnisse mithilfe von computergestützten Softwareprodukten, welche noch Entwicklungspotential aufzeigen. Da diese Programme wie Black Boxes funktionieren, erhält der Nutzer zwar Ergebnisse, allerdings ist eine Plausibilitätsprüfung nur begrenzt möglich.

Da nur an einer einzelnen Messlinie geprüft wird, erhält man aufgrund der Deflektionen nur eine Biegelinie.

Im gegenständlichen Forschungsprojekt wurden als erstes die eben beschriebenen linienförmigen FWD-Messungen durchgeführt. Aufgrund dieser Ergebnisse war es möglich, die strukturelle Beschaffenheit der einzelnen Teststrecken miteinander zu vergleichen, und außerdem aussagekräftige Betonplatten für innovative sternförmigen Messungen auszusuchen.

(25)

25 ConSTRUKT

3 PROBESTRECKEN

Für dieses Forschungsprojekt wurden von Seiten der ASFiNAG drei Probestrecken mit Betondecken zur Verfügung gestellt. Da an diesen Autobahnabschnitten der Verlauf der Ermüdung bzw. der Verringerung der Tragfähigkeit erprobt werden sollte, unterscheiden sich die drei Teststrecken signifikant in Alter und bisheriger Schwerverkehrsbelastung. An allen Probestrecken wurde eine visuelle Zustandserfassung vorgenommen, Bohrkerne gezogen und sowohl linienförmige (Standard) als auch sternförmige (Neuentwicklung) Messungen mit dem Fallgewichtsdeflektometer vorgenommen.

In Tabelle 4 ist eine Übersicht der vorhandenen Probestrecken ersichtlich.

Tabelle 4: Übersicht der Teststrecken

Baujahr JDTLV (2017) Dicke Richtung Kilometer Datum A1 1995 4567 LKW/24h 22 cm Salzburg 32,776 03.04.2017 A2 1984 3580 LKW/24h 22 cm Arnoldstein 50,000 21.07.2017

A5 2017 - - Wien 26,967 18.08.2017

A5 2017 - 25 cm Wien 26,967 30.11.2017

3.1 A1 – Fahrtrichtung Salzburg – KM 32,776

Abbildung 11: Lageplan der Teststrecke auf der A1 (OpenStreetMap)

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26 ConSTRUKT Die Teststrecke auf der A1, Fahrtrichtung Salzburg liegt beim Knoten Steinhäusl (Abbildung 11). Dieser Abschnitt wurde 1995 hergestellt und hatte 2017 einen jährlich durchschnittlichen täglichen Lastverkehr (JDTLV) von 4567 LKW/24h. Durch eine Analyse der ASFiNAG Verkehrsdaten von 2009 bis 2018 (ASFiNAG) ergab sich eine durchschnittliche Steigerung des Lastverkehrs von 1,5%. Durch Extrapolation für die Jahre davor konnte eine bisherige Schwerverkehrsbelastung von rund 32,5 Mio. Fahrzeugen festgestellt werden (siehe auch Abbildung 12).

Abbildung 12: JDTLV auf der A1 beim Knoten Steinhäusl

Der Straßenaufbau besteht in diesem Bereich aus einer 22 cm dicken Beton- und einer 5 cm dicken Asphaltdecke. Beides stammt aus dem Jahr 1995. Die ungebundene obere Tragschicht ist 20 cm dick und wurde im Jahr 1965 gebaut. Der detaillierte Aufbau ist in Abbildung 13 ersichtlich.

(27)

27 ConSTRUKT Abbildung 13: Straßenaufbau der Teststrecke auf der A1

Im Zuge einer Fahrstreifensperre aufgrund von Sanierungsmaßnahmen wurden auf der A1 beim Knoten Steinhäusl am 03. April 2017 die visuelle Zustandserfassung, die Bohrkernentnahme und die FWD-Messungen durchgeführt.

Die visuelle Zustandserfassung wurde sowohl vor Ort als auch später mittels Videoanalyse durchgeführt.

Die FWD-Messungen wurden zuerst auf dem gesamten Abschnitt von KM 32,776 bis KM 34,561 standardmäßig linienförmig ausgeführt. Durch diese (schnellere) Messung konnten fünf charakteristische Platten (guter und schlechter Zustand) für die innovativen sternförmigen Messungen ausgesucht werden. Die Ergebnisse der Messungen mit dem Fallgewichtsdeflektometer sind in Kapitel 5.2 beschrieben und ausgewertet.

(28)

28 ConSTRUKT

3.2 A2 – Fahrtrichtung Kärnten – KM 50,000

Abbildung 14: Lageplan der Teststrecke auf der A2 (OpenStreetMap)

Die älteste Teststrecke liegt auf der Südautobahn bei KM 50 kurz vor dem Knoten Seebenstein in Fahrtrichtung Kärnten (Abbildung 14). Die Betondecke wurde 1984 gebaut und hatte 2017 einen JDTLV von 3580 LKW/24h. Für die Auswertung des bisherigen Lastverkehrs wurde dieselbe Methode wie bei der Teststrecke auf der Westautobahn gewählt: von 2017 bis 2009 liegen genaue Daten vor (ASFiNAG), von 2008 bis 1984 wurde extrapoliert. Daraus ergibt sich eine bisherige Schwerverkehrsbelastung von rund 30 Mio. Fahrzeugen (siehe Abbildung 15).

(29)

29 ConSTRUKT Abbildung 15: JDTLV auf der A2 bei KM 50

In Abbildung 16 ist der Straßenaufbau der Teststrecke auf der Südautobahn zu erkennen.

Dieser besteht aus 22 cm Beton auf einer 3 cm dicken Asphaltschicht; beides aus dem Jahr 1984.

Abbildung 16: Straßenaufbau der Teststrecke auf der A2

Auch hier wurden eine visuelle Zustandserfassung, Bohrkernentnahmen und FWD- Messungen durchgeführt.

Die visuelle Zustandserfassung wurde wie schon auf der A1 zuerst durch Begehung, und später noch durch Videoanalyse durchgeführt. Als Weiterentwicklung zur ersten Teststrecke, wurden die Videos vom fahrenden Fahrzeug mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten

(30)

30 ConSTRUKT gemacht. Die Auswertung erfolgte später von verschiedenen Personen im Büro um eine Beeinflussung durch die Begebenheiten vor Ort zu untersuchen.

Die Messungen mit dem Fallgewichtsdeflektometer wurden – wie auf der Westautobahn – zuerst linienförmig (KM 47,532 bis KM 54,600) durchgeführt, um aus diesen Ergebnissen die Platten für die sternförmigen Untersuchungen auszusuchen.

3.3 A5 – Fahrtrichtung Wien – KM 26,967

Abbildung 17: Lageplan der Testrecke auf der A5 (OpenStreetMap)

Die A5 wurde im Bereich Schrick in Fahrtrichtung Wien (siehe Abbildung 17) als Teststrecke genutzt. Der Aufbau in diesem Bereich ist in Abbildung 18 zu sehen. Er besteht aus einer 25 cm dicken Betondecke, gebettet auf einer 5 cm dicken Asphaltschicht und einer 20 cm starken zementstabilisierten Tragschicht.

(31)

31 ConSTRUKT Abbildung 18: Straßenaufbau der Teststrecke auf der A5

Diese Probestrecke wurde zwei Mal untersucht. Das erste Mal fanden die FWD-Messungen im August 2017 auf der zementstabilisierten Tragschicht statt. Diese Untersuchungen ergaben erwartungsgemäß sehr hohe Einsenkungen. Um gute Vergleichbarkeit zu gewährleisten, wurden an denselben Messstellen auch im November desselben Jahren FWD-Messungen auf der 25 cm starken Betondecke durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Kapitel 5.2 dargestellt.

Gleichzeitig wurden für die materialtechnologischen Prüfungen Bohrkerne entnommen. Alle Untersuchungen fanden noch vor Verkehrsfreigabe (08.12.2017) statt. Da auf der neuen Betondecke noch keine Schäden zu erwarten waren (und in einer schnellen Besichtigung hat sich diese Annahme bestätigt), wurde keine visuelle Zustandserfassung durchgeführt.

3.4 Bohrkernentnahme und Oberflächenbegutachtung

Die Entnahme von Bohrkernen erfolgte an den drei zuvor erwähnten Probestrecken der A1 bei Knoten Steinhäusl, der A2 bei Wr. Neustadt (Rastplatz Steinfeld) sowie der A5 bei Schrick.

Tabelle 9 gibt nochmals einen Überblick über die Probeentnahmestellen sowie die den Betondeckenaufbau.

(32)

32 ConSTRUKT Tabelle 5: Probeentnahmestellen und Beschreibung des Betondeckenaufbaus

A1 Steinhäusl A2 Wr. Neustadt A5 Schrick

A1 RFB Linz km 32,75 (bei Auffahrt der Raststation)

A2 RFB Graz km 50,000 (bei Abfahrt Rastplatz Steinfeld)

A5 RFB Wien km 26,167 (im Bereich des

Überkopfleitsystems

1. Fahrstreifen 1. Fahrstreifen Pannenstreifen

Betondecke Bj. 1995 Betondecke Bj. 1984 Betondecke Bj 2017

Zur Ermittlung der mechanischen Betoneigenschaften wurden an jeder Probestrecke 5 Stk.

Bohrkerne mit einem Durchmesser von 10 cm sowie 3 Stk. Bohrkerne mit einem Durchmesser von 25 cm entnommen. Die Entnahmesituation ist Abbildung 19 bis Abbildung 21 zu entnehmen.

Abbildung 19: Bohrkernentnahmeschema Probeentnahmestelle A1 Steinhäusl

(33)

33 ConSTRUKT Abbildung 20: Bohrkernentnahmeschema Probeentnahmestelle A2 Wr. Neustadt

Abbildung 21: Bohrkernentnahmeschema Probeentnahmestelle A5 Schrick

Die begutachteten Betondecken weisen grundsätzlich einen guten Zustand auf. Die Beprobungsstrecken auf der A1 und auf der A5 wurden als Waschbetonoberfläche hergestellt, die Beprobungsstrecke auf der A2 war als Besenstrich konzipiert, wurde aber im Jahr 2017

(34)

34 ConSTRUKT mit einer Asphaltschichte überbaut. Abbildung 22 bis Abbildung 24 zeigen die Oberflächentextur der untersuchten Streckenabschnitte.

Abbildung 22: Oberflächentextur Waschbeton Probeentnahmestelle A1 Steinhäusl

Abbildung 23: Oberflächentextur Waschbeton Probeentnahmestelle A2 Wr. Neustadt

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35 ConSTRUKT Abbildung 24: Oberflächentextur Waschbeton Probeentnahmestelle A5 Schrick

Neben der optischen Beurteilung erfolgte auch die grobe Aufnahme der Ebenheit mit der 4 m Latte an allen Streckenabschnitten. Bei der Strecke A1 Steinhäusl wurde ein generelles Aufschüsseln der Platte in Längs- und in Querrichung beobachtet (Messzeitpunkt 03.04.2017).

Das Auschüsseln betrug im Mittel 3 mm in Längs- sowie 2 mm in Querrichtung (gemessen jeweils die Vertiefung Plattenmitte zu Plattenrand). Der begutachtete Streckenabschnitt der A2 wies keine Unebenheiten in Längs- und Querrichtung auf, es wurden lediglich Spurrillen mit Tiefen von 3 bis 6 mm in Längsrichtung (vermutlich aufgrund Beanspruchung von Spikereifen in der Vergangenheit) festgestellt. Die Strecke wurde im Sommer 2017 mit Asphalt überbaut.

Bei der A5 handelt es sich um einen Neubau, Unebenheiten wurden keine beobachtet.

(36)

36 ConSTRUKT

4 VISUELLE ZUSTANDSERFASSUNG

Die visuelle Zustandserfassung wurde auf den Teststrecken auf der A1 und der A2 durchgeführt (nähere Informationen zu diesen Autobahnabschnitten sind in Kapitel 3 angegeben). In einem ersten Schritt wurde zur Zustandserfassung an beiden Probestrecken eine Begehung und Dokumentation der erkennbaren Schäden durchgeführt, Danach wurden Videos der Strecken zur späteren Auswertung am PC aufgezeichnet und die Ergebnisse dieser beiden Vorgehensweisen miteinander verglichen.

4.1 Begehung

Die visuellen Zustandserfassungen wurden im Zuge von Sperren des 1. Fahrstreifens und des Pannenstreifens aufgrund von Sanierungsmaßnahmen durchgeführt.

Zustandserfassung auf der A1:

Auf der Westautobahn wurden insgesamt 16 Platten am ersten Fahrstreifen untersucht. Der Pannenstreifen wurde in diesem Abschnitt nicht untersucht, da dieser in Asphaltbauweise ausgeführt ist. Auf den Betonplatten wurden vor allem Ausmagerungen und Kornausbrüche festgestellt. Vereinzelt waren auch Kantenabbrüche zu finden, auf den letzten beiden Platten wurde jeweils ein sanierter Querriss dokumentiert. Zwischen dem Pannenstreifen aus Asphalt und dem ersten Fahrstreifen aus Beton konnte außerdem ein Versatz von ca. 1 cm festgestellt werden (siehe Abbildung 25). In Abbildung 26 ist beispielhaft ein Formblatt zu sehen, mit dem die festgestellten Schäden aufgenommen und graphisch dargestellt werden können.

(37)

37 ConSTRUKT Abbildung 25: Schäden auf der A1 - Ausmagerung, Kantenabbruch und Versatz

Da im Zuge der Sanierung schon einzelne Plattenfelder ausgetauscht wurden, konnten keine strukturellen Mängel mehr festgestellt werden. Etwaige Abschnitte mit schlechterem Zustand waren zum Zeitpunkt der Begehung schon saniert worden.

Auf 13 der untersuchten 16 Platten wurden Schäden erfasst (Schädigungsrate von 81%).

Dieser Wert kann jedoch aufgrund der geringen Länge des untersuchten Abschnitts nicht als repräsentativ angesehen werden.

(38)

38 ConSTRUKT Abbildung 26: Auswertung der erfassten Schäden

PS 1. FS 2. FS 3. FS

Aufnahme:

Nr.: L / B 3,60 m 4,20 m 4,75 m 2,00 m

1

5,50 m

2

5,50 m

3

5,50 m

4

5,50 m Fahrtrichtung (ansteigende Feldnummern)

10 (0,41m²)

10 (0,32m²) 10 (1,49m²)

10 (1,5m²)

10 (0,3m²)

10 (0,61m²)

10 (0,72m²)

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39 ConSTRUKT Abbildung 27: Schäden aller untersuchter Platten auf der A1

Durch Auswerten der Risse und Oberflächenschäden nach der Methode aus Kapitel 2.1 erhält man eine qualitative Aussage über den Zustand jeder einzelnen Platte. Die einzelnen Schäden werden abhängig von der Schadensschwere mit einem Faktor gewichtet, und anschließend miteinander verknüpft. Mithilfe der Zustandsfunktionen für Risse und Oberflächenschäden werden die Merkmale in Zustandsklassen mit den Noten 1 bis 5 eingeteilt.

Die Verteilung der Zustandsklassen der 13 geschädigten Platten ist in Tabelle 6 dargestellt.

Tabelle 6: Zustandsklassen der Betonplatten auf der A1 Zustandsklasse Anzahl der Platten Prozentuelle Verteilung

1 1 7,69 %

2 7 53,85 %

3 1 7,69%

4 3 23,08 %

5 1 7,69%

Nr. Schaden Ausmaß

gesamt

Ausmaß 1.FS

1o Querriss nicht durchgehend - offen 0,00 m 0,00

1s Querriss nicht durchgehend - saniert 0,00 m 0,00

2o Schrägriss einzeln - offen 0,00 m 0,00

2s Schrägriss - saniert 0,00 m 0,00

3o Querriss durchgehend - offen 0,00 m 0,00

3s Querriss durchgehend - saniert 0,00 m 0,00

4o Längsriss kurz - offen 0,00 m 0,00

4s Längsriss kurz - saniert 2,70 m 2,70

5o Schmetterlingsriss - offen 0,00 m 0,00

5s Schmetterlingsriss - saniert 0,00 m 0,00

6o Längsriss durchgehend - offen 0,00 m 0,00

6s Längsriss durchgehend - saniert 0,00 m 0,00

7o Eckabbruch - offen 0,00 m 0,00

7s Eckabbruch - saniert 0,00 m 0,00

8 Netzriss großflächig 0,00 m² 0,00

9 Fugenschaden (fehlender/mangelhafter Fugenverschluss) 0,00 m 0,00

10 Ablösung/Abplatzung/ Kornausbruch 8,16 m² 8,16

11 Kantenschaden 2,32 m² 2,32

12 Kantenabbruch durchgehend 1,10 m 1,10

13 Schadhafte Reparaturstelle aus Beton 0,00 m² 0,00

14 Reparaturstelle aus Asphalt 0,85 m² 0,85

15 Schadhafte Reparaturstelle aus Asphalt 0,62 m² 0,62

Ebenheit 16 Stufenbildung (Längs-/ Querfuge) 3,50 m 3,50

Sonderfall 99 Gesonderte Begutachtung 0 Platte(n)

13 Platte(n) 13 Platte(n) Riss- und FugenschädenOberflächen- schäden

Anzahl Platten mit Schäden

Summe Schäden aller Platten

(40)

40 ConSTRUKT Zustandserfassung auf der A2:

Bei der Teststrecke auf der Südautobahn wurden insgesamt 80 Betonfelder erfasst – jeweils die Hälfte auf dem ersten Fahrstreifen und dem Pannenstreifen. Da auch auf dieser Strecke die Sanierungsarbeiten bereits liefen, konnten nicht mehr alle Schäden dokumentiert werden.

Insbesondere wurden fehlerhafte Fugenfüllungen schon entfernt, die Fugen waren jedoch noch nicht wieder verschlossen worden. Deswegen wurde der Zustand der Fugen in diesem Abschnitt nicht beurteilt.

Auf der untersuchten Teststrecke waren vorwiegend Kantenabbrüche (siehe Abbildung 28), Oberflächenschaden (siehe Abbildung 29) und vereinzelt auch kleine Reparaturstellen aus Asphalt zu erkennen. Diese Schäden beeinflussen jedoch nur die Gebrauchstauglichkeit.

Schäden, die auf strukturelle Mängel bzw. Materialermüdung hinweisen, waren keine zu erkennen.

Dementsprechend wurden im Zuge der Instandsetzung lediglich die Fugen ausgebessert, etwaige Kanten- oder Eckabbrüche kleinflächig saniert und mittels Black Topping die Oberflächeneigenschaften verbessert.

Abbildung 28: Kantenschaden

(41)

41 ConSTRUKT Abbildung 29: Oberflächenschaden

Die Auswertung der Zustandserfassung ergab einen überwiegend guten Fahrbahnzustand.

Von den 80 untersuchten Betonplatten waren 23 (teilweise sehr gering) beschädigt. Die genaue Anzahl und Größe der Schäden ist in Abbildung 30 zu erkennen. Wie schon zuvor beschrieben, wurde der Zustand der Fugen sowohl bei der Erfassung als auch bei der Auswertung nicht berücksichtigt.

(42)

42 ConSTRUKT Abbildung 30: Schäden aller untersuchter Platten auf der A2

Anschließend wurden die geschädigten Platten nach der in Kapitel 2.1 beschriebenen Methode in Zustandsklassen eingeteilt. Es traten lediglich Schäden auf, die den Zustandsmerkmale Risse und Oberflächenschäden zugeordnet werden können. Die Verteilung der Zustandsklassen befindet sich in Tabelle 7. Von den 23 geschädigten Platten wurden neun der Zustandsklasse 1 und 14 der Zustandsklasse 2 zugeordnet.

Tabelle 7: Zustandsklassen der Betonplatten auf der A2 Zustandsklasse Anzahl der Platten Verteilung in Prozent

1 9 39,13%

2 14 60,87%

3 0 0%

4 0 0%

5 0 0%

Nr. Schaden Ausmaß

gesamt

Ausmaß PS

Ausmaß 1.FS

1o Querriss nicht durchgehend - offen 0,00 m 0,00 0,00

1s Querriss nicht durchgehend - saniert 6,00 m 0,00 6,00

2o Schrägriss einzeln - offen 0,00 m 0,00 0,00

2s Schrägriss - saniert 0,00 m 0,00 0,00

3o Querriss durchgehend - offen 0,00 m 0,00 0,00

3s Querriss durchgehend - saniert 0,00 m 0,00 0,00

4o Längsriss kurz - offen 0,00 m 0,00 0,00

4s Längsriss kurz - saniert 0,00 m 0,00 0,00

5o Schmetterlingsriss - offen 0,00 m 0,00 0,00

5s Schmetterlingsriss - saniert 0,00 m 0,00 0,00

6o Längsriss durchgehend - offen 0,00 m 0,00 0,00

6s Längsriss durchgehend - saniert 0,00 m 0,00 0,00

7o Eckabbruch - offen 0,00 m 0,00 0,00

7s Eckabbruch - saniert 0,00 m 0,00 0,00

8 Netzriss großflächig 0,00 m² 0,00 0,00

9 Fugenschaden (fehlender/mangelhafter Fugenverschluss) 0,00 m 0,00 0,00

10 Ablösung/Abplatzung/ Kornausbruch 1,11 m² 0,00 1,11

11 Kantenschaden 2,84 m² 2,02 0,82

12 Kantenabbruch durchgehend 4,10 m 0,00 4,10

13 Schadhafte Reparaturstelle aus Beton 0,88 m² 0,00 0,88

14 Reparaturstelle aus Asphalt 1,56 m² 0,60 0,96

15 Schadhafte Reparaturstelle aus Asphalt 0,00 m² 0,00 0,00

Ebenheit 16 Stufenbildung (Längs-/ Querfuge) 0,00 m 0,00 0,00

Sonderfall 99 Gesonderte Begutachtung 0 Platte(n)

23 Platte(n) 7 Platte(n) 16 Platte(n) Riss- und FugenschädenOberflächen- schäden

Anzahl Platten mit Schäden

Summe Schäden aller Platten

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43 ConSTRUKT

4.2 Videoanalyse

Da die Begehungen und zeitgleiche Dokumentation sehr viel Zeit in Anspruch nehmen und somit lange Streckensperren verursachen, wurden auf den Teststrecken die optische Erfassung mittels Video erprobt bzw. optimiert. Ziel war es, diese Videos später am PC auswerten zu können und die identifizierten Schäden in Formblätter (siehe Abbildung 26) eintragen zu können. Durch diese Methode sollte es möglich sein, einerseits kürzere Streckensperren zu ermöglichen und andererseits durch Speicherung der Videos auch eine Kontrolle und Beweissicherung zu erreichen.

Zustandserfassung mittels Videoanalyse auf der A1:

Auf der Westautobahn wurde als erster Versuch ein Video mithilfe einer GoPro Hero 3 und einem Selfiestick gemacht. Die Einstellungsmöglichkeiten der Kamera erlauben es, die Videoauflösung und die Aufnahmerate in Bildern pro Sekunde zu verändern. Für den Zweck der Zustandserfassung wurde eine Auflösung von 1.920 x 1.080 und 60 Bildern pro Sekunde gewählt. Die HD-Auflösung und die hohe Anzahl der Bilder ermöglichen es – trotz Geschwindigkeitsreduktion am PC – einzelne, scharfe Bilder zu erhalten. Zu beachten ist allerdings die hohe Speicherbelegung bzw. die Größe der Videodateien bei der Auswertung.

Daher ist eine entsprechende leistungsfähige Hardware Voraussetzung für die Videoanalyse.

Um den Bildausschnitt so wählen zu können, dass eine komplette Platte abgebildet werden kann, muss die Kamera möglichst hoch geführt werden. Um einen entsprechenden Aufnahmewinkel realisieren zu können, wurde ein Selfiestick verwendet. In Abbildung 31 ist ein Teilausschnitt aus diesem Video zu erkennen.

Abbildung 31: Ausschnitt aus dem Video - A1

1 2

3

(44)

44 ConSTRUKT Am rechten unteren Rand (Schaden 1) ist deutlich ein Längsriss zu erkennen, der bereits mit einer bituminösen Masse vergossen wurde und demnach als saniert zu betrachten ist. Dieser ist dennoch als Schaden mit der Schadensschwere S1 (Gewichtung = 0,4) in die Zustandserfassung aufzunehmen (FSV 2013).

Im oberen Bildbereich (Schaden 2) ist ein ca. 15 cm² großer Kornausbruch zu sehen. Dieser Schaden ist mit der Schadensschwere S2 in das Protokoll mit aufzunehmen.

Außerdem ist in der linken unteren Ecke (Schaden 3) eine sanierte Fläche aus Beton zu erkennen. Diese ist zwar laut (FSV 2013) nicht als Schaden zu kennzeichnen, allerdings bedürfen solche Stellen höhere Aufmerksamkeit bei der laufenden Kontrolle. Falls diese sanierte Fläche Schäden aufzeigt, ist sie natürlich auch in die Dokumentation mit aufzunehmen.

Der erste Versuch der Videoaufnahmen hat gezeigt, dass man einzelne Schäden sehr gut erkennen kann. Da diese Videos von einer gehenden Person aufgenommen wurden, ist dieses Verfahren aber immer noch recht langsam. Zudem erlaubt die Kameraführung per Hand keine ausreichende Bildstabilisation, wodurch die Aufnahme teilweise unscharf wurden. Ein weiterer Punkt, auf den geachtet werden muss, sind Licht- und Schattenwechsel. Vorbeifahrende LKWs (oder auch größere PKWs) verursachen Schatten, wodurch Schäden an diesen Stellen nur schwer erkennbar sind.

Zustandserfassung mittels Videoanalyse auf der A2:

Auf der Südautobahn wurde die GoPro Hero 3 auf einem Toyota Previa montiert. Dadurch wird einerseits vermieden, dass sich Personen auf der Fahrbahn befinden und andererseits kann die Erfassung deutlich beschleunigt werden. Die Kamera wurde am Dach im Bereich der Heckklappe auf einer Höhe von 1,70 m angebracht und per Handy bzw. geeigneter Software der Bildausschnitt kontrolliert. Ziel war es auch hier, zumindest genau eine Betonplatte im Bildausschnitt abzubilden. Die Einstellung zu Auflösung bzw. Aufnahmerate haben sich bei der Erfassung auf der A1 als sehr gut erwiesen und wurden deshalb belassen. Mit einer neueren bzw. besseren Kamera könnte man diese Einstellungen eventuell weiter optimieren.

Videos mit unterschiedlichen Fahrgeschwindigkeiten wurden aufgenommen um die Aufnahmegeschwindigkeit zu optimieren. Der erste Fahrstreifen wurden mit 10, 40, 60 und 80 km/h gefilmt; der Pannenstreifen mit 10 und 40 km/h. Durch Auswertung der Videos konnte man feststellen, dass 60 bzw. 80 km/h zu schnell sind, um kleine Schäden sicher zu identifizieren. Bei 40 km/h kann man mithilfe von Software am Computer die Geschwindigkeit so weit reduzieren, dass eine Zustandserfassung vom PC im Büro aus gut möglich ist.

(45)

45 ConSTRUKT In Abbildung 32 und Abbildung 33 sind exemplarisch zwei Schäden vom Pannenstreifen bzw.

ersten Fahrstreifen aus den Videos mit einer Fahrgeschwindigkeit von 40 km/h abgebildet.

Sowohl der Kantenschaden als auch der Kornausbruch sind deutlich zu erkennen. Zum Vergleich sind genau dieselben Schäden auch aus der Begehung dargestellt.

Abbildung 32: Kantenschaden aus Videoauswertung und Begehung

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46 ConSTRUKT Abbildung 33: Kornausbruch aus Videoauswertung und Begehung

Gröbere Probleme bei der PC-Auswertung gab es nur bei Baustellenschmutz. Da in diesem Bereich schon gearbeitet wurde, gab es eine baustellenbedingte Verschmutzung der Fahrbahn, die eine sichere Identifikation von Schäden erschwerte (siehe Abbildung 34).

Allerdings war es in diesen Bereichen auch bei einer Begehung schwierig, Schäden zu erfassen. In der Regel werden Zustandserfassungen allerdings nicht im Baustellenbetrieb durchgeführt.

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47 ConSTRUKT Abbildung 34: Baustellenbedingte Verschmutzung der Fahrbahn

Als Fazit lässt sich festhalten, dass die Auswertung mittels Videoaufnahmen viele Vorteile bietet. Die zu untersuchenden Fahrstreifen müssen nicht mehr komplett gesperrt werden. Bei einer Fahrgeschwindigkeit von 40 km/h kann das Aufnahmefahrzeug durch Fahrzeuge der ASFiNAG abgesichert werden. Mit besseren Kameras und höherer Auflösung kann die Fahrgeschwindigkeiten weiter optimiert und erhöht werden.

Ein weiterer positiver Punkt ist die automatische Beweissicherung durch Speicherung der Erfassungsvideos. Die Entwicklung von Schäden kann so auch Jahre später noch im Detail verfolgt werden.

Schwierigkeiten bei der Erfassung verursachen insbesondere Baustellenschmutz bzw.

-markierungen, während normale Straßenmarkierungen keinerlei Probleme bereiten.

Ebenfalls schwierig sind Licht-Schatten-Wechsel, vor allem wenn in einem Bild gleichzeitig Sonnenlicht und Schatten zu sehen sind. Dies kann durch künstliche Beleuchtung mittels Scheinwerfer verbessert werden.

(48)

48 ConSTRUKT

5 INNOVATIVE MESSUNGEN MIT DEM

FALLGEWICHTSDEFLEKTOMETER (FWD) 5.1 „Sternförmige“ Messungen

Das Fallgewichtsdeflektometer (FWD) ist Standard bei der Bewertung der strukturellen Tragfähigkeit. Im konventionellen Prüfschema sind Messungen entlang eines Pfades in Plattenmitte und am Plattenrand vorgesehen. Zur Beurteilung der Bettungsverhältnisse und der Betonplatten stehen aus diesen Messungen jedoch zu wenige Informationen zur Verfügung.

Deshalb wurden im vorliegenden Forschungsvorhaben die linearen um sternförmige Messungen erweitert. Diese Prüfungsmethode soll sicherstellen, dass etwaige ungleichförmige Bettungsverhältnisse einer Betonplatte identifiziert werden kann.

Für die beiden älteren Testrecken auf der A1 und der A2 wurden zuerst linienförmige Standardmessungen durchgeführt. Auf diese Weise wurden 35 Platten (A1) und 29 Platten (A2) in Plattenmitte geprüft. Aufgrund der relativ steifen Betondecke wurde eine Stoßkraft von rund 200 kN gewählt. Die Anordnung der neun Geophone ist in Abbildung 35 dargestellt. Wie in RVS 11.06.72 (FSV 2018) angeführt, wurde die Last drei Mal aufgebracht, wobei der dritte Wert für die Auswertung herangezogen wurde.

Abbildung 35: Geophonanordnung

Aufgrund dieser linienförmigen Messungen konnten im zweiten Schritt einzelne Platten für die sternförmigen Messungen ausgesucht werden. Diese Untersuchungen fanden pro Platte in neun verschiedenen Positionen statt (siehe Abbildung 36). In Fahrtrichtung wurde mit

(49)

49 ConSTRUKT Position I gestartet, und dann im Uhrzeigersinn fortgesetzt. Die neunte Messung fand zur Kontrolle noch einmal auf Position I statt. Die Anordnung der Messpositionen II, IV, VI und VIII ergaben sich aus der Radanordnung des Lastanhängers. Aufgrund des Unterbaus des FWD wurden außerdem bei den Positionen IV und VI leicht veränderte Geophonpositionen vorgenommen. Diese beiden Anordnungen hatten aber keine negativen Auswirkungen auf die Auswertung der Ergebnisse.

Da manche Betonplatten schmäler waren (vor allem bei Platten des Pannenstreifens) wurde genau dokumentiert, welche Geophone nicht mehr auf der getesteten Platte liegen (siehe Abbildung 43), um eine Verfälschung der Daten zu verhindern.

Abbildung 36: 9 Positionen der Sternmessung

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