Ermittlung und Prognose von Spannungszuständen in Betonfahrbahndecken - Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen
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Ermittlung und
Prognose von
Spannungszuständen in
Betonfahrbahndecken
Heft S 148
Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen
Berichte der
Bundesanstalt für Straßenwesen
Straßenbau Heft S 148
ISSN 0943-9323
ISBN 978-3-95606-561-3
Ermittlung und
Prognose von
Spannungszuständen in
Betonfahrbahndecken
von
Stephan Freudenstein
Martin Eger
Lehrstuhl für Verkehrswegebau
Technische Universität München
Stefan Pichottka
ABE Bauprüf- und –beratungsgesellschaft mbH
Stahnsdorf
Axel Riwe
Ingenieurbüro A. Riwe, Anklam
Karl Villaret
Stephan Villaret
Bernd Frohböse
Villaret Ingenieurgesellschaft mbH
Hoppegarten
Berichte der
Bundesanstalt für Straßenwesen
Straßenbau Heft S 148
Die Bundesanstalt für Straßenwesen veröffentlicht ihre Arbeits- und Forschungs- ergebnisse in der Schriftenreihe Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen. Die Reihe besteht aus folgenden Unterreihen: A - Allgemeines B - Brücken- und Ingenieurbau F - Fahrzeugtechnik M - Mensch und Sicherheit S - Straßenbau V - Verkehrstechnik Es wird darauf hingewiesen, dass die unter dem Namen der Verfasser veröffentlichten Berichte nicht in jedem Fall die Ansicht des Herausgebers wiedergeben. Nachdruck und photomechanische Wiedergabe, auch auszugsweise, nur mit Genehmigung der Bundesanstalt für Straßenwesen, Stabsstelle Presse und Kommunikation. Die Hefte der Schriftenreihe Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen können direkt bei der Carl Ed. Schünemann KG, Zweite Schlachtpforte 7, D-28195 Bremen, Telefon: (04 21) 3 69 03 - 53, bezogen werden. Über die Forschungsergebnisse und ihre Veröffentlichungen wird in der Regel in Kurzform im Informationsdienst Forschung kompakt berichtet. Dieser Dienst wird kostenlos angeboten; Interessenten wenden sich bitte an die Bundesanstalt für Straßenwesen, Stabsstelle Presse und Kommunikation. Die Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) stehen zum Teil als kostenfreier Download im elektronischen BASt-Archiv ELBA zur Verfügung. https://bast.opus.hbz-nrw.de Impressum Bericht zum Forschungsprojekt 08.0237 Informationssystem – Ermittlung und Prognose von Spannungszuständen in Betonfahrbahndecken Fachbetreuung Christoph Becker Referat Betonbauweisen Herausgeber Bundesanstalt für Straßenwesen Brüderstraße 53, D-51427 Bergisch Gladbach Telefon: (0 22 04) 43 - 0 Redaktion Stabsstelle Presse und Kommunikation Druck und Verlag Fachverlag NW in der Carl Ed. Schünemann KG Zweite Schlachtpforte 7, D-28195 Bremen Telefon: (04 21) 3 69 03 - 53 Telefax: (04 21) 3 69 03 - 48 www.schuenemann-verlag.de ISSN 0943-9323 ISBN 978-3-95606-561-3 Bergisch Gladbach, März 2021
3
Kurzfassung – Abstract daten den Temperaturverlauf und qualitative Span-
nungszustände in der Betondecke berechnet, um
dann eine Risikobewertung durchführen zu können.
Ermittlung und Prognose von Spannungs Zur Entscheidungshilfe wurde ein Modul entwickelt,
zuständen in Betonfahrbahndecken das in der Lage ist, aus der Klimaprognose und den
vorliegenden Materialparametern realistische Span-
Die Spannungszustände in Betonfahrbahndecken nungsprognosen zu berechnen und das jeweilige
werden von den Temperaturverläufen über den Niveau zu bewerten.
Querschnitt im Kontext mit den Klimadaten, den
Materialkennwerten, der Nullspannungstemperatur Des Weiteren wurde die Möglichkeit einer automa-
und der Reibung zwischen Platte und Unterlage be- tisierten Deformationsanalyse auf einem 70 m lan-
einflusst. gen Betonfahrbahnabschnitt mit einem Messsys-
tem getestet, mit dem hochauflösende Lasermodel-
Ziel des Projekts war die Entwicklung eines Infor- le zur Bewertung der momentanen Deformation im
mationssystems zur Ermittlung und Prognose die- Kontext zu den umgebenden klimatischen Bedin-
ser Spannungszustände. gungen erstellt werden.
Zur Realisierung wurden folgende Arbeitsschritte
durchgeführt:
Determination and prediction of stress states
• Konzipierung eines geeigneten Messverfahrens in concrete pavements
mit den zu bestimmenden physikalischen Grö-
Stresses in concrete pavements are influenced by
ßen,
the temperature profile over the cross-section in the
• Recherche bisher in der Praxis angewendeter context of climatic data, material characteristics, the
Mess- und Aufnahmesysteme, characteristic zero-tension temperature and the
friction between slab and substrate.
• messtechnische Ermittlung erforderlicher Daten
und rechnerische Ermittlung der Spannungszu- The aim of the project was to develop an information
stände in der Fahrbahn, system for the identification and prognosis of these
climate inducted stresses.
• Entwicklung eines Ablaufschemas zur Datener-
fassung, -übertragung und -speicherung, The following work steps were carried out:
• Entwicklung eines Rechenalgorithmus und Soft- • design of a suitable measuring method with the
waretools zur automatischen Datenauswertung physical quantities to be determined,
mit Anbindung an Klimaprognosedaten sowie
• research on measuring and recording systems
Definition von Grenzen,
used so far in practice,
• Modul zur automatisierten Umsetzung von Maß-
• measurement of required data and calculation of
nahmen (z. B. Warnsignale an die Autobahn-
the tension states in the pavement,
meistereien),
• development of a flow chart for data acquisition,
• Herstellung eines Demonstrators unter Einsatz
transmission and storage,
des gesamten Informations- bzw. Prognosesys-
tems und wissenschaftliche Auswertung. • development of a computing algorithm and
software tool for the automatic data analysis with
Nach Eruierung der erforderlichen Daten wurden generation of forecast climate data as well as
als Demonstratoren an drei Standorten Messstatio- definition of boundaries,
nen zur Erfassung von Fugenbewegungen, Beton-
temperaturen über den Querschnitt und Klimadaten • module for the automated implementation of
konzipiert und errichtet bzw. erweitert, deren Daten measures (warning signals to the motorway
automatisch in eine Datenbank übermittelt, normali- masters, etc.),
siert und weiter verarbeitet werden.
• manufacture of a demonstrator using the entire
Es wurde ein Softwaretool für die automatische Da- information and/or forecast system and scientific
tenauswertung entwickelt, das auf Basis von Klima- evaluation.
4 After assembling the required data measuring stations for the detection of joint movements, concrete temperatures and climatic data have been constructed and rigged up as demonstrators in three locations. The collected data is automatically transferred to a normalized database. A software tool has been developed for the automatic data analysis, which calculates the temperature profile and qualitative tension states based on the climatic data in order to be able to carry out a risk assessment. A module has been developed for decision making which is able to calculate realistic tension forecasts from the climate forecast and the available material parameters and which is able to evaluate the respective level. Furthermore, the possibility of an automated deformation analysis on a 70 m long concrete pavement section was tested using a measuring system, generating high resolution Laser models to rate the current deformation in the context of the ambient climate conditions.
5
Summary necessary for a self-sufficient, software-supported
information system.
The development and testing in a demonstrator
Determination and prediction of stress states included all aspects from the actual acquisition of
in concrete pavements relevant measurement data to an interface for the
automated setup of warning messages and/or
speed limits.
1 Task The following work steps were carried out:
In 2013, in the context of exceptional climatic • design of a suitable measuring method with the
situations (heat periods), especially in the state of determining physical quantities,
Bavaria, increased blow-ups occurred on concrete • research on measuring and recording systems
pavements. Mainly affected by the problem are old, used so far in practice,
thin concrete pavements, which were built according
• measurement of required data and calculation of
to old RStO and most of which have a con-
the tension states in the pavement,
struction structure of 22 cm concrete cover layer on
hydraulically bound base layer in composite • development of a flow chart for data acquisition,
construction. transmission and storage,
The obstructed longitudinal extent of the component • development of a computing algorithm and
„concrete pavement“ as a result of intense solar software tool for the automatic data analysis with
radiation and the associated stress build-up can generation of forecast climate data as well as
lead to heat damage in connection with design flaws definition of limits,
as well as the imperfections over the long lying time • module for the automated implementation of
of more than 30 years. measures (warning signals to the motorway
Stresses in the cross-section of concrete road operation centres, etc.),
slabs are influenced by the temperature profile over • manufacture of a demonstrator using the entire
the cross-section in context with climatic data, information and/or forecast system and scientific
material characteristics, the characteristic zero- evaluation.
tension temperature and the friction between slab
and subgrade.
The aim of the project was to develop an information 3 Examination results
system for the identification and prognosis of these
climate inducted stresses in concrete pavements. 3.1 Required data, measuring
stations, database
The relationship between the temperature change
2 Type and scope of and the resulting expansion in the concrete is linear
investigations in the practical area. If the longitudinal expansion is
prevented, stresses build-up, which are linearly
In the carried out research project, an information dependent on the temperature difference between
system, which can be used for practical purposes, the existing concrete temperature and the
should be developed for the determination and temperature at which the concrete would be free of
prognosis of real stress states in concrete stress due to temperature (zero stress temperature).
pavements. First of all, it was clarified whether and The dimension of the temperature-dependent
to what extent measuring systems used so far in concrete stresses is thus determined to a great
practice are suitable for the standard determination extent by the dimension of the zero stress
of necessary data. If necessary, these should be temperature. So the determination of the zero stress
modified or newly developed for the planned temperature is an essential requirement for the
application. Furthermore, all necessary tools have correct calculation of the temperature-induced
been developed, tested and defined, which are stresses in the concrete.
6
A determination of the zero stress temperature can climatic data in order to be able to carry out a risk
be done by measuring the joint opening width. The assessment.
compressive stress build-up begins when the joint
has closed. This makes it possible to determine The calculation of the temperature and stress
the zero stress temperature by simultaneously states requires the knowledge of different material
measuring the joint movement and the concrete parameters.
temperature. The zero stress temperature is By using the time step method as an explicit solution
obviously reached when there is no change in the approach of the differential equation for describing
joint width as the concrete temperature rises further. the heat flux in the pavement and the heat balance
equation, it is possible to continuously calculate the
Therefore, suitable measuring systems had to be
temperature state in the concrete slab [KAYSER
designed for the detection of the joint movements
2007]. A continuous temperature calculation is
and the concrete temperatures over the concrete
carried out on the basis of the climatic values.
pavement cross-section.
The temperature profiles calculated from climatic
In the prognostic module to be developed, the
data are compared with the actual temperature
temperature conditions of the concrete slabs were
values measured at the measuring stations in the
to be calculated on the basis of the predicted climatic
pavement. The calculation process is calibrated
data. In order to ensure the reliability of the
until the consistency of calculated and measured
forecasting procedure, it was necessary to record
values is sufficiently accurate.
and synchronize the correlation between climatic
data and temperature conditions over a long period, For the risk assessment of future temperature and
both mechanically and measurably. This also stress states, predicted climatic values are used as
required the measurement of all relevant climatic input variables. A correlated worst case climate data
data. set for the next 24 hours will be compiled from the
measured climatic data of the last three days.
After assembling the required data measuring
stations for the detection of joint movements, The predicted climate data, the temperature profiles
concrete temperatures and climatic data have been and the corresponding stresses as well as the FEM
constructed and expanded as demonstrators in stress images generated by a calculation model
three locations. The collected data are automatically using the finite element method can be displayed in
transferred to a normalized database. the software tool.
For the recording, storage and transmission of the
measured data, a station with measuring technology,
data logger and self-sufficient power supply by a 3.3 Decision support module
battery and a mast with solar cells was installed. By
A module has been developed for decision making
means of a remote interrogation via a GSM module,
which is able to calculate realistic tension forecasts
the collected measurement data are automatically
from the climate forecast and the available material
transmitted to the research participants daily at
parameters and which is able to evaluate the
fixed times and then transferred to the database. respective level.
In addition to the structured storage of the measured For this purpose, this module is linked to the climate
data, the database serves the storage of relevant forecasting tool. The result is an automatic
information of the measuring stations and their assessment of the hazard potential without expert
equipment, important information of the respective assessment.
construction section as well as the calculation
results. The researcher then set up a computer workplace,
with which the scientific evaluation and evaluation
of the data is possible. Access to the receiving
3.2 Software tool for climate forecast software, the evaluation software for the relevant
data, the climate forecasting tool and the decision
A software tool has been developed for the automatic support module in the form of the presented software
data analysis, which calculates the temperature tool are implemented via a browser-based web
profile and qualitative tension states based on the service solution.
7
3.4 Automated deformation analysis the risk assessment of heat periods and that specific
statements can be made. However, the prediction
Furthermore an automated deformation analysis of of the exact position and the exact point of time of a
a 70 m long section of a concrete motorway was heat damage cannot be achieved by such a system,
tested using a Leica measuring system, generating because in addition to the temperature conditions,
high resolution Laser models to rate the current imperfections in the road play a major role in the
deformation in context with the ambient climate occurrence of heat damage.
conditions.
Rather, it is a system which serves as a source
It should be checked first whether the deformations of information as to whether the temperatures
of individual slabs of a concrete pavement system necessary for a heat damage in the road construction
due to temperature effects can be detected without are present at all or may occur in the next 24 hours.
contact by an automatic deformation analysis. In
addition, the monitoring of a contiguous concrete In addition to the information system, it is also
pavement section should provide knowledge possible to obtain general information about the
according to the movement of a defined section. state of the pavement and its development on the
basis of determined data, e. g. the development of
In addition to reflector-based measurements with
the zero stress temperature during the period of
permanently installed prisms, which provided
use.
relatively accurate results, but with a constant risk of
damage (shearing by winter maintenance, etc.), The construction of nationwide networked
even reflector less measurements were carried out. measuring stations and sensor systems represents
However, the accuracy of the results is currently a great opportunity for evaluating and observing the
outside acceptable tolerances. The measurements conditions in road constructions. It is important that,
are strongly dependent on the respective surface in addition to the data acquisition, also concepts
and weather conditions. must be developed in order to systematically and
extensively evaluate the collected data with regard
to specific objectives (for example the substance
evaluation).
4 Conclusions and
recommendations
Within the scope of the research project, an
information system was developed that measures
climatic data, road temperatures and joint move-
ments of concrete pavements in situ and uses
these data to carry out a risk assessment of the
temperature-induced stress states in the concrete
pavement.
On the basis of acquired data, section-specific
zero stress temperatures, which have a decisive
influence on the temperature-induced stress states
in concrete pavements, can be determined.
The developed software tool, in conjunction with the
database, allows a further evaluation and analysis
of the measurement data to carry out a risk
assessment of the stress states in concrete
pavements. The user can easily recognize if a
critical tensions state in the concrete pavement is
present or expected by the colour scale with which
monitored stations are marked.
The research topic has shown that the establishment
of such measuring systems is a good contribution to
9
Inhalt 5.7.3 Multi-Ring-Elektroden. . . . . . . . . . . . . . 30
5.7.4 Kapazitive Messungen . . . . . . . . . . . . . 31
5.7.5 Mikrowellenmesstechnik . . . . . . . . . . . 31
1 Aufgabenstellung . . . . . . . . . . . . . . . . 11
5.7.6 TDR-Sensor
1.1 Gesamtziel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 (Time domain reflectometry) . . . . . . . . 31
1.2 Methodik des Vorgehens . . . . . . . . . . . 12
6 Messtechnische Ermittlung
2 Schadensmechanismus erforderlicher Daten und rechne
„Hitzeschaden“. . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 rische Ermittlung der Spannungs
zustände in der Fahrbahn . . . . . . . . . 32
2.1 Temperatur und Spannungen. . . . . . . . 12
6.1 Messtechnische Erfassung wesent-
2.2 Nullspannungstemperatur . . . . . . . . . . 15 licher für den Spannungszustand
2.3 Spannungszustände beim relevanter Daten. . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
Hitzeschaden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
6.1.1 Bewertung der bestehenden Mess-
stelle an der A92 bei Freising . . . . . . . . 32
3 Konzipierung geeigneter
6.1.2 Erweiterung der bestehenden Mess-
Messverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
stelle an der A92 bei Freising . . . . . . . . 32
3.1 Durch Messung zu bestimmende
6.2 Experimentelle Spannungs-
physikalische Größen. . . . . . . . . . . . . . 21
ermittlung zur Verifizierung des
3.2 Prinzipielle Vorgehensweise bei der Berechnungsmodells . . . . . . . . . . . . . . 42
Auswahl eines Messverfahrens . . . . . . 22
6.2.1 Versuchsaufbau und -durchführung . . . 42
3.3 Messung der Fugenbewegung. . . . . . . 22
6.2.2 Ergebnisse der indirekten
3.4 Messung der Klimadaten . . . . . . . . . . . 23 Spannungsermittlung . . . . . . . . . . . . . . 45
4 Bisher in der Praxis angewendete 7 Datenerfassung, übertragung
Mess und Aufnahmesysteme. . . . . . 23 und speicherung . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.1 Weitere Messstellen in Sachsen- 7.1 Entwicklung eines Ablaufschemas
Anhalt und Bayern . . . . . . . . . . . . . . . . 24 zur Datenerfassung und
4.2 Einbau von Dehnmessstreifen zur -speicherung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
Messung von Querzug- und Längs-
7.2 Konzeption einer normalisierten
druckspannungen (TUM) . . . . . . . . . . . 26
Datenbank . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
7.3 Konzipierung einer zentralen Daten-
5 Recherche zu Messsystemen . . . . . . 27
speicherung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5.1 Kraftmessdosen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
5.2 Ultraschallsensoren . . . . . . . . . . . . . . . 27 8 Algorithmus und Softwaretools
5.3 Akustoelastische Betondehnungs- für die automatische Datenaus
aufnehmer zur Ermittlung der Zug- wertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
und Druckspannungen in Beton . . . . . . 27 8.1 Materialparameter für die
5.4 Schwingsaitenaufnehmer . . . . . . . . . . . 28 Berechnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5.5 Automatische Deformationsanalyse. . . 28 8.2 Berechnung der möglichen Tempe-
raturzustände in der Betonplatte . . . . . 50
5.6 Messstellen des DWD . . . . . . . . . . . . . 29
8.2.1 Beschreibung des Berechnungs-
5.7 Betonfeuchte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 verfahrens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
5.7.1 Darr-Methode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
8.2.2 Softwaretool zur Temperatur-
5.7.2 Carbid-Messung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 verlaufsberechnung . . . . . . . . . . . . . . . 5210
8.2.3 Kalibrierung und Validierung . . . . . . . . 54 10 Herstellung eines Demonstra
tors unter Einsatz des gesamten
8.2.4 Prognose von Temperaturverläufen . . . 54
Informations bzw. Prognose
8.3 FEM-System zur Spannungs- systems und wissenschaftliche
berechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 Auswertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
8.3.1 Modellumfang. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 10.1 Anlage eines neuen Demons-
8.3.2 Platten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 trators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
8.3.3 Untere Tragschicht . . . . . . . . . . . . . . . . 58 10.1.1 Anforderungen an das Mess-
system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
8.3.4 Kontakt zwischen Platten und
unterer Tragschicht. . . . . . . . . . . . . . . . 58 10.1.2 Einbau des neuen Demonstrators . . . 68
8.3.5 Modellierung der Scheinfuge 10.2 Aufrüsten bestehender Mess-
zwischen den Platten . . . . . . . . . . . . . . 59 stellen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
8.3.6 Reduktion der Rechenzeit durch 10.3 Betrieb der Demonstratoren. . . . . . . . 69
Modelloptimierung . . . . . . . . . . . . . . . . 60 10.4 Auswertung der Daten für kurz-
8.3.7 Materialparameter . . . . . . . . . . . . . . . . 61 fristige Prognosen . . . . . . . . . . . . . . . 69
8.3.8 Softwaretool zur Erstellung des 10.4.1 Berechnung der Druckspannung . . . . 69
Finite-Elemente-Modells, zur 10.4.2 Gegenüberstellung der gemes-
Steuerung der FE-Rechnung und senen und prognostizierten
zur Auswertung der Ergebnisse . . . . . . 61 Spannungszustände . . . . . . . . . . . . . 71
10.4.3 Ermittlung der Nullspannungs-
9 Modul zur automatisierten temperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
Umsetzung von Maßnahmen. . . . . . . 62
9.1 Entwicklung eines Moduls zur 11 Zusammenfassung und
Entscheidungshilfe . . . . . . . . . . . . . . . . 62 Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
9.1.1 Arbeitsplätze bei Forschungs-
nehmer, BASt und zuständiger Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
Straßenbaubehörde . . . . . . . . . . . . . . . 63
Verwendete Regelwerke. . . . . . . . . . . . . . . . 74
9.1.2 Anbindung des Softwaretools. . . . . . . . 63
Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
9.2 Entwicklung von Schnittstellen zur
direkten Anbindung an vorhandene Bilder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
Anlagen der Verkehrsbeeinflussung. . . 63
9.2.1 Verkehrsmanagementnetz Tabellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
[CONDUCT] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
Anhang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
9.2.2 Kommunikationsnetzwerk
[CONDUCT] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
9.2.3 Übersicht der System-Schnittstellen
[CONDUCT] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
9.3 Status Quo Messsysteme und
Informationssystem . . . . . . . . . . . . . . . 6611
1 Aufgabenstellung Nullspannungstemperatur der Fahrbahndecke er-
forderlich. In der Praxis sind zum anderen weitere
Hitzeschäden an Betonfahrbahndecken sind seit Randbedingungen zu beachten. So ist bekannt,
Jahrzehnten national sowie international bekannt. dass sich die Nullspannungstemperatur der Beton-
In der Vergangenheit traten diese in Deutschland decke im Verlauf seiner Liegedauer verändern
jedoch nur vereinzelt auf. Daher waren die Auswir- kann. So kann beispielsweise eine Verschmutzung
kungen auf die Verkehrssicherheit bisher gering. In der Fugen (hier insbesondere der Riss unterhalb
2013 traten im Kontext mit außergewöhnlichen kli- des Kerbschnittes) zu einer Absenkung der Null-
matischen Situationen (sog. Hitzeperioden) insbe- spannungstemperatur führen. Grundsätzlich wird
sondere im Bundesland Bayern vermehrt Hitze- die Nullspannungstemperatur als die höchste Tem-
schäden auf. Von der Problematik hauptsächlich peratur der Betondecke bezeichnet, bei der die Nor-
betroffen sind alte, dünne Betonfahrbahndecken, malspannung (Horizontalspannung) gerade noch
die nach alter RStO errichtet wurden und die i. d. R. Null beträgt. Eine Temperatur oberhalb der Null-
einen Konstruktionsaufbau von 22 cm Betondeck- spannungstemperatur führt folglich zum Aufbau von
schicht auf hydraulisch gebundener Tragschicht in Druckspannungen im Deckensystem. Grundsätz-
Verbundbauweise haben. lich ist anzumerken, dass die hierbei auftretenden
Druckspannungen immer im Kontext mit der vorlie-
Die behinderte Längsausdehnung des Bauteils Be-
genden Längsausdehnungsbehinderung des Ge-
tondecke infolge intensiver Sonneneinstrahlung
und dem damit verbundenen Spannungsaufbau samtsystems zu sehen sind. Auf Grund der zuvor
kann in Verbindung mit den o. g. Konstruktionsmän- beschriebenen Tatsachen und der Komplexität des
geln sowie den über die lange Liegezeit von mehr Versagensmechanismus von Hitzeschäden wird
als 30 Jahren entstandenen Imperfektionen zu deutlich, dass derzeit keine ausreichend sichere
Hitzeschäden führen. Bei Überschreitung der maxi- Abschätzung der tatsächlich vorherrschenden
mal aufnehmbaren Spannung des Deckensystems Spannungszustände von Betonfahrbahndecken
kann dies zu hitzebedingten Schäden der Fahrbahn möglich ist.
in verschiedenartigem Ausmaß führen. Auf Grund
der vermehrt aufgetretenen Schäden und der damit
einhergehenden Verkehrsgefährdung werden durch 1.1 Gesamtziel
die Straßenbauverwaltungen der Länder zunächst
einfache Vorkehrungen zur Erhöhung der Verkehrs- In der hier durchgeführten Forschungsarbeit sollte
sicherheit getroffen. So werden zur Gefahrenein- in einem stufenweisen Vorgehen ein Informations-
schätzung bei extremen Temperaturereignissen system zur Ermittlung und Prognose von Span-
vermehrt Streckenkontrollen durch die zuständigen nungszuständen in Betonfahrbahndecken entwi-
Autobahnmeistereien durchgeführt. Diese sollen in ckelt werden. Dieses System sollte einerseits ein
erster Linie dazu beitragen, einen Hitzeschaden geeignetes Messsystem zur Erfassung der konkret
frühzeitig zu erkennen und erforderliche Maßnah- vorherrschenden Spannungen im Deckensystem
men (z. B. Sicherung und Instandsetzung) schnellst- beinhalten. Andererseits sollte im Rahmen des Pro-
möglich einleiten zu können. Bei einigen Strecken- jektverlaufes ein Rechenalgorithmus und ein spezi-
abschnitten werden zudem temporäre Geschwin- elles Software-Tool entwickelt werden. Das Infor-
digkeitsbeschränkungen eingerichtet. Diese bedeu- mationssystem sollte letztlich als messtechnisch
ten einen wesentlichen Eingriff in den Verkehrsab- abgesicherte Entscheidungshilfe zur Anordnung
lauf. Die Entscheidungsfindung zur Anordnung zu- von Maßnahmen – z. B. temporäre Geschwindig-
vor genannter Maßnahmen basiert derzeit auf Er- keitsbegrenzungen oder Warnmeldungen im Kon-
fahrungswerten und der an exponierten Stellen text mit Hitzeschäden an Betonfahrbahndecken –
messtechnisch ermittelten Lufttemperatur und de- verwendet werden können. Ohne das zu entwi-
ren empirische Prognose. Da diese Vorgehenswei- ckelnde System erfolgte die Entscheidung über die
se nicht die tatsächlich auftretenden Temperatur- Anordnung von Tempolimits insbesondere auf der
verhältnisse im zu betrachtenden Streckenabschnitt Basis von Lufttemperaturen aus der Umgebung und
bzw. in der Betondecke abbildet, können die realen Erfahrungswerten, d. h. die Spannungszustände im
Spannungszustände im Deckensystem nur grob Deckensystem wurden nur grob geschätzt. Mithilfe
abgeschätzt werden. Für eine genauere Abschät- des o. g. Informationssystems sollte nicht nur der
zung der Spannungszustände ist demzufolge zum Zeitraum optimiert, sondern auch die Notwendigkeit
einen die Kenntnis über die aktuell vorherrschende der Einrichtung von Geschwindigkeitsbeschränkun-12
gen messtechnisch hinterfragt bzw. bestätigt wer- 2 Schadensmechanismus
den. Zudem sollte eruiert werden, ob und inwieweit
mit dem System in Zukunft die Verkehrssicherheit
„Hitzeschaden“
auf Betonautobahnen weiter erhöht und zum ande-
2.1 Temperatur und Spannungen
ren volkswirtschaftliche Schäden infolge von Stau
minimiert werden können. Der Baustoff Beton dehnt sich bei Erwärmung aus
und zieht sich bei Abkühlung zusammen. Wird die-
se Verformung behindert, entstehen Spannungen.
1.2 Methodik des Vorgehens
Eine über den Querschnitt konstante Temperatur-
In dem hier durchgeführten Forschungsprojekt soll- änderung führt zu einer Längenänderung. Die Tem-
te ein für die Praxis nutzbares, automatisiert arbei- peratur des Betons wird aber normalerweise nicht
tendes Informationssystem zur Ermittlung und Pro- über die Plattenhöhe konstant sein. Ein linearer
gnose von realen Spannungszuständen in Beton- Temperaturverlauf über den Plattenquerschnitt be-
fahrbahndecken entwickelt werden. Es wurde zu- dingt eine Biegung und ein nichtlinearer Verlauf er-
nächst abgeklärt, ob und inwieweit bisher in der zeugt eine Verwölbung des Querschnittes (Bild 1).
Praxis angewendete Messsysteme für die stan-
Der Wölbanteil (W in Bild 1) kann nie vollständig in
dardmäßige Ermittlung dafür notwendiger Daten
Verformung umgesetzt werden, weil die Platte
geeignet sind. Gegebenenfalls wurden diese für die
selbst die Querschnittsverwölbung behindert. Des-
geplante Anwendung modifiziert oder neu entwi-
halb erzeugt der nichtlineare Temperaturanteil auch
ckelt. Ferner wurden alle erforderlichen Werkzeuge
in einer zwängungsfrei gelagerten, unbelasteten
entwickelt, erprobt und definiert, die für ein autark
Platte Spannungen (Eigenspannungen bzw. Wölb-
arbeitendes, softwaregestütztes Informationssys-
spannungen).
tem erforderlich sind.
Die Biegung der Platte wird durch die immer vor-
Die Entwicklung und Erprobung in zwei Demonstra-
handene Schwerkraft behindert. Deshalb erzeugt
toren sollte dabei alle Punkte von der eigentlichen
der Biegeanteil (B in Bild 1) immer Biegespannun-
Erfassung relevanter Messdaten bis hin zur auto-
gen. Das Vorzeichen des linearen Temperaturgra-
matisierten Einrichtung von Warnmeldungen bzw.
Tempolimits beinhalten. Zur Realisierung des Sys- dienten bestimmt die Richtung der Plattenwölbung
tems wurden folgende Arbeitsschritte durchgeführt: (konkav/konvex, Bild 4/Bild 5).
• Recherche bisher in der Praxis angewendeter Auch die Längsdehnung (D in Bild 1) wird in der
Mess- und Aufnahmesysteme und Konzipierung Praxis mindestens teilweise behindert. So lange
eines geeigneten Systems für die hier geforderte sich die Plattenenden frei ausdehnen können, wirkt
Anwendung, die Reibung auf der Unterlage der Verformung ent-
gegen. Bezogen auf die Einzelplatten ergibt sich
• Messtechnische Ermittlung erforderlicher Daten daraus aber noch keine große Spannung. Sobald
und rechnerische Ermittlung der Spannungszu- die Scheinfugen aber geschlossen sind, wird die
stände in der Fahrbahn, Längsdehnung vollständig behindert. Damit wird
• Entwicklung eines Ablaufschemas zur Datener-
fassung, -übertragung und -speicherung,
• Entwicklung eines Rechenalgorithmus und Soft-
waretools für die automatische Datenauswer-
tung mit Anbindung an Klimaprognosedaten so-
wie Definition von Grenzen,
• Modul zur automatisierten Umsetzung von Maß-
nahmen (z. B. Signalschaltung von Wechselver-
kehrszeichenbrücken, Warnsignale an die Auto-
bahnmeistereien, Radiomeldungen etc.),
• Herstellung zweier Demonstratoren unter Ein-
satz des gesamten Informations- bzw. Prognose-
systems und wissenschaftliche Auswertung. Bild 1: Zerlegung der Temperaturanteile im Plattenquerschnitt13
eine Temperaturerhöhung vollständig in Spannung ∆hi ti zugeordneter Bereich des Betonquerschnit-
umgesetzt. tes (Bild 2 bzw. 3)
Für die Analyse bestimmter Problemstellungen ist n Anzahl der Temperaturwerte über den Quer-
es hilfreich, den Temperaturzustand einer Platte in schnitt
seine Bestandteile aufzuspalten. Die temperaturbe-
dingten Längsdehnungen der Betonfahrbahn wer- Der Normalkraft kann man eine mittlere, die Deh-
den allein durch den konstanten Temperaturanteil nung erzeugende Temperatur zuordnen:
(Anteil D in Bild 1) bestimmt. Für die Untersuchung
(Gl. 2)
von Hitzeschäden ist es deshalb zwingend erforder-
lich, die Größe dieses Temperaturanteils zu ken- tD der Plattendehnung zugeordnete Temperatur
nen. Weil aus den direkten Messungen nur der Ge-
samttemperaturverlauf bekannt ist, muss die Be- Durch Gleichsetzung von Formel 1 und 2 erhält
stimmung des Anteiles D auf rechnerischem Wege man:
erfolgen.
(Gl. 3)
In der real vorhandenen Platte ist, wie oben erläu-
tert, stets eine teilweise Behinderung der Längs-
ausdehnung vorhanden. Ein Teil der Verformung Das Biegemoment im Querschnitt kann berechnet
wird also in Spannung umgesetzt. Für die mathe- werden mit:
matisch-mechanische Betrachtung ist es hilfreich, (Gl. 4)
eine vollständige Dehnbehinderung in vertikaler
und horizontaler Richtung anzunehmen. Damit wä- MT temperaturbedingtes Biegemoment
ren alle Verformungen in Spannungen umgesetzt.
Unter dieser Voraussetzung kann die Druckkraft, zi entsprechend Bild 3
welche infolge der Erwärmung im Plattenquer- Weiter gilt für das Biegemoment:
schnitt vorliegt, näherungsweise nach Formel 1 be-
rechnet werden:
(Gl. 5)
(Gl. 1)
σM Biegespannung am Querschnittsrand
NT temperaturbedingte Normalkraft
Der Spannung lässt sich über die Temperaturdeh-
αT Wärmedehnzahl Beton nung eindeutig ein Temperaturwert zuordnen:
Ec E-Modul Beton (Gl. 6)
∆b Breite des betrachteten Querschnittes
tM Biegung erzeugende Temperatur am Quer-
ti Betontemperatur mit dem Abstand zi von der schnittsrand
Nulllinie der Betonplatte (entsprechend Bild 2
Indem man Gleichung 6 anwendet und anschlie-
bzw. 3)
ßend Gleichung 4 und 5 gleichsetzt, gewinnt man:
Bild 2: Temperaturzustand im Querschnitt mit Biege-, Wölb-
und Dehnanteil Bild 3: Biegeanteil14
Die praktisch im Plattenquerschnitt auftretenden
(Gl. 7) Temperaturverläufe können sehr vielgestaltig sein
und unterliegen einer ständigen zeitlichen Verände-
Der Wölbanteil kann dann durch Subtraktion der rung. Dabei gehen die Änderungen normalerweise
Dehn- und Biegeanteile vom Gesamttemperatur- von der Plattenoberseite aus. Eine Erwärmung des
verlauf berechnet werden. Betons durch Sonneneinstrahlung und Wärmeaus-
tausch mit der Luft, wie sie üblicherweise in den
(Gl. 8)
Vormittagsstunden eintritt, führt zu einem positiven
tiW Temperatur in der Schicht i (Wölbanteil) Temperaturgradienten im gesamten Querschnitt
(Bild 4, oben). Da sich die Oberseite der Platte stär-
ti Temperatur in der Schicht i (Gesamt) ker ausdehnt als die Unterseite, wölbt sich die Plat-
tiD Temperatur in der Schicht i (Dehnanteil) te im mittleren Bereich auf (Bild 4, unten). Eine Ab-
kühlung des Betons an der Plattenoberseite, wie sie
tiB Temperatur in der Schicht i (Biegeanteil) typischerweise in den Nachtstunden auftritt, führt zu
einer Umkehrung des Temperaturverlaufes. Es stellt
Unter Verwendung der Gleichungen 3, 7 und 8 ist sich ein durchgehend negativer Temperaturgradient
es also möglich, die Größe der drei Temperatur- ein (Bild 5, oben) und die Platte wechselt ihre Ver-
anteile eindeutig zu bestimmen. Dies gilt prinzipiell formungsfigur. Es kommt zu einer Aufschüsselung
auch, wenn im Querschnitt keine homogenen Ma- an den Rändern (Bild 5, unten).
terialparameter vorhanden sind (Unterscheidung
Ober-/Unterbeton). In diesem Fall müssen schicht- Zu besonders hohen Wölbspannungen führen
bezogene Werte für die Wärmedehnzahl und den plötzlich auftretende Temperaturänderungen an der
E-Modul verwendet werden. Die Gleichungen 3, 7 Plattenoberfläche. Diese können z. B. durch einen
und 8 sind dann entsprechend zu modifizieren. Gewitterregen entstehen, welcher auf eine stark er-
Bild 4: Wesentlicher Temperaturverlauf über die Platte – Bild 5: Wesentlicher Temperaturverlauf über die Platte – Auf-
Aufwölbung (positiver Temperaturgradient) schüsselung (negativer Temperaturgradient)15
hitzte Fahrbahn trifft. In solchen Fällen kommt es zu αT Wärmeausdehnungskoeffizient
einer scharfen Umkehrung des Temperaturverlaufs
(Bild 4 und Bild 5, Mitte). δT Temperaturerhöhung
Zur Berechnung der Temperaturzustände in den L0 Länge vor der Erwärmung.
Platten und der daraus resultierenden Spannungen
Wird die Längsdehnung verhindert, führt dies zum
stehen leistungsfähige Verfahren (FEM, Wärmebi-
Aufbau von Normalspannungen.
lanz, Zeitschrittverfahren) zur Verfügung. Eine prak-
tische Nutzung dieser Berechnungsergebnisse ist Mit
aber nur gerechtfertigt, wenn ein systematischer
Abgleich der Berechnungsergebnisse mit hinrei- (Gl. 10)
chend verlässlichen Messergebnissen erfolgt ist.
Während die Temperaturmessung im Allgemeinen ∆Lv verhinderte Längsdehnung
keine grundsätzlichen Probleme aufwirft, stellt die
Spannungsmessung eine Herausforderung dar. Die
Ec E-Modul Beton (≙ Ecm)
übliche Methode einer indirekten Spannungsmes- σ Spannung im Betonquerschnitt
sung durch Bestimmung von Dehnungen ist nur be-
dingt anwendbar, weil die Spannungen gerade aus ergibt sich:
verhinderter Dehnung resultieren.
(Gl. 11)
Die derzeit einzige praktikable Methode zur Ermitt-
Die Spannung ist also linear von der Temperaturdif-
lung der temperaturbedingten Spannungen in einer
ferenz δT abhängig. Diese ist definiert als Differenz
Fahrbahndecke besteht in der Berechnung unter
zwischen der vorhandenen Betontemperatur und
Verwendung eines möglichst realitätsnahen Be-
der Nullspannungstemperatur. Die Größe der tem-
rechnungsmodells.
peraturbedingten Betonspannungen wird also in
entscheidendem Maße von der Höhe der Nullspan-
nungstemperatur bestimmt. Damit ist die Ermittlung
2.2 Nullspannungstemperatur der Nullspannungstemperatur eine wesentliche
Voraussetzung für die korrekte Berechnung der
Die Nullspannungstemperatur (T0) ist die höchste
temperaturbedingten Spannungen im Beton.
durchschnittliche Plattentemperatur, bei der sich
keine aus temperaturbedingter Plattendehnung re- Es ist naheliegend, die Nullspannungstemperatur
sultierenden Spannungen ergeben. als die Temperatur anzusehen, welche der Beton
bei seiner Herstellung aufwies. Da sich im Zuge der
Spannungen, welche aus einer ungleichmäßigen
Hydratation die Betontemperatur aber dynamisch
Temperaturverteilung über den Querschnitt erge-
verändert ist es notwendig, diesen Prozess näher
ben (Anteile B und W, Bild 1), werden hier also nicht
zu betrachten.
in Betracht gezogen.
Bei der Herstellung der Fahrbahn ist der Beton in
Eine nähere Betrachtung der zu Grunde liegenden
einem plastischen Zustand und damit zunächst
physikalischen Zusammenhänge zeigt die große
spannungsfrei. Die Betontemperatur beim Einbau
Bedeutung der Nullspannungstemperatur für die
wird deshalb als erste Nullspannungstemperatur
vorliegende Problematik.
T01 (Bild 6) bezeichnet.
Der Zusammenhang zwischen der Temperatur-
Mit dem Einsetzen der Hydratation beginnt die Ent-
änderung und der dadurch bedingten Dehnung im wicklung von Hydratationswärme. Die Temperatur
Beton ist im praxisrelevanten Bereich linear. Dieser im Betonquerschnitt steigt an und führt zu einer Ma-
lässt sich mit einem einzigen Parameter, dem län- terialdehnung. Durch die kontinuierliche Herstel-
genbezogenen Wärmeausdehnungskoeffizienten lung des Fahrbahnbandes ist diese Ausdehnung
beschreiben. Eine Erwärmung des Betons führt zur vollständig behindert. Weil der Beton sich aber noch
Ausdehnung gemäß Formel 9: im plastischen Zustand befindet, werden zunächst
∆L = αT δT L0
• • (Gl. 9) keine Druckspannungen aufgebaut. Erst mit der all-
mählichen Erhärtung des Betons beginnt auch die
∆L Längsdehnung Entwicklung der Spannungen. Die Betontemperatur16
zu diesem Zeitpunkt wird als erste Nullspan- In den folgenden Jahren wird T0 aber durch ver-
nungstemperatur T01 (Bild 6) bezeichnet. Wenn die schiedene Einflussfaktoren wesentlich verändert.
Betontemperatur ihren Höhepunkt erreicht, hat sich Am wichtigsten sind in diesem Zusammengang das
aber erst ein relativ geringer Druck aufgebaut. Bei Schwinden des Betons und die Fugenverschmut-
der anschließenden Abkühlung und der damit ver- zung.
bundenen Materialverkürzung wird dieser Druck
schnell aufgebraucht und im Betonquerschnitt ent- Die Schwindverformung (Schrumpfung) beginnt un-
wickeln sich Zugspannungen. Der Nullspannungs- mittelbar mit dem Beginn der Hydratation und setzt
durchgang erfolgt aber bei einer anderen (höheren) sich degressiv über viele Jahre fort. Es gibt eine
Temperatur als am Beginn der Hydratation. Diese Vielzahl von Verfahren zur rechnerischen Beschrei-
zweite Nullspannungstemperatur T02 (Bild 6) ist für bung dieses Prozesses. In [VILLARET et al. 2013]
die Größe der temperaturbedingten Spannungen wurde unter Verwendung typischer Parameter einer
im Betonquerschnitt maßgebend. Laboruntersu- Betonfahrbahn eine Schwindberechnung mit dem
chungen haben gezeigt, dass T02 nur wenig unter- Berechnungsverfahren aus dem ModelCode 90
halb der maximalen Betontemperatur liegt, welche durchgeführt. Bild 7 zeigt den berechneten Schwind-
bei der Hydratation erreicht wird (vgl. [HINTZEN verlauf über 40 Jahre.
1999]).
Durch das Schwinden werden die Platten also ver-
Bei einer Reihe von Fahrbahnplatten mit gerisse- kürzt. Das bedeutet, dass die Scheinfugen sich erst
nen Scheinfugen beginnt der temperaturbedingte bei einer höheren Temperatur schließen. Die Null-
Spannungsaufbau offensichtlich, wenn sich die spannungstemperatur T0 wird durch das Beton-
Scheinfugen schließen. schwinden also erhöht. Unter Verwendung von
Gleichung 1 kann diese Temperatursteigerung be-
Wenn man die Wirkung der Reibung auf das Deh- rechnet werden. Die Ergebnisse sind in Bild 8 dar-
nungsverhalten einer Einzelplatte vernachlässigt, gestellt.
dann ist davon auszugehen, dass sich bei der Be-
tontemperatur T02 alle Scheinfugen einer Fahrbahn
schließen. Nach der Herstellung der Fahrbahn gilt
also zunächst einmal
(Gl. 12)
Bild 7: Entwicklung der Schwindverformung über 40 Jahre
Bild 6: Spannungsentwicklung im Zuge der Hydratation (aus Bild 8: Erhöhung der Nullspannungstemperatur T0 infolge
[HINTZEN 1999]) Betonschwinden17
Es zeigt sich, dass der Schwindeinfluss gravierend Es ist aber anzumerken, dass die untersuchte Stre-
ist. Allein im ersten Jahr wird die Nullspannungstem- cke, entsprechend der damals in Österreich übli-
peratur um ca. 6 K erhöht. Es sei aber darauf hinge- chen Bauweise, keinen Fugenverguss aufwies. Die
wiesen, dass das Schwindverhalten stark von der Verschmutzung wurde dadurch natürlich stark be-
Betonrezeptur und den Einbaubedingungen abhän- günstigt.
gig ist. Im konkreten Fall können sich also auch
deutlich andere Schwindmaße ergeben. Unabhän- Untersuchungen an Strecken mit verschlossenen
gig davon bleibt aber festzuhalten, dass das Fugen liegen derzeit nicht vor. Es ist aber bekannt,
Schwinden wesentlich zur Abnahme der Spannun- dass der Fugenverschluss (Dichtband + Verguss)
gen in der Fahrbahn beiträgt. In den ersten Jahren keineswegs einen dauerhaften Schutz vor Ver-
nach der Herstellung ist also kaum mit einem Hitze- schmutzung darstellt.
schaden zu rechnen. Es liegt auf der Hand, dass die Verschmutzung
Ein gegenteiliger Effekt ergibt sich aus der Ver- durch große Fugenöffnungsweiten im Winter be-
schmutzung der Querfugen. Bei niedrigen Tempe- günstigt wird. Hohe Werte für die Nullspannungs-
raturen öffnen sich die Querfugen und eindringen- temperatur führen dabei zu besonders großen Öff-
der Schmutz führt dazu, dass die Fugen teilweise nungsweiten und fördern damit die Fugenver-
verfüllt werden (Bild 9). Der kraftschlüssige Fugen- schmutzung. Diese bewirkt wiederum eine Absen-
schluss tritt deshalb bei der Erwärmung ein, bevor kung des T0-Wertes.
die ursprüngliche Nullspannungstemperatur er- Allgemein ist festzustellen: Je größer T0 ist, desto
reicht ist. Die Temperatur T0 wurde gesenkt und in schneller wird T0 durch die Fugenverschmutzung
der Konsequenz ergeben sich höhere Spannungen abgesenkt.
bei der Maximaltemperatur. Das Risiko für einen
Hitzeschaden steigt also. Dieser Prozess setzt sich Auch die Schwindschrumpfung, die primär zur Ent-
bei weiteren Abkühlungs- und Erwärmungsphasen spannung beiträgt, wirkt an dieser Stelle kontrapro-
fort (Bild 10). Durch die zunehmende Verfüllung der duktiv, weil sie die Fugenöffnung vergrößert und da-
Fugen verläuft der Verschmutzungsprozess de- mit die Verschmutzung fördert.
gressiv.
Als besonders nachteilig erweisen sich in diesem
In Österreich durchgeführte Messungen (siehe [WI- Zusammenhang die Paketfugen. Da nicht alle
CKE 1983]) zeigten, dass die Nullspannungstem- Scheinfugen gleichzeitig reißen, verbleiben teilwei-
peratur innerhalb weniger Jahre (1975 bis 1981) um se über längere Zeiträume zusammenhängende
fast 30 K abgesenkt wurde. Allein im ersten Jahr Plattenpakete. Die Fugen an den Enden dieser Pa-
war ein Rückgang um ca. 15 K zu verzeichnen. Da- kete weisen entsprechend größere Öffnungsweiten
bei ist zu beachten, dass die Wirkung des Beton-
schwindens hier schon enthalten ist.
Bild 9: Verhalten des Plattensystems unter Berücksichtigung
von Fugenverschmutzung ohne Dehnungsbehinderun- Bild 10: Verhalten des Plattensystems bei Dehnungsbehinde-
gen rung durch Fugenverschmutzung18
auf. Eine zuverlässige Abdichtung durch den Fu- werden um eine Fugenbewegung zu realisieren.
genverschluss ist hier kaum möglich. Damit entstehen bei der Plattenausdehnung (Er-
wärmung) Druckkräfte, welche die Platte verkürzen
Im Hinblick auf diese Problematik wäre es also wün- und damit die Fugenöffnung vergrößern. Umge-
schenswert, mit einem tieferen Kerbschnitt ein früh- kehrt bewirkt die Dübelreibung im Abkühlungsfall
zeitiges Reißen aller Scheinfugen zu erzwingen. das Entstehen von Zugkräften, welche die Fugen-
Dies führt aber bei hohen Betontemperaturen zu ei- öffnung behindern. Im Ergebnis werden für zwei
ner Erhöhung der Spannungsspitze im Fugenbe- identische Temperaturzustände unterschiedliche
reich und damit zu einer direkten Vergrößerung des Fugenöffnungsweiten gemessen. Die Nullspan-
Risikos für einen Hitzeschaden. nungstemperatur ist nur durcheine sinnvoll zusam-
Die Bildung von Plattenpaketen wird auch durch mengefasste Betrachtung der Messwerte identifi-
schlecht ausgerichtete Dübel begünstigt. Eine sig- zierbar.
nifikante Abweichung von der Fahrbahnachse führt
zu Verkantungen, welche die Übertragung von Zug-
kräften über die Dübel ermöglichen. Damit ist die 2.3 Spannungszustände beim
Öffnung dieser Fuge dauerhaft verhindert. Hitzeschaden
Die erläuterten Zusammenhänge zeigen, dass die Traditionell wird der Hitzeschaden als Stabilitäts-
Nullspannungstemperatur starken zeitlichen Verän- problem aufgefasst. Es wird davon ausgegangen,
derungen unterliegt und sich beim gegenwärtigen dass eine behinderte Längsdehnung bei steigen-
Kenntnisstand einer rechnerischen Ermittlung weit- den Temperaturen dazu führt, dass eine kritische
gehend entzieht. Es sind also Messungen erforder- Druckkraft im Beton erreicht wird und das Tragwerk
lich. nach oben ausweicht. Die Versatzmomente, welche
dadurch entstehen, führen zur lokalen Betonzerstö-
Eine messtechnische Bestimmung der Nullspan- rung. Dieser Betrachtungsweise entsprechend wur-
nungstemperatur kann über die Messung der Fu- den auf der Basis von Differentialgleichungen Lö-
genöffnungsweite erfolgen. Es ist evident, dass der sungen formuliert, welche eine kritische Normalkraft
Druckspannungsaufbau beginnt, wenn die Fuge (bzw. Betontemperatur) in Abhängigkeit von der
sich geschlossen hat. Damit ist die Ermittlung der Steifigkeit des Querschnittes angeben (siehe z. B.
Nullspannungstemperatur durch gleichzeitige Mes- [KERR 1984]).
sung der Fugenbewegung und der Betontempera-
tur möglich. Die Nullspannungstemperatur ist offen- Detaillierte Berechnungen mit einem FEM-Volu-
sichtlich erreicht, wenn bei weiter steigender Beton- menmodell, welche im Zuge der Bearbeitung von
temperatur keine Veränderung der Fugenweite [Bayern Blow-Up Teil 2] durchgeführt wurden, ha-
mehr stattfindet. ben aber gezeigt, dass die Verformung der Beton-
platten, welche sich im Zuge der Erwärmung ein-
Es ist zu beachten, dass mit der so ermittelten Null- stellt, diesen Versagensmechanismus verhindern.
spannungstemperatur der Dehnanteil (Kapitel 2.1) Der Betonquerschnitt wird im Fugenbereich nach
des in der Betondecke gemessenen Temperatur- unten gedrückt (Bild 11 und Bild 12). Ein Auswei-
verlaufes gemeint ist. Bei der Auswertung der ent- chen nach oben ist praktisch ausgeschlossen.
sprechenden Messergebnisse muss also zunächst
die Berechnung des Dehnanteiles durchgeführt Ursächlich für diese Verformungsfigur ist zweifellos
werden. die beim Fugenschnitt entstehende Fugenkammer,
die ein Versatzmoment erzeugt. Die resultierende
Praktisch durchgeführte Messungen haben gezeigt, Druckkraft in der Platte liegt genau in Plattenmitte.
dass die Messwerte erheblichen Streuungen unter- Bei einer Plattendicke von h liegt die Resultierende
liegen, sodass eine eindeutige Zuordnung der Fu- also im Abstand h/2 von der Plattenunterkante. Di-
genöffnungsweiten zu Temperaturzuständen kaum rekt unter dem Fugenschnitt ist die Platte aber um
möglich ist. Eine Analyse der möglichen Ursachen die Fugentiefe tF geschwächt. Die Resultierende
für diese Streuung ergab, dass mit hoher Wahr- liegt hier somit im Abstand (h-tF)/2. An der Fuge hat
scheinlichkeit die Reibung der Dübel im Beton der die resultierende Druckkraft also gegenüber dem
dominierende Einflussfaktor ist. Die oftmals nicht übrigen Plattenbereich einen Versatz von e = tF/2
exakte Ausrichtung der Dübel in Plattenlängsrich- (Bild 13). Das sind bei üblichen Plattendicken 3 cm
tung führt dazu, dass erhebliche Kräfte notwendig bis 7 cm.19
In Verbindung mit großen Druckkräften ergibt sich aber die Aufwölbungen. An heißen Tagen ist norma-
ein beträchtliches Biegemoment (M = e • FT). Die lerweise die Oberseite der Betonplatten stärker er-
Herstellung des Gleichgewichts bedingt dann eine wärmt als die Unterseite. Die Aufwölbung wird da-
Aufwölbung der Platte (Bild 13 bis Bild 15). durch noch verstärkt. Einen gegenteiligen Effekt ha-
ben eventuell vorhandene Aufschüsselungen, wel-
Der Aufwölbung entgegen wirkt das Eigengewicht che durch ein ungleichmäßiges Schwinden des Be-
der Platte. Bei hinreichend langen Platten ergeben
tons entstehen. Der hieraus resultierende Versatz
sich dadurch in der Plattenmitte Einsenkungen (Bild
der Druckkräfte beträgt aber höchstens 1 – 2 mm.
11 und Bild 12). An den Plattenenden verbleiben
Er ist also erheblich kleiner als der Versatz, welcher
durch den Fugenschnitt entsteht. Damit gibt es bei
Temperaturerhöhung im Ergebnis immer eine Auf-
wölbung der Platten an den Querfugen.
Korrespondierend mit der Verformungsfigur ergibt
sich eine Spannungskonzentration am oberen Ende
des Kontaktbereiches (Rissbereich) der Fuge.
In Bild 16 ist diese Spannungsspitze durch die dun-
kelgrünblaue Färbung erkennbar. Ein direkter Ver-
Bild 11: V
erformung der Platten bei gleichmäßiger Erwärmung gleich der Spannungen mit der im Laborversuch er-
mittelten Druckfestigkeit gibt allerdings keine gesi-
cherte Auskunft über die Sicherheit gegen Beton-
versagen. Dafür ist der mehrachsige Spannungs-
zustand zu betrachten.
Bild 17 zeigt die Vertikalspannungen an der Fuge.
In den rot eingefärbten Bereichen gibt es vertikale
Zugspannungen. Die Spannungen quer zur Fahr-
bahn spielen hier eine untergeordnete Rolle. Es
Bild 12: Verformung der Platten bei gleichmäßiger Erwärmung
(Schnitt)
Bild 16: Spannungen in Fahrbahnrichtung (x-Richtung) an der
Bild 13: Versatzmoment infolge des Fugenschnittes Fuge
Bild 14: Statisches System
Bild 15: Verformung des statischen Systems Bild 17: Vertikalspannungen an der Fuge20
Bild 20: Typischer Hitzeschaden
Bild 18: Betonfestigkeit im 2-achsigen Spannungszustand (aus
[BK 2001])
Bild 21: Hitzeaufbruch mit einem Ausweichen der Platten nach
oben
Bild 19: Zu erwartendes Rissbild
kann also vereinfachend von einem zweidimensio-
nalen Spannungszustand ausgegangen werden.
Die Betonfestigkeit im zweiachsigen Spannungs-
zustand kann mit dem Diagramm in Bild 18 abge-
schätzt werden.
Es ist deutlich, dass die Druckfestigkeit wesent-
lich abnimmt, wenn gleichzeitig an einer zweiten Bild 22: Umkehr des Versatzmomentes bei einem Betonaus-
bruch an der Unterseite
Hauptachsenrichtung eine Zugspannung anliegt.
Eine besondere Gefährdung liegt also vor, wenn
sich die temperaturbedingten Druckspannungen mit Diese Form des Hitzeschadens kann auftreten,
vertikalen Zugspannungen überlagern. In diesem wenn der in Bild 19 dargestellte Riss nicht zur Plat-
Fall ist eine Rissbildung gemäß Bild 19 zu erwarten. tenoberseite sondern nach unten verläuft.
Dieser auf der Basis des Berechnungsmodells her- Im Ergebnis ändert sich das Vorzeichen des Ver-
geleitete Schadensmechanismus mündet in einem satzmomentes. Die Plattenenden werden im Fu-
Schadensbild, das dem in der Praxis zu beob- genbereich nicht mehr auf die Unterlage gedrückt,
achtenden typischen Hitzeschaden entspricht (Bild sondern nach oben.
20).
Ursächlich für den geänderten Rissverlauf können
Der eigentliche Blowup, also das Ausweichen der Inhomogenitäten im Fugenbereich (z. B. mangel-
Fahrbahnplatten nach oben (Bild 21), kommt in der hafte Verdichtung, Vorschädigungen, ungleichmä-
Praxis nur relativ selten vor. ßige Fugenverschmutzung) sein.Sie können auch lesen
