Die Dauerhaftigkeit und Nachhaltigkeit von Verkehrsflächenbefestigungen ist nicht zuletzt aufgrund der zentralen Funktion der Infrastruktur für das exportorientierte Transitland Deutschland von herausragender Bedeutung. Vor dem Hintergrund der gegenwärtigen geo-politischen Situation und den Zielen der deutschen Nachhaltigkeitsstrategie der Bundesregierung wird mit zunehmender Dynamik an zahlreichen Aspekten zur Optimierung der Dauerhaftigkeit und Nachhaltigkeit im Straßenbau in Wissenschaft und Praxis gearbeitet.
Die vorliegende Arbeit hat zum Ziel, den Einfluss des Schichtenverbundes auf die Dauerhaftigkeit und die Nachhaltigkeit von Verkehrsflächenbefestigungen in Asphaltbauweise zu untersuchen, zusammenzuführen, zu bewerten und wenn möglich zu optimieren. Aufgrund der weitestgehend fehlenden Implementierung eines realitätsnahen Modells für den Schichtenverbund in Dimensionierungs- und Prognoserechnungen werden neue Methoden auf Basis der Finite-Elemente-Methode angewendet um den Einfluss des Schichtenverbundes in umfangreichen Berechnungen zu bestimmen.
Im Nachgang zu einer kurzen Einführung zur deutschen Nachhaltigkeitsstrategie folgt eine umfangreiche Recherche zum Stand der Wissenschaft und Technik, in der zunächst mögliche nationale und internationale Verfahren zur Bestimmung realitätsnaher Schersteifigkeiten zwischen zwei Asphaltschichten dargelegt werden. Im Weiteren werden vorhandene Berechnungsmodelle erläutert und der bisher bekannte Einfluss der Schersteifigkeit auf die Dauerhaftigkeit von Asphaltbefestigungen zusammengefasst. Auf der Grundlage der Recherche konnten bereits vorhandene Erkenntnisse für die vorgesehenen Berechnungen mit der FE-Methode ausgemacht werden.
Anhand von über einhundert FE-Berechnungen zur Bestimmung der Summen nach der Hypothese von MINER an ausgewählten Straßenoberbauten in Asphaltbauweise mit variierender Schichtenverbundqualität wurden die Auswirkungen auf die rechnerische Nutzungsdauer der Asphalttragschicht ermittelt. Die Auswirkungen des Schichtenverbundes konnten durch den Vergleich von Oberbaukonstruktionen mit ein- oder zweilagigen Asphalttragschichten als auch auf unterschiedliche Belastungsklassen aufgezeigt werden.
Auf Grundlage der Ergebnisse weiterer FE-Berechnungen werden erste Optimierungsmöglichkeiten zur Erhöhung der rechnerischen Nutzungsdauer von Asphaltoberbauten dargelegt. Für ausgewählte und zum Teil optimierte Varianten wurden Lebenszyklus- und Lebenszykluskostenberechnungen anhand eines fiktiven Beispiels durchgeführt und im Rahmen eines Ökoprofils unter dem Gesichtspunkt der Nachhaltigkeit analysiert. Hierzu wurden Auswirkungen aktueller CO2-Bepreisungen ebenso wie die Erhöhung oder Reduzierung von Treibhaus-gasemissionen und des Primärenergiebedarfs berechnet und zusammenfassend bewertet.
Die in dieser Arbeit erstmals gewonnenen Ergebnisse zum Einfluss des Schichtenverbundes auf die Dauerhaftigkeit und Nachhaltigkeit von Verkehrsflächenbefestigungen in Asphaltbauweise stellen eine Grundlage für künftige Betrachtungen dar. Sie verdeutlichen zudem die Notwendigkeit weiterführender Forschung zu verhaltensorientierten Prüf- und Berechnungs-verfahren sowie zur Umsetzung der erlangten Erkenntnisse in der Praxis.:Inhaltsverzeichnis
Verzeichnis der Abkürzungen und Formelzeichen IV
1 Einleitung 1
1.1 Motivation 3
1.2 Problemstellung 4
1.3 Methodik und Zielsetzung 7
2 Stand der Wissenschaft und Technik 9
2.1 Einfluss des Schichtenverbundes auf die Dauerhaftigkeit von Verkehrsflächenbefestigungen in Asphaltbauweise 9
2.2 Prüfverfahren 12
2.2.1 Statische Abscherversuche 12
2.2.2 Prüfverfahren mit zyklischer Scherbelastung 14
2.2.2.1 Internationale Prüfverfahren 14
2.2.2.2 Nationale Prüfverfahren 16
2.3 Berechnungsmodelle 19
2.3.1 Mehrschichtentheorie 19
2.3.2 Finite-Elemente-Modell 21
2.4 Erfahrungshintergrund zum Einfluss der Schersteifigkeit auf die
Dauerhaftigkeit einer Asphaltbefestigung 26
2.5 Nachhaltigkeit im Straßenbau 37
2.5.1 Lebenszyklusbetrachtung und Lebenszykluskosten von Straßen in der
Literatur 42
2.5.2 Ökoprofile für Asphaltbauweisen 44
2.6 Fazit zum Stand der Wissenschaft und Technik 45
3 Einfluss des Schichtenverbundes auf die Nutzungsdauer 47
3.1 Modellparameter 48
3.1.1 Konfiguration für die Berechnung des Ermüdungsstatus 48
3.1.2 Material 53
3.1.3 Temperaturbedingungen 54
3.1.4 Verkehr 55
3.1.5 Qualitätsstufen des Schichtenverbunds 56
3.1.6 Schichtenaufbau 58
3.2 Berechnungsfälle 59
3.3 Ergebnisse 63
3.3.1 Allgemeine Angaben 63
3.3.2 Berechnete Summen nach der Hypothese von MINER und Ermüdungsindices
für eine Bauweise gemäß der Belastungsklasse Bk100
(einlagige Asphalttragschicht) 65
3.3.3 Berechnete Summen nach der Hypothese von MINER und Ermüdungsindices
für eine Bauweise gemäß Belastungsklasse Bk100
(zweilagige Asphalttragschicht) 67
3.3.4 Berechnete Summen nach der Hypothese von MINER und Ermüdungsindices
für eine Bauweise gemäß der Belastungsklasse Bk32
(einlagige Asphalttragschicht) 70
3.3.5 Berechnete Summen nach der Hypothese von MINER und Ermüdungsindices
für eine Bauweise gemäß der Belastungsklasse Bk32
(zweilagige Asphalttragschicht) 72
3.3.6 Berechnete Summen nach der Hypothese von MINER und Ermüdungsindices
für eine Bauweise gemäß der Belastungsklasse Bk10
(einlagige Asphalttragschicht) 75
3.3.7 Berechnete Summen nach der Hypothese von MINER und Ermüdungsindices
für eine Bauweise gemäß der Belastungsklasse Bk3,2
(einlagige Asphalttragschicht) 77
4 Interpretation der Ergebnisse 79
4.1 Einfluss der Qualität des Schichtenverbundes auf die Nutzungsdauer einer Verkehrsflächenbefestigung in Asphaltbauweise 79
4.1.1 Bauweise gemäß der Belastungsklasse Bk100 81
4.1.2 Bauweise gemäß der Belastungsklasse Bk32 86
4.1.3 Bauweise gemäß der Belastungsklasse Bk10 90
4.1.4 Bauweise gemäß der Belastungsklasse Bk3,2 92
4.1.5 Gesamtfazit zum Einfluss der Qualität des Schichtenverbundes auf die rechnerische Nutzungsdauer der Asphalttragschicht 94
4.2 Vergleich von Oberbaukonstruktionen mit ein- und zweilagiger
Asphalttragschicht 95
4.2.1 Allgemeines 95
4.2.2 Einfluss einer zweilagigen Asphalttragschicht auf die rechnerische Nutzungsdauer der Asphalttragschicht einer Verkehrsflächenbefestigung der Belastungsklasse Bk100 96
4.2.3 Einfluss einer zweilagigen Asphalttragschicht auf die rechnerische Nutzungsdauer einer Verkehrsflächenbefestigung der Belastungsklasse
Bk32 100
4.2.4 Gesamtfazit zum Vergleich von Oberbaukonstruktionen mit ein- und
zweilagiger Asphalttragschicht 103
4.3 Belastungsklassenabhängiger Einfluss der Qualität des Schichtenverbundes
auf die rechnerische Nutzungsdauer 110
4.4 Fazit zu den Ergebnissen der Berechnungen 115
5 Überlegungen zur Verlängerung der Nutzungsdauer des Asphaltoberbaus unter besonderer Berücksichtigung des Schichtenverbundes 118
5.1 Optimierung des Asphaltoberbaus 119
5.2 Ergebnisse 122
5.3 Interpretation 122
5.3.1 Einfluss einer in kompakter Bauweise hergestellten Asphaltdecke auf die rechnerische Nutzungsdauer der Asphalttragschicht 123
5.3.2 Verminderung der Dicke der Asphalttragschicht 127
5.4 Fazit 129
6 Einfluss des Schichtenverbundes auf die Nachhaltigkeit einer Asphaltbefestigung 130
6.1 Lebenszyklus in Abhängigkeit von der Qualität des Schichtenverbundes 130
6.2 Eingangsparameter 132
6.2.1 Eingangsparameter zur Berechnung der Lebenszykluskosten 132
6.2.2 Eingangsparameter zur Erstellung eines vereinfachten Ökoprofiles 134
6.3 Ergebnisse 139
6.3.1 Einfluss der CO2-Bepreisung auf die Lebenszykluskosten 139
6.3.2 Ökologisches Einsparpotenzial 143
6.4 Fazit 146
7 Schlussbetrachtung 147
7.1 Einfluss des Schichtenverbundes auf die Nutzungsdauer 149
7.2 Einfluss des Schichtenverbundes auf die Nachhaltigkeit 151
7.3 Ausblick 153
Literaturverzeichnis 156
Abbildungsverzeichnis 163
Tabellenverzeichnis 167
Anlagen 170
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:84767 |
| Date | 19 April 2023 |
| Creators | Münz, Sascha Heinz |
| Contributors | Wellner, Frohmut, Zander, Ulf, Radenberg, Martin, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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