Rechnerische Bemessung von Verkehrsflächen

Die Dimensionierung von Bauteilen bzw. Bauwerken erfolgt nach verschiedenen Kriterien. Bei der in anderen Gebieten wird häufig über die Bestimmung eines inneren Widerstandes der Vergleich mit den äußeren Lasten angestellt. Dabei ist der über die Bemessung nachgewiesene Beanspruchungsgrenzzustand als „einmalig“ zu bezeichnen; d.h. er führt bei einmaligem Auftreten zum Versagen der Konstruktion und ist deshalb unbedingt auszuschließen.

Hierzu gibt es unterschiedliche Konzepte zur Erlangung eines gewollten Sicherheitsniveaus. Das wiederholte Auftreten einer solchen Belastung kann dabei zu einer Schwächung des Bauteils führen, die allgemein unter dem Begriff „Materialermüdung“ bekannt ist, und auf Dauer ebenfalls zum Bruch des Bauteils führt. Der Begriff „Ermüdung“ umschreibt den mit wiederholter Belastung abnehmenden inneren Widerstand des Materials. Diese Bemessung, wie sie für Verkehrsflächen durchgeführt wird, erfolgt also im Hinblick auf eine zu definierende Zeitfestigkeit.

Diese individuelle rechnerische Bemessung von Verkehrsflächen aus Asphalt erfolgt auf Basis von Ermüdungsbeziehungen und besteht im wesentlichen aus den folgenden Schritten:

• Festlegung der Materialkennwerte (Schichtenabfolge, Materialparameter, Schichtdicken usw.)

• Festlegung der Belastung (Lastgrößen, Aufstandsflächen, Lastfälle, Überrollungszahlen usw.)

• Bestimmung des Beanspruchungszustandes

• Auswertung der Ermüdungsbeziehungen

Die Bestimmung eines Beanspruchungszustandes kann prinzipiell mit verschiedenen Verfahren durchgeführt werden. Hierzu gehören neben der Finiten-Elemente-Methode (FEM) vor allem die bekannten analytischen Lösungen der auf der Elastizitätstheorie basierenden Mehrschichtentheorie. Das Prinzip der Mehrschichtentheorie ist unter Berücksichtigung verschiedenster Aufbauabfolgen ausgewertet worden. Dabei sind i.a. unterschiedliche elastische Schichten auf einem elastisch isotropen Halbraum als Untergrund angeordnet worden. Dieser Untergrund, der z.B. von BOUSSINESQ mathematisch beschrieben wird, bildet für die Berechnung von elastischen Schichten meistens die zutreffendste Basis.

Derzeit wird die Bemessung von Straßenverkehrsflächen hauptsächlich empirisch vorgenommen. In Deutschland wurde mit den Richtlinien für die Standardisierung des Oberbaues von Verkehrsflächen (RStO) ein standardisiertes Bemessungsverfahren eingeführt, dass hauptsächlich Erfahrungswerte zusammenfasste und in der Ausgabe 2001 in Teilen rechnerisch untersetzt ist.

Die Anwendung der RStO hat sich beim Bau von Verkehrsflächen seit vielen Jahren bewährt. Jedoch gibt es viele  Flächenbefestigungen, die nicht nach den RStO dimensioniert werden können, so z.B. wenn einer der nachfolgenden Gründe vorliegt:

• Es sind inhomogene oder komplizierte Untergrundverhältnisse vorhanden, die rechnerisch nicht über die Halbraumtheorie ab Unterkante Frostsschutzschicht erfasst werden können. Die RStO können Schädigungen an unterlagernden ungebundenen Schichten (z.B. Spülsandschichten) nicht in Betracht ziehen.

• Die angenommenen Belastungen entsprechen in Art, Anzahl oder Größe nicht dem herkömmlichen Straßenverkehr. Hier runter fallen z.B. Flugbetriebs-, Container- oder Rangierflächen. Im allgemeinen ist die schädigende Wirkung von Achslasten ab 12 t bzw. Radlasten ab 6 t nicht mehr mit den üblichen Umrechnungsmethoden einschätzbar. Eine Berücksichtigung solcher Belastungen über das in den RStO verankerte "4.-Potenz-Gesetz" oder die "besondere Beanspruchung" sind in hohem Maße unrealistisch.

• Die RStO sehen keine Berücksichtigung von Neuentwicklungen auf dem Baustoffmarkt vor. Die vor allem für hochbelastete Strecken günstigen Modifikationen an den Baustoffen oder -gemischen wie z.B. Sonderbindemittel oder Asphaltverflüssiger (z.B. FT-Paraffine) im Asphalt oder ungebundene Recyclingbaustoffe mit hydraulischen Eigenschaften werden so nicht berücksichtigt. So lassen sich Schichtdickeneinsparungen und damit verbundene Kostenreduzierungen nicht realisieren. Dieses ist nur auf Basis einer individuellen rechnerischen Bemessung oder über das Aufstellen von allgemein anwendbaren Bemessungstabellen möglich.

Das Heiden Labor hat sich u.a. auf die rechnerische Bemessung von Verkehrsflächen für höchste Beanspruchungen spezialisiert. Dabei benutzen wir modernste Programmsysteme, die sich im internationalen Gebrauch in vielen Großprojekten bewährt haben (z.B. APSDS oder PAVERS). Im Rahmen dieser Tätigkeiten haben wir in letzter Zeit z.B. folgende Projekte bearbeitet:

• Mitarbeit bei der Konzeption eines Nebenangebotes zum Neubau des "Bangalore International Airport" (BIA) in Indien, Dimensionierungsrechnungen für Start-/Landebahnen, Taxiways, Schulter-, Abstell- und Laufwerkstestbereiche, maßgebendes Bemessungsflugzeug u.a. Airbus A 380, Kostenvergleichsrechnungen mehrerer Oberbauvarianten

• Bautechnische Beratung beim Neubau des Containerterminals Hamburg-Altenwerder (CTA), Dimensionierungsrechnungen für das HCCR-Leercontainerlager durch Nutzung mit Reach-Stacker, Vergleich mehrerer Varianten zur Optimierung der einzusetzenden Mittel, Mitarbeit bei der Erstellung eines Qualitätssicherungskonzeptes

• Oberbaukonzeption inkl. Dimensionierungsrechnungen für die Erstellung von Angeboten bei Funktionsausschreibungen, Entwurfskonzept, Kombination verschiedener Anspruchskriterien (z.B. Tragfähigkeit, Helligkeit, Griffigkeit usw.) für folgende Autobahnen:

- Grunderneuerung der BAB A 61 zwischen dem AK Koblenz und der AS Kruft, FR Krefeld

- BAB A 81 von Stuttgart nach Singen, FDE-Los Villingendorf 02