Steifigkeitsanalyse von Oberbauschichten aus Rückrechnungsprogrammen von Fallgewichtsdeflektometermessungen

Abstract

Fallgewichtsdeflektometermessungen (FWD-Messungen) sind die am weitesten verbreitete Methode,den aktuellen strukturellen Zustand eines Straßenaufbaus zu bewerten, und bilden einen elementaren Bestandteil des Pavement Management Systems (PMS) auf nationaler und internationaler Ebene. Nach den abgeschlossenen FWD-Messungen gibt es zahlreiche Möglichkeiten der Auswertung [5, 6], das Hauptaugenmerk dieser Arbeit liegt auf der Rückrechnung von Schichtsteifigkeitenmittels Softwarelösungen. Diesen liegen analytische Formelwerke [3, 4] oder moderne numerische Ansätze (Finite Elemente Methode (FEM)) zugrunde.Wertet man FWD-Messung mehrmals mit unterschiedlichen Programmen aus, ist es nicht selten,dass die Ergebnisse voneinander abweichen. Die Anwendung erfordert deshalb viel Erfahrung mit dem Programm selbst und setzt in vielen Fällen eine Erwartungshaltung an die Ergebnisse voraus.Eine Validierung erfolgt in der Praxis oftmals durch Plausibilitätskontrollen des Ingenieurs.Man läuft also Gefahr, den strukturellen Zustand der Straße zu missinterpretieren. Hinzu kommt, dass selten ausreichend Wissen über die Bedingungen, Schichtdicken und Materialien vorhanden ist und weitere Ungenauigkeiten in Form von Annahmen getroffen werden müssen.Ziel dieser Arbeit ist die Analyse der Zuverlässigkeit zweier Softwarelösungen anhand eigens dafür installierter Feldmessstellen (FMS). An diesen wurden im Zuge der Errichtung sämtliche Bestandsaufnahmen erhoben, um Unbekannte zu minimieren. Seit der Fertigstellung wurden in regelmäßigen Abständen, bei unterschiedlichen Temperaturbedingungen, an derselben Stelle FWD-Messungen durchgeführt. Die Berechnung erfolgt dennoch möglichst unvoreingenommen.Jede FMS ist zur Validierung der FWD-Ergebnisse mit einer Vielzahl an Sensoren ausgestattet.Verglichen werden die aus den Programmen rückgerechneten Steifigkeiten untereinander sowie mit den Ergebnissen von Vierpunkt-Biegeprüfungen (4PB-Pr) für Asphalt, Steifigkeitsprüfungen des Betons und der in den FMS verbauten Sensorik. Betrachtet wird eine Feldmessstelle mit Asphaltdecke der Bautype AS4 sowie eine Zweite mit einer Betondecke der Bautype BE2.Nach der Auswertung von 251 FWD-Messung mit den Programmen ELMOD und BAKFAA kann gesagt werden, dass ELMOD mit zufriedenstellender Genauigkeit und KonstanzSchichtsteifigkeiten rückrechnen kann. Dasselbe kann über BAKFAA nicht gesagt werden. GroßeSchwankungen zwischen direkt aufeinanderfolgenden Messungen, unplausible Ergebnisse sowie die schwierige Handhabung des Programmes sind negative Merkmale. Positiv zu nennen ist die kostenfreie Nutzbarkeit von BAKFAA und mit Fachwissen und Erfahrung in der Thematik der Steifigkeitsanalyse aus FWD-Messung können die Rückrechnungsergebnisse dennoch Anwendung finden. Denn auch die Anwendung von ELMOD liefert keine eindeutig richtigen Ergebnisse, auch hier ist Fachwissen erforderlich.

Falling Weight Deflectometer Measurements are the most common method to analyze and judge the structural integrity of road structures. They are key for a functioning Pavement Management System and are used on a national and international level. There are several ways to interpret FWD-Measurements [5, 6], the focus of this work lies on the back calculation of moduli with thehelp of computational software. Based on proven but dated analytical theories [3, 4] or modern numerical approaches (Finite Elements Method (FEM)) the software interprets the stiffness of each pavement layer in accordance to the measured deflection basin.Often the results of the same FWD-Measurement differ with different backcalculation-software.The interpretation of results is therefore tied knowledge of the software itself as well as expertise in the field of pavement evaluation. Main indicator for a correct result is commonly an expected moduli based on conditions that may not even apply at the measured road due to lack of knowledge about its conditions. Unknown factors can be the structural design of the road and their materials or climate conditions, which may contribute to a falsely interpreted structural pavement state. The objective of this paper is to analyze the reliability of two backcalculation applications based on FWD-Measurements at field-testing sites. Each site is built with an array of acceleratory sensors, strain gauges and temperature sensors in each layer to register and record the impact of the load during testing. To minimize variables the thickness of eachlayer was documented and their material behavior was evaluated in the laboratory. Since then, FWD-Measurements have been conducted periodically at different temperatures and their backcalculation results were compared with the sensor data as well as the laboratory results.Two field testing sites were reviewed, one with an asphalt concrete topping (type AS4 of the Austrian Standard [20]), the other with a plain cement concrete topping (type BE2 [20]).Evaluating 251 FWD-Measurements with ELMOD and BAKFAA concluded that ELMODs backcalculated moduli are adequately accurate as well as sufficiently consistent. BAKFAAscalculations on the other hand fluctuate noteably and are often not plausible and its useability is lackluster. With experience in the topic of pavement analysis, the results can still be used to gain information of the status of the pavement’s structure. Its availability as freeware is very beneficial.