Use of sensors and sensor for assessment of the structural condition of road pavements

Abstract

Die effektive Überwachung des Straßenzustands stellt eine wichtige Grundlage für die Analyse und Verwaltung der bestehenden Straßeninfrastruktur dar und bildet mit der darauf aufbauenden Zustandsbewertung eine objektive Grundlage zur Rechtfertigung von Entscheidungen im Rahmen des kosten- und maßnahmenoptimierten Erhaltungsmanagements. Dieser proaktive Ansatz kann erhebliche Kosteneinsparungen und Zeitersparnisse ermöglichen, indem er den Verschleiß und die Schäden an der Fahrbahn in ihren Anfangsstadien erkennt, wodurch frühzeitig entsprechende Maßnahmenplanungen zielgerichtet initiiert werden können. Aufgrund ihrer Effektivität und ihrer Leistungsfähigkeit kommt der messtechnischen in-situ-Überwachung eine immer größere Bedeutung bei der Zustandserfassung von Straßenaufbauten zu. Während einige in-situ Verfahren zur messtechnischen Zustandserfassung bereits flächendeckend angewendet werden (z.B. FWD), befinden sich viele andere Verfahren noch in der Entwicklungsphase. Mehrere vielversprechende Ansätze nutzen im Straßenaufbau eingebettete Sensoren und Sensorsysteme um Dehnungen, Beschleunigungen, Temperaturen, etc. zu messen und durch Anwendung unterschiedlicher Auswertealgorithmen entsprechende Zustandsgrößen zu bestimmen. Im Rahmen dieser gegenständlichen Literaturrecherche wird zunächst auszugsweise auf einige allgemeine Ansätze bzw. angewendete Strategien zum Erhaltungsmanagement von Straßen eingegangen. Der Hauptteil dieser Arbeit beschäftigt sich jedoch mit einer Erfassung und Beschreibung von einigen der am häufigsten angewendeten Sensorarten bzw. Sensortypen sowie der Beleuchtung entsprechender Kriterien für die Auswahl, die Installation und Nutzung der Sensoren und der zugehörigen Devices sowie verschiedener Aspekte zu den Themen Einbaueignung, Energieversorgung, Hardware- bzw. Netzwerkarchitektur, Erfassungsmethoden und Auswertealgorithmen. Anschließend werden einige vielversprechende Ansätze bzw. Forschungsprojekte hinsichtlich der Anwendung eingebetteter Sensoren zur strukturellen Zustandserfassung von Straßen im Rahmen einer umfassenden Literaturübersicht zusammengefasst und diskutiert.

Effective pavement health monitoring is crucial for the analysis and management of road infrastructure. The assessment of road condition provides an objective foundation for justifying decisions within the framework of action planning. This proactive approach can yield substantial cost and time savings by detecting pavement wear and damage at their incipient stages. Recent years have witnessed a growing emphasis on in situ pavement health monitoring due to its effectiveness. The focus of this work is on describing some widely used sensor types and sensor systems, as well as summarizing promising installation and application concepts for these sensors within the structural health monitoring of road pavements. These methodologies encompass, among other aspects, the calculation of horizontal and vertical strains within pavement and the determination of layer stiffnesses based on measured acceleration of longitudinal waves from vehicle loads. These techniques are often complemented by data collected from moisture, temperature, and traffic-related sensors.The review also addresses crucial issues surrounding sensor selection, installation and protection during road construction and throughout the service life to minimize damage. Valuable insights and experiences gained from literature reviews and field demonstrations are synthesized.By strategically integrating these sensor technologies, engineers can forecast the optimal timing for pavement rehabilitation, potentially resulting in substantial cost savings during infrastructure reconstruction. The principal aim of this thesis is to furnish a comprehensive and up-to-date critical literature review of some of the most diverse sensors employed in pavement health monitoring. It considers accumulated experiences as a foundational reference point and outlines the methodology employed for literature collection and analysis. Additionally, it provides descriptions and insights into key sensor characteristics for pavement monitoring, particularly for damage detection purposes. These characteristics encompass elements such as energy supply, detection methods, hardware and network architecture as well as performance validation procedures.