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Erweiterte Regressionsansätze zur Auswertung komplexer Materialparameter (E* und φ) aus zyklisch-dynamischen Prüfungen
No full textDieser Artikel soll einen kurzen Überblick über verschiedene mathematische Auswertungs-methoden zur Ermittlung komplexer Module E* und Phasenverschiebungswinkel φ aus zyk-lisch-dynamischen Materialprüfungen mit sinusförmigen Belastungen geben. Diese dynami-schen Materialkennwerte sind wesentliche Eingangsgrößen zur Beschreibung unterschiedli-cher Asphaltmischgutsorten in der Mischgutoptimierung und in der numerischen Berechnung der Spannungszustände in flexiblen Straßenaufbauten. Meistens werden diese Material-kennwerte mit Hilfe von Blackbox Programmen, die in den Steuerungsprogrammen der je-weiligen Prüfmaschinen vom Hersteller bereits implementiert sind, verwendet, wobei diese in der Regel auf Basis der "peak finding methods" (Methode bei denen die Schwingungsmax-mima - oder minima ohne Datenaufbereitung direkt zur Ermittlung von E* und φ verwendet werden) arbeiten. Dabei ist jedoch zu beachten, dass die Art der Auswertemethode große Einflüsse auf die Größe und Genauigkeit dieser Materialparameter haben. Die "peak finding method" basierenden Auswertemethoden sind aufgrund ihrer großen Ungenauigkeiten meis-tens nicht geeignet komplexere zyklische Prüfungen exakt auszuwerten. Weiters wird ein erweiterter Regressionsansatz zur jener Materialparameter vorgestellt, mit dem es erstmals möglich war, Unterschiede in den Belastungsphasen (Asphaltprobekörper wird durch Druck-belastungen "zusammengedrückt") und in den Entlastungsphasen (Probekörper wird wieder "entlastet") der einzelnen Belastungszyklen zu entdecken und deren "Evolution" zu analysie-ren. Für zyklisch-dynamische Materialprüfungen wie z.B. Steifigkeits- (gemäß EN 12697-26), Ermüdungs- (gemäß EN 12697-24) oder triaxiale, zyklische Druckschwellprüfungen (gemäß EN 12697-25) arbeitet dieser erweiterte Regressionsansatz mit mehreren Sinusfunktionen, die mit linearen und nicht-linearen Termen ergänzt werden, um so noch höhere Überein-stimmungsmaße zwischen Messdaten und Regressionsfunktionen, speziell in der primären Kriechphase von zyklischen Triaxialprüfungen zu erhalten. Diese Phänomene im Material-verhalten von Asphalten unter zyklischer Belastung sollten in Zukunft auf jeden Fall bei der numerischen Modellierung beachtet werden.This paper gives a brief survey of various mathematical methods for the determination of complex modulus E* and phase lag φ calculated from various cyclic tests with sinusoidal loads. These material parameters are fundamental input parameters for material characterization in mix design and numerical calculations of pavement distress. Mostly, these parameters are calculated by means of a "black box" software supplied by the machine manufacturer on the basis of simple "peak finding" methods. However, it can be proven, that the used postprocessing algorithm to interpret measurement data of cyclic tests is crucial on the accuracy of the calculated material parameters. Simple "peak finding methods", where the machine data are used without diligent post processing, are not suitable for the calculation of complex modulus or phase lag, because of potential errors. Furthermore, an enhanced approach is presented that allows the identification of differences in the "evolution" of material parameters during loading and unloading phases of individual load cycles. For cyclic test procedures i.e. stiffness (according to EN 12697-26), fatigue (according to EN 12697-24) or triaxial cyclic
compression tests (TCCT; according to EN 12697-25), this new approach is based on sinusoidal regression functions extended by appropriate linear or non-linear terms. Due to the application of these improved loading functions higher regression coefficients are gained by fitting row test data, especially in primary creep phases of TCCT. As further outcome it can be proven that HMA specimen show a clearly different material parameter evolution in compression and unloading phases of cyclic triaxial compression tests. A fact, which should be
taken into account in future material models of HMA
Beiträge zur Verbesserung der Vergleichbarkeit des Kälteverhaltens im Abkühlversuch (TSRST)
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Insights into the homogeneity of asphalt mixtures containing reclaimed asphalt pavement (RAP)
No full textOver the past two decades, reclaimed asphalt pavement (RAP) has received increasing attention because of climate change and resource-saving needs. The current high reuse rate of old asphalt fundamentally reduces the landfill areas of the disposal and its related environmental impacts. Hence, in addition to reducing the construction cost and the consumption of natural resources, the use of RAP can also create significant environmental benefits, such as solving the disposal problems. This thesis was carried out focusing on the homogeneity of asphalt mixture containing RAP materials from multi-scale perspectives. The homogeneity of asphalt mixtures, to a great extent, determines the performance of asphalt mixtures provided that with an appropriate material design. The distribution of aggregates, binder migration, and diffusion of binders in the mixing process of loose asphalt mixtures are influenced by the mixing apparatus, mixing temperatures, and mixing durations, etc. Under the multi-scale framework, therefore, this thesis considered the variables including mixing temperature, mixing time, thermal conductivity, aggregate type to obtain an insight into the homogeneity of asphalt mixtures containing RAP. The influence of mixing conditions on the macro-scale homogeneity was investigated. The experimental design considered a thermal-equilibrium mixing environment. Multi-direction indirect tensile modulus and morphological characterization were performed. The results indicated that a long mixing time benefited the formation of homogenous state, in particular for the breaking of clusters in RAP materials. As the mixing time increased, the macro-homogeneity of asphalt mixture experienced from ‘momentary homogeneity’ state to ‘real homogeneity’ state (Macro-scale mixing model). Whereas, a high mixing temperature played a negative role in the distribution of materials, claimed as that the increase of temperature would obstacle the breaking of clusters and prolong the state shift toward a ‘real homogeneity’ state. The influence of mixing conditions on the mesoscale homogeneity in both thermal-equilibrium and thermal-non-equilibrium environments were investigated. The dynamic shear rheometer (DSR) and Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) are adopted as the measurement methods. The results indicated that, in terms of the migration and diffusion, the mixing temperature played a more important role than mixing time. Two-stage model (Micro- and Meso- scale mixing model) were proposed as the migration-dominated stage followed by the diffusion-dominated stage. In addition, the Asymmetric Gaussian Model (AGM) was developed to quantitatively describe the blending rate with mixing time. The diffusion between RAP binder and new bitumen was tightly associated with the meso-scale homogeneity of asphalt mixtures (migration of binders). In another word, the diffusion occurred only if the RAP binder and new bitumen interacted. The molecular dynamics simulation was performed in the investigation of aging gradient in bitumen and the diffusion between RAP binder and new bitumen. The results indicated that the aging gradient existed along with the depth. At the molecular scale, the interface between virgin bitumen and aged can be quickly achieved due to the migration of resin components. However, the diffusion process was considerably slow compared with the interface formation. Moreover, the aggregate layer, by adhering to the polar molecules in bitumen binders, can accelerate the diffusion process between new and aged bitumen. In addition to illustrating the achievements, this thesis proposed three relative research topics deserved for future work, which are (1) Quantitative characterization of sample morphology from two-dimension (2D) to three-dimension (3D); (2) The development of Multi-Scale Synchro-adjust Methodology (MSM) towards a near-perfect homogenous asphalt mixture; (3) The use of computer-aided methods in the design of asphalt mixtures containing RAP from begin to the end
Entwicklung künstlicher Straßendeckschichtsysteme auf Kunststoffbasis zur Geräuschreduzierung mit numerischen und empirischen Verfahren
No full textAuswirkungen neuer LKW-Konzepte auf die Gestaltung von Verkehrsanlagen
Full text linkLang-Lkw sind ein neues Fahrzeugkollektiv, das aus fünf verschiedenen Fahrzeugkombi-nationen besteht. Die unterschiedlichen Lang-Lkw können bis zu L = 25,25 m lang sein. Durch die größere Länge ergeben sich gegenüber konventionellen Lkw abweichende fahrgeometrische Eigenschaften. Im Ausland sind Lang-Lkw teils seit mehreren Jahrzehnten im Einsatz. Die Aus-wirkungen auf das deutsche Straßennetz sind aus den ausländischen Erfahrungsberichten je-doch nicht abschätzbar. In Deutschland gab es bisher vereinzelte Fahrversuche. Diese Fahrver-suche konnten aber durch ihre eng abgesteckten Randbedingungen nicht auf das gesamtdeut-sche Netz übertragen werden. Daher wurde vom 01.01.2012 bis 31.12.2016 ein großangelegter Feldversuch in Deutschland durchgeführt. Im Feldversuch sollten wirtschaftliche, betriebliche und fahrzeugtechnische Fragestellungen beantwortet werden. Die Ergebnisse der begleitenden Forschung haben gezeigt, dass Lang-Lkw die vorhandenen Verkehrsanlagen befahren können.
Entwurfsempfehlungen für die Fortschreibung der Regelwerke konnten aus den bisherigen Arbeiten noch nicht abgeleitet werden. Aus diesem Grund lag der Schwerpunkt dieser Arbeit auf der Befahrbarkeit von Verkehrsanlagen. Das Ziel war es, praxisgerechte Empfehlungen für die Planung von Autobahnen, Landstraßen sowie von Nebenanlagen zusammenzufassen.
Eingangs wurde in umfangreichen Fahrversuchen das Fahrverhalten der Lang-Lkw auf Auto-bahnen, Landstraßen und Rastanlagen erhoben. Dazu wurden verschiedene Erfassungsmetho-den angewendet. Mit Nachfolgefahrten und einer anschließenden fotogrammetrischen Auswer-tung wurde das Fahrverhalten der Lang-Lkw erfasst. Des Weiteren wurde auf Rastanlagen und Knotenpunkten das Fahrverhalten mit einem stationären Laserscanner aufgenommen. Anhand der Fahrversuche entstanden Schleppkurven der Fahrzeuge auf den vermessenen Verkehrsan-lagen.
Anhand der realen Schleppkurven aus den Messungen wurden die Fahrzeuge in einem Simula-tionstool kalibriert. In einem zweiten Schritt wurde jenes Fahrzeug gewählt, das mit seiner Schleppkurve die Schleppkurven der anderen Lang-Lkw mit abdeckt. Auf Grundlage dieses repräsentativen Fahrzeuges konnten weitere vertiefende fahrgeometrische Simulationen auf unterschiedlichen Verkehrsanlagen durchgeführt werden.
In der Auftragsforschung für die BASt wurde in Zusammenarbeit mit Fahrzeugtechnikern der TU München eine umfassende statistische Auswertung von Fahrzeugdaten durchgeführt, um ein 85%-Fahrzeug für die Lang-Lkw zu bestimmen (LIPPOLD U. A. 2019). Das dabei bestimmte Be-messungsfahrzeug entspricht in seinen Abmessungen dem in dieser Arbeit verwendeten reprä-sentativen Lang-Lkw.
Als Ergebnis der weiterführenden Simulationen wurden geometrische Empfehlungen für Ent-wurfselemente und Prüfroutinen für die Freigabe des Streckennetzes abgeleitet. Konkret sind diese Empfehlungen zum Entwurf von Knotenpunkten an Autobahnen, Anschlussstellen, Nothal-tebuchten, Rastanlagen und Knotenpunkten im nachgeordneten Netz. Die Empfehlungen wer-den im Kapitel 6 als Hinweise für die Planungspraxis diskutiert.
Lang-Lkw werden künftig an Bedeutung gewinnen, um Lkw-Fahrten zu reduzieren. Mit den Ergebnissen der vorliegenden Arbeit ist eine entsprechende entwurfstechnische Anpassung der Verkehrsanlagen auf Autobahnen und auf Knotenpunkten sowie die Prüfung des Streckennetzes möglich.:Vorwort 6
Inhaltsverzeichnis 7
1 Einleitung 10
2 Stand der Forschung 11
2.1 Konzepte für Lang-Lkw 11
2.2 Technischer Aufbau von Lang-Lkw 14
2.3 Einsatz von Lang-Lkw 14
2.3.1 Grundlagen für den Betrieb von Lang-Lkw auf öffentlichen Straßen 14
2.3.2 Wissenschaftliche Begleitforschung 15
2.4 Fahrgeometrische Grundlagen 15
2.5 Beeinflussung des Kurvenfahrverhaltens 18
2.6 Ausnutzung des „BO-Kraftkreises“ 21
2.7 Fahrverhalten auf Kreuzungen und Einmündungen 24
2.8 Fahrverhalten auf Kreisverkehren 25
2.9 Parken von Lang-Lkw 26
2.9.1 Auslastung von Rastanlagen 26
2.9.2 Untersuchungen zur Umgestaltung von Parkflächen für Lang-Lkw 27
2.9.3 Internationale Untersuchungen zur Parkraumgestaltung für Lang-Lkw 27
2.9.4 Lösungsansätze für den Parkraumbedarf 31
2.10 Schlussfolgerungen für die Festlegung der Methodik 34
3 Stand des Regelwerkes 36
3.1 Fahrzeuggrundmaße nach StVZO 36
3.2 Verkehrsraum und Lichtraumprofil 36
3.3 Autobahnen 37
3.3.1 Autobahnknotenpunkte 38
3.3.2 Nothaltebuchten 39
3.4 Plangleiche Knotenpunkte im nachgeordneten Netz 40
3.4.1 Elemente plangleicher Knotenpunkte 40
3.4.2 Elemente von Kreisverkehren 41
3.5 Rastanlagen 42
3.6 Schlussfolgerungen für die Festlegung der Methodik 43
4 Ziel der Untersuchung und Vorgehensweise 44
4.1 Untersuchungsziel 44
4.2 Untersuchungsmethodik 45
4.2.1 Nachfolgefahrten 45
4.2.2 Messtechnik am Lkw 47
4.2.3 Lasermessung von Fahrvorgängen 48
4.2.4 Vermessung der Verkehrsanlagen 50
4.2.5 Simulation von Schleppkurven 51
4.3 Auswahl der Fahrzeugtypen 51
4.4 Durchführung der Untersuchung 53
4.4.1 Feldmessung an Autobahnen 53
4.4.2 Simulationen an Autobahnen 54
4.4.3 Feldmessungen im nachgeordneten Netz 55
4.4.4 Simulationen auf plangleichen Knotenpunkten 57
4.4.5 Messungen und Simulationen auf Rastanlagen 60
5 Darstellung und Interpretation der Ergebnisse 62
5.1 Autobahnen 62
5.1.1 Indirekte Rampen 62
5.1.2 Eingeschränkte Querschnitte in Rampen 63
5.1.3 Ein- und Ausfädelungsstreifen 64
5.1.4 Verflechtungsstrecken 66
5.1.5 Nothaltebuchten 67
5.2 Landstraßen (nachgeordnetes Netz) 70
5.2.1 Einmündungen und Kreuzungen 71
5.2.1.1 Feldmessungen auf plangleichen Knotenpunkten 71
5.2.1.2 Simulationen auf plangleichen Knotenpunkten 76
5.2.2 Kreisverkehre 81
5.2.2.1 Feldmessungen auf Kreisverkehren 81
5.2.2.2 Simulationen auf Kreisverkehren 83
5.3 Rastanlagen 86
5.3.1 Luftbildanalyse 86
5.3.2 Fahrversuche auf Rastanlagen 89
5.3.2.1 Schrägparken 90
5.3.2.2 Längsparken 91
5.3.2.3 Befahren von GST-Parkstreifen 93
5.3.2.4 Mischnutzung 94
5.3.3 Simulationen auf Rastanlagen 96
5.3.3.1 Fahrgassen und Verzweigungen 96
5.3.3.2 Schrägparken 98
5.3.3.3 Längsparken 101
5.3.3.4 Telematikgestütztes Parken auf überlangen Schrägparkständen 103
5.3.3.5 Nutzung von Trenninseln 106
5.3.3.6 Temporäre Parkstandfreigabe 111
6 Empfehlungen für den Einsatz von Lang-Lkw 115
6.1 Entwurfselemente für Autobahnen 115
6.2 Entwurfselemente für Landstraßen 116
6.3 Entwurfselemente für Rastanlagen 118
6.3.1 Umbaumaßnahmen 118
6.3.2 Ausbaumaßnahmen 121
6.3.3 Neubaumaßnahmen 122
6.4 Verkehrstechnische und verkehrsrechtliche Empfehlungen 123
7 Zusammenfassung 124
Literaturverzeichnis 125
Abbildungsverzeichnis 131
Tabellenverzeichnis 138
Verzeichnis der Anhänge 139
Anhang 14
Mechanisches Verformungsverhalten von Tragschichten ohne Bindemittel unter besonderer Berücksichtigung des Temperatureinflusses: Experimentelle Analyse am Beispiel einer Kiestragschicht
Full text linkIm Straßenbau sind Tragschichten ohne Bindemittel (ToB) die konstruktive Grundlage des frostsicheren Oberbaus unabhängig von der Bauweise oder der Belastungsklasse. Das mechanische Verformungsverhalten von ToB ist sowohl durch elastische als auch durch plastische Verzerrungen geprägt, wobei die Größe der jeweiligen Dehnungen/Stauchungen u. a. von der Art und Größe der Beanspruchung abhängt. Erschwerend kommt der Einfluss unterschiedlichster, derartige Gemische beeinflussender Randbedingungen hinzu. Verwiesen sei z. B. auf die Materialdichte, den Wassergehalt, Korngrößenverteilungen oder die Kornform.
Die thermische Beanspruchung ungebundener Gesteinskorngemische (ofentrockener Zustand) innerhalb des Gebrauchstemperaturbereiches ist für das elastische Materialverhalten als unbedeutende Einflussgröße einzustufen. Dies gilt nicht mehr wenn Wasser im Material vorhanden ist und Temperaturänderungen vom positiven in den negativen °C-Temperaturbereich (oder entgegengesetzt) vorliegen. Die klimatischen Randbedingungen in Deutschland bedingen jedoch sowohl positive als auch negative °C-Temperaturen in den ToB, welche sehr häufig wechseln können. Deshalb ist ein Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit die Untersuchung des elastischen Verformungsverhaltens von Gesteinskorngemischen unter triaxialen Bedingungen und zyklischer Beanspruchung sowie zusätzlicher thermischer Beeinflussung des Materials. Von besonderer Bedeutung hierbei ist die Untersuchung des mechanischen Verformungsverhaltens während des Aggregatzustandswechsels des im Gesteinskorngemisch existenten Wassers von der fluiden in die kristalline Zu-standsform im Zuge der Materialabkühlung bzw. von der kristallinen in die fluide Zustandsform im Zuge der Materialerwärmung.
Für die Analyse des spannungsabhängigen Materialverhaltens bei unterschiedlichen Verdichtungsgraden und Wassergehalten sowohl mit als auch ohne zusätzliche thermische Beeinflussung des Materials, stellt die Erarbeitung einer geeigneten Prüfprozedur einen weite-ren essentiell erforderlichen Bearbeitungsschwerpunkt im Rahmen des Untersuchungsprogramms dar.
Neben der bekannten Temperaturunabhängigkeit von ToB im positiven °C-Temperaturbereich (Gebrauchstemperaturbereich) kann im Ergebnis der vorliegenden Arbeit festgestellt werden, dass Gleiches gilt wenn das im Gesteinskorngemisch existente Wasser quasi-vollständig kristallisiert ist und dieser Zustand unverändert erhalten bleibt (bzw. eine weitere Abkühlung vorliegt), d. h. die Massenanteile von Wasser in fluider und kristalliner Form als konstant angesehen werden können. Temperaturzustände, welche zwischen den beiden zuvor genannten Sachverhalten eingeordnet werden können (unabhängig davon, ob ein Abkühlungs- oder Erwärmungsprozess vorliegt), beeinflussen das mechanische Verformungsverhalten des Materials infolge des Aggregatzustandswechsels von Was-ser im Gesteinskorngemisch erheblich.
Im Rahmen der durchgeführten Untersuchungen kann u. a. herausgearbeitet werden das nicht nur ohne sondern auch bei thermischer Beeinflussung der Wassergehalt dominanten Charakter aufweist. Ein steigender Wassergehalt führt bei thermisch unbeeinflusstem Mate-rial zum bekannten Anstieg der elastischen Materialantwort. Bei thermischer Beeinflussung tritt ein gegenteiliges Phänomen auf. Die elastische Dehnung nimmt bei gleichen Beanspru-chungsrandbedingungen und steigendem Wassergehalt (dränierte Bedingungen) erheblich ab und kann mit dem ansteigenden kristallinen Wasseranteil im Gesteinskorngemisch begründet werden.
Die Spannungsabhängigkeit des Gesteinskorngemisches, welche für den thermisch unbeeinflussten Zustand bekannt ist, kann hierbei resultierend aus dem vergleichsweise geringen Kristallisationsfortschritt von Wasser zum Betrachtungszeitpunkt auch für den thermisch beeinflussten Zustand zu Beginn der Abkühlphase bzw. am Ende der Erwärmungsphase festgestellt werden. Sowohl bei quasi-vollständigem Durchfrieren als auch bei fortschrei-tender Materialabkühlung und damit steigender kristalliner Wasseranteile im Gesteinskorngemisch kann im Rahmen der festgelegten Prüfbedingungen, der festgelegten Prüfprozedur und der definierten Beanspruchungszustände linear elastisches Materialverhalten unterstellt werden
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