Straßenuntersuchungen

mit Radar, Ultraschallecho und FWD

D. STRAUSSBERGER, A. HASENSTAB, I. HARTMANN,

TÜV Rheinland, LGA Nürnberg

Kurzfassung. Mit unterschiedlichen zerstörungsfreien Prüfverfahren (Radar,

Ultraschallecho, FWD (Falling Weight Deflectometer)) ist es möglich, Strassen

zerstörungsfrei zu untersuchen.

Dabei ist es möglich, mit Radar den Schichtaufbau der Asphaltschichten und der

Untergrund auf Inhomogenitäten wie Hohlstellen oder Materialänderungen zu

untersuchen. Mit der Ultraschallechotechnik können an Betonplatten innere Risse (z.B.

durch defekte Dübel entstanden) oder Gefügeschäden (Treiben) lokalisiert werden.

Mit dem FWD (Falling Weight Deflectometer) kann eine Untersuchung der

vorhandenen Tragfähigkeit der Straßenaufbauten (Oberbau und Unterbau) erfolgen.

Als Ergebnis der Messungen mit dem FWD wird eine Unterteilung der untersuchten

Abschnitte in Homogenbereiche vorgenommen, eine Prognose der Restnutzungsdauer

aufgestellt sowie die notwendigen Verstärkungen des Straßenaufbaues für eine

bestimmte Nutzungszeit ermittelt.

So können zusätzlich zu den bereits sichtbaren Schäden noch die Ausdehnung und die

Ursache der Schäden sowie der Aufbau der vorhandenen Strasse in die Planungen

einbezogen werden.

1 Einleitung und Problemstellung

Zu den größten Bauwerken in unserer Umwelt gehören Strassen. Der Unterhalt dieses Straßennetzes

ist organisatorisch und finanziell sehr aufwendig. Besonders schwierig ist es, wenn Sanierungen

aufgrund sichtbarer Schäden geplant werden müssen, aber die Ausdehnung und die Ursache der

Schäden sowie der Aufbau der Strasse nicht bekannt ist.

Wenn nur ein bestimmter Betrag zur Reparatur der Strassen zur Verfügung steht, ist es

wichtig, die Mittel möglichst gezielt für die Bereiche mit dem größten Schadenspotential einzusetzen.

Andererseits kann es sein, dass ab einem Zustand der Schädigung ein Neubau in Erwägung gezogen

werden muss. Besonders bei einem Straßennetz aus unterschiedlichen Materialien wie Asphalt und

Beton kann diese Entscheidung schwierig sein.

Trotz vermeintlicher guter Dokumentation kann eine, in den 70er Jahren überasphaltierte,

Betonautobahn aus den 30er Jahren bei der Sanierung zu vielen Überraschungen führen, was wieder

zu Verzögerungen und Kostenerhöhungen bei den Sanierungsarbeiten führen kann.

Auch können sich sichtbare Risse bei Betonplatten im Inneren der Platte weiter ausbreiten

und die alleinige Sanierung der sichtbaren Risse ad absurdum führen.

Um in der Planungsphase besser entscheiden zu können, wo die Strasse besonders geschädigt ist bzw.

wo unerkannte Schäden anstehen, stehen zerstörungsfreien Prüfverfahren zur Verfügung.

Anhand von Beispielen wird die Anwendung der in der Praxis verwendeten Verfahren Radar,

Ultraschallecho und FWD (Falling Weight Deflectometer) vorgestellt.

Fachtagung Bauwerksdiagnose 2008 - Poster 16Praktische Anwendungen Zerstörungsfreier Prüfungen und Zukunftsaufgaben

1

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Beispiel 1 (Beton und Asphaltstrasse mit Radar und FWD untersucht)

Um die Sanierung der Fahrbahn in einem großen Industriewerk zu optimieren wurden

Radarmessungen, FWD-Messungen, Bohrkernentnahmen und Rammsonierungen durchgeführt

werden. Dabei sollten sowohl Inhomogenitäten und Fehlstellen lokalisiert, als auch der Schichtaufbau

der Fahrbahn bestimmt werden. Als Strassen wurden sowohl Betonstrassen wie auch Asphaltstrassen

untersucht. Durch eine Gründung auf Sand und unzureichende Wasserableitung bzw. schadhafte

Fugen in den Betonstraßen wurden Hohlstellen und Unterspülungen erwartet. Zudem war bekannt,

dass in den letzten Jahrzehnten Schäden nur partiell repariert wurden und so der Aufbau der Beton-

und Asphaltstrassen teilweise sehr inhomogen sein könnte und auch einige Reparaturen nicht

fachgerecht durchgeführt wurden. Mit den FWD-Messungen wurden die Tragfähigkeiten der Straßen

und die Auflagerbedingungen der Betonplatten ermittelt sowie die Restnutzungsdauern prognostiziert.

Anhand der Ergebnisse der Untersuchungen ist eine sinnvolle Wahl der Sanierungsvarianten möglich.

Beispiel 2 (Asphaltstrasse auf Betonstrasse mit Radar und FWD untersucht)

Durch die Zunahme des Verkehres fielen immer mehr Schäden bei einer wichtigen Nord-Süd-

Autobahn auf. Zur Optimierung der Planung sollte der Aufbau aller Fahrbahnen untersucht werden.

Bei der Autobahn handelt es sich um eine Betonautobahn aus den 30er Jahren, die in den 70er Jahren

erweitert und überasphaltiert wurde. Unbekannt ist die genaue Lage der vorherigen Betonautobahn

sowie der Aufbau der Umbauten, kriegsbedingte Reparaturen und Feuchtigkeitsbereiche (Flinzlinsen).

Mit den FWD-Messungen wurden die Tragfähigkeiten der Straßen ermittelt sowie die

Restnutzungsdauern prognostiziert. Anhand der Ergebnisse der Untersuchungen ist eine sinnvolle

Wahl der Sanierungsvarianten möglich.

Beispiel 3 (Betonstrasse mit Ultraschallecho und FWD untersucht)

Betonstrasse ergab eine visuelle Begutachtung, dass Schäden wie Risse an den Plattenkanten

vorhanden sind.

Im Rahmen der eingeleiteten Sanierung wurden einzelne Betonplatten entfernt und Bohrungen für

Dübel eingebracht. Dabei zeigte sich, dass es teilweise zu Horizontalrissen in der Ebene der

Bohrungen über die gesamte Breite der Betonplatte kam.

Zudem stellte sich heraus, dass sich im Inneren der Platten die Risse der Plattenkanten fortsetzen.

Mit den Ultraschallecho-Messungen sollte geklärt werden, wie weit die oberflächlich sichtbaren Risse

an den Plattenkanten in das Innere der Platten ragen, wie weit die Horizontalrisse bei den Bohrungen

in die Platten Ragen und wo die Lage der Bohrungen bei den fertig gestellten Platten ist. Mit Radar ist

es nicht möglich, oberflächenparalele Risse in Betonplatten zu lokalisieren. Mit den FWD-Messungen

wurden die Tragfähigkeiten der Straßen und die Auflagerbedingungen der Betonplatten ermittelt sowie

die Restnutzungsdauern prognostiziert.

2 Stand der Technik der Prüfverfahren für Strassen

Bei der Untersuchung von Strassen beschränkt man sich vielfach auf die klassischen Untersuchungen.

Dazu gehören u.a. Bohrkernentnahmen aus dem gebundenen Straßenoberbau und anschließende

Untersuchungen des Asphalts bzw. des Betons (Zusammensetzung, Bindemitteluntersuchungen,

Kornverteilung bzw. Druckfestigkeiten am Beton).

Weiterhin werden zur Untersuchung des ungebundenen Oberbaues und des Unterbaues Bohrungen

und Rammsondierungen eingesetzt, um die Merkmale der Materialien zu ermitteln und Rückschlüsse

auf den Straßenaufbau zu ziehen.

Zur Bestimmung der Tragfähigkeit werden standardmäßig Plattendruckversuche eingesetzt.

Alle aufgezeigten Untersuchungen haben den Nachteil, dass punktuelle Ergebnisse ermittelt

werden, welche mit einem relativ hohen Aufwand verbunden sind (Verkehrssicherung, Bohrungen,

Fenster im Straßenaufbau etc.)

2

Durch die Verbindung von Georadaruntersuchungen mit FWD – Messungen können Untersuchungen

auch auf befahrenen Straßen ohne wesentliche Beeinträchtigung des fließenden Verkehrs schnell und

kontinuierlich bzw. in hoher Einzelversuchszahl vorgenommen werden.

3 Methodik

3.1 Vorangehensweise bei Untersuchungen Um ein Areal wirtschaftlich zu untersuchen und aus den gewonnen Daten möglichst viele

Erkenntnisse über das Bauwerk zu bekommen müssen einige Punkte beachtet werden:

Fragestellung klären:

Was soll untersucht werden? (nur eine Fahrbahn oder alle? 100 m oder 20 km)

Welche Schäden bzw. Inhomogenitäten sollen gesucht werden? (Hohlstellen,

Lage der Bewehrung, fehlender Unterbau, Wasserlinsen, Ausbesserungen,

verfüllte Krater)

Untersuchungstiefe? (nur oberflächennah d.h. 0,7 m oder Baugrund bis in 3 m

Tiefe?)

In welchem Messpunktabstand soll untersucht werden? (Auswertung der

Messdaten auf 10 cm genau oder sind 10 m ausreichend?)

Pläne des zu untersuchenden Areals für Planung und Messdurchführung von

Auftraggeber besorgen

Bei Kombination von mehreren Verfahren einheitliches Koordinatensystem verwenden

3.2 Radar (Georadar, Impulsradar) [1, 2]

Die von einem Sender abgestrahlte elektromagnetische Welle breitet sich mit einer

materialabhängigen Geschwindigkeit im Medium aus. Am Übergang zwischen zwei Medien mit einer

unterschiedlichen elektrischen Eigenschaft (Dielektrizität) z.B. Metallobjekte, Schichtgrenzen,

Hohlräume, Leitungen usw. wird das Radarsignal (teilweise) reflektiert und von einem Empfänger

aufgenommen. Signale die direkt vom Sender zum Empfänger gelangen (Sendesignal) sind im

Radargramm oben als erstes in Form durchgehender Streifenmuster zu erkennen.

Aus der Laufzeit der reflektierten

Wellen kann mit bekannter

Ausbreitungs-Geschwindigkeit der

Wellen die Tiefenlage des Reflektors

bestimmt werden.

Bei der Messung werden mit einer

Sende- und Empfangsantenne in kurzen

Zeitabständen die Amplituden der

empfangenen Signale in Abhängigkeit

der Zeit (d.h. Tiefe) aufgezeichnet.

Durch eine gleichzeitige Aufnahme des

Weges können die Radarsignale den

Messpunkten zugeordnet werden.

Durch die Bewegung der Sende –

Empfangseinheit kommt es zu folgendem Phänomen: Schon bevor sich die Radarantenne über dem

Reflektor steht, „sieht“ die Antenne den Reflektor – aber durch den zu großen Abstand in einer zu

großen Entfernung. So wird beim Überfahren des Reflektors eine Hyperbel aufgezeichnet, in deren

Scheitelpunkt sich der Reflektor in der Realität (siehe Abbildung 1) befindet

Mittels Aneinanderreihung der Einzelmessungen an einem Punk zu einer Messlinie entstehen

Diagramme, in welchen die Reflexionen entlang der Messlinie mit dem Abstand zur Oberfläche

aufgetragen sind (Radargramme).

Abbildung 1: Durch die Bewegung der Radarantenne über einen

punktuellen Reflektor entstehen Radarhyperbeln

Quelle: GSSI

3

In diesen Tiefenschnitten werden die Reflexionsamplituden eines Laufzeitbereiches dargestellt was

bedeutet, dass Bereiche mit gleichen Reflexionen in gleicher Tiefe gut zu erkennen sind, d.h.

Inhomogenitäten können besser dargestellt werden.

Für Radaruntersuchungen werden je nach

Aufgabenstellung unterschiedliche Radarantennen mit

unterschiedlichen Frequenzen verwendet.

Um eine hohe Auflösung der Ergebnisse bei einer

ausreichenden Untersuchungstiefe zu erreichen, muss ein

Mittelweg zwischen hoher Auflösung (mit geringerer

Untersuchungstiefe) und einer großen Untersuchungstiefe

(mit einer geringeren Auflösung) erzielt werden. Eine

Optimierung ist auch durch eine Kombination von

unterschiedlichen Radarantennen möglich.

Physikalische Grenzen von Radar bei der Bodenuntersuchung

Zu geringe Änderung der Dielektrizität (z.B. Beton auf Beton) => es bildet sich keine

Materialänderung ab

Elektromagnetische Störungen durch Umfeld (Trafos, Hochspannungsleitung,

Mobilfunk, Werksfunk) => Störsignale, die das Nutzsignal überschatten

Abschattung tiefer Reflektoren durch Totalreflexion an Metallteilen (Gullys) oder zu

dichter Bewehrung

Wasser auf der Messfläche oder Durchfeuchtung haben Totalreflexionen oder eine

Signalabsorption zur Folge

Abbildung 2: im Vordergrund: Messwagen

mit 400MHz Radarantenne und Messrechner

im Hintergrund: Messfahrzeug mit frontal

angebrachter 1000 MHz Hornantenne

Abbildung 3: im Vordergrund: Messfahrzeug mit frontal angebrachter 1000 MHz Hornantenne Messwagen mit

400MHz Radarantenne und Messrechner im Hintergrund: zwei der vier Sicherungsfahrzeuge

Messrechner Radarantenne

4

3.3 Ermitteln der Tragfähigkeit vorhandener Befestigungen mit dem

FWD [3], [4], [5]

Einsenkungsmessungen mit dem FWD

Mit dem Falling-Weight-Deflectometer (FWD) ist es möglich, einen dynamischen Lastimpuls

verschiedener Größen zu erzeugen und die sich auf der Straße ergebende kurzfristige Verformung in

Form einer Einsenkungsmulde zu messen. Die Dauer des Belastungsimpulses beträgt ca. 25 bis 30 ms.

Bei dieser Messung wurde an jeder Messstelle eine dynamische Last von 50 kN über eine Platte von

300mm Durchmesser auf die Oberfläche des Straßenaufbaues aufgebracht. Dies entspricht den

Größenordnungen sowohl der Größe der Belastung als auch der Zeitdauer der Belastung durch die

Überfahrt eines LKW.

Neun, in verschiedenen Längsabständen angebrachte Wegaufnehmer messen die durch die

dynamische Stoßbelastung entstehende kurzfristige Einsenkungsmulde (Deflexion) der Fahrbahn.

Diese Messwerte bilden die Grundlage der weiteren Berechnung.

Durch die geringe Messzeit von 1 bis 2 Minuten pro Messpunkt ist eine Untersuchung einer großen

Anzahl von Punkten ohne eine wesenliche Beeinträchtigung des Verkehrs möglich. Durch eine

Verkehrsleiteinrichtung (kleine fahrbare Absperrtafel) sind auf kommunalen Straßen Messungen ohne

weitere Sicherungsfahrzeuge bzw. Sicherungsmaßnahmen möglich.

Nach den vorliegenden Erfahrungen werden die Messungen je nach Aufgabenstellung und Art der

Straße in einem Abstand von 25m, 50m oder 100m ausgeführt. Je nach Aufgabenstellung sind auch

andere Abstände möglich.

Abbildung 4: Prinzipieller Aufbau

einer FWD-Messung

Abbildung 5: FWD im Messeinsatz mit Darstellung der Messeinrichtungen

Geschwindigkeitsaufnehmer

Prüflast bis 240kN bei Straßen 50kN

Lasteintrag über Platte

5

Für die Untersuchung von Betonplatten ist es möglich, die Auflagerbedingungen der Plattenränder zu

prüfen.

Die Krafteinleitung erfolgt am Punkt Geofon 1. Bei der Prüfung der Auflagerbedingungen der

Betonplatten werden die Geofone 2 und 3 auf beiden Seiten der Fuge positioniert. Die Messungen

dieser beiden Geofone werden zur Berechnung der relativen Fugenbewegung sowie des

Wirksamkeitsindexes herangezogen. Weiterhin werden aus den Messungen die Auflagerbedingungen

durch die Bettungsziffern k beschrieben.

Das Prinzip der FWD-Messungen besteht darin, über die gemessenen Einsenkungen und

Krümmungsradien der Einsenkungsmulde Aussagen über die Steifigkeit der Schichten des

Straßenaufbaues bzw. des Gesamtaufbaues zu ermöglichen. Dabei nimmt mit steigender Entfernung

vom Lasteintragungspunkt der Einfluss der tieferen Schichten auf die gemessenen Einsenkungen zu.

Dies bedeutet, dass die Einsenkung am Lasteintragungspunkt von der Tragfähigkeit des gesamten

Schichtaufbaus abhängt, während die Einsenkung am Aufnehmer 9 (1800mm von der Lasteintragung

entfernt) im Wesentlichen durch den Untergrund beeinflusst wird.

Die für die Ermittlung der Steifigkeiten des Asphalts wichtige Temperatur wird durch verschiedene

Thermometer (Lufttemperatur durch elektronisches Thermometer, Oberflächentemperatur durch

Infrarotthermometer) zu jeder Messung aufgenommen und in den Messdateien abgelegt.

Berechnung der Schichtmoduli Die Berechnung der Steifigkeiten bzw. Schichtmoduli erfolgen auf Grundlage der Theorie des

elastischen Halbraumes und eines Mehrschichten-Modells (Zwei- bzw. Dreischichtenmodell) nach

BOUSSINESQ bzw. ODEMARK-BOUSSINESQ. Dabei wird die Temperaturabhängigkeit der

Steifigkeit der bituminös gebundenen Tragschichten berücksichtigt.

Die Elastizitätsmoduli der einzelnen Schichten werden mittels Rückrechnung aus den gemessenen

Einsenkungsmulden der Fahrbahn berechnet. Dabei gehen die Schichtdicken der gebundenen sowie

der ungebundenen Tragschicht in die Berechnung ein. Extremwerte der berechneten Werte können bei

inhomogenen Straßenaufbauten bzw. bei Straßeneinbauten auftreten (z.B. Querungen,

Versorgungsleitungen etc.) auftreten, da diese die Messungen beeinflussen können.

Grenzen des Verfahrens FWD: Materialbedingt können FWD-Messungen nicht bei Asphalttemperaturen unter 5°C durchgeführt

werden. Die physikalischen Eigenschaften des Asphalts ändern sich bei Temperaturen unter 5°C

drastisch, so dass eine sinnvolle Ermittlung der Steifigkeiten nicht möglich ist.

Bei gefrorenem Unterbau / Untergrund sind keine Messungen mit dem FWD-Verfahren möglich.

Abbildung 6: Anordnung der Geofone bei der Prüfung von Betonlattenrändern

Fahrtrichtung

Fuge Beton

Geofon Nr. belastete Platte Lasteintragung

Fuge

Unbelastete Platte

6

3.4 Ultraschall-Echo Das Ultraschall-Echoverfahren beruht auf der Reflexion von Schallwellen an

Werkstoffinhomogenitäten wie der Bauteilrückwand oder an anderen Grenzflächen. Aus den

empfangenen Signalen kann indirekt eine Aussage über den Bauteilzustand oder innere Schäden

getroffen werden. Aus bekannter Bauteilabmessung und Laufzeit kann die Geschwindigkeit der

Schallwellen bestimmt werden, mit der dann eine Kalibrierung der Laufzeitmessungen erfolgt und

Bauteildicken als Ergebnisse ausgegeben werden. Ebenso kann die Gleichmäßigkeit der Bauteildicke

von nur einer zugänglichen Seite aus untersucht werden.

Zum Anregen der Transversalwellen wird eine Sende-Empfangseinheit bestehend aus 12

Punktkontakt-Prüfköpfen als Sender und 12 Prüfköpfen als Empfänger verwendet. Dieser Prüfkopf hat

den Vorteil, dass kein Koppelmittel erforderlich ist und somit eine schnellere Messung ohne

Verunreinigung der Messfläche möglich ist. Der Prüfkopf wird mit einer Frequenz von 50-70 kHz

angeregt.

Der Vorteil der Ultraschall-Echotechnik gegenüber der bekannten Ultraschall-Durchschallungstechnik

ist, dass nur eine Bauteilseite zugänglich sein muss.

An Beton wird dieses Verfahren bereits seit einigen Jahren eingesetzt [3, 4, 5]. Der hohe Porenanteil

von Beton und die geringe Dichte als Stahl macht leistungsstarke, niederfrequente Prüfköpfe (50-200

kHz) erforderlich.

Abbildung 7: Handgerät hier mit Transversalwellen-

Sende-Empfangseinheit A1220 der Firma Spectrum.

Abbildung 8: Transversalwellenprüfkopf mit

einem Array von Punktkontaktprüfköpfen zum

Betrieb ohne Koppelmittel, roter Pfeil entspricht

Polarisation der Transversalwellen

Physikalische Grenzen von Ultraschallecho bei der Bodenuntersuchung

Totalreflexion an Rissen parallel zur Oberfläche, d.h. Bereich darunter kann nicht

untersucht werden

Sehr unebene Oberfläche oder schmutzige Oberfläche => keine Ankopplung bzw.

Schalleinleitung und damit keine Messung möglich

Ablösungen an der Oberfläche => keine Schalleinleitung und damit keine Messung

möglich

ausgeprägte Rissstruktur an der Oberfläche => Reflexionen im oberflächennahen

Bereich d.h. Bereich darunter kann nicht untersucht werden

Zu geringe Änderung der akustischen Eigenschaft (z.B. Beton auf Beton) => es bildet

sich keine Materialänderung ab

7

4 Ergebnisse

4.1 Ergebnisse der Radarmessungen Der Aufbau des Straßenoberbaus und des darunter liegenden Untergrundes sollte möglichst genau

untersucht werden. Um möglichst genaue Ergebnisse zu erlangen wurden Messungen mit einer

hochauflösenden 1,6 GHz Radarantenne und einer bis in eine Tiefe von etwa 2,5 m reichenden 400

MHz Radarantenne durchgeführt.

Im Fall des Industriegebietes wurde der Messrechner wurden mit dem in Abbildung 2 dargestellten

speziellen Wagen entlang der Messlinien über die Strassen gefahren.

Betonfahrbahn Das in Abbildung 9 dargestellte Radargramm einer Messung mit 1,6GHz einer Betonstrasse zeigt

deutlich die oberen Bewehrung (1), den Übergreifungsstoß der Bewehrung (2) und untere

Bewehrung (3). Zusätzlich fällt ein Bereich auf, in dem keine Bewehrung lokalisiwert werden konnte

(4). Praktisch wurden an dieser Stelle nach einer Leitungsquerung Betonpflastersteine in die Lücke

eingebracht. Von dieser Reparaturstelle ausgehend ist eine Reflexion an der Unterkante der

Betonplatte zu erkennen (Pfeile), was eine Hohllage markiert. Zusätzlich zu den leichten Hollagen bei

der Leitungsquerung fallen weitere Hollagen auf (linker Pfeil). Betonplatten mit Hollagen können bei

der Überfahrt von LKWs mehrere Zentimeter einsinken und so starke Erschütterungen auslösen.

Abbildung 9: Radargramm einer Messung entlang einer Betonfahrbahn (GSSI 1600 MHz) obere Bewehrung (1),

Übergreifungsstoß (2), untere Bewehrung (3), Bereich ohne Bewehrung (4), Hollagen mit Pfeilen markiert

Bei den Messungen fiel zudem auf, dass die Lage der oberen Bewehrung bei Reparaturstellen

teilweise zwischen 8 und 24 cm variiert.

Ergebnisse einer Messung mit einer niederfrequenten 400 MHz Radarantenne sind in Abbildung 10

dargestellt. Hier ist ein Bereich ohne Bewehrung (1) zu erkennen, wo sich in der Tiefe Rohre befinden.

Intensive Reflexionen in der Nähe der Oberfläche werden von einem Übergreifungsstoß der Bewehrung (2)

hervorgerufen. Deutlich sind Rohre in der Tiefe unter Betonplatten (3) zu erkennen. Der Übergreifungsstoß der

Bewehrung bildet sich bei niederfrequenter 400 MHz Radarantenne als starker Reflektor aus, der durch

Verstärkung bis in Tiefe sichtbar ist (4). Eine Inhomogenität im Baugrund stellt sich bei (5) dar.

1

3

2

4

Tie

fen

ach

se i

n c

m

Messlinie in m

8

Abbildung 10: 3-D-Bild aus mehreren Messung (Messspurabstand 1m) entlang einer Betonfahrbahn mit einer

niederfrequenten 400 MHz Radarantenne, durch hohe Messtiefe ist oberflächennahe Bewehrung nur klein zu

erkennen, obere und untere Bewehrung mir Übergreifungsstoß im oberflächennahen Bereich

Bereich ohne Bewehrung (1) mit Rohren in der Tiefe, Übergreifungsstoß der Bewehrung (2), weitere Rohre unter

Betonplatten (3), Übergreifungsstoß der Bewehrung bildet sich bei niederfrequenter 400 MHz Radarantenne als

starker Reflektor aus, der durch Verstärkung bis in Tiefe sichtbar ist (4), Inhomogenität (5)

Asphaltfahrbahn Asphalt ist nicht so steif wie Beton und passt sich so Unebenheiten an, was bedeutet, dass Asphalt bei

Unterspülungen nachsackt, bzw. sich eine Schicht lösen und nachsacken kann.

Verursacht werden dies Unterspülungen durch Schäden in der Fahrbahn (breite Risse, defekte Fugen)

oder defekte Entsorgungsleitungen.

Abbildung 11: Radargramm einer Messung entlang einer Asphaltfahrbahn mit einer hochfrequenten 1,6GHz

Radarantenne, durch hohe Auflösung Eindringtiefe etwa 60 cm, ungeschädigter Bereich (1), Einsenkung (2),

Auflösung der unteren Struktur der Tragschicht (3), Bereich mit sehr geringer Reflexion der Tragschicht (4) was im

Vergleich zu (1) ebenso auf einen Schaden hinweist, Leitung in Tragschicht verlegt (5)

2

3

5

Messlinie in m

Tie

fen

ach

se i

n c

m

1 4 2

Radargramm als Längsschnitt Radargramm als

Querprofil

Tiefenschnitt in bestimmter

Tiefe

Tie

fen

ach

se

in

m

Messlinien

1 2

3

4

5 5

9

Abbildung 12: Radargramm einer Messung entlang einer Asphaltfahrbahn (Strasse 7) mit einer niederfrequenten

400 MHz Radarantenne, durch hohe Messtiefe sind oberflächennahe Schichten nur klein zu erkennen,

ungeschädigter Bereich (1), Einsenkung (2), Auflösung der unteren Struktur der Tragschicht mit geringer Auflösung

erkennbar (3), Bereich mit sehr geringer Reflexion der Tragschicht was im Vergleich zu (1) ebenso auf einen

Schaden hinweist, Leitung in Tragschicht verlegt (5)

Pfeile markieren Rohre in der Tiefe von etwa 0,9 bis 2,3 m. Undichtigkeiten können zu Ausspülungen führen, was

wiederum zu einem Nachsacken der Fahrbahn führen kann, ebene Reflektoren (6) zeigen hier Schichtgrenzen an,

wo sich der Aufbau des Baugrundes ändert

Bei der Erweiterung vorhandener Betonautobahn aus den 30er Jahren wurden beispielsweise einige in

den 70er Jahren überasphaltiert. Trotz vermeintlicher guter Dokumentation ist es de facto so, das die

genaue Lage der vorherigen Betonautobahn sowie der Aufbau der Umbauten, kriegsbedingte

Reparaturen und Feuchtigkeitsbereiche (Flinzlinsen) unbekannt ist.

In Abbildung 13 ist ein Radargramm einer Messung mit der 1,0GHz Hornantenne dargestellt, die, am

Messfahrzeug befestigt, mit ca. 40km/h über die Autobahn gefahren wurde.

2 3 5

Messlinie in m T

iefe

nach

se i

n c

m

1

4

6

6

6

10

Abbildung 13: Radargramm einer Messung entlang einer Autobahn (GSSI 1,0GHz) Asphaltschicht (1), Oberkante

Betonplatten (2), Unterkante Betonplatten (3), Dübel mit Pfeilen markiert

Um den Aufbau des Bodens zu Untersuchen wurden Messungen mit einer niederfrequenten 270MHz

Radarantenne durchgeführt.

Ausgewertete Inhomogenitäten bei Betonfahrbahnen:

Bereich ohne Bewehrung

Hohllagen

Bereich mit mangelhaft eingebrachter Bewehrung

Ebene ausgedehnte Reflektoren in der Tiefe

Strukturelle Störungen

Ausgewertete Inhomogenitäten bei Asphaltfahrbahnen:

Absenkungen

Hohllagen

Ebene ausgedehnte Reflektoren in der Tiefe

Strukturelle Störungen

4.2 Ergebnisse FWD-Messungen Die Ergebnisse der Messungen mit dem FWD werden als Streckenbänder der ermittelten bzw.

prognostizierten Werte dargestellt.

Somit kann eine Unterteilung in homogene Bereiche vorgenommen werden und aufgezeigt werden, an

welchen Stellen bzw. Bereichen in welchen Schichten des Straßenaufbaues Probleme mit der

Tragfähigkeit auftreten.

In Abhängigkeit von Prüfpunktabstand können somit Bereiche eingegrenzt werden und detaillierte

Sanierungsvorschläge erarbeitet werden.

1

3

2

Tie

fen

ach

se i

n n

s

Messlinie in m

11

Abbildung 14: Darstellung der prognostizierten Restnutzungsdauer sowie der notwendigen Verstärkung der

Asphaltschichten

Abbildung 15: Ergebnisse der Messungen auf einem Neubauabschnitt Bundesautobahn, hervorgehoben sind

Einflüsse aufgrund minderverdichteter ungebundener Tragschicht (blauer Graph E2 in der oberen Abbildung)

notwendig Stärke der Asphaltschicht

Restnutzungsdauer

Asphaltstraße

12

4.3 Ergebnisse von Ultraschall-Echo-Messungen Eine visuelle Begutachtung einer Betonstrasse durch die LGA ergab, dass Schäden wie Risse an den

Plattenkanten vorhanden sind.

Im Rahmen der eingeleiteten Sanierung wurden einzelne Betonplatten entfernt und Bohrungen für

Dübel eingebracht. Dabei zeigte sich, dass es teilweise zu Horizontalrissen in der Ebene der

Bohrungen über die gesamte Breite der Betonplatte kam.

Zudem stellte sich heraus, dass sich im Inneren der Platten die Risse der Plattenkanten fortsetzen.

Die Ultraschallecho-Messungen ergaben, dass die Rückseite von ungeschädigten Platten zweifelsfrei

detektiert werden kann und so „gesunde“ Bereiche trotz benachbarter Schäden klar definiert werden

können.

Zudem konnte gezeigt werden, dass die Löcher für die Dübel eindeutig lokalisiert werden können und

zusätzlich unter den Bohrungen die Plattenrückwand detektiert werden kann, was bedeutet, dass unter

den Bohrungen keine Schäden in der Platte vorhanden sind (Abbildung 16).

Abbildung 16: Tiefenschnitt einer Ultraschallechomessung mit Echo an Plattenrückwand, Echo an Bohrungen

und Vielfachecho der Plattenrückwand. Orange markiert die tatsächliche Lage der Bohrungen, (sichtbare Achse:

Zahl x 2 + 5 cm), v = 2750 m/s

Außerdem zeigte sich, dass der geschädigte Bereich der horizontalen Risse durch die Dübelbohrungen

eindeutig lokalisiert bzw. begrenzt werden kann (Abbildung 17).

Plattenrückwand

Vielfachecho der Plattenrückwand

Bohrungen

Tie

fe in

mm

13

Abbildung 17: Tiefenschnitt einer Ultraschallechomessung. In der rechten Hälfte des Bildes Echo an

Plattenrückwand, in der linken Hälfte kein Echo, da durch Bohrungen Risse parallel zur Oberfläche die Platte

teilen (rote Linie bei ca. 27 cm) (sichtbare Achse: Zahl x 2 + 5 cm), v = 2750 m/s

Im Bereich mit visuell erkennbaren kleinen Rissen (nahe der Fugen) kann ein geschädigte Bereich

eindeutig begrenzt werden, wobei sich zeigte, dass visuell der geschädigte Bereich beiderseits der

Fuge mit etwa 20 cm angegeben wurde und die Ultraschallechomessungen einen geschädigten

Bereiche ohne Rückwandecho von 60 - 70 cm ergaben.

In den Ultraschallsignalen haben die „alten“ Betonplatten (70 er Jahre) eine etwas höhere Dämpfung

als die „neuen“ Betonplatten (90er Jahre).

Mit Ultraschallecho ausgewertete Inhomogenitäten bei

Betonplatten:

Feine Rissstruktur an Plattenenden

Risse parallel zur Oberfläche

Plattendicke

Lage der Dübelbohrungen

Ungeschädigte, intakte Bereiche

Plattenrückwand

Vielfachecho der Plattenrückwand

Tie

fe in

mm

Fehlendes Rückwandecho

14

5 Zusammenfassung und Ausblick Mit der kombinierten Anwendung von Radar, FWD und Ultraschall ist eine Bestandsaufnahme des vorhandenen Straßennetzes möglich. Durch eine hohe Dichte der Untersuchungspunkte kann eine

nahezu lückenlose Untersuchung der Straßenabschnitte erfolgen. Dabei können sowohl innere, nicht

sichtbare Schäden lokalisiert werden und die Tragfähigkeit und Restnutzungsdauer der untersuchten

Bereiche bestimmt werden. Aus diesen Daten ist es möglich Rückschlüsse auf den Straßenaufbau und

daraus eine Sanierungsplanung für die einzelnen Straßenabschnitte mit hoher Präzision zu erstellen.

Mit den Radaruntersuchungen können sowohl Asphalt- wie auch Betonfahrbahnen untersucht

werden und dabei Inhomogenitäten wie Bereich ohne bzw. mangelhafter Bewehrung, Hohllagen,

Strukturelle Störungen, Absenkungen und verfüllte Krater lokalisiert werden.

Mit der Ultraschallecho-Methode können die innere Ausbreitung von Rissen an Plattenenden, Risse

parallel zur Oberfläche, die Plattendicke, die Lage der Dübelbohrungen und ungeschädigte, intakte

Bereiche eindeutig bestimmt werden.

Mit dem Falling-Weight-Deflectometer (FWD) ist es möglich, eine Unterteilung in homogene

Bereiche vorzunehmen und aufzuzeichnen, an welchen Stellen bzw. Bereichen in welchen Schichten

des Straßenaufbaues Probleme mit der Tragfähigkeit auftreten. Aus den Ergebnissen ist es zudem

möglich, eine Restnutzungsdauer der Strasse zu bestimmen.

Durch die Anwendung der beschriebenen Verfahren ist es möglich, bereits bei der Planung viele

Fragen über den Auf bau und Zustand der Strasse zu klären und so eine realistische, Planung

durchzuführen, mit der erhebliche Kosten eingespart werden können.

6 Literatur [1] Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM): ZfPBau-Kompendium.

http://www.bam.de/zfpbau-kompendium.htm (2004)

[2] Maierhofer C., Kind T.: Das Impulsradarverfahren - ein Verfahren zur zerstörungsfreien

Strukturaufklärung in Bauwerken Cziesielski, E. (Hrsg.); Bauphysik-Kalender 2004, Berlin

Ernst und Sohn (2004) Kap. C1, 2 Strukturaufklärung Abschn. 2.3, 333-341

[3] FGSV Arbeitspapier "Tragfähigkeit", Teil B2 "FWD, Beschreibung, Messurchführung", AK

4.8.2

[4] Ullidtz, Per, "Pavement Analysis", Elsevier, Amsterdam, 1987

[5] Ullidtz, Per, "Modelling Flexible Pavement Response and Performance",Polyteknisk Forlag,

Lyngby, 1998

[6] Deutsche Gesellschaft für zerstörungsfreie Prüfung e.V. (DGZfP): Merkblatt für Ultraschell-

Verfahren zur Zerstörungsfreien Prüfung mineralischer Baustoffe und Bauteile (B4). Deutsche

Gesellschaft für zerstörungsfreie Prüfung e.V., Berlin (1999)

[7] Krause, M., Mielentz, M., Milmann, B., Wiggenhauser, H., Müller, W., Schmitz, V.: Ultrasonic

image of concrete members using an array system. NDT & E International 34 (6) (2001) pp.

403-408

[8] Hasenstab, A., Taffe, A.: Zur Anwendung des Ultraschall-Echoverfahrens an Bauteilen aus Holz

oder Beton Beitrag zu einem Tagungsband: 17. Hanseatische Sanierungstage 2006 "Messen und

Sanieren", 9.- 11.11.2006, Kühlungsborn Herausgeber: H. Venzmer Huss-Medien GmbH Berlin

2006 S.225-234

15