CEDEX-Versuchsstrecke - Zeitraffende Belastungstests des Straßenoberbaus

Das Verkehrstechnische Forschungszentrum des CEDEX in Spanien hat Daten von mehr als 240 Kanälen, die strategisch über die Versuchsstrecke verteilt waren, mit dem bewährten Datenerfassungssystem (DAQ-System) MGCplus von HBM aufbereitet, überwacht und gemessen.

Was sind zeitraffende Belastungsversuche des Straßenoberbaus?

Zeitraffende Belastungsversuche des Straßenoberbaus (Accelerated Pavement Testing, APT) können definiert werden als das „kontrollierte Aufbringen von Radlasten auf Straßenoberbauten zum Simulieren der Auswirkungen von Langzeit-Betriebsbelastungsbedingungen in einem gerafften Zeitrahmen“. In Europa werden zwölf Anlagen für Versuche im Maßstab 1:1 betrieben, etwa gleich viele in den Vereinigten Staaten von Amerika, hinzu kommen weitere Anlagen in Mexiko, Brasilien, Südafrika, Australien, Neuseeland, China und Japan. Man kann sagen, dass APT heute eine wesentliche Säule in der Straßenbauforschung weltweit bildet. Die Versuchsanlagen lassen sich in zwei Grundformen unterteilen: kreisförmige und lineare. Abbildung 1, Abbildung 2

Über CEDEX

Das CEDEX (Centro de Estudios y Experimentación de Obras Públicas) ist ein spanisches Forschungsinstitut, das zukunftsweisende Ideen und Technologien auf die Bereiche Hoch- und Tiefbau und Umwelt anwendet. Seine Einrichtungen und Labors bieten technologische Unterstützung, die in besonderen Vereinbarungen definiert ist. Das CEDEX spielt darüber hinaus im Rahmen seiner Zielsetzung der Verbreitung gewonnener Erkenntnisse eine wichtige Rolle beim Technologietransfer.

Abbildung 1: Kreisförmige Versuchsstrecke (LCPC, Frankreich)
Abbildung 2: Lineare Versuchsstrecke (LINTRACK, Delft, Niederlande)

Die Versuchsstrecke

Abbildung 3: Die CEDEX-Teststrecke
Abbildung 4: Fahrzeug für Verkehrssimulation

Die CEDEX-Versuchsstrecke kombiniert beide Formen: Sie besteht aus zwei geraden Abschnitten von je 75 m, die durch zwei Kurvenabschnitte mit einem Radius von 25 m verbunden sind. Ein am Innenrand der Strecke verlaufender Schienenträger dient als Führung für zwei automatische Fahrzeuge. Abbildung 3

Da die sechs zu prüfenden Oberbauabschnitte auf den geraden Streckenabschnitten angeordnet sind, kann diese Anlage unter dem Gesichtspunkt der Versuchsdurchführung der zweiten Gruppe, d. h. den linearen Anlagen, zugeordnet werden. Die Gesamtstrecke, die vom Belastungsprüfrad zurückgelegt wird, beträgt 304 Meter pro Zyklus. Die Kurvenabschnitte werden nicht für Prüfzwecke genutzt, sondern sind für andere Untersuchungen bestimmt, beispielsweise Oberflächenmaterialien, Oberflächenbehandlungen, Anstrichfarben, Abnutzungsverhalten usw.

Die Prüfungen der Oberbauabschnitte werden auf den geraden Strecken durchgeführt, die Ergebnisse sind daher mit den auf linearen Versuchsstrecken ermittelten vergleichbar. Sechs 20 bis 25 m lange vollständige Oberbauabschnitte können gleichzeitig geprüft werden.

Während die Kurvenabschnitte auf dem natürlichen Gelände aufliegen, sind die geraden Abschnitte in zwei wasserdichte, U-förmige Prüfgruben aus Stahlbeton eingebaut. Die Prüfgrube aus Beton mit 2,6 m Tiefe und 8 m Breite ermöglicht den Aufbau von mindestens 1,25 m hohen Böschungen sowie den Einsatz herkömmlicher Maschinen und der üblichen Straßenbauverfahren. Der Grund, warum mit Prüfgruben aus Beton gearbeitet wird, besteht darin, dass sich auf diese Weise das Verhalten der Oberbauten vom umgebenden Untergrund isolieren lässt und eine homogene Auflage für die Oberbauten innerhalb jeder Einzelprüfung sowie zwischen verschiedenen Prüfungen so hergestellt werden kann, dass die Ergebnisse vergleichbar sind. Zudem ermöglicht es, den Unterbau für Prüfungen unter verschiedenen Grundwasserbedingungen zu fluten.

Die beiden Prüffahrzeuge bringen die Belastung durch die Schwerkraft über eine halbe Schwerlastachse auf. Die Belastung kann auf Werte zwischen 5,5 und 7,5 Tonnen eingestellt werden und wird auf 6,5 Tonnen festgelegt, was der in Spanien maximal zulässigen Belastung für eine Achse (13 Tonnen) entspricht. Die Achse verfügt über Luftfederung. Das Prüfrad ist mit zwei Zwillingsrädern oder mit einem ballonförmigen Rad mit einem Fülldruck von 8,5 kg/cm² ausgestattet. Sowohl die Federung als auch der Antrieb des Prüfrads entsprechen den im Straßenverkehr üblichen Ausführungen. Die Fahrgeschwindigkeit beträgt 40 km/h, die zulässige Höchstgeschwindigkeit 60 km/h. Abbildung 4

Mithilfe eines hydraulischen Aktors kann das Prüfrad auf sieben verschiedenen Querbahnen positioniert werden, sodass die Belastungen in einem Band von 1,0 bis 1,3 m Breite aufgebracht werden können. Die automatische Steuerung dieser Position ermöglicht es, eine reale statistische Verteilung der Durchläufe zu reproduzieren, die realen Verkehrsbedingungen entspricht.

Diese Prüfanlage wird vollständig von einem zentralen Steuerungszentrum aus gesteuert, das sich am geometrischen Mittelpunkt der Versuchsstrecke befindet. Das Steuerungsprogramm wurde speziell für diese Anwendung entwickelt. Dadurch kann die gesamte Anlage, nachdem sie einmal programmiert ist, unbeaufsichtigt arbeiten. Die Prüfungen werden mit einer Häufigkeit von mehr als 1 x 106 Zyklen pro Jahr durchgeführt.

Messen der Parameter

Abbildung 5: Beispiel der Instrumentierung

Wenn sich ein Rad über eine Straße bewegt, entwickeln sich an jedem Punkt ihres Oberbaus mechanische Spannungen und Dehnungen; diese Spannungen und Dehnungen hängen von Typ, Größenordnung und Richtung der Belastung, der Struktur des Oberbaus, dem Typ des Unterbaus, Temperatur, Tiefe usw. ab.

Die Instrumentierung des Oberbaus ermöglicht es, die Spannungen und Dehnungen zu messen, die in den verschiedenen Teilen des Oberbaus beim Überfahren durch eine Last auftreten; dies gilt insbesondere für die als kritisch angesehenen Belastungen.

Für jede Schicht gelten unterschiedliche kritische Punkte sowie unterschiedliche Variablen für die Dehnungsverformung, die bei der Wahl des Sensortyps und seinem Installationsort berücksichtigt werden müssen.

Die horizontale Zugdehnung am Boden der Bitumenschicht wird als wichtigste abhängige Variable (response variable) für flexible Oberbauten betrachtet. Folglich ist die Instrumentierung der Asphaltgemisch-Schichten hauptsächlich auf die Messung der horizontalen Dehnung am Boden der Schicht ausgerichtet.

Körnige Schichten und Böden versagen vor allem aufgrund kumulierter vertikaler Dehnungen. Deshalb konzentriert sich die Instrumentierung des Erdbauwerks besonders auf die Messung vertikaler Spannungen und Dehnungen.

Außerdem werden Sensoren für die vertikale Verformung, die sogenannte Deflexion, angebracht, um das Verhalten unter transienten Belastungen beim Überfahren mit dem sich bewegenden Rad zu messen. Diese Sensoren werden oben auf der Asphaltschicht angebracht und am Boden der Prüfgrube verankert.

Schließlich wird noch eine Reihe von Sensoren installiert, um Daten von umgebungs- und belastungsbezogenen Variablen zu erfassen: Temperatur, Feuchte und Wasserspiegel, Geschwindigkeit, Querposition usw. Abbildung 5

Beschreibung des Steuerungssystems der Anlage

Abbildung 6: Kommunikationssystem
Abbildung 7: Querschnitt und Instrumentierungsgang

Die Überlegungen, wie der Automatisierungsprozess zu realisieren ist, wurden hauptsächlich während der Konstruktionsphase der Anlage angestellt. Ziel war ein Prüflebenszyklus im Dauerbetrieb mit minimalen Unterbrechungen. Außerdem ist es wichtig, darauf hinzuweisen, dass es sich bei der Anlage, insbesondere bei den Fahrzeugen und ihrem Steuerungssystem, um Prototypen handelt, die speziell für die spanische Versuchsstrecke konstruiert, gebaut und in Betrieb genommen wurden. Sie wurden vollständig mit europäischer Technologie entwickelt. Abbildung 6

Das Steuerungssystem der CEDEX-Versuchsstrecke setzt sich prinzipiell aus zwei Komponenten zusammen: dem SPS-System und dem Datenerfassungssystem. Beide hängen miteinander zusammen und beide werden von einer einzigen Komponente (Steuerungscomputer) verwaltet, die mit ihnen über ein Ethernet-Netzwerk verbunden ist. Die erste Komponente (SPS-System) ist für die Verwaltung der Fahrzeuge durch Steuerung von Parametern wie Geschwindigkeit, Querposition, Luftdruck der Ersatzreifen usw. sowie für alle erforderlichen Variablen für die Fahrzeugwartung und die Sicherheit der Anlage zuständig, außerdem für Stromverbrauch, Position der Detektoren usw. Die andere Komponente (Datenerfassungssystem) ist für den Messprozess der Oberbau-Instrumentierung verantwortlich.

Das SPS-System besteht aus einem SPS-Master, der im Steuerungszentrum untergebracht ist, und zwei SPS-Slaves, die sich im Inneren jedes Fahrzeugs befinden. Zur Steuerung der SPS-Slaves der Fahrzeuge stellt der SPS-Master eine Verbindung über ein drahtloses Ethernet-Netzwerk her.  

Daten von mehr als 240 Kanälen, darunter Dehnungsmessstreifen, LVDTs und Pt100, die strategisch über die Versuchsstrecke verteilt sind, werden von dem bewährten Datenerfassungssystem (DAQ-System) MGCplus von HBM aufbereitet, überwacht und gemessen. Dieses DAQ-System, das in zahlreichen Programmen für Strukturanalysen sowie für Monitoring-Aufgaben im Bauwesen eingesetzt wird, bietet hochwertige Messdaten und kann damit außerdem Kosten und Aufwand bei der Verkabelung erheblich reduzieren.

Die geraden Abschnitte der Versuchsstrecke verfügen über einen Gang neben den Prüfabschnitten, in dem die Stromversorgung und die Datenerfassungsgeräte sowie die Einbaubuchsen (Keystone-Buchsen) zum Anschließen der MGCplus-Geräte untergebracht sind. Diese Anordnung wurde gewählt, um einen möglichst geringen Abstand zwischen dem Sensor und dem Aufbereitungsgerät zu erreichen, damit eine Verzerrung des Ausgangssignals vermieden wird und das Analogsignal einwandfrei in ein digitales Signal umgewandelt werden kann. Abbildung 7

Aufgaben beim Management der Instrumentierung

Das System für die Erfassung der Daten von den Sensoren, arbeitet vollautomatisch und wurde vom CEDEX konzipiert und entwickelt. Es ermöglicht Echtzeitmessungen von bis zu 240 Sensoren bei jeder auf Messungen basierenden Prüfung und speichert die Werte in einer Datenbank.

Die Managementaufgaben lassen sich in drei Prozesse unterteilen:

  • Sensormanagement
  • Messung
  • Datenspeicherung und -auswertung

Sensormanagement

Nachdem der Instrumentierungsplan für jede Prüfung konzipiert und die Versorgung jedes Sensors ausgeführt ist, besteht der nächste Schritt darin, den Sensor im Datenbanksystem des Steuerungscomputers zu registrieren. Danach ist es an der Zeit, alle Daten zu integrieren, die den Sensor, seine Position, den faseroptischen Sensor für die Aktivierung der Messung, relevante Datumswerte und den Aktivitätsstatus definieren.

Nach der Registrierung des Sensors in der Datenbank werden im nächsten Schritt die MGCplus-Module eingerichtet, um die Kalibrierkurve jedes Sensors unter Einbeziehung der gesamten Messkette (Verdrahtung und Geräte) auszuführen und damit eine Beziehung zwischen der elektrischen Messung und der physikalischen Messung herzustellen. Anschließend werden die Aufzeichnungsparameter (Abtastrate, Zeit, aktivierte Sensoren und Trigger) mit dem PC-Karten-Manager von MGCplus gesetzt, und die .MPR-Datei wird gespeichert. Üblicherweise werden zwei verschiedene Abtastraten programmiert; eine von ihnen dient zum Aufzeichnen statischer Variablen und die andere zum Aufzeichnen dynamischer Variablen. Abbildung 8

Hinzu kommen weitere Aufgaben, die Wartungsarbeiten an der Instrumentierung vereinfachen und mit grafischen und numerischen Echtzeit-Überwachungsfunktionen der Anzeigewerte ausgestattet sind.

Abbildung 8: Beispiel der grafischen Überwachung eines Sensors

Messung

Im Datenerfassungssystem sind zwei verschiedene Arten von Prüfungen vorgesehen:

  • Dynamische Prüfungen
  • Sonderprüfungen

Bei einer dynamischen Prüfung werden systematisch Messwerte mit der Instrumentierung erfasst, während sich das Fahrzeug in Bewegung befindet. Bei Prüfungen dieser Art müssen die Sensoren, mit denen gemessen wird, zuvor definiert worden sein. Pro Prüfung sind dies maximal 240. Außerdem wird eine Ergebnisdatei (ASCII) erstellt, die alle für die Auswertung von Kurven erforderlichen Variablen enthält, beispielsweise Temperatur des Straßenoberbaus, Umgebungstemperatur, Anzahl der Zyklen, Querposition, Fahrzeuggeschwindigkeit, Datum und Uhrzeit.

Dynamische Prüfungen werden automatisch aktiviert. Die Aktivierung kann durch drei unterschiedliche Ereignisse erfolgen, die bei der Planung der Prüfung ausgewählt werden. Diese drei Ereignisse sind:

  • Anzahl der Zyklen: Die Prüfung beginnt, wenn die Fahrzeuge eine zuvor festgelegte Anzahl von Zyklen abdecken.
  • Zeitpunkt: Angegeben werden Datum und Uhrzeit des Beginns der Messung.
  • Temperatur: Die Prüfung beginnt, wenn die (vom Anwender festgelegte) Temperatur des Straßenoberbaus einen bestimmten Wert erreicht.

Die Anwesenheit von Personal in der Anlage ist bei solchen Prüfungen, die rund um die Uhr durchgeführt werden, nicht erforderlich.

Wenn das die Prüfung auslösende Ereignis eintritt, erteilt der Steuerungscomputer an den SPS-Master die Anweisung, die Fahrzeuge unter den für die Prüfung geforderten Bedingungen (Geschwindigkeit und Querposition) zu positionieren. Nachdem die Fahrzeuge in die richtige Position für die geplante Prüfung gebracht wurden, sendet der Steuerungscomputer einen Satz maschinennaher Befehle an jedes MGCplus-System, das mit dem Ethernet-Netzwerk verbunden ist. Diese Befehle übertragen .MPR-Dateien mit den Aufzeichnungsparametern an das Gerät und aktivieren sie in Vorbereitung auf den Erfassungsprozess. Mit jedem MGCplus ist ein faseroptischer Sensor verbunden, der zum Auslösen der Messung dient. Wenn das ausgewählte Fahrzeug an dem faseroptischen Sensor vorbeifährt, wird der Beginn der Datenerfassung aktiviert und nach einem in der Aufzeichnungsdatei definierten Zeitraum beendet. Abbildung 9

Abbildung 9: Bei einer dynamischen Prüfung aufgezeichnete Daten

Wenn die Fahrzeuge seit dem Beginn der Datenerfassung einen vollen Zyklus durchlaufen haben, verbindet sich der Steuerungscomputer mit den MGCplus-Geräten, um die mit dem DAQ-System erstellte Datenerfassungsdatei an den Steuerungscomputer zu übertragen und mithilfe der Catman Steuerung über ActiveX in das ASCII-Format zu konvertieren. Alle diese Schritte wurden in einem Visual Basic-Skript programmiert, das auch die Signalverarbeitung für die Änderung von Zeit in Weg sowie die Reduzierung und Umrechnung der Signale ausführt, um die Anzahl an Samples zu speichern, die für die Analyse von Interesse sind.

Danach muss der Steuerungscomputer alle Daten in der Ergebnisdatei (ASCII) zusammenführen, das heißt die Daten aus dem SPS-System über die Fahrzeuge (Geschwindigkeit, Querposition) und die Daten des sensorbasierten Messprozesses aus dem Datenerfassungssystem.

Sobald alle Einzeldaten gespeichert sind, wird die Prüfung beendet, und das für die Steuerung der Fahrzeuge zuständige SPS-System übernimmt wieder die Kontrolle. Diese Prüfung kann zyklisch in Abhängigkeit von der Anzahl der Zyklen, nach einem bestimmten Zeitraum oder bei Eintreten des gewünschten Temperaturwertes geplant werden.

Sonderprüfungen betreffen andere Messungen, die mit der Instrumentierung, jedoch ohne Nutzung des gesamten Steuerungssystems direkt mit den MGCplus-Geräten durchgeführt werden.

Wir möchten hier die folgenden drei Prüfungstypen als Sonderprüfungen hervorheben:

  • Temperaturkurven: In das SPS-System sind zwei Siemens ET 200 integriert, die mit den Analogausgängen des MGCplus verbunden sind, um über kontinuierliche Aufzeichnungen der Temperaturen von Straßenoberbau und der Umgebung zu verfügen. Sie dienen dazu, nicht nur die Instrumentierung, sondern auch Schäden des Oberbaus zu analysieren.
  • Manueller Start: Diese Prüfungen können nicht nur mit sich bewegenden, sondern auch mit stillstehenden Fahrzeugen durchgeführt werden. Sie beginnen, wenn ein Trigger gesendet wird. Prüfungen dieser Art dienen dazu, bestimmte Variablen beim Vorbeifahren eines Fahrzeugs im Detail zu untersuchen, und im Gegensatz zu dynamischen Prüfungen werden sie mit einer Abtastfrequenz von 3000 Samples pro Sekunde durchgeführt. Bei einer solchen Prüfung wird auch die Reaktion von einem oder mehreren Sensoren auf andere Einwirkungen als Prüffahrzeuge gemessen, z. B. bei Prüfungen mit FWD-Geräten (Falling Weight Deflectometer).
  • Start durch faseroptischen Sensor: Die Merkmale sind gleich wie bei einer Prüfung mit manuellem Start, doch in diesem Fall wird die Messung durch einen der faseroptischen Sensoren an der Versuchsstrecke ausgelöst.