Was ist FWD-Einsenkungsanalyse und Rückrechnung?

Die FWD-Analyse ist das Verfahren, das aus den Oberflächeneinsenkungen, die ein Fallgewicht-Deflektometer (FWD) misst, die Steifigkeit jeder Befestigungsschicht ermittelt. Das Fallgewicht-Deflektometer (FWD) ist ein Prüfgerät. Es lässt ein Gewicht auf eine Lastplatte fallen und misst die Oberflächeneinsenkung mit Sensoren. Die FWD-Analyse ist das Verfahren, das aus diesen Messwerten die Steifigkeit jeder Befestigungsschicht ermittelt. Der Ingenieur wandelt die Messwerte dann in Schichtmodule, Fugen- und Hohlraumprüfungen und Bemessungseingaben um.

Was ein FWD misst

Ein FWD ist ein Impulslastgerät. Ein Gewicht fällt auf Gummifedern und drückt die Lastplatte auf die Befestigung. Die Last hängt von der Masse des Gewichts und der Fallhöhe ab. Die Bedienperson kann sie an eine Radlast des Flugzeugs anpassen. Der Kraftimpuls dauert typischerweise 20 bis 60 Millisekunden. Für Befestigungen, die Flugzeuge der gewerblichen Luftfahrt bedienen, gibt die FAA eine Impulslast zwischen 20 und 55 kips (90 bis 250 kN) an. Der schwere Fallgewichtsdeflektometer (HWD) arbeitet ebenso, mit Lasten um 70 kips. Der leichte Fallgewichtsdeflektometer (LWD) ist eine tragbare Version für ungebundene Schichten.

Die FAA empfiehlt Sensoren in der Mitte der Platte und in Schritten von 12 in (30 cm) bis 72 in (180 cm) nach außen. Andere Behörden verwenden andere Anordnungen, zum Beispiel das SHRP-Vier-Sensoren-Layout bei 0, 12, 24 und 36 in. AC 150/5370-11B sagt, dass eine Platte von 12 in (30 cm) für gebundene Oberflächen üblich ist. Eine Platte von 18 in (45 cm) passt zu ungebundenen Tragschichten, Unterbauten und Untergründen. Die Anwendung von AC 150/5370-11B ist für Projekte verpflichtend, die AIP- oder PFC-Mittel finanzieren.

Die Einsenkungsmulde

Die Last erzeugt eine schüsselförmige Senke in der Oberfläche. Das ist die Einsenkungsmulde. Die Einsenkung ist unter der Platte am größten und nimmt mit dem Abstand ab. Die Einsenkung unter der Platte, d0, zeigt die Steifigkeit der gesamten Struktur. Die Einsenkung am äußersten Sensor zeigt die Steifigkeit des Untergrunds. Eine schwächere Befestigung senkt sich unter derselben Last stärker ab. Die Form der Mulde hängt von allen Schichten ab. Deshalb können zwei Befestigungen dasselbe d0 haben und dennoch verschiedene Tragschichten und Untergründe besitzen. Temperatur des Asphalts, Feuchtigkeit und das Aufwölben einer Betonplatte verändern die Mulde ebenfalls.

FWD-Formeln

Die FWD-Analyse verwendet einige kurze Formeln und eine lange Berechnung:

• Impuls-Steifigkeitsmodul (ISM). ISM = L / d0, wobei L die aufgebrachte Last und d0 die größte Einsenkung unter der Platte ist. Die Einheit ist kips/in. Ein höherer ISM bedeutet bei gleicher Last eine steifere Befestigung.
• Lastnormierung. Die normierte Einsenkung ist d0n = (Lnorm / Lapplied) x d0. Sie gleicht die Einsenkungen aus unterschiedlichen Fallgewichten an eine Standardlast an, zum Beispiel eine Radlast von 40 000 lb (180 kN).
• Geschlossener Untergrundwert. AC 150/5370-11B gibt für einen geschlossenen Untergrundwert Mr = 0,24 P / (dr x r) an. P ist die Last in Pfund, dr die Einsenkung im Abstand r und r der Abstand in Zoll. Für Arbeiten nach AASHTO 1993 braucht das Ergebnis einen Korrekturfaktor, typischerweise 0,33, um einem Laborwert des Elastizitätsmoduls zu entsprechen.
• Lastübertragungswirkungsgrad (LTE). LTE = Einsenkung der unbelasteten Platte / Einsenkung der belasteten Platte x 100 %.
• ISM-Verhältnis. ISM-Verhältnis = ISM in der Plattenmitte / ISM an der Plattenecke oder der Fuge.
• Schichtmodule. Dafür gibt es keine einzelne Formel. Sie entstehen durch die Rückrechnung.

Diagramme von ISM oder normierter Einsenkung entlang einer Piste zeigen starke und schwache Stellen. Der Ingenieur nutzt sie, um zu finden, wo ein Befestigungsabschnitt endet und der nächste beginnt. Ein Abschnitt ist ein Bereich, der sich einheitlich verhalten soll.

Rückrechnung

Die Rückrechnung ermittelt aus der Mulde den Elastizitätsmodul jeder Schicht. Der Ingenieur nimmt die Schichtdicken an und löst nach der Steifigkeit auf. Die FAA nennt zwei Arten statisch-linearer Verfahren. Das geschlossene Verfahren berechnet den Modul jeder Schicht direkt aus den Dicken und aus einem oder mehreren Sensoren. Das iterative Verfahren nutzt die Theorie elastischer Schichten und benötigt Einsenkungen von mindestens vier Sensoren.

Das iterative Verfahren läuft in einer Schleife:

1. Setze einen Anfangsmodul (Startwert) und einen Modulbereich für jede Schicht.
2. Berechne die Mulde, die diese Module unter der FWD-Last ergeben.
3. Vergleiche die berechnete Mulde mit der gemessenen Mulde.
4. Passe die Module an und wiederhole den Vorgang, bis die Abweichung akzeptabel ist.

Die FHWA sagt, dass ein Fehler (RMS) unter 2 Prozent vertretbar ist und ein Wert über 3 Prozent fragwürdig ist. Der Ingenieur muss die Module außerdem mit typischen Werten für das Material vergleichen.

Der Ingenieur entfernt zuerst Mulden mit Fehlern. Eine Mulde Typ I hat einen äußeren Sensor, der mehr anzeigt als der mittlere Sensor, und sie erzeugt den größten Fehler. Eine Mulde Typ II hat einen ungewöhnlich großen Sprung zwischen zwei benachbarten Sensoren. Eine Mulde Typ III hat einen Sensor, der mehr anzeigt als der Sensor daneben weiter innen. Ursachen sind ein Riss nahe der Platte, ein ausgefallener Sensor, ein Kalibrierfehler, ein Hohlraum oder das Aufwölben einer Platte.

Das Ergebnis ist nicht eindeutig. Die FAA nennt die Faktoren, die es verändern. Dazu gehören die Anzahl der Schichten, die Schichtdicke, der Zustand der Grenzfläche zwischen den Schichten und die Asphalttemperatur. Startwerte, eine steife Schicht darunter, Risse und Sensorfehler verändern es ebenfalls. Die FAA warnt, dass statische Rückrechnungsmodelle den Modul von Tragschicht, Unterbau und Untergrund überschätzen können. Die Schichtdicke stammt aus Bohrkernen oder Georadar, nicht aus dem FWD.

Rückrechnungssoftware

BAKFAA ist die FAA-Software für die Rückrechnung. Sie verwendet die Rechenroutine LEAF, nimmt bis zu 10 Schichten an und rechnet die Module von Asphalt, Beton und asphaltüberlagertem Beton zurück. AC 150/5370-11B nennt außerdem MODULUS (Texas Transportation Institute, ein Datenbankverfahren), WESDEF, BISDEF, CHEVDEF, ELSDEF und MICHBAK. Die FHWA führt außerdem EVERCALC auf. EVERCALC verwendet die Levenberg-Marquardt-Methode und kann den Asphaltmodul auf eine Standardtemperatur normieren.

Die Wahl der Software hängt davon ab, was danach folgt. Die FAA sagt, das Rückrechnungsverfahren muss zum Verfahren des Auswertungs- oder Bemessungsprogramms passen. FAARFIELD verwendet die Theorie elastischer Schichten, daher gehen die elastischen Module aus BAKFAA direkt hinein. Für eine CBR-basierte Untersuchung rechnet der Ingenieur den elastischen Modul in einen CBR-Wert um. Ein rückgerechneter k-Wert ist ein dynamischer Wert. Die FAA zitiert NCHRP Report 372, der feststellte, dass der statische k-Wert gleich der Hälfte des dynamischen ist.

Fugen, Hohlräume und Dauerhaftigkeit der Platte

Bei Betonbefestigungen prüft der FWD Fugen und Ecken zusätzlich zur Plattenmitte. Eckprüfungen setzen die Messplatte bis 6 in (15 cm) an die Fugen.

Lastübertragung. Der Lastübertragungswirkungsgrad zeigt, wie viel Last zur nächsten Platte übergeht. Mehr Lastübertragung senkt die Biegespannung in der belasteten Platte. Das Bemessungsverfahren der FAA geht davon aus, dass Lastübertragung die Randspannung der freien Platte um 25 Prozent senkt. Bei einer Platte von 12 in braucht das einen LTE von 70 Prozent, wenn der Steifigkeitsradius 20 in beträgt. Bei einem Radius von 130 in braucht es 90 Prozent. AC 150/5370-11B bewertet eine Fuge mit einer Tabelle. Die Bewertung hängt außerdem vom Steifigkeitsradius der Platte ab. Bei einem Radius von 20 in ist ein LTE von 70 bis 100 Prozent akzeptabel. 50 bis 70 Prozent sind befriedigend, und unter 50 Prozent ist schlecht. Bei einem Radius von 130 in sind 90 bis 100 Prozent akzeptabel und 70 bis 90 Prozent befriedigend. Unter 70 Prozent ist schlecht.

Hohlräume. Die Rückrechnung setzt vollen Kontakt zwischen Platte und Unterbau voraus. Eckbrüche, Versatz oder Plattenrisse deuten auf einen Auflageverlust hin. Ausspülung, Setzung und Aufwölben können ihn verursachen. Der Hohlraumtest verwendet drei Lastniveaus an der Ecke oder in der Fugenmitte. Ein Achsenabschnitt der Einsenkung über 3 mils zeigt einen Hohlraum. Die FAA sagt, das Ergebnis mit Kernbohrungen, Georadar oder Infrarot-Thermografie zu prüfen. Das Aufwölben verändert das Ergebnis im Tagesverlauf, daher empfiehlt die FAA, bei gleichmäßiger Temperatur zu prüfen.

Dauerhaftigkeit. Ein ISM-Verhältnis über 3 kann auf schlechte Dauerhaftigkeit des Betons an Ecke oder Fuge hindeuten. Ein Verhältnis von 1,5 bis 3 ist fragwürdig. Unter 1,5 ist die Befestigung wahrscheinlich in gutem Zustand.

Prüfung auf einem Flugfeld

Eine FWD-Prüfung kann laufen, während eine Piste in Betrieb bleibt. Die FAA nennt bis zu 250 Prüfstellen pro Tag, und AC 150/5370-11B nennt 150 bis 250 pro Achtstundenschicht. Mittenprüfungen auf einer Piste verlaufen entlang der Radspur und liegen 100 bis 400 ft (30 bis 120 m) auseinander. Der Abstand hängt von der Befestigungsart und von der Planungsebene des Projekts oder des Netzes ab. Jeder Befestigungsabschnitt braucht mindestens zwei Prüfungen. Die Bedienperson erfasst die Befestigungstemperatur während der Prüfung. Sehr heißes Wetter kann eine Asphaltoberfläche zusammendrücken, daher sagt die FAA, die Prüfung zu verschieben. Die Ergebnisse ändern sich mit der Jahreszeit. Tauwetter oder eine Trockenperiode können Ergebnisse liefern, die den Untergrund nicht darstellen.

Was Ingenieure mit den Ergebnissen tun

• Bemessungseingaben. Die FAA sagt, ein rückgerechneter Modul oder k-Wert kann direkt in FAARFIELD einfließen. Für einen vorsichtigeren Ansatz verwendet man den Mittelwert minus eine Standardabweichung. Ausreißer entfernt man vorher, wenn der Variationskoeffizient über 20 Prozent liegt, und der Abschnitt wird geteilt, falls das Ergebnis dann immer noch zu niedrig ist.
• Restnutzungsdauer und Überlagerungsbemessung. Tabelle 7 der AC 150/5370-11B zeigt, welche FAA-Programme Restnutzungsdauer und Überlagerungsbemessung aus FWD-Daten berechnen.
• Angabe der Befestigungsfestigkeit. Netzweite zerstörungsfreie Prüfungen ergänzen die PCI-Daten. Zusammen erzeugen sie Pavement Classification Ratings (PCR) für jede flugseitige Anlage nach AC 150/5335-5.

Zusammenhang mit einer visuellen Erhebung

Der FWD zeigt den strukturellen Zustand. Die FAA sagt, dass andere Methoden den funktionalen Zustand bewerten müssen, etwa den visuellen Zustand, die Rauheit und die Reibung. Eine PCI-Erhebung nach ASTM D5340 bewertet den visuellen Zustand und liefert nur ein indirektes Maß für die Struktur. Mit beiden Ergebnissen kann der Ingenieur eine Gesamtbewertung des Befestigungszustands vergeben.