Was sind Methoden zur Bemessung der Fahrbahndicke?

Bemessungsziel

Das grundlegende Ziel der Bemessung der Fahrbahndicke ist es, die strukturellen Schichtdicken, Deckschicht, Tragschicht und Untertragschicht, zu bestimmen, die erforderlich sind, um die aufgebrachten Verkehrslasten auf den Untergrund mit Spannungsniveaus zu verteilen, die der Untergrund ohne übermäßige Verformung oder strukturelles Versagen aushalten kann. Dies muss über eine festgelegte Nutzungsdauer erreicht werden, typischerweise 20 Jahre für Autobahnen und 20 Jahre für Flughafenfahrbahnen, während eine akzeptable Fahrqualität und strukturelle Integrität unter den kombinierten Auswirkungen von Verkehrslast und Umweltbedingungen erhalten bleibt.

Die Fahrbahnstruktur muss gleichzeitig zwei grundlegende Leistungsanforderungen erfüllen. Erstens muss sie eine ausreichende strukturelle Kapazität bieten, um die auferlegten Lasten ohne übermäßige Ermüdungsrisse, Spurrinnen oder Stufenbildung zu tragen. Zweitens muss sie eine Oberfläche bieten, die während ihrer gesamten Nutzungsdauer fest, stabil, glatt, rutschfest und frei von Schmutz bleibt. FAA Advisory Circular 150/5320-6G stellt ausdrücklich fest, dass die Fahrbahnanalyse und -bemessung das Zusammenspiel von vier gleich wichtigen Komponenten beinhaltet: den Untergrund (natürlich vorkommender Boden), die Fahrbahnmaterialien (Oberflächenschicht, Tragschicht und Untertragschicht), die Eigenschaften der aufgebrachten Lasten (Gewicht, Reifendruck, Position und Häufigkeit) und das Klima (hohe/niedrige Temperaturen und Niederschlag). Alle vier müssen in jeder kompetenten Dickenbemessung berücksichtigt werden.

Der Bemessungsprozess ist nicht nur eine strukturelle Ingenieuraufgabe. Er erfordert die Abwägung der anfänglichen Baukosten gegen die langfristigen Wartungs- und Instandsetzungskosten über den Analysezeitraum. Diese Wirtschaftlichkeitsbestimmung ist ein erforderlicher Teil der FAA-Fahrbahnbemessung gemäß AC 150/5320-6G. Der Planer wählt den Fahrbahntyp (flexibler Asphalt, starrer Beton oder Verbund), die Materialspezifikationen für jede Schicht und die einzelnen Schichtdicken so, dass das gesamte Fahrbahnsystem die erforderliche strukturelle Kapazität zu den niedrigsten Lebenszykluskosten bietet.

Empirische Methoden

Empirische Fahrbahnbemessungsmethoden basieren auf statistischen Korrelationen, die aus Feldleistungsbeobachtungen entwickelt wurden. Diese Methoden setzen das beobachtete Fahrbahnverhalten mithilfe von Regressionsgleichungen, die auf spezifische Testbedingungen kalibriert sind, mit quantifizierbaren Eingaben in Beziehung. Die beiden am weitesten verbreiteten empirischen Methoden sind der AASHTO 1993 Guide for Design of Pavement Structures und die FAA CBR (California Bearing Ratio) Methode für Flughafenfahrbahnen.

AASHTO-1993-Methode

Das AASHTO-1993-Bemessungsverfahren ist die empirische Methode, die von den staatlichen Autobahnbehörden in den gesamten Vereinigten Staaten am häufigsten verwendet wird, wobei etwa 80% der Bundesstaaten sie laut FHWA-Umfragen einsetzen. Die Methode stammt aus dem AASHO Road Test, der von 1958 bis 1960 in Ottawa, Illinois, durchgeführt wurde, wo etwa 1.100 Testabschnitte kontrollierter Verkehrsbelastung mit Fahrzeugen bekannter Achslasten und -konfigurationen ausgesetzt wurden. Die während dieses beschleunigten zweijährigen Tests gesammelten Feldleistungsdaten bildeten die empirische Grundlage für alle nachfolgenden AASHTO-Bemessungsleitfäden.

Die grundlegende Bemessungsgleichung für flexible Fahrbahnen im AASHTO-Leitfaden von 1993 lautet:

log₁₀(W₁₈) = ZR × S₀ + 9.36 × log₁₀(SN + 1) − 0.20 + [log₁₀(ΔPSI / (4.2 − 1.5))] / [0.40 + 1094 / (SN + 1)⁵·¹⁹] + 2.32 × log₁₀(MR) − 8.07

Wobei W₁₈ die vorhergesagte Anzahl von 18-kip (80 kN) äquivalenten Einzelachslasten (ESALs) ist, ZR die Standardnormalabweichung für das gewählte Zuverlässigkeitsniveau, S₀ der kombinierte Standardfehler der Verkehrs- und Leistungsvorhersage, SN die Strukturzahl, ΔPSI der zulässige Gebrauchstauglichkeitsverlust (Differenz zwischen dem anfänglichen Gebrauchstauglichkeitsindex p₀ und dem endgültigen Gebrauchstauglichkeitsindex pₜ) und MR der Resilientmodul des Untergrunds in psi.

Die Strukturzahl (SN) ist die zentrale Ausgabe der AASHTO-1993-Bemessungsgleichung. Sie ist ein abstrakter Index, der die gesamte strukturelle Kapazität einer flexiblen Fahrbahn darstellt und ausgedrückt wird als:

SN = a₁ × D₁ + a₂ × D₂ × m₂ + a₃ × D₃ × m₃

In dieser Gleichung sind a₁, a₂ und a₃ strukturelle Schichtkoeffizienten, die die relative Festigkeit der Oberflächen-, Trag- und Untertragschichtmaterialien darstellen. Typische Werte für a₁ (Asphaltbetondecke) reichen von 0,40 bis 0,44 für dicht abgestuften Asphalt mit einem Resilientmodul von etwa 450.000 psi bei 68°F. D₁, D₂ und D₃ sind die Schichtdicken in Zoll. m₂ und m₃ sind Entwässerungskoeffizienten für ungebundene Trag- und Untertragschichten, die von 0,40 für schlechte Entwässerung (langsam entwässernde Schichten, oft gesättigt) bis 1,40 für ausgezeichnete Entwässerung (schnell entwässernde Schichten, fast nie gesättigt) reichen. Ein Standard-Entwässerungskoeffizient von 1,0 repräsentiert den ursprünglichen Zustand des AASHO Road Test.

Kritische Einschränkungen der AASHTO-1993-Methode umfassen: Die Gleichungen wurden nur auf der Grundlage der spezifischen Fahrbahnmaterialien, des Straßenuntergrunds und der Umgebung entwickelt, die am AASHO-Road-Test-Standort in Illinois vorhanden waren, der beschleunigte zweijährige Testzeitraum erfasst langfristige Umwelteffekte über eine Nutzungsdauer von 20+ Jahren nicht vollständig, und die Lasten waren Betriebsfahrzeuge mit identischen Achslasten und nicht gemischter Verkehr. Die Methode erfordert, dass Benutzer mehrere Extrapolationen akzeptieren: dass die Charakterisierung der Untergrundunterstützung auf andere Böden ausgedehnt werden kann, dass gemischter Verkehr durch ESALs dargestellt werden kann, dass Materialcharakterisierungen durch Schichtkoeffizienten auf verschiedene Materialien angewendet werden können und dass beschleunigte zweijährige Testergebnisse auf Nutzungsdauern von 20–50 Jahren extrapoliert werden können.

FAA-CBR-Methode

Vor der Entwicklung von FAARFIELD verwendete die FAA die California Bearing Ratio (CBR) Methode für die Bemessung flexibler Flughafenfahrbahnen, dokumentiert im inzwischen ersetzten Advisory Circular 150/5320-6D. Diese empirische Methode verwendet den CBR-Wert des Untergrunds und der Tragschichtmaterialien, um die erforderliche Fahrbahndicke durch Bemessungskurven zu bestimmen, die aus Feldleistungsbeobachtungen an betriebenen Flughäfen entwickelt wurden.

Die Beziehung basiert auf dem Prinzip, dass die erforderliche Fahrbahndicke zum Schutz des Untergrunds umgekehrt proportional zum CBR des Untergrunds ist. Ein schwächerer Untergrund (niedrigerer CBR) erfordert dickere Fahrbahnschichten, um die Last ausreichend zu verteilen und ein Versagen des Untergrunds zu verhindern. Die FAA-CBR-Bemessungskurven wurden für bestimmte Flugzeugtypen und Fahrwerkskonfigurationen entwickelt und korrelieren die Fahrbahndicke mit der Anzahl der Überfahrten (die Anzahl, wie oft ein bestimmter Punkt auf der Fahrbahn während seiner Nutzungsdauer von einem Flugzeugreifen belastet wird). Die Kurven integrieren empirische Beziehungen, die aus Großversuchen in der National Airport Pavement Test Facility (NAPTF) der FAA in Atlantic City, New Jersey, abgeleitet wurden.

Die FAA-CBR-Methode für flexible Fahrbahnen verwendet die folgende grundlegende Beziehung: Die gesamte Fahrbahndicke über einer bestimmten Schicht wird aus dem CBR des Untergrunds und dem Verkehr bestimmt, der in äquivalenten jährlichen Abflügen eines Bemessungsflugzeugs ausgedrückt wird. Die Methode berücksichtigt verschiedene Flugzeugtypen, indem gemischter Verkehr mithilfe von Äquivalenzfaktoren in äquivalente Abflüge eines einzelnen Bemessungsflugzeugs umgewandelt wird. Die FAA veröffentlichte separate Bemessungskurven für jeden großen Flugzeugtyp, wobei die Dickenanforderungen mit zunehmendem CBR abnehmen.

Mechanistisch-empirische Methoden

Die mechanistisch-empirische (M-E) Fahrbahnbemessung stellt einen bedeutenden Fortschritt gegenüber rein empirischen Methoden dar, indem sie die mechanistische Analyse der Fahrbahnreaktionen (Spannungen, Dehnungen und Durchbiegungen, berechnet mit der geschichteten Elastizitätstheorie oder der Finite-Elemente-Analyse) mit empirischen Transferfunktionen kombiniert, die diese berechneten Reaktionen mit beobachteten Fahrbahnschäden wie Ermüdungsrissen und Spurrinnen in Beziehung setzen.

MEPDG (AASHTOWare Pavement ME Design)

Der Mechanistic-Empirical Pavement Design Guide (MEPDG), implementiert durch die Software AASHTOWare Pavement ME Design, ist das fortschrittlichste M-E-Bemessungsverfahren für Autobahnfahrbahnen. Es wurde im Rahmen des NCHRP-Projekts 1-37A entwickelt und 2008 von AASHTO übernommen. Im Gegensatz zur AASHTO-1993-Methode, die auf einer einzigen empirischen Gleichung basiert, verwendet der MEPDG eine inkrementelle Schadensakkumulation über die Nutzungsdauer der Fahrbahn und verarbeitet Eingaben monatlich oder stündlich, um saisonale Schwankungen bei Temperatur, Feuchtigkeit und Materialeigenschaften zu berücksichtigen.

Die mechanistische Komponente des MEPDG berechnet Fahrbahnreaktionen mithilfe der Mehrschicht-Elastizitätstheorie (für flexible Fahrbahnen) oder der Finite-Elemente-Analyse (für starre Fahrbahnen). Für flexible Fahrbahnen sind die kritischen Reaktionsparameter:

• Horizontale Zugdehnung an der Unterseite der Asphaltschicht (εₜ), verwendet zur Vorhersage von Ermüdungsrissen von unten nach oben
• Vertikale Druckdehnung an der Oberseite des Untergrunds (εᵥ), verwendet zur Vorhersage struktureller Spurrinnen
• Vertikale Druckspannung innerhalb der Fahrbahnschichten, verwendet zur Vorhersage bleibender Verformungen in ungebundenen Materialien

Diese berechneten Dehnungen werden in empirische Transferfunktionen eingegeben, Regressionsgleichungen, die die berechnete mechanistische Reaktion mit beobachteten Feldsschäden in Beziehung setzen. Zum Beispiel hat die Transferfunktion für Ermüdungsrisse die Form:

Nf = k₁ × β₁ × (εₜ)^(−k₂ × β₂) × (E)^(−k₃ × β₃)

Wobei Nf die Anzahl der Lastwiederholungen bis zum Versagen ist, εₜ die Zugdehnung, E der Asphaltmodul, k₁, k₂, k₃ Kalibrierungskoeffizienten und β₁, β₂, β₃ lokale Kalibrierungsfaktoren. Der MEPDG verwendet zwei Haupttransferfunktionen: eine für Ermüdungsrisse (sowohl von unten nach oben als auch von oben nach unten) und eine für Spurrinnen (bleibende Verformung). Die Schadensvorhersage für starre Fahrbahnen umfasst Plattenrisse, Fugenversatz und Ausbrüche.

Der MEPDG erfordert deutlich detailliertere Eingabedaten als AASHTO 1993. Der Verkehr muss als vollständiges Lastspektrum bereitgestellt werden (Achslastverteilungen nach Achsentyp, nicht nur Gesamt-ESALs). Klimadaten werden als stündliche Wetteraufzeichnungen für den Projektstandort eingegeben, einschließlich Temperatur, Niederschlag, Windgeschwindigkeit, Sonnenscheinprozentsatz und relative Luftfeuchtigkeit. Die Software enthält eine Datenbank mit über 800 Klimastationen in den gesamten Vereinigten Staaten. Materialeigenschaften müssen durch ihre hierarchischen Eingabestufen charakterisiert werden: Stufe 1 (standortspezifische Prüfung), Stufe 2 (regionale Standardwerte mit etwas Prüfung) oder Stufe 3 (nationale Standardwerte).

Transferfunktionen

Transferfunktionen sind die empirische Brücke zwischen mechanistischen Fahrbahnreaktionsberechnungen und beobachteten Fahrbahnschäden. Sie werden durch Kalibrierung gegen langfristige Fahrbahnleistungsdaten aus Quellen wie dem Long-Term Pavement Performance (LTPP) Programm, dem AASHO Road Test und beschleunigten Fahrbahntesteinrichtungen entwickelt. Die Genauigkeit jeder M-E-Bemessungsmethode hängt stark davon ab, wie gut ihre Transferfunktionen für lokale Bedingungen kalibriert sind.

Für flexible Fahrbahnen ist das Ermüdungskriterium des Asphalt Institute eine der am häufigsten verwendeten Transferfunktionen: Nf = 0.0796 × (εₜ)^(−3.291) × (E)^(−0.854). Das Spurrinnenkriterium von Shell Oil sagt Untergrundspurrinnen wie folgt voraus: Nd = 1.05 × 10⁻² × (εᵥ)^(−4.484). Der MEPDG implementiert national kalibrierte Versionen dieser Funktionen mit zusätzlichen Koeffizienten für verschiedene Schadensarten.

Für starre Fahrbahnen setzen Transferfunktionen berechnete Plattenkantenspannungen mit der Ermüdungslebensdauer mithilfe der PCA-Ermüdungsanalysemethode oder der Null-Wartungs-Ermüdungskriterien in Beziehung. Die FAARFIELD-Bemessung für starre Fahrbahnen verwendet ein einziges Versagenskriterium: Ermüdungsrisse von unten nach oben in der Portlandzementbetonplatte (PCC), kalibriert aus Tests an der NAPTF.

FAA-FAARFIELD-Methode

Die FAA Rigid and Flexible Iterative Elastic Layer Design (FAARFIELD) Software ist das vorgeschriebene Werkzeug für die Bemessung von Flughafenfahrbahnen gemäß FAA Advisory Circular 150/5320-6G, veröffentlicht am 7. Juni 2021. FAARFIELD ersetzte die früheren FAA-CBR- und PCA-Methoden (Portland Cement Association) und repräsentiert den Stand der Technik bei der Dickenbemessung von Flugplatzfahrbahnen. Die Software ist kostenlos von der FAA Airport Technology Research & Development Branch erhältlich.

Geschichtete Elastizitätsanalyse

FAARFIELD verwendet je nach Fahrbahntyp zwei Strukturanalyse-Engines. Für die Bemessung flexibler Fahrbahnen verwendet die Software LEAF (Layered Elastic Analysis for FAARFIELD), ein Mehrschicht-Elastizitätsprogramm, das Spannungen, Dehnungen und Durchbiegungen innerhalb eines geschichteten Fahrbahnsystems unter Flugzeuglasten berechnet. LEAF nimmt an, dass jede Fahrbahnschicht homogen, isotrop und linear elastisch ist, wobei die Materialeigenschaften durch den Elastizitätsmodul (E) und die Querdehnungszahl (ν) definiert sind.

Für die Bemessung starrer Fahrbahnen verwendet FAARFIELD das NIKE3D-Finite-Elemente-Programm, ein dreidimensionales Finite-Elemente-Modell, das die diskrete Natur von Betonplatten, die Lastübertragung an Fugen durch Dübel und Zuschlagverzahnung sowie die unterstützende Wirkung von Untergrund und Tragschichten berücksichtigt. Das NIKE3D-Modell berechnet Kantenspannungen in der PCC-Platte, den kritischen Reaktionsparameter für die Ermüdungsbemessung starrer Fahrbahnen.

FAARFIELD verwendet die folgenden zulässigen Modulwerte und Querdehnungszahlen gemäß AC 150/5320-6G:

Kumulativer Schadensfaktor (CDF)

Der Kumulative Schadensfaktor (CDF) ist das zentrale Bemessungskriterium in FAARFIELD. Die Software wendet die Miner-Hypothese (Minersche Regel) für kumulative Ermüdungsschäden an, wobei der Schaden jeder Flugzeugüberfahrt als Verhältnis der aufgebrachten Lastwiederholungen zu den zulässigen Lastwiederholungen bis zum Versagen berechnet wird. Der CDF wird wie folgt berechnet:

CDF = Σ(nᵢ / Nᵢ)

Wobei nᵢ die Anzahl der aufgebrachten Lastwiederholungen des Flugzeugtyps i und Nᵢ die zulässige Anzahl der Lastwiederholungen des Flugzeugtyps i bis zum Versagen ist. Das Bemessungsziel ist es, über die Nutzungsdauer einen CDF von 1,0 oder weniger zu erreichen. Ein CDF von 1,0 zeigt an, dass 100% der Ermüdungslebensdauer der Fahrbahn verbraucht sind. Die Software passt die Schichtdicken iterativ an, bis das CDF-Kriterium erfüllt ist.

Der Flugzeugverkehr wird in FAARFIELD nicht als ESALs, sondern als Überfahrten charakterisiert, die Anzahl, wie oft ein bestimmter Punkt auf der Fahrbahn während seiner Nutzungsdauer von einem Flugzeugreifen belastet wird. Die Software berücksichtigt die seitliche Verteilung des Flugzeugverkehrs über die Fahrbahnbreite (Wandern), die Fahrwerkskonfiguration jedes Flugzeugs (Reifenabstand, Anzahl der Räder, Radlast) und das Verhältnis von Durchgängen zu Überfahrten, das die Gesamtzahl der Flugzeugdurchgänge mit der Anzahl der Überfahrten am kritischsten Punkt in Beziehung setzt.

FAARFIELD enthält eine umfassende integrierte Flugzeugbibliothek mit über 200 Flugzeugtypen, die jeweils durch Bruttogewicht, Fahrwerksgeometrie, Reifendruck und Radkonfiguration charakterisiert sind. Die Bibliothek umfasst alle kommerziellen Transportflugzeuge (Airbus, Boeing, Embraer, Bombardier usw.), Militärflugzeuge (C-5, C-17, C-130, F-15, F-16 usw.) und allgemeine Luftfahrtflugzeuge. Benutzer können auch benutzerdefinierte Flugzeuge über die Funktion “User Defined Vehicle” definieren.

Eingabeparameter

Die Qualität jeder Bemessung der Fahrbahndicke hängt direkt von der Genauigkeit und Repräsentativität ihrer Eingabeparameter ab. Alle Bemessungsmethoden erfordern die Charakterisierung von Verkehrslast, Untergrundunterstützung, Materialeigenschaften, Umweltbedingungen und Zuverlässigkeitsanforderungen.

Verkehr

Die Verkehrscharakterisierung unterscheidet sich grundlegend zwischen Autobahn- und Flughafen-Fahrbahnbemessungsmethoden. Für Autobahnfahrbahnen wird der Verkehr als äquivalente Einzelachslasten (ESALs) ausgedrückt, die kumulative Anzahl von 18.000 lb (80 kN) Einzelachslasten, die den gleichen Fahrbahnschaden verursachen würden wie der erwartete gemischte Verkehrsstrom. Das ESAL-Konzept wurde aus dem AASHO Road Test entwickelt und verwendet Lastäquivalenzfaktoren (LEFs), um verschiedene Achslasten und -konfigurationen in äquivalente 18-kip-Einzelachslasten umzuwandeln. Die AASHTO-1993-Methode berechnet ESALs wie folgt:

ESAL = (ADT₀) × (T) × (Tf) × (G) × (D) × (L) × 365 × Y

Wobei ADT₀ der durchschnittliche tägliche Verkehr zu Beginn des Bemessungszeitraums ist, T der Prozentsatz der Lastwagen, Tf der Lastwagenfaktor (ESALs pro Lastwagen), G der Verkehrswachstumsfaktor, D der Richtungsverteilungsfaktor, L der Fahrspurverteilungsfaktor und Y der Bemessungszeitraum in Jahren.

Für Flughafenfahrbahnen verwenden FAA-Methoden jährliche Abflüge jedes Flugzeugtyps, Verhältnisse von Durchgängen zu Überfahrten (P/C) und die Fahrwerkskonfiguration (Anzahl der Räder, Radabstand, Reifendruck). Die FAARFIELD-Software wandelt jährliche Abflüge direkt in Schadensbeiträge mithilfe des mechanistischen CDF-Ansatzes um, wobei jedes Flugzeug im gemischten Verkehrsstrom einzeln mit seiner spezifischen Fahrwerksgeometrie und Beladung berücksichtigt wird.

Untergrundfestigkeit

Die Untergrundfestigkeit wird in den wichtigsten Bemessungsmethoden unterschiedlich charakterisiert:

• AASHTO 1993 verwendet den Resilientmodul (MR) in psi, gemessen aus wiederholten Triaxialtests (AASHTO T307), geschätzt aus CBR mit MR = 1500 × CBR (für feinkörnige Böden mit CBR ≤ 10, vorbehaltlich erheblicher Schwankungen) oder aus FWD-Durchbiegungsdaten zurückgerechnet.
• AASHTOWare MEPDG verwendet den Resilientmodul (MR) mit saisonaler Variation (monatliche Werte über das Jahr), einschließlich der Auswirkungen von Frost-Tau-Zyklen und Feuchtigkeitsgehaltsänderungen auf die Untergrundsteifigkeit.
• FAA FAARFIELD verwendet das California Bearing Ratio (CBR) für flexible Fahrbahnen (umgewandelt in Modul mit der Beziehung E = 1500 × CBR) und den Bettungsmodul (k) in pci für starre Fahrbahnen, bestimmt aus Plattenlasttests (ASTM D1196) oder aus CBR mithilfe veröffentlichter Korrelationen geschätzt.
• FAA-CBR-Methode (historisch) verwendet CBR direkt mit Bemessungskurven, die das CBR des Untergrunds mit der erforderlichen Fahrbahndicke für jeden Flugzeugtyp in Beziehung setzen.

Die saisonale Variation der Untergrundfestigkeit ist sowohl bei der Autobahn- als auch bei der Flugplatzbemessung kritisch. Frost-Tau-Zyklen in kalten Regionen können die Untergrundunterstützung während des Frühjahrstauwetters um 50–70% reduzieren, während erhöhte Feuchtigkeitsgehalte in der Regenzeit die CBR-Werte in feinkörnigen Untergrundböden um 40% oder mehr senken können. Die AASHTO-1993-Methode berücksichtigt dies durch einen saisonal gemittelten MR, der berechnet wird, indem monatliche MR-Werte mit dem relativen Schaden jedes Monats gewichtet werden. Der MEPDG verarbeitet monatliche oder stündliche Variationen direkt.

Materialeigenschaften

Jede Fahrbahnschicht muss Materialeigenschaften zugewiesen bekommen, die ihren strukturellen Beitrag widerspiegeln. Für flexible Fahrbahnen ist die wichtigste Materialeigenschaft der dynamische Modul (E)* des Asphaltbetons, der temperaturabhängig und belastungsratenabhängig ist. Die AASHTO-1993-Methode verwendet einen einzelnen Modulwert bei 68°F (etwa 450.000 psi für typischen dicht abgestuften Asphalt), während der MEPDG die vollständige Temperatur- und Frequenzabhängigkeit durch eine Masterkurve verwendet, die aus Laborprüfungen erstellt wird.

Für ungebundene granulare Trag- und Untertragschichtmaterialien hängt der Resilientmodul vom Spannungszustand (Bulk-Spannung und Deviatorspannung) und Feuchtigkeitsgehalt ab. Der MEPDG modelliert diese Spannungsabhängigkeit mit dem k-θ-Modell: Mr = k₁ × θ^(k₂), wobei θ die Bulk-Spannung und k₁, k₂ Materialkonstanten sind. Die AASHTO-1993-Methode verwendet einen einzelnen repräsentativen Modulwert für jede Schicht.

Für starre Fahrbahnen sind die kritischen Materialeigenschaften die PCC-Biegezugfestigkeit (Biegefestigkeit) nach 28 Tagen (typischerweise 600–800 psi für Flughafenfahrbahnen), der PCC-Elastizitätsmodul (typischerweise 4.000.000 psi), der PCC-Wärmeausdehnungskoeffizient (etwa 5,5 × 10⁻⁶/°F) und das PCC-Raumgewicht (typischerweise 150 pcf).

Zuverlässigkeit

Der Zuverlässigkeitsfaktor berücksichtigt die Unsicherheit bei der Verkehrsvorhersage, Materialvariabilität, Bauqualität und Umwelteinflüsse. In der AASHTO-1993-Methode wird die Zuverlässigkeit als Prozentsatz (R) ausgedrückt und in eine Standardnormalabweichung (ZR) umgewandelt. Empfohlene Zuverlässigkeitsniveaus reichen von 50% für verkehrsarme lokale Straßen bis 99,9% für stark befahrene städtische Interstate-Autobahnen. Die Gesamtstandardabweichung (S₀) berücksichtigt die kombinierte Unsicherheit der Verkehrsvorhersage und der Fahrbahnleistungsvorhersage, typischerweise 0,35–0,50 für flexible Fahrbahnen und 0,30–0,40 für starre Fahrbahnen.

Der AASHTO-MEPDG integriert die Zuverlässigkeit auf der Ebene der Schadensvorhersage und nicht in der Bemessungsgleichung. Ein bestimmtes Zuverlässigkeitsniveau (z. B. 95%) bedeutet, dass erwartet wird, dass nur 5% der Fahrbahnabschnitte am Ende der Nutzungsdauer den Bemessungsschadensschwellenwert überschreiten.

FAA FAARFIELD enthält keinen formalen Zuverlässigkeitsfaktor im Dickenbemessungsalgorithmus. Stattdessen adressiert die FAA die Zuverlässigkeit durch Mindestschichtdickenanforderungen, konservative Materialeigenschafts-Standardwerte und obligatorische Qualitätskontrolle während des Baus.

Entwässerung

Die Entwässerung wird in jeder Bemessungsmethode unterschiedlich berücksichtigt. Die AASHTO-1993-Methode verwendet einen Entwässerungskoeffizienten (m), der auf ungebundene Trag- und Untertragschichten angewendet wird und von 0,40 (schlechte Entwässerung) bis 1,40 (ausgezeichnete Entwässerung) reicht. Der Koeffizient wird durch die Qualität der Entwässerung (Zeit, die zum Entfernen von Wasser erforderlich ist) und den Prozentsatz der Zeit bestimmt, in der die Fahrbahn nahezu gesättigten Feuchtigkeitsbedingungen ausgesetzt ist.

Der MEPDG adressiert die Entwässerung durch die Feuchtigkeitsumgebung der Fahrbahn, wobei die Grundwassertiefe, der Niederschlag und die Eigenschaften der Entwässerungsschicht den Porendruck und die effektive Spannung in ungebundenen Materialien direkt beeinflussen, was wiederum deren Resilientmodul beeinflusst.

FAA FAARFIELD und die FAA AC 150/5320-6G erfordern eine Entwässerungsschicht (P-211 oder P-212) unter starren Fahrbahnen und empfehlen eine Untergrundentwässerung für sowohl flexible als auch starre Fahrbahnen, wenn Wasserinfiltration ein Problem darstellt. Die Standard-Mindestdicke für die P-211-Entwässerungsschicht beträgt 4 Zoll.

Endgültige Gebrauchstauglichkeit

Die endgültige Gebrauchstauglichkeit (pₜ) ist das minimal akzeptable Niveau der Fahrbahnleistung am Ende der Nutzungsdauer, quantifiziert durch den Present Serviceability Index (PSI) in der AASHTO-Methode. Die PSI-Skala reicht von 5,0 (perfekter Zustand) bis 0,0 (nicht befahrbar), obwohl der praktische Bereich für reale Fahrbahnen etwa 4,5 bis 1,5 beträgt. Der PSI wird aus Fahrbahnrauheit (Steigungsvarianz), Rissen, Flickstellen und Spurrinnenmessungen mit der folgenden Gleichung bestimmt:

PSI = 5.03 − 1.91 × log₁₀(1 + SV) − 0.01 × √(C + P) − 1.38 × RD²

Wobei SV die Steigungsvarianz (Rauheit), C die Risse (ft²/1000 ft²), P die Flickstellen (ft²/1000 ft²) und RD die durchschnittliche Spurrinnentiefe (Zoll) ist.

Die AASHTO-1993-Methode definiert die anfängliche Gebrauchstauglichkeit (p₀) als den PSI unmittelbar nach dem Bau, typischerweise 4,2 für flexible Fahrbahnen und 4,5 für starre Fahrbahnen. Die endgültige Gebrauchstauglichkeit (pₜ) wird basierend auf der Straßenklassifizierung gewählt: 2,5–3,0 für Hauptstraßen (Interstates, Hauptverkehrsadern), 2,0–2,5 für Nebenstraßen (Sammelstraßen) und 1,5–2,0 für verkehrsarme Straßen. Der zulässige Gebrauchstauglichkeitsverlust ist ΔPSI = p₀ − pₜ, der zwischen verkehrsbedingten Schäden und Umwelteinflüssen (quellende Böden, Frosthebung) aufgeteilt wird mit:

ΔPSI = ΔPSI_TR + ΔPSI_SW + ΔPSI_FH

Für Flughafenfahrbahnen verwenden FAA-Methoden PSI nicht ausdrücklich als Bemessungseingabe. Stattdessen wird die Leistung in Bezug auf den CDF (kumulativer Schadensfaktor) definiert, der am Ende der Nutzungsdauer 1,0 erreicht, was dem Beginn struktureller Schäden entspricht (Ermüdungsrisse für flexible Fahrbahnen, Plattenrisse für starre Fahrbahnen).

Überzugsbemessung

Die Überzugsbemessung bestimmt die Dicke des zusätzlichen Fahrbahnmaterials (Asphalt oder Beton), das über eine bestehende Fahrbahn gelegt wird, um ihre Nutzungsdauer zu verlängern oder ihre strukturelle Kapazität zu erhöhen. Die Bemessungsmethodik hängt vom Typ der bestehenden Fahrbahn (flexibel oder starr), dem Typ des Überzugs (Asphalt, Beton oder Verbund) und dem Zustand der bestehenden Fahrbahn ab.

AASHTO-Überzugsmethode

Das AASHTO-1993-Überzugsbemessungsverfahren basiert auf dem Konzept des strukturellen Defizits: Die erforderliche Überzugsdicke wird bestimmt, indem die strukturelle Kapazität der bestehenden Fahrbahn (SN_eff) mit der strukturellen Kapazität verglichen wird, die für den zukünftigen Verkehr erforderlich ist (SN_future). Die erforderliche Überzugsstrukturzahl (SN_ol) ist:

SN_ol = SN_future − SN_eff

Die effektive Strukturzahl (SN_eff) der bestehenden Fahrbahn wird aus dem Zustand der Fahrbahn bestimmt. Für flexible Fahrbahnen wird SN_eff aus der Restnutzungsdauer berechnet, die aus dem Present Serviceability Index (PSI) abgeleitet wird. Der Restnutzungsdauerfaktor (RLF) wird auf die ursprüngliche Strukturzahl angewendet, um SN_eff zu erhalten. Zerstörungsfreie Prüfungen (FWD) können auch verwendet werden, um Schichtmodule zurückzurechnen und SN_eff direkt zu berechnen.

Die Überzugsdicke wird dann berechnet, indem SN_ol durch den strukturellen Schichtkoeffizienten des Überzugsmaterials (a_ol) dividiert wird, angepasst an den Verbundzustand zwischen der bestehenden Fahrbahn und dem Überzug:

D_ol = SN_ol / a_ol

Die AASHTO-Methode bietet auch separate Verfahren für: Asphaltüberzug über bestehende Asphaltfahrbahn (flexibel auf flexibel), Asphaltüberzug über bestehende Betonfahrbahn (flexibel auf starr, erfordert Kontrolle von Reflexionsrissen) und Betonüberzug über bestehende Betonfahrbahn (starr auf starr, verbunden oder unverbunden).

FAA-FAARFIELD-Überzugsmethode

FAARFIELD bietet Überzugsbemessungsfähigkeiten für vier Szenarien, alle dokumentiert in FAA AC 150/5320-6G und in Anhang H veranschaulicht: Asphaltüberzug auf flexibler Fahrbahn, Betonüberzug auf flexibler Fahrbahn, Asphaltüberzug auf starrer Fahrbahn und unverbundener Betonüberzug auf starrer Fahrbahn.

Für den Asphaltüberzug auf flexibler Fahrbahn wird die bestehende Fahrbahnstruktur in FAARFIELD durch Eingabe der bestehenden Schichtdicken und Materialtypen charakterisiert. Die Software bewertet die bestehende Struktur gegen den Bemessungsverkehr mit dem CDF-Ansatz. Wenn die bestehende Struktur für den Bemessungsverkehr einen CDF > 1,0 aufweist, bestimmt die Software iterativ die erforderliche Überzugsdicke, um CDF ≤ 1,0 zu erreichen.

Für den Asphaltüberzug auf starrer Fahrbahn modelliert FAARFIELD die bestehenden PCC-Platten als hochmodulige Tragschicht unter dem neuen Asphaltüberzug. Die Bemessung berücksichtigt das Potenzial für Reflexionsrisse durch Mindestüberzugsdickenanforderungen, die FAA spezifiziert eine Mindestdicke von 5 Zoll HMA-Überzug für strukturelle Überzüge über bestehende starre Fahrbahnen, um Reflexionsrisse zu kontrollieren.

Für den unverbundenen Betonüberzug auf starrer Fahrbahn (manchmal als “PCC auf PCC” bezeichnet) modelliert FAARFIELD den bestehenden PCC und den Überzugs-PCC als zwei separate Platten, die durch eine trennende Zwischenschicht (typischerweise 1 Zoll Asphalt oder Geotextil) getrennt sind. Die Bemessungssoftware berechnet Spannungen in beiden Platten mit dem 3D-FE-Modell und berechnet die kumulative Ermüdungsschädigung in jeder separat.

Bemessung vs. Ist-Zustand und Inspektionsbefunde

Die Beziehung zwischen der Bemessung der Fahrbahndicke und dem Ist-Zustand, wie er während der Bauqualitätssicherung und nachfolgenden Feldinspektionen beobachtet wird, ist entscheidend für das Verständnis, warum Fahrbahnen so abschneiden, wie sie es tun. Abweichungen zwischen den Bemessungsannahmen und den tatsächlichen Feldbedingungen sind die Hauptursache für vorzeitiges Fahrbahnversagen.

Häufige Abweichungen zwischen Bemessung und Ist-Zustand umfassen:

• Schichtdickenabweichungen: Kernproben vor Ort oder Bodenradarmessungen (GPR) zeigen häufig, dass die Schichtdicken um 0,5–1,5 Zoll von den Bemessungswerten abweichen. Die FAA AC 150/5320-6G erlaubt eine Toleranz von ±0,25 Zoll für die Dicke der Asphaltdeckschicht und ±0,5 Zoll für Trag- und Untertragschichten. Eine Reduzierung der Asphaltdicke um 1 Zoll kann die Ermüdungslebensdauer um 30–50% reduzieren.

• Materialeigenschaftsabweichungen: Der tatsächliche Modul des Asphaltbetons vor Ort hängt von der erreichten Dichte, dem Luftporengehalt, dem Bindemittelgehalt und der Gesteinskörnungabstufung ab. Eine Dichte, die 2% unter dem Zielwert liegt (typischerweise 96% von Marshall oder Superpave Gmm), kann den Modul um 20% reduzieren und die Ermüdungslebensdauer um den Faktor 2–4 verringern. Für PCC-Fahrbahnen kann eine Reduzierung der Biegezugfestigkeit um 100 psi (von 700 psi auf 600 psi) die zulässigen Lastwiederholungen um 50% reduzieren.

• Untergrundfestigkeitsabweichung: Der bei der Bemessung angenommene Resilientmodul des Untergrunds (abgeleitet aus einer begrenzten Anzahl von Bodenproben) entspricht möglicherweise nicht den tatsächlichen Standortbedingungen. Die Untergrundvariabilität über ein Projektgelände kann leicht einen Faktor von 2 im MR überspannen (z. B. von 5.000 psi auf 10.000 psi). Für eine typische flexible Fahrbahn, die auf MR = 7.500 psi ausgelegt ist, würde ein lokaler Bereich mit MR = 4.000 psi etwa 30% mehr strukturelle Kapazität erfordern als bereitgestellt.

• Verkehr, der die Bemessung überschreitet: Der tatsächliche kumulative Verkehr (ESALs für Autobahnen, jährliche Abflüge für Flughäfen) kann den Bemessungsverkehr aufgrund höherer als prognostizierter Wachstumsraten, betrieblicher Änderungen oder Flugzeugtypsubstitutionen überschreiten. Die FAA verlangt, dass Flughafenfahrbahnbemessungen eine 20-jährige Prognose des Flugzeugbetriebs berücksichtigen, der tatsächliche Verkehr kann erheblich von dieser Prognose abweichen.

• Bauqualitätsprobleme: Schlechte Verdichtung, unzureichende Nachbehandlung, unsachgemäße Fugenkonstruktion und thermische Entmischung in Heißasphalt erzeugen alle lokalisierte Schwachstellen, die unter Last kritisch werden.

Inspektionsmethoden zur Erkennung von Abweichungen zwischen Bemessung und Ist-Zustand:

Bodenradar (GPR) wird speziell in FAA AC 150/5320-6G Anhang E für die Bewertung der Fahrbahnschichtdicke behandelt. Die GPR-Untersuchung sendet elektromagnetische Impulse in die Fahrbahn und misst die reflektierten Signale, um die Schichtdicken zu bestimmen. Für flexible Fahrbahnen kann die GPR-Antenne Schichtgrenzen bis zu einer Auflösung von etwa 1 Zoll mit einer luftgekoppelten 1,5-GHz-Antenne oder einer bodengekoppelten 2,0-GHz-Antenne auflösen.

Der Dynamische Kegelpenetrometer (DCP) wird in FAA AC 150/5320-6G Anhang D für die schnelle In-situ-Bewertung der Festigkeit von Untergrund und Tragschicht behandelt. Der DCP misst den Eindringwiderstand von Fahrbahnschichten und Untergrund, indem ein 17,6 lb (8 kg) schwerer Hammer aus einer Entfernung von 22,6 Zoll (575 mm) fallen gelassen wird. Die Eindringrate (mm pro Schlag) wird mit etablierten Korrelationen (ASTM D6951) mit CBR, Resilientmodul und Bodenklassifizierung korreliert.

Zerstörungsfreie Prüfungen (NDT) mit dem Falling Weight Deflectometer (FWD), dokumentiert in FAA AC 150/5320-6G Anhang C, messen Fahrbahnoberflächendurchbiegungen unter einer Impulslast, die ein Flugzeugrad simuliert. Das von Sensoren in sieben radialen Abständen von der Lastplatte gemessene Durchbiegungsbecken wird verwendet, um Schichtmodule zurückzurechnen. Die Rückrechnung vergleicht das gemessene Durchbiegungsbecken mit theoretischen Durchbiegungen aus der geschichteten Elastizitätsanalyse für flexible Fahrbahnen oder der Finite-Elemente-Analyse für starre Fahrbahnen und passt dann die Schichtmodule iterativ an, um den Fehler zwischen gemessenen und berechneten Durchbiegungen zu minimieren. Die zurückgerechneten Module bieten eine In-situ-Bewertung der strukturellen Kapazität jeder Schicht, wie gebaut, die mit den Bemessungsannahmen verglichen werden kann.

Restnutzungsdauer der Fahrbahn

Die Restnutzungsdauer der Fahrbahn ist der Prozentsatz der strukturellen Kapazität einer Fahrbahn, der zu einem bestimmten Zeitpunkt ungenutzt bleibt, unter Berücksichtigung der bereits aufgebrachten Verkehrslasten und der bereits eingetretenen Umwelteinflüsse. Sie ist ein Schlüsselkonzept für das Fahrbahnmanagement, die Instandsetzungsplanung und die Budgetzuweisung.

Für die AASHTO-1993-Bemessung wird die Restnutzungsdauer aus dem Present Serviceability Index (PSI) berechnet. Die Beziehung zwischen Gebrauchstauglichkeitsverlust und Verkehrsanwendung folgt derselben empirischen Gleichung, die bei der Bemessung verwendet wird. Der Restnutzungsdauerfaktor (RLF) wird wie folgt berechnet:

RLF = (pₜ − p_min) / (p₀ − p_min)

Wobei pₜ der aktuelle endgültige Gebrauchstauglichkeitsschwellenwert ist, p₀ die anfängliche Gebrauchstauglichkeit (4,2 für flexibel) und p_min der minimal mögliche PSI (etwa 1,5). Wenn beispielsweise eine flexible Fahrbahn einen aktuellen PSI von 3,0 hat, mit p₀ = 4,2 und pₜ = 2,5, beträgt das Verhältnis der bereits verbrauchten Gebrauchstauglichkeit (4,2 − 3,0) / (4,2 − 2,5) = 0,71, was bedeutet, dass 71% der Gebrauchstauglichkeitslebensdauer verbraucht sind und 29% verbleiben. Dies ist jedoch ein gebrauchstauglichkeitsbasiertes Maß, keine direkte strukturelle Messung.

Für die FAARFIELD-Bemessung wird die Restnutzungsdauer direkt in Bezug auf den Kumulativen Schadensfaktor (CDF) ausgedrückt. Die Restnutzungsdauer in Prozent ist:

Restnutzungsdauer (%) = 100 × (1 − CDF_aktuell)

Wobei CDF_aktuell der kumulative Schadensfaktor ist, der für den bereits aufgebrachten Verkehr berechnet wird. Wenn beispielsweise nach 15 Jahren einer 20-jährigen Bemessung der verbrauchte CDF 0,65 beträgt, beträgt die Restnutzungsdauer 35% (100 × (1 − 0,65)). Es ist wichtig zu beachten, dass dies annimmt, dass der zukünftige Verkehr derselbe sein wird wie prognostiziert. Wenn der tatsächliche Verkehr von der Bemessungsprognose abweicht, muss die Restnutzungsdauer neu berechnet werden.

Für die Bewertung bestehender Fahrbahnen mit zerstörungsfreien Prüfungen (NDT) wird die Restnutzungsdauer geschätzt, indem die zurückgerechnete strukturelle Kapazität mit der für den zukünftigen Verkehr erforderlichen verglichen wird. Dieser Ansatz wird in FAA AC 150/5320-6G Kapitel 5 (Strukturelle Fahrbahnbewertung) beschrieben. Die Falling-Weight-Deflectometer-Daten (FWD) werden verwendet, um die effektive Strukturzahl (SN_eff) für flexible Fahrbahnen oder den effektiven Untergrund-k-Wert und PCC-Modul für starre Fahrbahnen zurückzurechnen. Die Restnutzungsdauer wird dann mit den ursprünglichen Bemessungsgleichungen berechnet, wobei die effektiven Strukturwerte für die Bemessungswerte eingesetzt werden.

Das FAA-Verfahren zur strukturellen Bewertung, dokumentiert in FAA AC 150/5320-6G Abschnitt 5.4, bietet ein Lebensdauerbewertungsmodul innerhalb von FAARFIELD, das die Restnutzungsdauer einer bestehenden Fahrbahnstruktur basierend auf aktuellem Verkehr und Materialeigenschaften berechnet. Die Bewertung beginnt mit der Definition der bestehenden Fahrbahnstruktur in der Software und führt dann die Funktion “Life Evaluation” aus, um den CDF für ein bestimmtes Verkehrsniveau und einen bestimmten Zeitraum zu berechnen. Wenn der CDF kleiner als 1,0 ist, hat die Fahrbahn eine Restnutzungsdauer, wenn der CDF gleich oder größer als 1,0 ist, ist ein struktureller Überzug erforderlich.

Software-Werkzeuge

Mehrere Software-Werkzeuge implementieren die oben beschriebenen Methoden zur Bemessung der Fahrbahndicke, die von einfachen empirischen Rechnern bis zu umfassenden mechanistisch-empirischen Analyseplattformen reichen.

FAARFIELD

FAARFIELD (FAA Rigid and Flexible Iterative Elastic Layer Design), Version 2.0 gemäß AC 150/5320-6G, ist die offizielle FAA-Software zur Fahrbahnbemessung für zivile Flughafenfahrbahnen. Sie ist kostenlos von der Website der FAA Airport Technology Research & Development erhältlich. FAARFIELD 2.0 umfasst: Bemessung flexibler Fahrbahnen mit LEAF-geschichteter Elastizitätsanalyse, Bemessung starrer Fahrbahnen mit NIKE3D-3D-FE, Überzugsbemessung für alle vier Fahrbahntypkombinationen (flexibel auf flexibel, Beton auf flexibel, flexibel auf starr, unverbundener Beton auf starr), Lebensdauerbewertung bestehender Fahrbahnen, eine Flugzeugbibliothek mit über 200 Flugzeugtypen, eine Funktion für benutzerdefinierte Fahrzeuge für kundenspezifische Flugzeuge oder Bodenausrüstung (GSE) und Berechnungen der Verdichtungsanforderungen.

AASHTOWare Pavement ME Design

AASHTOWare Pavement ME Design (früher als MEPDG bekannt) implementiert die Methodik des Mechanistic-Empirical Pavement Design Guide. Es ist die anspruchsvollste Fahrbahnbemessungssoftware für Autobahnfahrbahnen und bietet: vollständige mechanistisch-empirische Analyse mit inkrementeller Schadensberechnung, hierarchische Eingabestufen (1, 2 und 3), Klimamodellierung mit stündlichen Wetterdaten, Verkehrscharakterisierung als vollständige Lastspektren, Schadensvorhersage (Ermüdungsrisse, Spurrinnen, thermische Risse, IRI-Rauheit, Fugenversatz, Ausbrüche) und Zuverlässigkeitsanalyse auf der Ebene der Schadensvorhersage.

PaveXpress

PaveXpress ist ein kostenloses Online-Werkzeug zur Bemessung der Fahrbahndicke, das von der National Asphalt Pavement Association (NAPA) und dem Asphalt Institute entwickelt wurde. Es implementiert die AASHTO-1993-Bemessungsmethode für flexible und starre Fahrbahnen und die AASHTO-1998-Ergänzung für starre Fahrbahnen. PaveXpress bietet eine benutzerfreundliche Oberfläche, die für vorläufige Bemessungsarbeiten, Bemessungsüberprüfung und Bildungszwecke geeignet ist. Es läuft vollständig in einem Webbrowser, ohne dass eine Softwareinstallation erforderlich ist.

WinPAS

WinPAS (Windows Pavement Analysis Software) war der Vorgänger von FAARFIELD bei der FAA und wurde für die Bemessung von Flughafenfahrbahnen gemäß den Advisory Circulars 150/5320-6C und 6D verwendet. Es implementierte die FAA-CBR-Methode für flexible Fahrbahnen und die PCA-Methode für starre Fahrbahnen. WinPAS wurde durch FAARFIELD ersetzt und wird nicht mehr unterstützt oder gewartet.

Rückrechnungssoftware

Mehrere spezialisierte Software-Werkzeuge werden für die Rückrechnung von Schichtmodulen aus FWD-Durchbiegungsdaten verwendet: ELMOD (Evaluation of Layer Moduli and Overlay Design), MODULUS, EVERCALC und BISDEF. Diese Werkzeuge implementieren die geschichtete Elastizitätstheorie und Optimierungsalgorithmen, um gemessene Durchbiegungsbecken mit theoretischen Durchbiegungen abzugleichen, indem sie die Schichtmodule iterativ anpassen. Die zurückgerechneten Module werden in der Fahrbahnbewertung, der Überzugsbemessung und der Schätzung der Restnutzungsdauer gemäß den Verfahren in FAA AC 150/5320-6G Anhang C verwendet.

Zusammenfassungstabelle der Bemessungsmethoden