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Untersuchungen zur Frosteindringung in den Straßenaufbau

©2001 Diplomarbeit 109 Seiten

Zusammenfassung

Inhaltsangabe:Einleitung:
Das Ziel der am Institut für Straßenbau und Straßenerhaltung der Technischen Universität Wien verfassten Diplomarbeit war es, eine Methode zur Berechnung der Frosteindringtiefe in bituminöse Straßenbefestigungen zu finden und die wichtigsten Einflussfaktoren auf die Frosteindringung anhand einer Sensitivitätsanalyse zu ermitteln.
Zu diesem Zweck wurden unterschiedliche Berechnungsmethoden der Frosteindringung, nämlich die Näherungsformel von Behr, die Stefan-Formel, die Berggren-Formel, das Verfahren von Hain, das Wärmedämmschichtprogamm von BASF, das Verfahren nach Brown, die Methode nach Skaven-Haug und die Formel von Pusakow in Bezug auf die notwendigen Eingangsparameter und die Berechnungsergebnisse verglichen. Die nach diesen Methoden ermittelten Frosteindringtiefen in einem Modellaufbau wurden den an einem realen Versuchsaufbau gemessenen gegenübergestellt. Dabei zeigte sich, dass das Berechnungsverfahren von Skaven-Haug das geeignetste ist, weil mit einer geringen und leicht verfügbaren Anzahl an Eingangsdaten eine sehr gute Näherung für die Frosteindringtiefe erzielt werden kann.
Daher wurde diese Methode für eine Sensitivitätsanalyse zur Ermittlung der wichtigsten Einflussfaktoren auf die Frosteindringtiefe angewendet. Die Analyse ergab, dass der Wassergehalt und die Wärmeleitfähigkeit der Straßenbaumaterialien sowie der Frostindex der Luft die Frosteindringtiefe am stärksten beeinflussen, hingegen die Dicke der einzelnen Straßenbauschichten eine untergeordnete Rolle spielt. Die Auswirkungen der oben genannten Einflussfaktoren stellen sich folgendermaßen dar. Ist der Wassergehalt in der unteren Tragschicht und im Untergrund hoch, so resultiert daraus auf Grund des hohen Energieaufwands für das Gefrieren des Wassers eine kleine Frosteindringtiefe. Mit zunehmenden Wassergehalt steigt jedoch die Wärmeleitfähigkeit der verwendeten Straßenbaumaterialien. Ab einem bestimmten Wassergehalt ist der Einfluss der Wärmeleitfähigkeit stärker und der Frost dringt wieder tiefer in den Straßenaufbau ein. Ein ansteigender Frostindex der Luft bewirkt ebenfalls eine größere Frosteindringtiefe. Die Sensitivitätsanalyse hat gezeigt, dass ab einem Frostindex von 100 °C Tagen jeder Straßenoberbau vollständig durchgefroren ist und der Frost in den Unterbau eindringt. Wenn der Straßenoberbau dicker ausgeführt wird, dringt der Frost um annähernd das selbe Maß der Verdickung tiefer in den Untergrund ein. Die Ergebnisse dieser Diplomarbeit […]

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis


ID 5638
Spiegel, Markus: Untersuchungen zur Frosteindringung in den Straßenaufbau / Markus Spiegel
- Hamburg: Diplomica GmbH, 2002
Zugl.: Wien, Technische Universität, Diplomarbeit, 2001
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Diplomica GmbH
http://www.diplom.de, Hamburg 2002
Printed in Germany

Kurzfassung
Untersuchungen zur Frosteindringung in den Straßenaufbau
Das Ziel der vorliegenden Diplomarbeit ist, eine einfache Methode zur Berechnung
der Frosteindringtiefe zu finden, die alle wesentlichen Einflussfaktoren berücksichtigt.
Zu diesem Zweck werden die Straßenbaurichtlinien von Österreich, Schweiz, Frank-
reich und Deutschland hinsichtlich der Berücksichtigung des Frostes in der Straßen-
bautechnik untersucht. Anschließend werden unterschiedliche Berechnungsmetho-
den für die Frosteindringtiefe kritisch hinterfragt. Anhand von Vergleichsberechnun-
gen für einen Modellaufbau werden die nach den unterschiedlichen Methoden be-
rechneten Frosteindringtiefen, den an einem entsprechenden Versuchsaufbau ge-
messenen gegenübergestellt. Aufgrund dieses Vergleiches wird die Methode nach
Skaven-Haug für eine Sensitivitätsanalyse zur Ermittlung der Einflussfaktoren auf die
Frosteindringtiefe ausgewählt. Diese Analyse hat ergeben, dass die wichtigsten Ein-
flussfaktoren auf die Frosteindringtiefe der Wassergehalt, die Wärmeleitfähigkeit und
der Frostindex sind. Werden die Wärmeleitfähigkeit und der Frostindex gesteigert,
erhöht sich damit auch die Frosteindringtiefe. Im Gegensatz dazu bewirkt ein hoher
Wassergehalt ein Verkleinerung der Frosteindringtiefe.
Summary
Analysis of the frost penetration into the road construction
The objective of this master´s thesis is to find a simple method to calculate the frost
penetration and to find the most important factors of influence. For this reason the
guidelines for road construction of Austria, Switzerland, France and Germany are
investigated with regard to the consideration of frost in pavement design.
Furthermore different methods to calculate the frost penetration are explained. The
results of these calculations are compared to the real frost penetration, measured in
a field study. On the basis of this comparison the method of Skaven-Haug is selected
for an analysis of sensivity. This study shows, that the most important factors as
regards frost penetration are the water content, the heat conductivity and the frost
index. A raising of the heat conductivity and the frost index causes a higher frost
penetration, whereas a raising of the water content reduces the frost penetration.

Vorwort
Mein Interesse daran, die Frosteindringung in den Straßenaufbau näher zu untersu-
chen, weckte Univ. Ass. Dipl. ­Ing. Michael Wistuba, dem ich vor allem für seine An-
regungen und die intensive Betreuung herzlich danken möchte.
Wichtige Beiträge verdanke ich auch Univ. Prof. Dipl. ­Ing. Johann Litzka, der sich
für meine Anliegen viel Zeit genommen hat.
Meinen Eltern Elfriede und Karl Spiegl möchte ich sagen, dass ich die Ermöglichung
meiner Ausbildung sehr zu schätzen weiß. Ihnen und meinen fünf Geschwistern ver-
danke ich viel Verständnis und großen familiären Rückhalt. Ihnen widme ich diese
Diplomarbeit.
Wien, im November 2001
Markus Spiegl

INHALTSVERZEICHNIS
1. Einleitung und Zielsetzung ... 1
2. Frosteinwirkung im Straßenkörper ... 2
2.1. Eislinsenbildung ... 3
2.2. Frosthebungen ... 4
2.3. Tauschäden ... 6
3. Berücksichtigung des Frostes in europäischen Straßenbaurichtlinien ... 7
3.1. Österreich... 7
3.2. Schweiz... 12
3.3. Frankreich ... 21
3.4. Deutschland ... 29
4. Berechnung der Frosteindringung in den Straßenaufbau... 36
4.1. Begriffsdefinitionen... 36
4.2. Wärmedämmschichtprogramm WDSP... 47
4.3. Näherungsformel von Behr ... 54
4.4. Näherungsformel nach Hain ... 58
4.5. Beziehung nach Brown ... 64
4.6. Stefan - Formel ... 65
4.7. Berggren - Formel ... 66
4.8. Methode nach Skaven-Haug ... 68
4.9. Methode von Pusakow... 71
4.10. Vergleich der Berechnungsmethoden ... 71
5. Sensitivitätsanalyse zur Ermittlung der Einflussfaktoren auf die
Frosteindringtiefe ... 82
5.1. Gewählter Modellaufbau ... 82
5.2. Frostindex und Schichtdicke ... 83
5.3. Wassergehalt und Wärmeleitfähigkeit ... 85
5.4. Kombination aller Einflussfaktoren ... 89
5.5. Schlussfolgerung... 91
6. Zusammenfassung... 92
Literaturliste ... 95
Anhang ... 98

1. Einleitung und Zielsetzung
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1. Einleitung und Zielsetzung
Neben den Verkehrsbelastungen sind die klimatischen Einwirkungen auf die Straße
wesentliche Einflussgrößen für die Zustandsentwicklung einer Straßenbefestigung. In
den gemäßigten Klimaregionen Mitteleuropas ist das Frostphänomen eine bestim-
mende Klimakomponente während der kalten Jahreszeit. Aufgrund der schwanken-
den Temperaturen um den Gefrierpunkt treten in den Wintermonaten vermehrt Frost-
Tau-Wechsel auf, die in Verbindung mit Wasser in all seinen Erscheinungsformen
den Straßenaufbau sehr stark beanspruchen.
Das Ziel dieser Diplomarbeit ist es einerseits, verschiedene europäische Straßen-
baurichtlinien hinsichtlich der Berücksichtigung des Frostphänomens zu untersuchen.
Es wird ermittelt, welche Anforderungen an das Material und den Untergrund gestellt
werden, unter welchen Bedingungen eine Dimensionierung auf Frost erfolgt und wie
bei dieser Dimensionierung vorgegangen wird.
Andererseits werden in dieser Diplomarbeit unterschiedliche Berechnungsmethoden
zur Ermittlung der Frosteindringtiefe in den Straßenaufbau, wie das Computerpro-
gramm WDSP (Wärmedämmschichtprogramm,
BASF) und einfachere Nähe-
rungsverfahren erläutert und kritisch hinterfragt. Anhand von Vergleichsberechnun-
gen für einen Modellaufbau werden die nach den unterschiedlichen Methoden be-
rechneten Frosteindringtiefen den an einem entsprechenden Versuchsaufbau ge-
messenen gegenübergestellt.
Nach der Auswahl einer Berechnungsmethode werden abschließend anhand einer
Sensitivitätsanalyse die bestimmenden Einflussfaktoren auf die Frosteindringtiefe
ermittelt und ihre Auswirkungen an einem gewählten Modellaufbau dargestellt.

2. Frosteinwirkung im Straßenkörper
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2. Frosteinwirkung im Straßenkörper
Unter Frostwirkung sind sämtliche physikalischen Erscheinungen zu verstehen, die in
den Materialen des Straßenaufbaus während der Zeit, in der die Temperatur weniger
als 0°C beträgt, auftreten. Die Klimakomponente Frost spielt eine wesentliche Rolle
in den gemäßigten Klimaregionen Mitteleuropas. Aufgrund der schwankenden Tem-
peraturen um den Gefrierpunkt treten während der Wintermonate vermehrt Frost-
Tau-Wechsel auf. Diese Frost-Tau-Wechsel ergeben gemeinsam mit dem ständig
anwesenden Wasser in all seinen Erscheinungsformen schwierige Bedingungen für
den Straßenbau.
Eine sehr wichtige Erscheinungsform des Wassers ist Eis. Es entsteht beim Gefrie-
ren von Wasser durch Abgabe von Wärme. Aufgrund der Volumenzunahme von rund
10 % (siehe Abbildung 2.1) entwickelt das in den Hohlräumen eingeschlossene Eis
eine Sprengwirkung, die die Straßenbefestigung zerstören kann.
Abbildung 2.1: Spezifisches Volumen von Wasser und Eis in Abhängigkeit von der Temperatur [5]

2. Frosteinwirkung im Straßenkörper
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2.1. Eislinsenbildung
Das Frieren des Bodens und die damit verbundene Änderung des Wasserhaushaltes
findet in Abhängigkeit von der Kornform und der Mineralogie des Bodens auf unter-
schiedliche Weise statt [6]. Handelt es sich beim Boden um einen nichtbindigen Bo-
den, so gefriert dieser homogen. Es kommt beim Gefrieren dieses Bodens zu keiner
Volumenzunahme, wenn der Boden nicht wassergesättigt ist, weil nur der Anteil der
Luftporen verkleinert wird. Sollte der Boden wassergesättigt sein, erfolgt - solange
das Bodenwasser aus der Gefrierzone in den Grundwasserleiter ausgepresst werden
kann - keine Volumenvergrößerung. Ist das Auspressen nicht möglich, kommt es zu
Frosthebungen.
Handelt es sich beim Boden um einen bindigen Boden, so gefriert dieser inhomogen.
Sollten aber sehr tiefe Temperaturen vorherrschen und es zu einer schnellen Abküh-
lung kommen, sodass die Zeit für eine Änderung der Verteilung des Bodenwassers
nicht ausreicht, dann kann es auch bei bindigem Boden homogenen Bodenfrost ge-
ben. In der Regel gefriert er aber inhomogen und es bilden sich sogenannte Eislin-
sen. Grund für die Eislinsenbildung sind thermodynamische Vorgänge an der Grenz-
fläche Wasser-Eis (siehe Abbildung 2.2). Bei diesem Vorgang wird Wasser aus dem
ungefrorenen Untergrund angesaugt, wodurch sich eine zur Oberfläche gerichtete
Wasserströmung ausbildet. Durch dieses Ansaugen steigt der Wassergehalt in der
Frostzone, was wiederum zu einem Wachsen der Eislinsen führt. Die Menge des
hochgesogenen und zu Eis umgewandelten Wasser ist abhängig von
· der Einwirkungsdauer des Frostes,
· der Frostintensität,
· dem wirksamen Korndurchmesser der Bodenteilchen,
· der Wasserdurchlässigkeit des Bodens,
· den Wasserverhältnissen (Bodenfeuchtigkeit, Grundwasserstand),
· mineralphysikalischen und ­chemischen Eigenschaften der Feinstkornan-
teile [5].

2. Frosteinwirkung im Straßenkörper
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1 Mineralteilchen im gefrorenen Boden; 2 Mineralteilchen an der Gefrierfront; 3 Mineralteilchen im
positiven Bereich; 4 Sorptionswasser, das auch bei tiefen Temperaturen nicht gefriert; 5 Solvatations-
wasserhülle, deren äußere Wassermoleküle zur Eisbildung entzogen werden; 6 Wassernachschub
aus angrenzenden Solvatationswasserhüllen; 7 nadelförmiges Eis, das sich aus dem Kapillar- und
Porenwasser bei 0°C bildet; 8 schuppenförmiges Eis; 9 Luftblasen; 10 Kapillar- und Porenwasser bei
positiver Temperatur, das Wasserhüllen auffüllt; 11 Frosthebung
Abbildung 2.2: Schema der Wasserwanderung im Baugrund [30]
2.2. Frosthebungen
Infolge der Eislinsenbildung beim inhomogenen Bodenfrieren kommt es zu un-
gleichmäßigen Frosthebungen. Diese Frosthebungen zeigen sich besonders bei As-
phaltkonstruktionen in Form von Wellen, Beulen und Buckeln. Diese Verformungen
führen oft zu Rissen, weil bituminöse Straßenbefestigungen bei tiefen Temperaturen
eine hohe Steifigkeit aufweisen. Unterschiedlich starke Hebungen über den Straßen-
querschnitt werden auch dann hervorgerufen, wenn seitlich der schneefreien Straße
Schnee abgelagert wird, weil dadurch der Frost unterschiedlich tief in den Straßen-
aufbau eindringt (der abgelagerte Schnee wirkt wie eine Dämmung) (siehe Abbildung
2.3).

2. Frosteinwirkung im Straßenkörper
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Abbildung 2.3: Beispiel für ungleiche Hebungen, festgestellt durch eine Aufgrabung [5]
Die Abbildung 2.4 zeigt Längsrisse in einer Betondecke, die durch die Einwirkung
von Frost hervorgerufen wurden.
Abbildung 2.4: Frostrisse in einer Betondecke ­ Beispiel für Frostrisse und beginnende Froststufe an
der Querfuge [5]
Aufgrund dieser Schäden wird die Qualität der Straße vermindert. Im Frühjahr
schmelzen durch das Eindringen von Wärme in den Untergrund die Eislinsen, wo-
durch die Frosthebungen zurückgehen. Die zuvor entstanden Risse schließen sich
aber meistens nicht vollständig, und dadurch bilden sie den Ausgangspunkt für wei-

2. Frosteinwirkung im Straßenkörper
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tere Schädigungen. Ein weitere Effekt der in der Tauperiode auftritt, ist die Verringe-
rung der Tragfähigkeit der Straße, was sogenannte Tauschäden hervorruft.
2.3. Tauschäden
In der Auftauphase des Bodens kommt es oft zu einer Wasseranreicherung in einer
bestimmten Tiefenzone. Dadurch wird die Tragfähigkeit des Untergrundes vermindert
und es treten in der Folge Tauschäden auf. Der Grund für diese Schäden ist, dass
das Schmelzwasser der Eislinsen am Abfließen gehindert wird. Ursache dafür kann
sein, dass einerseits der Boden darunter noch gefroren ist, oder anderseits die zu
geringe Durchlässigkeit frostgefährdeter Böden. Der Boden nimmt eine weiche bis
breiige Konsistenz an, und die Lastabtragung erfolgt nun über das im Boden einge-
spannte Wasser. Nimmt die Belastung zu und die Einspannung geht verloren, weil
der gefrorene Boden auftaut oder weil das Bodenwasser wegen des höheren Drucks
ausgepresst wird, dann geht die Tragfähigkeit verloren und es entstehen starke Ver-
formungen von Untergrund, Trag- und Deckschichten. Typische Tauschäden bei As-
phaltstraßen sind Einzel- und Netzrisse, Frostaufbrüche (Schlaglöcher) oder Verdrü-
ckungen (Spurrinnen) (siehe Abbildung 2.5).
Abbildung 2.5: Durch Frost-Tau-Wechsel geschädigte Asphaltdecke in verschiedenen über den gan-
zen Querschnitt verlaufenden Bereichen [5]

3. Berücksichtigung des Frostes in europäischen Straßenbaurichtlinien
3.1. Österreich
3.2. Schweiz
3.3. Frankreich
3.4. Deutschland
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3. Berücksichtigung des Frostes in europäischen
Straßenbaurichtlinien
In diesem Kapitel werden unterschiedliche europäische Straßenbaunormen hinsicht-
lich der Berücksichtigung des Frostphänomens verglichen. Herangezogen werden
die Normen aus der Schweiz, Frankreich, Deutschland und Österreich.
3.1. Österreich
(a) Berücksichtigung von Frost in der Oberbaubemessung
Das österreichische Bemessungskonzept für den Straßenoberbau, das früher sowohl
empirische als auch analytische Grundlagen enthielt, wurde 1997 durch ein einheit-
lich analytisches Modell ersetzt [3]. Das bedeutet, dass das Langzeitverhalten des
Oberbaus analytisch nachvollzogen wird und so der Oberbau bemessen wird.
Das Problem Frost wird in der österreichischen Richtlinie zur Oberbaubemessung [3]
nicht wie bei den anderen europäischen Richtlinien durch eine gesonderte Berech-
nung auf Frost berücksichtigt. Hingegen werden die jahreszeitlichen Schwankungen
der Untergrundtragfähigkeit (Winter sehr hoch, Frühjahr niedrig aufgrund der Taupe-
riode) berücksichtigt. Die jahreszeitlichen Änderungen in der Tragfähigkeit des Un-
tergrundes werden von den klimatischen Bedingungen, der Art des Bodens und
dessen hydrologischen Eigenschaften beeinflusst. Sie werden im österreichischen
Oberbaubemessungsmodell durch eine Einteilung des Jahres in vier Tragfähigkeits-
perioden berücksichtigt (siehe Abbildung 3.1 und Tabelle 3.1).

3. Berücksichtigung des Frostes in europäischen Straßenbaurichtlinien
3.1. Österreich
3.2. Schweiz
3.3. Frankreich
3.4. Deutschland
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Abbildung 3.1: Änderung der Untergrundtragfähigkeit einer Straßenbefestigung mit der Jahreszeit [13]
Tragfähigkeitsperiode
Untergrundtrag-
fähigkeit [%]
Angesetzter Modul
E
dyn
[MN/m²]
16.12. ­ 15.03.
200
280
16.03. ­ 15.05.
50
70
16.05. ­ 15.06.
70
100
16.06. ­ 15.12.
100
140
Tabelle 3.1: Festlegung der Untergrundtragfähigkeit in Abhängigkeit von der Jahresperiode im öster-
reichischen Bemessungsmodell [13]
(b) Berücksichtigung von Frost bei der Auswahl der Materialien für den
Straßenoberbau
Zur Gewährleistung eines dauernden Widerstands des Straßenoberbaus gegen
Frosteinwirkung, wird im österreichischen Richtlinienwerk die Frostbeständigkeit des
Einzelkorns und die Frostsicherheit der Schichten des Straßenaufbaus gefordert [3].
Alle im Straßenbau eingesetzten Körnungen müssen ,,frostbeständig" sein. Dazu
werden sie mit dem sogenannten Frost ­ Tau ­Versuch gemäß der ÖNORM B 3123

3. Berücksichtigung des Frostes in europäischen Straßenbaurichtlinien
3.1. Österreich
3.2. Schweiz
3.3. Frankreich
3.4. Deutschland
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Teil 3 bzw. prEN 1367 Teil 1 [33] geprüft. Ein Maß für die Festigkeit der Körnungen
ist der Los Angeles Wert (LA - Wert), der mittels LA - Trommelmühle gemäß der
ÖNORM B 3128 [34] bestimmt wird. Dabei werden 2500 g des gesiebten und ge-
trockneten Prüfgutes gemeinsam mit sieben Prüfkugeln aus Stahl in die Mühle gege-
ben und 500 mal gedreht. Danach wird das Material am 1,6 mm Maschensieb nass
gesiebt und anschließend getrocknet. Der Siebrückstand bestimmt den LA-Wert. Der
selbe Test wird auch am befrosteten Material (10 Frost-Tau-
Wechselbeanspruchungen) durchgeführt. Die Differenz dieser beiden LA - Werte er-
gibt den
LA - Wert. Werden die Anforderungen gemäß Tabelle 3.2 erfüllt, so ist das
Gesteinskorn des Straßenbaumaterial frostbeständig.
Eigenschaften Gesteinsmaterial
Anforderungen
Frostbeständigkeit
RK, KK, BK
EKK, EBK
2% Absplitterungen < 1,6 mm
LA 20%
1% Absplitterungen < 1,6 mm
LA 20%
Tabelle 3.2: Anforderungen für Korngruppen gem. RVS 8.01.11 [3]
Neben der Forderung nach der Frostbeständigkeit des Einzelkornes fordert die öster-
reichische Richtlinie, dass Korngemische für den Bau von ungebundenen Trag-
schichten ,,frostsicher" sein müssen. Korngemische sind dann frostsicher, wenn der
Korngrößenanteil <0,063 mm, bezogen auf das rechnerische Größtkorn, nach dem
Baustelleneinbau
4 M-% ist. Bei erprobten Materialien gilt als Grenze 5 M-%. Sollte
dieser Wert überschritten werden, so ist das Mineralkriterium auf Korngemische aus
natürlichem Gestein anzuwenden. Das Kriterium besagt, dass der Korngrößenanteil
<0,020 mm die in der folgenden Zusammenstellung (siehe Tabelle 3.3) in Abhängig-
keit vom Mineralbestand angeführten Höchstwerte nicht überschreiten darf. Bei den
Mineralien wird zwischen nicht aktiven und aktiven unterschieden. Nicht aktive Mine-
rale, bzw. die Frostsicherheit nicht beeinflussende Minerale, sind zum Beispiel Kar-
bonate, Quarze und Feldspäte. Nachteilig verhalten sich hingegen Schichtsilikate der
Kaolinit- oder der Glimmergruppe. Die Abbildung 3.2 zeigt, ab wann von einem
frostsicheren Korngemisch gesprochen werden kann.

3. Berücksichtigung des Frostes in europäischen Straßenbaurichtlinien
3.1. Österreich
3.2. Schweiz
3.3. Frankreich
3.4. Deutschland
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*) siehe Tabelle 3.3
Abbildung 3.2: Prüfung der Frostsicherheit ungebundener Schichten im Straßenoberbau gemäß RVS
8S.05.11 [3]

3. Berücksichtigung des Frostes in europäischen Straßenbaurichtlinien
3.1. Österreich
3.2. Schweiz
3.3. Frankreich
3.4. Deutschland
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Tabelle 3.3: Mineralkriterium gemäß ÖNORM B 4810 [36]
(c)
Zusammenfassung
In Österreich wird dem Phänomen Frost durch die Forderungen, dass sowohl das
Einzelkorn frostbeständig als auch das Korngemisch frostsicher sein muss, entgegen
gewirkt (gemäß RVS 8S.05.11 ,,Ungebundene Tragschichten" und RVS 8.01.11 ,,Ge-
steinskörnungen für den Straßenbau"). Bei der Oberbaubemessung wird die Frost-
bzw. Tauwirkung durch eine entsprechende Variation der Untergrundtragfähigkeit bei
der zugrundeliegenden analytischen Bemessung Rechnung getragen.

3. Berücksichtigung des Frostes in europäischen Straßenbaurichtlinien
3.1. Österreich
3.2. Schweiz
3.3. Frankreich
3.4. Deutschland
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3.2. Schweiz
(a) Berücksichtigung von Frost in der Oberbaubemessung
Die Schweizer Norm zur Bemessung des Straßenoberbaus orientiert sich am
AASHTO Interim Guide [22]. Der AASHO-ROAD-TEST (1959-62) ist eine wichtige
Grundlage für viele Straßenbau­Regelwerke. In den USA wurden Versuchsabschnit-
te mit verschiedenen Oberbautypen gebaut und mit einer gewissen Anzahl an Über-
gängen einer Standardachslast von 8,16 to beansprucht. Neben Verformungsmes-
sungen wurden Straßenzustandsparameter aus Befragungen von Testfahrern abge-
leitet. Anhand dieser Informationen wurden schließlich mittels Korrelationsrechnun-
gen, welche den Zusammenhang der subjektiven und der objektiven Daten herstell-
ten, Berechnungsmethoden zur Beschreibung des Straßenzustands entwickelt [22].
Für die Oberbaudimensionierung unter Einbeziehung des Frostphänomens sind die
Schweizer Normen ,,Dimensionierung - Untergrund und Unterbau (1997)" (SN 640
317b), ,,Frost (2001)" (SN 670 140a) und ,,Dimensionierung - Straßenoberbau (1997)"
(SN 640 324a) von Interesse.
Zu Beginn der Oberbaudimensionierung ist eine Ermittlung der zu erwartenden Ver-
kehrsstärke und der Untergrundtragfähigkeit nötig. Dabei werden sechs Verkehrs-
klassen (T1 = "sehr leicht" bis T6 = "extrem schwer") und fünf Bodentragfähigkeits-
klassen (S0 = "sehr gering" bis S4 = "sehr hoch") gemäß Tabelle 3.4 unterschieden.
Die Einteilung erfolgt nach den in der Tabelle angeführten Kennwerten.
Tragfähigkeitsklasse
M
E1
[MN/m²]
E
V1
[MN/m²]
CBR
[%]
k
[MN/m³]
S0
S1
S2
S3
S4
sehr gering
gering
mittel
hoch
sehr hoch
< 6
6 ... 15
> 15 ... 30
> 30 ... 60
> 60
< 4,5
4,5 ... 11,25
> 11,25 ... 22,5
> 22,5 ... 45
> 45
< 3
3 ... 6
> 6 ... 12
> 12 ... 25
> 25
< 15
15 ... 30
> 30 ... 60
> 60 ... 100
> 100
Tabelle 3.4: Bodenklassen mit zugehörigen Bodenkennwerten [1]

3. Berücksichtigung des Frostes in europäischen Straßenbaurichtlinien
3.1. Österreich
3.2. Schweiz
3.3. Frankreich
3.4. Deutschland
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Die in Tabelle 3.4 dargestellten Bodenkennwerte werden im Folgenden erläutert.
Der M
E1
-Wert ist wie der E
V1
ein Maß für die Verformbarkeit und Tragfähigkeit des
Bodens. Beide werden aus der Drucksetzungslinie der Erstbelastung beim Lastplat-
tenversuch ermittelt. Der Unterschied zwischen den beiden Werten liegt in der Bere-
chung. Der M
E1
-Wert wird mittels Gleichung 1 und der E
V1
-Wert mittels Gleichung 2
berechnet.
D
M
E1
=
i
i
s
[MN/m²]
Gleichung 1
D
75
,
0
M
E1
=
i
i
s
[MN/m²]
Gleichung 2
i
ist die Differenz der von der Platte auf den Boden übertragenen Normalspannun-
gen zwischen den zwei Laststufen, ausgedrückt in [MN/m²].
s
i
symbolisiert die Diffe-
renz der Setzungen der Platte bei Änderung der Normalspannung um
i
, ausge-
drückt in [mm]. D steht für den Plattendurchmesser von 298,5 mm.
Die Abkürzung CBR steht für California Bearing Ratio und gibt Auskunft über die
Tragfähigkeit eines Bodens. Der Wert wird im Sommer bei günstigen hydrologischen
Verhältnissen im Feldversuch (entspricht dem CBR-Wert), bzw. im Laborversuch
(entspricht dem CBR
2
-Wert) bestimmt. Die Bestimmung im Feld erfolgt mittels eines
sogenannten CBR-Penetrometer, das aus einem Kopfstück, einer Stange und einem
Kegelspitz (
12,7mm) besteht. Der Kegelspitz wird mit einer konstanten
Geschwindigkeit in den Boden gedrückt. In bestimmten Tiefen wird der CBR-Wert
gemessen. Der Versuch wird bis zu einer Tiefe von 60 cm durchgeführt.
Der CBR-Versuch im Labor wird an einer im CBR-Topf eingebauten Probe mit opti-
malem Wassergehalt durchgeführt. Für den Versuch wird 6 kg Material aus der Un-
tersuchungsprobe mit einem Größtkorn
16 mm benötigt. Das Material wird im CBR-

3. Berücksichtigung des Frostes in europäischen Straßenbaurichtlinien
3.1. Österreich
3.2. Schweiz
3.3. Frankreich
3.4. Deutschland
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Topf in 5 Schichten eingebaut und mittels eines Fallhammers (4,54 kg) aus einer
Fallhöhe von 457 mm verdichtet. Nach Wasserlagerung wird der CBR-Topf unter die
Presse gestellt und die Eindringtiefe eines mit gleichbleibender Geschwindigkeit ein-
gepressten Stempels gemessen. Die am Kraftmesser abgelesene Werte werden in
Abhängigkeit der Eindringtiefe als Lasteindringungskurve aufgetragen [1]. Die Be-
rechnung erfolgt anhand der Gleichung 3.
[ ]
100
00196
,
0
7000
kN
Kraft
CBR
=
[%]
Gleichung 3
Der k-Wert in Tabelle 3.4 ist der sogenannte Reaktions- oder Bettungsmodul nach
Westergaard [1] und kann ebenfalls zur Bestimmung der Tragfähigkeit verwendet
werden.
Eine andere Möglichkeit, den Boden einer Tragfähigkeitsklasse zuzuordnen, besteht
in Abhängigkeit der Bodenart gemäß Tabelle 3.5.
Bodenart Mögliche
Tragfähigkeitsklassen
kohäsive, quellende Böden
(z. B. Mergel)
Abklärung durch
Spezialuntersuchungen
feinkörnige Böden
(Silte und Tone)
S0 bis S2
mittelkörnige Böden
(Sande)
S2 bis S3
grobkörnige Böden
(Kiese)
S3 bis S4
Tabelle 3.5: Bodenklassen in Abhängigkeit der Bodenart [1]
Die Böden werden nicht nur in Tragfähigkeitsklassen eingeteilt, sondern es wird auch
das Maß der Frostempfindlichkeit bestimmt, was in weiterer Folge wichtig für die Di-
mensionierung auf Frost ist. Sollte es sich um Straßen mit leichtem bis mittlerem
Verkehr handeln, so wird in dieser Richtlinie ein größeres Frostschadensrisiko in
Kauf genommen. Um nun festzustellen, ob eine Dimensionierung auf Frost durchzu-

3. Berücksichtigung des Frostes in europäischen Straßenbaurichtlinien
3.1. Österreich
3.2. Schweiz
3.3. Frankreich
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führen ist, müssen zuerst folgende drei Punkte bestimmt werden:
1. In Abhängigkeit von der Bodenart und dem Feinkornanteil wird nach Tabelle 3.6
die Frostempfindlichkeitsklasse des Untergrundes ermittelt.
2. Der sogenannte kritische Frostindex der Straßenoberfläche FI*
s
in [°C
Tag], wel-
cher dem Ausmaß an Frost entspricht, dem der Oberbau widerstehen kann, ist
in Abhängigkeit der Bodentragfähigkeitsklasse, der Verkehrslastklasse und des
Oberbautyps dem Oberbaukatalog zu entnehmen (siehe Tabelle 3.7).
3. Die Ermittlung des vorhanden atmosphärischen Frostindex FI
s
in [°C
Tag] der
Straße kann nach Gleichung 4 erfolgen.
FI
s
= FI ­ RI
[°C
Tag]
Gleichung 4
FI
Frostindex der Luft - Er entspricht dem Mittelwert aus den drei kältesten
Wintern in 30 Jahren. Der Wert ist einer Karte der Schweiz, die der
Norm beigelegt ist, zu entnehmen. Die Berechnung erfolgt nach der
Methode des globalen Indexes oder mit der Methode der partiellen In-
dices gemäß SN 670 140a [1].
RI
Strahlungsindex - Dieser Wert ist abhängig von der Sonnenschein-
dauer und der Beschattung. Auch hierfür können entsprechende Anga-
ben der Norm entnommen werden.

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Daten / Donnes Ergebnis
/
Résultat
USCS gemäss
SN 670 008a
USCS selon
SN 670 008a
Feinanteil (Korn-
grösse kleiner als
0,02 mm) in %
Pourcentage de la
fraction plus petite
que 0,02 mm en %
Plastizitäts-
Index I
P
[%]
Indice de
plasticité I
P
[%]
Steilheits-
koeffizient
C
ud
­ d
60
/d
10
Degré
d´uniformité
C
ud
­ d
60
/d
10
Frostempfindlichkeits-
klasse
Degré de gélivité
< 3
G1
GW, GP
1...4 >
80
G1
­
G2
< 3
G1
3...8 G2
GW-GM, GP-GM
> 3
> 80
G2 ­ G3
3...8 G2
GW-GC,
GP-GC
> 3
> 80
G2 ­ G3
< 3
G1
3...8 G2
GM
> 3
> 80
G2 ­ G3
GC, GC-GM
G3 ­ G4
< 3
G1
SW, SP
1...3 >
80
G1
­
G2
3...10
G2
SW-SM,
SP-SM
> 5
> 80
G2 ­ G3
> 3
G2
SW-SC
SP-SC
> 5
G2 ­ G3
3...10
G2
> 5
> 80
G2 ­ G3
SM
> 15
G3
SC, SC-SV
G3
>
12 G3
ML
<
12 G4
CL-ML
G4
CL
G3
­
G4
>
20 G3
CM
<
20
G3
­
G4
MH
G3
CH
G2
OL
G2
­
G3
OH, Pt
sehr unterschiedlich
trés variable
Bändertone und andere feinkörnige
Bändersedimente
Argiles stratifiées et autres sédiments
stratifiés à grains fins
G4
G1
vernachlässigbar
G1
négligeable
G2
leicht
G2
faible
G3
mittel
G3
moyen
G4
stark
G4
fort
Tabelle 3.6: Einteilung der Böden in Frostempfindlichkeitsklassen aufgrund ihrer Korngrößenverteilung
und Plastizitätseigenschaften in Anwendung der USCS - Klassifikation gemäß SN 670 008a [1]

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Oberbautyp 1 2 3 4 5 6
Tragfähigkeitskl. S1 S2 S3 S1 S2 S3 S1 S2 S3 S1 S2 S3 S1 S2 S3 S1 S2 S3
Verkehrslastkl
T1
T2
T3
T4
T5
T6
250
300
450
450
450
550
200
200
200
250
250
300
150
150
150
150
200
200
200
300
300
350
400
450
150
200
250
250
250
300
150
150
150
200
200
200
150
150
150
200
200
250
150
150
150
150
200
200
150
150
150
150
150
150
250
300
350
350
450
500
200
250
250
250
300
300
-
-
-
-
250
250
150
200
250
250
350
400
150
200
200
200
250
300
150
150
150
150
200
250
-
250
250
250
350
400
-
-
-
250
300
350
-
-
-
-
-
-
Tabelle 3.7: Bestimmung des Faktors FI*
s
für die Frostempfindlichkeitsklassen G3 und G4 [1]
In der Richtlinie sind zwei Bedingungen für die Berechnung auf Frost festgelegt:
1. Es muss sich um Böden der Frostempfindlichkeitsklasse G3 und G4 gemäß
Tabelle 3.6 handeln.
2. Der kritische Frostindex der Straßenoberfläche FI*
s
muss kleiner sein als der vor-
handene atmosphärische Frostindex FI
s
.
Werden beide Bedingungen erfüllt, ist eine Berechnung auf Frost erforderlich. Die
Einschränkung auf die Klassen G3 und G4 gemäß Tabelle 3.6 erfolgt, weil für diese
Böden die hydrogeologischen Bedingungen als ungünstig angenommen werden.
Sollten nun extreme hydrogeologische Bedingungen vorhanden sein (z. B.: tiefer
Einschnitt), müssen auch bei Böden der Frostempfindlichkeit G2 Maßnahmen zur
Verhütung von Frost- und Auftauschäden getroffen werden.
Daraus ergeben sich folgende vier Faktoren von denen das Auftreten von Frost- und
Auftauschäden abhängig ist:
1. Frostempfindlichkeit des Bodens
2. Frosteindringtiefe X
30
, bestimmt aus dem Frostindex der Straßen-
oberfläche FI
s
3. hydrogeologische Verhältnisse
4. Gesamtdicke des Oberbaus

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Ist eine Berechnung auf Frost erforderlich, wird folgende Formel angewendet:
d
s
f X
30
[cm]
Gleichung 5
Unter d
s
ist die gesamte vorhandene Oberbaudicke zu verstehen. Sie ist abhängig
vom Oberbautyp, der dem Oberbaukatalog zu entnehmen ist.
Der Frostdimensionierungsfaktor f ist in Abhängigkeit von Oberbautyp, Frostempfind-
lichkeit und Verkehrslastklasse anhand der Tabelle 3.8 zu bestimmen.
X
30
ist die maximale Frosteindringtiefe in 30 Jahren. Der Wert ist sowohl von der
schon vorhandenen Oberbaudicke (bei Straßenneubauten ist d
s
= 0), der Trocken-
dichte bzw. dem Wassergehalt, als auch vom Frostindex der Straße FI
s
und der
Frostempfindlichkeitsklasse (G3 oder G4) abhängig. Zur Bestimmung von X
30
dienen
die Diagramme in Abbildung 3.3 [1].
Oberbautyp
1
2
3, 4, 6
5
Frostempfindlichkeit
G3 G4 G3 G4 G3 G4 G3 G4
FI
S
Verkehrslastklasse
< 400
T1, T2, T3
T4,
T5,
T6
400 ... 600
T1, T2, T3
T4,
T5,
T6
> 600
T1, T2, T3
T4,
T5,
T6
0,50
0,45
0,50
0,45
0,55
0,50
0,60
0,55
0,60
0,55
0,65
0,60
0,45
0,40
0,45
0,45
0,50
0,50
0,55
0,50
0,55
0,55
0,60
0,60
0,40
0,35
0,45
0,40
0,50
0,45
0,50
0,45
0,55
0,50
0,60
0,55
0,35
0,30
0,40
0,35
0,45
0,40
0,45
0,40
0,50
0,45
0,50
0,45
Tabelle 3.8: Bestimmung des Faktors f für die Frostempfindlichkeitsklassen G3 und G4 [1]

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Abbildung 3.3: Bestimmung des Faktors X
30
für die Frostempfindlichkeitsklassen G3 und G4 in Ab-
hängigkeit des Frostindexes der Straße [1]

Details

Seiten
Erscheinungsform
Originalausgabe
Jahr
2001
ISBN (eBook)
9783832456382
ISBN (Paperback)
9783838656380
DOI
10.3239/9783832456382
Dateigröße
2.5 MB
Sprache
Deutsch
Institution / Hochschule
Technische Universität Wien – Bauingenieurwesen
Erscheinungsdatum
2002 (Juli)
Note
1,0
Schlagworte
asphaltstraßenbau straßenbau frostschäden frost oberbau
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