UHLIG & WEHLING GmbH – Ingenieurgesellschaft

Entwicklung eines zerstörungsfreien In-situ-Prüfverfahrens für die gebundenen Schichten des Oberbaus von Straßen mittels opto-akustischer Messtechnik – 
ZOPAS

Problemstellung

Der konstruktive Zustand der gebundenen Schichten des Straßenoberbaus, insbesondere der Asphalttragschichten, stellt eine zentrale Grundlage für die Planung von Erhaltungs- und Erneuerungsmaßnahmen dar. Derzeit verfügbare Mess- und Prüfverfahren erlauben jedoch überwiegend nur Aussagen zum Oberflächenzustand oder liefern lediglich punktuelle Informationen über den inneren Schichtaufbau. Eine flächenhafte, zerstörungsfreie und wirtschaftlich vertretbare Ermittlung konstruktiver Zustandsparameter ist mit den bestehenden Verfahren derzeit nicht möglich. Insbesondere materialrelevante Kenngrößen wie Steifigkeitsmodule einzelner Schichten können bislang nur durch zerstörende Eingriffe, beispielsweise mittels Kernbohrungen mit anschließenden Laboruntersuchungen, bestimmt werden. Diese Vorgehensweise ist mit hohem Aufwand verbunden und erlaubt keine kontinuierliche oder großflächige Zustandsbewertung.

Projektziel

Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung eines zerstörungsfreien In-situ-Prüfverfahrens zur flächenhaften, konstruktiven Charakterisierung gebundener Fahrbahnschichten des Straßenoberbaus auf Basis einer neuartigen opto-akustischen Messtechnik. Das Prüfverfahren soll es ermöglichen, materialmechanische Zustandsgrößen, insbesondere den Elastizitätsmodul (E-Modul) einzelner Schichten, ortsaufgelöst und ohne zerstörende Eingriffe zu bestimmen.

Ein zentrales wissenschaftlich-technisches Arbeitsziel besteht in der schichtweisen Trennung der akustischen Signalinformationen in komplexen, mehrlagigen Fahrbahnaufbauten. Hierzu sollen dispersive Oberflächenwellen analysiert und mit mechanischen Modellen gekoppelt werden, sodass eine Zuordnung der Messsignale zu einzelnen Schichten des Oberbaus möglich wird. Aufbauend auf diesen Ergebnissen sollen Änderungen im Dispersionsverhalten gezielt mit substanzbedingten Veränderungen wie Rissbildung, Delamination oder Materialermüdung korreliert werden.

Darüber hinaus zielt das Vorhaben darauf ab, die opto-akustische Messtechnik für eine mobile Anwendung im Straßenbau zu qualifizieren. Hierzu gehört die Anpassung des Versuchsaufbaus an reale Infrastruktur- und Fahrbahnverhältnisse sowie die Entwicklung einer reproduzierbaren, schnellen Datenakquise. Perspektivisch soll das Prüfverfahren nicht nur Aussagen zum aktuellen konstruktiven Zustand liefern, sondern auch die Grundlage für eine Prognose der Substanz und der Restnutzungsdauer gebundener Fahrbahnschichten schaffen.

Durchführung

Zur Erreichung der definierten Arbeitsziele wird ein integrierter Lösungsansatz verfolgt, der die optische Signalanregung, die akustische Signaldetektion sowie die modellbasierte Auswertung der Messdaten miteinander verbindet. Die opto-akustische Messtechnik wird hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit auf Fahrbahnoberflächen aus Asphalt und Beton optimiert. Trotz der hohen Signaldämpfung in Asphaltkörpern soll es möglich sein, laserinduzierte Schockwellensignale in Entfernungen von bis zu etwa drei Metern zuverlässig zu detektieren.

Im Rahmen der Datenakquise wird untersucht, welche Detektionsstrategie – kontaktierende Beschleunigungsaufnehmer (B-Aufnehmer) mit definierter Absenkvorrichtung oder berührungslose Laservibrometer – sich am besten für eine mobile, punktuelle und perspektivisch kontinuierliche Messanwendung eignet. Ziel ist es, eine robuste und zugleich wirtschaftliche Lösung für den praktischen Einsatz im Straßenbau zu identifizieren.

Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der Entwicklung eines anwendungsorientierten Auswertealgorithmus. Die aufgenommenen akustischen Signale sollen unter Berücksichtigung der Randbedingungen des Schichtverbundes mithilfe von Finite-Elemente-Modellen beschrieben und mit der Auswertung dispersiver Oberflächenwellen nach der MASW-Methode gekoppelt werden. Die Inversion der Modellparameter erfolgt unter Verwendung geeigneter Optimierungsverfahren, beispielsweise auf Basis des Levenberg-Marquardt-Ansatzes. Durch Sensitivitätsanalysen und Modellordnungsreduktion (ROM) wird angestrebt, die Rechenmodelle so zu vereinfachen, dass eine Überführung vom Postprozess hin zu einem nahezu echtzeitfähigen Live-Prozess möglich wird.

Begleitend werden industrielle Schnittstellen zur schnellen und ressourceneffizienten digitalen Weiterverarbeitung der Messdaten entwickelt. Dadurch soll eine direkte Integration der opto-akustischen Messtechnik in ein mobiles Gesamtsystem ermöglicht werden, das auch unter praxisnahen Randbedingungen eingesetzt werden kann.

Verbundkoordinator
Uhlig & Wehling GmbH, Ingenieurgesellschaft, Mittweida

Projektlaufzeit
01.06.2026 – 31.12.2028

Projektpartner

• Hochschule Mittweida, Mittweida
• Gesellschaft für Akustikforschung Dresden mbH, Dresden
• Technische Universität Dresden, Dresden
• SINUS Messtechnik GmbH, Leipzig

Ansprechpartner
Uhlig & Wehling GmbH
Dr.-Ing. Wolf Uhlig
03727 / 976-230
w.uhlig@uhlig-wehling.de

Machine Learning-basiertes Degradationsmonitoring für Asphaltstraßenbefestigungen – SenAD2

Problemstellung
Der strukturelle Zustand der Asphalttragschicht hat wesentlichen Einfluss auf die Nutzungsdauer einer Straße. Zur Beurteilung des strukturellen Zustands stehen gegenwärtig jedoch nur zerstörende Messverfahren mittels Bohrkernentnahme zur Verfügung, bei denen die Straße zusätzlich geschädigt wird. Eine flächendeckende, kontinuierliche Zustandsbewertung der Substanz von Straßen ist aufgrund des damit verbundenen hohen Aufwandes sowie der induzierten Schädigung nicht realisierbar, gleichzeitig jedoch Voraussetzung für ein nachhaltiges Straßenerhaltungsmanagement.

Projektziel
Ziel des Projektes ist ein datenbasiertes Monitoringsystem zur zerstörungsfreien, kontinuierlichen und flächendeckenden Bestimmung und Prognose des Degradationsgrads von Asphaltstraßen. Die Innovation des Vorhabens liegt insbesondere in der Nutzung von KI-Verfahren zur Analyse von Daten aus der Asphalttragschicht, die mittels eines neu zu entwickelnden Sensorsystems direkt aus der Schicht gewonnen werden. Damit werden zukünftig flächenübergreifende, echtzeitbasierte Aussagen zum konstruktiven Straßenzustand und damit effektive, nachhaltige Erhaltungsmaßnahmen möglich.

Durchführung
Zum Einbau in die Asphalttragschicht wird ein neuartiges, funktionalisiertes Gewebe hergestellt und somit ein robustes, autarkes Messsystem integriert. Die damit erfassten Messsignale bilden die zunehmende Materialdegradation im Laufe der Straßennutzungsdauer ab. Zur Auswertung der erstmalig verfügbaren Daten werden durch Machine Learning unter Berücksichtigung weiterer Daten zwei Modelle gelernt, die sowohl den aktuellen als auch den prognostizierten Degradationszustand ermitteln. Messsystem und Analysemodelle werden im Labormaßstab erprobt sowie auf Versuchsstrecken evaluiert.

Verbundkoordinator
Uhlig & Wehling GmbH, Ingenieurgesellschaft, Mittweida

Projektlaufzeit
06/2024 – 05/2027

Projektpartner

• AS+BE Asphalt- und Betonstraßenbau GmbH, Berlin
• Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V., München
• Hochschule Magdeburg-Stendal, Magdeburg
• Hochschule Hannover, Hannover
• time4innovation UG, Senftenberg

Ansprechpartner
Uhlig & Wehling GmbH
Dr.-Ing. Wolf Uhlig
03727 / 976-230
w.uhlig@uhlig-wehling.de