Date post: | 18-Aug-2015 |
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Optimierte Planungsunterlagen zur Strassensanierung
Wie trägt mobile Vermessung zu einer hochwertigen und kostenreduzierten Belagssanierung bei?Mobile Vermessung trägt dazu bei, Belagssanierungen effizient und hochwertig auszuführen und gleichzeitig Kosten und Zeitbedarf zu senken. Anhand eines Beispiels aus der Praxis wird aufgezeigt, wie Strassenbelag in Zukunft dank mobil erfassten Daten in kurzer Zeit ausgetauscht werden kann. Ein Ausblick macht deutlich, welches Potenzial die Kombination mobiler Vermessungsverfahren mit automatischer Maschinensteuerung aufweist.
Belagssanierungen sind ein Gebot der Verkehrssicherheit. Das Schweizer Strassennetz ist eines der dichtesten Strassennetze weltweit. Die Anforderungen an die Qualität von Belag und Strassenkörper sind in der Schweiz besonders hoch – einerseits aufgrund der hohen Verkehrsdichte, andererseits aufgrund grosser Temperaturschwankungen. Demzufolge nutzen sich Strassen beläge heute stärker ab als vor zehn Jahren und verursachen so einen hohen Sanierungsbedarf. Gemäss dem Fachverband Infra müssen in den nächsten zehn Jahren z. B. im Kanton Zürich 620 km Kantonsstrassen saniert werden.
Anforderungen an eine optimierte Strassensanierung Zunehmender Kostendruck zwingt alle Verantwortlichen dazu, Belagssanierungen effizienter und kostengünstiger durchzuführen. Strassensperrungen sollten vermieden oder reduziert werden. Somit muss der Strassenbelag in immer kürzeren Zeitspannen ausgetauscht werden. Oft ist der aktuelle Zustand des Strassenaufbaus, der Asphaltmächtigkeit und der Strassenoberfläche heute nicht ausreichend dokumentiert. Aufgrund vorhergehender Sanierungsarbeiten darf nicht von einem homogenen Strassenaufbau ausgegangen werden.
Für eine zeit und kostenoptimierte Belagssanierung sind folgende Geoinformationen erforderlich: • Geländemodelle der Asphaltoberkante, resp. Strassen
oberfläche;
DE
VON GABRIELE KADNERDipl.-Geologin, Key Account Managerterra vermessungen ag
VON SIMON RICKENBACHERDipl.-Ingenieur, Abteilungsleiter Mobile Vermessung terra vermessungen ag
• Dicke der Asphaltschicht;
• Strassenaufbau;• Lage der Armierung
bei Brücken, Kunstbauten oder Betonplatten;
• Überdeckung der Armierung.
Als solide Planungsgrundlage sind 3DModelle, Schnitte und Pläne erforderlich, die die Asphalt
mächtigkeit, Schichtgrenzen sowie Geometrie von Strassen und Brücken aufzeigen. Das Baumaterial und das zu entsorgende Material sollen möglichst reduziert und optimiert werden. Gleichzeitig dürfen bei der Ausführung der Sanierung keine Kompromisse eingegangen und müssen hohe Qualitätsstandards für National und Kantonsstrassen erfüllt werden.Ein weiterer Aspekt sind Sicherheitsanforderungen auf den Baustellen. Der Einsatz mobiler Messverfahren und automatischer Lösungen, wie z. B. automatisch gesteuerter Baumaschinen, reduziert den Aufwand bei Aufnahmen und Absteckungen, die Anzahl der Arbeitsschritte und folglich den Personaleinsatz auf der Baustelle.
Messverfahren der mobilen Vermessung Die Verfahren der mobilen Datenerfassung können in zwei Kategorien eingeteilt werden, solche die das Bauwerk von aussen betrachten, z. B. 3DLaserscanning und fotooptische Verfahren, und jene, die in das Bauwerk hineinschauen, z. B. Georadarmessungen. In Kombination liefern diese Messverfahren ein ganzheitliches Bild des Bauwerks hinsichtlich seiner Geometrie und relevanten Eigenschaften.
VON CHRISTIAN MEYERDipl.-Ingenieur, Abteilungsleiter Monitoringterra vermessungen ag
VON DR.ELMAR STROBACHMSc Geophysikterra vermessungen ag
FACHARTIKEL
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1 | Mobile Mapping mit 3D-Laserscanning, 1. Schritt: Punktwolke. 1 | Mapping mobile avec balayage laser 3D, 1ère étape: nuage de points.
2 | Mobiles 3D-Laserscanning, Resultat: Dreiecksvermaschung. 2 | Balayage laser 3D mobile, résultat: maillage triangulaire.
3 | Mobiles 3D-Laserscanning, Resultat: Bruchkanten. 3 | Balayage laser 3D mobile, résultat: lignes de rupture.
4 | 3D-Modell basierend auf mobilem 3D-Laserscanning. 4 | Modèle 3D basé sur le balayage laser 3D mobile.
Mobile Vermessung: 3D-LaserscanningBei der mobilen Vermessung erfolgt die Aufnahme der Umgebung mit hochauflösenden 3DLaserscannern, die alle sichtbaren Objekte im Strassenraum dreidimensional erfassen. Als Resultat liegt eine detaillierte dreidimensionale Punktwolke in Landeskoordinaten vor, aus der 3DModelle, Pläne und Schnitte erzeugt werden können. Mobile Mapping mit 3DLaserscanning erreicht eine höhere Genauigkeit als bildbasierte Methoden. Aus diesem Grund
wird Mobile Mapping mit 3DLaserscanning bevorzugt eingesetzt, wenn mit mobiler Vermessung auf Strassen und Brücken genaue, geometrische Daten für Planungsunterlagen erfasst werden müssen. Die gewünschte bzw. benötigte räumliche Auflösung und die Messgenauigkeit beeinflussen den Zeitbedarf für Messungen und Auswertungen, daher ist eine gute Bedarfsanalyse wichtig. Die Georeferenzierung der Messungen erfolgt in der Regel per GPS und Inertialsystem. Dank der Positionierung mittels Tachymeter können mit mobilem Laserscanning z. B. auch im Tunnel gemessen und absolute Genauigkeiten von 1 cm erreicht werden. Die relativen Genauigkeiten, z. B. innerhalb eines Profils, liegen bei wenigen Millimetern.
Georadarmessungen – zerstörungsfreie MessmethodenGeoradarmessungen sind als zerstörungsfreie Methoden zur Erkundung des Strassenaufbaus und von Kunstbauten gut geeignet. Das Georadar sendet einen elektromagnetischen Impuls, der aufgrund seiner vergleichsweise niedrigen Frequenz in den Untergrund bzw. das Bauwerk eindringt und an Grenzschichten, Armierungseisen oder Ähnlichem reflektiert wird. Diese Reflektionen werden von der Empfangsantenne in regelmässigem Abstand aufgezeichnet und in einem Radargramm grafisch dargestellt. Die Wahl der Messfrequenz beeinflusst die Auflösung und Eindringtiefe des Signals. Um den oberflächennahen Strassenaufbau zu charakterisieren, z. B. Asphaltdicken oder die Armierungsüberdeckung bei Brückenplatten, werden Messfrequenzen im GHzBereich verwendet. Für die Erkundung des tieferen Strassenaufbaus sind Frequenzen zwischen 400 und 1000 MHz geeignet. Georadarmessungen unterscheiden sich bezüglich der Genauigkeit und Datenauswertung von der oben beschriebenen mobilen Vermessung mit Laserscanning. Georadarmessungen erreichen Genauigkeiten von ±10 % der Eindringtiefe oder besser. Bei geringen Asphaltdicken sind Genauigkeiten von 0,5 cm bis 1 cm üblich. Vor jeder Messung wird anhand der vorhandenen Information geklärt, ob der Georadareinsatz sinnvoll und machbar ist. Randbedingungen, wie z. B. Betonplatten, die mit einer Aluminiumschicht abgedichtet sind, führen dazu, dass das Georadarsignal fast vollständig von der Folie reflektiert wird und somit ausschliesslich der Bereich oberhalb dieser Schicht beurteilt werden kann. Die Witterung beeinflusst Georadaruntersuchung ebenfalls. Feuchte, mit Salz gestreute Strassen können in der Regel mittels Georadar nicht gemessen werden.
Synergieeffekte und Sparpotenzial dank kombinierten, mobilen Vermessungsverfahren Zur Beschaffung aktueller Planungsgrundlagen bei Strassenbauprojekten wird Mobile Mapping mit 3DLaserscanning heute bereits oft eingesetzt. Eine konsequente Verknüpfung aller Arbeitsschritte, von der ersten Datenerfassung mit mobilen Vermessungsmethoden bis hin zur automatischen Bau
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5 | Messaufbau Georadar. 5 | Le system géoradar.
Comment la mesure mobile contribuetelle à un assainissement de grande qualité du revêtement routier?
La mesure mobile contribue à mettre en œuvre un assainisse-ment efficace et de qualité du revêtement routier, tout en ré-duisant les coûts et le temps requis. Sur la base d’un exemple pratique, nous vous montrons comment le revêtement routier
pourra à l’avenir être rapidement remplacé grâce aux données collectées en mobilité. Un aperçu prospectif met en évidence le potentiel que recèle l’association entre les procédés de mesure mobile et la commande automatisée des machines.
FR
maschinensteuerung für das Fräsen des Belags bzw. für den Einbau eines neuen Strassenbelags mit 3DFertigern ist im Strassenbau noch Neuland. Mit Mobile Mapping wird die Geometrie der Strassenoberfläche mittels 3DLaserscanning erfasst. Georadarmessungen erkunden den Strassenaufbau zerstörungsfrei. Eine kombinierte Datenauswertung liefert 3DModelle auf deren Basis verbesserte Längs und Querprofile und somit ebenere Strassen erstellt werden können. Entlang dieser Profile kann der Belag mit einer automatisch gesteuerten 3DBelagsfräse entfernt werden oder der Asphalt mittels 3DFertigern eingebaut werden.
Aus einer Hand optimierte PlanungsgrundlagenKombinierte, mobile Vermessung liefert für Strassen und Brückensanierungen aus einer Hand optimierte Planungsgrundlagen. Vor Baubeginn werden die Geometrie der Strassenoberflächen, die Asphaltdicke, die Lage der Armierung sowie die Überdeckung der Armierung flächendeckend und
dreidimensional erfasst. Der Auftraggeber erhält ein flächenhaftes Geländemodell der Belagsoberfläche, die Schichtstärken des Oberbaus werden zerstörungsfrei ermittelt und somit 3DDaten für das Deckenbuch geliefert.Die so erzeugten optimierten Planungsgrundlagen tragen dazu bei, dass bei Belagssanierungen die Anzahl der Arbeitsschritte reduziert werden kann. Durch das Fräsen des Belags mit automatisch gesteuerten 3DFräsen können bis zu 80 % der Absteckungskosten eingespart werden. Ein optimiertes Fräsen des Belags kann z. B. entlang einer Materialgrenze erfolgen und somit die Materialmengen für den Neubau und die Entsorgung verringern. Der Belag wird ressourcen schonend saniert, und es werden Entsorgungs bzw. Recyclingkosten gespart. Beim Einbau des neuen Strassenbelags mittels 3DFertigern tragen 3DPlanungsdaten ebenfalls dazu bei, einen grossen Teil der Absteckungskosten einzusparen. Aufgrund kombinierter mobiler 3DDatenerfassung wird die Qualität des neuen Strassenbelags verbessert. Arbeitsabläufe in der Ausführungsphase werden optimiert. Kosten, Zeit, Strassensperrungen und Ressourcen im Gesamtprojekt werden reduziert.
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Aktuelles Projektbeispiel: Strassensanierung einer Nationalstrasse
AufgabenstellungDie Belagsschicht muss auf einer Länge von 15 Kilometern saniert werden. Der Auftraggeber möchte eine automatisch gesteuerte Asphaltfräse einsetzen. Der Unterbau der Strasse besteht aus einzelnen armierten Betonplatten von ca. 10 m Länge. Die Betonplatten liegen zum Teil schräg, die daraus resultierende Asphaltüberdeckung ist somit in der Lage und Höhe unregelmässig. Die Asphaltschicht muss vollständig
entfernt werden, gleichzeitig darf nicht in die darunterliegenden Betonplatten und ihre Armierung gefräst werden. Für die automatische Steuerung der Asphaltfräse, mit der die Unterkante des Asphalts gefräst werden soll, müssen vor den Ausführungsarbeiten Angaben zur Mächtigkeit der Asphaltdeckschicht ermittelt werden. Die Fräse soll automatisch in 3D gesteuert werden, sodass der Asphalt restlos und möglichst zielgenau entfernt wird. Weiterhin sollen aus den 3DDaten Informationen für das Deckenbuch gewonnen werden und Massenberechnungen, wie die zu entsorgende Asphaltmenge und der Bedarf an neuem Baumaterial, ermittelt werden.
Vorspannkabel
ArmierungseisenUK Asphalt
441.8442.0
442.2
Rechtswert [m]
Hoc
hwer
t [m
]
0.05 0.075 0.1 0.125 0.15Asphaltmächtigkeit [cm]
Dilatationsfuge DilatationsfugeBrückenplattenkoten
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2000
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6 | Detailaufnahme Brücke mit bodengekoppeltem Georadar (2.3 GHz). Lage von UK Asphalt, Armierungseisen und Vorspannkabel ermitteln.6 | Vue détaillée d’un pont avec un géoradar couplé au sol (2,3 GHz). Déterminer la position de l’asphalte UK, des fers d’armature et des câbles de précontrainte.
7 | Flächenhafte Erkundung mittels Georadar, geschlossene Oberfläche nach Interpolation der einzelnen Messprofile, hier Oberkante Brückenplatte (Betonplatte) als Höhenisolinienplan mit farbiger Unterlegung der entsprechenden Asphaltmächtigkeit.7 | Reconnaissance spatiale par géoradar, surface fermée après interpolation des différents profils de mesure, ici bord supérieur de tablier (plaque de béton) sous forme de plan des courbes de niveau, avec coloration des différentes épaisseurs d’asphalte.
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Messtechnische Lösung mittels mobiler VermessungFür dieses Projekt wird die absolute Lage der Oberkante der Betonplatten benötigt. Eine Kombination aus Mobile Mapping, also mobiler Vermessung mit 3DLaserscanning, und Georadarmessungen ist für diese Aufgabe geeignet, weil die kombinierte Methode die hohen Anforderungen an die Genauigkeit und Auflösung der Daten erfüllt. Aus der resultierenden 3DPunktwolke wurde für diesen Strassenabschnitt zunächst ein Oberflächenmodell der aktuellen Strassenoberkante erstellt. Die Asphaltdicke wurde mit Georadarmessungen bestimmt. Für diese zweispurige Nationalstrasse wurden insgesamt drei Messfahrten mit jeweils zwei Messprofilen im laufenden Verkehr gemessen. Hieraus ergeben sich flächenhafte Messdaten mit einer Auflösung von ca. 10 cm in Fahrtrichtung und 1–1,5 m senkrecht zur Fahrtrichtung, mit der die Lage und Orientierung der Betonplatten ausreichend genau bestimmt werden konnte. Die Höhe der Oberkante der Betonplatten ergibt sich nun aus der Differenz der Asphaltoberkante des 3DOberflächenmodells und der aus den Georadardaten ermittelten Asphaltdicke.
Automatische Maschinensteuerung und Ressourcenplanung mittels 3D-DatenVor dem Bauprozess wurden die Daten bereits zur optimierten Planung der benötigten Baustellenressourcen herangezogen. Zum Beispiel erlauben Volumenberechnungen eine Planung der benötigten Transporteinsätze zum Abtransport des anfallenden Asphaltabraums sowie die Mengen des benötigten Asphalts zum Einbau. Dank den kombinierten 3DDaten kann die obere Asphaltschicht mit einer automatisch gesteuerten 3DFräse genau entfernt werden. Anschliessend bilden die 3DDaten wiederum die Basis für den Einbau des Belags mittels 3DFertiger.
AusblickAktuell werden Strassen oft noch mit altbekannten Arbeitsabläufen gebaut. Ein deutlicher Trend zur Prozess optimierung im Strassenbau ist nur mit moderner Datenerfassung, Datennutzung und Archivierung machbar. Genauso wie BIM Building Information Modeling zurzeit im Hochbau eine neue Ära mit optimierten Arbeitsprozessen einläutet, kann die Verknüpfung mobiler Technologien in der Vermessung und Maschinensteuerung in Zukunft im Strassenbau einen neuen Weg bereiten.
8 | 3D-Fertiger für den Belagseinbau.8 | Finisseur 3D pour la pose de revêtement.
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