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;

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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

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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

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]

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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