22 Entwurf von Verkehrsinfrastruktur
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Zukünftig werden schwere Nutzfahrzeuge mit breiten Einzelreifen auf der Antriebsachse an Stelle von Zwillingsreifen auf den Markt kommen. Ob dies zu höherer Straßenbeanspruchung beziehungsweise höherem Straßenverschleiß in Form von erhöhter Spurrinnenbildung führt, war eine Frage, die von der COST-Aktion 334 bearbeitet wurde. Aus Ergebnissen von Überrollversuchen wurde ein sogenannter Tyre Configuration Factor (TCF) abgeleitet, der abhängig von der Reifendimension und vom Reifenfülldruck angibt, wie die Lasteinleitung in die Fahrbahnoberfläche bei verschiedenen Reifengrößen erfolgt und wie deren Schädigung bezogen auf einen Referenzreifen auf einer Standardachse zu bewerten ist. Achslastabhängige Verschleißfaktoren für einzelne Achsen beziehungsweise für ganze Fahrzeuge können so gebildet werden.
Die vom Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS) beauftragte Studie zu den Auswirkungen neuartiger Lastzugkombinationen auf die Infrastruktur, den Verkehrsablauf und die Verkehrssicherheit liegt jetzt vor. Die Untersuchungen der Arbeitsgruppe der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) konzentrieren sich ausschließlich auf die technischen Fragestellungen. Die wesentlichen Ergebnisse: - Eine erhöhte Straßenschädigung ist wegen der zugrunde gelegten neuen Fahrzeugtypen mit acht Achsen nicht zu erwarten. Infolge der prognostizierten allgemeinen Transportleistungssteigerung ist dieser Effekt jedoch von begrenzter Dauer. - Die Beanspruchung der Brücken wird durch 60-Tonnen-Lastzugkombinationen deutlich erhöht, was Ersatz oder Verstärkungen erforderlich machen wird. - Für die Tunnel der Bundesfernstraßen können sich wegen des deutlich größeren Ladevolumens höhere Brandlasten ergeben, mit der Folge erhöhter Anforderungen an die Sicherheitsausstattung. - Probleme bei der Befahrbarkeit von Kreisverkehren, Straßenkreuzungen und -einmündungen sowie Parkplätzen auf Rastanlagen werden sich infolge der größeren Fahrzeuglängen ergeben. Durch zusätzliche fahrzeugtechnische Einrichtungen - wie Lenkachse oder zusätzliche Gelenke - können diese gemindert werden. - Nach den vorliegenden Erfahrungen aus dem Ausland sind für ausreichend motorisierte und mit zuverlässigen Bremsanlagen ausgerüstete Transportfahrzeuge keine gravierenden Probleme hinsichtlich des Verkehrsablaufs und der Verkehrssicherheit auf Autobahnen zu erwarten. Im nachgeordneten Straßennetz (insbesondere Landes-, Kreis- und Gemeindestraßen) ist mit negativen Auswirkungen der Lastzugkombinationen sowohl auf die Verkehrssicherheit als auch auf die Leistungsfähigkeit der Straßen zu rechnen. So muss beispielsweise mit längeren Überholwegen und längeren Räumzeiten - etwa beim Abbiegen und an Bahnübergängen - gerechnet werden. - Die derzeitigen Schutz- und Rückhaltesysteme sind nicht für 60-Tonnen-Lastzugkombinationen ausgelegt. Derartige Rückhaltesysteme müssten erst entwickelt werden. Aufgrund der höheren Fahrzeuggewichte könnte die Unfallschwere bei Auffahrunfällen deutlich zunehmen. Moderne Fahrerassistenzsysteme (Spurhalteassistent sowie Bremsassistent mit Abstandsradar) könnten jedoch grundsätzlich dazu beitragen, sowohl Unfallrisiko als auch Unfallschwere zu verringern.
Im vorliegenden Forschungsvorhaben wird eine Systematik erarbeitet, mit der in den Phasen der Entwurfs- und Genehmigungsplanung eine Nachhaltigkeitsbewertung für Bauwerke der Straßeninfrastrukturplanung durchgeführt werden kann. Grundlage für die Erarbeitung dieser Systematik stellen die bereits abgeschlossenen Forschungsvorhaben FE 15.0494 "Entwicklung einheitlicher Bewertungskriterien für Infrastrukturprojekte im Hinblick auf Nachhaltigkeit" (GRAUBNER, 2010) und FE 09.0162 "Konzeptionelle Ansätze zur Nachhaltigkeitsbewertung im Lebenszyklus von Elementen der Straßeninfrastruktur" (GRAUBNER, 2012) dar. Im erstgenannten Vorhaben wurde bereits die Nachhaltigkeitsbewertung von Brückenbauwerken vorgenommen. Ziel dieses Vorhabens ist es nun, das bereits vorhandene System auf die Teilbereiche freie Strecke und Tunnel auszuweiten. Die für eine Nachhaltigkeitsbewertung relevanten Kriterien, gliedern sich in die vier Hauptkriteriengruppen ökologische Qualität, ökonomische Qualität, soziokulturelle und funktionale Qualität sowie die technische Qualität. Durch die Fokussierung auf die frühen Projektphasen entfällt, im Gegensatz zur Bewertung der Brückenbauwerke, der Bereich Prozessqualität, bei dem die Nachhaltigkeit des späteren Bauprozesses betrachtet wird. Um das Vorhaben umsetzen zu können, wurde zuerst der für den Teilbereich Brücke bereits vorhandene Kriterienkatalog überarbeitet und ergänzt. Für jedes Kriterium wurde die Relevanz für die Teilbereiche freie Strecke und Tunnel überprüft. Dabei wurden Kriterien zum Teil weiter ausgearbeitet und neue relevante Kriterien ergänzt. Für die Bewertung der Kriterien wird in messbare und nicht messbare Kriterien unterschieden. Für messbare Kriterien lassen sich absolute Werte mittels einer Bewertungsmethode berechnen und bewerten, während nicht messbare Kriterien anhand einer Checkliste oder eines stichpunktartigen Erläuterungsberichts bewertet werden. Weiterführende Bewertungsaspekte werden diskutiert und Ansätze zur Weiterentwicklung der Systematik aufgezeigt. Neben der Zuordnung einzelner Kriterien zu Stakeholdern (Betroffene) werden eine zeitliche Differenzierung (z.B. Zeitpunkt der Entstehung von Kosten, Emissionen, etc.) und die Gegenüberstellung einer monetären Bewertung zur Punktebewertung konzeptionell vorgeschlagen. Das System zielt dabei auf eine relative Bewertung von Bauwerksvarianten (freie Strecke, Brücke, Tunnel) ab.
Ein Ansatz zur Beschleunigung von Bauzeiten und Reduzierung von Sperrdauern lässt sich in der Weiterentwicklung der Kompaktasphaltbauweise sehen. Im Rahmen des Projektes "Bauzeitenverkürzung durch optimierten Asphalteinbau" (BOA) wurden hierzu Konzepte erarbeitet, die den Einbau dicker Asphaltpakete in einem einzelnen Übergang des Fertigers zulassen. Dies erforderte die Konzeption eines neuen Trag-/Binderschichtmischguts AC 45 B/T S, welches in Dicken von 20 bis 22 cm eingebaut, als Unterlage für eine gleichzeitig einzubauende dünne Deckschicht dient und somit typische dreilagige Aufbauten ersetzt. Zudem waren Einbau- und Verdichtungsgeräte an die neue Bauweise anzupassen, sowie Bauprozesse zu optimieren. Erstmals erprobt wurde die neue Bauweise auf Versuchsfeldern. Die Einbauergebnisse waren technisch gleichwertig mit konventionellen Bauweisen. Rechnerische Untersuchungen ergaben zudem eine geringere Ermüdungsanfälligkeit der Kompakt-Asphaltaufbauten. Auf einer Versuchsstrecke an der B 68 konnte nachgewiesen werden, dass die Bauweise auch unter realen Einbaubedingungen umsetzbar ist und eine signifikante Bauzeitenverkürzung bewirkt. Als kritischer Faktor stellte sich die Ebenheit heraus. Die dicken Schichtpakete sind während des Verdichtungsvorganges besonders in den Randbereichen verformungsanfällig, weshalb die Stabilität der Kanten durch Entwicklung neuer Verdichtungsmodule verbessert werden muss.
Flexible Straßenbefestigungen werden durch den Verkehr mit nichtzeitkonstanten Kräften belastet und reagieren mit nichtzeitkonstanten Spannungen und Dehnungen. Bei linearelastischen Körpern sind Spannung und Dehnung durch ein Modul verknüpft. Für den viskoelastischen Baustoff Asphaltbeton hingegen gilt dies nicht in der herkömmlichen Form: Das "Modul" ist eine von der Temperatur und der Belastungszeit abhängige Funktion. Eine solche Modulfunktion kann zur Beschreibung des viskoelastischen Baustoffes benutzt werden und Materialkennwerte für Bemessungsrechnungen liefern. Hierfür wird häufig der temperaturabhängige absolute Modul /E/ bei einem Frequenzwert von 10 Hz verwendet. Die experimentelle Ermittlung von Modulfunktionen für bituminöse Straßenbaustoffe war das Thema der vorliegenden Arbeit. Hierzu wurden grobe Körper aus Mischgut hergestellt oder aus Ausbruchstücken oder Bohrkernen gesägt und in Belastungseinrichtungen sinusförmigen Kräften unterworfen. Die Probekörpertemperatur wurde variiert. Mehrere einfache Lastfälle wurden benutzt: Ein Biegeversuch, ein Zug-Druckversuch, zwei Schubversuche und ein Torsionsversuch. Nachteil der Belastungseinrichtungen war eine Beschränkung auf geringe Kräfte, Vorteile lagen in der großen Flexibilität und Anpassungsfähigkeit an unterschiedliche Problemstellungen. Durch die Messung von Kräften, Dehnungen und Bewegungen werden die Verformungswiderstände der Probekörper, die Steifigkeiten, bestimmt. Zwischen diesen Werkstückgrößen und den Werkstoffgrößen, den Moduli, schafft ein die Versuchsanordnung beschreibender "Formfaktor" die Verknüpfung. Die Berechtigung, einen solchen mit den Mitteln der Elastizitätstheorie abgeleiteten Formfaktor auch bei viskoelastischen Baustoffen und zeitveränderlichen Belastungen anwenden zu dürfen, wird nachgewiesen. Dabei muss Linearität zwischen Spannung und Dehnung vorausgesetzt werden. Die Querkontraktionszahl, die für linearelastische Stoffe die Verknüpfung der Moduli E und G beschreibt, ist ebenfalls temperatur- und frequenzabhängig. Auch für viskoelastische Stoffe lässt sich eine Verknüpfung zwischen den Modulfunktionen E und G mit Einschränkungen nachweisen. Eine Weiterverarbeitung der experimentell ermittelten Modulfunktionen wird nicht vorgenommen. Es kann hier aber auf eine theoretische Arbeit in der Bundesanstalt für Straßenwesen verwiesen werden, die die gefundenen Modulfunktionen benutzt und zu einem weitgehenden Verständnis des Verhaltens bituminöser Straßenbaustoffe führen konnte.
Bei den Messverfahren für die Tragfähigkeit von Straßenbefestigungen wird bei den jeweils verschiedenen Belastungsarten der Quotient aus der Größe der Last und der sich an der Straßenoberfläche einstellenden vertikalen Einsenkung bestimmt — die Steifigkeit. Anhand der 16 Abschnitte zweier Versuchsstrecken werden die Ergebnisse einer ganzen Anzahl von Tragfähigkeitsmessverfahren miteinander verglichen. Die Verfahren werden beschrieben. Der Verlauf der an der Oberfläche erfassten räumlichen Einsenkungsmulde gestattet im Prinzip die Rückrechnung der Elastizitätsmoduli der einzelnen Schichten einer Straßenbefestigung. Der Grad der Verträglichkeit zwischen gemessenen und mit Hilfe der linearen elastischen Mehrschichtentheorie ermittelten Mulden hängt vom Messverfahren sowie vom Straßenaufbau ab. Für die untersuchten Bauweisen und die verwendeten Messverfahren wird dieser Grad angegeben.
Die Einwirkung von Frost verursacht durch unterschiedliche Prozesse während des Gefrier- und des Tauprozesses Schäden an Straßen. Durch eine entsprechende Dimensionierung des frostsicheren Straßenoberbaus werden solche Schäden verhindert und die Wirtschaftlichkeit im Straßenbau und in der Straßenunterhaltung wird gesteigert. In den "Richtlinien für die Standardisierung des Oberbaus von Verkehrsflächen" (RStO) werden unterschiedliche Faktoren durch Frosteinwirkung auf den Straßenbau berücksichtigt. Durch die Frostzonenkarte werden in der Bundesrepublik Deutschland drei Frosteinwirkungsgebiete voneinander unterschieden. Entsprechende Erhöhungen der Mindestdicke des frostsicheren Oberbaus berücksichtigen die diesen Frostzonen zugeordneten Frosteindringtiefen. Die seit der Ausgabe von 1986 in den RStO dargestellte Frostzonenkarte wurde auf der Grundlage der Frosteinwirkung des Extremwinters 1962/63 entwickelt. Frostschäden an Straßen, die gemäß den Festlegungen der RStO dimensioniert wurden, sind nicht bekannt. Da jedoch möglicherweise die Dicke des frostsicheren Oberbaus überschätzt wird und die Darstellung der Frostzonenkarte nicht mehr dem Stand von Wissenschaft und Technik entspricht, wurde sie im Rahmen eines Forschungsvorhabens überarbeitet und detaillierter dargestellt. Diese neue Frostzonenkarte wird in den überarbeiteten RStO, deren Ausgabe im Jahr 2010 vorgesehen ist, berücksichtigt.
Für den Einsatz im Erdbau des Straßenbaus müssen die eingesetzten Geokunststoffe hohen Qualitätsansprüchen genügen. Das Straßenbauregelwerk ist durch die Veröffentlichung der "Zusätzlichen Technischen Vertragsbedingungen und Richtlinien für Erdarbeiten im Straßenbau" (ZTV E-StB 09) in dieser Hinsicht nun vollständig, so dass eine lückenlose Nachverfolgung der Produkte von der Herstellung über die Lieferung bis zum Einbau möglich ist. Wichtig ist jedoch die Einhaltung der Vorschriften und Anforderungen, angefangen beim Hersteller über den Lieferanten, über den Auftragnehmer bis hin zum Auftraggeber, um einen hohen Qualitätsstandard des Produktes und der fertigen Leistung zu garantieren. Hersteller, deren Produkte einer freiwilligen Überwachung unterliegen, können diese Produkte mit einem Qualitätssiegel kennzeichnen und liefern zusammen mit der CE-Kennzeichnung ein Produktzertifikat. Da in diesem Fall auf die Baustoffeingangsprüfung verzichtet werden kann, reduziert sich der finanzielle und zeitliche Prüfaufwand und es wird ein reibungsloser Bauablauf erzielt.
Im Rahmen der Erhaltung bestehender Straßen ist die Erfassung und Bewertung der Tragfähigkeit von großer Bedeutung. Zu deren Messung stehen statische, quasistatische und dynamische Verfahren zur Verfügung. Seit etwa 20 Jahren wird weltweit die dynamische Messmethode mit dem Falling Weight Deflectometer (FWD) angewendet. Die mit dem Falling Weight Deflectometer (FWD) gemessenen Deflexionen werden meistens unter vereinfachten Annahmen bezüglich der Last, der Materialgesetze für verschiedene Schichten und der dynamischen Effekte analysiert. Um einen Überblick über die wissenschaftlichen Veröffentlichungen zu erhalten, wurde eine Literaturstudie durchgeführt, aus der sich folgende Gliederung ergab: - Arbeits- und Wirkungsweise des FWD, - Rückrechnungsmethoden, - Interpretierbarkeit der FWD-Messergebnisse, - Vergleich verschiedener Rückrechnungsprogramme, - Vergleich verschiedener FWD-Geräte, - Vergleich FWD mit anderen Messverfahren, - Sonstiges. Ein Ergebnis dieser Literaturstudie ist, dass eine theoretische Analyse des FWD-Verfahrens, wie sie in diesem Forschungsvorhaben durchgeführt wurde, noch nicht existiert. Darüber hinaus wurde das FWD-Verfahren detailliert mathematisch-physikalisch analysiert. Anhand der mathematisch-physikalischen Analyse des FWD-Verfahrens wird deutlich, das die E-Moduli elasto-statisch zurückgerechnet werden können. Allerdings kann die Dämpfung ab einer Deflexion von etwa größer gleich 0,4 mm die Messergebnisse des Falling Weight Deflectometer beeinflussen. Wie sich die Dämpfung auf die Messergebnisse auswirkt müsste analysiert werden. Darüber hinaus konnte nachgewiesen werden, dass die Dispersion zu keiner nennenswerten Verfälschung der Impulsform führt. Des weiteren wurden Deflexions-, Einsenkungs- und Krümmungsmessungen auf ehemaligen Untersuchungsstrecken und auf Strecken aus den jungen Bundesländern durchgeführt. Anhand der Messergebnisse auf ehemaligen Untersuchungsstrecken wurden die Schicht-E-Moduli zurückgerechnet und interpretiert. Hierzu wurden folgende Programme verwendet: - Mehrschichtenprogramm, - FWD-Rückrechnungsprogramm, - PROBE90-Programm und - Finite-Element-Programm. Zur Überprüfung der Rückrechnungsergebnisse erfolgten Asphalt-E-Modul-Bestimmungen im Labor.
Der Entwurf und der Betrieb von Tunneln im Zuge von Bundesautobahnen sind in den Richtlinien für die Anlage von Autobahnen (RAA 2008) und in den Richtlinien für die Ausstattung und den Betrieb von Straßentunneln (RABT 2006) geregelt. Hier sind die Hinweise zu der Wahl des Tunnelquerschnittes und zu den anzusetzenden Trassierungsgrenzwerten sowie die Anforderungen hinsichtlich Sicherheit und Betriebsabläufen enthalten. Zielsetzung des Forschungsvorhabens war es daher, die Tunnelbauwerke bezüglich ihrer Verkehrssicherheit zu untersuchen. Auf Grundlage der vorhandenen Informationen zur Trassierung wurden die Tunnelbauwerke gemäß ihrer Besonderheiten typisiert. Die Typisierung der 41 untersuchten Tunnel wurde anhand der Merkmale Fahrstreifenanzahl, dem Vorhandensein von Seitenstreifen und Ein- und Ausfahrten in Tunneln sowie der Höhe der zulässigen Höchstgeschwindigkeit vorgenommen. Im nächsten Arbeitsschritt wurde eine makroskopische Unfallanalyse durchgeführt. Für die Analyse wurden die Verkehrsunfallanzeigen bzw. vergleichbare Unfalldaten aus Lieferungen der Polizeidienststellen herangezogen. Darauf aufbauend wurden Unfallkenngrößen der einzelnen Tunnelröhren ermittelt. Das Tunnelkollektiv umfasste Tunnelstrecken sowohl mit als auch ohne Anschlussstellen. In der makroskopischen Unfallanalyse wurden die ermittelten Unfallkenngrößen der Tunnelteilkollektive gegenübergestellt sowie mit denen der Aussenstrecken verglichen. Die Bewertung des Unfallgeschehens in Tunneln führte zu der Erkenntnis, dass eine Anordnung von Seitenstreifen zur Senkung der Unfallrate und der mittleren Unfallkostenrate bei 2-streifigen Tunnelquerschnitten beitragen kann. In der anschließenden mikroskopischen Unfallanalyse wurden die Anschlussstellen innerhalb der Tunnelbauwerke untersucht. Hierbei wurden vor allem die Unfallmerkmale wie Unfallursachen und Unfallumstände näher betrachtet. Die Betrachtung der Lage von Ein- und Ausfahrten in Tunneln hat ergeben, dass diese keine eindeutige Auswirkung auf das Unfallgeschehen hat. Infolge der Ein und Ausfahrvorgänge treten jedoch vermehrt Unfälle in diesen Bereichen auf. Somit sind die Ein- und Ausfahrten in Tunneln nach Möglichkeit zu vermeiden. Darüber hinaus wurde eine Analyse zum Verkehrsablauf in Tunneln durchgeführt. Im Rahmen dieser Analyse erfolgten für ausgewählte Tunnel die Modellierung von q-V-Beziehungen und die Ermittlung von Kapazitätswerten.