620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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The German highway network hast o face new challenges in the near future, e.g. increasing traffic density and loads, climate change effects and new quality requirements regarding sustainability. It is necessary to come up with foresighted concepts in the present to be prepared for these challenges. Therefore it is important to adapt and enhance innovative attempts, which take changing impacts into account. One goal of these efforts is the development of adaptive systems for the provision of information and a holistic evaluation in real time. The paper describes the recent research and developments on a system for information and holistic evaluation in real time, taking into account sensor networks, evaluation procedures and their implementation in existing maintenance and inspection strategies.
Infolge der gestiegenen Sicherheitsanforderungen für Straßentunnel und des daraus folgenden umfangreichen sicherheitstechnischen Nachrüstungsprogramms werden im Straßentunnelbau häufiger Rettungsstollen realisiert. Die Ausführung von Rettungsstollen wurde bisher projektspezifisch festgelegt. Mit Aufnahme der Anforderungen an Rettungsstollen in das technische Regelwerk wird die einschalige Spritzbetonbauweise als Regelbauweise festgelegt, sofern die hydrogeologischen Bedingungen dies zulassen. Durch den Einsatz von wasserundurchlässigen Spritzbeton - gegebenenfalls unter Zugabe von Stahlfasern - kann die Dichtigkeitsklasse 3 nach der ZTV-ING sicher erreicht werden. Die Läenge eines begehbaren Rettungsstollens mit einem lichten Querschnitt von 2,25 m x 2,25 m ist auf 3000 m begrenzt. Bei längeren Rettungsstollen ist ein befahrbarer Querschnitt von 3,50 m x 3,50 m vorzusehen.
Die Abteilung Straßenbau des Bundesministeriums für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS) hat gemeinsam mit der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) ein langfristiges Forschungsprogramm für ihre gemeinsamen Forschungsaktivitäten erstellt. Thematisch umfasst das Programm folgende Schwerpunkte: A. Die sichere und verlässliche Straße; B. Die intelligente Straße; C. Die energiesparende Straße; D. Die emissionsarme Straße; E. Die Straße als Teil des Lebensraums; F. Die nachhaltige Straße; G. Die Straße als Innovationsträger.
Ziel der Studie ist eine Untersuchung extrem miniaturisierter autarker Mikrosysteme mit Sensoren, die, eingebaut in der Straße, Daten empfangen, verarbeiten, speichern und senden können. Der strukturelle Straßenzustand soll mit solchen Systemen erfasst werden. Die Kommunikation mit den Mikrosensorsystemen muss drahtlos und bidirektional über RFID-Technologie erfolgen. Da die Sensorgröße der Korngröße des Bodens entsprechen soll, ist im Vergleich zu heutigen Systemen eine völlig neue Dimensionierung der Miniaturisierung notwendig. Wichtige Parameter bei der Bewertung der Straße sind Empfindlichkeit, Langzeitstabilität, Selektivität, Einbaugröße, Schnittstelle und die Energieaufnahme. Die in diesem Bericht erwähnten Sensoren erfassen die physikalischen Parameter Temperatur, Bodenfeuchte und Salinität sowie Dehnung, Druck und Beschleunigung. Sie eignen sich aufgrund ihres geringen Energieverbrauchs, oder durch äusserste Robustheit für ein solches Mikrosystem. Aus dem Messen der physikalischen Größen und der Umweltparameter soll eine Bewertung des strukturellen Straßenzustandes entstehen. Die Energieversorgung des Sensorsystems ist ein wichtiger Teil der Studie. Dabei wird die Möglichkeit beschrieben, unter Verwendung von Piezogeneratoren, das Überfahren der eingebetteten Generatoren durch Fahrzeuge als Energielieferant zu nutzen und somit die Gesamtlaufzeit zu verlängern. Des Weiteren werden die verschiedenen Frequenzbereiche der RFID-Technologie und unterschiedliche Techniken von RFID-Transpondern sowie RF-Transceivern erläutert. In diesem Zusammenhang werden die Ergebnisse eines Reichweitentests von in einer Teststrasse eingebrachten Temperaturtranspondern gezeigt. Abschließend werden die Ergebnisse zur Integration der Systembestandteile und das Einbringen des Systems in den Straßenbau aufgezeigt. Ein keramisches Gehäuse bietet ein hohes Potential und erweist sich für diese Anwendung durch seine große Robustheit gegen thermischen und mechanischen Stress am geeignetsten.
Elektrische Straße
(2012)
Im Projekt wurde ein möglicher Beitrag der Straßeninfrastruktur zur Energiewende untersucht. Zentrale Fragestellung war, inwieweit eine Bündelung von Stromtraßen und Straßeninfrastruktur bei der Umsetzung des stockenden Netzausbaus helfen kann. Ein Verzögerungsgrund des Netzausbaus ist die fehlende Akzeptanz neuer Stromtrassen. Zur Akzeptanzverbesserung werden eine höhere Transparenz und eine stärkere Partizipation der vom Netzausbau Betroffenen angestrebt. Darüber hinaus sollten in sensiblen Fällen Alternativen (Verlauf, Erdkabel) angeboten werden. Entsprechende Mehrkosten können den Kosten eines Engpasses gegenübergestellt werden. Genehmigungsbehörden sollten daher Alternativenuntersuchungen bindend vorschlagen können. Eine Akzeptanz erhöhende Bündelung von Stromtrassen mit der Autobahn, in Form von parallelen Freileitungstraßen ist bereits Praxis. Ein möglicher Einsatz von Erdkabeln im direkten Straßenumfeld ist nur eingeschränkt zu empfehlen. Eine offene Verlegung unter der Autobahn oder dem Seitenstreifen bietet überwiegend Nachteile. Demgegenüber bietet die Verlegung von Erdkabeln in Tunneln mehrere Vorteile. Durch das Verlegeverfahren des gesteuerten Rohrvortriebes lassen sich eingriffsarm Kabeltunnel unter der Autobahn installieren, die im Fehlerfall ohne Beeinträchtigungen des Verkehrs begangen werden können. Durch die unterirdische Nutzung bereits versiegelter Flächen sind geringe Umweltbeeinflussungen zu erwarten, die zu höherer Akzeptanz und kürzeren Genehmigungsverfahren führen sollten. Als neue Herangehensweise sind technische Bedenken vonseiten des Straßenbaus sowie Konflikte in deren Regelwerken zu vermuten. Daher sollte diese Kombination mit Straßeninfrastruktur (Kabeltunnel) auf deren Durchführbarkeit hin näher untersucht werden. Weiterhin bieten sich als mögliche Forschungsfelder das "Solar Roadways"-Konzept aus den USA sowie die Erforschung einer dynamischen Ladung von Elektromobilen über induktiven Ladeschleifen im Straßenbelag an.
Nach im Jahr 2009 abgeschlossenen Untersuchungen im Auftrag der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) werden auch bei Anwendung der Feuchtsalzstreuung FS 30 erhebliche Anteile des Streustoffes (bis zu 85%) durch den Fahrverkehr von der Fahrbahn verfrachtet, bevor sie zur Wirkung kommen. Diese Untersuchungen führten zu der These, dass bei Anwendung von Tausalzlösungen deutlich weniger Streustoffverluste zu erwarten sind. Im Rahmen des Forschungsthemas sollten sichere Erkenntnisse darüber gewonnen werden, mit welchen Streudichten beim Einsatz von Salzlösungen unter Berücksichtigung von Randbedingungen (Wasserfilmdicken, Temperaturen) Ergebnisse erzielt werden, die dem Einsatz von Feuchtsalz FS 30 vergleichbar sind. Darüber hinaus war festzustellen, ob für in Tausalzlösungen ausgebrachtes Salz eine höhere Liegedauer angenommen werden kann, als für die Trockenkomponente im FS 30. Die Liegedauer der Tausalzlösung wurde unter Verkehrseinfluss in Messintervallen untersucht. Die Messflächen waren auf dem rechten Fahrstreifen jeweils zwischen den Rollspuren und in der rechten Rollspur angeordnet. Im Laufe der Untersuchungen hat sich folgende Messmethodik als besonders geeignet herausgestellt: 1. Nullmessung vor Ausbringung der Sole, 2. Messung unmittelbar nach Ausbringung der Sole, 3. Messung nach einer Stunde Verkehrseinfluss, 4. Messung nach vier Stunden Verkehrseinfluss, 5. Messung nach 20-22 Stunden Verkehrseinfluss. Die Messungen haben gezeigt, dass bei der präventiven Streuung durch Einsatz der FS 100 Technologie etwa 60% NaCl eingespart werden können. Bei präventiven Einsätzen mit Sole kann mit dem 1,5 - fachen der Streustoffmenge gearbeitet werden, die bei der FS 30 Technologie eingesetzt wurde. Umweltbelastungen durch den Winterdienst werden deutlich reduziert. Die Anwendung der FS 100 erfordert neue Technik zur Ausbringung und zur Bereitstellung des flüssigen Taustoffes. Die dafür erforderlichen Investitionen werden durch Streustoffeinsparungen gedeckt.
In diesem Bericht werden die Ergebnisse des Forschungsprojektes FE 84.0104/2009/ mit dem Titel "Untersuchung des Einflusses der Grobtextur auf Messergebnisse mit dem SKM-Messverfahren", das am Institut fuer Fahrzeugsystemtechnik (FAST) des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) im Auftrag der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) durchgeführt wurde, vorgestellt. Dieses Forschungsprojekt hatte das Ziel, den Einfluss der Grobtextur (Makrotextur) auf die Geschwindigkeitsabhängigkeit und Temperaturabhängigkeit des SKM-Griffigkeitswertes zu untersuchen. Es wird die Funktionsweise des am Institut entwickelten und aufgebauten Griffigkeits- und Abriebprüfstand (GAT) erklärt. Mit diesem Prüfstand können Griffigkeitsversuche auf Fahrbahnproben durchgeführt werden. Weiterhin wird ein neu entwickeltes Abdruckverfahren füer die Herstellung von Fahrbahnabdrücken vorgestellt. Mit diesem können Fahrbahnabdrücke von realen Fahrbahnproben erzeugt werden. Durch eine Erweiterung des vorgestellten Abdruckverfahrens können des Weiteren Fahrbahnproben mit definierten künstlichen Makro- und künstlichen Mikrotexturen erzeugt werden. Somit können am GAT Griffigkeitsversuche auf realen Fahrbahnproben, aber auch auf speziell hergestellten Fahrbahnabdrücken durchgeführt werden. Mit der Kombination aus GAT und dem vorgestellten Abdruckverfahren kann der Einfluss der Fahrbahngrobtextur auf die Griffigkeit unabhäengig vom Materialeinfluss betrachtet werden. Abschließend werden die Ergebnisse der Griffigkeitsversuche, die am Griffigkeits- und Abriebprüfstand durchgeführt wurden, vorgestellt. Diese Ergebnisse werden mit Griffigkeitsversuchen am Innentrommelprüfstand des Institutes und mit SKM-Messdaten, die mit einem SKM-Messsystem auf der Straße gemessen wurden, verifiziert. Die ermittelten Ergebnisse zeigen, dass die Geschwindigkeitsabhängigkeit von der Fahrbahnmakrotextur beeinflusst wird. Zusätzlich muss jedoch auch der Einfluss der Fahrbahnmikrotextur berücksichtigt werden, da immer die Kombination aus Makro- und Mikrotextur für die Geschwindigkeitsabhängigkeit von Bedeutung ist. Der Einfluss der Fahrbahnmakrotextur auf die Temperaturabhängigkeit des SKM-Wertes konnte innerhalb dieses Forschungsprojektes nicht abschließend untersucht werden, da bei den durchgeführten Griffigkeitsversuchen am GAT mit den verwendeten Fahrbahnabdrücken Temperatureffekte auftraten, die zukünftig noch weiter analysiert werden müssen.
Außerortsstraßen sind in Deutschland im Vergleich zu Innerortsstraßen oder Autobahnen durch eine besonders hohe Unfallschwere gekennzeichnet. Maßgebende Faktoren dafür sind zum einen eine sehr hohe und oft nicht hinreichend angepasste Geschwindigkeit und zum anderen Fehleinschätzungen von Geschwindigkeiten bzw. Geschwindigkeitsdifferenzen entgegenkommender und vorausfahrender Fahrzeuge. Mit der Aufgabe der Erarbeitung kurz- und mittelfristig umsetzbarer Maßnahmen zur Erhöhung der Verkehrssicherheit auf Landstraßen wurde durch die BASt im Auftrag des BMVBS die Projektgruppe ("AOSI" " Außerortsstraßensicherheit) gegründet. Die entwickelten Maßnahmen sollten in einem bundesweiten Großversuch umgesetzt, getestet und bewertet werden. Für die Durchsetzung der zulässigen Höchstgeschwindigkeit wurden linienhaft angeordnete ortsfeste Geschwindigkeitsüberwachungsanlagen (OGUE) empfohlen. Die Sicherung von Überholvorgängen sollte durch abschnittsweise angelegte Überholfahrstreifen (UEFS) in Kombination mit Überholverboten (UEV) in den verbleibenden zweistreifigen Zwischenabschnitten erfolgen. Je Untersuchungsstrecke wurde entweder die zulässige Höchstgeschwindigkeit durchgesetzt oder das Überholen gesichert. Eine Kombination beider Maßnahmen erfolgte nicht. In einem Vorher/Nachher-Vergleich wurden die Wirkungen dieser Maßnahmen auf das Unfallgeschehen und den Verkehrsablauf untersucht. Ergänzend wurde die Akzeptanz der Maßnahmen durch Befragungen an den Untersuchungsstrecken erhoben. Durch den Einsatz von OGUE konnte die Verkehrssicherheit deutlich erhöht werden. Der Sicherheitsgewinn war auf denjenigen Untersuchungsstrecken besonders hoch, auf denen das Unfallgeschehen vorwiegend auf unangepasste und zu hohe Geschwindigkeiten im Vorher-Zeitraum zurückzuführen war. Es konnte nachgewiesen werden, dass durch den OGUE-Einsatz eine Harmonisierung der Geschwindigkeiten auf der Höhe der zulässigen Geschwindigkeit stattfindet. Die Entwicklung hin zu geringeren Geschwindigkeitsdifferenzen zwischen den Fahrzeugen hatte neben der Reduktion der Fahrunfälle, auf Untersuchungsstrecken mit einer gestreckten Linienführung, auch zu einer deutlichen Reduktion der Unfälle im Längsverkehr geführt. Der Einsatz der OGUE wird von den Verkehrsteilnehmern akzeptiert, wenn die Gründe für sie nachvollziehbar sind. Die Ankündigung der Geschwindigkeitsüberwachung über eine auffällige örtliche Beschilderung hat sich als akzeptanzfördernd herausgestellt. Die Sicherung von Überholvorgängen durch zusätzliche Überholfahrstreifen (UEFS) und Überholverbot (UEV) in den angrenzenden zweistreifigen Abschnitten führte auf den Untersuchungsstrecken zu einer Erhöhung der Verkehrssicherheit. Besonders die Entwicklung hin zu einer geringeren Unfallschwere und einer deutlichen Reduktion der Überholunfälle konnte festgestellt werden. Die Analysen des Verkehrsablaufes zeigten, dass bereits kurze Überholfahrstreifen mit Längen von nur 600 m und 700 m effektiv zum Abbau von Überholdruck beitragen können. Diese Strecken sind platzsparend und somit besonders für das Bestandsnetz zum "Nachrüsten" geeignet. Die Akzeptanz der Verkehrsteilnehmer für dieses Maßnahmepaket (UEFS/UEV) war besonders groß. Überholverbotsabschnitte zwischen den UEFS sollten jedoch vier Kilometer nicht überschreiten. Fazit: Die Ergebnisse zeigen, dass die im AOSI-Projekt entwickelten und kurz- und mittelfristig umsetzbaren Maßnahmen zu einer wirksamen Verbesserung der Verkehrssicherheit auf Landstraßen beitragen, wenn das Unfallgeschehen nachweislich auf eine zu hohe und oft nicht angepasste Geschwindigkeit oder auf Unfälle im Längsverkehr im Zuge von Überholvorgängen zurückzuführen ist.
Auch wenn Kosten für die Fugenfüllungen der Randfugen auf Brücken beim Einbau des Belages nur eine untergeordnete Rolle spielen, so haben diese Fugenfüllungen einen großen Anteil an Schäden und den daraus resultierenden Instandsetzungsmaßnahmen. Für die Festlegung der Ausbildung der Fugenfüllungen (z.B. mit oder ohne Unterfüllstoff) und eine Optimierung der verwendeten Materialien ist es wichtig, die tatsächlichen Belastungen, also insbesondere die Fugenbewegungen zu kennen. Um die tatsächlich auftretenden Fugenbewegungen an der Ruhrtalbrücke Mintard im Zuge der BAB A 52 abschätzen zu können, wurden im Rahmen dieses BASt-Projektes kurzfristige, tageszyklische sowie langfristige Fugenbewegungen an den Randfugen gemessen. Dabei waren drei Gruppen von Fugenbewegungen zu unterscheiden: - Fugenbewegungen infolge Tragwerksverformungen durch Verkehrslasten, - tageszyklische Fugenbewegungen basierend auf Temperaturunterschieden zwischen dem Belag und der Unterlage oder zwischen der Kappe und der Unterlage, sowie auf unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten des Belages und der Unterlage, - langfristige bis jahreszyklische Fugenbewegungen, z.B. aus langfristigen bis jahreszeitlichen Temperaturschwankungen. Für die Fugenbewegungen aus Verkehr ergaben sich Maximalwerte von ca. 16 -µm. Bei der Betrachtung der Ergebnisse ist eine Häufung der Fugenbewegungen aus Verkehr in dem Bereich zwischen 10 -µm und 16 -µm zu erkennen. Die Fugenbewegungen in diesem Bereich können zu einem großen Teil dem Fahrzeugtyp 10 (Sattelfahrzeug mit der Achsfolge 1+1+3) zugeordnet werden. Es ist anzunehmen, dass diese Fugenbewegungen also durch Fahrzeuge mit einem Gewicht im Bereich von 40 t verursacht werden. Der Verlauf der Fugenbewegungen entspricht einer Einflusslinie mit einer Frequenz von ca. 1,1 Hz. Bei den tageszyklischen Fugenbewegungen ergaben sich für maximale tageszyklische Temperaturunterschiede von 11 K maximale Fugenbewegungen von 0,08 mm. Werden diese gemessenen Fugenbewegungen auf die bei maximal möglichen tageszyklischen Temperaturänderungen von 15 K zu erwartenden Werte extrapoliert, so ergeben sich für die Fugenbewegungen der Ruhrtalbruecke Mintard maximale Fugenbewegungen von 0,12 mm. In einem zweiten Schritt wurden die langfristigen bis jahreszeitlichen Fugenbewegungen gemessen. Die gemessenen Fugenbewegungen lagen im Mittel bei 0,7 mm (wobei diese Messwerte aufgrund des Messverfahrens auch die Fugenbewegungen aus Verkehr sowie die tageszyklischen Fugenbewegungen enthalten). In einem Einzelfall wurde eine Fugenbewegung von 1,1 mm gemessen. Bei den im Bereich der Bundesfernstraßen verwendeten Belägen und Abdichtungssystemen nach den ZTV-ING Teil 7 Abschnitt 4 (Abdichtungen im vollen Verbund) kann bei den Randfugen auf Stahlbrücken davon ausgegangen werden, dass die Fugenbewegungen (Summe aus langfristigen, tageszyklischen und verkehrsinduzierten Fugenbewegungen) im Regelfall 1 mm nicht überschreiten. Die tageszyklischen Fugenbewegungen liegen in einer Größenordnung von < 0,2 mm und die verkehrsinduzierten Fugenbewegungen in einer Größenordnung von < 0,02 mm.
Seit Beginn des Spannbetonbrückenbaus in Deutschland sind die Bemessungsvorschriften ständig weiterentwickelt und die Lastannahmen kontinuierlich dem gestiegenen Verkehrsaufkommen angepasst worden. Das hat zur Folge, dass bei der Nachrechnung von bestehenden Brückenbauwerken auf der Grundlage der aktuellen Normen häufig Überschreitungen festgestellt werden. In Fortführung des bereits abgeschlossenen Forschungsprojekts "Konzeption zur Nachrechnung bestehender Strassenbrücken" sollen im Rahmen dieses Projekts weitere Empfehlungen für die Bewertung bestehender Brückenbauwerke erarbeitet werden. Das vorliegende FE-Vorhaben behandelt die Themenfelder Sicherheitskonzept für bestehende Bauwerke, Ansatz der historischen Materialfestigkeiten, Beurteilung der Querkrafttragfähigkeit von vorgespannten Balken, Einfluss von nicht vorhandener Mindestbewehrung auf das Sicherheitsniveau sowie einer Literaturrecherche zu Wöhlerlinien älterer Spann- und Betonstähle. Die Untersuchungen beruhen auf der Auswertung vorhandener Literatur, beispielhaften Berechnungen bestehender Brücken sowie rechnerischer Simulationen existierender und gut dokumentierter Versuche. Es wurden verschiedene Ansätze zur Herleitung angepasster Teilsicherheitsbeiwerte für den Nachweis bestehender Bauwerke erläutert. Weiterhin konnten Empfehlungen für den Ansatz der charakteristischen Festigkeitseigenschaften von älterem Betonstahl, Spannstahl und Beton sowie der Ermüdungsfestigkeit damaliger Stähle gegeben werden. Es wurde gezeigt, dass die Momenten-Querkraft-Interaktion und die Tragwirkung eines Druckbogens bisher nicht ausreichend in der Ermittlung der aufnehmbaren Querkraft von Spannbetonträgern nach DIN-FB 102 berücksichtigt sind. Die erweiterte Abminderung der Zwangschnittgrössen gemäß Nachrechnungsrichtlinie darf auch bei fehlender Mindestlängsbewehrung angesetzt werden. Die Mindestquerkraftbewehrung ist für Spannbetonbrücken nach 1966 als ausreichend einzustufen. Die gewonnenen Erkenntnisse bestätigen erneut, dass ein hoher Aufwand bei der Nachrechnung bestehender Brückenbauwerke gerechtfertigt ist. Die Ergebnisse des FE-Vorhabens können bei der Erstellung und Fortschreibung der geplanten Nachrechnungsrichtlinie einfliessen.