Diese Arbeitshilfe dient dem Nachweis der Wirksamkeit von Grünbrücken, die im Rahmen des Konjunkturpakets II für die Wiedervernetzung von Lebensräumen an bestehenden Bundesfernstraßen erstellt wurden. Sie wurde im Auftrag des Bundesministeriums für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung von einem Arbeitskreis der Bund-/Länder-Dienstbesprechung "Landschaftspflege und Naturschutz im Straßenbau", unter Federführung der Bundesanstalt für Straßenwesen, Referat "Umweltschutz", mit Beteiligung externer Experten erstellt.
Luftschadstoffe an BAB 2005
(2006)
Im Rahmen dieses Projektes wurden über das Kalenderjahr 2005 Messungen an den Messquerschnitten der BASt zur Aufnahme von Luftschadstoffdaten an der BAB A4 und der BAB A61 durchgeführt. Der Messquerschnitt an der A61 weist dabei im Vergleich zu dem Standort an der A4 einen 2,4 mal so hohen Schwerverkehrsanteil auf. Die Messwerte dienten auch weiteren Projekten als Datengrundlage. Die aufgenommenen Schadstoffdaten der verkehrsbedingten Immissionsbelastung durch Stickoxide, Ozon und Partikel wurden im Hinblick auf die stark abgesenkten Grenzwerte der novellierten 22. und der neuen 33. Bundesimmissionsschutzverordnung (BImSchV) für das Kalenderjahr 2005 ausgewertet. In Bezug auf die NO2-Grenzwerte der 22. BImSchV konnten Überschreitungen des Stundenmittelgrenzwertes an beiden Messquerschnitten festgestellt werden, jedoch lagen die Überschreitungshäufigkeiten unter Berücksichtigung der Toleranzmarge für das Kalenderjahr 2005 alle unterhalb der maximal zulässigen Anzahl. Hingegen wurde der NO2-Jahresmittelgrenzwert plus Toleranzmarge für das Jahr 2005 an allen betrachteten Messstellen überschritten. Die seit einigen Jahren beobachtete Stagnation der NO2-Messwerte an BAB deutet darauf hin, dass die ab 2010 geforderten Grenzwerte an diesen Standorten möglicherweise nicht eingehalten werden können. Der Jahresmittelgrenzwert, der seit dem 01.01.2005 für PM10 gefordert wird, wurde im Kalenderjahr 2005 an allen Messstellen eingehalten. Der Tagesmittelgrenzwert hingegen wurde an einigen Tagen überschritten, wobei aber die Überschreitungshäufigkeiten an beiden Standorten nicht über der maximal zulässigen Anzahl von 35 Tagen pro Kalenderjahr lag. Es zeigte sich insbesondere, dass die Konzentrationen aller aufgenommenen Luftschadstoffe von vielen Größen wie Verkehrsstärke, Wochentag, Tageszeit und meteorologischen Parametern abhängen. Die genaue Analyse dieser Zusammenhänge bedarf jedoch einer multivariaten Betrachtung des Problems. Eine solche wird in Bezug auf die Partikel PMX zur Zeit in dem AP-Projekt 05 630 "Einfluss von verkehrlichen und meteorologischen Parametern auf die PMX-Schadstoffbelastung an BAB" durchgeführt, sollte aber vor allem in Hinblick auf die neuen, strengeren Grenzwerte für Stickstoffdioxid NO2 ab dem Jahr 2010 auch für diese Schadstoffkomponente weiter untersucht werden.
Ziel des Projektes war es, die Auswirkungen unterschiedlicher Verkehrsparameter auf die verkehrsbedingte Immissionsbelastung durch Stickoxide und Ozon im Hinblick auf die stark abgesenkten Grenzwerte der novellierten 22. BImSchV und der neuen 33. BImSchV insbesondere für das Kalenderjahr 2004 zu ermitteln. Es wurden dafür Daten an zwei Messquerschnitten mit unterschiedlich hohen Schwerverkehr-Anteilen am Gesamtverkehr aufgenommen. Der Messquerschnitt an der A61 weist dabei im Vergleich zu den an der A4 registrierten Werten einen 2,35 mal so hohen Schwerverkehr-Anteil am Gesamtverkehrsaufkommen auf.\r\nBis Mitte 2002 lagen die NO2-Konzentrationen an beiden Messquerschnitten etwa gleich hoch. Jedoch beeinflusste der extreme Sommer des Jahres 2003 die Schadstoffkonzentrationen A61-Messquerschnitts anscheinend stärker als die an den A4-Messstellen aufgenommenen NO2-Konzentrationen. Die Werte an der A61 überstiegen ab dem oben genannten Zeitpunkt bis Mitte 2004 zumeist diejenigen an der A4. Insgesamt lagen die Werte an der A61 im Vergleich zu denen an der A4 für den gesamten betrachteten Zeitraum bei einem Faktor von 0,9 bis 1. Der Vergleich der Ozonbelastung an beiden Messquerschnitten konnte ein ähnliches Verhalten wie bei der NO2-Konzentration aufzeigen. Durchschnittlich lagen die O3-Konzentrationen an der A61 in den Jahren 2002 bis 2004 um einen Faktor von 1,6 über denen an der A4. Die NO2-Jahresmittelwerte liegen an den Messstellen beider Messquerschnitte, die die Anforderungen der 22. BImSchV in Bezug auf Probenahmestellen erfüllen, deutlich über dem ab dem Jahr 2010 einzuhaltenden NO2-Jahresmittelgrenzwert von 40 -µg/m-³. Der ebenfalls ab diesem Zeitpunkt geforderte Stundenmittelgrenzwert von 200 -µg/m-³ konnte insbesondere am Messquerschnitt an der A61 nicht eingehalten werden, wurde aber unter Berücksichtigung der in den jeweiligen Kalenderjahren zusätzlich zu berücksichtigenden Toleranzmargen in keinem der Jahre mehr als die ab 2010 geforderten 18 Mal überschritten. Die Anforderungen an die Anzahl der O3-Zielwertüberschreitungen, die sich ab 2010 aus der 33. BImSchV ergeben, konnten an dem Messquerschnitt an der A61 eingehalten werden. An der A4 wurde der Zielwert zum Gesundheitsschutz an beiden O3-Messstellen mehr als 25 mal überschritten. Mit einer weiteren Senkung der Schadstoffbelastungen an hochfrequentierten Außerortsstraßen können die Anforderungen der 22. und 33. BImSchV ab dem 01.01.2010 in Bezug auf die Jahres- und Stundenmittelwerte des NO2 und der Ziel- und Schwellenwerte des O3 erfüllt werden.\r\n
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.
Die Bundesanstalt für Straßenwesen unterhält seit 1987 an der BAB A 4 bei Bergisch Gladbach/Bensberg eine Abgasmess- und Verkehrszählstelle. In unterschiedlichen Entfernungen zur Trasse werden dort kontinuierlich und simultan die Konzentrationen der Abgaskomponenten Stickstoffmonoxid (NO) und -dioxid (NO2) sowie Verkehrs- und Meteorologiedaten gemessen. Mit den gewonnenen Daten konnte die Entwicklung verkehrsbedingter Stickoxidimmissionen in Bezug auf die stetig zurückgehenden spezifischen Fahrzeugemissionen bei gleichzeitig wachsendem Verkehrsaufkommen quantitativ verfolgt werden. Im Beobachtungszeitraum bis 2000 wurde bei einem Anstieg des Verkehrsaufkommens von circa 35 Prozent eine durchschnittliche Minderung der NO-Immissionen von circa 60 Prozent und der NO2-Belastung von etwa 25 Prozent ermittelt; allerdings zeigt sich beim NO2 seit 1996 eine Stagnation im zeitlichen Immissionsverlauf. Die an der BAB registrierte Abnahme der NOx-Immissionen beruht im Wesentlichen auf dem stetig wachsenden Anteil schadstoffreduzierter Pkw in Verbindung mit der gesteigerten Effektivität der 3-Wege-Katalysatoren.
Die Bundesanstalt für Straßenwesen unterhält seit 1987 an der BAB A 4 bei Bergisch Gladbach/Bensberg eine Abgasmess- und Verkehrszählstelle. In unterschiedlichen Entfernungen zur Trasse werden dort kontinuierlich und simultan die Konzentrationen der Abgaskomponenten Stickstoffmonoxid (NO) und -dioxid (NO2), die O3-Belastung sowie Verkehrs- und Meteorologiedaten gemessen. Mit den gewonnenen Daten konnte die Entwicklung verkehrsbedingter Stickoxidimmissionen in bezug auf die stetig zurückgehenden spezifischen Fahrzeugemissionen bei gleichzeitig wachsendem Verkehrsaufkommen quantitativ verfolgt werden. Im Beobachtungszeitraum bis 1994 wurde bei einem Anstieg des Verkehrsaufkommens von circa 23 Prozent eine durchschnittliche Minderung der NO-Immissionen von über 40 Prozent und der NO2-Belastung (abhängig vom Abstand zur Fahrbahn) von 30 bis 60 Prozent ermittelt. Die am BAB-Querschnitt registrierte Abnahme der NOx-Immissionen beruht im wesentlichen auf dem stetig wachsenden Anteil schadstoffreduzierter Pkw, denn auf dem Nutzfahrzeugsektor ist aufgrund der erst im Anfangsstadium befindlichen Lkw-Abgasgesetzgebung noch keine nennenswerte Reduzierung der Stickoxid-Emissionen erfolgt.
Der vorliegende Bericht beschreibt Konzepte für eine intelligente Brücke auf der Grundlage einer zuverlässigkeitsbasierten Zustandsbewertung unter Berücksichtigung von Bauwerksinformationen, welche aus Prüfungen, Inspektionen und Überwachung gewonnen werden. Das Brückensystem wird durch ein Modell beschrieben, welches den zentralen Teil des Konzeptes darstellt. Das Modell wird in Schädigungsmodelle und ein Tragwerkssystem-Modell unterteilt. Dieses Modell wird a-priori durch die Eingangsdaten (welche etwa die Geometrie, die Materialien und die Verwendung der Brücke beschreiben) charakterisiert. Aus diesen ergeben sich dann auch die Ausgangsmodelle. Um die signifikanten Streuungen und Unsicherheiten adäquat abzubilden sind diese Modelle probabilistisch. Das Modell liefert eine sich kontinuierlich ändernde probabilistische Zustandsbewertung. Die Zustandsbewertung gibt eine Aussage über den Zustand und die Zuverlässigkeit des Brückensystems und seiner Bauteile und dient als Grundlage für die Planung und die Optimierung von Maßnahmen. Die Verwendung von Resultaten aus Inspektionen, Prüfungen und Überwachungen erfolgt durch eine Aktualisierung der Modellparameter. Die Aktualisierung beruht auf der Methode der Bayes'schen Aktualisierung und wird auf der Grundlage der entwickelten Klassifizierung der Bauwerksinformationen mit entsprechenden Methoden durchgeführt. Dieses Verfahren erlaubt es, alle Informationen in konsistenter Weise in ein einziges Modell einfließen zu lassen. Dabei wird die Genauigkeit und Aussagekraft der gewonnenen Daten und Beobachtungen explizit berücksichtigt. Durch die Aktualisierung der Modellparameter unter Berücksichtigung von Systemeffekten wird die Zustandsbewertung der Bauteile und des Brückensystems aktualisiert. Das ermöglicht die Planung und die Optimierung von Maßnahmen unter Berücksichtigung der Bauwerksinformationen. Auf diese Weise wird die intelligente Brücke mit Inspektionen und Überwachungen zu einem adaptiven System, welches sich Veränderungen anpassen kann.
Der Brückenbau in Deutschland kann auf eine lange Tradition in der Überwachung der Bauwerke verweisen und die Entwicklung der Rechentechnik gestattet in immer komplexeren Strukturen die Verwaltung der Bauwerksdaten in Datenbanken. Verfügbare Programmsysteme wie zum Beispiel das Bauwerks Management System erlauben die Erfassung, Verwaltung und Auswertung der Bauwerksdaten. Die Entwicklung der Rechentechnik wird auch durch die Entwicklung der Messtechnik begleitet, so dass zunehmend intelligente Sensorik den Alltag begleitet. Eine automatisierte Messwerterfassung an Bauwerken und deren Auswertung wird Monitoring genannt. Heute existieren sowohl Monitoringsysteme, die sich durch die technische Ausstattung und entsprechende Auswerteverfahren auszeichnen, als auch jeweils getrennte Komponenten. Da schließt das Projektziel an, welches die Analyse der Möglichkeiten des Einsatzes von Monitoringsystemen zur Bewertung des Schädigungszustandes von Brücken für die Tragfähigkeit und die Restnutzungsdauer beinhaltet. Es wird eine Literaturanalyse hinsichtlich existierender Monitoringsysteme mit genannter Zielstellung angefertigt. Im Ergebnis wird festgestellt, dass es gegenwärtig keine Monitoringsysteme gibt, die explizite Aussagen zur Tragfähigkeit erlauben. Die gegenwärtigen Systeme zeigen globale Schädigungen auf und bewerten dann auf der Basis notenähnlicher Strukturen. Im Rahmen des Projektes wird eine Konzept für ein Monitoringsystem entwickelt, welches für konkrete Versagensszenarien - dem Festigkeitsversagen und der Ermüdung - quantifizierte aber unscharfe Aussagen zur Tragfähigkeit und Restnutzungsdauer für die untersuchte Brücke erlaubt. Der Abstand zum Versagen durch Übergang des Tragwerks in einen Bruchzustand (Tragfähigkeit) wird im konzipierten Monitoringsystem durch den Zuverlässigkeitsindex Beta und die Versagenswahrscheinlichkeit Pf beschrieben. Die Restnutzungsdauer bei Tragfähigkeitsminderungen ist implizit bei den veränderlichen Basisvariablen und den Schädigungsverläufen abgebildet. Als Maß für Aussagen zur expliziten Restnutzungsdauer infolge Materialermüdung dienen die Schädigungssumme D und die zugehörige Nutzungsdauer tzD. Zur Abgrenzung sicherer und unsicherer Bereiche werden diese Daten für verschiedene Zeitpunkte im Lebenszyklus des Bauwerkes ermittelt und in Relation betrachtet. Monitoringbasiert werden hierfür Kenndaten des Tragsystems ermittelt und Beanspruchungen durch ergänzende Simulationen des aktuellen Verkehrs abgeleitet. Das Monitoringkonzept sieht den Erkenntnissen der Literaturanalyse folgend dieses Vorgehen als Interaktion von Rechnung, Messung und Auswertung vor. Die Untersuchungen werden in diesem Projekt theoretisch geführt, die empfohlenen Auswertealgorithmen zur monitoringbasierten Bewertung von Tragfähigkeit und Restnutzungsdauer für balkenartige Spannbetontragwerke auf Basis von Beispielen anderer Projekte rechnerisch erprobt.
Betondecken können grundsätzlich in zwei Varianten ausgeführt werden: als unbewehrte Platten und Durchgehend Bewehrt (DBBD). In Deutschland wird die unbewehrte Plattenbauweise mit verdübelten Querscheinfugen im Abstand von 5 m standardisiert angewendet. Bei der DBBD werden keine Querfugen in der Betondecke hergestellt, sondern es stellt sich ein freies Rissbild mit schmalen Plattenstreifen ein. Um eine Querkraftübertragung zu sichern, ist die Rissöffnungsweite zu beschränken. Dies wird durch die Anordnung einer durchgehenden Längsbewehrung erreicht. Zahlreiche Anwendungen haben gezeigt, dass bei dieser Fahrbahn der Fahrkomfort wesentlich höher ist, die Konstruktion ein sehr gutes Tragverhalten aufweist und eine lange Nutzungsdauer erreicht wird. Daraus ergibt sich eine sehr wirtschaftliche, langlebige und unterhaltungsarme Bauweise. Es fehlt noch eine Optimierung der Bauweise für die konkrete Anwendung in Deutschland. Dazu wurden 10 Strecken mit 17 Abschnitten in Belgien, den Niederlanden, der Schweiz, Deutschland, Polen und Kanada für eine vergleichende Betrachtung ausgewählt und die Anforderungswerte und Einbaubedingungen zusammengetragen. Es erfolgten Streckenbegehungen, bei denen die vorhandenen Risse mit Lage und Öffnungsweite bestimmt wurden. Der Zustand der Strecken wurde visuell begutachtet. Auf der Grundlage dieser Informationen wurden die Strecken verglichen. Es konnten weiterführende Erkenntnisse über das Rissverhalten der DBBD gewonnen werden. Darüber hinaus werden Anforderungen an die Herstellung einer DBBD und der weiteren Anwendung benannt.
Teil I: Die Untersuchung beschäftigt sich mit der Frage, ob und in welcher Weise die Verkehrssicherheit bei nächtlicher Ausschaltung von Signalanlagen an Knotenpunkten beeinträchtigt wird. Es wurden umfangreiche Analysen des Unfallgeschehens (Vorher-Nachher-Vergleiche) und Verkehrsbeobachtungen durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Ausschaltung in der Gesamtbilanz zu einem deutlichen Anstieg der Unfallzahlen geführt hat. Grundsätzlich ist daher mit einer potentiellen Erhöhung des Unfallrisikos bei Ausschaltung zu rechnen. Unabhängig von ihrer Struktur und Lage treten an vielen Knoten nachts keine Unfälle auf, so dass die Ausschaltung nicht generell ausgeschlossen werden kann. Sie sollte jedoch in den Richtlinien restriktiv geregelt und von Einzeluntersuchungen abhängig gemacht werden. Es wird empfohlen zu prüfen, ob als Alternative zur völligen Ausschaltung nicht Maßnahmen im Bereich der verkehrsabhängigen Steuerung vorzuziehen sind. rnTeil II: Für eine beabsichtigte Änderung und Ergänzung der bestehenden Richtlinien für Lichtsignalanlagen (LSA) sollten Erfahrungen mit nachts ausgeschalteten LSA eingeholt werden. Die Untersuchung zielte darauf ab: 1. Erste Anhaltspunkte darüber zu gewinnen, wie Pkw-Fahrer als Kraftfahrer und auch als Fußgänger nachts ein- bzw. ausgeschaltete LSA beurteilen, 2. Verkehrsbedeutsame Unterschiede im Erleben und Verhalten von Gegnern und Befürwortern von Dauerbetrieb zu ermitteln. Eine auf den Kölner Stadtbereich bezogene Stichprobe von 427 Pkw-Fahrern wurde teils telefonisch, teils durch persönlichen Kontakt zu diesem Thema befragt. Ergebnisse: die Mehrheit der Kraftfahrer sieht einen Nutzen des Dauerbetriebs von LSA. Positive Fahrgewohnheiten bleiben erhalten. Die Erkennbarkeit der Verkehrsregelung sowie die Orientierung über den Verlauf der Fahrstreifen wird für leichter gehalten. Zu hohe Geschwindigkeiten werden nach Ansicht der Befragten vermieden. Die Hälfte der Kraftfahrer sieht sich beim Befahren von Knoten, deren LSA ausgeschaltet ist, in ihrer Sicherheit beeinträchtigt. Viele Kraftfahrer machen nachts Umwege, um Wartezeiten an LSA zu vermeiden. Gegner von Dauerbetrieb verhalten sich nicht wesentlich anders als Befürworter.rn