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Entwurfsempfehlungen für Querschnittsbreiten von Über-/Unterführungsbauwerken ländlicher Wege
(2024)
Bei Neu-, Um- und Ausbaumaßnahmen von Fernstraßen in der Baulast des Bundes werden häufig Unter-/Überführungsbauwerke erstellt, wobei hierzu in bestehenden Richtlinien unterschiedliche Entwurfsgrundlagen existieren. Dies sind zum einen die „Richtlinien für den ländlichen Wegebau“ (RLW) und zum anderen die „Richtlinien für den Entwurf, die konstruktive Ausbildung und Ausstattung von Ingenieurbauwerken“ RE-ING Teil 2 Brücken.
Während die RLW 2016 nutzbare Fahrbahnbreiten von 4,50 m ausweisen, fallen diese in den RE-ING mit 4,00 m um 0,50 m schmaler aus. Außerdem schlagen die RLW 2016 insbesondere im Zuge langer Unterführungen vor, einen der beiden 1,00 m breiten Sicherheitsräume zu Lasten des anderen für zu Fuß Gehende/Radfahrende auf 1,50 m zu verbreitern. Nach den RLW 2016 ergibt sich damit eine Gesamtquerschnittsbreite von 6,50 m, während sich in den RE-ING durch die schmaleren Sicherheitsräume von nur 0,50 m eine Gesamtquerschnittsbreite von 5,00 m ergibt.
Das landwirtschaftliche Wegenetz wird teilweise von sehr breiten landwirtschaftlichen Maschinen befahren. Seitens der Vertreter der Landwirtschaft werden aufgrund möglicher Begegnungsfälle mit zu Fuß Gehenden und Radfahrenden, weitere Verbreiterungen der Querschnittsmaße gefordert, welche die bislang in den Richtlinien enthaltenen Werte noch übersteigen.
Im Rahmen des Forschungsprojektes sollten daher, unter besonderer Berücksichtigung der Verkehrssicherheit und der Wirtschaftlichkeit sowie der Breitenanforderungen der aktuellen Fahrzeugflotte ländlicher Maschinen, empfohlene Querschnittsbreiten im Bereich von Unter-/Überführungsbauwerken ländlicher Wege ermittelt werden. Dabei wurden maßgebende Begegnungsfälle zwischen breiten landwirtschaftlichen Fahrzeugen und zu Fuß Gehenden / Radfahrenden berücksichtigt.
Eine Netzanalyse relevanter Bauwerke sowie der zugelassenen landwirtschaftlichen Fahrzeuge sowie die Einbeziehung lokaler Radrouten führte zur Festlegung eines Untersuchungskollektivs von 44 Bauwerken (26 Unter- bzw. 18 Überführungen) in drei Regionen.
Insgesamt wurden aus den an 533 Erhebungstagen aufgezeichneten ca. 3.990 Stunden Videomaterial, welches im Bereich der Unter-/Überführungsbauwerke aufgenommen wurde, ca. 4.500 zu Fuß Gehende, ca. 12.500 Rad Fahrende, ca. 16.500 Pkw, ca. 350 Lkw, ca. 625 sonstige Kfz und ca. 1.200 landwirtschaftliche Fahrzeuge erfasst.
Dabei ergaben sich 322 Begegnungen zwischen schwachen Verkehrsteilnehmenden und Pkw, 8 Begegnungen zwischen schwachen Verkehrsteilnehmenden und Lkw und 42 Begegnungen zwischen schwachen Verkehrsteilnehmenden und landwirtschaftlichen Fahrzeugen.
Grundsätzlich ist ein kooperatives Verhalten von zu Fuß Gehenden und Rad Fahrenden sowie dem landwirtschaftlichen Verkehr festzustellen. Es wurde beispielsweise beobachtet, dass Begegnungen mit sehr breiten Fahrzeugen häufig außerhalb der Bauwerke stattfinden.
Die genannten Begegnungen waren ausnahmslos als unkritisch einzustufen, Es ist daher auch kein Einfluss der Bauwerksbreite als maßgeblichem baulichen Charakteristikum für Gefährdungspotenziale erkennbar, auch nicht bei schmalen Bauwerken.
Weder aus den beobachteten Begegnungen zwischen Fuß- und Radverkehr mit landwirtschaftlichem Verkehr noch mit dem regulären Kfz-Verkehr lassen sich Erkenntnisse ableiten, dass auf Basis dieser Begegnungen Änderungen an den Fahrbahnbreiten im Regelwerk vorgenommen werden sollten.
Auch für eine generelle Verbreiterung von Bauwerken mit landwirtschaftlichem Verkehr aufgrund zunehmender Fahrzeugbreiten ergeben sich aus den Erhebungen keine Hinweise
Gegenstand des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines Verfahrens zur Prognose der Nachfrage nach Pkw-Abstellmöglichkeiten für das Jahr 2030 mit Bezug auf das Analysejahr 2010. Das neu entwickelte Verfahren ermittelt theoretisch die streckenbezogene Pkw-Parknachfrage und berücksichtigt die zu erwarteten strukturellen Netzänderungen.
Es besteht aus zwei Hauptarbeitsbereichen:
• der Verkehrsmodellrechnung und
• dem Parkverhaltensmodell mit der Berechnung der Anzahl an Pkw, die auf einer Rastanlage parken wollen
Die Verkehrsmodellrechnung liefert die verkehrliche Datenbasis für das bundesweite Autobahnnetz und nutzt die Verflechtungsprognose 2030 des Bundes. Wesentliches Ergebnis der Verkehrsmodellrechnung ist die Anzahl der Pkw auf einem Autobahnabschnitt, differenziert nach der Fahrtdauer zwischen Quelle und Ziel, sowie der bis zum betrachteten Abschnitt absolvierten Fahrtzeit.
Das Parkverhaltensmodell nutzt einen aus einer eigens durchgeführten Befragung zum Parkverhalten abgeleiteten empirischen Ansatz. Es berücksichtigt, differenziert nach 24 Fahrtdauerklassen, die Höhe der Wahrscheinlichkeit für eine Pause sowie die Anzahl der Pausen je Fahrtdauerklasse.
Das Parkverhaltensmodell liefert Ergebnisse für drei Szenarien: normaler Werktagsverkehr, Freitagsverkehr und ein fiktives maximales Szenario. Die Berechnung von Pausen und Parkständen ist unabhängig vom real vorhandenen Parkstandangebot an den Autobahnen.
Die Ergebnisse des Forschungsvorhabens liefern für den Regelfall eine streckenbezogene Datengrundlage für die Planung zukünftiger Pkw-Abstellmöglichkeiten.
Mit den berechneten Daten lassen sich Neu- oder Ausbaumaßnahmen planen, wobei die örtlichen Randbedingungen (Pendlerstrecke im Ballungsraum, ausgeprägte Urlaubsrouten o. ä.) zwingend mit zu berücksichtigen sind.
Im Prognosejahr 2030 nimmt die Anzahl an Pkw, die auf einer Rastanlage parken wollen, bezogen auf das Analysejahr um knapp 17 % zu. Für den durchschnittlichen Werktagsverkehr wie auch den Freitagsverkehr reicht bereits das aktuelle Parkangebot auf den Rastanlagen aus, die prognostizierte Nachfrage abzudecken. Regional betrachtet (z.B. im Saarland), kommt es im Szenario Freitagsverkehr zur Auslastung des Angebots der Abstellmöglichkeiten. Bundesweit treten keine Kapazitätsengpässe auf. Im maximalen Szenario kann regional ein Unterangebot für die Parknachfrage auftreten.
Zur Bewertung, inwieweit die seit Oktober 2005 bestehende Empfehlung des BMVI zum Fahren mit Licht am Tag befolgt wird, wurde 2007 erstmals die Erfassung der Lichteinschaltquoten (LEQ) am Tag in Deutschland durchgeführt. Das seinerzeit entwickelte Erhebungskonzept (SIEGENER ET AL., 2008) und die überarbeitete Auswertemethodik (KATHMANN ET AL., 2020) wurden so konzipiert, dass eine kontinuierliche und systematische Fortschreibung der Ergebnisse in regelmäßigen Abständen möglich ist.
Die Forschungsvorhaben FE 89.0246/2010/AP, F1100.3207033 und FE 89.0270/2011 wurden in dem Forschungsvorhaben „Effizienz geohydraulischer Sicherungsmaßnahmen bei Einsatz von Böden mit umweltrelevanten Inhaltsstoffen – Teil 2“ (FE 89.0292/2013) weitergeführt. Die in den Vorgängerprojekten gewonnen Erkenntnisse zeigten auf, dass noch eine deutliche Verbesserung der Aussagequalität zum Langzeitverhalten der technischen Sicherungsmaßnahmen und zu Unterschieden der Wirksamkeit der einzelnen technischen Sicherungsmaßnahmen zu erwarten sind. Im Zuge der Projektbearbeitung wurden einige Veränderungen im Versuchsaufbau umgesetzt um die Aussagequalität zu verbessern. So wurde die Deckschicht der an die Lysimeteranlage angrenzenden Straße und die hydraulische Abkopplung der Busspur erneuert um die Zulaufbedingungen zu den Lysimeterbecken zu optimieren. Im Oktober 2014 wurden die Bankettbereiche der Lysimeterbecken erneuert und eine zusätzliche Schicht eingebracht, die im Bankett die Versickerung des Straßenabflusses reduzieren soll. Im Zuge dieser Umbauten wurde in Lysimeterbecken 6 eine beidseitig kaschierte Dränmatte als technische Sicherungsmaßnahme verbaut. Zusätzlich zu den Änderungen im Versuchsaufbau wurde die Messtechnik erweitert. Um die tatsächliche Evapotranspiration quantifizieren zu können wurde im Januar 2015 eine Wetterstation in Betrieb genommen. Zudem wurde eine zusätzliche Kippwaage (5 ml Auflösung) am Straßenabflusssammler installiert. Unter dem verwirklichten Versuchsaufbau bilden die Bodenkörper mit ihren jeweiligen technischen Sicherungsmaßnahmen und dem Bankett ein Gesamtsystem, das als solches betrachtet werden muss. Eine detaillierte Zusammenstellung der Ergebnisse kann dem Schlussbericht entnommen werden.
Unter dem verwirklichten Versuchsaufbau bilden die Bodenkörper mit ihren jeweiligen technischen Sicherungsmaßnahmen und dem Bankett ein Gesamtsystem, das als solches betrachtet werden muss. Eine detaillierte Zusammenstellung der Ergebnisse kann dem Schlussbericht entnommen werden. Zusammenfassend kann für den Untersuchungszeitraum April 2013 - November 2016 qualitativ folgendes festgestellt werden:
• Durch die Fortsetzung des Vorgängerprojektes konnte das Langzeitverhalten der Lysimeter beobachtet und weitere wichtige Erkenntnisse gewonnen werden. Zwischen beiden Projekten zeigen sich zum Teil deutliche Unterschiede hinsichtlich des Sickerwasseranteils.
• Die Auswahl des Dammbaustoffes hat den wesentlichen Einfluss auf den Anteil des Sickerwassers. Dieser betrug bei den Lysimetern mit bindigem Boden zwischen 14% und 38%, bei den Lysimetern mit kiesigen Böden zwischen 58% und 71%.
• Im Langzeitverhalten zeigen alle Lysimeter deutliche Veränderungen beim Sickerwasseranteil. Alterungseffekte der technischen Sicherungsmaßnahmen, die höhere Sickerwasseranteile zur Folge haben, können nicht ausgeschlossen werden.
• Nach dem Straßenumbau kommt es bei allen Lysimeterbecken zu einer signifikanten Erhöhung des Sickerwasseranteils mit weiter steigender Tendenz. Bei Lysimeterbecken 3 ergaben sich Sickerwasseranteile die im Bereich der Lysimeterbecken mit kiesigem Böschungskern liegen. Die Ursache hierfür konnte nicht abschließend geklärt werden. Ein Tracerversuch mit anschließender schichtenweiser Abtragung des Bodenkörpers kann weitere Erkenntnisse diesbezüglich ergeben.
• Der Umbau der Bankettbereiche hatte keine signifikante Verringerung der Sickerwasseranteile zur Folge.
• Beim kiesigen Boden konnte nachgewiesen werden, dass die direkte Durchsickerung im Bankettbereich durch den Bankettumbau reduziert wurde bzw. mehr des von der Straße anströmenden Wassers über den Bankettbereich zu den Böschungen transportiert wird.
• Die Bitumenanspritzung bewirkt bei beiden Bodenarten keine signifikante Verminderung des Sickerwasseranteils. Die in Brand et al. (2016) festgestellte Erhöhung des Sickerwasseranteils gegenüber den anderen technischen Sicherungsmaßnahmen kann jedoch nicht mehr festgestellt werden.
• In den bindigen Böden ist Lysimeter 2, das über eine Dränmatte als technische Sicherungsmaßnahme verfügt, das Lysimeter mit den insgesamt geringsten Anteilen an Sickerwasser. Die in Brand et al. 2016 in Lysimeter 3 eingebaute dickere Kiesschicht scheint ihre Funktion verloren zu haben.
• zwischen den Lysimetern mit kiesigem Boden im Böschungskern sind hinsichtlich des Sickerwasseranteils nur geringe Unterschiede feststellbar. Eine Ausnahme bildet Lysimeter 8.
• Es konnten mehrere Ansätze zur Berechnung der potentiellen Evapotranspiration verfolgt werden. An die tatsächlich stattfindende Evapotranspiration wurde sich zusätzlich mithilfe der allgemeinen Wasserhaushaltsgleichung angenähert. Die Ergebnisse legen nahe, dass sich die Evapotranspiration nicht signifikant zwischen den verschiedenen Lysimeterbecken/Baustoffen unterscheidet. Insgesamt spielt die tatsächliche Evapotranspiration mengenmäßig nur eine untergeordnete Rolle. Im Falle einer Dammlage ist mit einer Zunahme der Verdunstung auf der Straße als auch der tatsächlichen Evapotranspiration zu rechnen.
• Durch die Verbesserung der Zulaufsituation durch Änderung der Straßenabflussrinne und durch die Erweiterung der Messtechnik konnte die Genauigkeit der Mengenmessung optimiert werden. Beides wirkt sich in deutlich höheren festgestellten Anteilen abflusswirksamer Niederschläge aus.
…
Ziel des Vorhabens war, einen systematischen, quantitativen Datensatz der hydraulischen Eigenschaften von Ersatzbaustoffen in hoher Güte zu erarbeiten. Es wurden insgesamt 15 Materialien aus vier Materialgruppen in zweifacher Wiederholung in einer für die Verwendung im Straßenbau typischen Lagerungsdichte untersucht. Die Materialgruppen umfassten Bodenmaterialien (BM), Hausmüllverbrennungsaschen (HMVA), Recyclingbaustoffe (RC), sowie eine Stahlwerksschlacke (SWS). Die hydraulische Charakterisierung umfasste die Beziehung zwischen Wassergehalt und Kapillardruck („Retentionskurve“) sowie die Beziehung zwischen gesättigt/ungesättigter Leitfähigkeit und Wassergehalt („Leitfähigkeitskurve.“). Als Verfahren zur Ermittlung der hydraulischen Eigenschaften an großen Probekörpern (6,8 Liter) diente die Verdunstungsmethode. Die Validität der Verdunstungsmethode für die durchgeführten Experimente wurde in einer Simulationsstudie bestätigt. Ergänzende Messungen erfolgten für die gesättigte hydraulische Leitfähigkeit mit der Methode mit konstantem Überstau und für die Wasserretention im trockenen Bereich mit der Taupunkts-Methode. Die Retentionsdaten wurden in hoher Präzision über den gesamten Feuchtebereich, die ungesättigten Leitfähigkeitsfunktionen über den experimentell zugänglichen Feuchtebereich gewonnen. Die Ergebnisse der Parallelproben zeigten aufgrund der großen Probenkörper eine hohe (BM, HMVA, SWS) bis befriedigende (RC) Wiederholungsgenauigkeit. Die ermittelten hydraulischen Eigenschaften besitzen komplexe Formen, die sich teilweise durch Makroporenanteile mit sprunghaften Änderungen der Wassergehalte und hydraulischen Leitfähigkeiten beim Übergang von Sättigung zu ungesättigten Systemzuständen (HMVA, RC), bimodalen Porengrößenverteilungen im mittleren Feuchtebereich, einem kontinuierlichen Rückgang der Wassergehalte auf den Wert null hin zum Trockenen, und hydraulischen Leitfähigkeitskurven mit Filmflusskomponenten auszeichnen. Dies kann mit gängigen Modellen für hydraulische Eigenschaften (z.B. van Genuchten, 1980) nicht befriedigend beschrieben werden. Gängige Pedotransfer-Funktionen, welche in der Vergangenheit für Böden erstellt wurden, können somit zu keiner realistischen Beschreibung der Wasserdynamik führen. Eine Erstellung von Pedotransfer-Funktionen auf Basis von einfachen analytischen Funktionsansätzen erscheint gegenwärtig nicht praktikabel. Das Ziel weiterer Untersuchungen sollte einerseits darin liegen, geeignete Funktionen zu finden, mit denen das beobachtete hydraulische Verhalten der untersuchten Stoffe fehlerfrei wiedergegeben werden kann, andererseits Szenarien zu identifizieren, bei denen auch mit vereinfachten Funktionsansätzen befriedigend genaue Simulationen des Wasserhaushaltes in Ersatzbaustoffen in einem limitierten Feuchtebereich möglich sind.
Mit Hilfe von Netzbeeinflussungsanlagen (NBA) soll der Verkehr vor allem bei Störungen im Verkehrsablauf entsprechend den jeweils vorhandenen Verkehrsbelastungen und Fahrtzeiten optimal im Straßennetz abgewickelt werden. Die derzeit zur Ermittlung der Wirksamkeit von NBA verwendeten Verfahren gemäß der „Hinweise zur Wirksamkeitsschätzung und Wirksamkeitsberechnung von Verkehrsbeeinflussungsanlagen“ (FGSV-Heft 311) berechnen die Wirkungen bezüglich des Verkehrsflusses anhand der Zeitkosten. Die in die Verfahren eingehenden Kenngrößen sind allerdings empirisch schwer zu bestimmen und beruhen insbesondere für den Befolgungsgrad und für die Fahrtzeiten auf Normal- und Alternativroute auf nicht einwandfrei verifizierten Annahmen. Ziel des vorliegenden Forschungsvorhabens war es, ein Wirksamkeitsanalyseverfahren zu erarbeiten, welches transparenter und praxistauglicher einen Nachweis der verkehrlichen Wirkung von NBA unterstützt.
Basierend auf einer Literaturanalyse zu Vorgehensweisen bei Wirksamkeitsanalysen von NBA und NBA-Steuerungsstrategien sowie auf Expertengesprächen mit Vertretern der Straßenbauverwaltung wurden relevante Wirkungskomponenten ausgewählt und deren tatsächliche Berechnungsmöglichkeit bewertet.
Ausgehend von den so gewonnenen Erkenntnissen wurden für NBA die Anwendungsfälle Störungsinformation (Anwendungsfall S) und Alternativroutenempfehlung (Anwendungsfall A) in einem neuen Analyseverfahren für Ex-Ante- und Ex-Post-Untersuchungen etabliert. Zur Beurteilung der Relevanz von Störungen und der Einschätzung von Fahrtzeiten im ungestörten und gestörten Zustand, Verlustzeiten durch die Störung und resultierender Zeitvorteile werden Informationen aus Floating Car Data (FCD) verwendet. Die Weitergabe der Störungsinformation am Entscheidungspunkt (Anwendungs-fall S) hat, ob mit oder ohne ergänzende Ausweisung einer Alternativroute, auch Einfluss auf das Verhalten der Verkehrsteilnehmenden. Die Anzahl der über die Störung informierten Verkehrsteilnehmenden wird für den Anwendungsfall S zur Beurteilung der Wirksamkeit einer NBA herangezogen. Wird ergänzend zu der reinen Störungsinformation auch eine Alternativroutenempfehlung ausgewiesen, wird zusätzlich der Anwendungsfall A für den relevanten Zeitbereich betrachtet. Dem Verfahren im Anwendungsfall A liegt die Annahme zugrunde, dass aus einer Alternativroutenempfehlung für die der Empfehlung folgenden Verkehrsteilnehmenden Zeitvorteile gegenüber der Fahrt auf der Normalroute im gestörten Zustand resultieren. Die Summe dieser Zeitvorteile über alle relevanten Verkehrsteilnehmenden wird für Anwendungsfall A zur Beurteilung der verkehrlichen Wirksamkeit einer NBA herangezogen. Hierfür wird zunächst die Charakteristik des zugrundeliegenden Netzes aus Normalroute und Alternativroute analysiert. Aus dieser Analyse lassen sich Hinweise auf die tatsächliche Relevanz möglicher Störungen auf der Normalroute für die Anwendungsfälle S und A ableiten. Es wird weiterhin zwischen dem Verkehrsaufkommen der Einfahrenden unterschieden, die in die Normalroute einfahren, und dem Verkehrsaufkommen der Durchfahrenden, die die gesamte Normalroute üblicherweise (im ungestörten Zustand) bis zum Endpunkt durchfahren. Weiterhin werden Informationen zu den Ausfahrenden auf die Alternativroute erforderlich. Daneben werden Daten zu Störungen und bei Ex-Post-Untersuchungen ergänzend zu Schaltungen in den NBA nötig. Auf der Alternativroute muss das Netzelement lokalisiert werden, welches die geringste Kapazität besitzt. Mit dem entwickelten Wirksamkeitsanalyseverfahren kann die verkehrliche Wirksamkeit einer NBA dargestellt werden. In Anwendungsfall A werden die Zeitvorteile für die tatsächlich beeinflussten Verkehrsteilnehmenden (Pkw und Lkw) ausgewiesen. Der Nutzen der NBA kann auf der Basis von Zeitvorteilen unter Verwendung von Zeitkostensätzen ermittelt werden.
Neben den Verfahren zur Wirksamkeitsanalyse wird ein methodischer Ansatz zur Strategiedefinition für Netzbeeinflussungsanlagen erarbeitet, der auf den identischen Prinzipien der Störungsbeurteilung aufbaut.
Im Rahmen einer beispielhaften Praxisanwendung wurde zur Überprüfung der Praxistauglichkeit dargestellt, dass die im Verfahren beschriebenen Bearbeitungsschritte und notwendigen Daten geeignet sind.
Abschließend werden Empfehlungen für die Integration des Verfahrens in die FGSV-Regelwerke formuliert. Zudem werden Hinweise zur Verbesserung eines Zugangs zu den für die Verfahrensanwendung notwendigen Daten durch standardisierte Datenformate und eine kontinuierliche Datenhaltung, zur Vereinfachung der Verfahrensanwendung durch eine Umsetzung in einem Softwaretool und zur Bereitstellung der aus Verfahrensanwendungen gewonnenen Erkenntnisse in einer Wissensbasis gegeben.
Als Grundlage des Forschungsprojektes FE 02.0378/2014/CGB „Analyse von Straßenbestandsobjekten aus Laserpunktwolken durch Mustererkennung/Objekterkennung einschließlich der Georeferenzierung“ wurden Messdaten der Mobile Mapping Fahrzeuge IRIS5 und IRIS12 der Firma LEHMANN+PARTNER GmbH (LP) eingesetzt. Die georeferenzierten Punktwolken entstanden mit Hilfe eines an den Fahrzeugen montierten CPS Laserscanners vom Projektpartner, dem Fraunhofer Institut für Physikalische Messtechnik, IPM, Freiburg. Die Aufgabe des Forschungsprojektes bestand in der Erforschung von Methoden und Algorithmen zur automatisierten Mustererkennung von speziellen Objekten in dreidimensionalen Punktwolken. Die ausschließliche Analyse bzw. Extraktion von Objekten auf Grundlage der reinen Punktwolke erwies sich am Anfang des Projektes als nicht zielführend. Größter limitierender Faktor war die mit der Entfernung zunehmende Dichteverringerung in den Daten der Punktwolken. Dies führte zum Teil zu unterrepräsentativen Abbildungen von kleinen oder schmalen Objekten. Um dieses Defizit auszugleichen, wurden die georeferenzierten Bilddaten der Mobile Mapping Fahrzeuge als Analysehilfe verwendet. Die Bilddaten weisen ein vielfach höheres Auslösungsvermögen im Vergleich zur Punkwolke auf. Zur Analyse der Daten kamen verschieden Neuronale Netze zum Einsatz, die zunächst die Bildinformationen analysierten. Nach der Trainingsphase des Neuronalen Netzes wurden Objekte einer messtechnischen Aufnahme (Scene) detektiert. Durch die georeferenzierten Bilddaten konnten alle automatisch gefundenen Objektinformationen in die Punktwolke übertragen werden. Hierbei wurde eine weitaus größere Diversität der Extraktionsergebnisse als mit der Analyse der reinen Punktwolke erzielt. Die finale Lösung der automatischen Extraktion bestand in der Projektion der einzelnen Objekte vom Neuronalen Netz in die Punktwolke. Dadurch, dass jedes Objekt mehrfach in jeder Bildszene erfasst wurde, besitzt jeder Laserscanner Punkt mehrere automatisch generierte Objektlable. Mit Hilfe von Clusteranalysen und Mehrheitsentscheidungen konnte die Ausgangspunktwolke in einzelne Objekte vollautomatisch zerlegt werden. Für die Verwendung in einem GIS oder für die OKSTRA konforme Speicherung mussten die Daten weiter aufbereitet werden. Hierzu wurden die einzelnen Objektklassen einer Repräsentationsklasse zugeordnet, sodass eine eindeutige Darstellung in einem GIS erfolgen konnte. Zur Kontrolle und Validierung der Extraktionsergebnisse wurde eine unbekannte Teststecke (Rundkurs bei Köln-Rösrath) aufgenommen. Die Digitalisierung jedes Referenzobjektes erfolgte manuell. Der Vergleich der Objekte erfolgte aufgrund Lage, Ausprägung und Objekttyp. Hierbei stellte es sich heraus, dass insgesamt 66% der Objekte komplett oder teilweise extrahiert werden konnten. Nur 4% der automatisch detektierten Flächenobjekte konnte im Referenzdatensatz nicht gefunden werden. Bestes Extraktionsergebnis lieferte der Objekttyp „Markierungslinien“ mit 90% Übereinstimmung mit dem Referenzdatensatz auf dem Testabschnitt der BAB. Zuordnungsdefizite kamen hauptsächlich aus den Label-Zuordnungsfehlern, die sich zum Teil aus der Abbildungsgeometrie schmaler und kleiner Objekte in der Punktwolke ergaben. An dieser Stelle besteht noch erhebliches Potential zur Verbesserung der Extraktionsergebnisse, welche im Rahmen dieser Forschungsarbeit nicht weiter optimiert werden konnte. Das Forschungsvorhaben zeigte, dass aus einer Punktwolke unter Zuhilfenahme von georeferenzierten Bildern der gleichen Szene vollautomatisch Objekte zu extrahieren sind. Im Ergebnis liegen georeferenzierte Objekte, die in einem Geoinformationssystem abgebildet werden können, vor.
Bei Straßenbaumaßnahmen werden im Erdbau große Massen bewegt. Nicht immer gelingt der Massenausgleich innerhalb einer Baumaßnahme, so dass dann andere Baustoffe zur Herstellung der Erdbauwerke benötigt werden. Hierfür können Ersatzbaustoffe, wie Recycling-Baustoffe, industrielle Nebenprodukte oder aufbereitetes Bodenmaterial verwendet werden, um natürliche Ressourcen zu schonen. Neben der bautechnischen Eignung der Ersatzbaustoffe spielt der Schutz von Boden und Grundwasser mittlerweile bei der Auswahl der Baustoffe eine wesentliche Rolle. Um diesen zu gewährleisten, ist bei Ersatzbaustoffen zu prüfen, ob umweltrelevante Inhaltsstoffe mit dem Sickerwasser in relevanten Mengen in Boden und Grundwasser ausgetragen werden können.
Die Bundesanstalt für Straßenwesen widmet sich diesem Themenbereich in der Forschungslinie „Ressourcenschonender und umweltverträglicher Straßenbau“. Das übergeordnete Ziel der verschiedenen Forschungsprojekte ist dabei, den Einsatz von Ressourcen zu optimieren und gleichzeitig die Auswirkungen auf die Umwelt zu bewerten.
Aus Sicht des Straßenbauingenieurs reicht das Wissen über Wasser im Straßenbauwerk für die Beurteilung der Gebrauchstauglichkeit vollkommen. Für die hydrogeologische Beurteilung der Durchsickerung im Hinblick auf den Boden- und Grundwasserschutz ist der heutige Wissensstand jedoch noch unzureichend. Insbesondere sind dazu folgende Fragen offen: Wie viel Wasser gelangt in das Straßenbauwerk und wie viel Wasser durchsickert die Straßenböschung?
Zum Schutz von Boden- und Grundwasser wurden für den Einsatz bestimmter Ersatzbaustoffe im Erbau Bauweisen für technische Sicherungsmaßnahmen (TSM) entwickelt. Durch diese Bauweisen kann die Menge des Sickerwassereintrags in das Bauwerk reduziert und damit der Austrag an umweltrelevanten Inhaltsstoffen verringert oder sogar ganz vermieden werden.
Ziel der Forschungsarbeiten zum Thema Durchsickerung von Straßenböschungen ist es, eine belastbare Datengrundlage zum Wasserhaushalt von Straßenböschungen zu schaffen. Daraus werden Instrumente entwickelt, um die Wirksamkeit der unterschiedlichen technischen Sicherungsmaßnahmen zu beurteilen. So sollen Ersatzbaustoffe durch ökonomisch und ökologisch optimierte Bauweisen weiter für den Erdbau des Straßenbaus genutzt werden.
In diesem Projekt „Effizienz technischer Sicherungsmaßnahmen im Erdbau – Lysimeteruntersuchungen unter Laborbedingungen“ wird der Forschungsansatz der großmaßstäblichen Versuche verfolgt, mit dem Ziel die Wirksamkeit von TSM zu beurteilen. Hierzu wurden Lysimeter und eine zugehörige Beregnungseinheit entwickelt. Mit der Anlage wurde ein Instrument geschaffen, um unter vergleichbaren, kontrollierten und zeitgerafften Bedingungen verschiedene Kombinationen aus TSM und Ersatzbaustoffen am Ausschnitt einer Böschung im Maßstab 1:1 zu prüfen. Um klimatische Einflüsse weitestgehend auszuschließen, ist die Anlage in einer Versuchshalle aufgestellt, so dass die Lysimeteruntersuchungen unter gleichbleibenden Laborbedingungen durchgeführt werden können.
Die Vorteile der Lysimeteruntersuchungen unter Laborbedingungen liegen in einer gut erfassbaren Wasserbilanz und der Möglichkeit, regelmäßig Wasserproben für die chemischen Untersuchungen zu gewinnen. Zu den Schwächen gehören, dass Umwelteinflüsse und Straßenabfluss nicht berücksichtigt werden und ggf. nicht erfassbare Randeinflüsse vorhanden sind. Zudem sind die Versuchsdauern lang und die Versuche sind betreuungsintensiv. Aufgrund der Abmessungen des Lysimeterkastens sind nicht alle TSM realisierbar.
In dieser zweiten Versuchsserie wurden eine Hausmüllverbrennungsasche (HMVA), ein Recycling-Baustoff (RC) ein Gießereirestsand (GRS) und eine Steinkohlenkesselasche (SKA) untersucht. Als TSM wurden drei verschiedene Dränmatten und eine Vergleichsvariante ohne TSM eingesetzt, so dass insgesamt zehn Versuchsreihen durchgeführt worden sind. Die Lysimeterversuche wurden von April 2013 bis Dezember 2016 durchgeführt. Während den 15-wöchigen Versuchsreihen wurde an jedem Arbeitstag das Gewicht des Lysimeters und des Oberflächenabfluss ermittelt. Das Sickerwasser wurde ebenfalls gewogen und analysiert. Während dieser Zeit wurden in jeder Woche ein bis drei Regenereignisse aufgebracht. Abschließend wurde für die Materiealien RC und SKA noch die Sensitivität der Versuchsergebnisse gegenüber der Regenmenge untersucht.
Die wesentlichen Erkenntnisse zur Effizienz der technischen Sicherungsmaßnahmen sind:
1. Für alle Materialien lässt sich durch die Verwendung von Dränmatten eine Reduktion der Sickerwassermenge um mindesten 40 % erzielen.
2. Bei der Effizienz der Bauweise kommt es zu einer Überlagerung verschiedener Eigenschaften, wie
• den hydraulischen Eigenschaften der Dränmatte sowie
• der Wasserdurchlässigkeit,
• dem Verdichtungsgrad und
• der kapillaren Saugspannung des in der Böschung untersuchten Materials.
Die Menge an umweltrelevanten Inhaltstoffen wird von den beiden Faktoren Konzentration im Sickerwasser und Menge des Sickerwassers bestimmt. Der entscheidende Faktor bei den aufsummierten Frachtkurven ist in den meisten Fällen die Sickerwassermenge, diese wird von der TSM beeinflusst. Es ist also möglich, mit einer geeigneten TSM den Austrag von umweltrelevanten Inhaltsstoffen aus einer Straßenböschung zu verringern.
In zukünftige Simulationsrechnungen sollten die unterschiedlichen Charaktere der Regen und die Trocknungsphasen berücksichtig werden. Keinesfalls darf von einem gleichmäßigen Dauerregen ohne Trocknungsphasen ausgegangen werden. Es konnte gezeigt werden, dass dies die Menge von Oberflächen- und Sickerwasserabfluss beeinträchtigt.
Für eine wirkungsvolle Reduzierung der Sickerwassermenge muss die Bauweise mit dem Material und den Einbaubedingungen abgestimmt werden. Dafür steht mit dem Hallenlysimeter ein Instrument zur Verfügung, das unter vergleichbaren, kontrollierten und zeitgerafften Bedingungen die Beurteilung der Effizienz von TSM erlaubt.