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.
The German highway network is facing new challenges in the near future. The structures have to deal with increasing traffic loads, climate change effects and new requirements regarding sustainability while they are getting older and budget cuts can be expected. To guarantee a reliable highway network, it will be vital to adapt and enhance innovative approaches. Current bridge management relies on the results of conventional bridge inspections and thus has certain limitations when it comes to insufficient load bearing capacity and other systematic weaknesses. Therefore, new approaches for real time condition assessment of critical road infrastructure elements are to be developed.
Zunehmende Belastungen insbesondere der Bundesstraßen durch Schwerverkehr und Witterungsextreme führen dazu, dass viele Straßenabschnitte vor Ablauf der geplanten Nutzungsdauer erneuert werden müssen. Hinzu kommt die Herausforderung der Beseitigung von Investitionsstaus, das heißt die Erneuerung von Straßenabschnitten, deren substanzieller Zustand durch Überschreiten der geplanten Nutzungsdauer nicht mehr wirtschaftlich ist. Insbesondere bei extremen Witterungsbedingungen zeigen sich unter Umständen die Schwächen der verschiedenen Bauweisen. So kann es bei hohen Temperaturen und Stop-and-go-Verkehr bei Asphaltbauweisen zur erhöhten Spurrinnenbildung oder zur Schädigung der Längsnähte kommen. In der Betonbauweise können unter Umständen Hitzeschäden auftreten, wenn größere Imperfektionen – die direkt aus der Herstellung oder mangelnder/fehlerhafter Erhaltung resultieren – vorliegen. Aufgrund außergewöhnlicher klimatischer Situationen (Hitzeperioden) im Jahr 2013 kam es insbesondere im Bundesland Bayern zu einem vermehrten Auftreten von Hitzeschäden. Deshalb wurde im gleichen Jahr eine „Expertengruppe Hitzeschäden“ gegründet, die aus Vertretern des BMVI, der BASt, der Straßenbauverwaltungen und externer Experten bestand. Ziel war es, die Ursachen und Mechanismen von Hitzeschäden zu eruieren, um geeignete Maßnahmen zu deren Vermeidung ergreifen zu können. In diesem Zusammenhang wurde eine spezielle Messstation entwickelt, um die Temperatur über den Betondeckenquerschnitt, die Fugenbewegungen und weitere relevante Klimadaten ermitteln zu können. In enger Zusammenarbeit mit dem Bund und den Ländern wurden bisher 15 derartige Stationen aufgebaut. Somit besteht die Möglichkeit, in der Praxis auftretende witterungsinduzierte Spannungszustände im Kontext mit den verschiedenen Bauweisen sowie den zunehmend auftretenden Witterungsextrema zu analysieren. Die genaue Kenntnis über den Temperaturverlauf im Betonquerschnitt und zur Fugenbewegung, im zeitlichen und örtlichen Kontext zu den Witterungsbedingungen ist notwendig, um das Spannungsniveau im Deckensystem ableiten und prognostizieren zu können. Zudem ist die Kenntnis über konstruktive und materialtechnische Parameter aus dem zu betrachtenden Straßenoberbau erforderlich. Um Aussagen zur zeitlichen Entwicklung des Verhaltens des Plattensystems im Lebenszyklus treffen zu können, ist die kontinuierliche Erfassung, Speicherung und Analyse relevanter Daten von Bedeutung. Für die temporäre Spannungsprognose (z. B. über den Zeitraum einer Hitzeperiode) ist jedoch eine Analyse der Ausgangsdaten innerhalb weniger Stunden notwendig, um entsprechende Handlungsempfehlungen (z. B. Einrichtung von Tempolimits) treffen zu können. Durch die Verknüpfung mit weiteren Daten können ferner Aussagen zur Entwicklung wichtiger zeitlich veränderlicher Parameter über den Nutzungszeitraum gewonnen werden.
Entwicklung und Überprüfung eines Instruments zur kontinuierlichen Erfassung des Verkehrsklimas
(2019)
In der öffentlichen Wahrnehmung hat sich das Verkehrsklima in den vergangenen Jahren verschlechtert. Dennoch wurde bis zum jetzigen Zeitpunkt noch kein Versuch unternommen, das Konstrukt des Verkehrsklimas in der breiten Bevölkerung wissenschaftlich zu erheben. Um diese Lücke zu schließen, hat die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) infas mit dem Unterauftragnehmer IAPA Research beauftragt, ein Set von Instrumenten zu entwickeln, mit welchem in Zukunft das Verkehrsklima in Deutschland regelmäßig erhoben werden kann. Das „Verkehrsklima“ wird dabei als der Umgang der Verkehrsteilnehmer/ innen untereinander aufgefasst. Dabei wird es als subjektiv empfundene Größe interpretiert. Diese umfasst zusammengefasst die Wahrnehmung und Bewertung von Interaktionen von Verkehrsteilnehmern und grenzt sich von Begriffen wie „Verkehrssicherheitskultur“ und „Verkehrskultur“ ab. Bei der Entwicklung des Instrumentariums sollte zum einen geprüft werden, ob und wie dabei auf öffentliche Statistiken und sonstige Daten öffentlicher Behörden zurückgegriffen werden kann. Zum anderen sollte ein Fragebogen erstellt und getestet werden, mit dessen Hilfe die subjektive Erfahrung des Straßenverkehrs und damit das Verkehrsklima in der Bevölkerung gemessen werden kann. Die Evaluation öffentlicher Datenbestände ergab, dass diese nur eingeschränkt oder in der vorliegenden Form gar nicht zur Ermittlung des Verkehrsklimas geeignet sind. Dies hängt damit zusammen, dass sich die gesetzlichen oder sonstige Rahmenbedingungen verändert haben können oder unvorhergesehene Ereignisse die Messgenauigkeit beeinflussen, so dass die Bewertung eines Trends nicht möglich ist. Ein anderer Grund ist, dass die Daten öffentlicher Behörden teilweise nicht für das gesamte Bundesgebiet, sondern nur an speziellen Kontroll- bzw. Messpunkten erhoben werden, so dass keine Rückschlüsse auf das Bundesgebiet gezogen werden können. Zudem wurde ein Fragebogen entwickelt, mit welchem das wahrgenommene Verkehrsklima in der Bevölkerung erhoben werden kann. Diese Fragen wurden in einer bevölkerungsrepräsentativen Studie getestet. Ein reduziertes Fragebogeninstrument und ein darauf aufbauender Index können nun dazu benutzt werden, regelmäßig die Einschätzung des Verkehrsklimas in der Bevölkerung zu erheben. Es wird vorgeschlagen, dies alle drei Jahre mit einem Stichprobenumfang von 3.000 Befragten durchzuführen. Diese Größenordnung erlaubt sowohl die belastbare Messung von Veränderungen im Zeitverlauf als auch die Betrachtung von Teilgruppen der Bevölkerung wie etwa nach dem Alter, Regionen oder anderen Merkmalen. Objektive Daten wie etwa Geschwindigkeits-, Abstandsmessungen oder andere derartige Indikatoren sind in diesem Konzept nach intensiver Prüfung und Abwägung nicht enthalten. Ausschlaggebend für diese Entscheidung war der Befund, dass zurzeit nur sehr punktuelle Messungen und keine gut interpretierbaren Zeitreihen verfügbar sind. Sollen diese ergänzend zu den Befragungsdaten zu einer zuverlässigen Beurteilung der Verkehrsklimaentwicklung beitragen, müssen hier noch geeignete Ansätze konzipiert oder bestehende Verfahren fortentwickelt werden. Empfohlen wird daher, objektive Daten erst dann als Kontextmerkmale zur Interpretation des Verkehrsklimas hinzuzuziehen, wenn diese zuverlässig operationalisiert und im Zeitvergleich vorliegen.
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
Verkehrspsychologische Nachschulungen stellen Maßnahmen zur Rehabilitierung von im Straßenverkehr auffälligen Kraftfahrerlnnen dar. Diese gesetzlich verankerten psychologischen lnterventionsprogramme werden mit hohem Aufwand konzipiert und sind bei der täglichen Durchführung mit beträchtlichen Kosten verbunden. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, die Effektivität der Nachschulungsmodelle durch eine wissenschaftliche Evaluation zu klären. Um die Effektivität der Nachschulungskurse der AAP (Austrian Applied Psychology) zu überprüfen wurde eine Fragebogenstudie mit Pre-Posttest-Designs durchgeführt. Die Ergebnisse der Alkoholkurse zeigen positive Auswirkungen hinsichtlich Einstellungsänderung, spezifischer Selbstwirksamkeitserwartung, interner Attributionen, Wissen und Gesamtbeurteilung.
Intelligente Bauwerke - Anforderungen an die Aufbereitung von Messgrößen und ihrer Darstellungsform
(2015)
Ziel des Forschungsvorhabens FE 15.0548/2011/GRB war die Ausarbeitung einer Konzeption zu Anforderungen an die Aufbereitung und Verarbeitung von Messgrößen und ihrer Darstellung. Dies beinhaltete die Evaluierung und Entwicklung verschiedener modellbasierter und statistischer Analyseverfahren, die über den bisherigen Stand der Technik der Bauwerksüberwachung hinausgehen. Der Nutzen liegt in der Herausfilterung relevanter Informationen aus umfangreichem Datenmaterial (Vor-Aggregation) sowie der Erzeugung von belastbaren Zustandsinformationen bzw. Vorergebnissen hierzu durch eine frühzeitige, leistungsfähige Plausibilisierung. Es wurde gezeigt, dass durch den Einsatz von leistungsfähigen, gedächtnisbehafteten, selbstlernenden Algorithmen für die Sensorfusion, Interpolation, Plausibilitätserhöhung und Treffen fachtechnischer Monitoringaussagen Ergebnisse erzielt werden können, die bezüglich der Verarbeitung von Mess- und Erfassungsdaten weit über den aktuellen Stand beim Brückenmonitoring hinausgehen. Anhand mehrerer Szenarien, für die reale Erfassungsdaten zur Verfügung standen, wurde gezeigt, dass diese Verfahren sehr zuverlässig verschiedenste Signalstörungen, wie Messausreisser, erhöhtes Rauschen und Brummeinstreuung erkennen können. Nur durch die frühzeitige und zuverlässige Plausibilisierung von Sensordaten von Brückenbauwerken kann verhindert werden, dass offensichtlich fehlerhafte Messwerte (wie z.B. Messausreisser, störungsbehaftete Messungen) zu falschen Vorhersagen der Systemzuverlässigkeit von Brückenbauwerken durch rechnergestützte Systemmodelle führen.
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.
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.
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.