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In Stahlbetonbauwerken wurden in Deutschland zwischen 1960 und 1993 besondere asbesthaltige Einbauteile in Form von Abstandhaltern und Spannhülsen verwendet. Mit der zunehmenden Sanierungsdringlichkeit von Infrastrukturbauwerken aus Stahlbeton besteht die Notwendigkeit, die oftmals verdeckten Abstandhalter zu erkennen und sicher auszubauen. So kann, im Sinne der Kreislaufwirtschaft, der Stoffstrom des mineralischen Bauschutts vor Asbest abgesichert werden, um weiterhin hohe Recyclingquoten zu ermöglichen. Hier wurde eine Handlungsanweisung für den Umgang mit asbesthaltigen Abstandhaltern und Spannhülsen in und an Brückenbauwerken aus Beton aufgestellt. Abstandhalter kommen in verschiedenen Materialien (z.B. Beton, Kunststoff, Asbestzement) und Ausführungen (z.B. Quader, Knochenform, Halbkugel) vor. Bei Baujahren zwischen 1960 und 1993 ist mit asbesthaltigen Abstandhaltern zu rechnen. Diese wurden typischerweise mit einer Verlegedichte von ca. 4 Stk./m², in einem Abstand von ca. 50-100 cm zueinander verbaut. Es gilt, die verschiedenen Tragelemente der Brücke sowie ggf. verschiedene Betonierabschnitte zu beachten. Die Erkundung nach Abstandhaltern erfolgt in drei Schritten: 1. der historischen Recherche, 2. einer Vorprüfung (nicht-invasiv, exemplarisch) und 3. einer Vollprüfung (repräsentativ, invasiv). Bei der Vorprüfung wird die Brücke visuell nach Abstandhaltern abgesucht und es werden ggf. erste Materialproben zur Analyse im Labor entnommen. Bei der Vollprüfung kommen, zur Sichtbarmachung der Abstandhalter, Maschinen zum Abtrag der Oberfläche zum Einsatz (z.B. Fräsen mit direkter Absaugung zum Abtrag der Oberfläche). Die Anzahl der zu untersuchenden Proben asbestverdächtiger Abstandhalter richtet sich nach den Vorgaben der VDI 6202 Blatt 3, um ein belastbares Untersuchungsergebnis zu erhalten. Für die Ausschleusung asbesthaltiger Abstandhalter kommt idealerweise entweder eine Abtrennung vorab des Rückbaus, unter Anwendung verschiedener Verfahren wie Kernbohrungen, oder eine Abtrennung aus dem Bauschutt nach dem Abbruch in Frage. Der so entfrachtete mineralische Bauschutt kann anschließend dem Recycling zugeführt werden und es muss nur eine geringe Menge asbesthaltigen Baumaterials entsorgt werden. Beim Umgang mit asbesthaltigen Materialien sind die Vorgaben der Technischen Regel für Gefahrstoffe (TRGS) 519 zu beachten.
Neben einheimischen Arten nutzen auch Neophyten die straßenbegleitenden Grünflächen als relevante Ausbreitungspfade. So treten aus Ostasien stammende Knöteriche wie der Japanische Staudenknöterich (Fallopia japonica) zunehmend im Verkehrsbegleitgrün auf und werden dort von vielen Straßenbetriebsdiensten als sehr problematisch eingestuft. Grund hierfür ist, dass diese Pflanzen durch ihre Hoch- und Schnellwüchsigkeit ein Risiko für die Verkehrssicherheit darstellen können und oft zu einem höheren Pflegeaufwand führen. Die Bekämpfung etablierter Bestände des Staudenknöterichs ist zeit-, arbeits- und kostenintensiv. Daher kommt der Ausbreitungsprävention große Bedeutung zu. Die Verschleppung von Rhizomen des Staudenknöterichs in Bodenmaterial stellt den bedeutendsten Ausbreitungsweg im Straßenraum dar. Daher wurden Konzepte zur Vermeidung der Ausbreitung durch Bodenmaterial sowohl für den Straßenbau als auch für die Aufgabenbereiche der Straßenbetriebsdienste erarbeitet. Bestandsregulierende Maßnahmen sind dort erforderlich, wo Bestände des Staudenknöterichs akut problematisch sind oder dies auf absehbare Zeit werden können, z. B. in Hinsicht auf die Einschränkung der Verkehrssicherheit, eine markante Erhöhung des Pflegeaufwands inklusive der Aufwendungen für Verkehrssicherung oder einer Gefährdung von Infrastrukturen. Dies trifft vorwiegend auf ältere Bestände zu, da diese meist ein großes und tiefreichendes Rhizom- und Wurzelsystem aufgebaut haben. Dagegen lassen sich junge und kleine Bestände in der Regel deutlich leichter bekämpfen. Ziel des vorliegenden Forschungsvorhabens ist es, auf den Verkehrsträger Straße zugeschnittene Konzepte zur Priorisierung der Bekämpfung des Staudenknöterichs bei verschiedenen Standortsituationen zu erstellen sowie potenziell geeignete Bekämpfungsmethoden zu erproben und zu bewerten. Im Forschungsvorhaben wurden Kriterien zur Priorisierung zu bekämpfender Bestände auf Grundlage der Bestandsgröße und der akuten Problemlage in Form einer Abfrageliste zusammengefasst. Zur Umsetzung von Maßnahmen zur Ausbreitungsprävention wurden Checklisten (Planung, Bau, nach Baufertigstellung) erarbeitet. Bereits bekannte Bekämpfungsmethoden wurden zusammengestellt, beschrieben und ihre Anwendbarkeit auf Straßenbegleitflächen beurteilt. Im Rahmen des Projekts wurden in Praxisversuchen die Verfahren Ausgraben/Ausreißen (händisch), Strom (Elektrolanze), Heißwasser und Einbau von Drahtgittern erprobt. Auf Verfahren mit einem Anfall von zu entsorgenden Rhizom-Bodengemischen (z. B. Abgraben und Abdecken mit Vlies/Folie, Ausgraben maschinell) wurde aufgrund der mit der Entsorgung verknüpften Problematik verzichtet. Seit 2020 und 2021 werden die vier Bekämpfungsmethoden an insgesamt zehn Standorten und auf 20 Einzelflächen erprobt. Die Versuchsflächen befinden sich überwiegend im Verkehrsbegleitgrün von Bundesfernstraßen. Die verschiedenen Bekämpfungsverfahren wurden auf Basis der gewonnenen Untersuchungsergebnisse bewertet. Die Maßnahmen haben bis Ende 2022 noch an keinem der Versuchsstandorte nachweislich zu einer vollständigen Beseitigung des Staudenknöterichs geführt. Die Ergebnisse stellen daher ein Zwischenresultat dar, da nach zwei (bzw. drei) Behandlungsjahren bei den schwer zu beseitigen Staudenknöterichen die Bekämpfungen noch weiterlaufen werden. Die Bekämpfungen werden fortgeführt. Die bislang erzielten Erkenntnisse stellen auch die Basis für konkrete Empfehlungen zur Priorisierung zu bekämpfender Staudenknöterichbestände dar.
Als vorläufiges Ergebnis der Bekämpfungsversuche lässt sich feststellen:
- Ausgraben/Ausreißen (händisch) von Kleinbeständen reduzierte schon im ersten Bekämpfungsjahr den Sprossaufwuchs deutlich; ein mittelgroßer Bestand zeigte hingegen im zweiten Jahr zahlreiche Nachtriebe.
- Die Heißwasserbekämpfung auf dem Mittelstreifen einer Autobahn bewirkte ab dem ersten Bekämpfungsjahr eine Sprossreduktion und schnitt hier im direkten Standortvergleich besser ab als die Strombekämpfung.
- Die Heißwasserbekämpfung auf dem Autobahnmittelstreifen war auch erfolgreicher als die gleiche Behandlung auf Standorten mit besseren Standortbedingungen.
- In Hessen war die Elektrobekämpfung erfolgreicher als die Heißwasserbekämpfung, die dort an Beständen auf Standorten mit günstigeren Standortbedingungen (Trophie, Wasserhaushalt) erfolgte. Die Strombehandlung bewirkte an einem Bestand an einer Böschung einen sehr starken Bestandsrückgang im zweiten Behandlungsjahr, bei zwei weiteren Vorkommen an Böschungen war ein weniger starker Rückgang feststellbar.
- Der Zeitpunkt der Heißwasser- und Strombehandlung sowie Abstand und Häufigkeit der Durchführung beeinflussen den Erfolg; günstig sind nach vorläufiger Einschätzung ein Maßnahmenbeginn ca. Mitte (Ende Mai) und ein Abstand von ca. 5 bis 6 Wochen bis zum nächsten Termin.
- Der Einbau von Drahtgittern in vier Knöterichbestände auf Autobahnböschungen zeigte bisher geringe bis keine Effekte auf die Vitalität der Staudenknöteriche.
Zur Steigerung der Verkehrssicherheit und der Verkehrsqualitätstellen Streckenbeeinflussungsanlagen auf Bundesautobahnen ein wirksames Mittel dar. Einige neue Situationserkennungsverfahren und die daraus resultierenden Maßnahmen wurden in die Aktualisierung des Merkblattes für die Ausstattung von Verkehrsrechnerzentralen und Unterzentralen (MARZ) Ausgabe 2018 übernommen. Bis auf wenige Ausnahmen werden dabei allerdings rein verkehrliche oder rein witterungsbedingte Szenarien betrachtet. Zudem sind der witterungsbedingte Einfluss auf den Verkehrsablauf und die Verkehrssicherheit sowie die Wirkung von witterungsbedingten Maßnahmen durch Streckenbeeinflussungsanlagen (SBA) nur wenig erforscht. Ziel dieses Projektes war es die Wirkungen der Witterung auf den Verkehrsablauf und die Wirksamkeit von Verkehrsbeeinflussungsmaßnahmen bei widrigen Witterungsbedingungen zu untersuchen. Die Witterung hat einen bedeutenden Einfluss auf das Fahrverhalten der Verkehrsteilnehmer und damit auch auf den Verkehrsablauf. Da widrige Witterungsbedingungen in der Regel zeitlich beschränkt und vergleichsweise selten auftreten, gab es bislang wenig verfügbare statistisch abgesicherte Erkenntnisse zur Wirkung von Witterungsereignissen auf den Verkehrsablauf sowie zur Wirksamkeit von Streckenbeeinflussungsanlagen bei widrigen Witterungsbedingungen. Daher wurden für 22 Messquerschnitte (MQ) in Streckenbeeinflussungsanlagen und 11 unbeeinflusste MQ, verteilt auf fünf Bundesländer, für den Zeitraum von zwei Jahren (01.07.2019 bis 30.06.2021) Verkehrsdaten gesammelt und um Umfelddaten sowie Schaltdaten ergänzt. Zur Analyse wurden aus der Kombination der Messquerschnitte sowie der Umfelddatensensorik insgesamt 38 sog. Standorte gebildet (s. Anhang 8), für welche Verkehrs-, Umfeld- und ggf. Schaltdaten zugeordnet wurden. Zu den Standorten wurden Merkmale wie Streifigkeit, verkehrliche Funktion des Streckenabschnitts oder Fahrbahnoberflächenmaterial als sog. Metadaten zugeordnet und in einer Datenbank abgelegt. Aufbauend auf den Auswertungen der Thesen wurden beispielhaft für die Streckenbeeinflussungsmaßnahme „Harmonisierung des Verkehrsablaufs“ untersucht, wie die Erkenntnisse zur Optimierung dieser Maßnahme beitragen können. Dazu wurde ein Konzept entwickelt, welches in bestehende Streckenbeeinflussungsanlagen nach MARZ integriert werden kann. Das Konzept sieht vor, in Zeiten von Nässeereignissen oder geringer Sichtweite die Schwellenwerte für die Ein- und Ausschaltbedingungen für die „Harmonisierung des Verkehrsablaufs“anzupassen. Um den Pflegeaufwand der Parameter nicht durch zusätzliche Parametersätze deutlich zu erhöhen, bietet es sich an, Abschlagsfaktoren auf die bereits vorhandenen Parametersätze für ideale Witterungsbedingungen einzusetzen. Die aus den Ergebnissen der Thesenauswertung identifizierten Abschlagsfaktoren für Nässeereignisse oder Ereignisse mit geringer Sichtweite decken sich mit den aus der Literatur bekannten Größenordnungen. Die Untersuchung konzentrierte sich auf den Aufbau einer Auswertemethodik zur Analyse der witterungsbedingten Einflüsse auf den Verkehrsablauf sowie zur Untersuchung der Wirksamkeit von SBA-Maßnahmen bei widriger Witterung. Die vorliegende Datenbasis sowie das Auswertekonzept können aber zu weiterführenden Analysen und Forschungsarbeiten verwendet werden. Auch seltene Witterungsereignisse wie Schneefall oder vereiste Fahrbahnen können aufgrund der für zwei Jahre vorliegenden Daten untersucht werden, wenngleich es sinnvoll erscheint, die Datenbasis um weitere Winterperioden zu ergänzen. In einem nächsten Schritt erscheint es zielführend, die Erkenntnisse einerseits in die vorhandenen Wissensdokumente zur Umfelddatenerfassung im Kontext mit Streckenbeeinflussungsanlagen einfließen zu lassen. Andererseits sollte in der Praxis validiert werden, ob sich die Erkenntnisse sowie Optimierungsvorschläge so bestätigen und somit einen wesentlichen Baustein künftiger witterungsbedingter Schaltungen von SBA sein können. Die vorliegende Untersuchung leistet einen wichtigen Beitrag hinsichtlich der Analyse der Witterungseinflüsse auf den Verkehrsablauf. Zahlreiche vermutete und erwartete Zusammenhänge konnten mit dieser Studie statistisch abgesichert werden und stehen der Praxis zur Optimierung der Verkehrsbeeinflussung zur Verfügung. Die erarbeiteten Daten und Auswertebasis schafft die Grundlage für weitere Untersuchungen des Witterungseinflusses auf den Verkehrsablauf.
Bodenbehandlungen mit den genormten Bindemitten Kalk, Zement und hydraulischen Tragschichtbindern sind anerkannte Verfahren im Erdbau und werden im Straßenbau zur Verbesserung des Unterbaus und des Untergrundes eingesetzt. Durch die Bodenverbesserung der anstehenden Böden werden natürliche Rohstoffressourcen (z. B. Kies und Sand) geschont. Seit ca. 20 Jahren werden Gemische aus genormten Bindemitteln hergestellt und erfolgreich bei Bodenverbesserungen eingesetzt. Neben diesen Mischbindemitteln werden auch Gemische mit Zusatz von Braunkohleflugasche (BFA) oder auch „reine“ BFA für die Bodenverbesserung im Erdbau eingesetzt. BFA fällt bei der Verbrennung von Braunkohle und gegebenenfalls Mitverbrennungsstoffen in Kohlekraftwerken mit Staubfeuerungen (Trockenfeuerungen) an. Es handelt sich um ein Kraftwerksnebenprodukt im Sinne der TL BuB E-StB 09. BFA enthält u.a. Kieselsäure (SiO2) und freies Calciumoxid (CaO) als hydraulisch wirksame Komponenten. Grundsätzlich besitzen BFA die chemischen Voraussetzungen, um alleine oder im Zusammenwirken mit genormten Bindemitteln für eine Bodenverbesserung verwendet zu werden. Ziel des Vorhabens war die grundlegende Untersuchung der Anwendungsmöglichkeiten von BFA als Bindemittel oder als Bindemittelersatz (z.B. im Zusammenwirken mit Kalk) bei Bodenverbesserungen im Erdbau. Hierzu wurde die Wirksamkeit von BFA verschiedener Kohlereviere auf die Wassergehaltsreduzierung, die Festigkeitsentwicklung und die Gebrauchstauglichkeit in Abhängigkeit von unterschiedlichen Bodengruppen (UL, TM, SU*, GU*) sowie BFA- Zugabemengen im Vergleich zu genormten Bindemitteln untersucht. Weiterhin wurde die Umweltverträglichkeit des Boden-BFA-Gemisches abgeklärt. Die vorliegenden Untersuchungsergebnisse bestätigen, dass durch die Zugabe von BFA die Verdichtbarkeit leichtplastischer Böden (Bodengruppe UL, TL) verbessert werden kann. Für die Verbesserung von mittelplastischen Tonen der Bodengruppe TM sind BFA dagegen nur bedingt geeignet, ebenso ist bei gemischtkörnigen Böden der Bodengruppen SU* und GU* keine nennenswerte Verbesserung der Verdichtbarkeit nachweisbar. Um eine messbare Reduzierung des Wassergehalts zu erreichen, sind wesentlich höhere BFA-Zugabemengen erforderlich als beispielsweise bei Verwendung von Kalk. Das Tragfähigkeits- und Verformungsverhalten der feinkörnigen Böden wird durch die Zugabe von kalkreicher BFA erhöht, bei den gemischtkörnigen Böden ist eine geringere Verbesserung erkennbar. Die kieselsäurehaltige BFA aus der Lausitz zeigt diesbezüglich ebenfalls nur ein geringes Verbesserungspotential. Die aus der BFA und den feinkörnigen Bodengruppen UL bzw. TM hergestellten Probekörper zerfallen überwiegend nach 27 Tagen Feuchtraumlagerung und einem Tag Wasserlagerung. Damit ist das Boden-BFA-Gemisch wasserempfindlich und erfahrungsgemäß auch frostempfindlich. Diese Eigenschaft schränkt die Anwendung von BFA bei Bodenverbesserungen ein, da entsprechende Maßnahmen zum Schutz gegen Oberflächenwasser bei der Herstellung erforderlich sind. Die aus den gemischtkörnigen Böden und BFA hergestellten Gemische sind überwiegend nicht wasserempfindlich, zeigen allerdings auch einen Festigkeitsabfall im Vergleich zu den nicht unter Wasser gelagerten Probekörpern. Durch die Zugabe von BFA sind umweltrelevante Veränderungen der Ausgangsböden feststellbar. Neben der bekannten Erhöhung des pH-Wertes und einiger Schwermetalle ist insbesondere der Parameter Sulfat zu nennen, der selbst bei geringen Zugabemengen von 4 bis 5 M.-% zu Überschreitungen der Zuordnungswerte Z2 der LAGA für Sulfat führt. Die vorliegenden Untersuchungen zeigen, dass für eine messbare Reduzierung der Wassergehalte und eine Verbesserung der Einbaubarkeit und Verdichtbarkeit größere Zugabemengen erforderlich sind, womit sich das Thema der Umweltverträglichkeit mit Bezug auf Sulfat noch verschärft.
Seit einigen Jahrzehnten nehmen Naturkatastrophen wie Starkregenereignisse und daraus folgende Flusshochwasser zu. Das Hochwasserereignis im Juli 2021 mit seinen teils verheerenden Folgen bekräftigt die Notwendigkeit einer umfassenden Hochwasservorsorge. Teil des Hochwasserrisikomanagements ist die hochwasserangepasste Planung und Instandsetzung bzw. Verstärkung von Brücken- und Ingenieurbauwerken in überschwemmungsgefährdeten Gebieten. Hierdurch können negative Auswirkungen zukünftiger Hochwasserereignisse auf die Funktions- und Leistungsfähigkeit der Bauwerke deutlich reduziert oder vermieden werden, sodass insgesamt die Funktionsfähigkeit des Straßennetzes auch im Falle von extremen Hochwasserereignissen erhalten bleibt.
Infolge des erhöhten Abflusses bei einem Flusshochwasser kann es an Brücken- und Ingenieurbauwerken zu verschiedenen sogenannten lokalen Phänomenen kommen, wie Auskolkungen und Längserosion, Anprall und Verklausung sowie Überströmung bzw. Überschwemmung. Basierend auf einer umfassenden Literaturrecherche werden die Hintergründe, Abläufe und Zusammenhänge der lokalen Phänomene erläutert und mögliche Maßnahmen zur Vermeidung der Phänomene und deren Folgeschäden aus bestehenden Richtlinien und Regelungen sowie dem Stand der Wissenschaft zum hochwasserangepassten Bauen aufgezeigt.
Im Rahmen des Forschungsprojektes wurden die im Zuge des Hochwasserereignisses 2021 eingetretenen Schäden an Brücken und sonstigen Ingenieurbauwerken, wie z. B. Stützbauwerke und Tunnel, gesammelt und ausgewertet. Es wurden insgesamt 153 Bauwerke, davon 113 Brücken, 26 Stützbauwerke und 14 Tunnel / Trogbauwerke für die Aufnahme und Auswertung in der Datenbank ausgewählt. Durch die Kategorisierung der erfassten Schäden in Verbindung mit den bauwerksspezifischen Konstruktionsdetails können konstruktive oder materialtechnische Schwachstellen erkannt sowie Ursachen und Wirkmechanismen herausgearbeitet werden. Bei der Datenbankauswertung werden zudem die im Rahmen der Literaturrecherche gewonnenen Erkenntnisse zu Gestaltungsgrundsätzen und zusätzlichen baulichen Maßnahmen auf ihre Umsetzung und Wirkung geprüft, sowie Zusammenhänge, Wirkungsketten und Schadensauswirkungen auf die Standsicherheit, Verkehrssicherheit und Dauerhaftigkeit herausgearbeitet. Ausgewählte repräsentative Schadensbeispiele werden schließlich im Rahmen der Erfahrungssammlung „Hochwasserschäden an Brücken- und Ingenieurbauwerken“ vorgestellt.
Die schwerwiegendsten Schäden mit Einfluss auf die Standsicherheit traten im Zusammenhang mit Auskolkungen bzw. Längserosion auf. Durch eine Bemessung der Gründung unterhalb der maximalen Kolktiefe kann in vielen Fällen zukünftig die Standsicherheit auch bei extremen Hochwasserereignissen sichergestellt werden. Zudem sollten zusätzliche Kolkschutzmaßnahmen an kolkgefährdeten Bauwerken vorgesehen werden.
Die Analyse der Schäden an Brücken- und Ingenieurbauwerken zeigt, dass viele Bauwerke nicht ausreichend für den Hochwasserabfluss 2021 und voraussichtlich auch nicht für kommende Hochwasserabflüsse bemessen und dimensioniert sind. Um bestehende Bauwerke für den Hochwasserfall zu verstärken, Neubauten hochwasserangepasst zu planen und gleichzeitig Kosten und Verkehrsbehinderungen zu minimieren, sollte ein Leitwerk mit umfassenden Empfehlungen für hochwasserresiliente Bauweisen von Ingenieurbauwerken und gezielten Maßnahmenempfehlungen erarbeitet werden. Der vorliegende Bericht liefert einen wichtigen Beitrag hierzu. Aufbauend auf den Erkenntnissen aus dem Stand der Wissenschaft und Technik und der Datenbankauswertung wird ein Vorschlag für ein Ablaufschema zur hochwasserangepassten Planung und Bemessung neuer Bauwerke sowie für die Planung von Schutzmaßnahmen zur Ertüchtigung bestehender Bauwerke vorgestellt. Hierbei werden Vorschläge für die einzelnen Planungsschritte erläutert sowie offene Punkte aufgezeigt.
Jahresbericht 2023
(2024)
Im Jahresbericht 2023 präsentiert die BASt eine Auswahl von Forschungsaktivitäten des Jahres 2023. In über 50 Beiträgen werden Projekte aus 5 Fachbereichen vorgestellt. Das Themenspektrum ist weit gespannt und orientiert sich an den Themenbereichen: Nachhaltigkeit beim Bauen und Energieeinsatz sind große Zukunftsthemen. Aktive Mobilität, Automatisiertes und vernetztes Fahren sowie proaktive Verkehrssicherheit überschreiben beispielweise weitere Kapitel. Auch Digitalisierung und Fachkräftesicherung werden in den Fokus genommen.
Schlaglichter sowie Zahlen und Fakten in knapper Form ergänzen den Bericht.
Im Rahmen des Forschungsprojektes „Erprobung einer geothermischen Bergwassernutzung am Grenztunnel Füssen“ wurde die Funktionsweise einer „direkten, passiven geothermischen Freiflächentemperierung“ erprobt, die in den Jahren 2019/20 auf dem Betriebshof der Autobahnmeisterei am Nordportal des Grenztunnels Füssen baulich realisiert wurde. Hierzu wird das Bergwasser des angrenzenden Grenztunnels Füssen durch bifilar verlegte Rohrregister gepumpt. Das Bergwasser erwärmt im Winter die Fahrbahnoberfläche, um diese schnee- und eisfrei zu halten, und kühlt diesen im Sommer ab, um Spurrillenbildung vorzubeugen. Das in diesem Kontext realisierte Technikum ist mit neun Freiflächen ausgestattet, wobei der Fahrbahnaufbau bei sechs Freiflächen aus Asphalt und bei den weiteren drei aus Beton besteht; jeweils eine Beton- und eine Asphaltfläche wurde als Referenzflächen nicht mit Rohrregistern versehen.
Die Testflächen variieren bezüglich der Anordnung der Rohrleitungen hinsichtlich der Tiefenlage, den Rohrachsabständen sowie bezüglich des Deckschichtaufbaus. In jedem Feld wird der Durchfluss, Vor- und Rücklauftemperatur, sowie in Feldmitte, als auch am Rand die Temperatur in zwei Sensorebenen unterhalb und oberhalb der Rohrleitungen gemessen.
Bei direkten, passiven Freiflächenheizungen wird das Wasser direkt ohne Wärmetauscher und -pumpe durch die Rohre gepumpt. Die einzig verstellbare Größe stellt der Volumenstrom dar, welcher die Geschwindigkeit des durchströmenden Wassers bestimmt. Der dimensionslose Wärmeübergangskoeffizient des strömenden Wassers zur Umgebung nimmt mit Anstieg der Geschwindigkeit zu, so dass mehr Wärme übergeben wird.
Im Rahmen des von der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) geförderten Forschungsvorhabens „Erprobung einer geothermischen Bergwassernutzung am Grenztunnel Füssen“ wurde das Technikum durch das Institut für Geotechnik der Universität Stuttgart über zwei Jahre in Winter- und Sommerperioden im Einsatz getestet.
Im Fokus der Forschungsaktivitäten stand die vollständige Erfassung und Analyse der Wärmeströme temperierter Verkehrsflächen und anwendungsorientiert die Entwicklung eines möglichst effizienten und störungsfreien Betriebskonzeptes solcher Anlagen. Das Forschungskonzept für das Technikum Füssen sah vor, wesentliche Parameter der atmosphärischen Wärmeströme messtechnisch zu erfassen, daneben aber die Analyse der Messergebnisse durch numerische Simulationen zu ergänzen, die notwendig sind, um die für die Energiebilanz zur Freiflächentemperierung erforderlichen Wärmeströme, die messtechnisch nicht vollständig erfasst werden können, ergänzend abzubilden und die im weiteren als Übertragungsmodell genutzt werden sollen, um auf der Basis von Parameterstudien Empfehlungen für die Planung und den Betrieb von direkten, passiven geothermischen Flächentemperierungen auch für von dem Standort Füssen abweichende Randbedingungen abzuleiten.
In eine optimierte automatische Anlagensteuerung wurden dabei auch Wetterprognosen integriert. Im Ergebnis wurde eine Implementierungshilfe zum Einsatz von direkten, passiven Freiflächenheizungen zur Schnee- und Eisfreihaltung von Verkehrsflächen an Tunnelportalen formuliert, die einen wesentlichen Beitrag dazu leisten soll, solche nachhaltigen Konzepte zu einer Regelanwendung an Tunnelportalen zu machen.
Zur Bemessung und Auslegung der Anlage wurden alle auf die Freiflächen wirkenden, messbaren und nicht regulierbaren Wärmeströme ermittelt und quantifiziert. Zu allen Wärmeströmen gibt es, sofern alle notwendigen Daten vorliegen, analytische Berechnungsmöglichkeiten. Um das Verhalten der Anlage zu analysieren und um bei numerischen Untersuchungen Szenarien zu untersuchen, deren Randbedingungen klar definiert und messbar sind, wurden Testszenarien entwickelt. Es wurden für den winterlichen Betrieb fünf und den sommerlichen Betrieb zwei Testszenarien definiert, welche eine atypische Steuerung bei außergewöhnlichen Wetterereignissen vorsahen, um darüber hinaus auch die Grenzen der Leistungsfähigkeit der Anlage auszuloten.
Im Testszenario „Schneefall“ trat starker Schneefall ein, sodass zu den ohnehin gemessenen Daten die Dichte, Intensität und Temperatur des Schnees gemessen werden konnte. Die Auswertung weiterer Schneemessungen ergab, dass mit abnehmender Außentemperatur die wärmedämmende Wirkung des Schnees steigt .Ein weiteres Szenario zur Untersuchung der Glätte, sollte Kenntnisse zur Trägheit bzw. Reaktionszeit des Systems liefern, weshalb die Anlage über längere Zeit außer Betrieb genommen wurde, bevor die Anlage dann bei der Ankündigung von Glätte mit adäquater Vorlaufzeit aktiviert wurde.
Um die, das Verhalten der Freiflächenheizung maßgebend beeinflussenden Parameter, zu analysieren und einordnen zu können, wurden numerische Simulationen mit einem gekoppelten hydraulisch-thermischen Modell durchgeführt. Das Modell simuliert das Verhalten der Freiflächen während der Testszenarien und soll die schwer durch Messungen ermittelbaren Wärmeströme (z. B. kurzwellige Strahlung) identifizieren und quantifizieren. Die Validierung der Simulation erfolgt anhand der Messdaten, welche in Perioden erfasst wurden, in denen die äußeren atmosphärischen Randbedingungen möglichst präzise bestimmbar sind. Es zeigt sich, dass die numerisch ermittelten und gemessenen Daten gut übereinstimmen. Die Parameterstudien bestätigte u.a. die Beobachtung, dass Kupferleitungen höhere Fahrbahnoberflächentemperaturen induzieren. Ferner wurde eine Aktivierungszeit von 9 Stunden vor Ankündigung eines Wettereignisses (Glätte etc.) als ausreichend ermittelt, um die Fahrbahnoberflächen auf ein verwertbares Temperaturniveau zu heben. Es wurde auch festgestellt, dass das Abschmelzen von Schnee sehr energieintensiv ist i.e. nicht jeder Schneefall kann unmittelbar abgeschmolzen werden und es bedarf ggf. zusätzlicher Straßenräumung. Die Eisfreihaltung an der Freiflächenoberfläche konnte aber gewährleistet werden, sodass bei starkem Schneefall zwar geräumt werden muss, aber kein Salz zum Auftauen benötigt wird.
Die tatsächlich gemessenen Klimadaten stimmen nicht immer mit der Prognose überein, sodass, um auf der sicheren Seite liegend, bei der automatischen Steuerung sowohl gemessene Daten als auch Wetterprognosen berücksichtigt wurden. Die Programmierung der Steuerung erfolgte mittels eines Python Scripts. Die Fernsteuerung wurde im Winter 2021/22 erfolgreich für den Betrieb der Anlage eingesetzt. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Flächen durchgehend eisfrei gehalten werden konnten. Alle bei Planung, Bemessung und Betrieb gewonnenen Erkenntnisse wurden in eine Implementierungshilfe integriert, welche potenziellen Anwendern die Planung von direkten, passiven Freiflächenheizungen erleichtert.
Das Forschungsvorhaben belegt, dass die an deutschen Straßentunneln anfallende Drainage- bzw. Bergwässer als nachhaltige Energiequelle u. a. für die Temperierung von Betriebsgebäuden und zur Temperierung von Verkehrs- und Betriebsflächen an den Tunnelportalen genutzt werden können. Das Konzept kann bei allen Bestandstunneln, bei denen Tunneldrainagewässer anfallen, grundsätzlich eingesetzt und die Verfahrenstechnik dabei auch nachträglich installiert werden. Die Nutzung von Drainagewässern ist grundsätzlich grundlastfähig und kann damit sowohl zur Kühlung, aber auch zum Heizen eingesetzt werden. Die Temperierung von Verkehrsflächen zur Eis- und Schneefreihaltung eine zweite besonders effiziente Nutzung, die es erlaubt, ausgewählte Bereiche vor Tunnelportalen und auf Betriebsflächen im Winter energieeffizient zu beheizen und somit den hier oft besonders aufwändigen Winterdienst (Freihaltung Fluchtwege etc.) und den Taumitteleinsatz vor Tunnelportalen zu reduzieren. Zugleich kann der bauwerksschädigende Eintrag von Streusalz und Chloriden in den Tunnel verringert und hierdurch die Lebensdauer von Tunnelschale und -ausbau verlängert werden.
In Hinsicht auf die Nutzung erneuerbarer Energien im Betrieb von Straßentunneln bieten sich hier innovative Konzepte für die Zukunft, die auch bei Bestandstunneln nachgerüstet werden können.
Jahresbericht 2022
(2023)
Im Jahresbericht 2022 präsentiert die BASt eine Auswahl von Forschungsaktivitäten des Jahres 2022.
In über 40 Beiträgen werden Projekte aus 5 Fachbereichen vorgestellt. Das Themenspektrum ist weit gespannt und orientiert sich an den Profilthemen: Aktive Mobilität, Automatisiertes und vernetztes Fahren, Nachhaltigkeit in vielen Facetten und proaktive Verkehrssicherheit überschreiben beispielsweise die Kapitel. Die Stabsstelle Akademie für nachhaltiges Straßen- und Verkehrswesen informiert mit einem Beitrag zur Fachkräftesicherung.
Schlaglichter sowie Zahlen und Fakten in knapper Form ergänzen den Bericht.
Fortschreibung RLuS
(2023)
Die „Richtlinien zur Ermittlung der Luftqualität an Straßen ohne oder mit lockerer Randbebauung“ (RLuS) dienen den zuständigen Behörden der Straßenbauverwaltung in Planfeststellungsverfahren zur Abschätzung der zu erwartenden Luftschadstoffbelastung. Darüber hinaus werden die RLuS bei bestimmten Fragestellungen der Maßnahmenplanung an schon bestehenden Verkehrswegen eingesetzt. Die letzte Veröffentlichung der RLuS erfolgte 2012 und entspricht in wichtigen Teilen nicht mehr dem aktuellen Wissensstand. Im Rahmen dieses Projekts wurden daher über einen Zeitraum von fünf Jahren hinweg Aktualisierungen und Erweiterungen in die RLuS eingearbeitet.
Nach einer vollständigen Neucodierung des Berechnungsprogramms zu den RLuS zu Projektbeginn wurde das Emissionsmodul auf jeweils aktuelle Versionen des Handbuchs für Emissionsfaktoren (HBEFA) aktualisiert und auf Basis des gegenwärtig aktuellen HBEFA 4.1 in Form der „RLuS 2012 - Ausgabe 2020“ eine neue Version veröffentlicht.
Im Rahmen dieser Aktualisierungen des Emissionsmoduls erfolgte neben einer Überprüfung der (nicht im HBEFA enthaltenen) B[a]P-Emissionsfaktoren und des Ansatzes zur Ermittlung der Verkehrsqualität auch eine Erweiterung auf die im HBEFA 4. neu hinzugekommene Verkehrsqualitätsstufe „LOS 5“.
Im Weiteren wurde das Tunnelmodul der RLuS auf Basis eines Ausbreitungsmodells aktualisiert und bietet nun eine realitätsnähere Abbildung der Immissionssituation.
Um der aktuellen Entwurfspraxis mit verstärkter Planung und zunehmendem Bau von Kreisverkehren im Außerortsbereich Rechnung zu tragen, wurde auf Basis von gemessenen Fahrprofilen ein Kreisverkehrsmodul entwickelt, das mit den RLuS die systematische und flexible Beurteilung von Kreisverkehren im Außerortsbereich hinsichtlich der Luftqualität ermöglicht.
Schließlich wurden die Anhaltswerte für die Vorbelastung an Hand eines räumlich hoch differenzierenden Verfahrens auf Basis von Modell- und Messwerten aktualisiert und bis auf das Bezugsjahr 2040 erweitert.