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Ziel des Forschungsprojektes ist, aufbauend auf den SKM-Messdaten in 0,1m-Auflösung, eine einheitliche Vorgabe für die Aufzeichnung der Sensorrohdaten zu entwickeln. Besonderes Augenmerk wurde dabei auf eine hohe Aussagekraft bezüglich der lokalen Fahrbahngriffigkeit gelegt. Derzeit wird in Deutschland der Seitenkraftbeiwert des SKM-Messverfahrens als Quotient aus der gemessenen Seitenkraft und einer genau definierten, statisch bestimmten Normalkraft gebildet. Während die gemessene Seitenkraft eine zeit- und räumlich veränderliche Größe darstellt, ist die statisch bestimmte Normalkraft eine Konstante. Dies hat zur Folge, dass der lokal bestimmte Seitenkraftbeiwert nicht nur von Eigenschaf¬ten der Fahrbahnoberfläche, sondern auch der aktuellen Vertikalkraft abhängt, die zum Teil deutlich von der statisch ermittelten Normalkraft abweicht. Dies bedingte in der Vergangenheit, durch Filterung und Mittelwertbildung über längere Streckenabschnitte diese dynamischen Einflüsse auszugleichen. In dieser Arbeit wird nun eine Vorgehensweise entwickelt, mit der zum einen die Frage der Signalfilterung vereinheitlicht wird und gleichzeitig unter Nutzung der Messung der Vertikalkraft wesentlich kürzere Bewertungsabschnitte gebildet werden können. Dabei wird der Quotient aus Seitenkraft und Normalkraft weiterhin konform mit der bestehenden TP Griff-StB (SKM) gebildet, um bislang ungeklärte Fragen wie beispielsweise Zusammenhänge zwischen verschiedenen Lastzuständen am Messreifen, Veränderungen im Drainageverhalten bei unterschiedlich großem Kontaktpatch zur Fahrbahn, variabler Reibungswärme durch verschiedene Auflastsituationen etc. zu umgehen. Die hier entwickelten Vorschläge sind konform mit der bestehenden TP Griff-StB (SKM) und können dementsprechend sofort umgesetzt werden, um die Griffigkeit mit dem SKM-Messverfahren auch für sehr kurze Bewertungsabschnitte unter 10 m zuverlässig ermitteln zu können.
Im Rahmen der Untersuchung wurden Kapazitäten, q-v-Diagramme und Unfallkenngrößen für Arbeitsstellen längerer und kürzerer Dauer auf Autobahnen ermittelt. Die Ergebnisse können in die Parametrierung eines Verkehrsanalysesystems zur Bewertung der Auswirkungen von Arbeitsstellen auf den Verkehrsablauf und die Verkehrssicherheit im Rahmen der Baubetriebsplanung auf Bundesautobahnen einfließen.
Für die empirische Kapazitätsanalyse wurden Verkehrsdaten von Zählstellen im Zulauf von 40 Arbeitsstellen längerer Dauer und 111 Arbeitsstellen kürzerer Dauer mit unterschiedlichen Verkehrsführungen ausgewertet. Die Ermittlung der Kapazitäten und q-v-Diagramme an Arbeitsstellen längerer Dauer orientierte sich dabei an der Methodik zur Herleitung der Kapazitätswerte und q-v-Beziehungen im Handbuch für die Bemessung von Straßenverkehrsanlagen (HBS). Die Kapazität von Arbeitsstellen kürzerer Dauer wurde durch die Auswertung der Verkehrsstärken im Stauabfluss ermittelt. Aus den Ergebnissen der empirischen Analysen wurden standardisierte Kapazitätswerte abgeleitet. Als maßgebende Einflussgrößen auf die Kapazität von Arbeitsstellen längerer Dauer wurden die Lage innerhalb oder außerhalb von Ballungsräumen, das Vorhandensein einer Fahrbahnteilung, die Fahrstreifenbreite sowie der Schwerverkehrsanteil und die Steigung identifiziert. In Arbeitsstellen kürzerer Dauer bestimmen die Lage innerhalb oder außerhalb von Ballungsräumen und die Seite des Fahrstreifeneinzugs maßgeblich die Kapazität.
Für die Ermittlung von Unfallkostenraten und Unfallraten wurde das Unfallgeschehen in 141 Arbeitsstellen längerer Dauer und rund 21.000 Arbeitsstellen kürzerer Dauer mit unterschiedlichen Verkehrsführungen analysiert. Dabei erfolgte eine Betrachtung einzelner Bereiche innerhalb der Arbeitsstellen (Zulauf, Überleitung/Verschwenkung, Innenbereich, Rückleitung/Rückverschwenkung), für die differenzierte Unfallkostenraten und Unfallraten bestimmt wurden.
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.
Das derzeitige Standardlösemittel für die Bindemittelextraktion aus Asphaltmischgut ist Trichlorethen (Tri), dessen Verwendung jedoch bis 2023 befristet ist. Als Alternative wird das Lösemittel Tetrachlorethen (auch Perchlorethylen, kurz Per) bereits seit 2020 in der Werkseigenen Produktionskontrolle problemlos angewendet. Mit dem kürzlich abgeschlossenen Projekt FE 07.0301 wurde der Nachweis der Gleichwertigkeit von Per und Tri bei der Extraktion und Rückgewinnung geschaffen. Als letzter Schritt der Umstellung erfolgt mit diesem Projekt eine Erhebung von Daten, um die Präzision der Verfahren zu bestimmen. Damit kann der universelle Einsatz des Lösemittels in das Deutsche Regelwerk übernommen werden und Per steht auch für Kontrollprüfungen zur Verfügung.
Zur Ermittlung der Streumaße wurden 7 Mischgutsorten (AC 11 D S, SMA 8 S, AC 32 T N, AC 16 B S, PA 8, 2 x MA 8 S) mit unterschiedlichen Bindemitteln hergestellt und in 13 Laboren mittels Per extrahiert, das rückgewonnene Bindemittel analysiert und die Korngrößenverteilung bestimmt. Als Streumaße wurden die Spannweite der Einzelwerte, die Wiederholgrenze r und die Vergleichgrenze R ermittelt.
Für die folgenden Merkmale wurden im Ringversuch Streumaße berechnet:
• Bindemittelgehalt,
• Kenngrößen der Korngrößenverteilung,
• Erweichungspunkt Ring und Kugel am rückgewonnen Bindemittel,
• Elastische Rückstellung am rückgewonnenen Bindemittel (nur Polymermodifizierte Bindemittel) und
• Bitumen-Typisierungs-Schnell-Verfahren BTSV am rückgewonnenen Bindemittel.
Zusätzlich erfolgt im ISBS-Labor die Rückgewinnung mittels Trichlorethen als Referenz und für drei Asphaltsorten (AC 16 B S, PA 8 und ein MA 8 S) wurde das frische, das RTFOT-gealterte und das rückgewonnene Bindemittel mittels erweiterter Bitumenprüfungen untersucht, um mögliche Veränderungen oder Auffälligkeiten zu erkennen. Die Auswertung des Ringversuchs ergab folgende Ergebnisse:
• Für den Bindemittelgehalt liegen Wiederhol- und Vergleichpräzision im Wesentlichen unterhalb der Kennwerte der TP Asphalt, Ausnahme: Vergleichgrenze SMA 8 S und PA 8.
• Bei der Korngrößenverteilung bestätigen Füller-, Fein- und Sandanteil die Streumaße der TP Asphalt-StB.
• Beim Splittanteil werden die Streumaße im Wesentlichen bestätigt, Ausnahme: Vergleichgrenze AC 16 B S und Wiederholgrenze AC 32 T N.
• Die ermittelten Streumaße für den Grobkornanteil liegen alle deutlich unterhalb der Kennwerte der TP Asphalt-StB.
• Für den Überkornanteil werden die Anforderungen der TL Asphalt-StB bzw. ZTV Asphalt-StB statistisch abgesichert.
Bei den Bitumenprüfungen können die viskositätsveränderten Bitumen in die Aus-wertung einbezogen werden, da Ihre Ergebnisse keine Auffälligkeiten zeigen. Weiterhin beziehen sich die Streumaße der Prüfverfahren auf frische Bitumen. Die hier ermittelten Streumaße der Bitumenprüfverfahren liegen generell um einen Faktor von ca. 2 höher.
• Beim Erweichungspunkt Ring und Kugel können die Ergebnisse durch die Angaben der EN 12697-3 bestätigt werden, jedoch liegt die hier ermittelte Vergleichgrenze R höher.
• Bei der Elastischen Rückstellung können die ermittelten Streumaße als plausibel angesehen werden.
• Für das BTSV können die Streumaße der Polymermodifizierten Bitumen als plausibel angesehen werden, jedoch liegen die Streumaße der Straßenbaubitumen nahe des Bereichs der Polymermodifizierten Bitumen.
• Für den im BTSV ermittelten Phasenwinkel existieren keine Angaben zur Präzision. Mit dem Faktor von ca. 2 bei rückgewonnenen Bitumen ergibt sich hier als Abschätzung für die Wiederhol- und Vergleichgrenze: r = 0,59 ° und R = 2,88 °.
Die Ergebnisse der zusätzlichen Bitumenprüfungen lassen eindeutig erkennen, dass die Bitumeneigenschaften nach Rückgewinnung mit Per praktisch gleichzusetzen sind mit den Bitumeneigenschaften nach Rückgewinnung mit Tri und teilweise mit den Eigenschaften des mittels RTFOT kurzzeitgealterten Bitumen.
Im Wesentlichen bestätigen die hier ermittelten Streumaße die bisher in den Regelwerken angegebenen Verfahrenspräzisionen. Die in einigen Fällen verhältnismäßig hohe Vergleichpräzision kann der teilweise noch fehlenden Routine bei der Extraktion und Destillation zugeschrieben werden und sollte sich in Zukunft wieder minimieren. Änderungen im Regelwerk bzgl. der Streumaße werden nicht als notwendig angesehen. In allen Regelwerken, welche auf Tri Bezug nehmen, können diese Passagen gelöscht und Per als Lösemittel zur universellen Benutzung frei gegeben werden.
Damit kann ein nahtloser Übergang von den Extraktionen mit Trichlorethen auf Tetrachlorethen erfolgen, so dass die Qualitätssicherung weiterhin auf einem hohen Niveau betrieben werden kann.
Netzweite Früherkennung AKR-geschädigter Betonfahrbahndecken mit schnellfahrenden Messsystemen
(2024)
Die Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) ist auch heute noch eines der weltweit größten Probleme für die Dauerhaftigkeit von Betonbauwerken. Betroffen waren und sind auch zahlreiche Autobahnabschnitte in Deutschland. Zur Planung und Einleitung nachhaltiger Maßnahmen bedarf es einer möglichst frühzeitigen Feststellung von AKR-Schäden, welche anhand sogenannter Substanzmerkmale (Oberflächenschäden) erfolgen kann. Im Frühstadium einer AKR sind dies Verfärbungen und / oder feinste Rissbildungen. Im Prozess der netzweit und zyklisch durchgeführten messtechnischen Zustandserfassung und -bewertung (ZEB) ist eine Codierung von Verfärbungen bis dato nicht vorgesehen. Für eine Auswertung feinster Risse ist nicht sichergestellt, dass die eingesetzte Messtechnik den Anforderungen entspricht. Auch eine Systematik für die Bewertung von AKR-Schädigungen an Betonfahrbahnen ist über die Regelwerke der Zustandserfassung und -bewertung (ZEB) nicht definiert. Auf Grundlage der bis dato durchgeführten ZEB-Kampagnen lässt sich demnach eine belastbare Erhaltungs- und Finanzplanung in Bezug auf AKR-geschädigte Betonfahrbahnen nicht ableiten. Im Auftrag der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) war daher zu untersuchen, wie ein praxistaugliches Verfahren zur netzweiten Erfassung und Bewertung von AKR-bedingten Schäden im Frühstadium realisiert werden kann.
Vorgehen im Projekt:
Zur Erfassung von Substanzmerkmalen wurde zunächst ein schnellfahrendes Messsystem entwickelt, welches auf den in einer klassischen ZEB eingesetzten Verfahren basiert. Erweitert um zwei hochauflösende Oberflächenkameras in Kombination mit entsprechender Beleuchtungstechnik wurden statische und dynamische Testerfassungen durchgeführt. Dabei konnten sehr gute Resultate bei der Erkennung von feinsten Rissen (≥ 0,2 mm) erzielt werden. Andererseits zeigte sich, dass in den Oberflächenaufnahmen die AKR-spezifischen, dunkel-gräulichen Verfärbungen an Quer- und Längsfugen der einzelnen Betonplatten nur sehr bedingt bis gar nicht erkennbar sind. Für die Erfassung von Verfärbungen wurde daher in erster Linie auf die Frontkameraaufnahmen zurückgegriffen, wobei u.a. eine Abhängigkeit von den Lichtverhältnissen besteht. Zur Validierung der Erfassungstechnik wurden sechs Strecken auf Bundesautobahnen bei unterschiedlichen Umgebungsbedingungen befahren und die daraus codierten Schadensmerkmale mit den Ergebnissen zweier jahreszeitlich versetzten, in situ absolvierten Referenzerfassungen verglichen. Dies führte u.a. zu der Erkenntnis, dass die durch Inaugenscheinnahme erkannten Rissbreiten ≥ 0,1mm auch in den dynamisch erfassten Oberflächenbildern gut identifiziert werden können, womit die ursprünglichen Anforderungen an das Bildmaterial übertroffen wurden. Ebenso konnte vor Ort das Problem der Erkennbarkeit von Verfärbungen nachvollzogen werden. Spezielle, für die Codierung der AKR-Schädigungen notwendige, Substanzmerkmale wurden definiert und in einem Leitfaden für die Auswertung beschrieben. Die an hochauflösenden Bildschirmen durchgeführte Codierung stellte sich als vergleichsweise zeitaufwändig dar und erforderte eine hohe Konzentration und Disziplin der ausführenden Personen. Anders als zu Projektbeginn angenommen, ergab sich keine Möglichkeit aus den codierten Substanzmerkmalen oder deren Kombination direkt auf eine AKR-Schädigung zu schließen oder diese in eine Schadenskategorie zu überführen. Vielmehr hat sich gezeigt, dass die Festlegung einer AKR-Schädigung und deren Kategorisierung weiterer Betrachtungen durch einen AKR-Experten und / oder AKR-Gutachter anhand weiterer Daten bedarf. Bei dem hierzu entwickelten Modell versucht ein Experte, auf Basis der durch Auswerter durchgeführten Codierung der definierten AKR-Substanzmerkmale, zunächst aufgrund der vorhandenen Bild- und Bestandsdaten (Baustoffe, Alter, Einbaubedingungen etc.) einen AKR-Verdacht abzuleiten oder eine Klassifizierung vorzunehmen. Ist dies nicht möglich, kann in einem weiteren Schritt ein Gutachter hinzugezogen werden. Um netzweite oder auch objektbezogene Daten zu untersuchten Strecken zielgerichtet verwalten und nutzen zu können, erscheint der Aufbau einer zentralisierten Datenbank empfehlenswert. Auf der Ebene eines Erhaltungsmanagements ließen sich diese Daten dann mit den Daten einer ZEB verschneiden.
Folgerungen:
Zusammengefasst lässt sich festhalten, dass das entwickelte Verfahren zur Erfassung und Auswertung von Substanzmerkmalen einer im Frühstadium befindlichen AKR als Grundlage für die Klassifizierung von betroffenen Abschnitten eingesetzt werden kann. Eine direkte Einteilung in Schadenskategorien kann hieraus jedoch nicht vorgenommen werden. Diese ist in einem nachgelagerten Prozess durch Experten und eventuell Gutachter vorzunehmen. Das Erfassungs- und Auswerteverfahren könnte in das bestehende ZEB-Verfahren integriert werden, jedoch ergäbe sich dadurch ein deutlich höherer Zeit- und Kostenaufwand bei Erfassung, Auswertung und Datenverarbeitung. Ebenso scheint aufgrund der teilweise rasch voranschreitenden Entwicklung der AKR-Schädigungen ein Erfassungs-rhythmus ≤ 2 Jahren notwendig, was ebenso für zwei getrennte Verfahren spricht.
Im Rahmen der COVID-19-Pandemie und der damit verbundenen Maßnahmen, insbesondere der beiden Lockdowns im Frühjahr 2020 und Winter 2020/2021, hat sich das Mobilitätsverhalten vieler Bevölkerungsgruppen deutlich geändert. Ein bis heute und voraussichtlich auch in Zukunft wichtiger Aspekt ist die verstärkte Tätigkeit im Homeoffice. Diese führt zum Entfall zahlreicher Arbeitswege. Zugleich ist zu erwarten, dass es zu Veränderungen im Bereich der Freizeit- und Besorgungswege kommt. Im Rahmen des F & E-Projektes „Auswirkungen der COVID-19-Krise und der daraus resultierenden verstärkten Nutzung von Homeoffice auf das Mobilitätsverhalten“ wurde der soeben beschriebene Zusammenhang untersucht. Von besonderer Bedeutung war die Frage, inwiefern die aktuelle Situation Chancen zur Förderung nachhaltiger Mobilität bietet. Mithilfe einer Online-Fragebogenstudie wurden Daten zur quantitativen Beschreibung der durch die COVID-19-Pandemie und der damit verbundenen verstärkten Homeoffice-Nutzung hervorgerufenen kurz- und mittelfristigen Veränderungen des Mobilitätsverhaltens erhoben. Die Fokussierung auf den Einflussfaktor „Homeoffice“ lieferte wichtige Informationen darüber, wie sich die vermehrte Homeoffice-Tätigkeit auf das Mobilitätsverhalten auswirkte. Um die beobachteten Veränderungen besser zu verstehen, wurden in der Fragebogenstudie zahlreiche Erklärungsvariablen etablierter theoretischer Ansätze der Mobilitätsforschung abgefragt. In einer anschließenden qualitativen Interviewstudie wurden Personen, die seit dem Ausbruch von COVID-19 vermehrt aus dem Homeoffice tätig sind, nach Veränderungen in ihrem Mobilitätsverhalten sowie den Gründen hierfür befragt. Die qualitative Erhebung trug zu einem tiefergehenden Verständnis für die beobachteten Veränderungen im Mobilitätsverhalten bei. Gemeinsam mit den Ergebnissen der quantitativen Erhebung konnte so ein umfassenderes Bild von verändertem Mobilitätsverhalten im Kontext einer im Zuge von COVID-19 ausgeweiteten Homeoffice-Nutzung gezeichnet und ein tiefergehendes Verständnis für die beobachteten Veränderungen erarbeitet werden. Die Ergebnisse der beiden Erhebungen schließen in vielen Punkten an den aktuellen Forschungsstand an. So zeigt sich die COVID-19-Pandemie hinsichtlich des Mobilitätsverhaltens als disruptives Ereignis, welches einen erheblichen Rückgang der Nutzung öffentlicher Verkehrsmittel und einen teils deutlichen Anstieg der Nutzung individueller Verkehrsmittel zur Folge hatte. Wie sich in der quantitativen Fragebogenstudie zeigte, wird der disruptive Charakter des Ereignisses durch eine vermehrte Homeoffice-Nutzung verstärkt. So gaben Personen, die seit Ausbruch von COVID-19 vermehrt im Homeoffice tätig sind, bei der Frage, wie stark ihr tägliches Leben durch das Virus beeinflusst wird, signifikant höhere Werte an als alle anderen Befragten. Ebenso gaben sie häufiger an, seit Beginn der Pandemie ihre Verkehrsmittelnutzung verändert zu haben. Auch fallen die durch die Befragten angegebenen Veränderungen in der Gruppe derjenigen, die seit Beginn der Pandemie vermehrt aus dem Homeoffice arbeiten, stärker aus als bei anderen Befragten. Personen, die seit Beginn der Pandemie vermehrt aus dem Homeoffice tätig sind, geben an, kürzere Strecken zurück zu legen, seltener unterwegs zu sein und weniger Zeit unterwegs zu verbringen als die anderen Teilnehmenden der Umfrage. Im Hinblick auf die anderen mobilitätsbezogenen Faktoren (bspw. Aspekte, die bei der Verkehrsmittelwahl wichtig sind) bestehen demgegenüber nur sehr geringe Unterschiede zwischen den befragten Gruppen. Der Wegfall von Arbeitswegen stellt somit die wichtigste mobilitätsbezogene Veränderung dar, die durch die vermehrte Homeoffice-Nutzung ausgelöst wird. Diese hat jedoch weitreichende Folgen für das Mobilitätsverhalten. Sie eröffnet Möglichkeiten zur Nutzung und Förderung aktiver Mobilität. Zugleich stellt diese neue Situation eine zusätzliche Herausforderung für die öffentlichen Verkehrsmittel dar, da die bestehenden Preissysteme in vielen Fällen unattraktiv für Personen sind, die ihren Arbeitsplatz nur zwei bis dreimal pro Woche aufsuchen.
Die Instandhaltung von Gebäuden im Infrastrukturbereich ist aus finanziellen und wirtschaftlichen Gründen von großer Bedeutung. Insbesondere bei Brücken ist es wichtig, die Instandhaltungskosten im Auge zu behalten. Die frühzeitige Erkennung von Schäden und deren frühzeitige Behebung ermöglicht es, den Aufwand für Erhaltungsmaßnahmen zu begrenzen. Die Verfolgung des Schadensverlaufs kann nur durch regelmäßige und häufige Begehungen durch Sachverständige erfolgen, die ihre Befunde in der Regel manuell dokumentieren. Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es, ein Konzept für ein Brückeninspektionstool vorzustellen, prototypisch umzusetzen und zu evaluieren. Das Brückeninspektionstool wird mehrere Arten von Hardware-Geräten verwenden, um das Brückeninspektionspersonal bei der Beurteilung und Dokumentation von Schäden zu unterstützen, wobei Kombinationen aus Künstlicher Intelligenz und Mixed Reality Technologien eingesetzt werden. Hierfür wurden Interviews mit Bauwerksprüfenden aus verschiedenen Unternehmen und Branchen durchgeführt, um wichtige Anforderungen zu ermitteln. Auf der Grundlage dieser Anforderungen wurde ein Konzept entwickelt, das mit bestehenden Datenbanken für Infrastrukturen kompatibel ist. Weiter wurde das Konzept prototypisch in einen Demonstrator umgesetzt, welcher Informationen über die Künstliche Intelligenz sammelt und mithilfe der Mixed Reality Technologien anzeigt. Hierfür wurde sowohl eine Augmented Reality Anwendung zur Anzeige der gesammelten Informationen, sowie eine Tablet Anwendung zur Datenspeicherung entwickelt. Weiter wurde die entwickelte Künstliche Intelligenz auf einem selbsterstellten Datensatz trainiert, um Schäden erkennen und klassifizieren zu können. Der erstellte Demonstrator wurde unter realen Bedingungen an einem realen Bauwerk von Brückenprüfenden getestet und evaluiert. Die Ergebnisse der Tests zeigen großes Potential für den Einsatz von Künstlicher Intelligenz und Mixed Reality Technologien, wie im vorgestellten Demonstrator, für Bauwerksprüfungen. Besonders hoch wird das Potenzial der Künstlichen Intelligenz zur Detektion von Schäden gewertet.
Im Rahmen des vorliegenden Forschungsprojekts ist ein Ansatz entwickelt und validiert worden, um die Beanspruchungen aus dem Einbau des Heißasphalts auf Stahlbrücken zu bestimmen. Für diese Untersuchungen wurden für zwei repräsentative Stahlbrückenbauwerke (Hochmoselbrücke mit Hohlkastenquerschnitt und Mühlenfließbrücke mit offenem Querschnitt auf zwei Hauptträgern) detaillierte FEM-Ausschnittmodelle in ANSYS erstellt. Diese Modelle erlauben eine thermisch transiente Simulation des Heißasphalteinbaus zur Erfassung der Temperaturentwicklungen in dem Stahlbrückenquerschnitt. Der Vergleich mit beim Heißasphalteinbau aufgenommenen Messdaten zeigt eine sehr gute Übereinstimmung. In den Simulationen wurden eine Vielzahl von Parametern untersucht, die vom Herstellungsprozess und von meteorologisch klimatischen Randbedingungen abhängig sind, wobei die Grundfunktionalität der Beläge (wie Einbaubarkeit, Standfestigkeit, Griffigkeit, Dauerhaftigkeit) bei den betrachteten Grenzwerten der untersuchten Parameter gewährleistet bleibt:
- Anzahl Einbaubahnen (1, 2, 4)
- Einbautemperatur Asphaltmischgut (180°C bis 230°C)
- Ausgangstemperatur konstant über QS (5°C bis 30°C)
- Ausgangstemperatur gradierend über QS (0°C/ 5°C bis 25°C/ 50°C)
- Strahlung Asphalt (Emissionsverhältnis ε= 0 bis 0,93)
- Einbaugeschwindigkeit (0,5 bis 2,5 m/min)
- Schichtdicke Schutzschicht (2,5 bis 5,0 cm)
- Schichtdicke Deckschicht (3,5 bis 4,5 cm)
- Bauart (1 oder 2) und Dicke Dichtungssystem (1,0 bis 2,5 mm; oder 5,0 bis 12,5 mm)
- Deckblechdicke (10 bis 14 mm)
Von den herstellprozessabhängigen Parametern sind in Bezug auf die Temperaturentwicklung die deutlichsten Effekte durch Variation der Einbautemperatur, der Schutzschichtdicke und der Auswahl und Dicke des Dichtungssystems zu verzeichnen. Dagegen sind die Effekte der Parameter Einbaugeschwindigkeit und Deckschichtdicke geringer.
Bei den meteorologisch klimatischen Randbedingungen hat die Höhe der Ausgangstemperatur einen hohen Einfluss auf die Maximaltemperatur in den Stahlbauteilen nach dem Asphalteinbau. Konstant über den Querschnitt veränderte Ausgangstemperaturen führen zu über den gesamten Querschnitt nahezu konstanten Temperaturänderungen. Dagegen ist der Einfluss von ausgänglichen Temperaturgradienten über den Querschnitt (z.B. Tagesgangkurven/ Sonneneinstrahlung) am Deckblech am größten.
Basierend auf den ermittelten Temperaturfeldern sind die transienten Spannungsentwicklungen am Brückenquerschnitt und in der orthotropen Fahrbahnplatte zu ermitteln. Dabei sind neben den lokalen Spannungen infolge der örtlichen Temperaturbeanspruchungen auch die Spannungen aus globalen Einflüssen des gesamten Brückenbauwerks zu berücksichtigen.
Bei den zu untersuchenden großen Stahlbrücken sind aufgrund limitierender CPU keine befriedigenden Ergebnisse mit einem FEM-Einzelmodell möglich. Daher wurde ein FEM-Ausschnittmodell für die lokalen Effekte mit einem in MATLAB geschriebenen Lamellen-Modell kombiniert, welches die weiteren Effekte erfasst. Das Lamellenmodell berücksichtigt Kopplungen unter Einhaltung des Gleichgewichts sowie der Effekte aus Schubverzerrung. Die am lokalen FEM-Modell ermittelten thermisch transienten Temperaturfelder werden als Eingangsdatensätze verwendet. Die berechneten Spannungen stimmen sehr gut mit einem kurzen FEM-Beispielmodell sowie mit vorliegenden Messdaten an der Mühlenfließbrücke überein.
Für die wesentlichen Parameter der vorangegangen thermischen Simulationen wurden Berechnungen mit dem Lamellenmodell durchgeführt und die maßgebenden Längsspannungen am Querschnitt, sowie die Verformungen am Anfangs- und Endauflager bestimmt.
Bei Variation der Einbautemperatur des Gussasphaltmischguts wird ein direkter, linearer Zusammenhang festgestellt. Eine Reduktion der Asphaltierbreite führt zu einer Zunahme der Druckspannungen in der Fahrbahnplatte, jedoch gleichzeitig zu einer Reduktion der Zugspannungen am Kragarm. Dagegen werden die höchsten Endlagerverschiebungen durch Erhöhung der Einbaugeschwindigkeit verursacht.
Bei den Untersuchungen der meteorologisch klimatischen Randbedingungen wird gezeigt, dass die Druckspannungen bei höheren Ausgangstemperaturen geringer sind. In dem Falle, dass der Brückenquerschnitt vor dem Asphaltieren nur am Deckblech eine höhere Temperatur aufweist, erzeugt die Temperaturbeanspruchung aus dem Heißasphalt vergleichsweise geringere Zugspannungen. An den Brückenendlagern addieren sich die Längsverformungen aus Heißasphalteinbau und hoher Umgebungs-temperatur auf.
Mit der entwickelten kombinierten Methode können die o.g. Effekte erstmals – exemplarisch an der ausgewählten Mühlenfließbrücke – in Abhängigkeit von den verschiedenen untersuchten Parametervariationen quantifiziert werden.
Derzeit werden bei dem entwickelten Lamellenmodell die Verschiebungen in Lamellenebene und die Verdrehung senkrecht zur Lamellenebene berücksichtigt. Es besteht die Möglichkeit, das vorhandene Lamellenmodell für zusätzliche Freiheitsgrade weiterzuentwickeln.
Weiter steht die Übertragung der Methode zur Untersuchung des Heißasphalteinbaus auf andere Brückenbauwerke noch aus, dazu zählen neben Stahlbrücken anderer Bauart auch Verbundbrücken.
Ziel des vorliegenden Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines Konzeptes, das eine statistisch repräsentative Erhebung von Verkehrsszenarien in verschiedenen Verkehrsräumen erlaubt. Die dadurch zu gewinnende Datengrundlage soll der Bewertung von automatisierten Kraftfahrzeugsteuerungen dienen.
Ausgangspunkt und Orientierung für das methodische Vorgehen ist in diesem Forschungsvorhaben das methodische Rahmenkonzept für Verhaltensbeobachtung im fließenden Verkehr (Hautzinger, Pfeiffer & Schmidt, 2012). Durch Adaptation und Anwendung der Entwicklungsschritte dieses Rahmenkonzeptes konnte ein Erfahrungswissen gewonnen werden, auf dessen Grundlage ein Konzept für einen Stichprobenplan erstellt worden ist.
Dem Rahmenkonzept folgend wurde zunächst der Untersuchungsgegenstand abgrenzt. Nach Vorstellung verschiedener Szenarienkonzepte und ihrer Beschreibungsgrößen erfolgte die Beschreibung eines allgemeinen Modells der Grundgesamtheit. Dieses Modell berücksichtigt die Abhängigkeit der Grundgesamtheit von Kontextfaktoren als Einflussgrößen auf den Verkehr. Darüber hinaus sieht das Modell der Grundgesamtheit eine Partitionierung des Untersuchungsgebietes und Untersuchungszeitraums in Untersuchungseinzelelemente vor, in denen die Untersuchungseinheiten – in vorliegendem Fall die Szenarien – mittels der verschiedenen Formen der Erhebung beobachtet werden können (vgl. (Bäumer et al., 2017b, S. 25)). Diese Partitionierung hat zum Ziel, den Einfluss der Kontextfaktoren auf die Ausprägung und Häufigkeit der Szenarien innerhalb eines Untersuchungseinzelelementes zu minimieren und damit eine Modellierung als von diesen Kontextfaktoren unabhängigen Zufallsprozess zu ermöglichen. Die nächsten beiden Entwicklungsschritte des Rahmenkonzeptes betreffen die Auswahl der Beobachtungsorte und zeiten. Im Rahmen dieses Vorhabens werden diese beiden Aspekte verallgemeinert bei der Auswahl der Beobachtungseinheiten behandelt. Allgemein kann zwischen stationären Beobachtungseinheiten (z. B. Beobachtung mittels Drohne) und instationären Beobachtungseinheiten (z. B. Beobachtung mittels fahrzeuggebundener Sensorik) unterschieden werden. Im Gegensatz zur stationären Beobachtungseinheit wird bei einer instationären Beobachtungseinheit bedingt durch den bewegten Beobachter zu verschiedenen Zeitpunkten ein anderer Streckenabschnitt des Untersuchungsgebietes beobachtet. Bei der Auswahl der Beobachtungseinheiten muss demnach bei einer stationären Beobachtungseinheit ein Ort und ein Zeitpunkt der Beobachtung definiert werden, während bei einer instationären Beobachtungseinheit darüber hinaus auch die Bewegung des Beobachters definiert werden muss. Da die Auswahl des Beobachtungsortes bei stationären und instationären Beobachtungseinheiten bei der Stichprobenplanung ein wesentlicher Aspekt ist, wurde ein Schwerpunkt auf die Entwicklung einer Methode zur Zufallsauswahl von Beobachtungsorten gelegt. Ein weiterer Entwicklungsschritt betrifft die Bereitstellung technischer Hilfsmittel und die Beobachterschulung. In diesem Zusammenhang wurden verschiedenen Formen der Erhebung detailliert betrachtet und gegenübergestellt. Bei der Betrachtung des letzten Entwicklungsschrittes des Rahmenkonzeptes wurde ein Hochrechnungsverfahren entwickelt, welches die Tatsache berücksichtigt, dass im Regelfall nur ein Teil eines Untersuchungseinzelelementes beobachtet werden kann und somit eine Extrapolation der Beobachtungen auf das gesamte Untersuchungseinzelelement notwendig ist. Dazu wurde das Auftreten der Szenarien als Zufallsprozess modelliert. Dies erlaubt die Schätzung einer Wahrscheinlichkeit für das Erfassen eines Szenarios innerhalb eines Untersuchungseinzelelementes mittels einer spezifischen Form der Erhebung. Diese Erfassungswahrscheinlichkeit kann dann genutzt werden, um eine Extrapolation der Beobachtungen durchzuführen. Für die weitere Untersuchung wurde das Hochrechnungsverfahren auf reale Verkehrsdaten angewendet und als Untersuchungseinheit das Fahrstreifenwechselszenario gewählt.
Basierend auf den obengenannten Arbeiten wurde ein Konzept für einen Stichprobenplan erstellt, das auf eine möglichst repräsentative Erhebung in den Verkehrsräumen Autobahn, Überland und Innerorts abzielt. In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass die Beschreibung der Fahraufgabe mittels beobachteter Verkehrsszenarien zwangsläufig aufgrund des Zufallscharakters des Auftretens der Verkehrsszenarien unvollständig ist. Aus praktischer Sicht ist es daher notwendig, den Grad der Vollständigkeit der Beschreibung der Fahraufgabe auf eine effiziente Weise zu erhöhen. Ein möglicher Ansatz kann darin bestehen, den durch die empirischen Daten aufgespannten Szenarienraum basierend auf zusätzlichem Wissen anzureichern. Dieser Ansatz wurde bereits im PEGASUS Projekt bei Einführung der logischen Szenarien verfolgt (PEGASUS, 2019).
In Deutschland wird zur Bestimmung des Bindemittelgehaltes von Asphalt und somit auch für die Rückgewinnung des Bindemittels für weitere Untersuchungen Trichlorethen (Trichlorethylen, Tri) und alternativ Toluol eingesetzt. Für einen schnellen Ersatz von Trichlorethen (TRI) bietet sich Tetrachlorethen (Tetrachlorethylen, umgangssprachlich: PER) an, da dieses Lösemittel bereits seit geraumer Zeit im angrenzenden europäischen Ausland eingesetzt wird. Bevor Tetrachlorethen (PER) eingesetzt werden kann, ist jedoch zu untersuchen, ob zu dem bisherigen Bewertungshintergrund mit Trichlorethen (TRI) vergleichbare Ergebnisse vor allem hinsichtlich der Eigenschaften des rückgewonnenen Bindemittels erzielt werden können. Durch die Auswahl von insgesamt 50 Proben wird ein repräsentativer Querschnitt der in Deutschland eingesetzten Asphalte und Bitumen bzw. Polymermodifizierten Bitumen sichergestellt. Für alle Untersuchungsvarianten wurden sowohl Proben des Asphaltmischgutes als auch Proben des eingesetzten Bindemittels beschafft. Bei den 25 Varianten mit Asphaltgranulat liegen auch Proben des eingesetzten Asphaltgranulates vor. Für die Extraktionen standen zwei baugleiche Extraktionsanlagen (Asphaltanalysatoren) auf Basis der TP Asphalt-StB, Teil 1 zu Verfügung. Eine Anlage wurde hierbei mit Trichlorethen (TRI), die andere mit Tetrachlorethen (PER) betrieben. Parallel zu der Probenbeschaffung mussten die Randbedingungen bei der Extraktion und der Bindemittelrückgewinnung festgelegt werden. Die Bindemitteluntersuchungen erfolgten an den nach den unterschiedlichen Extraktionen rückgewonnenen Bindemitteln aus dem jeweiligen Asphaltmischgut und dem Asphaltgranulat sowie an den Bindemitteln im Anlieferungszustand durchzuführen. Bei den in der Anfangsphase des Projektes durchgeführten Extraktionen zeigte sich im Tetrachlorethen-Analysator, dass die Gesteinskörnungen häufig in einem Vakuumschrank nachgetrocknet werden mussten. Als Möglichkeit der Verbesserung bietet sich die Zugabe von groben Gesteinskörnungen in deutlich größeren Kornklassen, als sie im zu prüfenden Asphalt vorkommen, an, um hierdurch die Siebflächen frei zu halten. Die Ergebnisse der Vorversuche zur Rückgewinnung des Bindemittels nach Extraktion mit Tetrachlorethen (PER) zeigen auf, dass die Bindemittelrückgewinnung entgegen den Festlegungen der TP Asphalt-StB, Teil 3 bei 200 hPa erfolgen sollte. Die TP Asphalt-StB, Teil 3 sind entsprechend anzupassen. Für Straßenbaubitumen gibt es einen Zusammenhang zwischen der Äquiviskositätstemperatur bei G* = 15 kPa und dem Erweichungspunkt Ring und Kugel, für Polymermodifizierte Bitumen ergibt sich kein Zusammenhang. Die Rückformung im MSCRT könnte für die rückgewonnenen Bindemittel als Ersatz für die elastische Rückstellung herangezogen werden. Für beide Ersatzprüfmethoden ist jedoch ein ausreichender Bewertungshintergrund zu schaffen. Beim Vergleich der Ergebnisse am mit Trichlorethen (TRI) und mit Tetrachlorethen (PER) extrahierten und rückgewonnenen Bindemittel zeigt, dass sich in den Regressionsrechnungen eine Steigung der Geraden von im Mittel 0,99 ergibt, so dass sich die einzelnen Kennwerte im Wesentlichen nur über einen Versatz auf der y-Achse unterscheiden. Die Bestimmtheitmaße liegen immer über 0,9. Grundsätzlich ist festzustellen, dass die Ergebnisse für alle Bindemitteleigenschaften nach Extraktion mit Trichlorethen (TRI) und mit Tetrachlorethen (PER) sehr gut korrellieren und daher einem Ersatz von Trichlorethen nichts entgegensteht. Zudem ist festzustellen, dass die Ergebnisse der Extraktionen mit den zwei Lösemitteln immer innerhalb der Vergleichspräzisionen der TP Asphalt-StB liegen. Ausgehend von der Zusammensetzung der Asphalte kann demnach problemlos auf Tertrachlorethen (PER) umgestellt werden, wie es schon die Erkenntnisse aus dem Ausland gezeigt haben. Es wird empfohlen bei einem großflächigen Einsatz von Tetrachlorethen (PER) auf Produkte mit einem Anteil an Tetrachlorethen (PER) von mindestens 99,95 Gew.-% zurückzugreifen. Die Präzisionsdaten für die Prüfungen mit Tetrachlorethen (PER) sind vor Einführung in das Technische Regelwerk in einem Ringversuch zu ermitteln.