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Ziel des Forschungsvorhabens war die Untersuchung des Einflusses einzelner Zustandsparameter auf das Unfallgeschehen unter Berücksichtigung von Verkehrs- und Infrastrukturmerkmalen. Durch die Zusammenführung von Informationen aus den beiden Netzanalysesystemen "Zustandserfassung und -bewertung" (ZEB) und der (Empfehlungen für die) "Sicherheitsanalyse von Straßennetzen" (ESN) sollten Verbesserungspotenziale für die Optimierung des Sicherheitsmanagement der Straßeninfrastruktur abgeleitet werden. Daten aus drei Analyseländern für Bundesautobahnen sowie Bundes- und Landesstraßen wurden datentechnisch durch neu geschaffene Aggregations- und Auswerteverfahren auf ein gemeinsames Netzmodell aufbereitet. In Pilotanalysen wurden deskriptive Auswertungen des Unfallgeschehens und der Zustandsparameter durchgeführt. Verschiedene Analysemethoden für die Quantifizierung eines Zustandseinflusses auf das Unfallgeschehen wurden vergleichend gegenübergestellt und zentrale Randbedingungen (z. B. Abschnittslängen, Verteilungskennwerte der Zustandsparameter) definiert. Anhand multikriterieller Analyseansätze wurden Zusammenhänge zwischen Zustandsgrößen (z. B. Griffigkeit, Quer- und Längsebenheit), Infrastrukturparametern (z. B. Fahrstreifenanzahl, Längs- und Querneigung oder Kurvigkeitsäquivalent), den Verkehrsmengen und dem Unfallgeschehen modellhaft beschrieben. Für die Griffigkeit lassen sich signifikante und verallgemeinerbare Zusammenhänge mit Fahr- und Längsverkehrsunfälle auf Bundes- und Landesstraßen ableiten. Bei den übrigen untersuchten Zustandsgrößen " z. B. Ebenheit in Längs und Querrichtung " ergaben sich keine einheitlichen Ergebnisse. Aus den Modellen wurde ein allgemeingültiges Verfahren entwickelt, welches vermeidbare Unfallkosten pro Jahr für Veränderungen in der Griffigkeit bei gegebenen Infrastrukturgrößen abschätzt. Das dargestellte DV-Verfahren ermöglicht den bidirektionalen Datenaustausch zwischen der ZEB und der ESN und die Berücksichtigung der zusammengeführten Informationen im Rahmen des Erhaltungsmanagements.
Die Richtlinie 2008/96/EG der EU zum Straßenverkehrsinfrastruktur-Sicherheitsmanagement wurde im Dezember 2010 in nationales Recht überführt. Sie sieht Sicherheitsaudits für Infrastrukturprojekte, Sicherheitseinstufung und Sicherheitsmanagement des in Betrieb befindlichen Straßennetzes sowie regelmäßige Sicherheitsinspektionen vor. Während mit den Empfehlungen für das Sicherheitsaudit von Straßen seit 2002 ein bewährtes formalisiertes Verfahren zur Beurteilung der Sicherheitsbelange geplanter Straßen zur Verfügung steht, besteht insbesondere Bedarf an einem geeigneten Verfahren zur Detektion von Sicherheitsdefiziten im Bestand. Dies verdeutlichte die Grundlagenanalyse. Durch Befragungen, Erfahrungsaustausche und erste Pre-Tests mit Straßenmeistereien und Verkehrsbehörden zeigten sich in der Verfahrensanalyse Stärken und Schwächen der bestehenden Verfahren. Die Streckenkontrolle baut dabei auf wesentlich zuverlässigeren und stabileren Strukturen auf als die Verkehrsschau. Abgeleitet wurden hieraus Verbesserungsbedarf für die bestehenden Verfahren sowie Grundlagen und Ansätze für ergänzende Sicherheitsüberprüfungen. Mit der erweiterten Streckenkontrolle als flächendeckende Inspektion für ausgewählte Themenschwerpunkte und dem anlassbezogen Bestandsaudit als ganzheitliches Verfahren wurden zwei unterschiedliche Ansätze entwickelt. Geeignete Werkzeuge wie Defizitlisten, Schulungsprogramme und Anweisungen für die Anwender wurden aufgebaut und anhand von Pilotanwendung und Expertengesprächen abgestimmt. In der erweiterten Streckenkontrolle wurden etwa 1.840 km Strassennetz durch die Streckenwarte inspiziert. Es zeigte sich, dass der Strassenbetriebsdienst über einen großen Erfahrungsschatz hinsichtlich der Straßeninfrastruktur und Straßenausstattung verfügt und grundsätzlich in der Lage war, sicherheitsrelevante Defizite aus dem planerischen Bereich zu benennen. Die meisten Defizite wurden allerdings bei Hindernissen im Seitenraum und Fahrzeug-Rückhaltesystemen festgestellt. Die Durchführung von exemplarischen Bestandsaudits auf sechs Strecken brachten wichtige Erkenntnisse im Hinblick auf die Ausgestaltung des Verfahrens. Wie bei der erweiterten Streckenkontrolle zeigte sich, dass die methodische Vorgehensweise und die entwickelten Werkzeuge von Grund auf funktionieren und lediglich kleinerer Anpassungen bedürfen.
Zur Erkennung und Beurteilung von Straßenschäden werden derzeit Bilder der Fahrbahnoberfläche erfasst und anhand eines Schadenskataloges bewertet. Die Auswertung der Aufnahmen wird bislang manuell durchgeführt, wodurch es zu unterschiedlichen Beurteilungen kommen kann. Um eine einheitliche Auswertung zu garantieren, soll im Rahmen des Forschungsprojektes eine Software zur teilautomatischen Merkmalssuche und -analyse von Oberflächenschäden entwickelt werden. Im vorangegangenen Projekt (FE 89.190/2007/AP) wurde bereits die Machbarkeit eines solchen Systems analysiert. Um die praktische Anwendbarkeit eines solchen Assistenzsystems untersuchen zu können, soll ein Arbeitsplatzrechner eingerichtet und mit einer entsprechend zu entwickelnden Software ausgerüstet werden. Des Weiteren ist zu untersuchen, inwiefern eine Bewertung der Oberflächenschäden automatisiert werden könnte. Es soll weiter untersucht werden, inwieweit die detektierten Merkmalsklassen ausgeweitet (das heißt Schadensmerkmale klassifiziert) werden können.
Im Verlaufe der Entwicklung der Zustandserfassung auf Bundesfernstraßen (ZEB) wurde beginnend bei den Messdaten bis zu den Auswertungen ein einheitliches Datenmanagement erarbeitet. Dieses Management sichert nicht nur die Datenqualität bei der Erfassung der Zustandsdaten, sondern sichert auch den Prozess der Auswertungen. Nicht zuletzt wird auch die Vergleichbarkeit der Daten unterschiedlicher Kampagnen gesichert. Mit der Einrichtung des IT-ZEB Systems bei der BASt zur Verwaltung der ZEB-Daten ist die Datensicherung, -bereitstellung, -auswertung und -visualisierung gewährleistet worden. Forschungsarbeiten zur Weiterentwicklung der ZEB sind mit der IT-ZEB möglich, da Modellrechnungen bei der Projektierung des IT-Systems berücksichtigt worden sind. Eine Verbesserung des Datentransfers bei den Netzdaten ist im Zusammenhang mit dem bevorstehenden Einsatz des Bundesinformationssystems Straße zu erwarten.
Der vorliegende Bericht beschreibt Konzepte für eine intelligente Brücke auf der Grundlage einer zuverlässigkeitsbasierten Zustandsbewertung unter Berücksichtigung von Bauwerksinformationen, welche aus Prüfungen, Inspektionen und Überwachung gewonnen werden. Das Brückensystem wird durch ein Modell beschrieben, welches den zentralen Teil des Konzeptes darstellt. Das Modell wird in Schädigungsmodelle und ein Tragwerkssystem-Modell unterteilt. Dieses Modell wird a-priori durch die Eingangsdaten (welche etwa die Geometrie, die Materialien und die Verwendung der Brücke beschreiben) charakterisiert. Aus diesen ergeben sich dann auch die Ausgangsmodelle. Um die signifikanten Streuungen und Unsicherheiten adäquat abzubilden sind diese Modelle probabilistisch. Das Modell liefert eine sich kontinuierlich ändernde probabilistische Zustandsbewertung. Die Zustandsbewertung gibt eine Aussage über den Zustand und die Zuverlässigkeit des Brückensystems und seiner Bauteile und dient als Grundlage für die Planung und die Optimierung von Maßnahmen. Die Verwendung von Resultaten aus Inspektionen, Prüfungen und Überwachungen erfolgt durch eine Aktualisierung der Modellparameter. Die Aktualisierung beruht auf der Methode der Bayes'schen Aktualisierung und wird auf der Grundlage der entwickelten Klassifizierung der Bauwerksinformationen mit entsprechenden Methoden durchgeführt. Dieses Verfahren erlaubt es, alle Informationen in konsistenter Weise in ein einziges Modell einfließen zu lassen. Dabei wird die Genauigkeit und Aussagekraft der gewonnenen Daten und Beobachtungen explizit berücksichtigt. Durch die Aktualisierung der Modellparameter unter Berücksichtigung von Systemeffekten wird die Zustandsbewertung der Bauteile und des Brückensystems aktualisiert. Das ermöglicht die Planung und die Optimierung von Maßnahmen unter Berücksichtigung der Bauwerksinformationen. Auf diese Weise wird die intelligente Brücke mit Inspektionen und Überwachungen zu einem adaptiven System, welches sich Veränderungen anpassen kann.
Die Überwachung und Prüfung von Brücken im Zuge von Bundesfernstraßen erfolgt in Deutschland nach der DIN 1076 in festgelegten Zeitintervallen. Im Zuge der "Objektbezogenen Schadensanalyse" (OSA) hat sich der Einsatz kombinierter zerstörungsfreier Prüfverfahren wie Ultraschallecho, Impakt-Echo und Radar an mehreren Spannbetonbrücken als geeignet erwiesen, Umfang und Ursache ungeklärter Schäden zuverlässig zu ermitteln. Diese Verfahrenskombination wurde auch für die Untersuchungen an der Spannbetonbrücke im Zuge der Autobahn A1 bei Hagen verwendet. Dazu wurden von der BAM scannende Messwerterfassungssysteme entwickelt, mit denen die Prüfverfahren automatisiert für großflächige Untersuchungen angewendet werden können. Erstmals wurde ein Saugscanner verwendet, der zerstörungsfrei am Bauwerk befestigt werden kann. Der Bericht zeigt, wie die großflächigen Ergebnisse der Untersuchung bildgebend dargestellt werden können. Dem Ingenieur ist es damit möglich, einen Bezug zu Bestandsplanunterlagen herzustellen. Sofern keine Bestandsplanunterlagen existieren, können diese unter bestimmten Randbedingungen aus den Messergebnissen rekonstruiert werden. Bei der Längsspannung der Brücke handelt es sich um das System Baur-Leonhardt, das aus steifen Blechkästen besteht, in die Litzen eingelegt und zementös verpresst wurden. Über diese Konstruktion lagen noch keine Erfahrungen mit zerstörungsfreien Prüfverfahren vor. Deshalb wurden Modellrechnungen für verschiedene Verpresszustände durchgeführt, um die zu erwartenden Ergebnisse vorab zu ermitteln. Die Messergebnisse machen deutlich, dass mit den verwendeten Verfahren der Verlauf der Spannglieder sehr präzise dargestellt werden kann und dass die Lage der Umlenkstellen, die dickeres Blech in zwei Lagen aufweisen, zuverlässig bestimmt werden kann. An der Brücke wurde erstmals großflächig die Phasenauswertung von Ultraschallsignalen zur Ortung von Verpressfehlern durchgeführt. Die Messungen ergaben keine Hinweise auf Verpressfehler. Die Richtigkeit dieser Aussage wurde durch das Öffnen der Spannglieder im Zuge des Abrisses bestätigt.
Die Infrastruktur und hierbei vor allen die Straßen, stellen eine grundlegende Voraussetzung zur wirtschaftlichen Entwicklung eines Landes dar. Dieses bedeutet einerseits eine Notwendigkeit der Anpassung an zunehmenden Verkehr durch Um- und Ausbauten des Straßennetzes. Andererseits bestehen viele Netze, vor allem in den Industrienationen, schon eine geraume Zeit und sind somit dem Verkehr und weiteren äußeren Einflüssen ausgesetzt. Dieses führt dazu, dass da Thema "Erhaltung der Infrastruktur" verstärkt in das Bewusstsein der handelnden Personen und Organisationen gelangen muss. Bei der Erhaltung der Straßeninfrastruktur sind neben technischen auch rechtliche Aspekte von erheblicher Bedeutung. Die Planung, der Bau und die Unterhaltung von Straßen mit allen zugehörigen Straßenbestandteilen werden aus öffentlichen Mitteln finanziert. Somit sind hierbei die Grundsätze der Wirtschaftlichkeit und Sparsamkeit zu beachten. Hierfür kann die Bauwerksprüfung wichtige Informationen zu Konstruktion, Schäden und Schadensveränderungen liefern. Daneben gibt es aber auch die sogenannte allgemeine Verkehrssicherungspflicht. D.h. dass derjenige, der eine Gefahrenquelle schafft oder unterhält, die Pflicht hat, die notwendigen und zumutbaren Vorkehrungen zu treffen um Schäden anderer zu verhindern. Vor diesem Hintergrund und da die DIN 1076 für ihren Bereich als allgemein anerkannte Regel der Technik angesehen werden kann, ist diese Norm auch für diejenigen Bauträger als verbindlich anzusehen, die diese nicht explizit eingeführt haben.
Innovative Zugangstechniken und digitale Bildauswertung für die Bauwerksprüfung im Zuge von Straßen
(2019)
Deutschland braucht ein zuverlässiges Straßenverkehrssystem. Dafür müssen die Zustände der Brücken und sonstigen Ingenieurbauwerke der Straßen kontinuierlich und umfassend bekannt um rechtzeitig handeln zu können. Neben der regulären visuellen Bauwerksprüfung nach DIN 1076 bieten neue innovative Verfahren große Möglichkeiten der Zugangs- sowie Bilderfassungs- und Bildverarbeitungstechnik. Diese Möglichkeiten gilt es jetzt systematisch zu erkunden und für den Einsatz aufzubereiten
Aufgrund des im Jahr 2004 fertiggestellten Forschungsprojektes "Eignung von ziegelreichen Recycling-Baustoffen für Tragschichten ohne Bindemittel" (FE 06.073/2000/FGB) wurde nach kontroverser Diskussion in den zuständigen Gremien der Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen der zulässige Ziegelanteil in den TL Gestein-StB auf 30 M.-% erhöht. Diskussionspunkte waren u.a. die gewählten Prüfverfahren und die mangelnde Praxiserfahrung mit ziegelreichen RC-Baustoffgemischen. Um die Erkenntnisse aus o.g. Forschungsprojekt zu bestätigen und Praxiserfahrungen zu sammeln, wurde durch das Ministerium für Infrastruktur und Raumordnung Brandenburg der Bau einer Erprobungsstrecke angeboten. Im Jahr 2006 wurde daraufhin eine Erprobungsstrecke im östlichen Brandenburg auf rund 1.200 m eingerichtet, die im April 2007 dem Verkehr übergeben worden ist. Die fachliche Betreuung vor Ort erfolgte durch die TU Cottbus. Die wissenschaftliche Betreuung erfolgte durch die Bundesanstalt für Straßenwesen. In Damm- und Einschnittlage sind jeweils sechs Varianten mit unterschiedlichen Baustoffgemischen für die Tragschicht ohne Bindemittel eingebaut worden. Neben einer Referenzbauweise mit natürlichen Gesteinskörnungen wurden Varianten mit 10, 20, 30 und 40 M.-% Ziegelanteil im RC-Baustoffgemisch eingebaut. Eine weitere Variante sollte aus 40 M.-% Ziegelanteil und 60 M.-% natürlichen Gesteinskörnungen bestehen. Aus baupraktischen Gründen musste der Anteil mit natürlichen Gesteinskörnungen deutlich reduziert werden und teilweise durch Betonbruch ersetzt werden. Die Dicke der Asphaltschichten und die Dicke des frostsicheren Oberbaus wurden über alle Varianten konstant gehalten. In verschiedenen Tiefen der gebundenen und ungebundenen Schichten des Oberbaus sowie im Untergrund bzw. Unterbau wurden in allen Varianten Temperatur- und Feuchtesensoren eingebaut. Die Messwertaufzeichnung erfolgte stündlich. Desweiteren wurde eine Wetterstation und eine automatische Verkehrszählung eingerichtet. Zur Dokumentation der Einwirkungen von Verkehr und Klima auf die Erprobungsstrecke erfolgten Tragfähigkeitsmessungen (Falling-Weight-Deflectometer und Benkelman-Balken) und Höhenmessungen (Feinnivellement) jeweils vor und nach Frostereignissen. Ergänzend wurden an den Baustoffgemischen, neben den Standarduntersuchungen der Eignungs- und Kontrollprüfungen, Frosthebungsversuche nach den TP BF-StB durchgeführt. Zunächst erfolgte eine Beurteilung des dreijährigen Beobachtungszeitraums. Durch die strengen Winter 2008/2009 und 2009/2010 lagen die Voraussetzungen zur Beurteilung der Frostempfindlichkeit der Bauweisen vor. Die Tragfähigkeitsmessungen zeigen im Bereich der ziegelreichen Varianten ein im Vergleich zur Referenzbauweise sehr hohes Tragfähigkeitsniveau. Mit zunehmendem Ziegelanteil ist die Tragfähigkeit zwar abnehmend, übertrifft jedoch die gestellten Anforderungen. Als wesentlich hierfür stellte sich der Anteil an Betonbruch im RC-Baustoffgemisch heraus. Wesentliche Frosthebungen wurden auf dem gesamten Streckenabschnitt nicht festgestellt. Die durch die Konsolidierung der Strecke verursachten Senkungen überlagerten Höhendifferenzen liegen lediglich im Bereich von -±2 mm. Die im Frosthebungsversuch gemessenen Frosthebungen ließen sich nicht auf die Situation der Erprobungsstrecke übertragen. Aufgrund der vorliegenden Ergebnisse und den Ergebnisse aus zwei weiteren Forschungsprojekten, die rein auf Laboruntersuchungen beruhen, kann die mit Einführung der TL Gestein-StB in 2004 umgesetzte Erhöhung des zulässigen Ziegelanteils in RC-Baustoffen von 30 M.-% als unkritisch angesehen werden. Es ist jedoch zu beachten, dass die meisten in der Erprobungsstrecke eingesetzten Baustoffgemische die Anforderungen an die mechanische Beständigkeit und Verwitterungsbeständigkeit im Rahmen der Eignungsprüfung nicht erfüllt haben und somit gemäß den TL Gestein-StB und TL SoB-StB nicht zugelassen wären. Die sehr umfangreiche Datenbasis, die nicht nur im direkten Zusammenhang mit Erforschung der Eignung ziegelreicher Tragschichten ohne Bindemittel steht, eignet sich auch als Beitrag für andere Fragestellungen der Straßenbautechnik.
Die Innenschalen von Straßentunneln in geschlossener Bauweise werden in der Regel als Stahlbetonkonstruktion ausgeführt. Die Ausführung unbewehrter Tunnelinnenschalen kann für den Bauherrn eine erhebliche Kostenersparnis bedeuten, da die Kosten für die Bewehrung und deren Einbau eingespart werden. Unbewehrte Innenschalen für Straßentunnel in geschlossener Bauweise wurden in der Vergangenheit bei einzelnen Projekten in Deutschland bereits ausgeführt. Die Anforderungen an die bauliche Durchbildung und an die Gebrauchstauglichkeitseigenschaften wurden aufgrund fehlender Regelungen in den ZTV-ING objektspezifisch festgelegt. Die im Rahmen dieses Forschungsprojektes durchgeführte Auswertung der Erfahrungen mit unbewehrten Innenschalen zeigt, dass viele der Tunnel eine hohe Anzahl von Rissen und Betonabplatzungen in den unbewehrten Bereichen aufweisen. Die hier erforderlichen nachträglichen Instandsetzungsmaßnahmen führen häufig zu hohen Kosten und Beeinträchtigungen der Tunnelverfügbarkeit. Als Fazit aus diesen Erfahrungen kann der Einsatz von unbewehrten Innenschalen nur in Ausnahmefällen bei vorliegenden besonders günstigen Randbedingungen empfohlen werden. Neben einer günstigen Geologie zählen hierzu noch weitere Parameter, die im vorliegenden Bericht ausführlich dargelegt werden. Zur Vermeidung vertragsrelevanter Probleme bei der Ausführung unbewehrter Innenschalen wird eine klare Festlegung der Gebrauchstauglichkeitseigenschaften der fertigen Tunnelinnenschale empfohlen. Bezüglich der zulaäsigen Rissweiten in unbewehrten Innenschalen wird die Anwendung der Vorgaben aus der Ril 853, Modul 853.4004 empfohlen. In den ZTV-ING sollten für den Sonderfall einer unbewehrten Innenschale auch weiterhin keine speziellen Anforderungen festgelegt werden. Kriterien für die Anwendung unbewehrter Innenschalen wurden im Rahmen dieses Forschungsprojektes erarbeitet und sollten bei Bedarf den Straßenbauverwaltungen der Länder und den Planern zur Verfügung gestellt werden.