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Mobility is a central requirement for economic growth, employment and participation of each individual in social life. This basic principle of the BMVI (Federal Ministry of Transport and Digital Infrastructure) requires an intact and functional infrastructure. In a context of increasing investments over the next few years, it will be relevant to develop a network related systematic procedure to be part of the structural maintenance of the federal highway network. In the planning of maintenance measures, the knowledge about the state of structural performance and its long-term development is of central importance. In the following, a method is presented which allows the mechanically and statistically reliable assessment and prognosis of structural performance of concrete pavements. In addition, the application and procedure are applied to a case study.
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.
Zur Ermittlung einer Mehr- oder Minderbeanspruchung des Straßenoberbaus durch Lang-Lkw wurde im Rahmen der zweiten Untersuchungsstufe zu dieser Problematik eine Stichprobe von 23.639 Fahrten von Lang-Lkw im Direktverkehr und 463 Fahrten im kombinierten Verkehr analysiert. Die durchschnittliche Fahrzeuggesamtmasse der Lang-Lkw betrug 33,2 t. Ca. 6,5 % der Lang-Lkw fuhren überladen, was im Vergleich zum konventionellen Schwerverkehr auf Bundesautobahnen mit ca. 20 % einen relativ niedrigen Anteil darstellt. Im Vergleich zur ersten Untersuchungsstufe wurde die Tendenz zur Reduzierung der Achsanzahl von Lang-Lkw festgestellt. Die Fahrt eines Lang-Lkw ersetzt ca. 1,5 Fahrten eines äquivalenten konventionellen Lkw. Hinsichtlich der Dimensionierungsparameter nach RStO 12 liefern Lang-Lkw marginal bessere Werte als äquivalente konventionelle Lkw, so dass bei Substitution eines Teils konventioneller Lkw durch Lang-Lkw in der Regel keine Änderung der Belastungsklasse eintreten würde. Das Dimensionierungsverfahren nach RDO Asphalt 09 ergibt bei teilweisem Einsatz von Lang-Lkw innerhalb des Gesamtkollektivs Schwerverkehr auf Bundesautobahnen eine marginale Verlängerung der Regelnutzungsdauer von 30 Jahren um ca. 2 % auf ca. 30,5 Jahre. Die Ergebnisse der Untersuchung bestätigen grundsätzlich die Resultate der ersten Untersuchung. Der Einsatz von Lang-Lkw bedingt unter Einhaltung der im Feldversuch definierten fahrzeugtechnischen Vorgaben und zulässigen Grenzwerte für Fahrzeuggesamtgewichte und Achslasten keine Mehrbeanspruchung des Oberbaus von Straßen. Die rechnerisch ermittelte Minderbeanspruchung des Oberbaus im Vergleich zu konventionellen Lkw hat nur marginale Bedeutung und würde sich somit in der Praxis kaum spürbar auf die Nutzungsdauer der Straßen auswirken. Bei weiterer Reduzierung der mittleren Achsanzahl von Lang-Lkw würde sich die Beanspruchung des Straßenoberbaus durch Lang-Lkw jedoch signifikant erhöhen.
Die Kenntnis von Materialeigenschaften spielt bei der Entwicklung oder Optimierung von Betonen und Bauweisen für den Straßenbau sowie der Qualitätskontrolle und -sicherung eine bedeutende Rolle. Gleichermaßen bilden physikalische Materialkennwerte die Grundlage für die rechnerische Dimensionierung und die Restsubstanzbewertung von Betonfahrbahndecken. Einen relevanten Kennwert bei der Untersuchung thermisch induzierter Spannungs- und Verformungszustände stellt der thermische Ausdehnungskoeffizient von Beton dar. Dieser beeinflusst beispielsweise maßgeblich das Längsdehnungsverhalten des Deckensystems sowie das Ausmaß von Plattenkrümmungen und Fugenbewegungen. Im Zuge der systematischen Weiterentwicklung der rechnerischen Dimensionierung aber auch im Zusammenhang mit der gezielten Verbesserung der Gebrauchseigenschaften von Fahrbahndecken gilt es zu hinterfragen, ob lastunabhängige Formänderungseigenschaften, wie z. B. der thermische Ausdehnungskoeffizient der verwendeten Betone, aktuell ausreichend Beachtung finden, ob allgemeine Literaturwerte für die heutigen Fahrbandeckenbetone stets Gültigkeit besitzen und ob deren Implementierung in moderne Rechenmodelle zu validen Ergebnissen führt. Für eine empirische Herangehensweise ist die Verfügbarkeit adäquater Prüfverfahren von entscheidender Bedeutung. In Deutschland existiert aktuell jedoch kein standardisiertes oder genormtes Verfahren für die prüftechnische Bestimmung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Beton. Daher wurden unter Beachtung straßenbauspezifischer Gesichtspunkte zwei Prüfansätze entwickelt, die in diesem Beitrag vorgestellt und hinsichtlich möglicher Messunsicherheiten und Messungenauigkeiten diskutiert werden. Außerdem erfolgt die Darstellung ausgewählter Ergebnisse aus Analysen an Bestandsbetonen aus dem BAB-Netz. Im Ergebnis sollen die Untersuchungen einen Beitrag zur Schaffung der prüftechnischen Voraussetzungen für eine abgesicherte Quantifzierung der thermischen Dehnung von Fahrbahndeckenbetonen leisten.
Knowledge of material properties is of great importance when developing new types of concrete and construction methods for road building, and for quality control and quality assurance. Physical material characteristics are likewise the basis for dimensioning and assessing the residual substance of concrete pavements. One relevant characteristic when examining thermally induced stress and deformation is the coefficient of thermal expansion (CTE) of concrete. This indicator, for example, significantly influences the longitudinal expansion of the pavement system as well as the degree of curling of slabs and joint movements. Extensive tests were conducted during the technical engineering assessment of the structural substance of concrete pavements in the German motorway network, including tests to determine the CTE of existing types of concrete. Because no standardised procedure currently exists in Germany for using tests to determine the CTE of concrete, the initial task was to develop a suitable test procedure from a road-building perspective, taking consideration of the national prevailing structural conditions. This article presents the results of selected status analyses, in which the CTE was determined for a total of 656 individual samples. The values calculated for the top and bottom drilled core layer are in the range 8.9 – 13.2 x 10-6/K, whereby the average CTE assumes a value of 10.7 x 10-6/K. The deviations of the CTEs from the bottom and top drilled core layer are in principle significantly below the limitation to a maximum of 2.50 x 10-6/K recommended in literature.
Unter Radschnellverbindungen (RSV), oft als Radschnellwege bezeichnet, werden Radverkehrsverbindungen verstanden, die vorrangig auf den Alltagsradverkehr ausgerichtete Zielbereiche des Radverkehrs mit hohen Potenzialen über größere Distanzen verknüpfen und ein sicheres und attraktives Befahren mit hohen Fahrtgeschwindigkeiten ermöglichen. RSV kamen bisher vor allem in europäischen Nachbarländern zur Ausführung, insbesondere in den Niederlanden. Die Entwicklungen in Deutschland sind sehr dynamisch: In zahlreichen Bundesländern bzw. (Metropol-)Regionen und Ballungsräumen werden derzeit Machbarkeitsstudien und Potenzialanalysen erarbeitet, sind in der planerischen oder ersten baulichen Umsetzung. Mit dem vorliegenden Forschungsprojekt werden zwei Schwerpunktthemen betrachtet: Im Schwerpunkt 1 erfolgt die Erarbeitung eines praxisorientierten Verfahrens zur Potenzialanalyse bzw. –abschätzung von RSV sowie hierauf aufbauend die Erarbeitung einer Nutzen-Kosten-Analyse. Schwerpunkt 2 umfasst die Untersuchung sicherheitsrelevanter Elemente von RSV. Auf Basis einer Bestandsaufnahme einschließlich Verkehrsbeobachtung vor Ort erfolgt die Erarbeitung von inner- und außerörtlichen Entwurfselementen von Strecken und Knotenpunkten.
Schwerpunkt 1
Zur Erarbeitung der Potenzialanalyse wurden zunächst bestehende Ansätze deutscher und europäischer Studien untersucht. Das Hauptaugenmerk, insbesondere in Verknüpfung mit der Nutzen-Kosten- Analyse, liegt hier in der Bestimmung der Verlagerungspotenziale. Je nach Datenverfügbarkeit der zu untersuchenden Region wurden zwei verschiedene Verfahren entwickelt, die sich im Detaillierungsgrad unterscheiden. Ein detailliertes Verfahren setzt auf bestehende Verkehrsmodelle auf und berechnet mithilfe eines definierten Berechnungsverfahrens die Verlagerungspotenziale. Mit einem überschlägigen Verfahren zu Projektbeginn werden das Verkehrsaufkommen im Untersuchungsgebiet grob berechnet und Verlagerungspotenziale überschlägig abgeleitet. Für die Nutzen-Kosten-Analyse (NKA) wurden u.a. die Verfahren des Bundesverkehrswegeplans (BVWP) 2030, die NKA zur Bewertung der Effizienz von Radverkehrsmaßnahmen (NKA-Rad) und die standardisierte Bewertung von SPNV-Maßnahmen als Grundlagen verwendet. Die für RSV relevanten Komponenten wurden geprüft und hinsichtlich ihrer Anwendung auf RSV gegebenenfalls angepasst.
Schwerpunkt 2
Eine Sicherheitsbewertung an Streckenabschnitten wurde mit dem Ziel durchgeführt, das Konfliktniveau auf RSV zu untersuchen und die Wirksamkeit unterschiedlicher Arten der Trennung zum Gehweg hin zu prüfen. Dazu wurden an sieben Untersuchungsstrecken in Deutschland und den Niederlanden eine Verhaltensbeobachtung und eine Unfallanalyse durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Breite einer RSV von mindestens 4,00 m zuzüglich eines separat geführten Gehwegs grundsätzlich geeignet ist, um hohe Radverkehrsmengen aufzunehmen, da die Interaktionen zwischen den Radfahrern untereinander, welche auf der freien Strecke dominieren, ab dieser Breite reduziert werden können. Der Kenntnisstand zur Sicherheit an Querungsstellen mit Bevorrechtigung für den Radverkehr ist derzeit noch gering, so dass zehn innerörtlicher Knotenpunkte dieser Art Gegenstand der hier vorliegenden Untersuchung waren. Neben einer Verhaltensbeobachtung wurde eine Unfallanalyse durchgeführt. Tendenziell lässt sich aus den Ergebnissen ableiten, dass die bevorrechtigte Querung grundsätzlich als sicher zu bewerten ist und bei einer Verkehrsstärke von bis zu 2.000 Kfz/Tag auf der untergeordneten Straße eingesetzt werden kann. Die Erkennbarkeit der Querungsstelle sollte durch zusätzliche Ausstattungselemente verstärkt werden. Weiterhin wurden im Rahmen der Untersuchung rechnerische Verlustzeiten und Einsatzbereiche für typische Knotenpunktformen im Zuge von RSV ermittelt.
Rekonstruktion des Bestandsplans im Zuge der Nachrechnung der Brücke über die Leine bei Schwarmstedt
(2019)
Der aktuell im Rahmen der Nachrechnungsrichtlinie geforderte Nachweis von Tragfähigkeit, Gebrauchstauglichkeit und Ermüdung der Brückenbauwerke im Bestand der Länder und des Bundes stellt eine enorme Herausforderung dar. Insbesondere bei unvollständigen oder fehlenden Bestandsplänen der Bauwerke sind Maßnahmen erforderlich, um die erforderlichen Informationen zu beschaffen. Ein wirkgungsvolles Instrument könne hierfür die zerstörungsfreien Prüfverfahren des Bauwesens sein. In dem präsentierten Forschungsprojekt erfolgte die Rekonstruktion eines Bestandsplanes direkt auf die Anforderungen des mit der Nachrechnung beauftragten Ingenieurbüros. Darüber hinaus wurde der Entwurf eines Leitfadens erstellt, der im Falle von unvollständigen oder fehlenden Bestandsplänen die Grundlagen für die Beauftragung und Durchführung der Nachrechnung schafft.
Im Laufe des Lebenszyklus von Lärmschutzwänden (Lsw) können diverse Schadensbilder auftreten. Diese reichen von Löchern und Schlitzen zwischen abschirmenden Wandelementen durch Unfallschäden oder Montagemängel bis hin zu Witterungs- und Verschmutzungserscheinungen von Absorptionsmaterialien. Die Auswirkung dieser Schäden auf die akustischen Eigenschaften des Schallschirms ist bisher nicht detailliert untersucht. Das Vorhaben soll diese Lücke schließen und stellt einen Katalog bereit, auf dessen Basis konkrete Angaben zum Einfluss spezifischer Schäden insbesondere auf die Reduzierung der Schalldämmung und damit die Abschirmwirkung des Schallschirms gemacht werden können. Auf Basis dieser Angaben lassen sich ggf. gezielte und kosteneffiziente Maßnahmen ergreifen, um den Schallschutz von Immissionsorten dauerhaft zu gewährleisten. Zur Erstellung des Schadenskatalogs wird das bestehende nationale Schallausbreitungsmodell der RLS 90 um eine Beschreibung der Schalltransmission durch die Lsw sowie die geometrische Berücksichtigung von runden und schlitzförmigen Leckagen erweitert. Simulationen zeigen, dass hinter der Leckage in der Lsw ein akustisch kritischer Bereich entsteht. Die Grenze dieses Bereichs kann innerhalb des Schadenskatalogs für eine Vielzahl geometrisch abstrahierter Schäden abgelesen und mit einem Bebauungsplan abgeglichen werden. Katalogparameter sind insbesondere die Wirkfläche (Produkt aus Transmissionsgrad und Fläche runder Leckagen) und die Wirkbreite (Produkt aus Transmissionsgrad und Breite schlitzförmiger Leckagen). Es wird gezeigt, dass der Transmissionsgrad von Leckagen zuverlässig durch Berechnung nach MECHEL sowie durch Messung an Lsw in situ bestimmt werden kann. Letztere dienen zudem der erfolgreichen Validierung der verwendeten Modelle zur Beschreibung des Transmissionsgrads von Leckagen sowie der Schallausbreitung an Lsw mit Berücksichtigung der Transmission.
Traditionally, traffic count statistics in Germany contain the so-called relevant hourly volume, which is defined as the 30th-highest hour of the year when listing the hourly volumes in descending order. When the first edition of the German Highway Capacity Manual (HBS) was prepared in 2001, the Federal Government decided that this 30th hour should be used as the basis for the level of service determination for all Federal freeways and trunk roads. While German freeways are quite well equipped with inductive loop detectors, there are much fewer counts on rural roads and almost no long-term data on urban roads. With the current redraft of the German HBS detailed advice will be given on how to estimate peak-hour demand (all vehicles and heavy vehicle portion), based on the n-th highest hour concept depending on the available traffic counts. As the HBS will be divided into three major parts: freeways, rural roads, and urban roads, three separate chapters for the peak-hour demand estimation will be provided. Whereas for freeways the task consists in finding the comparable site equipped with inductive loop detectors, for urban roads it is a matter of establishing which time periods of the year and weekdays are appropriate for manual short-term counts as estimation of the 30th hour of the year. For all kind of traffic devices the requirements on traffic demand models for level of service calculations are described.
Unfälle zerstören Sachkapital und mindern die der Volkswirtschaft zur Verfügung stehende Arbeitskraft. Zur Entscheidungsunterstützung nutzt die Verkehrssicherheitspolitik in ökonomischen Analysen monetäre Wertansätze, welche sich auf die Folgen der Straßenverkehrsunfälle beziehen und deren Ausmaß quantifizieren. Durch die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) werden jährlich auf der Grundlage eines Berechnungsmodells die Kosten ermittelt, die durch Straßenverkehrsunfälle entstehen. Um den Veränderungen der wirtschaftlichen Eingangsparameter und der Entwicklung des Wissensstands zur Bewertung von Unfallschäden gerecht zu werden, wurde dieses Modell im Rahmen eines Forschungsprojektes mit Bezug auf das Jahr 2005 überarbeitet und fortgeschrieben. Danach ergeben sich für das Jahr 2009 volkswirtschaftliche Kosten in Höhe von 30,5 Milliarden Euro durch Personen- und Sachschäden infolge von Straßenverkehrsunfällen in Deutschland. Gegenüber dem Basisjahr 2005 sind die Unfallkosten damit um circa 3 Prozent (= 960 Millionen Euro) gesunken.