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Annual Report 2021
(2022)
In the Annual Report 2021, the BASt presents a selection of research activities of the year 2021.
In almost 40 contributions, projects from 5 specialist areas are presented. The spectrum of topics ranges from digital transformations in bridges and structural technology to sustainable, climate-resistant highway construction, efficient, ecological and digital traffic engineering, automated, environmentally conscious automotive engineering and the safety of all who participate in traffic.
Highlights as well as facts and figures in short and concise form complete the report.
Für den Nachweis der Querkrafttragfähigkeit von Fahrbahnplatten ohne Querkraftbewehrung gibt es nach derzeitiger Bemessungspraxis keine einheitliche Vorgehensweise. Die bisherigen Erfahrungen zeigen, dass die Ergebnisse der Berechnungen sowohl bei der Ermittlung der Beanspruchungen als auch bei der Interpretation der Bemessungsverfahren nach DIN EN 1992-2 und zugehörigem Nationalen Anhang in einer erheblichen Bandbreite voneinander abweichen können, ohne dass immer eindeutig beurteilt werden kann was richtig oder falsch ist. Die Schnittgrößenermittlung und Bemessung entscheidet aber darüber, ob Querkraftbewehrung erforderlich ist oder nicht. Besonders wenn es dadurch im Zuge der Ausführungsplanung zu anderen Ergebnissen kommt als bei der Entwurfsplanung, führt dies auch zu vertraglichen Problemen für den Bauherrn. Ein weiteres Problemfeld kann die Nachrechnung bestehender Bauwerke darstellen, da die Fahrbahnplatten des Bestands in der Regel ohne Querkraftbewehrung ausgeführt wurden.
Vor diesem Hintergrund besteht aus Bauherrensicht die Notwendigkeit, eine einheitliche Vorgehensweise für die Berechnung und Bemessung von Fahrbahnplatten ohne Querkraftbewehrung bei Querkraftbeanspruchung auf Grundlage des aktuellen Stands von Wissenschaft und Technik zu entwickeln, um eine sichere und wirtschaftliche Bemessung zugleich mit eindeutigen Vorgaben zu gewährleisten.
Ziel des Forschungsvorhabens ist die Erarbeitung einer einheitlichen Vorgehensweise für den Nachweis von Fahrbahnplatten ohne Querkraftbewehrung. Dabei werden Vorschläge erarbeitet, die mechanisch begründet und für die Bemessungspraxis geeignet sind. Zudem werden entsprechende Textvorschläge zur Aufnahme in Bauherrenregelungen formuliert.
Das Problem umfasst sowohl die Ermittlung der Beanspruchungen als auch des Tragwiderstands bei Querkraft von Fahrbahnplatten ohne Querkraftbewehrung. Beide Seiten, die Beanspruchung vEd und der Tragwiderstand vRd, stehen dabei in einer gewissen Abhängigkeit zueinander (z. B. auflagernahe Einzellasten, Interaktion Biegung/Querkraft, Kalibrierung des Bemessungsmodells, Betontraganteil Vccd).
Ziel des vorliegenden Projektes war die Entwicklung eines computerbasierten Trainings, das gewinnbringend in der Fahranfängervorbereitung eingesetzt werden kann sowie der empirische Wirksamkeitsnachweis dieser Lernanwendung.
Entwickelt und evaluiert wurde ein multimediales Lernangebot, das den Erwerb sicherheitsrelevanter Fahrkompetenzen unterstützen sollte. Im Fokus stand die Vermittlung von Teilkompetenzen, die bei Fahranfängern noch weniger gut entwickelt und daher unfallrelevant sein können. In diesem Zusammenhang erschien die Förderung von Gefahrenwahrnehmung und damit verbunden Teilfertigkeiten geeignet.
Die Erstellung der Lernanwendung erfolgte unter Berücksichtigung allgemein geltender Gestaltungsrichtlinien für multimediales Lehr-Lernmaterial. Zur Veranschaulichung kritischer Verkehrsszenen wurden dynamische Visualisierungen (Computeranimationen) eingesetzt. Konzeptionell basiert die entwickelte Lernanwendung auf einem Instruktionsdesignmodell, das explizit auf die Förderung komplexer Fertigkeiten ausgerichtet ist, dem Four-Component Instructional Design (4C/ID)-Modell.
Neben authentischen Lernaufgaben sowie Teilübungsaufgaben postuliert das 4C/ID-Modell Unterstützende und Prozedurale Lerninformationen als unverzichtbare Komponenten von Lernumgebungen zur Förderung komplexer Fertigkeiten. In zwei Studien wurden daher zunächst geeignete Lernszenarien zur Vermittlung von Gefahrenwahrnehmung identifiziert sowie einerseits überprüft, ob Unterstützende und Prozedurale Zusatzinformationen für den Erwerb von Gefahrenwahrnehmungsfähigkeiten notwendig sind und anderseits, wie diese Zusatzinformationen gestaltet sein sollten, um diese Kompetenzen optimal zu fördern.
Die Überprüfung der Lernwirksamkeit einer adaptiven sowie einer non-adaptiven Variante des entwickelten multimedialen Trainings erfolgte im Rahmen einer dritten Studie, in der u. a. verhaltensnahe Maße wie die Geschwindigkeitsregulierung im Fahrsimulator erfasst wurden.
Zur Einhaltung der Partikelemissionsgrenzwerte für Kraftfahrzeuge im Rahmen der Typprüfung nach Europäischer Verordnung (EG) 715/2007 werden von den Fahrzeugherstellern Partikelfilter (Dieselpartikelfilter (DPF)/Ottopartikelfilter (engl. Gasoline Particulate Filter = GPF)) ins Abgassystem der Fahrzeuge verbaut. Spätestens bei Erreichen einer kritischen Rußmasse im Filter muss eine Regeneration eingeleitet werden. Die Regeneration erfolgt durch Abbrennen des im Filter eingelagerten Rußes. Der Kohlenstoffanteil der Partikel oxidiert hierbei mit Sauerstoff oberhalb von ca. 600 °C zu Kohlendioxid. Die Regenerationsstrategie der Fahrzeuge variiert. Grundsätzlich wird zwischen periodischer (aktiver) und kontinuierlicher (passiver) Regeneration unterschieden. Bei Dieselkraftfahrzeugen wird fast ausschließlich die periodische Regeneration eingesetzt, bei Fahrzeugen mit Benzinmotor die kontinuierliche Regeneration.
Ziel des Forschungsprojektes ist es, die Fahrzeugemissionen während einer Partikelfilterregeneration zu messen und hinsichtlich ihrer Veränderung gegenüber eines Fahrbetriebs ohne Regeneration zu bewerten. Dazu werden von drei Diesel- und zwei Benzinfahrzeugen die Partikelfilter beladen und im Anschluss daran eine Regeneration durchgeführt, bei der sowohl die festen als auch die gasförmigen Abgasemissionen gemessen werden. Die festen Bestandteile des Abgases werden im Nachgang auf ihre ehemischen Elemente untersucht.
Bei den drei Dieselkraftfahrzeugen erfolgt die Beladung des DPF bis ca. 80 % bei einer Straßenfahrt. Im Anschluss wird das Fahrzeug auf dem Rollenprüfstand installiert und die Messtechnik angeschlossen. Die Messung der Emissionen während der DPF-Regeneration erfolgt in einem konstanten Motorbetriebspunkt bei einer simulierten Fahrt mit 80 km/h in der Ebene.
Die Auswertung der festen Bestandteile des Abgases zeigt, dass die gemittelten Partikelanzahlwerte während und nach einer DPF-Regeneration von ca. 1E+07 #/s um drei Zehnerpotenzen auf 1E+10 #/s steigen. Bei der Analyse der Gaskomponenten fällt auf, dass insbesondere unmittelbar vor der Regeneration die Gaskomponenten CO, THC, NOx, NO, NO2, NH3 und CH4, einen deutlichen Peak aufweisen, welcher dann mit Beginn der Regeneration wieder absinkt. Der Beginn kurz vor der Regeneration ist der Zeitpunkt, in dem das Motorsteuergerät die Abgastemperatur anhebt. In diesem Umschaltpunkt der Motorparameter werden kurzzeitig die deutlich erhöhten Emissionen der genannten Gaskomponenten gemessen. Die Gaskomponenten, welche bei allen Diesel-Prüffahrzeugen während der Regeneration einen signifikanten Anstieg aufwiesen, sind CO, NO und NOx. Der NO- bzw. NOx-Wert erhöht sich während der Regeneration im Mittel um Faktor 67- bzw. 95 zum gewählten Referenzwert. Der NO2-Wert erhöht sich im Mittel um den Faktor 2,5, der THC-Wert um den Faktor 5 und der SO2-Wert ist um Faktor 4 erhöht. Im Vergleich zum Referenzwert sind die Messwerte von NH3 und CH4 während der Regeneration grundsätzlich höher und die N2O-Konzentration niedriger.
Die Beladung des GPF bei den beiden Prüffahrzeugen mit Benzinmotor wird durch wiederholte Kaltstarts bei -15 °C durchgeführt. Die passive Regeneration erfolgt auf dem Rollenprüfstand durch wechselnden Last- und Schubbetrieb. Im Lastbetrieb werden zunächst die erforderlichen Abgastemperaturen von über 600 °C erzeugt, um daran anschließend im Schubbetrieb den erforderlichen Sauerstoffüberschuss sicherzustellen und eine passive Regeneration kontrolliert herbeizuführen.
Die Auswertung der Änderung der Emissionen, welche durch die passive Regeneration an den GPF hervorgerufen werden, wird durch die Anforderung eines dynamischen Messablaufes, welcher in Zyklen bei konstanter Geschwindigkeit mit unterschiedlicher Lastaufbringung erfolgt, erschwert. Bei der Partikelanzahl ist kein eindeutiger Trend erkennbar. Während bei einem Prüffahrzeug kein signifikanter Unterschied zwischen Regeneration und leerem GPF gemessen wurde, sind die PN-Emissionen bei dem zweiten Prüffahrzeug während der Regeneration erhöht. Die Analysen der Verläufe der Abgaskomponenten zeigen, dass alle erhöhten Emissionen außer NH3, HCHO und zum Teil NO während der Aufbringung der Last und nicht während des Schubbetriebes und somit der passiven Regeneration anstiegen. Die Änderungen der Mittelwerte aus der Regeneration sind im Vergleich zum leeren Filter deutlich geringer als die beim DPF der Dieselfahrzeuge.
Die chemische Analyse der festen Bestandteile ergab bei beiden Fahrzeugtypen keine Auffälligkeiten. Der überwiegende Teil der festen Abgasbestandteile ist Kohlenstoff.
Die Messungen der Dieselkraftfahrzeuge zeigten eindeutige und reproduzierbare Ergebnisse. Hier konnten durch die aktive Regeneration, die Phasen; Beladung, Regeneration und Filterkuchenaufbau in einem konstanten Motorbetriebspunkt abgegrenzt und die Veränderungen der Emissionen untersucht werden. Die Analyse der Messungen der Fahrzeuge mit Benzinmotoren zeigten kein eindeutiges Ergebnis. Dies ist zum einen auf die passive Regeneration zurückzuführen, welche keinen konstanten Motorbetriebspunkt ermöglicht. Dadurch überlagern dynamische Einflüsse das Ergebnis. Zum andern ist, bedingt durch die Verbrennung und Abgasnachbehandlung, die Rußmasse in einem GPF deutlich geringer als in einem DPF. Dadurch wird während der Regeneration weniger Ruß verbrannt und die Veränderung der Schadstoffe fällt geringer aus.
Deutschland ist ein Gebiet mit überwiegend niedriger Seismizität. Viele Anforderungen der aktuellen europäischen Erdbebennorm für Brücken DIN EN 1998-2 sind daher für eine sichere Auslegung von Brücken in Deutschland in dieser Art nicht angemessen, sodass deren vollständige Anwendung weder notwendig noch wirtschaftlich ist. In diesem Forschungsvorhaben wurde ein Konzept für eine vereinfachte Erdbebenauslegung für Straßenbrücken in Deutschland entwickelt. Die so ausgelegten Brücken erfüllen bei minimalem Aufwand in der Planungsphase alle notwendigen Anforderungen an Brücken aus DIN EN 1998-2.
Das Konzept ist für die Bemessung von Neubauten gedacht und beinhaltet vier Stufen:
I. keine Erdbebenauslegung notwendig;
II. vereinfachte Auslegungsregeln ohne explizite Erdbebenberechnung;
III. vereinfachte Erdbebenberechnung;
IV. Erdbebenbemessung nach DIN EN 1998-2 + NA.
Für jede Stufe ist in Abhängigkeit vom Brückentyp und der Überbaulänge eine maximal zulässige Erdbebenintensität definiert. Die Erdbebenintensität wird beschrieben als Produkt aus Bemessungs-Bodenbeschleunigung und Bodenfaktor ag·S.
Das Konzept ist ausgearbeitet für ein- und zweifeldrige Plattenbalkenbrücken in Stahlbeton, Spannbeton und Verbundbauweise, für ein- und zweifeldrige Plattenbrücken in Stahlbeton sowie für integrale Rahmenbrücken in Stahlbeton, Spannbeton und Verbundbauweise. Für diese Brückentypen und für verschiedene Parametervariationen wurden numerische Modelle erstellt, diese für gewöhnliche Lasten ausgelegt und anschließend das Tragverhalten unter Erdbeben mittels modalen Antwortspektrenverfahren untersucht. Die Auswertung erfolgte im Hinblick auf die Ausnutzung relevanter Zustandsgrößen unter Erdbeben im Verhältnis zu gewöhnlichen Lasten.
Die Ergebnisse der Untersuchungen wurden in Formulierungsvorschläge für Regelwerke überführt, die den Anwendungsbereich, Anforderungen an die Brückentypen, vereinfachte Auslegungsregeln sowie vereinfachte Berechnungsverfahren für Straßenbrücken in deutschen Erdbebengebieten enthalten.
Das Ziel dieses Projekts war die Konzeptionierung und der Bau abgeschlossener photokatalytischer Reaktoren (Tunnelkassetten), mit denen die Stickoxidbelastung im Tunnel „Rudower Höhe“ in Berlin in einem relevanten Maß von 15 % reduziert werden kann. Grundsätzlich teilte sich das Projekt in zwei Phasen auf, wobei in der Phase 1 ein geschlossenes System mit geeignetem Photokatalysator und Leuchtmittel entwickelt werden sollte. Im Rahmen des Projekts stellte sich heraus, dass sich für diese Fragestellung eine Tunnelkassette mit den Abmessungen 1,5 x 3 x 4 m³ sowie drei Lüftern mit einem Volumenstrom von je 1.500 m³/h geeignet zeigte. Zum photokatalytischen Abbau der Stickoxide dienen 13 mit einem Zement-Photoment-Gemisch beschichtete Schaumstoffmatten. Als Leuchtmittel eignen sich die Leuchtstoffröhren Philips Cleo Performance 80. Anhand von Simulationen zeigte sich, dass für eine Stickoxidreduktion von 15 % jeweils 50 Tunnelkassetten auf beiden Seiten am Ende des Tunnels installiert werden sollten.
Die Umsetzung dieser Ergebnisse war in Phase 2 des Projekts geplant. Aufgrund des Ausfalls eines Unterauftragnehmers, der für die Herstellung, den Einbau und den Betrieb der Tunnelkassetten verantwortlich war, konnte diese Phase jedoch lediglich in Ansätzen verwirklicht werden. So stellte die TU Berlin eigenständig eine Demonstrator-Tunnelkassette her, an der die Funktionalität durch einen längeren Testbetrieb nachgewiesen werden konnte. Bezüglich des Photokatalysators ergab sich jedoch die Problematik, dass diese infolge der Alterung geringere Abbauraten erreicht.
Als Grundlage für die Konzeption der Tunnelkassetten wurden zudem umfangreiche Messungen am Tunnel „Rudower Höhe“ vorgenommen. Labortechnische Bewertungen der photokatalytischen Materialien erfolgte an Messaufbauten nach DIN ISO 22197-1. Zudem wurde ein Reaktor speziell für die Abschätzung der Wirksamkeit der Tunnelmatten erarbeitet, der eine beidseitige Beleuchtung sowie eine Durchströmung erlaubt.
Dieser Bericht dokumentiert die Konzeption und Vorgehensweise zur Evaluierung sowie die Evaluierungsergebnisse unterschiedlicher Vorgehensweisen für die Herstellung von sicherheitsrelevanten Verkehrsinformationen basierend auf fahrzeuggenerierten Daten. Hierfür wurde ein interviewbasierter Ansatz gewählt, um Expertenmeinungen der Mitglieder des „EU Data Task Force - Data for Road Safety“ Projekts sowie deutscher Stakeholder aus dem Umfeld des Verkehrswarndienstes und der Straßenbetreiber zu erhalten.
Im Rahmen der Konzeptionsphase wurden verschiedene Vorgehensweisen für die Herstellung von sicherheitsrelevanten Verkehrsinformationen – angefangen bei der Anbindung von Fahrzeugdaten am OEM-Backend, bis hin zur Verfügbarmachung von Verkehrsmeldungen an Stakeholder – auf Basis der Gespräche mit DTF-Mitgliedern entwickelt. Damit die verschiedenen Vorgehensweisen evaluiert werden konnten, wurden Bewertungskriterien anhand der Anforderung von Straßenbetreibern, Landesmeldestellen und dem Rundfunk festgelegt.
In der Evaluierungsphase erfolgte die detaillierte Bewertung der verschiedenen Vorgehensweisen entlang der umfangreichen Liste an Bewertungskriterien aus den
vier Hauptaspekten Nutzen, Technologie, Organisation und Kosten. Um verschiedene strategische Positionierungen zu berücksichtigen, wurden vier Szenarien erstellt, die die Dimensionen Investment und Umsetzungshorizont abdecken. Die Szenarien beeinflussen die Gesamtbewertung durch individualisierte Gewichte auf jedem Bewertungskriterium. Zusätzlich zur Bewertung der Vorzüge wurden außerdem potenzielle Risiken identifiziert und hinsichtlich Schweregrad und Eintrittswahrscheinlichkeit für die verschiedenen Vorgehensweisen quantifiziert.
Abschließend wurden die Gesamtbewertungen der Vorgehensweisen verglichen und den verbundenen Risiken gegenübergestellt, um herausragende Lösungen zu identifizieren. Die besten Lösungen wurden im Detail hinsichtlich ihrer Stärken und Schwächen in jedem Szenario analysiert und in den Kontext der strategischen Entscheidung gesetzt.
Bei einem Anprall gegen ein ortsfestes Hindernis ist mit tiefen Intrusionen in den Fahrzeuginnenraum zu rechnen, die zu schwersten Verletzungen führen können. Untersuchungen haben gezeigt, dass Kollisionen mit künstlichen Hindernissen an der Fahrbahnseite, wie Gabelständer, Trimasten, zu 80 % frontal angeprallt werden.
Ziel des Forschungsprojektes war die Bewertung der passiven Sicherheit von Gabelständern und Trimasten, um anhand der Ergebnisse Empfehlungen für die Notwendigkeit einer Absicherung durch Schutzeinrichtungen zu erarbeiten.
Als Methode wurde ein Mix aus Realversuchen und Finiten Elemente Simulationen gewählt. Ausgangspunkt bildeten je zwei Validierungsversuche für den Gabelständer und Trimast. Aufbauend auf diesen Versuchen wurden Simulationsmodelle validiert. Die Simulationsmodelle wurden modifiziert und die Insassensicherheit nach Kriterien der EN 12767 bewertet. Wesentliche Kriterien waren der Index für die Schwere der Beschleunigung (ASI: Acceleration Severity Index) und die theoretische Anprallgeschwindigkeit des Kopfes (THIV: Theoretical Head Impact Velocity).
Der wesentliche Faktor zum Erreichen einer passiven Sicherheit wurde im Abreißen der Gurtrohre beim Anprall festgestellt. Ein Abreißen der Gurtrohre führt zum Unterschreiten der Grenzwerte für den ASI und THIV gemäß EN 12767. Von Bedeutung sind in diesem Zusammenhang der Gurtrohrdurchmesser und die Ausführung der Fußplatten. Fixierte Fußplatten begünstigen ein Abreißen der Gurtrohre und ein Unterschreiten der Grenzwerte für den ASI und insbesondere für den THIV.
Die Masthöhe, die Spreizung und das Schild selbst haben nur einen geringen Einfluss auf die beiden Kennwerte. Unterschiedliche Diagonalrohranordnungen, Schwächung der Gurtrohre oder Reduktion des Schweißnahtumfangs wirken sich positiv auf das Abreißen der Gurtrohre aus und führen zum Unterschreiten der Grenzwerte des ASI und THIV
Simulation des hochautomatisierten Fahrens auf Autobahnen mit kollektiver Streckenbeeinflussung
(2022)
Die meisten Streckenbeeinflussungsanlagen (SBA) in Deutschland basieren auf dem Merkblatt für die Ausstattung von Verkehrsrechner- und Unterzentralen (MARZ 99). Das darin beschriebene Steuerungsmodell wurde für die damaligen Verkehrsverhältnisse, die technischen Möglichkeiten der Sensorik, Aktorik und Übertragungstechniken sowie die damaligen Fahrzeugeigenschaften entwickelt. Der technische Fortschritt mit Fahrerassistenzsystemen und der zunehmenden Fahrzeugautomatisierung bis hin zu hochautomatisierten Fahrzeugen (HAF) werden in den verwendeten Steuerungsverfahren nicht ausreichend berücksichtigt. Es wird erwartet, dass zukünftig hochautomatisierte Fahrzeuge einen signifikanten Einfluss auf den Verkehrsablauf und damit wiederum Auswirkungen auf die Steuerungsalgorithmen und die Wirksamkeit der SBA haben werden.
Dieses Projekt hat zum Ziel, die Auswirkungen von hochautomatisierten Fahrzeugen auf die SBA-Steuerung zu untersuchen und mögliche Anpassungen des Steuerungsmodells zu erarbeiten. Nach einer Literaturrecherche zum Stand der Technik bezüglich Fahrzeugautomatisierung und der Wirkung bestehender Verkehrsbeeinflussungsanlagen werden zwei valide mikroskopische Simulationsmodelle für Strecken in Bayern und NRW erstellt. Anschließend werden die dortigen Unterzentralen softwaretechnisch abgebildet und an die Simulation angebunden. Um die Wirkung und Reaktion der Fahrzeuge auf die SBA in der Simulation abzubilden wird ein Wirkmodell aus Realdaten entwickelt und ebenfalls an die Simulation angeschlossen.
Gemeinsam mit den im Projekt beteiligten Straßenbetreibern werden Anforderungen an das Fahrzeugsteuerungsverhalten von automatisierten Fahrzeugen mit dem Ziel der Verkehrsflussoptimierung aus Betreibersicht definiert und in einem Fahrverhaltensmodell in der Simulation umgesetzt. Zudem werden zwei weitere Fahrzeugsteuerungsverhalten aufgestellt, um die Szenarien von progressivem bis konservativem Verhalten zu erfassen. Die drei Fahrverhaltensmodelle unterscheiden sich im Beschleunigungs- und Abstandsverhalten und werden jeweils mit unterschiedlichen Durchdringungsraten in der Simulation umgesetzt.
Geeignete Kenngrößen werden ausgewählt, um die Wirkungen auf den Verkehrsablauf in der Simulation zu erfassen. Die Auswirkungen werden für die verschiedenen Durchdringungsraten und Fahrverhaltensmodelle mit dem Nullfall (nur menschliche Fahrer) verglichen.
Basierend auf den Auswertungen werden Anforderungen an das Fahrverhalten von HAF sowie Anpassungen und Erweiterungen der SBA Steuerung diskutiert. Es werden Handlungsempfehlungen, die sich aus den einzelnen Maßnahmen für den Betrieb und die Steuerung von SBA und für die automatisierte Fahrzeugsteuerung ergeben, ermittelt und in einen zeitlichen Bezug gebracht.
Im vorliegenden Forschungsvorhaben wird das letztmalig im Jahre 2015 überarbeitete Bewertungssystem für die Nachhaltigkeitsbewertung von Straßeninfrastrukturen für den Einsatz im Rahmen der Bewertung von Streckenzügen zum Zeitpunkt der frühen Planungsphasen (Modul 1) weiterentwickelt. Der erforderliche Anpassungsbedarf wird dabei hauptsächlich aus den zu erwartenden Eingangsdaten, die bei einer Planung nach den RE 2012 vorliegen sollten, ermittelt. Zudem finden Erkenntnisse aus weiteren Forschungsprojekten der BASt, administrative und rechtliche Regelungen sowie weitere Richtlinien des einschlägigen Regelwerkes Berücksichtigung. Um die bisher etablierten Berechnungs- und Bewertungsmethoden prüfen und ggf. anpassen zu können, müssen in einem ersten Schritt sowohl der Begriff „Streckenzug“ wie auch die sechste Hauptkriteriengruppe, die Standortqualität, definiert werden. Mit der Weiterentwicklung der Bewertungsmatrix zur Bewertung der Nachhaltigkeitsaspekte von Streckenzügen wird der letzte Systembaustein zur Komplettierung des Bewertungssystems für Straßeninfrastrukturen erarbeitet.
Mit Abschluss des vorliegenden Projekts steht damit die Gesamtbewertung für die Bewertung von Streckenzügen in den Leistungsphasen 2 – 4 nach der HOAI zur Verfügung, welches zukünftig zur Entscheidungsfindung für die Festlegung einer Vorzugsvariante im Rahmen der Vorplanung (Lph 2) und der Ausgestaltung von Planungsdetails für die Vorzugsvariante im Rahmen der Entwurfsplanung (Lph 3) beitragen kann. Durch die zweistufige Bewertung nach den jeweiligen Leistungsphasen gewinnt die Bewertung einerseits an Transparenz und hebt andererseits sehr deutlich mögliche Hebelwirkungen hervor, die zur (politischen) Argumentation der gewählten Planungsvariante maßgeblich beitragen könnten.
Vorbereitung von Großversuchen an Stützkonstruktionen aus Gabionen – Einzelgabionen mit Steinfüllung
Gabionen haben sich in den letzten Jahren als kostengünstige Bauelemente für Stützkonstruktionen etabliert. Bisher existiert allerdings für Stützkonstruktionen aus Gabionen weder ein realitätsnahes rechnerisches Nachweisverfahren für die innere Standsicherheit eines Einzelelements noch ein definiertes Prüfverfahren für Belastungsversuche. Aus diesem Grund sollen die vorhandenen Regelwerke überarbeitet und angepasst werden.
Im vorliegenden Forschungsprojekt wurden sechs zentrische Belastungsversuche an 3-seitig gelagerten Gabionen durchgeführt. Die Einzelkörbe wurden analog zum häufigen Vorgehen auf einer Baustelle vor Ort befüllt und handgerichtet. Es wurden drei gleiche Versuche mit Lindlarer Grauwacke und 3 unterschiedliche Versuche mit Füllungen aus Granit durchgeführt. In diesem Bericht werden die Belastungsversuche, sowie das Deformationsverhalten der Gabionen beschrieben und analysiert.
Basierend auf den Ergebnissen des vorherigen Projektes F1100.2315000 „Vorbereitung von Großversuchen an Stützkonstruktionen aus Gabionen“ wurden die Erkenntnisse aus den Sandversuchen und die Messtechnik aus den bisherigen Versuchen übernommen.
Die Gabionen reagierten mit großer Verformung des Frontgitters auf die Belastung. Die Distanzhalter wirkten sich positiv auf die Stabilität der Gabione aus. Hohe Zugkräfte in den Distanzhaltern resultierten aus der horizontalen Deformation des Frontgitters und führten zum langsamen Aufbiegen der Distanzhalterhaken, bis diese schließlich versagten.
Eine höhere Steifigkeit der Gabione und somit niedrigere Verformungsraten lassen sich durch die Wahl eines festen, homogenen Füllmaterials mit hohem Reibungswinkel erzielen. Eine Verdichtung des Füllmaterials trägt ebenso dazu bei. Eine hohlraumarme Verfüllung, welche Materialumlagerungen in der Gabione unter Belastung verhindert, ist essentiell für die innere Standsicherheit.
Die Gabionen weisen ein plastisches Verformungsverhalten auf, wodurch ein eindeutiger Bruchpunkt in der Regel nicht vorliegt. Aus diesem Grund wurde für jeden Versuch eine Bruchfestigkeit aufgrund von anhaltender Deformation des Frontgitters und Stauchung der Gabione bzw. eines Aufbiegens der Distanzhalterhaken festgelegt. Für alle Gabionen wurden äquivalente Betondruckfestigkeiten ermittelt.
Die hier untersuchten Gabionen zeichneten sich insgesamt durch niedrige Bruchfestigkeiten aus.
Basierend auf den Erfahrungen aus den durchgeführten Belastungsprüfungen in diesem Forschungsprojekt wurden abschließend Empfehlungen zur Durchführung eines Prüfverfahrens für zentrische Belastungsprüfungen an 3-seitig gelagerten einzelnen Gabionen formuliert.
Straßenbegleitflächen können wertvolle Lebensräume für eine Vielzahl von Tier- und Pflanzenarten bieten und damit einen Beitrag zum Erhalt und der Förderung der Biodiversität leisten. Gleichzeitig kommen aber auch gebietsfremde Pflanzenarten (Neophyten) auf Straßenbegleitflächen vor und breiten sich bevorzugt entlang dieser aus. Einige dieser Arten können eine Gefahr für die Biodiversität darstellen, hohe ökonomische Kosten verursachen oder die menschliche Gesundheit gefährden.
Ziel der vorliegenden Untersuchung war eine Erhebung der Verbreitung von Neophyten, den auftretenden Problemen und gegebenenfalls bereits ergriffener Maßnahmen zu deren Kontrolle auf Begleitgrün der Bundesfernstraßen in Deutschland. Um eine verlässliche Einschätzung zu erhalten, wurde eine online-Umfrage entwickelt, die an die zuständigen Straßen- und Autobahnmeistereien der Bundesländer gerichtet wurde. Dabei wurden 12 Fragen zu 10 ausgewählten Neophyten gestellt. Die Rücklaufrate betrug über 40 %.
Laut der Angaben der Teilnehmer kommen die meisten der in der Umfrage aufgeführten Neophyten häufig auf Straßenbegleitflächen vor. Die beiden Arten, die laut der Umfrage am häufigsten vorkommen, die Herkulesstaude (Heracleum mantegazzianum) und der japanische Staudenknöterich (Fallopia japonica), verursachen auch die häufigsten Probleme in den Zuständigkeitsbereichen. Die Teilnehmer gaben an, dass die Herkulesstaude zu gesundheitlichen Problemen, der Staudenknöterich zu Sichtbehinderungen und beide Arten zu einem erhöhten Pflegeaufwand führen. Beide Arten werden in einem Großteil der Zuständigkeitsbereiche aktiv bekämpft. Die Herkulesstaude wird relativ erfolgreich durch manuelle oder chemische Maßnahmen beseitigt, während Maßnahmen gegen den Staudenknöterich größtenteils nicht erfolgreich sind. Auch Maßnahmen gegen die anderen aufgeführten Neophyten führen nur selten zu einer vollständigen und dauerhaften Beseitigung der Bestände.
Die Umfrage verdeutlicht, dass ein dringender Bedarf an Maßnahmen zur Kontrolle von Neophyten, vor allem des Staudenknöterichs, besteht. Auf Grundlage dieser Ergebnisse sollen effiziente Bekämpfungsmaßnahmen und Strategien zur Vermeidung der Einbringung und Ausbreitung von Neophyten entwickelt werden. Mittel- bis langfristig sollen diese zur (Kosten-)Entlastung bei der Unterhaltung bestehender und der Planung zukünftiger Infrastruktureinrichtungen führen.
Stand: 01.06.2022
Begutachtungsleitlinien zur Kraftfahreignung vom 27. Januar 2014 (Verkehrsblatt S. 110) Fassung vom 17.02.2021 (Verkehrsblatt S. 198), in Kraft getreten am 01.06.2022 mit der Fünfzehnten Verordnung zur Änderung der Fahrerlaubnis-Verordnung und an-derer straßenverkehrsrechtlicher Vorschriften (Bundesgesetzblatt Teil I Nr. 11 vom 25. März 2022)
Die Fahrausbildung fungiert als ein zentraler Bezugspunkt für alle anderen Maßnahmen der Fahranfängervorbereitung: Von ihr müssen die Impulse, die fachliche Orientierung und die Koordination für die Weiterentwicklung des Gesamtsystems der Fahranfängervorbereitung ausgehen. Die derzeitige Fahrausbildung kann diesem hohen Anspruch jedoch noch nicht gerecht werden. Ihr fehlen sowohl wichtige pädagogisch-psychologische Steuerungsinstrumente (z. B. Kompetenzrahmen inklusive Mindest-Ausbildungsinhalte, Ausbildungsplan, Evaluationskonzept) zur eigenen Qualitätssicherung als auch fachlich-strukturelle Voraussetzungen für die Realisierung von Aktivitäten zu ihrer Weiterentwicklung im Rahmen des Gesamtsystems der Fahranfängervorbereitung (z. B. eine Fachkommission).
Zur Behebung der genannten Defizite wurde im vorliegenden Projekt ein Konzept für die Optimierung der Fahrausbildung zum Erwerb einer Fahrerlaubnis der Klasse B erarbeitet. Den Kern dieses Konzepts bilden ein Kompetenzrahmen und ein Ausbildungsplan. Im Kompetenzrahmen wurden sowohl die für den Erwerb von Fahr- und Verkehrskompetenz erforderlichen Kompetenzen als auch die zugehörigen Kompetenzstandards und Mindest-Ausbildungsinhalte nach aktuellen wissenschaftlichen Maßstäben festgelegt. Auf dieser Grundlage wurden dann im Ausbildungsplan die zum Erwerb der Kompetenzen zu vermittelnden Mindest-Ausbildungsinhalte den verschiedenen Lehr-Lernformen (Selbständiges Theorielernen, Theorieunterricht, Fahrpraktische Ausbildung) unter inhaltlichen, pädagogisch-psychologischen und fachdidaktischen Gesichtspunkten zugeordnet und mit Blick auf den Lehr-Lernprozess zeitlich angeordnet. Darüber hinaus wurden im Rahmen des vorliegenden Projekts inhaltliche, methodische und mediale Gestaltungsempfehlungen für das Selbständige Theorielernen und den Theorieunterricht bereitgestellt. Schließlich wurden ein belastbarer Implementationsplan und ein geeignetes Evaluationskonzept beschrieben, mit dem die Lern- und Sicherheitswirksamkeit der optimierten Fahrausbildung noch in der Implementationsphase weiter erhöht (Formative Evaluation) und danach summarisch überprüft (Summative Evaluation) werden kann.
Die Anpassung von Bestandsbrücken für zukünftige Verkehrsbelastungen ist häufig mit der Veränderung oder Erneuerung der Fahrbahn verknüpft. Der geänderten Situation entsprechend sind statische Nachweise zur Tragsicherheit erforderlich. Die Nachrechnungsrichtlinie [1] für den Teil Mauerwerk soll mit der Nachrechnung bestehender Gewölbebrücken validiert, sowie auf den aktuellen Stand der computerunterstützten Nachweisführung angepasst werden.
Bei Bogenbrücken aus Mauerwerk und unbewehrtem Beton ist das sogenannte Stützlinienverfahren vorteilhaft anwendbar, da hiermit die Strukturnichtlinearität infolge der belastungsabhängigen Rissbildung mit klaffenden Fugen berücksichtigt wird.
Beim Nachweis von Mauerwerksstrukturen sind im Allgemeinen die drei folgenden Nichtlinearitäten zu berücksichtigen:
• Strukturnichtlinearität (klaffende Fugen)
• Geometrische Nichtlinearität (Knicken)
• Materialnichtlinearität („plastisches“ Verhalten von Mörtel)
Die Analyse nichtlinearer Aufgabenstellungen erfordert deshalb vertiefte Fachkenntnisse des Ingenieurs. Im Gegensatz zur linear-elastischen Berechnung sind hier Sensitivitätsuntersuchungen notwendig, damit sich die Einflüsse bestimmter Eingangswerte besser beurteilen lassen.
Das Baumaterial Mauerwerk lässt sich bei genauerer Analyse nicht mehr als elastisches Kontinuum abbilden, da sich die Struktur entsprechend der Einwirkungskombination durch Rissbildung mit sich öffnenden Fugen verändert. Mithilfe der Methode der finiten Elemente entsteht mit Einbau von Kontaktelementen zwischen den Fugenrändern der Steine das sogenannte Diskontinuumsmodell. Die verknüpften Kontaktelemente übertragen nur Druck- und Reibungskräfte. Dieses wichtige Detail ermöglicht die realitätsnahe Modellierung von Mauerwerk mit Rissbildung unter Laststeigerung.
Die Tragfähigkeit von Mauerwerk wird neben der Steindruckfestigkeit im Besonderen von der Steinzugfestigkeit bestimmt. Bei Bogenbrücken aus quaderförmigem Natursteinmauerwerk spielt wegen der verhältnismäßig geringen Fugendicke die Mörteldruckfestigkeit eine untergeordnete Rolle. In der aktuellen Normung wird vereinfachend auf der Widerstandsseite nur ein einziger Sicherheitsbeiwert Ƴm festgelegt. Zur rechnerischen Erschließung weiterer Tragreserven lassen sich aber auch die Einzelkomponenten auf der Widerstandsseite absichern.
1. Die Teilsicherheitsfaktoren basieren auf folgendem Nachweisprinzip:
Berechnung der Beanspruchung der Konstruktion über Spannungen mit Schnittgrößen (Stützlinie oder Stützfläche); Darstellung als Beanspruchungspfad
2. Ermittlung der Beanspruchbarkeit des Mauerwerks (Darstellung als Bemessungs-Traglastkurve)
3. Vergleich Beanspruchung ≤ Beanspruchbarkeit
Am Beispiel von fünf Gewölbebrücken aus Mauerwerk wird die Nachrechnungsrichtlinie für den Einsatz aktueller Rechentechnik und dem aktuellen Stand der Normung validiert. Im Zuge dieses Forschungsvorhabens sind für die praktikable Nachweisführung Vorschläge zur Aktualisierung der Richtlinie dokumentiert.
Dabei wurden folgende Parameter untersucht:
• Geometrie mit verschiedener Spannweite, Stichhöhe, Bogendicke, Kreisbögen mit konstantem und konischem Querschnittsverlauf vom Scheitel bis zum Kämpfer
• Steifigkeit der Bögen mit E-Modul für Mauerwerk
• Steifigkeit der Aufbauten als Auffüllung (Hinterfüllung)
• Laststellungen mit Lastverteilung in Querrichtung (mitwirkende Breite)
• Einwirkung aus Temperatur
• Mauerwerksart: Ziegel- Natursteinmauerwerk
• Mauerwerk verschiedener Festigkeiten
• Bemessungsfestigkeit aus Sicherheitskonzept
• Bemessungs-Tragfähigkeit unter ausmittiger Beanspruchung (Bemessungs-Traglastkurve)
Die Ausnutzungsgrade für die Nachweise wurden dokumentiert:
1. Grenzzustand der Tragfähigkeit (GZT)
• Ausnutzungsgrad für maßgebende Einwirkungskombination
• Ausweis der Tragreserve für eine mögliche Laststeigerung (faktorisierbare Lastbilder)
2. Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit (GZG)
• Nachweis, dass unter dem 1,0-fachen Lastmodell der Querschnitt rechnerisch nur bis zur Querschnittsmitte aufreißen (klaffen) darf, d.h. Resultierende der Beanspruchung mit Ausmitte bis zur 2. Kernweite (m ≤ 2)
• Nachweis, dass unter ständigen Einwirkungen der Querschnitt rechnerisch überdrückt ist, d. h. Resultierende der Beanspruchung mit Ausmitte bis zur 1. Kernweite (m ≤ 1)
Die Beispielbrücken ließen sich auf Grundlage der ergänzten Nachrechnungsrichtlinie nachweisen, wobei alle geforderten Grenzzustände eingehalten sind.
Für die rechnerische Dimensionierung der Betondecken im Oberbau von Verkehrsflächen für den Neubau sowie die Erneuerung nach RDO-Beton 09 ist die statische Spaltzugfestigkeit an der unteren und oberen Bohrkernscheibe entprechend der Vorgaben der AL Sp-Beton zu bestimmen. Aufgrund der unzureichenden Kenntnis der Präzision dieses Prüfverfahrens wurden, basierend auf dem Entwurf des FGSV-Merkblatts zur statistischen Auswertung von Prüfergebnissen, mit einem breit aufgestellten Ringversuch die statistischen Kennwerte an Labor- und Bestandsbetonen unter Vergleich- und Wiederholbedingungen ermittelt. Zur möglichst guten statistischen Absicherung nahmen an dem Ringversuch dreizehn erfahrene Prüfstellen teil, die vorab einem Audit unterzogen wurden. Zur Abdeckung des vielschichtigen Einsatzes des Prüfverfahrens erfolgte der Ringversuch an acht Prüflosen, die sowohl die Erst-/ Eignungsprüfung und Übereinstimmungskontrolle bei Neubaumaßnahmen, als auch die Restsubstanzbewertung von Betonfahrbahnplatten berücksichtigen. Zur Bewertung des Materialeinflusses wurde zusätzlich ein Prüflos mit Labormörtel untersucht.
Die Probenvorbereitung erfolgte zentral an der BAM. Zur Sicherstellung einheitlicher Prüfbedingungen bei den Prüfstellen wurde zusätzlich eine detaillierte Standardarbeitsanweisung erarbeitet, die partiell bereits Eingang in das Normenwerk gefunden hat. Bei der Plausibilitätsprüfung aller prüflosspezifischen Einzelwerte der Spaltzug- und Druckfestigkeit wurden vereinzelt sowohl Ausführungsfehler als auch Übertragungs- und Tippfehler festgestellt. Der sich anschließende Lilliefors-Test zeigt, dass die ermittelten Einzelwerte bis auf wenige Ausnahmen normalverteilt sind und damit die Voraussetzungen für die statistische Auswertung gegeben sind.
Mittels grafischer Darstellung der Mandel’s h- und k-Werte wurden die Auffälligkeiten hinsichtlich der Mittelwerte und Varianzen prüflosspezifisch für die einzelnen Prüfstellen visualisiert und anschließend einige von ihnen mittels Grubbs- und Cochran-Test als Ausreißer identifiziert. Nach Ausreißerelimination wurde mit dem klassischen Verfahren bei der Spaltzugfestigkeit der geringste Variationskoeffizient unter Vergleich- und Wiederholbedingungen bei der Erst-/Eignungsprüfung mit 6,2 und 6,4 % ermittelt. Bei einer Verminderung des Materialein-flusses durch die Verwendung eines Labormörtels verbessern sich die statistischen Kennwerte auf 4,5 und 5,3 %. Mit 8,2 und 9,5 % bzw. 8,6 und 9,5 % werden bei der Restsubstanz-bewertung von Wasch- und Unterbetonen die höchsten Werte bestimmt.
Das robuste Auswerteverfahren (ohne Eliminierung der Ausreißer) nach dem Entwurf des FGSV-Merkblatts zur statistischen Auswertung von Prüfergebnissen erwies sich in der Form als ungeeignet und bedurfte einer Überarbeitung. Bezüglich der vergleichend mit klassischen und robusten Verfahren gewonnenen Kennwerte ist festzustellen, dass bei sehr homogenen Messergebnissen eines Prüfloses beide Verfahren nahezu die gleichen statistischen Kennwerte liefern. Bei der Eliminierung von Ausreißern sind die Ergebnisse des robusten Verfahrens in der Regel etwas größer als die des klassischen Verfahrens.
Die begleitenden vertiefenden Untersuchungen bei der Spaltzugprüfung mit innovativen Prüftechniken lieferten wertvolle Erkenntnisse zur Bewertung der Prüfeinflüsse.
Das vorliegende Forschungsprojekt hat die Zielsetzung, eine breite Datengrundlage zur Nutzung von Mobiltelefonen durch Fahrradfahrende zu schaffen. Dabei soll zum einen die Nutzungshäufigkeit von Mobiltelefonen beim Radfahren ermittelt sowie vertiefende Erkenntnisse zu Nutzungsarten, Motiven und Merkmalen der Nutzer gewonnen werden, auf deren Basis sich Empfehlungen für die (zielgruppenspezifische) Gestaltung von Verkehrssicherheitsmaßnahmen für Radfahrende ableiten lassen. Zur Ermittlung dieser Aspekte wurden Beobachtungen im Straßenverkehr zur Mobiltelefonnutzung bei Fahrradfahrenden (N = 5.382), eine Online-Befragung (N = 2.844) sowie Interviews mit Radfahrenden im Straßenverkehr (N = 309) durchgeführt.
Jeder zehnte bis sechste Radfahrende – je nach Erhebungsmethode – nutzt das Mobiltelefon während der Fahrt. Bei den Nutzungsarten dominiert die passive Nutzung des Mobiltelefons wie v. a. das Musikhören. Die Häufigkeit von anderen Nutzungsarten, die sich allesamt als aktive Nutzung klassifizieren lassen, fällt in der Beobachtung zum Teil deutlich niedriger aus als in den Befragungen. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass in einer Beobachtung eine Punktprävalenz erfasst wird, d. h. ob ein bestimmtes Verhalten genau zum Beobachtungszeitpunkt ausgeführt wurde. Demnach wurde insgesamt nur 1,3 % aktive Nutzung (manuelle Bedienung, telefonieren, blicken) beobachtet. Hingegen wird bei den Befragungen ein Verhalten innerhalb eines bestimmten Zeitraums erfragt (Periodenprävalenz) und die Nutzungsart kann differenzierter ermittelt werden. Hier liegt die angegebene Häufigkeit einer aktiven Mobiltelefonnutzung während des Fahrradfahrens deutlich höher: Vergleichsweise häufig wird es zum Navigieren genutzt oder ein Blick auf das Display geworfen. Das Mobiltelefon wird häufiger für schriftliche Kommunikation (Lesen und Schreiben von Nachrichten) genutzt als zum Telefonieren. Wird auf dem Fahrrad telefoniert, so werden Anrufe häufiger entgegengenommen als selbst getätigt.
Insbesondere männliche und jüngere Radfahrende nutzen das Mobiltelefon häufiger. Auch Überzeugungen und Einstellungen spielen eine Rolle für die Mobiltelefonnutzung beim Radfahren, wie etwa eine hohe Handlungskompetenzerwartung, eine starke Bindung an das Mobiltelefon und eine positive Einstellung zum Mobiltelefonieren beim Radfahren. Wenn das Mobiltelefon während des Radfahrens aktiv genutzt wird, so erfolgt dies überwiegend mit dem Telefon in der Hand. Lediglich zu Navigationszwecken wird mitunter eine Halterung verwendet. Vorrangig wird das Mobiltelefon beim Radfahren aktiv genutzt, um Informationen zu beschaffen oder Absprachen zu treffen, bei der Nutzung zum Musikhören dominieren dagegen die Motive Spaß und Gewohnheit. Viele Radfahrende wissen zwar, dass es eine rechtliche Regelung zur Mobiltelefonnutzung auf dem Fahrrad gibt, können diese jedoch nicht korrekt benennen. Generell passen Fahrradfahrende ihr Verhalten eigenen Angaben zufolge selten explizit an, um Beeinträchtigungen durch die Mobiltelefonbenutzung auszugleichen (kompensatorisches Verhalten). Wenn konkrete Verhaltensanpassungen erfolgen, fahren die Radfahrende langsamer, erhöhen den Abstand oder bemühen sich um eine höhere visuelle Aufmerksamkeit. Fahrfehler und kritische Situationen werden von Radfahrenden in einem nennenswerten Ausmaß berichtet, es können in dieser Studie aus methodischen Gründen jedoch keine eindeutigen Zusammenhänge zwischen der Mobiltelefonnutzung und dem Auftreten kritischer Situationen bzw. Fahrfehlern nachgewiesen werden.
Ansatzpunkte für Verkehrssicherheitsmaßnahmen werden generell in der Förderung regelkonformen und sicherheitszuträglichen Verhaltens von Fahrradfahrenden gesehen. Zum einen gilt es, die geltenden rechtlichen Regelungen besser bekannt zu machen und zum anderen, die Radfahrenden für die Gefahren der Smartphonenutzung zu sensibilisieren sowie Tipps zur legalen und sicheren Nutzung des Mobiltelefons an die Hand zu geben. Aufklärungs- und Informationsmaßnahmen sollten sowohl auf die Gesamtgruppe der Radfahrenden als auch auf bestimmte Subgruppen von Radfahrenden abzielen. Für eine spezifischere Adressierung würden vor allem jüngere und männliche Radfahrende in Frage kommen sowie Vielfahrende und Radfahrende, deren Einstellungen zur Mobiltelefonnutzung auf dem Fahrrad positiv sind.
Jahresbericht 2021
(2022)
Im Jahresbericht 2021 präsentiert die BASt eine Auswahl von Forschungsaktivitäten des Jahres 2021.
In fast 40 Beiträgen werden Projekte aus 5 Fachbereichen vorgestellt. Das Themenspektrum reicht von digitalen Transformationen im Brücken- und Ingenieurbau über nachhaltigen, klimaresistenten Straßenbau, effiziente, ökologische und digitale Verkehrstechnik bis hin zur automatisierten, umweltbewussten Fahrzeugtechnik sowie zur Sicherheit aller, die am Verkehr teilnehmen.
Schlaglichter sowie Zahlen und Fakten in kurzer und knapper Form ergänzen den Bericht.
Das Bundesfernstraßennetz ist verschiedenen Herausforderungen wie u.a. das gesteigerte Verkehrsaufkommen und die hohe Altersstruktur der Bauwerke ausgesetzt. Aktuell basiert das Erhaltungsmanagement von Brücken auf regelmäßigen Bauwerksinspektionen, die weitestgehend aus einer visuellen Bewertung bestehen. Um den derzeitigen Herausforderungen adäquat zu begegnen sowie vorausschauend handeln zu können, müssen neue, effektive und effiziente Lösungen gefunden werden. Daher hat die BASt 2011 den Forschungsschwerpunkt „Intelligente Brücke“ ins Leben gerufen. Unter Verwendung digitaler Technologien und Methoden wurde damit eine Grundlage für ein prädiktives Erhaltungsmanagement geschaffen, welches Bauwerkseigentümer bei der Gewährleistung der Sicherheit, Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit ihrer Bauwerke unterstützen soll.
Im Rahmen dieses Berichts wurden die relevanten zumeist konzeptionellen Arbeiten aus den Jahren 2011 bis 2020 zusammengestellt. Der Fokus liegt dabei auf den Aspekten Datenerfassung, -aufbereitung, -analyse und -bewertung, -management sowie Qualitätssicherung. Die erfolgten Arbeiten bilden die Grundlage für die Realisierung verschiedener Reallabore, in denen ausgewählte Entwicklungen und Forschungsansätze an Bauwerken unter realen Bedingungen erprobt, bewertet und weiterentwickelt werden.
Das Reallabor „Intelligente Brücke im Digitalen Testfeld Autobahn“ wird in diesem Bericht im Detail vorgestellt und die eingesetzten Systeme hinsichtlich ihrer Praxistauglichkeit und Dauerhaftigkeit beurteilt.
Bei dem Bauwerk handelt es sich um eine vierfeldrige Spannbeton-Hohlkastenbrücke, die mit den vier Messsytemen „Brückenkennwerte“, „drahtloses Sensornetzwerk“, „instrumentierte Lager“ und „instrumentierter Fahrbahnübergang“ ausgestattet ist. Über einen Zeitraum von 5 Jahren erfolgen an dem Reallabor Forschungsprojekte, mit dem Ziel, die Messsysteme im Zusammenhang zu Demonstrieren und Verfahren zur zuverlässigen Erfassung und automatisierten Auswertung sowie eine Webanwendung zur Publikation der Ergebnisse zu entwickeln. Damit stehen Informationen zu Verkehr, Wetter- und Klimaeinflüssen, bauteil- und bauwerksbezogene Kennwerte zur Verfügung.
Durch die kontinuierlichen Erkenntnisse zu Einwirkungen und Status des Bauwerks und der instrumentierten Bauteile kann der Betreiber der Brücke unterstützt werden. Die im Rahmen des Reallabors „Intelligente Brücke im Digitalen Testfeld Autobahn“ gewonnenen Erkenntnisse und Erfahrungen schaffen eine wichtige Grundlage für die Konzeption weiterer Reallabore.
Anhand von Reallaboren werden kontinuierlich Realdaten generiert, die als Grundlage für weitere Forschung dienen können im Hinblick auf u.a. die Verifizierung von Systemannahmen, Überprüfung und Kalibrierung von Ingenieurmodellen sowie die Weiterentwicklung von datenbasierten Algorithmen. Darüber hinaus bieten Reallabore optimale Bedingungen zur Erprobung und Weiterentwicklung von praxistauglichen und zuverlässigen Innovationen.
Deutschland verfügt über eine gut ausgebaute Infrastruktur. Deutschland ist auch ein hochfrequentiertes Transitland. Der Verkehr allgemein und der Straßenverkehr insbesondere sind relevante Wirtschaftsfaktoren.
Die kontinuierliche Schaffung und Erhaltung eines Netzes von Ingenieurbauwerken im Verkehrssystem Straße sind Ziele des verschiedener Management Systeme. Die Systeme leben von den vorhandenen Daten. Hierzu zählen Daten des Verkehrs und Daten des Status des Bauwerkes.
Im Rahmen des Nationalen Innovationsprogramms „Straße im 21. Jahrhundert“ des Bundesministeriums (BMVI) wurden Forschungsvorhaben gefördert, die sich u. a. mit der Entwicklung neuer Konzepte und Technologien zur Bereitstellung solcher Datenbestände befassen.
Alle bisherigen Forschungs- und Praxisprojekte betrafen Bestandsbrücken und verfolgten das Ziel eines objektspezifischen Verkehrslastmodells bzw. einer Überwachung eines vorhandenen Schadens.
Eine Weiterentwicklung des Einsatzes für Brücken von Beginn der Verkehrsfreigabe für einen weiteren Dauerbetrieb fehlt (national und international).
Mit der Pilotstudie „Intelligente Brücke im Digitalen Testfeld Autobahn sollen gemäß einer Konzeption der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) die bisherigen Entwicklungen des BASt-Forschungscluster „Intelligente Brücke“ umfänglich demonstriert und damit bundesweit zugänglich gemacht werden.
Zu diesem Zweck hat die Bayerische Straßenbauverwaltung im Rahmen des vom Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI) geplanten Digitalen Testfeldes Autobahn das Bauwerk BW402e im Bereich des AK Nürnberg, Richtungsfahrbahn Regensburg (Verbindungsrampe A3 zur A9) zum Ausbau zur intelligenten Brücke vorgesehen. Die Brücke ist ein Neubau.
Im Fokus der „Intelligenten Brücke im Digitalen Testfeld Autobahn“ stehen die Schwerpunkte „Einwirkungsüberwachung und Analyse“, „Intelligente Fahrbahnübergänge und Lager“ sowie „Intelligente Sensornetze“.
Den Kern der „Intelligenten Brücke im Digitalen Testfeld Autobahn“ bilden die Messsysteme neben der Datenanalyse, Bewertung und Visualisierung von Ergebnissen sowie dem Datenmanagement.
Im Bauwerk 402e am Autobahnkreuz Nürnberg sind fünf verschiedene Messsysteme installiert. Dabei sind konventionelle Systeme und Systeme in Erprobung kombiniert.
Die unterschiedlichen Systeme, die unabhängig voneinander entwickelt wurden, dienen so einem gemeinsamen Ziel, gestatten Referenzen und einem ganzheitlichen Erfahrungsgewinn.
Der vorliegende Schlussbericht dokumentiert in diesem Gesamtkontext die Bearbeitung des Forschungsprojektes „Digitales Testfeld Autobahn - Intelligente Brücke - Synchronisation von Sensorik und automatisierte Auswertung von Messdaten“.
Im Rahmen der Bearbeitung werden vorhandene Algorithmen und Methoden angewendeten und weiterentwickelt, um aus den Messdaten sowohl die Erkennung von überfahrenden Fahrzeugen zu realisieren als auch Kennwerte des Status des Bauwerkes zu ermitteln. Wesentlicher Projektschwerpunkt ist dabei die Realisierung der vollständig automatisierten Datenauswertung, Datenaufbereitung und Datenpublikation vor Ort.
Die Messdaten für diese Auswertungen stammen dabei aus dem Messsystem an der Brücke, am Lager und am Fahrbahnübergang. Daten aus den anderen Messsystemen werden als Referenzquellen herangezogen. Aus diesem Ansatz heraus ist die zeitliche Synchronisation von Messdaten aus verschiedenen, heterogenen Systemen ein zusätzlicher Schwerpunkt des Projektes.
Ein weiterer Schwerpunkt ist die Erprobung und Weiterentwicklung des drahtlosen Sensornetzes. Auch hieraus können Referenzdaten für die anderen Systeme gewonnen werden.
Alle erfassten und aufbereiteten Daten müssen systematisch gehalten, gesichert und publiziert werden. Diese Anforderungen bilden einen weiteren Schwerpunkt der Projektbearbeitung. Die Entwicklung einer Web-basierten Ergebnispublikation ist dabei eine wesentliche Zielstellung.