Der Nachweis ausreichender Ermüdungssicherheit wird bei der Bemessung von Stahl- und Stahlverbundbrücken nach Eurocode auf Grundlage des Ermüdungslastmodells ELM 3 nach DIN EN 1991-2 geführt, in Kombination mit Schadensäquivalenzfaktoren nach DIN EN 1993-2 und DIN EN 1994-2. Die bisherige Definition der Schadensäquivalenzfaktoren nach DIN EN 1993-2 erfolgt auf der Grundlage der Untersuchungen von Merzenich und Sedlacek (1995), deren Referenz die Verkehrsdaten des Auxerre-Verkehrs von 1984 sind. Im Gegensatz zur Anpassung des LM1 sind die λ-Faktoren unumgänglich macht, um die Zukunftssicherheit neuer Brücken nicht zu gefährden. Der vorliegende Forschungsbericht behandelt daher die Neu-Kalibrierung der Schadensäquivalenzfaktoren des ELM 3 für die Bemessung von Stahl- und Stahlverbundbrücken. Dazu werden Verkehrslastsimulationen in einer systematischen Analyse für verschiedene Tragsysteme durchgeführt, entsprechend einem weiten Spektrum an Brücken. Weiterhin werden unterschiedliche Prognose-Szenarien eines möglichen zukünftigen Verkehrs untersucht, basierend auf einer Analyse der bisherigen Verkehrsentwicklung und verfügbaren Verkehrsprognosen. Die Prognose-Szenarien sind aus heutiger Sicht als konservativ einzustufen und stellen weiterhin nur eine Auswahl von vielen Möglichkeiten dar, da die zukünftige Entwicklung des Verkehrs nur bedingt realistisch abbildbar ist. Angesichts dieser Vielzahl an Möglichkeiten und der langen Nutzungsdauer von Brücken garantiert jedoch der Ansatz etwas konservativer Verkehrsszenarien langfristig die Wirtschaftlichkeit der Brückeninfrastruktur. Zu betonen ist, dass die zugrundeliegenden Prognose-Szenarien eines möglichen zukünfti-gen Verkehrs mit der Annahme verknüpft sind, dass diese frühestens in 50 Jahren eintre-ten. Wesentlich ist in diesem Zusammenhang, dass ein entsprechender Anstieg des Ver-kehrs, bspw. durch Erhöhung zulässiger Gesamtgewichte oder Achslasten, in naher Zukunft auszuschließen ist. Im Ergebnis zeigen die betrachteten Beispielbrücken infolge der abgeleiteten λ-Faktorenein im Regelfall erhöhtes Auslastungsniveau der unterschiedlichen Ermüdungs-nachweise. Es ist jedoch festzuhalten, dass der Ermüdungsnachweis für diese nach heutiger Normengeneration dimensionierten Stahl- und Stahlverbundbrücken dennoch im Großteil der untersuchten Fälle erfüllt werden kann. Für das untergeordnete Straßennetz ermög-licht der hier entwickelte Vorschlag auch eine Reduzierung der rechnerisch anzusetzen-den Ermüdungsbeanspruchung. Dies wird erreicht durch eine abgestufte Betrachtung der Verkehrsart in analoger Form, wie dies bisher auch für Stahlbeton- und Spannbetonbrücken möglich ist. Dies führt zu einer Harmonisierung des Nachweiskonzeptes für beide Bauarten. Der Nutzen des Projekts liegt in der Erarbeitung sowohl zukunftssicherer als auch entsprechend abgestufter Ermüdungslastmodelle für den Neubau von Stahl- und Stahlverbund-brücken als Grundlage für die nächste Normengeneration DIN EN 1993-2 inkl. DIN EN 1993-2/NA bzw. DIN EN 1994-2 inkl. DIN EN 1994-2/NA.

Die Verkehrsinfrastruktur der Bundesrepublik hat eine essenzielle Bedeutung für den Wirtschaftsstandort Deutschland. Im Besonderen gilt dies für die Straßeninfrastruktur. Der Erhalt sowie der Ausbau des Straßennetzes, vor allem der Bundesfernstraßen, wird in den kommenden Jahren die Bundesrepublik Deutschland vor enorme Herausforderungen stellen, insbesondere vor dem Hintergrund zunehmender wetterbedingter Naturkatastrophen infolge von Starkregen und Sturzfluten, Überschwemmungen, Dürren und Hitze sowie Stürmen. Die Schadensanfälligkeit der Verkehrsinfrastruktur infolge von Starkregen- und Hochwasserereignissen ist von zahlreichen baulichen Parametern der Straße wie auch der Straßenausstattung und den damit verbundenen Inhomogenitäten der verwendeten Materialien und Bauweisen sowie der Art der Hochwassereinwirkung und der Gestaltung des umliegenden Geländes abhängig. Aus dem Zusammenwirken der unterschiedlichen Einflussgrößen resultieren unterschiedliche Ursache-Wirkungs-Mechanismen und somit auch unterschiedliche Gefährdungspotentiale. Um besonders risikobasierte Straßen, Gebiete und Regionen zu identifizieren, müssen somit vorab Ursache-Wirkungs-Mechanismen grundsätzlich verstanden werden. Dies ist außerdem essentielle Voraussetzung, um bestehende und künftige Verkehrsinfrastruktur an bestehende und künftige Herausforderungen hinsichtlich Klimawandel und Extremwetterereignisse anzupassen und geeignete Maßnahmen und Handlungsempfehlungen für eine klimaresiliente Verkehrsinfrastruktur bereitzustellen. Um der Notwendigkeit gerecht zu werden, eine klimaresiliente Verkehrsinfrastruktur zu gewährleisten, hat sich das Forschungsvorhaben zunächst zum Ziel gesetzt, Schäden, die infolge der Hochwasserkatastrophe im Juli 2021 an Bundesfernstraßen in Nordrhein-Westfalen und Rheinland-Pfalz entstanden sind, zu analysieren und erste Handlungsempfehlungen für klimaadaptierte Bauweisen bereitzustellen. Hierfür erfolgte zunächst eine Sammlung und Sichtung verfügbarer Unterlagen zu festgestellten Schäden, wie Berichte, Bilder oder Ähnliches. Im Weiteren wurden die einzelnen Schäden dokumentiert und klassifiziert, bevor im Anschluss fünf unterschiedlich klassifizierte Schadensfälle für eine differenzierte Analyse und Bewertung in Absprache mit dem Auftragnehmer ausgewählt wurden. Die Datengrundlage für die fünf Schadensfälle wurde anschließend durch Umfeld- und Ereignisdaten ergänzt. Unter Einbeziehung aller verfügbaren Informationen wurden nachfolgend Finite-Volumen- und Finite-Elemente-Modelle erstellt, um hydronumerische und strukturmechanische Berechnungen für verschiedene Belastungsszenarien durchzuführen. Auf Grundlage der verfügbaren Daten und der Ergebnisse der numerischen Berechnungen konnten für die fünf differenziert betrachteten Schadensfälle Ursache-Wirkungs-Mechanismen abgeleitet werden. Abschließend wurden Handlungsempfehlungen und Maßnahmen zur Gewährleistung einer klimaresilienten Verkehrsinfrastruktur bereitgestellt und diskutiert.

Als Konsequenz der Festlegung eines neuen Grenzwerts für Asphaltdämpfe und Aerosole beim Einbau von Asphaltmischgut muss neben technischen Lösungen am Asphaltfertiger (Absaugreinrichtung) auch der Asphaltmischguteinbau temperaturabgesenkt erfolgen. Dabei muss sichergestellt werden, dass eine Temperaturabsenkung die mechanische und funktionale Qualität sowie das Gebrauchsverhalten und die Dauerhaftigkeit des hergestellten Asphaltmischguts nicht gefährdet. Mit diesem Forschungsprojekt wurde das Ziel verfolgt, für Zusätze und Technologien zur Herstellung von Temperaturabgesenkten Asphalten (TA-Asphalte) jeglicher Art, einen einheitlichen Nachweis der Temperaturabsenkung im Labor zu entwickeln. Dazu wurden Probekörper bei unterschiedlichen Temperaturen mit erhöhter Verdichtungsenergie hergestellt. Die dabei berechneten Raumdichten wurden funktional beschrieben (Verdichtungsfunktion), so dass für eine übliche Verdichtungsenergie die mögliche, abgesenkte Verdichtungstemperatur und/oder für eine gewünschte Temperatur die benötigte Verdichtungsenergie ermittelt werden konnte. Zum Nachweis dieses Vorgehens wurden die relevanten Technologien zur Herstellung von TA Asphalten bezogen auf ihre Wirkungsweise untersucht: Grenzflächenaktive Zusätze, Rheologie bzw. Reaktivmodifizierende Zusätze, Mineralische Zusätze (Zeolith), die Schaumbitumen-Technologie und teilweise die bereits bewährten Viskositätsverändernden Zusätze (VVZ). Zunächst wurde das Vorgehen an einem Asphaltmischgut für Asphaltdeckschichten der Sorte AC 11 D S mit 5 temperaturabsenkenden Zusätzen / Verfahren sowohl mit dem Marshall-Verdichtungsgerät, als auch mit dem Walzsektor-Verdichtungsgerät und dem Gyrator überprüft. Zusätzlich wurde der Verformungswiderstand mittels Druck-Schwellversuchen an den hergestellten Probekörpern bewertet. Während des Mischprozesses konnte anhand des Drehmoments im Labormischer nachgewiesen werden, dass TA-Asphalte geringere Mischarbeiten benötigen. Das Marshall-Verdichtungsgerät erwies sich als geeignetes Verdichtungsverfahren mit einer guten Spreizung bzgl. der Verdichtungstemperaturen, den geringsten Streumaßen und als technisch günstig und einfach in der Handhabung. Die damit temperaturabgesenkt hergestellten Probekörper waren bzgl. des Verformungswiderstandes unauffällig. Ein Ausschlusskriterium konnte für kein Verdichtungsgerät gefunden werden. Die Validierung des Vorgehens erfolgte an weiteren vier Asphaltmischgutsorten, welche in Fachkreisen teilweise als kritisch für die Temperaturabsenkung angesehen werden: SMA 8 S, AC 11 D S (mit 20 % Asphaltgranulat (AG)), SMA 16 B S (mit 30 % AG) und AC 32 T S (mit 60 % AG). Für jede Asphaltmischgutsorte wurden 3 Varianten hergestellt: Neben der Referenzvariante zwei temperaturabgesenkte Varianten, wobei als oberflächenaktive Zusätze jeweils Produkte unterschiedlicher Hersteller eingesetzt wurden. Die temperaturabsenkende Wirkung wurde mit allen Zusätzen / Verfahren und an allen Asphaltmischgutsorten nachgewiesen und funktional beschrieben. Es wurde festgestellt, dass die Kombination von Asphaltmischgutart/-sorte und TA-Technologie im Labor optimiert werden muss, so ist zum Beispiel eine Zugabe der Zusätze ohne Optimierung der Zugabemenge nur bedingt zielführend. Diese Optimierung war nicht Gegenstand dieses Projekts. Der Einsatz von Zeolith in Kombination mit Splittmastixasphalten war im Projekt problemlos möglich, zeigte jedoch keine Vorteile bzgl. der Temperaturabsenkung. Weiterhin wurde für das Asphaltmischgut für Asphalttragschichten der Sorte AC 32 T S die Wirkung der Temperaturabsenkung sowohl mit Zeolith, als auch mit dem grenzflächenaktiven Zusatz nachgewiesen. Aufgrund der hier eingesetzten Materialien trat der Effekt jedoch erst bei einer Temperaturreduzierung von >10 °C auf. Die Überprüfung der Streumaße für die Raumdichten der Marshall-Probekörper zeigte, dass keine übermäßigen Streuungen aufgrund der Zusätze / Verfahren auftraten. Auch erwiesen sich die temperaturabsenkenden Zusätze / Verfahren als unproblematisch bzgl. des Verformungswiderstands. Insgesamt kann mit dem hier vorgestellten und überprüften einheitlichen Vorgehen zur Herstellung von Probekörpern im Labor für unterschiedlichste TA-Technologien ihr Potential beschrieben werden, ohne signifikante negative Auswirkungen bzgl. der Performance oder der Reproduzierbarkeit erwarten zu müssen.

Das vorliegende Projekt untersucht den Ansatz, dass die NOx-Emissionen im laufenden Betrieb von in den Fahrzeugen verbauten Sensoren erfasst werden und zu dem innerhalb des ebenfalls im Betrieb erfassten Kraftstoffverbrauch in Relation gesetzt werden können. Innerhalb dieses Projekts wurden acht Dieselfahrzeuge (1 Diesel mild Hybrid), drei Ottofahrzeuge (1 Otto mild Hybrid, 1 Otto Hybrid) untersucht, um die als QNOx bezeichnete Methode weiterzuentwickeln. Alle Fahrzeuge entsprachen mindestens der Emissionsklasse Euro 6d-Temp. Die Messungen fanden je Fahrzeug über insgesamt 1000 km Laufleistung statt, wobei rund 700 km im Serienzustand unter normalen Betriebsbedingungen und rund 100 km unter extremen Fahrbedingungen absolviert wurden, bei denen man hohe NOx-Emissionen je kg Kraftstoff erwartete. Jeweils 200 km wurden mit einem verbauten Fehler an der Abgasnachbehandlung, welcher zu erhöhten NOx-Emissionen führen sollte, durchgeführt. Die für die QNOx-Ermittlung erforderlichen Messdaten wurden über die OBD-Schnittstelle ausgelesen und mit Datenlogger-Systemen aufgezeichnet und gespeichert. Im Laufe des Projekts und auch bei vorangegangenen Messungen zeigte sich, dass das erforderliche NOx-Signal des Sensors am Auspuffende teilweise über die OBD-Schnittstelle nicht oder erst nach einer gewissen Fahrzeit verfügbar war. In solchen Fällen wurde ein externer NOx-Sensor nach der Abgasnachbehandlung in das Abgassystem eingebaut und das Signal in den Datenlogger eingebunden. Parallel zu den Messungen wurde ein Datenfilter- und Auswertemodell entwickelt, welches die Messdaten aufbereitet und das gNOx/kg Kraftstoffverbrauch Verhältnis berechnet. Der Datenfilter stellt dabei sicher, dass Fahrsituationen, die nicht für die Beurteilung geeignet sind, erkannt und aus der Bewertungsmethodik ausgeschlossen werden. Aus den mit dem Datenfiltermodell bearbeiteten Datensätzen wurde dann aus den jeweils über 100 km aufsummierten NOx-Emissionen und dem Kraftstoffverbrauch das gNOx/kg Kraftstoffverbrauch Verhältnis (QNOx) gebildet. Nach jeweils 50 km wurde ein neues Bewertungsfenster begonnen. Bei den Messungen an den Dieselfahrzeugen konnten mit der QNOx-Methode defekte Fahrzeuge eindeutig erkannt werden. Dies war sowohl bei den Testfahrten mit manipulierten Abgasnachbehandlungssystemen, als auch bei den Testfahrten mit jenen zwei Fahrzeugen, welche von sich aus mit einem Fehler behaftet waren, der Fall. Die Analyse der Methodenergebnisse zeigte auch, dass das Datenfiltermodell all jene Betriebszustände, welche unter Umständen bei der Bewertung zu Fehlinterpretationen führen, entfernen konnte. Bei den Ottofahrzeugen wurde ein Fehler im Abgassystem mittels Abstecken der Lambdasonde simuliert. Das bewirkte bei den untersuchten Fahrzeugen, dass diese im Betrieb auf Lambda-Kennfeldwerte zurückgriffen. Das führte zu keinen wesentlich erhöhten Emissionswerten bei den Testfahrten, sodass von der QNOx-Methode auch kein Wert, der auf einen Fehler schließen lässt, angezeigt werden konnte. Nach Abschluss der Messungen an acht Testfahrzeugen mit Dieselantrieb und drei Ottofahrzeugen wurden mit den generierten Daten Vorschläge zur QNOx-Schwellwertdefinition erarbeitet. Aus den vorliegenden Messergebnissen ergab sich, dass ein Schwellwert zur Unterscheidung von intakten und fehlerhaften Abgassystemen für Dieselfahrzeuge im Bereich von 2 bis 3 gNOx/kg Kraftstoff und für Ottofahrzeuge unterhalb von 2 gNOx/kg Kraftstoff liegen sollte. Da bei Fahrzeugen der Abgasstufe EURO 7 das OBM-System einen Fahrzeugfehler anzuzeigen hat, wenn die NOx-Emissionen den Grenzwert um mehr als das 2.5-fache überschreiten, liegt es nahe, diesen Faktor auch für die Ableitung des QNOx-Schwellwertes anzusetzen. Für den Schwellwert muss also der EURO 7 NOx-Grenzwert, erweitert um Messunsicherheiten und den High-Emitter-Faktor, durch einen repräsentativen Verbrauchswert dividiert werden, um eine Schwelle für gNOx/kg Kraftstoff zu berechnen. Da bei unterschiedlichen PKW-Segmenten der NOx-Grenzwert gleich ist, die Verbrauchswerte jedoch sehr unterschiedlich sein können, werden die gemessenen Verbrauchswerte um das Verhältnis von durchschnittlichem Verbrauch pro km zu fahrzeugspezifischem Verbrauch pro km korrigiert. Dies kann zukünftig automatisiert ablaufen, da der Typprüf-CO2-Wert im Environmental Vehicle Pass abgelegt ist. Die Auswertung zeigte, dass ein Schwellwert von 3 gNOx/kg Kraftstoff für Dieselfahrzeuge und 1,83 gNOx/kg Kraftstoff für Ottofahrzeuge als Kriterium für ein funktionierendes Abgasnachbehandlungssystem herangezogen werden könnte. Die Schwellwerte müssten noch an einer Vielzahl von Fahrzeugen der Emissionsstufe EURO 7 validiert werden. Abschließend wurde eine Bewertung hinsichtlich der Tauglichkeit der Methode als PTI Instrument durchgeführt. Die Untersuchungen zeigten, dass mit der QNOx-Methode zwischen Fahrten mit defektem und gut funktionierendem Abgasnachbehandlungssystem unterschieden werden konnte. Da in den aktuellen Entwürfen zur EURO 7 Gesetzgebung eine fahrzeuginterne Berechnung von QNOx-Werten vorgesehen ist, wäre eine Zustandsbewertung der NOx-Nachbehandlungssysteme im Rahmen der AU mit einem Auslesen der QNOx-Daten über die OBD Schnittstelle einfach realisierbar.

Eine bedeutsame Aufgabe des Straßenbetriebsdienstes ist die Grünpflege, ihr Anteil liegt bei ca. einem Viertel des Gesamtaufwandes. Eines der wesentlichen bundesweit geltenden Regelwerke für die Grünpflege an Straßen ist das Merkblatt für den Straßenbetriebsdienst, Teil: Grünpflege aus dem Jahr 2006. Bereits heute haben naturschutzfachliche Aspekte auf breiter Basis Eingang in die landesspezifischen Regelungen und gängigen Standards der Grünpflege entlang von Straßen gefunden. Das derzeit geltende Merkblatt für den Straßenbetriebsdienst, Teil: Grünpflege aus dem Jahr 2006 entspricht nur unzureichend diesen Standards, so dass im Rahmen des FE-Projektes ein Entwurf für die Fortschreibung erstellt wurde. Hierbei haben die zunehmenden naturschutzfachlichen Anforderungen an die Grünflächen im Straßenseitenraum und ihre Pflege ebenso Berücksichtigung gefunden wie verkehrliche, arbeitsplatzbezogene und wirtschaftliche Kriterien. Basierend auf einer umfassenden Dokumentenrecherche wurden in ausgewählten Autobahn- und Straßenmeistereien umfassende in-situ-Studien durchgeführt, bei denen die Auswirkungen unterschiedlicher Pflegekonzepte für Rasen- und Gehölzflächen auf Flora und Fauna analysiert wurden. Weiterhin wurden die Grünpflegarbeiten begleitet, um Aufwendungen und weitere betrieblich-ergonomische Kriterien bewerten zu können. Ergänzend wurden die Verwertungspotenziale für das anfallende Schnittgut untersucht. Die In-situ-Studien umfassten zwei Schnittperioden für die Gehölzpflege (2021/22 und 2022/23) und zwei Vegetationsperioden für die Grasmahd (2022 und 2023). Auf Grundlage der durchgeführten in-situ-Studien, der vorliegenden Literatur und weiterer laufender Untersuchungen wurden umfassende Empfehlungen aus ökologischer Sicht sowie eine ökonomische und betrieblicher Bewertung dieser Empfehlungen, differenziert nach Offenlandpflege und Gehölzpflege, gegeben. Diese Empfehlungen sind Grundlage für die Fortschreibung des Merkblattes für den Straßenbetriebsdienst, Teil: Grünpflege.