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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.
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.
Einfluss der Fugenöffnungsweite auf die akustischen Eigenschaften von Fahrbahndecken aus Beton
(2022)
Bei Entwicklung und Bau von Fahrbahndecken aus Beton wird angestrebt, die Rollgeräuschminderung über die moderate akustische Wirkung von Waschbeton hinaus zu steigern und die Reproduzierbarkeit, Homogenität und Dauerhaftigkeit der akustischen Oberflächeneigenschaften zu verbessern. In Feldmessungen wurde deutlich, dass Querscheinfugen im Moment des Überrollens kurzzeitig zu einer starken Anhebung des Rollgeräuschs führen können und die akustischen Eigenschaften einer Betonfahrbahndecke aufgrund des wiederholten Auftretens der Fugengeräusche entlang der Fahrbahn insgesamt verschlechtern können.
Aufgabe war, den Einfluss der bautechnischen Eigenschaften von Querscheinfugen auf die Rollgeräuschentstehung zu untersuchen und Empfehlungen für die schalltechnische Optimierung bei der baupraktischen Ausführung der Fugen zu geben.
Anhand von umfangreichen CPX-Messungen wurden 600 Fugen unterschiedlicher Ausführung und unterschiedlichen Zustands auf Betonfahrbahnen im deutschen Autobahnnetz schalltechnisch untersucht. An sechs ausgewählten Fugen wurden Detailuntersuchungen der Fugengeometrie und der Oberflächenstruktur sowohl der Fugen als auch der angrenzenden Fahrbahnoberflächen durchgeführt und durch detaillierte Messungen des Reifen-Fahrbahn-Geräuschs ergänzt.
Neben der messtechnischen Analyse des Zusammenhangs zwischen Fugeneigenschaften und Rollgeräusch wurden die Messergebnisse dazu benutzt, ein bestehendes Rechenmodell für Reifen-Fahrbahn-Geräusche zu erweitern, zu validieren und für eine Parameterstudie zum Einfluss der Fugeneigenschaften auf das Rollgeräusch einzusetzen.
Messungen und Parameterstudie zeigen, dass der Fugeneinfluss auf das Rollgeräusch umso größer wird, je leiser das Rollgeräusch aufgrund akustisch günstiger Oberflächentexturen zwischen den Fugen wird. Akustisch ungünstige Fugeneigenschaften begrenzen dann die Geräuschminderung einer Betonfahrbahndecke. Für die Parameter Fugenöffnungsweite, Anstellwinkel und Höhenversatz und für die Eigenschaften der Fugenfüllung werden konkrete Empfehlungen für eine schalltechnische
Optimierung gegeben
Das Thema der Radverkehrssicherheit wurde bereits in Forschungsprojekten verschiedener Fachdisziplinen fachspezifisch betrachtet. In diesem Projekt wurde ein interdisziplinärer Ansatz verfolgt, um Radverkehrsunfälle aus Sicht der drei Fachdisziplinen Infrastrukturplanung, Verkehrspsychologie und Fahrzeugtechnik zu analysieren und zu bewerten.
In einer Grundlagenanalyse wurden zunächst wissenschaftliche Erkenntnisse zur Radverkehrssicherheit aus Sicht der drei Fachdisziplinen zusammengetragen. Darauf aufbauend wurden Konstellationen erarbeitet, mit denen eine Fokussierung auf Unfälle ausgewählter Merkmale erfolgen konnte. Es wurden fünf relevante Konstellationen abgeleitet. Diesen konnten aus der Datenbank der German In-Depth Accident Study (GIDAS) insgesamt 1.125 Unfälle der Jahre 2005 bis 2018 zugeordnet werden. Davon wurden 40 ausgewählte Unfälle einer interdisziplinären Betrachtung unterzogen. Im Ergebnis wurde u. a. festgestellt, dass oftmals Wahrnehmungsfehler unfallursächliche Einflussfaktoren sind. Wahrnehmungsfehler sind beim Informationszugang (objektive Verfügbarkeit der notwendigen Informationen) und bei der Informationsaufnahme (aufmerksames Beobachten und Erkennen aller relevanten Informationen) zu finden.
Es wurde eine Anleitung zur interdisziplinären Analyse von Radverkehrsunfällen auf Grundlage eines Phasenmodells der Einflussfaktoren und Randbedingungen entwickelt. In diesem Modell werden den Prozessphasen (Informationsbereitstellung, Informationszugang, -aufnahme, -verarbeitung, Entscheidung, Verhalten und Verhaltensfolge) Einflussfaktoren des Menschen, der Infrastruktur oder des Fahrzeugs auf Radverkehrsunfälle zugeordnet.
Die Analyseanleitung zeigt auf, welche Fragen gestellt werden müssen, um Defizite im Zusammenhang mit Radverkehrsunfällen zu identifizieren und geeignete Handlungsmaßnahmen auszuwählen. Mit einer beispielhaften Darstellung des Analysevorgehens wurde demonstriert, wie für Wirkungszusammenhänge sensibilisiert wird. Die entwickelte Anleitung zur Analyse von Radverkehrsunfällen kann ein anlassbezogenes Verfahren darstellen, das u. a. zum Einsatz kommt, wenn das Unfallgeschehen durch die gängigen Methoden der Verkehrssicherheitsarbeit nicht plausibel erklärbar ist.
Um den Substanzwert einer Verkehrsbefestigung in-situ zu bestimmen, wurden im Rahmen dieses Forschungsvorhabens Sensoren entwickelt, die den jeweils aktuellen strukturellen Zustand der Befestigung messen sollen. Als zielführender, leicht zu messender Parameter wurde dabei die Vertikalbeschleunigung gewählt.
Für die Umsetzung wurden verkabelte und autonome Sensoren verwendet. Als Sensortyp wurden MEMS-Sensoren gewählt, da diese vglw. preisgünstig sind und wenig Strom verbrauchen. Durch die verkabelten Sensoren war eine größere Anzahl an Messungen zur Parameterstudie und Validierung des Messverfahrens möglich. Die kabellosen Sensoren stellen Prototypen für spätere Anwendungen dar.
Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden Versuchsfelder errichtet, um die Praxistauglichkeit und die Genauigkeit der Beschleunigungssensoren zu überprüfen sowie den Umgang mit der großen Datenmenge zu erlernen. Bei den ersten Versuchsfeldern (Campus TU-Lichtwiese, BAB 9 bei Feucht) wurden die Beschleunigungssensoren in Ø50mm-Bohrlöcher an bestehenden Befestigungen eingesetzt und verfüllt. Dabei wurde mithilfe von Vorher-Nachher-Messungen mittels Falling Weight Deflectometer (FWD) festgestellt, dass die hervorgerufene Substanzstörung durch den Einbau vernachlässigbar klein ist. Für die Auswertung der gewonnenen Messdaten wurde ein Scilab-Skript geschrieben, welches die Rohdaten aufbereitete und erste Auswertungen ermöglichte. Mehrere Auswertungsansätze wurden dabei verfolgt: z.B. doppelte Integration der Beschleunigung (Vergleich mit FWD-Daten), Inkrementierung von Achszahlen oder Generierung von Achsmustern. Hervorzuheben sind dabei die Vergleiche mit den FWD-Daten, die eine sehr gute Übereinstimmung im Deflexionsverlauf zwischen Beschleunigungssensor und Time History des FWD aufwiesen.
Im Versuchsfeld auf dem Campus TU-Lichtwiese in Darmstadt wurde abschließend die Einbaubarkeit der autonomen Sensoren (Ablegeautomat, Wiederfinden mittels RFID-Antenne) nachgewiesen.
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.
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.
Füllsysteme für Fugen in Betonfahrbahnen sind während ihrer Nutzungsdauer vielfältigen Beanspruchungen ausgesetzt. Daraus leiten sich erhöhte Anforderungen an die Dauerhaftigkeit des Gesamtsystems „Fuge“ ab. Neben jahreszeitlich schwankenden klimatischen Änderunge spielen insbesondere zyklische Beanspruchungen durch den überrollenden Verkehr sowie die Alterung der Fugenmassen eine maßgebliche Rolle.
Ziel dieses Forschungsprojekts war es, ein praxisorientiertes Prüfverfahren zu entwickeln, das zum einen das Gesamtsystem „Fuge“ bestehend aus Betonfugenflanke, Voranstrichmittel sowie der Fugenmasse umfasst und andererseits die maßgebenden Szenarien der in-situ-Beanspruchungen realistisch abbildet. Dazu wurden Systemprüfkörper bestehend aus Beton und Fugenfüllstoff definiert, an denen über die herkömmlichen Prüfungen am Füllstoff hinaus, statische Zug-/Scherversuche und zyklische Druck-/Zug-/Scherversuche an neuen und künstlich gealterten Proben vorgenommen wurden. Diese Prüfungen wurden sowohl an Laborproben (Referenz) als auch an Systemprüfkörpern aus Bohrkernen von originären Bestandstrecken durchgeführt.
Die Untersuchungen zeigten u.a., dass die heiß verarbeitbaren Fugenmassen, mit Ausnahme der modifizierten Fugenmasse vom Typ N2+, infolge künstlicher Alterung erheblich versprödeten, d.h. bei deutlich reduziertem Dehnvermögen höhere Maximalspannungen aufwiesen. Dieser Effekt zeichnete sich auch bei den im dynamischen Scherrheometer ermittelten Phasenwinkeln und komplexen Schermoduln ab. Unter der Annahme eines exponentiellen Verlaufs der Alterung von heiß verarbeitbaren Fugenmassen, konnte für die künstliche Laboralterung ein simulierter Nutzungszeitraum von etwa 6 Jahren ermittelt werden. Für die kalt verarbeitbaren Fugenmassen erwies sich die für heiß verarbeitbare Fugenmassen herangezogene künstliche Alterung unter Druck und Temperaturbeanspruchung als nicht zweckmäßiges Verfahren.
Zur ersten Validierung der entwickelten Laborprüfverfahren wurde im BAB-Netz eine heiß und eine kalt verarbeitbare Fugenmasse über die ersten 21 Monate Nutzungsdauer intensiv beobachtet.
Unter Einbeziehung der Systemprüfungen an Labor- und in-situ-Proben wurde ein erster Bewertungsansatz entwickelt, mit dem, anhand wissenschaftlich orientierter Kenn- und Grenzwerte, Fugenmassen im nicht gealterten ebenso wie im künstlich gealterten Zustand bewertet werden können.
Das European New Car Assessment Programme (Euro NCAP) ist ein verbraucherschutzorientiertes Programm zur Bewertung der Sicherheit von – in der Regel – neuen Kraftfahrzeugmodellen. Das Programm gibt es seit 1997, seit 2009 besteht die Bewertung aus 4 Bausteinen (1. Schutz erwachsener Insassen; 2. Schutz von Kindern im Fahrzeug; 3. Schutz schwächerer Verkehrsteilnehmer; 4. Ausstattung mit Fahrerassistenzsystemen).
Das Hauptziel des vorliegenden Projekts bestand darin, die Testergebnisse aus Euro NCAP soweit möglich auf die gesamte Pkw-Flotte zu übertragen und daraus einen Safety Performance Indikator (SPI) für den Pkw-Bestand mehrerer aufeinander folgender Jahre (Zeitreihe) zu bilden. Ein weiteres Ziel war es zu untersuchen, ob ein Zusammenhang zwischen der Euro NCAP-Bewertung von Fahrzeugen und dem Unfallgeschehen existiert. Neben Literaturanalysen wurden hierzu statistische Modelle zum Einfluss der durch den SPI ausgedrückten Fahrzeugsicherheit auf die korrespondierende Zahl der Verunglückten aus der amtlichen Straßenverkehrsunfallstatistik geschätzt.
Ein wesentlicher Schritt bei der Entwicklung eines SPI zur Fahrzeugsicherheit bestand darin, die Euro NCAP-Testergebnisse der verschiedenen Jahre im Hinblick auf die im Zeitverlauf geänderten Testprozeduren soweit als möglich vergleichbar zu machen. Hierfür wurde eine Projektgruppe bestehend aus Experten der BASt in den Bereichen Aktive und Passive Fahrzeugsicherheit gebildet, welche die Aufgabe hatte, je Baustein zu quantifizieren, wie sich diese Veränderungen der Testprozeduren auf die Fahrzeugbewertung auswirken. Dabei wurden die Testrahmenbedingungen des Jahres 2020 als Referenz herangezogen.
Der zweite wesentliche Schritt zur Erzeugung eines Safety Performance Indikators bestand darin, die – neu berechneten – Euro NCAP-Ergebnisdaten für die einzelnen getesteten Marken und Modelle mit den ZFZR-Beständen (1.1.2014 bis 1.1.2020) zu verknüpfen (matching).
Die Verknüpfung der ZFZR-Bestandsdaten mit den Euro NCAP-Bewertungsdaten erfolgte über einen komplexen Algorithmus, der im Kern auf den Merkmalen Fabrikatcode, Modellcode und Jahr der Erstzulassung basiert.
Im Ergebnis konnte im Durchschnitt über die hier betrachteten sieben Bestandsjahre (Stichtage: 1.1.2014 bis 1.1.2020) von den neueren Fahrzeugen (Erstzulassungsjahr ab 2009) rund 70 % eine Euro NCAP-Bewertung zugeordnet werden. Den übrigen Pkw im ZFZR-Bestand wurde die fehlende Bewertung über Imputationsverfahren zugewiesen.
Es wurden insgesamt vier (bausteinspezifische) Safety Performance Indikatoren gebildet, die auf den neu berechneten und vereinheitlichten Fahrzeugbewertungen aus Euro NCAP basieren. Bei den genannten Indikatoren handelt es sich um Durchschnittswerte der Sicherheitsbewertung der im ZFZR erfassten Pkw. Aus diesen vier Indikatoren wurde dann noch ein Safety Performance Gesamtindikator mittels gewichtetem Mittelwert berechnet. Im Ergebnis liegen damit Zeitreihen der vier bausteinspezifischen SPI-Werte sowie des SPI-Gesamtwerts vor.
Das zentrale Ergebnis der Analysen der SPI-Zeitreihen ist, dass alle Indikatoren einen im Zeitverlauf ansteigenden Trend aufweisen. Dies ist ein klares Indiz dafür, dass der Sicherheitsstandard nicht nur bei den Neufahrzeugen, sondern auch bezogen auf den gesamten Pkw-Bestand in den letzten Jahren kontinuierlich gestiegen ist.
Die höchsten Indikatorwerte finden sich beim SPI zum Baustein 2 (Schutz von Kindern im Fahrzeug), am niedrigsten fallen sie hinsichtlich der Ausstattung mit Fahrerassistenzsystemen aus (SPI zum Baustein 4).
Gliedert man die Indikatoren zusätzlich nach Pkw-Segment, so finden sich bei SUV’s, gefolgt von Geländewagen, Großraum-Vans und der Oberklasse die höchsten Werte beim SPI-Gesamtwert. Dass die SUV’s den höchsten SPI aufweisen, hat allerdings auch damit zu tun, dass es sich um ein relativ neues Segment handelt, in dem der Anteil älterer Fahrzeuge vergleichsweise niedrig ist.
Im Rahmen der Unfallanalyse wurden log-lineare Regressionsmodelle gerechnet, um den Einfluss der vier SPI auf die jeweils entsprechenden Unfallmerkmale (verunglückte Pkw-Insassen, Fußgänger und Radfahrer, unfallbeteiligte Pkw) zu ermitteln. Darüber hinaus wurde der Zusammenhang zwischen dem SPI-Gesamtwert und den resultierenden monetären volkswirtschaftlichen Unfallkosten analysiert. Die statistischen Auswertungen zum Zusammenhang zwischen SPI und Unfallgeschehen zeigten in allen Fällen, dass ein höherer Wert des entsprechenden Safety Performance Indikators mit einer geringeren Zahl an verunglückten Personen bzw. unfallbeteiligten Pkw einhergeht. In Bezug auf die Unfallkosten ergab sich, dass bei einer Zunahme des Gesamt-SPI der Pkw-Flotte um 1 % die entsprechenden Unfallkosten ceteris paribus um 0,7 % sinken.
Zudem wurden bei der Konzeption des Projektes bereits die wesentlichen Voraussetzungen für eine kontinuierliche Fortführung der SPI-Zeitreihen in den nächsten Jahren geschaffen.