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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.
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.
To assess occupant safety in a crash test, criteria associating the measurements made with a crash test dummy to injury risk are necessary. To enable better protection of elderly car occupants the objective of this study was to develop improved thoracic injury criteria for the THOR average male dummy. The development of these criteria is usually based on matched dummy and Post Mortem Human Surrogate (PMHS) tests by relating the obtained PMHS injuries to dummy measurements. This approach is limited, since only a few tests in relevant loading conditions are available and any new test series requires high efforts to be performed due to their complexity and costs. To overcome these limitations and to extend the dataset for the development of THOR dummy chest injury risk functions a simulation-based approach was applied within the EC funded project SENIORS (Safety Enhanced Innovations For older Road Users - www.seniors-project.eu). Within this study frontal impact sled simulations with an FE model representing a THOR average male dummy and matched simulations with a human body model (HBM) representing an elderly car occupant were carried out. The HBM used for this study was the THUMS TUC with modified rib cage, which was developed in SENIORS. The modifications included material and geometry changes aiming to represent an elderly car occupant. The rib fracture risk was predicted with a deterministic approach whereby a rib was considered broken when the strain exceeded an age-dependent threshold. Furthermore, a probabilistic method was applied to predict the probability of sustaining a certain number of fractured ribs by comparing local strain values to the distribution of cortical rib ultimate strain. By relating the output from the HBM simulations to a multi-point dummy injury criterion, injury risk curves were calculated by statistical methods. The wide range of loading conditions resulted in the desired range of injuries and THOR ATD output. The number of fractured ribs predicted by the HBM based on the deterministic prediction method was between 0 and 15. Furthermore, the probabilistic risk for the number of rib fractures equal or greater than two, three or four was calculated for each load case. The THOR rib deflection criterion Rmax was between 18 and 56 mm, while the PC Score was in the range of 2.5 to 7.2. Based on these outputs new risk curves for the predicted deterministic (AIS2+/3+) and probabilistic injury risk were calculated. The new curves show reasonable shapes and significance that provide trust in their application. The new risk curves are compared to risk curves obtained by traditional methods. The results were found similar to previous injury risk functions based on physical tests, which gives a high level of confidence in the chosen approach. The simulation-based approach of matched ATD model vs. HBM simulation was successfully applied. Rmax curves show a slightly better quality than the injury criterion PC Score.
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.
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.
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.
Im Rahmen dieses Projektes wurden die mittleren Pkw-Fahrtgeschwindigkeiten und weitere verkehrstechnische Kenngrößen auf Netzabschnitten von Bundesautobahnen (BAB) unter Berücksichtigung der Wechselwirkungen zwischen den Einzelelementen des Abschnittes untersucht. Auf Basis der ermittelten Eigenschaften wurde ein EDV-Programm mit Benutzeroberfläche und Datenhaltung in Microsoft Excel entwickelt, das die Bewertung der Verkehrs- und Angebotsqualität von Netzabschnitten auf Autobahnen ermöglicht. Das im HBS 2015 enthaltene Verfahren unterliegt einer wesentlichen Randbedingung, die die Anwendung des Verfahrens nur erlaubt, wenn keine Teilstrecke bzw. Teilknotenpunkt die Qualitätsstufe F ausweist. Diese Beschränkung wurde modelltechnisch durch eine Erweiterung des derzeitigen Verfahrens über die Grenze der ungesättigten Analyse hinaus behoben. Empirische Untersuchungen von zwei Untersuchungsstrecken (München und Karlsruhe), ergänzt durch mikroskopische Verkehrsflusssimulationen, lieferten die Datengrundlagen. Zunächst wurde die Anwendung des amerikanischen, auf dem Highway Capacity Manual (HCM) basierenden Programms FREEVAL für die Bewertung von deutschen Autobahnen überprüft. Dabei lieferte die Simulation mit FREEVAL ein plausibles Ergebnis für das Laborbeispiel in Karlsruhe. Wegen wesentlicher Unterschiede zwischen HCM- und HBS-Verfahren, hauptsächlich in Bezug auf die Definition von Kapazität, Zeitintervallen und q-V-Beziehungen sowie den entscheidenden Qualitätskriterien des Verkehrsablaufs, wird eine Anwendung des U.S. FREEVALs für deutsche Autobahnen aber nicht empfohlen. Dies hat zu der Entscheidung geführt, ein eigenes Modell zu entwickeln, das eng an das HBS-Verfahren angelehnt ist. Dazu wurde geprüft, welche makroskopischen Verkehrsmodelle für die Abbildung des Verkehrsflusses auf der deutschen Autobahn geeignet sind. Das Cell-Transmission-Modell (CTM) von DAGANZO wurde letztendlich als der geeignete Kandidat für die Modellimplementierung gewählt. Im Vergleich zum U.S. FREEVAL wurde in dem neuen Modellansatz die Diskretisierung so verfeinert, dass eine explizite Modellierung der Staupropagierung ohne zusätzliche Modellerweiterungen möglich wurde. Das Datenmodell des CTM ist insbesondere für die Modellierung von linearen Strecken wie z. B. Richtungsfahrbahnen geeignet. Für die Validierung des entwickelten Modells wurde die BAB A 99 in der Nähe von München an vier verschiedenen Tagen modelliert, an denen jeweils unterschiedliche Stausituationen vorlagen. Die Ergebnisse zeigen, dass das deutsche FREEVAL eine realistische Darstellung der Verkehrssituation ermöglicht. Bei gravierenden Überlastungen traten allerdings Abweichungen bei den Staugeschwindigkeiten auf, die in der Art des verwendeten Verkehrsflussmodells begründet sind. Das entwickelte Tool kann grundsätzlich als Alternative zu mikroskopischen Simulationstools zur Anwendung für Bemessungsaufgaben und zum Vergleich verschiedener Szenarien in Ergänzung zum HBS empfohlen werden. Es eignet sich nicht für die Abbildung von konkreten Stauereignissen zur Bestimmung der exakten räumlich-zeitlichen Ausprägung.
Für die erweiterte grafische Darstellung der KiST-Zonen ist ein einfaches Verfahren zur Berechnung stündlicher Werte der Fahrbahnoberflächentemperatur entwickelt worden, das mit meteorologischen Beobachtungen der Lufttemperatur, der Globalstrahlung und der Luftfeuchte arbeitet. Die Berechnungsgleichungen wurden anhand der Messwerte von Glättemeldeanlagen ermittelt. Aus den Fahrbahnoberflächentemperaturen lassen sich sog. KiST-Raten, die äquivalent zu den Schadenssummen sind, ableiten. Diese KiST-Raten, berechnet für 380 Standorte und den Zeitraum 2001 bis 2015, sind auf Gitterpunkte im Abstand von 1 km in W-O und in N-S-Richtung unter Berücksichtigung der Höhenabhängigkeit interpoliert worden. Sie bilden die Grundlage für die flächendeckende Ausweisung von KiST-Zonen in der Bundesrepublik. KiST-Zonen sind Zonen mit ähnlichen KiST-Raten, die sich untereinander durch die Dicke der Asphaltschicht unterscheiden, die nötig ist, um dieselbe KiST-Rate (bzw. Schadenssumme) zu erreichen. Daher ist die Einteilung der Bundesrepublik in KiST-Zonen so vorgenommen worden, dass zwischen den Zonen bei Anwendung der Kalibrierasphalte jeweils eine Schichtdickendifferenz von mindestens ± 1 cm auftritt. Das Ergebnis unterscheidet sich deutlich von der bestehenden Zonen-Karte. Das liegt im Wesentlichen daran, dass die Schadenssummen für die bestehende Karte mit Fahrbahnoberflächentemperaturen aus einem Modell berechnet wurden, das den Austausch der Luft über der Fahrbahn mit der Umgebungsluft in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit bestimmt. Das hier benutzte Verfahren geht hingegen von einem konstanten Austausch durch den fließenden Verkehr aus. Daher ergeben sich vor allem für Süddeutschland, wo es warm und windstill ist, höhere Schadenssummen als KiSTRaten. Aus diesem Grunde sind die Häufigkeitsverteilungen der Temperaturzustände für die KiSTZonen neu berechnet worden. Auch die Anpassungsfaktoren (Harmonisierung mit den Erfahrungen der RStO) sind neu zu bestimmen.
Gemäß Eurocode 1 ist für die Unterbauten von Brücken außerorts eine horizontale Anpralllast von 1500 kN zu berücksichtigen. Gemäß der ZTV-ING ist für die Stiele von Schilderbrücken eine Anpralllast von 100 kN anzusetzen. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde aufbauend auf einer qualitativen und quantitativen Risikoanalyse sowie der Berechnung der Auftretenswahrscheinlichkeit eine statische Ersatzkraft für ein Anprallereignis anhand dynamischer numerischer FE-Berechnungen berechnet. Die Auftretenswahrscheinlichkeit für P(Anprall mit Todesfolge / km) konnte auf der Grundlage recherchierter Anprallereignisse mit 6,8 x 10-5 / Jahr berechnet werden. Im Rahmen einer qualitativen Risikoanalyse konnte festgestellt werden, dass die Anordnung von Fahrzeugrückhaltesystemen eine deutliche Senkung des Gefährdungsgrades für den Anprallenden und für Dritte bewirkt. Am Gesamtmodell einer Verkehrszeichenbrücke wurden dynamische Berechnungen mit dem Programm Siemens NX durchgeführt. Der Anprallkörper wurde dabei so modelliert, dass der LKW Anprall möglichst realistisch nachempfunden werden kann. Es zeigte sich, dass ein Anprallsockel gemäß Richtzeichnung Riz-Ing VZB 4 eine deutliche Reduzierung des Anprallereignisses in Hinblick auf Geschwindigkeit und einwirkende Masse an die Stütze bewirkt. Die statischen und dynamischen Berechnungen haben zudem gezeigt, dass durch die Berücksichtigung der dynamischen Effekte eine Steigerung der Tragfähigkeit von ca. 90 % durch die Trägheit der Verkehrszeichenbrücke und ca. 50% durch die Dehnrateneffekte zu erwarten ist. Es wird empfohlen die statische Ersatzlast mit H = 100 kN zu berücksichtigen. Der Angriffspunkt der statischen Ersatzlast liegt dabei 1,25 m über OK Fahrbahn. Für die Erhöhung der Querkrafttragfähigkeit und der lokalen Tragfähigkeit der Stütze am Anprallort wird die Anordnung von 2 zusätzlichen Steifen vorgeschlagen. Die beim Aufprall auftretenden Kontaktkräfte zwischen Fahrzeug und Verkehrszeichenbrücke, die um ein Vielfaches höher sind, können mit der so bemessenen Konstruktion mit großen plastischen Verformungen aufgenommen werden, sofern ein Anprallsockel vorhanden ist.
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.