22 Entwurf von Verkehrsinfrastruktur
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Nach aktuellem Stand wird bei der Zustandserfassung und -bewertung (ZEB) der Bundesfernstraßen die Zustandsgröße "Spektrales Unebenheitsmaß" - abgekürzt AUN (für Allgemeine Unebenheit) - als alleiniges Kriterium zur Beurteilung der Längsebenheit herangezogen. Erfahrungen haben gezeigt, dass regellose Längsunebenheiten dadurch im Allgemeinen hinreichend charakterisiert werden können. Einzelhindernisse jedoch und periodische Unebenheitsausprägungen, wie sie beispielsweise bei Plattenversätzen älterer Betonfahrbahnen vorkommen, werden durch die AUN nur unzureichend beschrieben. Im Rahmen der Verbesserung des Verfahrens wird daher der Vorschlag gemacht, die Auswertung der Längsprofile im Rahmen der ZEB künftig auf zwei Säulen zu stellen: die Bewertung der Geometrie (bisher nur durch die AUN) und der von ihr verursachten Wirkungen. Ein neuer Längsebenheitsindikator, der "Längsebenheitswirkindex" (LWI) wird vorgeschlagen. Er basiert auf der Auswertung dreier Bewertungskriterien für die Ebenheit: der Beanspruchung der Straße, des Fahrers und des Ladegutes. Die Untersuchungen zeigen, dass der LWI Periodizitäten und Einzelhindernisse detektieren und angemessen bewerten kann und damit die Lücke, die das derzeitige Verfahren aufweist, in geeigneter Weise zu schließen vermag. Mit dem LWI ist ein aussagekräftiger, einfacher und universeller Längsebenheitsindikator gefunden worden, der sich harmonisch in das bisherige Bewertungskonzept der ZEB einfügt und dieses im Hinblick auf die Auswirkungen der Unebenheit in sinnvoller Weise ergänzt.
In einer von Mitte 1998 bis Anfang 2002 laufenden Erstanwendung eines in Forschungsprojekten entwickelten Pavement Management Systems (PMS) wurde geprüft, inwieweit die Anforderungen der Erhaltungspraxis im Hinblick auf die Benutzerfreundlichkeit und die Ergebnisqualität erfüllt sind. An der PMS-Erstanwendung beteiligten sich alle 13 Flächenländer mit insgesamt 25 Verwaltungseinheiten. Die 3 Stadtstaaten nahmen beobachtend teil. Die zum Abschluss der praktischen Anwendung übermittelten Erfahrungsberichte bestätigten die Brauchbarkeit des Instrumentariums und die Plausibilität der im Ergebnis ausgewiesenen Vorschläge zur Art, Örtlichkeit und zeitlichen Priorität von Erhaltungsmaßnahmen, die nach einer netzweiten Optimierung als Basis für operative und erhaltungsstrategische Fragestellungen dienen können. Die Erstanwendung zur Überprüfung der Praxistauglichkeit des PMS ist vielfach nahtlos in eine Anwendung und teilweise bereits in eine Routineanwendung übergegangen. In circa der Hälfte der beteiligten Länder wird das PMS bereits im operativen Einsatz für die Vorbereitung von Erhaltungsprogrammen verwendet. Durch laufende Verbesserungen wird kurzfristig ein noch zuverlässigeres und komfortableres Instrumentarium verfügbar sein, das im Rahmen der Richtlinien für die Planung von Erhaltungsmaßnahmen an Straßenbefestigungen (RPE-Stra 01) effektive Hilfestellung bei der systematischen Erhaltungsplanung auf Projekt- und Netzebene leisten kann.
In den vergangenen Jahrzehnten sind einige Untersuchungsstrecken mit dem Ziel angelegt worden, verschiedene Bauweisen bei gleichen Belastungs- und Umweltbedingungen in einem direkten Vergleich bezüglich ihrer Gleichwertigkeit zu beurteilen und/oder das Verhalten von Bauweisen bei unterschiedlichen Belastungs- und Umweltbedingungen langfristig zu beobachten. Die Untersuchungen an diesen Untersuchungsstrecken dauerten einige Monate bis zu mehreren Jahren. Ziel dieser Arbeit war es, die aus den seinerzeitigen Untersuchungsergebnissen der Untersuchungsstrecken mit zum Teil jahrzehntelanger Liegedauer gezogenen bemessungsrelevanten Schlussfolgerungen zu überprüfen. Ein wesentliches Kriterium für die Auswahl von zehn Untersuchungsstrecken waren der vorhandene Datenumfang und dessen Aufbereitungsgrad. Bei einer Anzahl von zehn Strecken sind die Variationsmöglichkeiten der einzelnen oben genannten Parameter nur gering. Im Zuge der Bearbeitung des Forschungsvorhabens durch elf Forschungseinrichtungen beziehungsweise Einzelpersonen wurden für die Untersuchungsstrecken örtliche Verhältnisse, Verkehrsdaten, Wetterdaten, Schicht- und Materialdaten, Bauklassen, Einsenkungen, Deflexionen, Krümmungen, Ebenheit im Längs- und Querprofil, Fahrbahnoberflächenzustand, Zustand der seitlichen Entwässerungseinrichtungen und Erhaltungsmaßnahmen ermittelt, ausgewertet und in Teilberichten dokumentiert. Die erhobenen Daten wurden in die Datenbank der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) eingespeist und stehen somit allen potentiellen Nutzern zur Verfügung. Die vorhandenen und 1992 bis 1995 erhobenen Daten wurden zur Auswertung miteinander verknüpft. Teilweise wurden Abhängigkeiten nachgewiesen und teilweise, aufgrund der geringen Streckenanzahl, nur tendentielle oder vermutete Abhängigkeiten aufgezeigt.
Im Rahmen der Erhaltung bestehender Straßen ist die Erfassung und Bewertung der Tragfähigkeit von großer Bedeutung. Zu deren Messung stehen statische, quasistatische und dynamische Verfahren zur Verfügung. Seit etwa 20 Jahren wird weltweit die dynamische Messmethode mit dem Falling Weight Deflectometer (FWD) angewendet. Die mit dem Falling Weight Deflectometer (FWD) gemessenen Deflexionen werden meistens unter vereinfachten Annahmen bezüglich der Last, der Materialgesetze für verschiedene Schichten und der dynamischen Effekte analysiert. Um einen Überblick über die wissenschaftlichen Veröffentlichungen zu erhalten, wurde eine Literaturstudie durchgeführt, aus der sich folgende Gliederung ergab: - Arbeits- und Wirkungsweise des FWD, - Rückrechnungsmethoden, - Interpretierbarkeit der FWD-Messergebnisse, - Vergleich verschiedener Rückrechnungsprogramme, - Vergleich verschiedener FWD-Geräte, - Vergleich FWD mit anderen Messverfahren, - Sonstiges. Ein Ergebnis dieser Literaturstudie ist, dass eine theoretische Analyse des FWD-Verfahrens, wie sie in diesem Forschungsvorhaben durchgeführt wurde, noch nicht existiert. Darüber hinaus wurde das FWD-Verfahren detailliert mathematisch-physikalisch analysiert. Anhand der mathematisch-physikalischen Analyse des FWD-Verfahrens wird deutlich, das die E-Moduli elasto-statisch zurückgerechnet werden können. Allerdings kann die Dämpfung ab einer Deflexion von etwa größer gleich 0,4 mm die Messergebnisse des Falling Weight Deflectometer beeinflussen. Wie sich die Dämpfung auf die Messergebnisse auswirkt müsste analysiert werden. Darüber hinaus konnte nachgewiesen werden, dass die Dispersion zu keiner nennenswerten Verfälschung der Impulsform führt. Des weiteren wurden Deflexions-, Einsenkungs- und Krümmungsmessungen auf ehemaligen Untersuchungsstrecken und auf Strecken aus den jungen Bundesländern durchgeführt. Anhand der Messergebnisse auf ehemaligen Untersuchungsstrecken wurden die Schicht-E-Moduli zurückgerechnet und interpretiert. Hierzu wurden folgende Programme verwendet: - Mehrschichtenprogramm, - FWD-Rückrechnungsprogramm, - PROBE90-Programm und - Finite-Element-Programm. Zur Überprüfung der Rückrechnungsergebnisse erfolgten Asphalt-E-Modul-Bestimmungen im Labor.
Bei den Messverfahren für die Tragfähigkeit von Straßenbefestigungen wird bei den jeweils verschiedenen Belastungsarten der Quotient aus der Größe der Last und der sich an der Straßenoberfläche einstellenden vertikalen Einsenkung bestimmt — die Steifigkeit. Anhand der 16 Abschnitte zweier Versuchsstrecken werden die Ergebnisse einer ganzen Anzahl von Tragfähigkeitsmessverfahren miteinander verglichen. Die Verfahren werden beschrieben. Der Verlauf der an der Oberfläche erfassten räumlichen Einsenkungsmulde gestattet im Prinzip die Rückrechnung der Elastizitätsmoduli der einzelnen Schichten einer Straßenbefestigung. Der Grad der Verträglichkeit zwischen gemessenen und mit Hilfe der linearen elastischen Mehrschichtentheorie ermittelten Mulden hängt vom Messverfahren sowie vom Straßenaufbau ab. Für die untersuchten Bauweisen und die verwendeten Messverfahren wird dieser Grad angegeben.
In einer Großversuchsanlage der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) werden Dauerbelastungsversuche an Asphalt-Modellstraßen im natürlichen Maßstab 1:1 durchgeführt. Bei diesen Versuchen wird die Verkehrsbelastung durch rollende Räder mit Hilfe von Impulsgebern (pulse generators) simuliert. Die Wirkungen aus Impulsgeber-Belastung und Radüberfahrt können miteinander verglichen werden, wenn als Wirkung der Anteil der bleibenden Verformung im Asphalt berücksichtigt wird, welche auf den rheologischen Normalfall des Kriechens zurückführbar ist. Das Schadensereignis bei allen Dauerbelastungsversuchen war bleibende Verformung in Gestalt von Spurrinnen. Es ergaben sich keine konkreten Hinweise auf Materialermüdung, zum Beispiel durch Ausbildung von Rissen. Es werden zwei Typen der Spurrinnenbildung beobachtet. Der erste Typ kann auf den Normalfall des Kriechens von Asphalt zurückgeführt werden, beim zweiten Typ wird eine "Einfahrphase" beobachtet, in der das ungebundene Material des Untergrundes konsolidiert oder plastische Verformung in der Asphaltschicht stattfindet. In einigen Versuchen wurde die Lastabhängigkeit der Spurrinnenbildung untersucht. Diese Untersuchungen führen auf die Möglichkeiten einer Berechnung der Lastabhängigkeit bei gemischtem Verkehr (Lastäquivalenz). Ebenso wird die Abhängigkeit der Spurrinnenbildung bei gemischten Temperaturen diskutiert. In Abschnitt 7 der Arbeit erfolgt eine vergleichende Darstellung aller Versuchsergebnisse, insbesondere im Hinblick auf die Feststellung von Bauweisen-Äquivalenzen. In Abschnitt 8 wird das Konzept eines Verfahrens zur experimentellen Bemessung von Asphaltbefestigungen dargelegt. In Verbindung mit Dauerbelastungsversuchen wird angestrebt, hieraus die Spurrinnenbildung zu prognostizieren.
Der Benkelman-Balken zählt zu den weltweit verbreitesten Untersuchungsverfahren zur zerstörungsfreien Ermittlung der elastischen Verformung einer Straßenbefestigung unter statischer Belastung. Der Einfluss unterschiedlicher Temperaturen im bituminös gebundenen Oberbauteil auf die Einsenkungsmesswerte ist allerdings für die in Deutschland festgelegte Messmethodik und die hier vorhandenen Befestigungen noch nicht näher betrachtet worden. Im Rahmen der vorliegenden Untersuchung wird dazu auf theoretischem und empirischem Weg eine eingehende Analyse dieses Einflusses vorgenommen. Auf der Basis umfangreicher Temperaturmessreihen werden schließlich Angaben über die Temperatur in 10 cm Tiefe eines bituminösen Oberbaus in Abhängigkeit von der Jahreszeit und der Oberflächentemperatur abgeleitet. Für Temperaturen über 20 Grad Celsius an der Straßenoberfläche können die Oberbautemperaturen dabei je nach Befestigungsart und Tagesstunde aus Tabellen abgelesen werden. Darauf aufbauend wird eine mittlere Oberbautemperatur definiert, die anschließend als Grundlage von Umrechnungsverfahren für Einsenkungsmesswerte auf eine Standardtemperatur von 20 Grad Celsius dient. Die Verfahren werden für Straßenbefestigungen ohne und mit hydraulisch gebundenen Tragschichten getrennt entwickelt. Dabei kann die mittlere Oberbautemperatur zwischen 5 und 36 Grad Celsius liegen. Einsenkungswerte sind damit untereinander vergleichbar und die Bewertung der Wirkunken anderer Einflüsse im Straßenkörper auf die Tragfähigkeit wird möglich.
Flexible Straßenbefestigungen werden durch den Verkehr mit nichtzeitkonstanten Kräften belastet und reagieren mit nichtzeitkonstanten Spannungen und Dehnungen. Bei linearelastischen Körpern sind Spannung und Dehnung durch ein Modul verknüpft. Für den viskoelastischen Baustoff Asphaltbeton hingegen gilt dies nicht in der herkömmlichen Form: Das "Modul" ist eine von der Temperatur und der Belastungszeit abhängige Funktion. Eine solche Modulfunktion kann zur Beschreibung des viskoelastischen Baustoffes benutzt werden und Materialkennwerte für Bemessungsrechnungen liefern. Hierfür wird häufig der temperaturabhängige absolute Modul /E/ bei einem Frequenzwert von 10 Hz verwendet. Die experimentelle Ermittlung von Modulfunktionen für bituminöse Straßenbaustoffe war das Thema der vorliegenden Arbeit. Hierzu wurden grobe Körper aus Mischgut hergestellt oder aus Ausbruchstücken oder Bohrkernen gesägt und in Belastungseinrichtungen sinusförmigen Kräften unterworfen. Die Probekörpertemperatur wurde variiert. Mehrere einfache Lastfälle wurden benutzt: Ein Biegeversuch, ein Zug-Druckversuch, zwei Schubversuche und ein Torsionsversuch. Nachteil der Belastungseinrichtungen war eine Beschränkung auf geringe Kräfte, Vorteile lagen in der großen Flexibilität und Anpassungsfähigkeit an unterschiedliche Problemstellungen. Durch die Messung von Kräften, Dehnungen und Bewegungen werden die Verformungswiderstände der Probekörper, die Steifigkeiten, bestimmt. Zwischen diesen Werkstückgrößen und den Werkstoffgrößen, den Moduli, schafft ein die Versuchsanordnung beschreibender "Formfaktor" die Verknüpfung. Die Berechtigung, einen solchen mit den Mitteln der Elastizitätstheorie abgeleiteten Formfaktor auch bei viskoelastischen Baustoffen und zeitveränderlichen Belastungen anwenden zu dürfen, wird nachgewiesen. Dabei muss Linearität zwischen Spannung und Dehnung vorausgesetzt werden. Die Querkontraktionszahl, die für linearelastische Stoffe die Verknüpfung der Moduli E und G beschreibt, ist ebenfalls temperatur- und frequenzabhängig. Auch für viskoelastische Stoffe lässt sich eine Verknüpfung zwischen den Modulfunktionen E und G mit Einschränkungen nachweisen. Eine Weiterverarbeitung der experimentell ermittelten Modulfunktionen wird nicht vorgenommen. Es kann hier aber auf eine theoretische Arbeit in der Bundesanstalt für Straßenwesen verwiesen werden, die die gefundenen Modulfunktionen benutzt und zu einem weitgehenden Verständnis des Verhaltens bituminöser Straßenbaustoffe führen konnte.
Ziel der Studie ist eine Untersuchung extrem miniaturisierter autarker Mikrosysteme mit Sensoren, die, eingebaut in der Straße, Daten empfangen, verarbeiten, speichern und senden können. Der strukturelle Straßenzustand soll mit solchen Systemen erfasst werden. Die Kommunikation mit den Mikrosensorsystemen muss drahtlos und bidirektional über RFID-Technologie erfolgen. Da die Sensorgröße der Korngröße des Bodens entsprechen soll, ist im Vergleich zu heutigen Systemen eine völlig neue Dimensionierung der Miniaturisierung notwendig. Wichtige Parameter bei der Bewertung der Straße sind Empfindlichkeit, Langzeitstabilität, Selektivität, Einbaugröße, Schnittstelle und die Energieaufnahme. Die in diesem Bericht erwähnten Sensoren erfassen die physikalischen Parameter Temperatur, Bodenfeuchte und Salinität sowie Dehnung, Druck und Beschleunigung. Sie eignen sich aufgrund ihres geringen Energieverbrauchs, oder durch äusserste Robustheit für ein solches Mikrosystem. Aus dem Messen der physikalischen Größen und der Umweltparameter soll eine Bewertung des strukturellen Straßenzustandes entstehen. Die Energieversorgung des Sensorsystems ist ein wichtiger Teil der Studie. Dabei wird die Möglichkeit beschrieben, unter Verwendung von Piezogeneratoren, das Überfahren der eingebetteten Generatoren durch Fahrzeuge als Energielieferant zu nutzen und somit die Gesamtlaufzeit zu verlängern. Des Weiteren werden die verschiedenen Frequenzbereiche der RFID-Technologie und unterschiedliche Techniken von RFID-Transpondern sowie RF-Transceivern erläutert. In diesem Zusammenhang werden die Ergebnisse eines Reichweitentests von in einer Teststrasse eingebrachten Temperaturtranspondern gezeigt. Abschließend werden die Ergebnisse zur Integration der Systembestandteile und das Einbringen des Systems in den Straßenbau aufgezeigt. Ein keramisches Gehäuse bietet ein hohes Potential und erweist sich für diese Anwendung durch seine große Robustheit gegen thermischen und mechanischen Stress am geeignetsten.
Die vom Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS) beauftragte Studie zu den Auswirkungen neuartiger Lastzugkombinationen auf die Infrastruktur, den Verkehrsablauf und die Verkehrssicherheit liegt jetzt vor. Die Untersuchungen der Arbeitsgruppe der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) konzentrieren sich ausschließlich auf die technischen Fragestellungen. Die wesentlichen Ergebnisse: - Eine erhöhte Straßenschädigung ist wegen der zugrunde gelegten neuen Fahrzeugtypen mit acht Achsen nicht zu erwarten. Infolge der prognostizierten allgemeinen Transportleistungssteigerung ist dieser Effekt jedoch von begrenzter Dauer. - Die Beanspruchung der Brücken wird durch 60-Tonnen-Lastzugkombinationen deutlich erhöht, was Ersatz oder Verstärkungen erforderlich machen wird. - Für die Tunnel der Bundesfernstraßen können sich wegen des deutlich größeren Ladevolumens höhere Brandlasten ergeben, mit der Folge erhöhter Anforderungen an die Sicherheitsausstattung. - Probleme bei der Befahrbarkeit von Kreisverkehren, Straßenkreuzungen und -einmündungen sowie Parkplätzen auf Rastanlagen werden sich infolge der größeren Fahrzeuglängen ergeben. Durch zusätzliche fahrzeugtechnische Einrichtungen - wie Lenkachse oder zusätzliche Gelenke - können diese gemindert werden. - Nach den vorliegenden Erfahrungen aus dem Ausland sind für ausreichend motorisierte und mit zuverlässigen Bremsanlagen ausgerüstete Transportfahrzeuge keine gravierenden Probleme hinsichtlich des Verkehrsablaufs und der Verkehrssicherheit auf Autobahnen zu erwarten. Im nachgeordneten Straßennetz (insbesondere Landes-, Kreis- und Gemeindestraßen) ist mit negativen Auswirkungen der Lastzugkombinationen sowohl auf die Verkehrssicherheit als auch auf die Leistungsfähigkeit der Straßen zu rechnen. So muss beispielsweise mit längeren Überholwegen und längeren Räumzeiten - etwa beim Abbiegen und an Bahnübergängen - gerechnet werden. - Die derzeitigen Schutz- und Rückhaltesysteme sind nicht für 60-Tonnen-Lastzugkombinationen ausgelegt. Derartige Rückhaltesysteme müssten erst entwickelt werden. Aufgrund der höheren Fahrzeuggewichte könnte die Unfallschwere bei Auffahrunfällen deutlich zunehmen. Moderne Fahrerassistenzsysteme (Spurhalteassistent sowie Bremsassistent mit Abstandsradar) könnten jedoch grundsätzlich dazu beitragen, sowohl Unfallrisiko als auch Unfallschwere zu verringern.