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Dieser Bericht beschreibt ein Systemmodell für eine integrale Ermittlung und Prognose der Schadens- und Zustandsentwicklung der Elemente eines Brückensystems unter Berücksichtigung von Ergebnissen aus Inspektionen und Überwachung. Das Systemmodell wurde anhand eines ausgesuchten Spannbetonüberbaus in einzelliger Kastenbauweise entwickelt. Es besteht aus zwei integralen Teilmodellen: ein Modell zur Beschreibung des Systemschädigungszustandes und ein Modell zur Beschreibung der Standsicherheit. Für die Modellierung des stochastischen Systemschädigungszustandes eines Brückensystems werden dynamische Bayes'sche Netze (DBN) vorgeschlagen. Dieser Ansatz ermöglicht es, alle relevanten Schädigungsprozesse und deren stochastische Abhängigkeiten zu berücksichtigen. Ein wesentlicher Vorteil dieses Ansatzes ist es, dass DBN ideal dafür geeignet sind, Bayes'sche Aktualisierungen auf Grundlage von Informationen aus Inspektionen und Überwachungsmaßnahme auf eine effiziente und robuste Art und Weise durchzuführen. Der DBN-Ansatz ist deshalb für die Entwicklung von Software für das Erhaltungsmanagement von alternden Brückenbauwerken, die vom Benutzer keine vertieften Kenntnisse der Zuverlässigkeitstheorie verlangt, ideal geeignet. Für die Modellierung der Standsicherheit eines alternden Kastenträgers wird vereinfachend Biegeversagen des globalen Längssystems betrachtet. Zur Berechnung der maximalen Traglast eines Kastenträgers infolge des Systemschädigungszustandes wird ein plastisch-plastisches Verfahren eingesetzt, wobei die Beanspruchungen mittels der Fließgelenktheorie unter Ausnutzung der plastischen Beanspruchbarkeit der Querschnitte des Kastenträgers ermittelt werden. Ein Kastenträger versagt, wenn sich durch die Ausbildung einer ausreichend großen Anzahl von Fließgelenken eine kinematische Kette ausbildet. Dieser Modellierungsansatz berücksichtigt Redundanzen, die sich aus der plastischen Beanspruchbarkeit der Querschnitte und der statischen Unbestimmtheit eines Kastenträgers ergeben. Zum Nachweis der praktischen Einsetzbarkeit des entwickelten Systemmodells wurde ein Software-Prototyp entwickelt, der eine intuitiv benutzbare graphische Benutzeroberfläche (Front-End) mit einem Berechnungskern (Back-End) koppelt. Die aktuelle Version des Software-Prototyps implementiert ein Modell der chloridinduzierten Bewehrungskorrosion und ein Tragwerksmodell, welches das Verfahrens der stetigen Laststeigerung zur Bestimmung der maximalen Traglast des Kastenträgers auf der Grundlage eines Finite-Elemente-Modells umsetzt. Zur Durchführung von Bayes'schen Aktualisierungen des Systemschädigungszustandes auf der Grundlage des DBN-Modells implementiert der Prototyp den Likelihood-Weighting-Algorithmus. Die entwickelte Architektur des Prototyps ermöglicht eine Erweiterung der Software um weitere Schädigungsprozesse. Der entwickelte Software-Prototyp ermöglicht Benutzern ohne vertiefte Kenntnisse der Zuverlässigkeitstheorie eine Berechnung des Einflusses von Bauwerksinformationen auf den Systemschädigungszustand und die Tragsicherheit eines Kastenträgers. Auf dieser Grundlage können effiziente Inspektions- und Überwachungsmaßnahmen identifiziert und das Erhaltungsmanagement optimiert werden.
Im Rahmen des Forschungsprogramms "Innovationsprogramm Straße" wurden vom Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS) die folgenden drei Projekte zum Thema "Adaptive und intelligente Brücken der Zukunft" gefördert: - "Adaptive Tube-in-Tube Brücken", - "Roadtraffic Management System", - "Adaptive Spannbetonstruktur mit lernfähigem Fuzzy-Regelungssystem". Im Rahmen des Projektes "Adaptive Spannbetonstruktur mit lernfähigem Fuzzy-Regelungssystem" wurde ein adaptiv vorgespanntes System zur Erzielung eines sich an Beanspruchungsänderungen selbstanpassenden Betontragwerks entwickelt. Durch die Adaptivität werden kritische Beanspruchungszustände vermieden und Verformungen reduziert. Bei der entwickelten adaptiven Spannbetonstruktur werden relevante Tragwerksreaktionen mit einem Sensorsystem erfasst und als Eingangsgrößen an ein lernfähiges Regelungssystem übergeben. Das Regelungssystem ermittelt Stellsignale entsprechend der je nach Beanspruchungszustand erforderlichen Vorspannkraft. Die erforderliche Änderung der Vorspannkraft wird von einem Stellantrieb vorgenommen. Die Funktionsfähigkeit der adaptiven Spannbetonstruktur wurde anhand von Versuchen an zwei Prototypen - einer Aluminiumtraverse und einem Spannbetonbalken - unter Beweis gestellt. Die Verformungsminimierung bzw. Spannungshomogenisierung als Zielsetzung der Regelung wurde dabei effektiv erreicht. Die Versuchsergebnisse verdeutlichen das Potenzial der adaptiven Vorspannung für die Anwendung im Brückenbau.
Der Bericht enthält die Ergebnisse einer Machbarkeitsstudie für das von der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) vorgeschlagene System zur Informationsbereitstellung und ganzheitlichen Bewertung in Echtzeit für Brückenbauwerke, welches im Rahmen des Themenschwerpunkts "Intelligente Bauwerke" entwickelt werden soll. Das System soll auf Grundlage von während einer Bauwerksüberwachung erfassten Messgrößen Informationen wie z. B. Bauwerksschäden feststellen und diese bei der Bewertung des Bauwerks einbeziehen. Zu Beginn des Berichts werden die grundlegenden Komponenten von Überwachungssystemen erläutert: Diese bestehen aus (1) einer Komponente zur Datenakquisition, die die Sensoren sowie Techniken zur Übertragung, Erfassung und Speicherung der Messdaten umfasst, (2) einer Komponente zur Gewinnung von Informationen aus den Messdaten und (3) einer Komponente zur Bewertung des Bauwerkszustands. Einen weiteren Schwerpunkt des Berichtes bildet die Darstellung von Konzepten, die bei Überwachungsmaßnahmen in anderen Ingenieurdisziplinen zum Einsatz kommen. Diese werden hinsichtlich ihrer Übertragbarkeit auf den Brückenbau beurteilt. Darüber hinaus werden Anforderungen an die einzelnen Komponenten eines Systems zur Informationsbereitstellung und Bewertung definiert, wobei die Datenakquisition, die Modellierung von Brückenbauwerken sowie die Integration des Systems in das Erhaltungsmanagement im Vordergrund stehen. Im Rahmen einer Anwendungsanalyse werden Konzepte zur Identifikation und Überwachung der im Brückenbau relevanten Schäden aufgezeigt. Darüber hinaus wird die Umsetzbarkeit des geplanten Systems zur Informationsbereitstellung und Bewertung unter Berücksichtigung derzeitig und zukünftig einsetzbarer Technologien beurteilt. Anhand von Beispielen werden einige Möglichkeiten der Bauwerksüberwachung veranschaulicht. Abschließend werden Vorschläge zur Fortführung des Themenschwerpunkts "Intelligente Bauwerke" unterbreitet.
Im Rahmen des Forschungs- und Entwicklungsvorhabens werden Überwachungskonzepte, die tragfähigkeitsrelevante Verstärkungen von Brückenbauwerken aus Beton dauerhaft überwachen und beurteilen sollen, entwickelt. Die praktische Umsetzung des Konzeptes erfolgt anhand einer Pilotanwendung. Die konzeptionellen Arbeitsschritte umfassen die Vorstellung der tragfähigkeitsrelevanten Verstärkungsverfahren, die sich in der Praxis bewährt haben. Diese werden zusammengestellt und hinsichtlich der Anforderungen und Bedingungen für eine geeignete Überwachung analysiert. Daran anschließend werden die für eine Dauerüberwachung von Verstärkungsmaßnahmen geeigneten Sensoren dargestellt und für die wesentlichen Verstärkungsverfahren in Diagrammen zusammengefasst. Den Kernpunkt des Überwachungssystems stellt die Merkmalsextraktion und Diagnose aus den Messdaten dar. Dazu werden das Leistungsspektrum und die Unterschiede physikalischer und nichtphysikalischer Modelle unter Angabe von Vor- und Nachteilen analysiert. Auf der Grundlage der vorherigen Arbeitsschritte wird ein geeignetes Überwachungskonzept für die konkrete Umsetzung entwickelt und im Anschluss an der Talbrücke Germinghausen im Zuge der BAB 45 umgesetzt. Die Beurteilung der Funktion und Zuverlässigkeit des Überwachungssystems erfolgt dabei anhand der Wirksamkeit der vorhandenen Stahllaschen, der Effektivität bzw. Wirksamkeit der zusätzlichen externen Vorspannung, des Einflusses der zusätzlichen externen Vorspannung auf die vorhandenen Stahllaschen, sowie der dauerhaften Funktionsfähigkeit der zusätzlichen externen Vorspannung. Die Grundlage der Messdatenanalyse bildet der Vergleich von Messwerten innerhalb definierter Referenzzustände vor und nach der Verstärkung auf Basis der Regressionsanalyse. Insgesamt kann mit der Pilotanwendung gezeigt werden, dass sich das im Vorfeld erarbeitete Konzept unter Berücksichtigung der dargestellten Randbedingungen und vorgenommenen Anpassungen als geeignete Methode zur Überwachung und qualitativen Bewertung der Verstärkungsmaßnahme bewiesen hat.
Der Bericht enthält die Beurteilung von schädigungsrelevanten Einwirkungen und Schädigungspotenzialen von Betonbrücken sowie deren Erfassung am Bauteil mithilfe aussagekräftiger Parameter und geeigneter Sensoren im Rahmen des Themenschwerpunkts "Intelligente Bauwerke" der BASt. Die Grundlage zur Beurteilung von Schädigungspotenzialen bildet die Auswertung tatsächlich aufgetretener Schäden an Stahlbeton- und Spannbetonbrücken (97.662 Schäden an 3.474 Brücken). Neben der Aufbereitung der chronologischen Entwicklung von Vorschriften und Normen für den Bau von Brücken wurden Schäden infolge von Planungs- und Entwurfsfehlern, sowie Ausführungsfehlern analysiert. Den Schwerpunkt des Berichts bilden die Darstellung und Bewertung von Schädigungspotenzialen getrennt für die Widerstandsseite(auffällige Bauteile/Konstruktionen) sowie für die Einwirkungsseite (relevante Einwirkungen). Bauteile und Konstruktionen werden dazu im Hinblick auf die Merkmale Standsicherheit, Dauerhaftigkeit und Verkehrssicherheit untersucht. Darüber hinaus werden maßgebende Einwirkungen aus den Umweltbedingungen und insbesondere die Einwirkungen infolge des (Schwer-)Verkehrs bewertet. In einem weiteren Arbeitsschritt werden geeignete Schädigungsmodelle zur Beschreibung bekannter Schädigungsprozesse bei Brücken aus Stahl- und Spannbeton dargestellt und die modellspezifischen Einflussgrößen detailliert aufbereitet. Die Darstellung relevanter Parameter zur Erfassung von Einwirkungen und Schäden an Brückenbauwerken, sowie die Erfassung dieser Parameter mit geeigneten Sensoren bilden einen weiteren Schwerpunkt des Projektes. Darüber hinaus werden die Grundlagen eines Datenerfassungssystems dargestellt und abschließend Genauigkeits- und Häufigkeitsbereiche für die Datenerfassung und die Möglichkeiten der Sensorplatzierung aufgezeigt. Die Zusammenstellung der Ergebnisse erfolgt in Form eines Handbuchs.
Vor dem Hintergrund des stetig anwachsenden Güterverkehrs und der bestehenden Altersstruktur der Brückenbauwerke ist die Verstärkung von Stahlbeton- und Spannbetonbrücken von zunehmender Bedeutung für die Straßenbauverwaltungen. In dem vorliegenden Sachstandsbericht werden zunächst Ursachen aufgezeigt, die eine Verstärkungsmaßnahme erforderlich machen können. Die praxisrelevanten Verstärkungsmethoden werden dargestellt und in Bezug auf ihre Anwendbarkeit differenziert. Auf mögliche Einschränkungen bei der Anwendbarkeit der Verfahren wird eingegangen. Im Weiteren wird der Erfahrungsstand ausgewählter Straßenbauverwaltungen der Länder bezüglich durchgeführter Verstärkungsmaßnahmen betrachtet. Es wird untersucht, welche Schadensfälle hauptsächlich eine Verstärkungsmaßnahme erforderlich machen und welche Verstärkungsmethoden vorzugsweise eingesetzt werden. Eine differenzierte Betrachtung zeigt, dass sich einzelne Verstärkungsmethoden für bestimmte Anwendungsfälle bewährt haben. Anhand analysierter Spannbetonbrücken werden Klassifizierungs- und Beurteilungskriterien aufgestellt und auf ihre Anwendbarkeit geprüft. Ziel ist die Zuordnung der Schadensfälle zu bestimmten Bauwerkseigenschaften. Abschließend werden Verfahrensmuster für mögliche Verstärkungsverfahren dargestellt. Anhand schematischer Abbildungen können dem Bauwerk in Abhängigkeit des Baujahrs mögliche bzw. wahrscheinliche Schadensfälle zugeordnet werden. Die Wahl eines geeigneten Verstärkungsverfahrens kann in Abhängigkeit des Schadensfalls anhand weiterer Diagramme erfolgen.
Aufgabe des Forschungsvorhabens war es, mit Hilfe empirischer Untersuchungen (Unfallanalysen, Verhaltensbeobachtungen) und mit Modellrechnungen zur Leistungsfähigkeit aufzuzeigen, wie bestimmte Arten der Führung und Behandlung geradeausfahrender Radfahrer an Knotenpunkten im Verlauf städtischer Hauptverkehrsstraßen einzuschätzen sind. Die untersuchten Fragestellungen betreffen - die Markierung beziehungsweise Aufpflasterung von Radwegen an Einmündungen von Erschließungsstraßen mit Wartepflicht, - das Maß der Absetzung von Radfahrerfurten vom Rand der übergeordneten Straße an Knotenpunkten ohne beziehungsweise mit Lichtsignalanlage, - die Führung geradeausfahrender Radfahrer an freien Rechtsabbiegerfahrbahnen mit Dreiecksinseln und - die Führung der Radfahrer an großen Kreisverkehrsplätzen. Aus den gewonnenen Erkenntnissen werden Empfehlungen zur Radverkehrsführung an Knotenpunkten abgeleitet, die auf einer Abwägung zwischen verschiedenen Zielfeldern und Nutzungsansprüchen beruhen (Verkehrssicherheit, Verkehrsqualität für Kraftfahrzeug- und Radverkehr, Leistungsfähigkeit, stadtgestalterische Aspekte).
In dem vorliegenden Forschungsbericht wurden Sicherheitsaspekte von Straßenknoten in Städten untersucht. Gegenstand der Untersuchungen waren umgestaltete Knotenpunkte, bei denen Elemente der neuen Richtliniengeneration bereits baulich realisiert worden sind. Diese "Neuentwicklungen" beziehungsweise auch "Wiederentdeckungen" von Knotenpunktelementen beziehungsweise Knotenpunktformen, bei denen die Leichtigkeit des Verkehrsablaufes nicht als übergeordneter Gesichtspunkt vorangestellt ist, wurden nach fünf Typen unterschieden: - Knotenpunkte in Form von Kreisverkehrsplätzen, - Knotenpunkte mit Materialwechsel, - Knotenpunkte mit Niveauunterschied (Teilaufpflasterung), Knotenpunkte mit Mittelinseln anstelle der Linksabbiegespur (bei Erhaltung der Linksabbiegemöglichkeit), Knotenpunkte, bei denen die Rechtsabbiegespur, der Ausfahrkeil oder die Dreiecksinsel entfernt wurden (Eckausrundung für Rechtsabbieger). Die Untersuchungen erfolgten an insgesamt 12 Fallbeispielen aus dem Bereich höher belasteter Sammel-, Hauptsammel- oder Hauptverkehrsstraßen, wobei jeder Knotenpunkttyp zumindest zweimal besetzt war. Den Schwerpunkt der Untersuchungen zur Beurteilung der Verkehrssicherheit bildeten Analysen des Unfallgeschehens, die als Vorher-Nachher-Vergleiche durchgeführt wurden, so dass Aussagen über Veränderungen der Verkehrssicherheit vor und nach der Umgestaltung der Knotenpunkte möglich wurden. Daneben erfolgten Beobachtungen des Verkehrsablaufes, um die Ergebnisse der Unfallanalysen gegebenenfalls zu überprüfen und um auch Aussagen zu Sicherheitsaspekten zu ermöglichen, die sich bisher nicht im Unfallgeschehen widerspiegeln. Die Beschreibungsgrößen zum Verkehrsablauf wurden durch Erhebungen der Verkehrsstärke, Geschwindigkeitsmessungen und Video-Beobachtungen des Interaktionsverhaltens ermittelt. Neben generellen Verbesserungen im Sinne der städtebaulichen Integration aufgrund der Umgestaltungsmaßnahmen zeigen die Untersuchungsergebnisse überwiegend günstige Entwicklungen der Verkehrssicherheit und einen durchweg störungsarmen Verkehrsablauf. Aufgrund erheblicher Gestaltungsunterschiede typgleicher Knotenpunkte muss die Interpretation der Untersuchungsergebnisse jedoch auf den Einzelfall bezogen bleiben.
In einer Quer-/Längsschnittstudie wurde die Fahrradhelmnutzung und deren Determinanten an zwei Schülerkohorten und weiteren Kontrollgruppen in zwei Befragungswellen in den Jahren 2000 und 2003 untersucht. Die Studie soll klären, inwiefern der zu beobachtenden altersbezogene Rückgang der Helmtragequote ein Resultat eines Alterseffekts oder eines Generationseffekts darstellt. Darüber hinaus sollen wesentliche Einflussgrößen der Fahrradhelmnutzung in den untersuchten Altersstufen identifiziert werden. In mehreren Schulen der Stadt Dortmund wurden persönliche Interviews mit Schülern und Lehrern sowie schriftliche Befragungen der jeweiligen Eltern durchgeführt. In jeder Befragungswelle wurden Schüler der ersten, vierten, fünften und achten Klassen untersucht. Ein Teil der im Jahr 2000 interviewten Kinder und Eltern wurde nochmals im Jahr 2003 befragt. Im Wesentlichen zeigte sich, dass der bundesweit regelmäßig sowie in dieser Studie zu beobachtende Rückgang der Helmtragequote mit zunehmendem Alter vor allem ab etwa 13 Jahren relevant wird und alters- nicht aber generationsbedingt ist. Als Haupteinflussfaktoren der Helmnutzung beim Radfahren konnten - Einstellung, Verhalten und Gebote der Eltern, - Einstellung und Verhalten der Peer Group, - die Helmgestaltung und -passung sowie - die persönliche Einstellung und Risikobereitschaft identifiziert werden. Die persönliche Einstellung zum Helmtragen wird durch - das Verhalten und die antizipierte Einstellung der Freunde zu Helmträgern, - das Modellverhalten von Begleitpersonen bei Radfahrten, - die Helmgestaltung und -passung sowie - bei jüngeren Kindern die Risikobereitschaft determiniert. Aus den Ergebnissen lassen sich " überwiegend sozial- und lernpsychologisch orientierte " Maßnahmen zur Steigerung der Helmtragequote ableiten.
Für dieses Forschungsvorhaben wurden ca. 2.000 im Verkehr zugelassene Fahrzeuge der Fahrzeugklassen M1/N1, die mit dem OBD-System ausgerüstet sind und ab 01.01.2006 erstmals zum Verkehr zugelassen wurden, im Rahmen der regelmäßigen technischen Überwachung (-§ 29 StVZO) bezüglich der Ergebnisse der OBD-Prüfung und der Endrohrmessung untersucht. Die Untersuchungen wurden dabei von nationalen Überwachungsinstitutionen ausgeführt. Die Prüfungen erfolgten exakt nach den Vorgaben, die in der AU-Richtlinie vom 07.05.2012 (Verkehrsblatt 2012, S. 330) festgelegt sind. Auch wenn gemäß der AU-Richtlinie nach Abfrage des OBD-Systems auf eine anschließende Endrohrmessung verzichtet werden konnte, wurde diese im Rahmen des Forschungsvorhabens zusätzlich durchgeführt. Die Untersuchungen wurden als zufällige Auswahl (tageweise Vollerhebung) und prinzipiell zu gleichen Teilen für Fahrzeuge mit Otto- und Dieselmotoren durchgeführt. Die Untersuchungen fanden im Zeitraum zwischen September 2012 und März 2014 statt. Es wurden die Ergebnisse von 975 Untersuchungen an Fahrzeugen mit Ottomotor sowie 921 Untersuchungen an Fahrzeugen mit Dieselmotor von FSD untersucht und ausgewertet. Untersuchungen mit unvollständigen Daten, nicht plausibler Dokumentationen, nichtbestandener Sichtprüfung, nicht herstellbarer Kommunikation zwischen dem AU-Gerät und dem Fahrzeug oder nicht vollständiger Prüfbereitschaftstests wurden für die weitere Auswertung, d. h. für den Vergleich der Ergebnisse der OBD-Abfrage und der Endrohrmessung verworfen. Die Auswertung erfolgte getrennt nach Diesel- und Ottomotor sowie Euro-Stufen. Damit wurde eine belastbare Datenbasis erarbeitet, die den Umfang von Abweichungen (in Bezug auf "bestanden" / "nicht bestanden") zwischen dem Ergebnis der Messung am Auspuff und der Abfrage des On-Board-Diagnosesystems aufzeigt.