Sonstige
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Bereits vor rund zwanzig Jahren wurde die Entwicklung einer bundeslandübergreifenden Erhaltungsstrategie für Verkehrsflächen und Ingenieurbauwerke auf Netzebene angegangen. Zwischenzeitlich sind hierfür Erfassungs- und Bewertungsverfahren erarbeitet worden und in Betrieb. Aufbauend auf den guten Erfahrungen, die mit den bestehenden Managementsystemen gemacht wurden, erscheint es somit folgerichtig für die bislang vernachlässigten sonstigen Anlagenteile der Straße ein eigenständiges Asset Management zu entwickeln. Um die hierfür notwendige Datengrundlage zu schaffen, wurde in dem vorliegenden Forschungsprojekt mittels Literaturrecherche und bundesweiter Befragung von Verantwortlichen Erhaltungskostensätze, Nutzungsdauern sowie Ausstattungsquoten für die sonstigen Anlagenteile " beispielsweise Lichtsignalanlagen oder Schutzeinrichtungen " erhoben. Die Ergebnisse der Umfrage fußten in der Festlegung von für ein Asset Management relevanten sonstigen Anlagenteile sowie einer Untergliederung dieser in einzelne Aggregate. An den jeweiligen Anlagenteilen/Aggregaten konnten dann Leistungen der Instandhaltung, Instandsetzung und Erneuerung definiert werden, die in Kombination mit den Nutzungsdauern und den Ausstattungsquoten eine Kalkulation der benötigten finanziellen Aufwendungen für die Erhaltung der sonstigen Anlagenteile ermöglichen. Weiterer Forschungsbedarf besteht von allem bei der Verbesserung und Verdichtung der Datengrundlage sowie die Umsetzung in einem Computer-Programm nach dem Prinzip des PMS und BMS.
Intelligente Bauwerke - Anforderungen an die Aufbereitung von Messgrößen und ihrer Darstellungsform
(2015)
Ziel des Forschungsvorhabens FE 15.0548/2011/GRB war die Ausarbeitung einer Konzeption zu Anforderungen an die Aufbereitung und Verarbeitung von Messgrößen und ihrer Darstellung. Dies beinhaltete die Evaluierung und Entwicklung verschiedener modellbasierter und statistischer Analyseverfahren, die über den bisherigen Stand der Technik der Bauwerksüberwachung hinausgehen. Der Nutzen liegt in der Herausfilterung relevanter Informationen aus umfangreichem Datenmaterial (Vor-Aggregation) sowie der Erzeugung von belastbaren Zustandsinformationen bzw. Vorergebnissen hierzu durch eine frühzeitige, leistungsfähige Plausibilisierung. Es wurde gezeigt, dass durch den Einsatz von leistungsfähigen, gedächtnisbehafteten, selbstlernenden Algorithmen für die Sensorfusion, Interpolation, Plausibilitätserhöhung und Treffen fachtechnischer Monitoringaussagen Ergebnisse erzielt werden können, die bezüglich der Verarbeitung von Mess- und Erfassungsdaten weit über den aktuellen Stand beim Brückenmonitoring hinausgehen. Anhand mehrerer Szenarien, für die reale Erfassungsdaten zur Verfügung standen, wurde gezeigt, dass diese Verfahren sehr zuverlässig verschiedenste Signalstörungen, wie Messausreisser, erhöhtes Rauschen und Brummeinstreuung erkennen können. Nur durch die frühzeitige und zuverlässige Plausibilisierung von Sensordaten von Brückenbauwerken kann verhindert werden, dass offensichtlich fehlerhafte Messwerte (wie z.B. Messausreisser, störungsbehaftete Messungen) zu falschen Vorhersagen der Systemzuverlässigkeit von Brückenbauwerken durch rechnergestützte Systemmodelle führen.
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.
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 RPE Stra 01 effektive Hilfestellung bei der systematischen Erhaltungsplanung auf Projekt- und Netzebene leisten kann.
Als wichtiger Teil der Infrastruktur ist es Aufgabe der Straße, durch ein einheitlich gutes Qualitätsniveau die Mobilität zu sichern und damit die Voraussetzungen für wirtschaftliche Entwicklungsmöglichkeiten zu gewährleisten. Durch die ungünstige Verteilung der Altersstruktur, die kontinuierlich zunehmende Verkehrsbelastung, insbesondere des Schwerlastverkehrs, sowie knappe finanzielle Ressourcen kann diese Aufgabe jedoch nur noch durch eine systematische Straßenerhaltung und die netzweite Optimierung der Erhaltungsplanung erfüllt werden. Mit der Entwicklung und Einführung der Richtlinien für die Planung von Erhaltungsmaßnahmen an Straßenbefestigungen (RPE-Stra 01), der koordinierten Erhaltungsplanung (KEP) von Fahrbahn und Bauwerken sowie der regelmäßigen bundesweiten Zustandserfassung und -bewertung (ZEB) sind bereits wesentliche Voraussetzungen und Grundlagen hierfür geschaffen worden. Ein weiterer Schritt in Richtung Optimierung der Erhaltungsplanung ist die Entwicklung und Anwendung der Management Systeme PMS und BMS. Das für die Fahrbahnen entwickelte Pavement Management System (PMS) unterstützt einerseits bereits wesentlich die mittelfristige Erhaltungsplanung der Bundesländer und kann andererseits den Bedarf an Erhaltungsmitteln durch einen Vergleich verschiedener Szenarien abschätzen und sehr anschaulich verdeutlichen. Die kontinuierlich zunehmende Anzahl notwendiger Erhaltungsmaßnahmen erfordert künftig jedoch noch weitere Strategien, die insbesondere auf verkehrlich hoch belasteten Strecken die baustellenbedingten Verkehrsbehinderungen möglichst gering halten.
Ein Großteil der Brückenbauwerke in Deutschland hat in Anbetracht der üblichen Nutzungsdauer von 100 Jahren über die Hälfte dieser Zeitspanne überschritten. Zur Wahrung der Sicherheit müssen sämtliche Brückenbauwerke in festgelegten Intervallen geprüft werden. Hierbei wird der IST-Zustand ausgewertet und entsprechend RI-EBW-PRÜF beurteilt, um eine optimale Instandhaltungsstrategie ausarbeiten zu können. Ziel des Forschungsvorhabens ist es, Modelle der Schadensumfangsentwicklung von häufigen Schäden an Brücken zu erarbeiten und ein Prognoseverfahren für die Zustandsentwicklung von Brückenbauwerken zu konzipieren und damit die statische Bewertung nach RI-EBW-PRÜF um die dynamischen Schädigungsmodelle zu erweitern. Dafür ist es notwendig, die Änderung der Daten aus den Bauwerksprüfungen, die dem Algorithmus zur Berechnung der Zustandsbewertung zu Grunde gelegt werden, mit den Modellen der Schadensumfangsentwicklung für künftige Zeitpunkte vorher zu bestimmen. Hierfür werden Ingenieurmodelle und probabilistische Modelle gewählt: Die S-Shape-Funktionen und Markov-Ketten bzw. -Prozesse, welche anhand von Realdaten und durch Berechnung mit Schädigungsmodellen validiert werden, erweisen sich hierfür als äußerst produktiv. Für beide Modelle werden grundlegende Untersuchungen durchgeführt und gezeigt, dass ein Zusammenhang zwischen den Modellen besteht. Es offenbart sich, dass S-Shape-Funktionen das Potential haben als erste Einschätzung für die Zustandsentwicklung einer Brücke herangezogen zu werden. Zur Anwendung der Markov-Ketten werden Daten aus SIB-Bauwerke aus Nordrhein-Westfalen und Thüringen ausgewertet. Da das zur Verfügung gestellte Datenfeld zu gering ist, werden Optimierungsverfahren und Möglichkeiten geprüft, den Bestand künstlich zu erweitern. Darauf aufbauend kann gezeigt werden, dass eine Optimierung des Verfahrens unter Berücksichtigung kürzerer Prüfintervalle möglich ist. Das Konzept für ein Modell der Schadensumfangentwicklung ist damit komplett.
Für den in den vergangenen Jahren stark wachsenden Radwegebestand sollten die weitgehend noch fehlenden Verfahrensgrundlagen einer systematischen baulichen Erhaltung erarbeitet werden. Untersuchungsgegenstand waren dabei Radwege mit Asphalt-, Beton- und Pflasterdecken sowie wassergebundenen Decken in Baulast des Bundes. Die Ziele der baulichen Erhaltung bestehen bei den Radwegen ähnlich wie bei Fahrbahnen in der Gewährleistung einer angemessenen Verkehrssicherheit und Befahrbarkeit sowie in einer rechtzeitigen wirtschaftlichen Substanzerhaltung. Als Zustandsmerkmale zur umfassenden Beschreibung der für die Zielkriterien relevanten Schäden und Mängeldienen die vertikalen Schwingbeschleunigungen (Effektivwert in m/s-² pro m) oder die Höhenlängsprofile (pro cm) zur Kennzeichnung der Längsebenheit sowie Risse und sonstige Oberflächenschäden zur Beschreibung des Substanzzustands. Die Substanzmerkmale werden ebenso wie konstruktiv bedingte Mängel (überstehende/abgesackte Einbauten, Bordsteine, Wurzelhebungen) im 1-m-Raster ausgewertet. Das für die Zustandserfassung auf Basis vorliegender in- und ausländischer Erfahrungen entwickelte Messfahrrad ermöglicht mit Elektrounterstützung (Pedelec) eine weitgehend konstante Fahrtgeschwindigkeit von 25 km/h und eine Tagesbefahrungsleistung ≥ 50 km. Aufgezeichnet werden digitale Videos, GPS-Tracks, die vertikale Schwingbeschleunigung (mit Beschleunigungsaufnehmer) und Tonsignale für besondere Markierungen. Bei der Zustandsbewertung werden die für homogene Auswerteabschnitte ermittelten dimensionsbehafteten Zustandsgrößen in dimensionslose Zustandswerte (Noten von 1 bis 5) überführt, um eine Verknüpfung unterschiedlicher Merkmale zum Gebrauchs- und Substanzwert zu ermöglichen. Der Gebrauchswert, der für die Zielkriterien Sicherheit und Befahrbarkeit steht, entspricht bei Radwegen dem Zustandswert der vertikalen Schwingbeschleunigung. Beim Substanzwert werden vereinfachend nur die Risse mit den zusammengefassten restlichen Schäden ("Restschadensfläche") verknüpft. Die mitgeführten Informationen zu den konstruktiv bedingten Mängeln dienen nur zur Steuerung des Erhaltungsgeschehens. Für die Erhaltungsplanung werden zusätzlich zu den Ergebnissen der Zustandserfassung/-bewertung und den Netzkenngrößen mindestens noch die Radwegbreiten, die Deckschichtarten sowie grobe Angaben zum Befestigungsaufbau (standardisiert/nicht standardisiert) und zum Deckenalter benötigt. Derzeit müssen die Daten im Regelfall in einer lokalen Datei für die Erhaltungsplanung vorgehalten werden, die bezüglich der Netzdaten häufig mit der jeweiligen Straßendatenbank abgestimmt werden sollte. Aus den homogenen Auswerteabschnitten dieser Datei werden längere Erhaltungsabschnitte gebildet. Danach können Bereiche ausgesondert werden, für die punktuelle/kleinflächige Maßnahmen der baulichen Unterhaltung zur Beseitigung örtlicher Schäden bzw. konstruktiv bedingter Mängel oder auch Sondermaßnahmen(z. B. bei Wurzelhebungen) zweckmäßig sind. Der Bedarf an Instandsetzungen und Erneuerungen kann auf Basis von Mängelklassen, die ab Zustandswerten von 3,5 (Warnwert) mit Hilfe von Bestands- und Zustandskonstellationen abgrenzbar sind, in ein erstes einfaches, nach Dringlichkeiten sortiertes Erhaltungsprogramm überführt werden. Zuvor kann eine Zustandsfortschreibung mit pragmatisch festgelegten Verlaufsfunktionen erfolgen. Die Kostenwerte für die Instandsetzungs- und Erneuerungsmaßnahmearten für Radwege sind derzeit noch in Analogie zur Fahrbahnerhaltung abgeschätzt. Die ausgearbeiteten Verfahren zur Bewertung der Maßnahmenutzen und zur netzweiten Optimierung von Maßnahmealternativen sind auch für kleine Radwegenetze letztlich nur mit einem IT-Verfahren ("PMS-Radwege") umsetzbar. Im Projektablauf waren vielfach zeitintensive grundlegende Analysen erforderlich. Es ist jedoch gelungen, ein Verfahren zu entwickeln und durch Tests zur Anwendungsreife zu bringen, das auf dem naheliegenden Fahrzeug für die Zustandserfassung von Radwegen, dem Fahrrad, basiert. Auch aufgrund einer sehr eingeschränkten Verwendbarkeit von Daten aus vorliegenden netzweiten Erfassungen sind zur Überprüfung und Verifizierung der entwickelten Verfahren insbesondere zur Erfassung und Auswertung der vertikalen Schwingbeschleunigung wie auch zur Erhaltungsplanung weitere Untersuchungen und Sensitivitätsanalysen erforderlich.
Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens sollte untersucht werden, inwiefern die Arbeitsabläufe des Straßenbetriebsdienstes (ausgenommen Winterdienst sowie Wartung von Brücken und Tunneln) effizienter und effektiver gestaltet werden können. Eine Gliederung der zum Straßenbetriebsdienst zugehörigen Arbeitsaufgaben an den Straßen lässt sich im Leistungsheft für den Straßenbetriebsdienst auf Bundesfernstraßen (2004) finden. Die dort aufgeführten Leistungsbereiche sind allerdings ergebnisorientiert und nicht ausführungsorientiert beschrieben, d. h., auf Arbeitsweisen und einzusetzende Fahrzeuge und Geräte wird nicht eingegangen. Das Forschungsvorhaben machte genau diese Aspekte zum Untersuchungsgegenstand. Ziel des Vorhabens war es, ausgehend von aus Literatur- und Feldanalysen gewonnenen Erkenntnissen, Empfehlungen für optimierte Arbeitsabläufe, einen verbesserten Technikeinsatz bzw. Auslastung von Fahrzeugen und Maschinen für den Sommerdienst in Autobahn- und Straßenmeistereien auszusprechen. Bei den hierfür notwendigen Untersuchungen sollten auch ergonomische Gesichtspunkte beachtet werden, sodass die dort gewonnenen Erkenntnisse in die Gestaltungsvorschläge eingebracht werden können. Nach einer Literaturanalyse wurden in 15 Meistereien Grobanalysen und in 10 Meistereien Feinanalysen durchgeführt. Anhand der Grobanalysen wurden 12 Untersuchungsschwerpunkte bestimmt, für die mittels der Feinanalysen Optimierungspotenziale und entsprechende Empfehlungen hinsichtlich Arbeitsabläufen, Arbeitsorganisation, Technikeinsatzes und Ergonomie ausgearbeitet wurden. Empfehlungen kurzfristiger Natur, die sich durch einen geringen Umsetzungsaufwand auszeichnen, wurden im Rahmen eines Pilotprojektes in drei Autobahnmeistereien testweise zur Anwendung gebracht und anschließend gemeinsam mit den jeweiligen Meistereien bewertet. Die gewonnenen Erkenntnisse wurden daraufhin bei der Ausarbeitung praxisgerechter Gestaltungsvorschläge berücksichtigt. Als Ergebnis stehen Gestaltungsvorschläge in verdichteter Form für die betrachteten Analyseschwerpunkte, die neben Umsetzungsmöglichkeiten auch Informationen zu angestrebten Zielen sowie evtl. zu berücksichtigenden Aspekten bieten. Des Weiteren wurden drei Produkte erarbeitet, die auf eine direkte Nutzung in der Praxis ausgerichtet sind. In einer Sammlung von Positivbeispielen werden Lösungen für den Betrieb von Meistereien vorgestellt, die in einzelnen Meistereien bereits vorhanden sind und sich in der Praxis bewährt haben. Ein entwickeltes Excel-Tool kann von Meistereien für das Anlegen und Pflegen eines Aufgabenpools genutzt werden. Um Meistereien bei der eigenständigen Erarbeitung eines Plans zur vorbeugenden Wartung und Pflege zu unterstützen, wurde eine entsprechende Hilfestellung erstellt. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass sich gerade im Straßenbetriebsdienst schnelle und zielgerichtete Prozesse nur durch eine gelungene Gestaltung der Belastungen für die Mitarbeiter erreichen lassen. Weiterhin spielen meistereiübergreifende Anliegen wie die Organisation bzgl. gemeinsam genutzter Fahrzeuge und Geräte sowie ein verstärkter Ausbau der Wissensweitergabe eine entscheidende Rolle für die Ausnutzung vorhandener Potenziale. Auf all diese Faktoren wird in den Projektergebnissen Bezug genommen.
Der vorliegende Bericht beschreibt Konzepte für eine intelligente Brücke auf der Grundlage einer zuverlässigkeitsbasierten Zustandsbewertung unter Berücksichtigung von Bauwerksinformationen, welche aus Prüfungen, Inspektionen und Überwachung gewonnen werden. Das Brückensystem wird durch ein Modell beschrieben, welches den zentralen Teil des Konzeptes darstellt. Das Modell wird in Schädigungsmodelle und ein Tragwerkssystem-Modell unterteilt. Dieses Modell wird a-priori durch die Eingangsdaten (welche etwa die Geometrie, die Materialien und die Verwendung der Brücke beschreiben) charakterisiert. Aus diesen ergeben sich dann auch die Ausgangsmodelle. Um die signifikanten Streuungen und Unsicherheiten adäquat abzubilden sind diese Modelle probabilistisch. Das Modell liefert eine sich kontinuierlich ändernde probabilistische Zustandsbewertung. Die Zustandsbewertung gibt eine Aussage über den Zustand und die Zuverlässigkeit des Brückensystems und seiner Bauteile und dient als Grundlage für die Planung und die Optimierung von Maßnahmen. Die Verwendung von Resultaten aus Inspektionen, Prüfungen und Überwachungen erfolgt durch eine Aktualisierung der Modellparameter. Die Aktualisierung beruht auf der Methode der Bayes'schen Aktualisierung und wird auf der Grundlage der entwickelten Klassifizierung der Bauwerksinformationen mit entsprechenden Methoden durchgeführt. Dieses Verfahren erlaubt es, alle Informationen in konsistenter Weise in ein einziges Modell einfließen zu lassen. Dabei wird die Genauigkeit und Aussagekraft der gewonnenen Daten und Beobachtungen explizit berücksichtigt. Durch die Aktualisierung der Modellparameter unter Berücksichtigung von Systemeffekten wird die Zustandsbewertung der Bauteile und des Brückensystems aktualisiert. Das ermöglicht die Planung und die Optimierung von Maßnahmen unter Berücksichtigung der Bauwerksinformationen. Auf diese Weise wird die intelligente Brücke mit Inspektionen und Überwachungen zu einem adaptiven System, welches sich Veränderungen anpassen kann.
Das Längsebenheitsauswerteverfahren "Bewertetes Längsprofil (BLP)" soll für die turnusmäßige Zustandserfassung/ -bewertung und für bauvertragliche Zwecke angewendet werden. Zur Absicherung dieser Anwendungsoptionen sollen Feinabstimmungen des BLP für den Wellenlängenbereich und die Welligkeit sowie für Ziel-, Abnahme-, Warn- und Schwellenwert erfolgen. Als zusätzliche Überprüfung waren neben Vergleichsanalyse mit dem "International Roughness Index" (IRI) und dem österreichischen BLP-Verfahren auch Praxiserprobungen auf ausgewählten Straßen unter Einbeziehung der zuständigen Straßenbauverwaltungen der Länder vorgesehen. Darüberhinaus sollten die Ergebnisvorschlaege zum BLP für die Gesamtnetze der ZEB 2005/2006 der Bundesautobahnen und die ZEB 2007/2008 der Bundesstraßen angewendet werden. Im Ergebnis sollte ein im Vergleich zum bisherigen Bewertungsverfahren deutlich verbesserter Ebenheitsindex für bauvertragliche Zwecke und für die ZEB zur Verfügung stehen. Für die Feinabstimmung des BLP konnte auf vorliegende Daten sowie auf Daten eines "Untersuchungskollektivs I" mit Streckenabschnitten im Neubauzustand beziehungsweise innerhalb der Gewährleistungsfrist ("AGB-Strecken") und Streckenabschnitten mit mittelmäßigem/schlechtem Erhaltungszustand ("ZEB-Strecken") zurückgegriffen werden, an den größtenteils Zweifachmessungen der Längsprofildaten durch die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) erfolgten. Nach den Feinabstimmungen zum BLP ist ein gutes Längsebenheitsauswerteverfahren für eine umfassende und ortsgenaue Bewertung der Unebenheitscharakteristik verfügbar. Das entwickelte Bewertungskonzept erscheint plausibel und für die ZEB der Bundesfernstraßen anwendungsreif. Die abgeleiteten Abnahme- und Gewährleistungswerte für bauvertragliche Zwecke müssen noch abgestimmt werden.