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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.
Die als Pilotstudie gedachte Untersuchung stellt einen Versuch dar, aus den komplexen Wechselwirkungen zwischen Mensch, Umwelt und Fahrzeug diejenigen Einflussgrößen zu bestimmen, die das Unfallgeschehen wesentlich und langfristig bestimmen, Umfang und Intensität des Einflusses auf betroffene Verkehrsteilnehmergruppen einzugrenzen und Gesamteffekte abzuschätzen. Die Prognosen beziehen sich im Detail auf Verunglückte und Schwerverunglückte nach Straßenart, Unfallfolgen, Lebensalter und Unfallursachen. Als in besonderer Weise besorgniserregend wird die prognostische Entwicklung der Verunglücktenzahlen beim Kraftrad herausgestellt, wobei eine gravierende Reduktion wegen der Kopplung von hoher Geschwindigkeit, Ungeschütztheit und Risikofreudigkeit ohne unpopuläre, einschneidende Maßnahmen als kaum möglich erachtet wird.
Im Rahmen des Forschungsprojektes wurden Hochrechnungen und Analysen zum Fahrzeug- und Führerscheinbesitz, zur Verkehrsteilnahme und realisierten Verkehrsnachfrage sowie zum Unfallrisiko in der Bundesrepublik Deutschland in bisher nicht gekannter Breite und Tiefe erstellt. Die Arbeit behandelt alle Teilgruppen der deutschen und ausländischen Wohnbevölkerung und alle wesentlichen Aspekte des Verkehrsverhaltens und Unfallrisikos im nah- und Fernverkehr unter Einbeziehung sämtlicher Arten der Verkehrsbeteiligung. Neben einem detaillierteren Forschungsbericht, in welchem Methodik und Ergebnisse der Studie vorgestellt werden, liegt zusätzlich eine umfassende Tabellendokumentation vor, welche die vielfältigen Hochrechnungsergebnisse in tiefer sachlicher und zeitlicher Gliederung enthält. Das Werk beinhaltet neben einer Strukturbeschreibung des Verkehrs- und Unfallgeschehens in der Bundesrepublik Deutschland auch eine detaillierte Beurteilung der Veränderungen, die sich in diesem Bereich zwischen Mitte der siebziger und Mitte der achziger Jahre vollzogen haben. Im Rahmen des Forschungsprojekts wurden auch einige wesentliche methodische Fortschritte erzielt. So wurden vor allem die Stichproben- und Hochrechnungsverfahren der Verkehrsstatistik ganz entscheidend verbessert. Die erzielten Fortschritte werden in einem umfangreichen Methodenanhang zum Forschungsbericht ausführlich beschrieben. Insgesamt liegt mit der Studie erstmals ein statistisches Gesamtbild von Verkehrsmobilität und Unfallrisiko in der Bundesrepublik Deutschland vor.
Die laufenden Erhebungen am Unfallort im Raum Hannover werden seit 1984 nach einem theoretisch fundierten Stichprobenverfahren durchgeführt. Da die Stichprobe nicht "selbstgewichtend" (gleiche Erfassungschancen für alle Unfälle) ist, müssen in die Datenauswertung Gewichtungsfaktoren einbezogen werden. Die Notwendigkeit der Gewichtung resultiert einerseits direkt aus dem Erhebungsdesign und andererseits aus verfahrensbedingten Verzerrungen, durch welche vor allem schwere Unfälle in der Stichprobe überrepräsentiert sind. Es zeigt sich, dass durch eine Anpassung der gemeinsamen Verteilung der Merkmale Unfallschwere, Tageszeit und Ortslage an die entsprechende Verteilung der amtlichen Unfallstatistik für das Erhebungsgebiet eine wesentliche Verzerrungsreduktion und Genauigkeitsverbesserung bei den meisten Variablen erreicht werden kann. Nach dem Konzept der replikativen Stichproben lassen sich auch approximative Konfidenzintervalle für die zu schätzenden statistischen Maßzahlen (zum Beispiel Mittelwerte) berechnen. Dem Problem der Übertragbarkeit der Ergebnisse auf die Bundesrepublik Deutschland insgesamt wird breiter Raum gewidmet. Im Rahmen einer umfangreichen Fallstudie werden die vorgeschlagenen Auswertungs- und Hochrechnungsverfahren an praktischen Beispielen demonstriert.
The project UR:BAN "Cognitive assistance (KA)" aims at developing future assistance systems providing improved performance in complex city traffic. New state-of-the-art panoramic sensor technologies now allow comprehensive monitoring and evaluation of the vehicle environment. In order to improve protection of vulnerable road users such as pedestrians and cyclists, a particular objective of UR:BAN is the evaluation and prediction of their behaviour and actions. The objective of subproject "WER" is development support by providing quantitative estimates of traffic collisions at the very start and predict potential in terms of optimized accident avoidance and reduction of injury severity. For this purpose an integrated computer simulation toolkit is being devised based on real world accidents (GIDAS as well as video documented accidents), allowing the prediction of potential effectiveness and future benefit of assistance systems in this accident scenario. Subsequently, this toolkit may be used for optimizing the design of implemented assistance systems for improved effectiveness.
Standortkataster für Lärmschutzanlagen mit Ertragsprognose für potenzielle Photovoltaik-Anwendungen
(2015)
Lärmschutzwände an bundesdeutschen Fernverkehrsstraßen bieten ein beachtliches Energiepotenzial. In welchem Umfang war bisher nicht ausreichend untersucht. Es fehlen bisher jedoch Untersuchungen darüber, welcher Anteil dieser Anlagen für eine Photovoltaik-Nutzung geeignet ist. Auch fehlen die geeigneten Werkzeuge und Datengrundlagen, um die Eignung im Einzelfall und in der statistischen Übersicht zu analysieren und zu bewerten. Die Ergebnisse dieses Forschungsvorhabens liefern einen Beitrag, diese Lücken zu schließen. Mit diesem Forschungsvorhaben wurde zum ersten Mal ein für die BRD flächendeckendes Kataster der Lärmschutzeinrichtungen erstellt. Auf Grundlage des zu erstellenden Katasters von Lärmschutzeinrichtungen und sonstigen Barrieren an Straßen (Seiten- und Mittelbarrieren) wurden zudem Verfahren entwickelt, die die Standorteignung von Lärmschutzanlagen für Photovoltaikanlagen ermittelt. Die erfassten Informationen wurden in einem "Geografischen Informationssystem" (GIS) zusammengeführt, das nun der Fachabteilung als Arbeitsgrundlage dienen kann. Das entwickelte geografische Informationssystem beinhaltet Berechnungswerkzeuge, die es erlauben, Potenzialanalysen des Photovoltaikertrags an jedem Punkt des Straßenraums für Bundesfernstraßen durchzuführen. Dabei ist es möglich, Ertragsberechnungen sowohl für bestehende Lärmschutzeinrichtungen als auch für neue Standorte für die Zwecke der Ausbauplanung durchzuführen. Damit wird die Grundlage geschaffen, die private Investorenbeteiligung zu forcieren. Die Ergebnisse wurden so aufbereitet und zur Verfügung gestellt, dass ein Import der Ergebnisse in das "Bundesinformationssystem Straße" (BISStra) problemlos möglich ist. Die Ergebnisse des Forschungsvorhabens liefern entscheidende Grundlagen zur Beurteilung der multifunktionalen Nutzung von Lärmschutzanlagen und Barrieren im Straßennebenraum. Damit wird die Grundlage für weitere Planungen geschaffen. Bei Neuanlagen kann bereits in der Planungsphase die Photovoltaik-Eignung bewertet werden. Mit den erfassten Wildbarrieren besteht nun eine Datengrundlage, die es nachfolgenden Arbeiten erlaubt, den Bedarf für besondere Schutzmaßnahmen zur Verbesserung der Verkehrssicherheit und auch zum Schutz gefährdeter Arten oder Populationen abzuleiten.
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.
Der Brückenbau in Deutschland kann auf eine lange Tradition in der Überwachung der Bauwerke verweisen und die Entwicklung der Rechentechnik gestattet in immer komplexeren Strukturen die Verwaltung der Bauwerksdaten in Datenbanken. Verfügbare Programmsysteme wie zum Beispiel das Bauwerks Management System erlauben die Erfassung, Verwaltung und Auswertung der Bauwerksdaten. Die Entwicklung der Rechentechnik wird auch durch die Entwicklung der Messtechnik begleitet, so dass zunehmend intelligente Sensorik den Alltag begleitet. Eine automatisierte Messwerterfassung an Bauwerken und deren Auswertung wird Monitoring genannt. Heute existieren sowohl Monitoringsysteme, die sich durch die technische Ausstattung und entsprechende Auswerteverfahren auszeichnen, als auch jeweils getrennte Komponenten. Da schließt das Projektziel an, welches die Analyse der Möglichkeiten des Einsatzes von Monitoringsystemen zur Bewertung des Schädigungszustandes von Brücken für die Tragfähigkeit und die Restnutzungsdauer beinhaltet. Es wird eine Literaturanalyse hinsichtlich existierender Monitoringsysteme mit genannter Zielstellung angefertigt. Im Ergebnis wird festgestellt, dass es gegenwärtig keine Monitoringsysteme gibt, die explizite Aussagen zur Tragfähigkeit erlauben. Die gegenwärtigen Systeme zeigen globale Schädigungen auf und bewerten dann auf der Basis notenähnlicher Strukturen. Im Rahmen des Projektes wird eine Konzept für ein Monitoringsystem entwickelt, welches für konkrete Versagensszenarien - dem Festigkeitsversagen und der Ermüdung - quantifizierte aber unscharfe Aussagen zur Tragfähigkeit und Restnutzungsdauer für die untersuchte Brücke erlaubt. Der Abstand zum Versagen durch Übergang des Tragwerks in einen Bruchzustand (Tragfähigkeit) wird im konzipierten Monitoringsystem durch den Zuverlässigkeitsindex Beta und die Versagenswahrscheinlichkeit Pf beschrieben. Die Restnutzungsdauer bei Tragfähigkeitsminderungen ist implizit bei den veränderlichen Basisvariablen und den Schädigungsverläufen abgebildet. Als Maß für Aussagen zur expliziten Restnutzungsdauer infolge Materialermüdung dienen die Schädigungssumme D und die zugehörige Nutzungsdauer tzD. Zur Abgrenzung sicherer und unsicherer Bereiche werden diese Daten für verschiedene Zeitpunkte im Lebenszyklus des Bauwerkes ermittelt und in Relation betrachtet. Monitoringbasiert werden hierfür Kenndaten des Tragsystems ermittelt und Beanspruchungen durch ergänzende Simulationen des aktuellen Verkehrs abgeleitet. Das Monitoringkonzept sieht den Erkenntnissen der Literaturanalyse folgend dieses Vorgehen als Interaktion von Rechnung, Messung und Auswertung vor. Die Untersuchungen werden in diesem Projekt theoretisch geführt, die empfohlenen Auswertealgorithmen zur monitoringbasierten Bewertung von Tragfähigkeit und Restnutzungsdauer für balkenartige Spannbetontragwerke auf Basis von Beispielen anderer Projekte rechnerisch erprobt.
Die Abteilung Straßenbau des Bundesministeriums für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS) hat gemeinsam mit der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) ein langfristiges Forschungsprogramm für ihre gemeinsamen Forschungsaktivitäten erstellt. Thematisch umfasst das Programm folgende Schwerpunkte: A. Die sichere und verlässliche Straße; B. Die intelligente Straße; C. Die energiesparende Straße; D. Die emissionsarme Straße; E. Die Straße als Teil des Lebensraums; F. Die nachhaltige Straße; G. Die Straße als Innovationsträger.
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.