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Bewertung der strukturellen Substanz für die systematische Erhaltungsplanung von Betonfahrbahndecken
(2016)
"Mobilität ist zentrale Voraussetzung für wirtschaftliches Wachstum, Beschäftigung und Teilhabe des Einzelnen am gesellschaftlichen Leben." Dieser Leitsatz des BMVI setzt eine intakte und funktionierende Infrastruktur voraus. Im Kontext mit dem Investitionshochlauf in den nächsten Jahren ist für das Bundesfernstraßennetz insbesondere ein netzbezogenes systematisches Vorgehen im Rahmen der Baulichen Erhaltung von Relevanz. Bei der Planung von Erneuerungsmaßnahmen ist dabei die Kenntnis über den Zustand der strukturellen Substanz und deren langfristige Entwicklung von zentraler Bedeutung. Nachfolgend wird ein Verfahren vorgestellt, das die mechanisch und statistisch abgesicherte Bewertung und Prognose der strukturellen Substanz von Betonfahrbahndecken ermöglicht. Zudem werden die Anwendung und das Vorgehen anhand eines Praxisbeispiels aufgezeigt.
Bewertung der strukturellen Substanz für die systematische Erhaltungsplanung von Betonfahrbahndecken
(2017)
"Mobilität ist die zentrale Vorrausetzung für wirtschaftliches Wachstum, Beschäftigung und Teilhabe des Einzelnen am gesellschaftlichen Leben". Dieser Leitsatz des BMVI setzt eine intakte und funktionierende Infrastruktur voraus. Im Kontext mit dem Investitionshochlauf in den nächsten Jahren ist das Bundesfernstraßennetz insbesondere ein netzbezogenes systematisches Vorgehen im Rahmen der Baulichen Erhaltung von Relevanz. Bei der Planung von Erneuerungsmaßnahmen ist dabei die Kenntnis über den Zustand der strukturellen Substanz und deren langfristige Entwicklung von zentraler Bedeutung. Nachfolgend wird ein Verfahren vorgestellt, das die mechanisch und statisch abgesicherte Bewertung und Prognose der strukturellen Substanz von Betonfahrbahndecken ermöglicht. Zudem werden die Anwendung und das Vorgehen anhand eines Praxisbeispiels aufgezeigt.
Sowohl im Bereich der invasiven, nicht zerstörungsfrei arbeitenden Methoden als auch bei den zerstörungsfrei und schnellfahrenden Techniken und Methoden ist in den letzten Jahren ein deutlicher Innovationsschub erkennbar. Mit diesen Methoden und Techniken wird das Ziel verfolgt, vergleichbare und hochwertige Substanzbewertungsverfahren sowohl fuer die Objekt- als auch die Netzebene aufzustellen. Der FGSV-Arbeitsausschuss "Substanzbewertung", seine Arbeitskreise, verschiedenste Forschungseinrichtungen und die BASt arbeiten gemeinsam daran, diese Methoden und Techniken zu evaluieren, zu standardisieren und auch neue Methoden und Techniken aufzustellen. Da die Fragestellungen der Substanzbewertung derzeit weltweit ein sehr beachtetes Thema darstellen, erfolgt die Bearbeitung oftmals im engen internationalen Austausch. Der Beitrag fasst den aktuellen Stand der Technik sowohl invasiv arbeitender Methoden als auch der zerstörungsfrei arbeitenden Methoden zusammen und zeigt, welche Potenziale und Grenzen hierbei noch zu bewerten sind. Des Weiteren wird ein Ausblick auf neue Methoden, Forschungsprojekte und Wissensdokumente gegeben.
Der Bewertung der strukturellen Substanz von Straßenaufbauten kommt im Rahmen einer wirtschaftlichen Erhaltungsplanung eine entscheidende Bedeutung zu. Die vorhandenen Zustandsdaten aus der regelmäßigen Zustandserfassung und -bewertung (ZEB) bieten hierfür eine gute Grundlage, beschränken sich allerdings auf die Bewertung von Oberflächeneigenschaften. Die Messung der Tragfähigkeit stellt daher einen wichtigen Baustein bei der Bewertung der strukturellen Substanz dar, ist allerdings bei den etablierten Messverfahren aufgrund der Messgeschwindigkeit und der damit gegebenenfalls verbundenen Behinderung des fließenden Verkehrs eher auf Objektebene einsetzbar. Mit dem im letzten Jahrzehnt entwickelten Traffic Speed Deflectometer (TSD) sind nun schnellfahrende Tragfähigkeitsmessungen möglich. Im Rahmen eines Pilotprojekts im Freistaat Bayern wurde die Anwendbarkeit des TSD im Vergleich zu anderen Messverfahren auf Bundesautobahnen, Bundesstraßen und Staatsstraßen untersucht.
Flexible Fahrbahnübergangskonstruktionen stellen für Ingenieurbauwerke mit einer Dehnlänge bis zu circa 30 m eine preiswerte Alternative zu den herkömmlichen Fahrbahnübergängen aus Stahl dar. Neben kurzen Einbauzeiten sind ein guter Rollkomfort und eine sehr geringe Geräuschentwicklung kennzeichnend für diese Bauart. Von besonderer Bedeutung für die Ausführung ist eine lückenlose Qualitätssicherung. Aufgrund neuer Baustoffe und neuer konstruktiver Ansätze ist für die Zukunft sowohl eine Erhöhung der Leistungsfähigkeit als auch eine Erweiterung des Anwendungsbereichs zu erwarten.
Im Rahmen des vom Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS) geförderten Forschungsprogramms "Straße im 21. Jahrhundert" wurde eine adaptive Spannbetonstruktur mit lernfähigem Fuzzy-Regelungssystem entwickelt. Durch die Realisierung eines sich an Beanspruchungsänderungen selbstanpassenden Betontragwerks werden aufgrund der Adaptivität kritische Zustände des Tragwerks vermieden und auftretende Verformungen reduziert. Mittels eines Sensorsystems gemessene Tragwerksreaktionen werden dem lernfähigen Regelungsalgorithmus als Eingangswerte übergeben. Dieser ermittelt die je nach Beanspruchungszustand erforderliche Vorspannkraft zur Erfüllung der jeweiligen Zielsetzung. Die Aktualisierung der Vorspannung des Tragwerks wird von einem hydraulischen Stellantrieb vorgenommen. Zur Untersuchung der Funktionsfähigkeit der entwickelten adaptiven Spannbetonstruktur werden Versuche an zwei Prototypen durchgeführt. Die jeweiligen Zielsetzungen der Verformungsminimierung bzw. Spannungsoptimierung werden durch die Regelung effektiv erreicht. Das Potential der adaptiven Vorspannung wird bestätigt und ausführlich demonstriert.
Das Ziel der Untersuchung war, die Grenzen der Belastbarkeit eines Rollstuhl- und Personenrückhaltesystems mit Kraftknoten nach DIN 75078-2 zu ermitteln. Dazu wurden dynamische Schlittenversuche durchgeführt, bei denen die Verzögerungspulse sowie das Gesamtgewicht von Rollstuhl und Prüfpuppe variiert wurden. Für die Untersuchungen kamen ein Prüfrollstuhl, definiert nach ISO 10542, und Rückhaltesysteme mit Kraftknoten gemäß DIN 75078-2 zum Einsatz. Das Rückhaltesystem bestand aus einem Rollstuhl- und einem Personenrückhaltesystem, wobei das Rollstuhlrückhaltesystem (RRS) mit vier bzw. sechs Gurten und entsprechenden Retraktoren an einem dynamischen Schlittenaufbau befestigt wurde. Das Personenrückhaltesystem (PRS) bestand aus einem am Rollstuhl integrierten Beckengurt sowie einem Schulterschräggurt, der am Beckengurt und am Schlittenaufbau befestigt wurde. Ferner wurden bei den Versuchen Prüfpuppen verschiedener Alters- und Gewichtsklassen (P6, HIII 5 %, HIII 50 % und HIII 95 %) eingesetzt Die Belastungsanforderungen für das Rückhaltesystem wurden sukzessiv erweitert, indem einerseits das Gesamtgewicht (Rollstuhl und Prüfpuppe) und andererseits auch die Verzögerungspulse bis zur Versagensgrenze erhöht wurden. Das Vier-Gurt-Rückhaltesystem konnte bei einem Verzögerungspuls von 10 g einem Gesamtgewicht von bis zu 221 kg standhalten. Bei einem Verzögerungspuls von 20 g und einem Gesamtgewicht von 134 kg wurde das Vier-Gurt-System bis über die Grenzen belastet. Das Sechs-Gurt-Rückhaltesystem hat Belastungen bis 221 kg standgehalten. Infolgedessen ist bei einer Erhöhung der Verzögerungspulse auf 20 g und einem Gesamtgewicht von mehr als 109 kg ein Sechs-Gurt-System zu empfehlen.
Die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) hat 2009 eine Pilotstudie initiiert, an der sich vier Autobahnmeistereien aus Niedersachsen und Nordrhein-Westfalen beteiligt haben und deren Schlussbericht nun vorliegt. Grund dafür waren die immer stärker spürbaren psychischen Belastungen, die sich aus der gefährlichen und stressreichen Arbeit ergeben, die die Frauen und Männer in der orangefarbenen Arbeitskleidung auf der Straße verrichten. Bundesweit kommen nach Angaben des Bundesverbandes Deutscher Straßenwärter jedes Jahr acht bis zehn Straßenwärter ums Leben. Die Zahl der Verletzten ist hoch. Zu der Arbeit in unmittelbarer Nähe des fließenden Verkehrs auf der Fahrbahn oder im direkt angrenzenden Seitenbereich von Straßen und Autobahnen kommen Belastungen durch die immer knapper werdende Personalausstattung der Meistereien und den daraus resultierenden Überstunden hinzu, besonders im Winter. Diese ziehen oft gesundheitliche Einschränkungen und persönliche Krisen nach sich. Probleme, mit denen sich viele Kollegen allein gelassen fühlen. Der "Burn-out" ist praktisch schon vorprogrammiert. Das Ergebnis der Studie muss realistisch betrachtet werden. Die angebotenen Trainingseinheiten können die Belastungen der Straßenwärter, denen sie Tag für Tag ausgesetzt sind, zwar nicht weiter senken, aber sie können lernen, mit den daraus resultierenden Beanspruchungen deutlich besser fertig zu werden. Vor allem, indem sie miteinander und mit ihren Vorgesetzten sprechen und die Last des Einzelnen nötigenfalls auf mehrere Schultern verteilen.
Motorradfahrer sind im Straßenverkehr besonders gefährdet, nahezu kein Unfall endet ohne Verletzungen der Motorradaufsassen. Wenn ein Unfall unabwendbar ist (das Unfallgeschehen der Motorräder zeigt seit Jahren stetige Besserungen), verbleibt dem Fahrer als Schutz nur seine eigene Bekleidung. Der im Rahmen diese Projekts angestellte Vergleich verschiedener Feldstudien zeigt, dass hauptsächlich die Extremitäten mit Schwerpunkt bei den Beinen verletzt werden. Ähnlich wie hohe Helmtragequoten zum Rückgang der Kopfverletzungen geführt haben, könnte zweckdienliche Schutzkleidung nahezu vollständig Hautabschürfungen und damit verbunden Wundinfektionen vermeiden. Gleichzeitig werden die Schwellwerte für den Eintritt anderer Verletzungen (zum Beispiel Brüche, Bänderrisse, innere Verletzungen) zu höheren Kollisionsgeschwindigkeiten verschoben. Die im Projektverlauf erarbeiteten Anforderungen an Motorradfahrerschutzkleidung sind so spezifisch und vielfältig, dass sie mit keiner anderen, zum Beispiel berufsspezifischen Kleidung vergleichbar sind. Mit Analysen wurde gezeigt, dass einige Anforderungen nur unter Zielkonflikten mit anderen verwirklichbar sind. Die dadurch nötige Mehrfachfunktion mancher Bauteile führt dazu, dass die Prüfung von Eigenschaften kaum mit den Methoden aus üblichen Normenwerken durchgeführt werden kann. Vor diesem Hintergrund begann die Entwicklung speziell angepasster Versuche. In der Regel bilden sie realistisch die Belastungen bei einem Sturz auf die Fahrbahnoberfläche und in der anschließenden Rutschphase nach. Durch die Verlegung der Versuche in das Labor wird die Reproduzierbarkeit erhöht, die Kosten bleiben vergleichsweise gering. Als wichtigste Prüfkriterien wurden Abriebverhalten, Reibwärmeisolation, Reibbeiwert, Stossdämpfung, Widerstand gegen Stich- und Schnittbeschädigung, Formschluss und Bauteilsteifigkeit erarbeitet. Vorgestellt und bewertet wurden verschiedene bereits existierende Prüfverfahren. Wenn sie ungeeignet schienen oder wenn für ein wichtiges Kriterium kein Verfahren zu finden war, wurden eigene neue Vorschläge gemacht. Unter Abwägung von Prüfaufwand und Aussagekraft der Ergebnisse wurde ein Vorschlag für ein normungsfähiges Prüfverfahren erarbeitet. Im Vorschlag berücksichtigt sind nur bereits existierende oder einfach verwirklichbare Prüfverfahren, die für Motorradfahrerschutzkleidung als geeignet angesehen werden.
Mit Abschluss dieses Forschungsprojekts ist eine Wissensbasis erarbeitet, die es ermöglicht relativ schnell die Eigenschaften beliebiger Schutzhelme im Voraus zu berechnen. Es wurde ein Rechenprogrammsystem erstellt, welches mit Hilfe der Schalentheorie und der Methode der Übertragungsmatrizen für alle denkbaren Aufschlagpunkte ingenieurmäßige Aussagen liefert über die Tauglichkeit eines Helms. Mit diesem Programmsystem wurde eine Parameterstudie anhand von 27 Helmvarianten mit dem Ziel durchgeführt, die Abstimmung von Helmschale und Schutzpolsterung so zu wählen, dass eine optimale Energieumsetzung möglich ist, optimal im Sinne einer Minimierung der aus dem Stoß resultierenden Kopfbeschleunigung. Es erfolgte eine Variation der Parameter Schutzpolsterungsdicke und Helmschalendicke. Die Abhängigkeit der Kopfbeschleunigung von der Aufprallenergie wurde ebenfalls untersucht. Neben Vergleichsrechnungen mit der Methode der finiten Elemente wurden auch gemessene Beschleunigungen zur Absicherung der Ergebnisse herangezogen. Die Parameterstudie mittels Übertragungsmatrizen ist auch mit einer parallel entwickelten PC-Programmversion durchführbar. Unter der Voraussetzung hinreichenden Energieaufnahmevermögens sind für den Polycarbonat-Polystyrol-Helm handelsüblicher Machart eine geringe Helmschalendicke, eine geringe Schutzpolsterungsdichte und eine dicke Schutzpolsterung anzustreben, wobei dieser letzte Einfluss weniger stark ist. Nach Abschluss der laufenden Polystyrol-Werkstoffversuche bleibt zu klären inwieweit die beschriebenen Einflüsse abhängig von der Aufprallenergie sind. Die Berechnungen zeigen, dass eine starke Abhängigkeit der maximalen Kopfbeschleunigung von der Aufprallenergie vorliegt, was vom Regelwerk ECE 22/02 nicht hinreichend berücksichtigt wird. Es ist notwendig in den Helmtests unterschiedliche Aufprallenergien zu realisieren. Der Tauglichkeitsnachweis muss den unfallrelevanten Geschwindigkeitsbereich abdecken. Die Prüfkopfmasse muss erhöht werden. Sie repräsentiert die reduzierte Masse und ist im Grenzfall gleich der Masse des Motorradfahrers. Anzustreben ist ideal plastisches Verhalten der Schutzpolsterung, so dass in Kombination mit einer biegesteifen Helmschale über einen weiten Energiebereich Beschleunigungskonstanz erzielt wird. Ein Schritt in diese Richtung wäre der Einsatz von Wabenstrukturen (honeycomb) zwischen Helmschale und Komfortpolsterung.