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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.
Diese Studie befasst sich mit CO2-Reduktionspotenzialen von schweren Nutzfahrzeugen. In einer Literaturrecherche wurden zunächst Sattelzüge, Verteiler-Lkw, Busse im Stadtverkehr sowie Reisebusse betrachtet. Ziel war es, technische Möglichkeiten zur Reduzierung von CO2-Emissionen für die ausgewählten Fahrzeugkategorien zu ermitteln und deren Einsparpotentiale über die jeweiligen Einsatzarten aufzuschlüsseln. Dabei zeigten sich weitestgehend ungenutzte Einsparmöglichkeiten, beispielsweise durch Fahrwiderstandsoptimierung bei Sattelzügen, durch Rekuperation von Bremsenergie bei Stadtbussen und Verteiler-Lkw, oder auch durch bedarfsgerechte Ansteuerung von Nebenverbrauchern bei Stadt- und Reisebussen. Nähere Betrachtung fanden Maßnahmen zur CO2- Reduktion bei Sattelzügen. So wurde an einem Euro-V-EEV-Sattelzugprototyp in Fahrwiderstandsmessungen die Verbesserung des Luftwiderstands durch aerodynamische Anbauteile für Auflieger quantifiziert. Deren Verbrauchseinsparpotenziale wurden anschließend in validierten Verbrauchssimulationen, welche einen etablierten Verbrauchstest (VerkehrsRundschau-Test) virtuell abbilden, quantifiziert. Ferner zeigte eine Kosten-Nutzen-Rechnung die Effektivität der untersuchten Maßnahmen auf. Der Prototyp wurde anschließend dem realen VerkehrsRundschau-Test einmal in Ausgangskonfiguration und einmal mit einem zuvor bereits im Rahmen der Fahrwiderstandsmessungen untersuchten aerodynamischen Maßnahmenpaket, bestehend aus Seitenverkleidung und Heckeinzugsklappen, unterzogen. Hierbei zeigte sich eine mögliche CO2-Reduktion von 4,8 %. Die gemessene Einsparung lag damit oberhalb der zuvor im Rahmen der Verbrauchssimulation prognostizierten.
Ziel des Projektes war die Untersuchung der fahrdynamischen Besonderheiten der stationären, besonders jedoch der instationären Kurvenfahrt (Kurvenbremsung) von einspurigen Kraftfahrzeugen. Hierbei waren die Bewertung von Bremswirkung und Fahrstabilität unterschiedlicher Bremssysteme (Standardbremse, Kombibremse, ABV-Systeme) bei Kurvenbremsung sowie die Quantifizierung fahrer-, fahrzeug-, und fahrbahnseitiger Einflussparameter von besonderer Bedeutung. Hierzu werden zunächst die physikalischen und fahrdynamischen Grundlagen erarbeitet und der theoretische Ablauf der Kurvenbremsung betrachtet. Es folgte die experimentelle Erfassung des Kurvenbremsverhaltens im Straßenfahrversuch unter Verwendung der unterschiedlichen Bremssysteme und der Variation aller relevanter Parameter. Anschließend erfolgte die rechnergestützte Auswertung der experimentellen Ergebnisse sowie die Bewertung der unterschiedlichen Bremssysteme und Einflussgrößen. Als wichtigste Ergebnisse der Untersuchung können folgende Punkte gelten: - Alle untersuchten Bremssysteme können hinsichtlich des querdynamischen Verhaltens (Kurshaltung, Fahrstabilität) nicht befriedigen. - Effiziente Abbremsung in Kurvenfahrt mit ausreichender Bremssicherheit ist mit einer ABV-geregelten Kombibremsanlage zu erreichen unter der Voraussetzung, dass die ABV-Regelung nicht aktiviert wird, sondern das ABV-System lediglich als Überbremsungsschutz fungiert. - Die herkömmliche ungeregelte Standardbremse birgt mit zunehmender Querbeschleunigung eskalierende Sturzrisiken. Beim derzeitigen Stand der Technik lassen ABV-Systeme eine ausreichend fahr- und kursstabile Kurvenbremsung mit befriedigender Verzögerung zu, wenn nahe an der Regelungsschwelle gebremst wird. Wegen des hierbei dominierenden Einflusses des Vorderrades ist die Verbindung eines auf beide Räder wirkenden ABV-Systems mit einer lastabhängigen Kombibremse und voreilend überbremstem Hinterrad zu empfehlen.
Sicherheitstechnische Anforderungen an die Bestuhlung moderner Reisebusse als Rückhaltesysteme
(1991)
Die Schutzfähigkeit von KOM-Fahrgastsitzen, die den ECE-R 80-Anforderungen entsprechen, ist bisher nur für die aufgerichtete Rückenlehne nachgewiesen. Hier wurde untersucht, ob auch geneigte Rückenlehnen ausreichende Schutzwirkung bieten. Ausgehend von der Normalsitzposition verfügen Reisebussitze heutiger Bauart über einen Lehnenverstellwinkel von circa 15 Grad (Normal-, Ruhesitzposition). Sondersitze für Ältere und Sportler erlauben auch die Liegesitz- beziehungsweise Liegeposition bei jedoch erheblich größeren Sitzteilern. In Schlittenaufprallversuchen mit je zwei instrumentierten anthropometrischen Messpuppen auf Reisebus-Doppelsitzen wurden die Belastungsverhältnisse eines frontalen Aufpralls simuliert. Die Lehnenverstelleinrichtung der Prüfsitze wurde behelfsweise so verändert, dass 3 (4) Winkeleinstellungen der Lehnenneigung möglich waren. Für jeweils zwei hintereinander zugeordnete Sitzplätze wurden wechselweise diese Lehneneinstellungen variiert. Mit 17 Doppelsitzen wurden insgesamt 32 Körperaufprallereignisse in den verschiedenen Lehnenneigungskonfigurationen durchgeführt. Die Versuchsergebnisse gliederten sich nach der Bewegungsform des Dummy, seinen Belastungen und den am Vordersitz hervorgerufenen Beschädigungen. Die Aufprallverhältnisse in aufrechter Normalsitzposition entsprechend der ECE-R 80 bildeten die Bewertungsbasis. Die gewonnenen Versuchsergebnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen: - Für beliebige Lehneneinstellungen im Winkelbereich bis zu 30 Grad zur Senkrechten bietet die vorgebaute Sitzlehne generell ausreichende Rückhaltewirkung beim Körperaufprall. - Wenn die Vordersitzlehne jedoch steiler eingestellt ist als es der Körperhaltung des dahintersitzenden Dummy entspricht, ist mit 1,5-2fach höheren Kopfbelastungen zu rechnen. Das ECE-R 80-Schutzkriterium HAC < 500 wird überschritten. - Vorsorglich sollte aus sicherheitstechnischer Sicht der zulässige Grenzwinkel der Lehnenneigung auf 30 Grad zur Senkrechten beschränkt werden.
Mit den Schwerpunkten Fahrstabilität, Kurshaltung und Kraftschlussausnutzung wurden die theoretischen und fahrdynamischen Grundlagen für die fahrsichere Motorrad-Kurvenbremsung mit einem kurventauglichen Bremssystem untersucht. In theoretischen Betrachtungen wurden ein Bremskraftregelungs- und das zugehörige Sensorkonzept sowie Maßnahmen zur Schräglaufbegrenzung (Fahrstabilität/Kraftschlussausnutzung) und zur Ausschaltung des Bremslenkmoments (Kurshaltung) erarbeitet. Die elektronische Bremskraftregelung baut auf einer dynamisch lastabhängigen Kombibremse mit voreilend überbremstem Hinterrad auf. Die Sensorik umfasst Raddrehzahlen (bzw. -änderungen), dynamische Radlasten, Radseitenkräfte und Fahrzeugrollwinkel. Das Sensorkonzept ermöglicht indirekte Messung des aktuellen Umfangs- und Seitenkraftschlussbedarfs und bietet einen Ansatz für eine kraftschlussorientierte Bremskraftregelung. Die Radkraftmessung erkennt den Beginn einer querdynamischen Destabilisierung frühzeitig und eindeutig; dies konnte im fahrdynamischen Experiment ebenso bestätigt werden wie die Praxistauglichkeit der von der Forschungsstelle neu entwickelten und gebauten Sensorik. Die kraftschlussorientierte Radregelung ist notwendigerweise angewiesen auf die Kenntnis des Reifenkraftübertragungsverhaltens. Dieses wurde mit einem Motorradreifenmessanhänger der Forschungsstelle auf realen Fahrbahnen exemplarisch untersucht. Mit seiner Hilfe kann für jeden Betriebspunkt der Kurvenbremsung der aktuelle Schräglauf an beiden Rädern bestimmt werden. Alle erfassten Daten können für weitere zukünftige Sicherheitssysteme genutzt werden. Es ist vorgesehen, das entworfene Bremskraftregelungskonzept einschließlich der Maßnahmen zur Schräglauf- und Bremslenkmomentbegrenzung zu realisieren und die hiermit zu erzielenden Verbesserungen im fahrdynamischen Experiment nachzuweisen. Die Messungen zum Reifenverhalten sollen fortgesetzt und auf den dynamischen Bereich ausgedehnt werden.
Arbeitsstellen stellen auf Autobahnen neuralgische Bereiche dar. Der erforderliche Ausbau (Anbau von Fahrstreifen) und die Erhaltung (Instandsetzung bzw. grundhafte Erneuerung) der Autobahnen führen zwangsläufig zu einer vermehrten Einrichtung von Arbeitsstellen längerer und kürzerer Dauer. Bisherige Untersuchungen zum Einsatz von Lang-Lkw gehen davon aus, dass sich durch die Erhöhung der zulässigen Länge von Fahrzeugen bzw. Fahrzeugkombinationen keine grundlegenden Risiken neuer Art ergeben. Es wird aber nicht ausgeschlossen, dass durch die Fahrzeuglängen eine Zunahme der Anzahl kritischer Situationen, z. B. in Überleitungsbereichen von Arbeitsstellen, möglich ist. Erkenntnisse hierzu liegen bislang jedoch nicht vor. Deshalb sollte der Einsatz von Lang-Lkw in Arbeitsstellen längerer wie kürzerer Dauer analysiert werden, mit dem Ziel, fundierte Erkenntnisse zu den Auswirkungen von Lang-Lkw auf Verkehrsablauf und -sicherheit in Arbeitsstellen auf Autobahnen zu gewinnen. Insbesondere sollte bewertet werden, ob diesbezüglich Unterschiede zwischen Lang-Lkw und herkömmlichen Lkw zu erwarten sind. Dazu wurden " aufbauend auf einer Recherche und Auswertung internationaler Literatur zu bisherigen Erkenntnissen hinsichtlich der Auswirkungen von Lang-Lkw, aber auch des Schwerverkehrs allgemein, auf Verkehrsablauf und Verkehrssicherheit in Arbeitsstellen auf Autobahnen " im Rahmen des Feldversuchs mit Fahrzeugen und Fahrzeugkombinationen mit Überlänge gezielt empirische Untersuchungen mit Lang-Lkw in Arbeitsstellen durchgeführt. Hierbei wurden bei 16 Begleitfahrten von Lang-Lkw acht verschiedener Speditionen insgesamt 34 Arbeitsstellen längerer Dauer " mit 40 unterschiedlichen Verkehrsführungen " sowie 18 Arbeitsstellen kürzerer Dauer, mit Sperrung mindestens eines Fahrstreifens, durchfahren. Alle Fahrten wurden anschließend im Hinblick auf die zu klärenden Fragestellungen bezüglich möglicher verkehrlicher Auswirkungen von Lang-Lkw in Arbeitsstellen analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass durch Lang-Lkw keine Auswirkungen auf die Sicherheit und den Ablauf des Verkehrs in Arbeitsstellen auf Autobahnen zu erwarten sind. Sowohl in Arbeitsstellen längerer Dauer als auch in Arbeitsstellen kürzerer Dauer konnten alle Verkehrsführungen durch Lang-Lkw problemlos befahren werden. Weder der Verkehrsablauf noch die Verkehrssicherheit wurden negativ beeinflusst. Seitens der anderen Verkehrsteilnehmer war in keiner Situation ein auf die Lang-Lkw angepasstes Verhalten erkennbar. Somit sind auf Grund des Einsatzes von Lang-Lkw keine erhöhten Anforderungen an die Sicherung von Arbeitsstellen längerer und kürzerer Dauer zu stellen. Für Lang-Lkw gelten diesbezüglich dieselben generellen Anforderungen, die sich aus dem Schwerverkehr allgemein ergeben, wie z. B. die Markierung einer Trennlinse in Überleitungen.
Im Rahmen der wissenschaftlichen Begleitung zum deutschlandweiten Feldversuch mit Lang-Lkw ist auch eine Untersuchung zu den Sicherheitsauswirkungen im Zusammenhang mit Überholvorgängen gegenüber Lang-Lkw sowie deren Räumvorgängen an Knotenpunkten durchgeführt worden. Wegen der geringen Anzahl an diesem Feldversuch teilnehmender Lang-Lkw, vor allem aber auch wegen des vorrangigen BAB-Einsatzes von Lang-Lkw und daher fehlender nennenswerter Streckenabschnitte auf Landstraßen, werden im Rahmen des FE-Vorhabens ausschließlich Messungen bzw. Beobachtungen durchgeführt, die vom Lang-Lkw selbst ausgehen. Mit ihnen wird das Annäherungs-, Ausscher-, Vorbeifahrt- und Einscherverhalten bei Überholvorgängen gegenüber Lang-Lkw auf Landstraßen und Autobahnen erfasst. Aus den Analysen von über 200 Überholungen gegenüber Lang-Lkw bzw. Vergleichsfahrzeugen lassen sich keine Indizien für ein erhöhtes Risiko beim Überholen von Lang-Lkw erkennen. Tendenziell nehmen die geringsten Sicherheitsabstände in ausreichendem Maße zu, die Beschleunigungen bei kritischen Geschwindigkeiten liegen leicht höher. Ansatzpunkte für eine Erhöhung der Sicherheitsrisiken sind auch beim Räumen von Lang-Lkw nicht zu erkennen. Generell ist eine geringere Geschwindigkeit der betrachteten Lang-Lkw und damit eine theoretisch sicherheitsfördernd größere Geschwindigkeitsdifferenz zwischen Überholer und Überholtem zu beobachten. Allerdings würde eine systematisch niedrigere Geschwindigkeit von Lang-Lkw vor allem auf Autobahnen vermutlich zu einer höheren Anzahl an Überholungen durch andere Lkw führen. Auch für den im Dauerbetrieb zu erwartenden Fall gleicher Geschwindigkeiten gibt es keinen Anhaltspunkt, dass erhöhte Sicherheitsrisiken zu erwarten sind: Bei allen Parametern liegen die Werte bei kritischen Überholvorgängen bei Lang-Lkw etwas günstiger als bei den Vergleichsfahrzeugen, so dass die theoretisch wegen der größeren Fahrzeuglänge zu erwartenden Erhöhungen des Risikos mindestens kompensiert würden.
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.
Ein wichtiges Ziel von Streckenbeeinflussungsanlagen (SBA) ist die Erhöhung der Verkehrssicherheit. Dies kann nicht nur durch dynamische Reaktionen auf vorherrschende Verkehrszustände, sondern auch aufgrund von Informationen zu aktuellen Umfeldbedingungen wie Niederschlagsintensität, Sichtweite und Wasserfilmdicke erreicht werden. Kritische Situationen müssen von den entsprechenden Sensoren ausreichend genau und schnell erkannt werden, wobei die Zuverlässigkeit dieser Sensoren nur unter realen Bedingungen getestet werden kann. Hierfür wurde bei München ein Testfeld aufgebaut, sodass den Herstellern dezidierte Rückmeldungen bezüglich möglicher Schwächen gegeben werden können und letztendlich die Eignung verschiedener Sensoren und Erfassungstechnologien für den Einsatz in SBA eingeschätzt werden kann.
Die Qualität der Beeinflussung und der Information des Verkehrsteilnehmers ist in hohem Maße abhängig von der Qualität der erhobenen Verkehrsdaten. Aus diesem Grunde stellt sich die Frage: welche Qualitätsanforderungen sind an die Verkehrsdatenerfassung zu stellen und wie wird sichergestellt, dass die Qualitätsanforderungen auch im laufenden Betrieb über Jahre hinweg eingehalten werden? In einem Arbeitskreis der FGSV wurden Hinweise zur Qualitätsanforderung und Qualitätssicherung der lokalen Verkehrsdatenerfassung für Verkehrsbeeinflussungsanlagen entwickelt. Das hier vorgestellte Hinweispapier, das von der FGSV veröffentlicht wurde, soll die Betreiber von Verkehrsbeeinflussungsanlagen dabei unterstützen, die Qualitätsanforderung an die lokale Verkehrsdatenerfassung zu erfüllen und im laufenden Betrieb dauerhaft sicherzustellen.
An acht stark verkehrsbelasteten Straßenstandorten mit pufferschwachen Sandböden wurden zwei Jahre lang mögliche Belastungen des Grundwassers durch Schwermetalle untersucht. Die Messergebnisse wurden anhand der Prüfwerte der Bodenschutzverordnung bewertet und die vom Sickerwasser mitgeführten Schwermetallfrachten berechnet. Es zeigte sich, dass in Fahrbahnnähe kaum hohe Schwermetallkonzentrationen in der Bodenlösung auftreten. Bei Entwässerung über das Bankett ist die Grundwasserneubildung unter sandigen Böden deutlich erhöht, auch wenn die versiegelte Fahrbahn einberechnet wird. Dies wird durch die schnelle Infiltration des Straßenabflusses verursacht. Dadurch werden trotz geringer Bodenlösungskonzentrationen an manchen Standorten in unmittelbarer Nähe der Fahrbahn hohe Schwermetallfrachten im Boden transportiert.
Die Reduzierung des Verkehrslärms ist eine große Herausforderung für alle Beteiligten. Das gilt umso mehr, als nach den Prognosen sich die Verkehrsleistung auf der Straße noch stark erhöhen wird. Viele Stellen in Deutschland, wie Industrie, Forschungseinrichtungen und Behörden haben sich der Problematik angenommen. Forschungsarbeiten wurden und werden durchgeführt oder sind in Vorbereitung. Über die nationalen Aktivitäten hinaus wird das Thema europaweit behandelt. In vier Beiträgen wird über die europäischen Forschungsprojekte SILVIA, ITARI, SILENCE und P2RN berichtet. Das Spektrum der Konzepte dieser Forschungsarbeiten ist sehr breit und erstreckt sich über praktische und theoretische Ansätze.
Die Griffigkeit wurde erstmals als Anforderung für die Abnahme und bis zum Ablauf der Verjährungsfrist für Mängelansprüche bei allen Straßenbau- und -erhaltungsmaßnahmen des Bundes in die Bauverträge durch die Einführung der Regelwerke ZTV Asphalt-StB 01 (Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für den Bau von Fahrbahndecken aus Asphalt) und ZTV Beton-StB 01 (Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für den Bau von Fahrbahndecken aus Beton) im Jahr 2001 aufgenommen. Die Auswirkungen zeigen sich in den Messergebnissen der Zustandserfassungen und -bewertungen (ZEB). So werden niedrige Griffigkeiten auf Bundesautobahnen, Fahrstreifen 1 und Bundesstraßen seit 2001 stärker abgebaut als vor der Einführung der Regelwerke. Die somit erzielten Verbesserungen der Verkehrssicherheit würdigen die gemeinsamen Anstrengungen von Forschung, Bauverwaltung und Bauindustrie. Die Genauigkeit der Messtechnik zur Erfassung der Griffigkeit hat eine zentrale Bedeutung bei der Akzeptanz der Messergebnisse und der Sicherung des Messniveaus. Die erforderlichen Prüfungen aus den Regelwerken belegen die erreichte Präzision des Griffigkeitsmessverfahrens SCRIM und des neuentwickelten deutschen Messreifens. Weiterentwicklungen zum Beispiel bei der Temperaturkorrektur dienen vor allem der Absicherung des Betriebs bei stabiler Messqualität.
Es war zu untersuchen, ob durch das nachträgliche Einschneiden von Rillen in die Straßenoberfläche mit der Funktion eines zusätzlichen Drainagesystems die Verkehrssicherheit bei Nässe nachhaltig verbessert werden kann. Dazu wurden in einer Versuchsstrecke alle wichtigen Rillenarten und verschiedene Rillenmuster abschnittsweise angeordnet du über einen mehrjährigen Zeitraum messtechnisch angeordnet und über einen mehrjährigen Zeitraum messtechnisch beobachtet. Hinzu kamen drei weitere Beobachtungsstrecken sowie 24 Rillenabschnitte im Autobahnnetz. Die Untersuchungen umfassten Kraftschlussmessungen im Wasserbett, Griffigkeitsmessungen mit dem "Stuttgarter Reibungsmesser", Geräuschmessungen nach der Methode des Vorbeifahrpegels, Rauheitsmessungen mit dem Pendelgerät, dem Ausflussmesser und der Sandfleck-Methode sowie Profilschnittaufnahmen. Die wichtigsten Ergebnisse sind: i) Längs- und Querrillen sind in der Lage und geeignet, das Kraftschlussangebot von Straßenoberflächen bei Nässe zu erhöhen. Dabei verbessern Rillen entscheidend die sogenannte "dynamische Drainage" der Reifenaufstandsfläche: Sie bieten ähnlich dem Reifenprofil zusätzliche Fluchtwege, sodass die Masse des Wassers schneller verdrängt werden kann. Rillen wirken somit dem Aquaplaning-Effekt entgegen. ii) Alle untersuchten Längsrillenmuster sowie Querrillenmuster mit effektiven Rillenbreiten kleiner als 4,5 mm bringen keine signifikante Erhöhung des Reifengeräusches. Entsprechend sollten stets feine Rillenmuster gewählt werden mit rillenbreiten um 4 mm, Rillentiefen ebenfalls um 4 mm und Rillenabstände zwischen 20 und 25 mm. Feine Rillenmuster mit dem angegebenen Abmessungen sind auch in Längsrichtung aus Gründen der Verkehrssicherheit für Motorräder erforderlich. iii) In Fahrbahndecken aus Beton können feine Rillenmuster ohne wesentliche Beeinträchtigung des baulichen Bestandes im nassen Verfahren (in Anlehnung an die Fugenschneid-Technik) mit Diamantscheiben geschnitten werden. Von der Anwendung des trocken arbeitenden Fräsverfahrens ist abzuraten. Rillen in bituminösen Deckschichten sind problematisch, da ihre Wirkung infolge Verschleiss und plastischer Verformung der oberflächennahen Zonen nicht so lange vorhält wie in Betondecken. iv) Obwohl die Querrillen bei Annässungsverhältnissen um 1 mm Wasserfilmdicke günstiger zu bewerten ist als die Längsrille, deuten Ergebnisse des Wasserbett-Untersuchungen eher auf eine gleichgünstige Wirkung beider Formen hin, wenn mit dickeren Wasserschichten gerechnet werden muss. Aus herstellungstechnischen Gründen ist die Anlage von Längsrillen wirtschaftlicher und praktikabler als von Querrillen.
Ermittlung der Schadstoffbelastung in einem Tunnelbauwerk mit geschlitzter Decke an der EB 42 n
(1987)
Eine Schnellstraße durch einen Tunnel mit einer in der Mitte geschlitzten Decke zu führen, wie an der EB 42n im Bereich Königswinter-Oberdollendorf, ist in der Bundesrepublik Deutschland ohne Vorbild. Zur Klärung, welche Umweltbelastungen von einem derartigen Bauwerk ausgehen können, wurde in einer Messkampagne untersucht, welche Schadstoffbelastungen im Tunnel und außerhalb des Tunnels auftreten. Bei einem Verkehrsstau auf einer Richtungsfahrbahn von mehreren Kilometern Länge im Bereich des Tunnelbauwerkes wurden im Tunnel Kohlenmonoxidkonzentrationen gemessen, die um mehr als den Faktor 5 unter dem Grenzwert aus den Richtlinien für die Ausstattung und den Betrieb von Straßentunneln (RABT) lagen. Die Schadstoffbelastungen am Schlitz des Tunnels sind gering. Sie unterschreiten sowohl die Grenzwerte nach TA Luft, wie auch die Grenzwerte nach der VDI-Richtlinie 2310, die wegen fehlender Grenzwerte für den Straßenbau als Orientierungshilfen herangezogen wurden. Betrachtet wurden die Stoffe Kohlenmonoxid, Stickstoffdioxid und Ozon. Durch die Entwicklung eines physikalischen Modells zur Berechnung der Konzentrationsprofile in den beiden Tunnelröhren könnte das Prinzip der natürlichen Lüftung erklärt und gezeigt werden, dass ca. 75 % bis 78 % der im Tunnel emitierten Schadstoffe über den Schlitz in der Tunneldecke und die restlichen 22 % bis 25 % über die beiden Portale abgeführt werden. Unter dem Aspekt der Luftreinhaltung ist dieses Bauwerk als umweltfreundlich anzusehen.
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 Statistischen Vorbeifahrt-Messungen werden die Geräusche vieler einzelner Fahrzeuge während der Vorbeifahrt gemessen, um die akustische Qualität der Straße zu bestimmen. Dies ist im dichten Verkehr oft nicht mehr möglich, da sich die Geräusche zu stark überlappen. Statt der Verwendung nur eines Mikrofons soll hier der Einsatz von Mikrofonarrays mit 6, 10 und 20 Mikrofonen zur Trennung der Geräusche von verschiedenen Fahrzeugen untersucht werden, um auch im dichten Verkehr messen zu können. Für die Extrahierung der gesuchten Pegel wurde als Referenz ein Verfahren zur Quellentrennung (SIA) eingesetzt. Ein zweites Verfahren (BeamSolve) wurde im Rahmen des Projekts entwickelt. Die Pegel eines einzelnen Fahrzeugs ließen sich auch dann noch vom folgenden Fahrzeug trennen, wenn die Lücke zwischen den Fahrzeugen deutlich unter einer Fahrzeuglänge lag. Abweichungen zur Referenzmessung der einzelnen Fahrzeuge (Pkw und Lkw) ergeben sich systematisch durch die Mittelung des Pegels über mehrere Mikrofonpositionen, was den Maximalpegel um 0,6 Dezibel senkt und als Korrekturfaktor berücksichtigt werden kann. Das SIA-Verfahren liefert im Mittel eine weitere Unterschätzung dieses Pegels um minus 0,2 Dezibel bei einer Streubreite von plus minus 0,2 Dezibel. Das neue BeamSolve-Verfahren liefert im Mittel einen Pegel der 0,8 Dezibel unter dem SIA-Verfahren liegt, also insgesamt 1,6 Dezibel unter den Referenzpegeln mit einem Mikrofon. Die Streuung beträgt dabei plus minus 0,6 Dezibel, wenn 20 Mikrofone verwendet werden. Während das SIA-Verfahren schon mit 6 Mikrofonen stabile Ergebnisse liefert, sind für das BeamSolve 20 Mikrofone vorteilhaft. Damit stehen nun Messverfahren zur Verfügung, mit denen auch im dichten Verkehr die Statistische Vorbeifahrt-Messung angewendet werden kann.
Bei Gabionen handelt es sich um verfüllte Drahtbehälter. Die Festigkeit und Steifigkeit beziehen Gabionen aus der Interaktion des Verfüllmaterials und der Drahtbehälter. Die äußere Standsicherheit von Gabionen wird mit etablierten und in der Praxis bewährten Verfahren nach DIN EN 1997-1 nachgewiesen. Im Einzelnen sind die Nachweise der Sicherheit gegen Kippen, Gleiten in der Sohlfuge, Gleiten in den Lagerfugen, Grundbruch und Geländebruch zu erbringen. Gemäß dem "Merkblatt über Stützkonstruktionen aus Betonelementen, Blockschichtungen und Gabionen" der FGSV (Merkblatt 555) ist die innere Standsicherheit rechnerisch oder über Belastungsversuche nachzuweisen. Belastungsversuche zur Bestimmung der inneren Tragfähigkeit wurden in der Vergangenheit kaum durchgeführt, weil sie nicht ohne weiteres von einem spezifischen Anwendungsfall auf einen anderen Anwendungsfall übertragbar sind. Bei den Versuchen wurden stets nur die Druckfestigkeiten des untersuchten Systems messtechnisch erfasst, nicht jedoch die Kraftverläufe in der Gabione nachvollzogen. Zur Abschätzung der inneren Tragfähigkeit von Gabionen existieren theoretische Modelle, deren Repräsentativität für die in-situ Bedingungen nicht nachgewiesen sind. Mit diesem Hintergrund wurde im Rahmen des Forschungsvorhabens ein Konzept zur Durchführung von grundlegenden Belastungsversuchen an Stützkonstruktionen aus Gabionen entwickelt. Ziel der Belastungsversuche ist die phänomenologische Beschreibung der Spannungstrajektorien innerhalb der Gabione, um die vorhandenen Rechenmodelle zu bestätigen, weiterzuentwickeln oder zu verwerfen. Grundsätzlich wird dabei zwischen Belastungsversuchen an Einzelgabionen zur Beschreibung des Tragverhaltens einer Gabione und Belastungsversuchen an Stützbauwerken aus mehreren gestapelten Gabionen zur Erfassung des Systemtragverhaltens mehrerer Gabionen unterschieden. Die Empfehlungen zur Versuchsdurchführung umfassen das jeweilige Versuchsprogramm einschließlich der Versuchsanordnung, der Abmessungen und Füllungen der Gabionen sowie die Belastungsprozedur und die messtechnische Ausrüstung.
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.