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Einfluss der veränderten Verkehrsführung bei Ertüchtigungsmaßnahmen auf die Bauwerksbeanspruchungen
(2013)
Im Rahmen von mehreren vorhergehenden Forschungsprojekten wurden vom Forschungsnehmer Untersuchungen zu den Beanspruchungen von Brückenbauwerken infolge des Straßenverkehrs durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen führten zu den neuen Verkehrslastannahmen für Straßenbrücken im Eurocode 1, Teil 2 (in Verbindung mit dem deutschen nationalen Anhang) und den Ziellastniveaus in der Nachrechnungsrichtlinie. Im Ergebnis von Nachrechnungen müssen die Bestandsbrücken ertüchtigt oder neu gebaut werden. Ertüchtigung von Autobahnbrücken heißt Bauen unter Verkehr. Auf den Bestandsbrücken ist eine veränderte Verkehrsführung erforderlich. Mit einer veränderten Verkehrsführung geht aber unter Umständen auch eine Veränderung der Beanspruchungen der Brückenbauwerke infolge dieser "Umnutzung" einher. Ziel des vorliegenden Forschungsprojektes ist es, den Einfluss der veränderten Verkehrsführung bei Ertüchtigungsmaßnahmen auf die Bauwerksbeanspruchungen zu analysieren. Unter Anwendung einer in den vorhergehenden Projekten entwickelten Vorgehensweise werden Simulationsrechnungen durchgeführt, in denen verschiedenen Varianten von Spuranordnungen auf Überbauquerschnitten betrachtet werden. Des Weiteren werden differenzierte Verkehrscharakteristiken, also verschiedene Verkehrsstärken und Verkehrszusammensetzungen, betrachtet. Grundsätzlich werden hierbei Beanspruchungen, also zum Beispiel resultierende Biegemomente oder Auflagerkräfte, betrachtet. Aus diesem Grund müssen die Berechnungen für definierte Tragsysteme durchgeführt werden. Im vorliegenden Projekt wurden hierzu zwei reale Brückenbauwerke betrachtet, die sich im Zuge von Autobahnen in Nordrhein-Westfalen befinden. Erweitert werden die Betrachtungen auf ein zusätzliches "virtuelles" Tragsystem, um ein gewisses Spektrum von Stützweiten und Querschnittsbreiten analysieren zu können. Grundsätzlich zeigt sich im Ergebnis der Untersuchungen, dass Beanspruchungen aus aktuellem Verkehr bei normaler Verkehrsführung durch das Lastmodell LM1 des DIN-Fachberichtes 101 abgedeckt werden. Für Beanspruchungen aus zukünftigem Verkehr ist das neue Lastmodell LM1 des Eurocodes erforderlich. Im Rahmen von Baumaßnahmen wird im Allgemeinen eine 4+0-Verkehrsführung eingerichtet. Hierbei werden bei zweiteiligen Überbauquerschnitten vier Fahrstreifen über einen Querschnitt geleitet. Dies geht einher mit einer Verengung der Fahrspuren. In solchen Fällen ist davon auszugehen, dass es nicht möglich ist, dass Lkw-Überholverkehr stattfinden kann. Dies führt zu einer wesentlichen Verringerung der Beanspruchungen von Brückenbauwerken, da auch in Stausituationen in den zwei Richtungsfahrbahnen keine Lkw-Fahrzeuge nebeneinander stehen können. Für Verkehrszusammensetzungen entsprechend der aus der Nachrechnungsrichtlinie bekannten Verkehrsart "Große Entfernung" (50 % Sattelzugfahrzeuge) ergibt sich daher eine Abdeckung der Beanspruchungen aus Straßenverkehr durch das Lastmodell BK60 der DIN 1072. Für Verkehrszusammensetzungen analog der Verkehrsart "Mittlere Entfernung" reicht das Lastmodell BK30/30 zu Abdeckung aus. Weitere Differenzierungen hinsichtlich der Verkehrsstärke führen hier zu keinen wesentlichen Änderungen der getroffenen Aussagen.
Die Anforderungen an Brückenbauwerke haben sich in den vergangenen Jahren infolge der steigenden Verkehrszahlen deutlich erhöht. Gleichzeitig hat sich mit der Umstellung der Normen der rechnerische Querkraftwiderstand von Bauteilen ohne Querkraftbewehrung verringert. Daher lässt sich für Brückenbauwerke im Bestand mit Fahrbahnplatten ohne Querkraftbewehrung nach derzeitigen technischen Regeln oft nicht eine ausreichende Querkrafttragfähigkeit nachweisen. Allerdings sind die berechneten Tragfähigkeiten aufgrund einer Unterschätzung der mitwirkenden Plattenbreite konservativ. Der derzeit gültige Ansatz zur Berechnung der Querkrafttragfähigkeit ohne Querkraftbewehrung nach DIN-Fachbericht 102 (2009) wurde anhand einer Querkraftdatenbank kalibriert, die hauptsächlich aus Versuchen an Balken besteht. Bislang wurden nur wenige Versuche zur Querkrafttragfähigkeit von Platten unter punktförmiger Belastung durchgeführt. Im vorliegenden von der Bundesanstalt für Straßenwesen geförderten und am Institut für Massivbau der RWTH Aachen durchgeführten Forschungsvorhaben wurde durch experimentelle und theoretische Untersuchungen das Querkrafttragverhalten von Platten genauer analysiert. Die experimentellen Untersuchungen bestanden aus insgesamt 17 Bauteilversuchen in zwei Versuchsserien. In der ersten Versuchsserie wurde die Fragestellung der sich einstellenden Lastverteilungsbreite bei Platten ohne Querkraftbewehrung im Zustand II untersucht. Hierzu wurde durch Variation der Plattenbreite (0,5 m bis 3,5 m) an Einfeldsystemen gezielt der Übergang von der Balkentragwirkung zur Plattentragwirkung analysiert. Anschließend wurde der Einfluss der Schubschlankheit (2,9 bis 5,4) auf das Querkrafttragverhalten überprüft. In der zweiten Versuchsserie wurde an Kragarmen von zweistegigen Plattenbalken der Einfluss der Vouten sowie des Momenten-Querkraftverhältnisses untersucht. Aufbauend auf den Versuchen der ersten Versuchsserie wurden nichtlineare Finite-Elemente-Berechnungen zur Untersuchung weiterer Einflüsse (z. B. Betonfestigkeit, Längs- und Querbewehrungsgrad, Druckbewehrung, Plattendicke, Stützweite) durchgeführt. Auf Grundlage der durchgeführten theoretischen und experimentellen Untersuchungen wurden abschließend die bestehenden Bemessungsansätze modifiziert und anhand von Versuchen aus der Literatur überprüft.
Nachstreumittelgemische von Fahrbahnmarkierungen sind sicherheitsrelevante Bestandteile der Straßenausstattung. Für ausreichende Funktionalität und Dauerhaftigkeit bestehen Anforderungen an deren Partikelgrößenverteilung sowie Form-, Transparenz- und Oberflächeneigenschaften. Ein Ziel dieser Forschungsarbeit war es, eine optimierte granulometrische Kennzeichnung durch Adaption eines digital-optischen Messverfahrens zu ermöglichen. Ein weiteres Ziel bestand darin, chemisch-analytische Verfahren zur Analyse von Beschichtungen auf derartigen Partikeln zu entwickeln. Das Ergebnis der Forschungsarbeit soll einen Beitrag zur Weiterentwicklung des Untersuchungs- und Qualitätssicherungsinstrumentariums innerhalb des technischen Regelwerkes liefern. Grundlage der Verfahrenserarbeitung und -validierung stellten repräsentative handelsübliche Nachstreumittelgemische und deren Ausgangsmaterialien für Fahrbahnmarkierungen des Typs 1 und 2 dar. Es konnte gezeigt werden, dass digital-optische Messverfahren differenzierendes Potenzial mit höherer Präzision zur verbesserten granulometrischen Kennzeichnung derartiger Materialien aufweisen. Die Rückführbarkeit auf das konventionelle Siebverfahren ist herstellbar. Mittels quantifizierbarer Form- und Transparenzparameter bietet die Methodik auch weiterführende Optionen zur Gütekennzeichnung in Anlehnung an die DIN EN 1423. Eine identifizierende Kennzeichnung von Partikelgemischen mit direkter Rückführbarkeit auf mechanische und lichttechnische Gebrauchseigenschaften ist mit der neuen Methodik möglich. Darüber hinaus wurde eine Mess- und Auswertemethodik auf Basis der Form- und Transparenzkennwerte erarbeitet, mit deren Hilfe eine nachträgliche Differenzierung bzw. Separation der Einzelphasen in der Mischungszusammensetzung eines Nachstreumittelgemisches ermöglicht wird. Die Ergebnisse wurden jeweils aus Relativvergleichen der Einzeluntersuchung aller beteiligten Materialien und dem fertigen Nachstreumittelgemenge abgeleitet. Es wird empfohlen, sowohl die Reflex- als auch Griffigkeitsmittelgemenge sowie das entsprechende Nachstreumittelprodukt einzeln unter Erfassung aller Form- und Transparenzparameter zu kennzeichnen. Darüber hinaus zeigt sich, dass die Methodik weiteres Gütesicherungspotenzial aufweist. Auch die erarbeiteten Analyseverfahren zur Kennzeichnung von Oberflächenbeschichtungen (TOF-SIMS; Headspace-GC/MS; HTD-GC/MS) sind jeweils Relativverfahren, das heißt, es werden für eine Zuordnung vorab Referenzproben von beschichtetem und nicht beschichtetem Nachstreumittel respektive eine Referenz des Coatings benötigt. Eine sehr vorteilhafte weitere Analyseoption kann von einem oberflächenanalytischen Untersuchungsansatz (Zeta-Potenzial) erwartet werden. Die vorliegenden Ergebnisse zeigen Optionen für verbesserte Gütesicherheit auf. Sie liefern wissenschaftlich-technische Grundlagen für die entsprechende Weiterentwicklung des technischen Regelwerkes.
Die Bedeutung von Standards allgemein und Schnittstellenstandards in besonderem Maße sowie zugehöriger Standardisierungsprozesse hat in den letzten Jahren massiv zugenommen. Vor dem Hintergrund und den Zukunftsaufgaben von Intelligenten Verkehrssystemen (IVS) führt die Konvergenz der Branchen Telekommunikation, Medien und Informationstechnologie dazu, dass ehemals feste Grenzen zwischen der Kommunikation und Information zusehends verschwimmen. Gleichermaßen besteht in der Verkehrstelematik zunehmend Bedarf an nachhaltigen Standard-Schnittstellenlösungen zur Sicherstellung der Interoperabilität der Systeme und deren Komponenten, dies verstärkt aufgrund der Proliferation von Sensorsystemen durch zunehmende Ausstattung mit miniaturisierten Chipelementen. Analog trifft dies auch für die Automobiltechnik und deren Vernetzung in kooperativen Verkehrs- und Fahrerassistenzsystemen mittels C2X-Kommunikation zu. Die Standardisierungsforschung ist dementsprechend ein vergleichsweise noch junges Forschungsgebiet. Dies gilt sowohl für die nationale als auch internationale Ebene. Zur Bewältigung des ansteigenden Datenaufkommens bei gleichzeitig technologisch kürzer werdenden Innovationszyklen sind umso mehr effiziente Standardisierungsprozesse erforderlich, um aus übergreifendem Datenaustausch nachhaltig Nutzen für das Verkehrsmanagement schöpfen zu können. Besonders an die Akteure der Standardisierung offener Systeme der Straßenverkehrstelematik stellen sich neue Herausforderungen und Fragen hinsichtlich der Organisation eines hierfür geeigneten Standardisierungsprozesses. Die Forschungsarbeiten im FE-Projekt 63.0013/2009/BASt unterstützen die Vorbereitung der Entscheidung auf staatlicher Ebene über die zukünftige Positionierung der öffentlichen Hand bezüglich der Begleitung und Unterstützung von Standardisierungsaktivitäten offener Systeme im Sektor kommunal eingesetzter Straßenverkehrstelematik. Untersucht werden hierzu die seit Beginn in Deutschland im Jahre 1999 bisherig im Standardisierungsprozess OCIT (Open Communication Interface for Road Traffic Control Systems) und OTS (Open Traffic Systems) erzielten und künftig bei weitergehender Standardisierung zu erwartenden Nutzwirkungen und Risiken. Berücksichtigt werden in Hinblick auf den im November 2011 zur künftigen Harmonisierung der Standardisierung offener Schnittstellen gegründeten Standardisierungsverbund OCTS (Open Communication Standards for Traffic Systems) dabei die erwachsenden Einflussfaktoren und Anforderungen aus affinen Standardisierungsaktivitäten sowie EU-Richtlinien, insbesondere zu kooperativen IVS.