620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Das Bundesministerium für Verkehr hat die Bundesanstalt für Straßenwesen beauftragt, die Beanspruchung und das Verhalten von Fahrbahnübergängen aus Asphalt bei kurzzeitig schnell auftretenden Horizontallasten (Bremslasten) zu untersuchen. Die Messungen sollten an Brückenüberbauten ohne definierten Festpunkt (schwimmende Lagerung) durchgeführt werden. Die Ergebnisse der Bauwerksmessungen finden Eingang in die Formulierung von technischen Spezifikationen für Fahrbahnübergänge aus Asphalt (Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für die Herstellung von Fahrbahnübergängen aus Asphalt in Belägen auf Brücken und anderen Ingenieurbauwerken aus Beton, ZTV-BEL-FÜ; Technische Prüfvorschriften für Fahrbahnübergänge aus Asphalt, TP-BEL-FÜ). In dem vorliegenden Bericht sind die Messungen an einem Bauwerk in der Nähe der Ortschaft Kirchhain sowie an einem Bauwerk im Zuge der B 55n beschrieben. Die Messergebnisse machen deutlich, dass Fahrbahnübergänge aus Asphalt neben den durch Bremslasten verursachten Horizontalverschiebungen auch durch die infolge der Vertikallasten aus Fahrzeugüberfahrten resultierenden Verdrehungen der Endquerschnitte beansprucht werden. Für das Bauwerk Kirchhain wurden Messungen mittels eines Belastungsfahrzeuges für die beiden Lastfälle Überfahrt ohne Bremsen und Überfahrt mit Bremsen durchgeführt. Zur Überprüfung der Ergebnisse dieser Messungen wurden parallel numerische Berechnungen durchgeführt. Neben den Messungen mit dem Belastungsfahrzeug erfolgten für beide Bauwerke auch Messungen unter Verkehr. Hieraus ergaben sich erste Hinweise im Hinblick auf die Aufstellung von Belastungskollektiven für Fahrbahnübergänge aus Asphalt. Weiterhin konnten die für die Beanspruchung von Asphaltübergängen maßgebenden Frequenzen ermittelt werden.
Das Bundesministerium für Verkehr hat die Bundesanstalt für Straßenwesen damit beauftragt, die internationale Entwicklung zum Thema "Fahrsimulatoren" zu beobachten und über die Ergebnisse zu berichten. Hierzu ist eine Umfrage bei Herstellern von Fahrsimulatoren im In- und Ausland durchgeführt worden. Von Interesse war dabei ausschließlich die Gruppe der Trainingssimulatoren. Dabei konnte auf eine vorangehende Befragung aus dem Jahre 1994 aufgebaut werden. Der seinerzeit verwendete Fragebogen zu technischen Merkmalen von Fahrsimulatoren wurde in einigen Aspekten modifiziert. Darüber hinaus wurde ein Fragebogen über didaktische Merkmale von Fahrsimulatoren konzipiert und der Umfrage beigefügt. Beide Fragebögen wurden an 43 Firmen und Institutionen verschickt; von den erhaltenen 15 Rückantworten waren sieben nicht verwertbar, sei es weil die Fragebögen nur unzureichend ausgefüllt waren, sei es weil es sich bei den beschriebenen Fahrsimulatoren nicht um Trainingssimulatoren handelt. Ein Hersteller hat zwei Fahrsimulatoren beschrieben, so dass in den acht verwertbaren Rückantworten neun Simulatoren nach technischen Merkmalen beschrieben worden sind. Die didaktischen Konzeptionen wurden von sieben Herstellern dargestellt. Die rund 150 abgefragten technischen Merkmale werden in dem Bericht zunächst für jeden Fahrsimulator separat mitgeteilt. Um Fahrsimulatoren nach diesen Merkmalen besser untereinander vergleichen zu können, werden die Daten darüber hinaus nach Merkmalen geordnet dargestellt. Die Überlegungen zur didaktischen Konzeption sind in dem Bericht unverändert so abgedruckt, wie sie von den Herstellern übersandt worden sind. Im Hinblick auf die technischen Merkmale haben sich im Vergleich zur ersten Befragung keine entscheidenden Veränderungen ergeben. Bemerkenswert ist allerdings, dass die meisten Hersteller von Fahrsimulatoren zu Ausbildungszwecken im Lkw-Bereich ihren Schwerpunkt setzen. Mit der Zusammenstellung der didaktischen Konzeptionen wird Neuland betreten. Die Ergebnisse zeigen große Unterschiede auf diesem Gebiet. Es darf erwartet werden, dass in Zukunft hier noch elaboriertere Konzeptionen vorgelegt werden.
Eine eindeutige visuelle Führung im Straßenraum, insbesondere in Arbeitsstellen, ist eine Grundvoraussetzung für einen sicheren und homogenen Verkehrsablauf. Die visuelle Führung wird durch horizontale (zum Beispiel Fahrbahnmarkierungen) und vertikale Leiteinrichtungen (zum Beispiel Warnbaken) bewirkt. Vor allem nachts kommt den vertikalen Leiteinrichtungen eine besondere Bedeutung zu. Eine eindeutigere visuelle Führung der Verkehrsteilnehmer könnte durch eine verbesserte Gestaltung von Verkehrszeichen und Verkehrseinrichtungen erreicht werden. Um zu überprüfen, welche Formen und Farben besonders wirksam sind, wurde die vorliegende Laborstudie durchgeführt. Durch Befragung von Testpersonen wurde ermittelt, dass bei Leiteinrichtungen die Farbkombination Rot-Weiss die höchste Auffälligkeit und Warnwirkung besitzt, während bei Überleitungs- und anderen Verkehrslenkungstafeln von den Versuchspersonen Kombinationen mit schwarzer Schrift auf gelbem, orangefarbenem oder rotem Grund die höchste Warnwirkung attestiert wurde. Bei richtungsanzeigenden Leiteinrichtungen besitzen Pfeilmuster eine deutlich höhere visuelle Wirksamkeit als diagonale Streifenmuster. Daher können die heute überwiegend verwendeten Leiteinrichtungen mit diagonalen Streifenmustern ihre richtungsanzeigende Funktion nur sehr bedingt erfüllen. Als wirksamstes Gestaltungselement für absperrende Leiteinrichtungen erwies sich ein vertikales Streifenmuster, das heute meist zur Gestaltung solcher Leiteinrichtungen verwendet wird. Einige andere Gestaltungsmerkmale der heute verwendeten Leiteinrichtungen besitzen eine hohe visuelle Wirksamkeit: das Flächenverhältnis Rot:Weiß von 1:1, der Leuchtdichtekontrast zwischen Rot und Weiß sowie bei den meisten Leiteinrichtungen auch die Zahl der Rot-Weiß-Wechsel je Länge der Leiteinrichtung. Die Helligkeitsanforderungen an Leiteinrichtungen beim nächtlichen Fahren unterscheiden sich nicht von denen anderer Verkehrszeichen. In vielen Fällen ist das visuelle Erscheinungsbild der in Deutschland verwendeten Leiteinrichtungen als gut zu bezeichnen, teilweise aber verbesserungsbedürftig. In den abschließenden Empfehlungen wird unter anderem vorgeschlagen, die Warnbake und verwandte Leiteinrichtungen völlig neu zu gestalten, indem die diagonalen Streifen- durch Pfeilmuster ersetzt werden. Die Absperrschranke kann dagegen in ihrer Gestaltung kaum noch verbessert werden. Weiter wird ein einheitliches System der Farbkodierung von Verkehrszeichen für die wegweisende Beschilderung, Leiteinrichtungen und Verkehrslenkungstafeln vorgeschlagen, bei dem auch die Erfordernisse einer künftigen europäischen Harmonisierung auf diesem Gebiet berücksichtigt werden. Die Ergebnisse beziehen sich überwiegend auf Leiteinrichtungen, die in Arbeitsstellen verwendet werden, aber auch auf Leiteinrichtungen zur Dauerbeschilderung.
Um einen sicheren Verkehrsablauf zu gewährleisten, müssen auch die begrünten Flächen neben der Straße (Straßenbegleitgrün) gepflegt werden. Über das "Wie" und "Wann" derartiger Pflegeweisen gibt es schon in einigen Bundesländern Broschüren und Pflegepläne. Diese Handlungsanweisungen basieren zum größten Teil auf vegetationskundlichen Untersuchungen. Zoologische Erhebungen sind aufwendiger und wurden bisher bei Pflegeprogrammen kaum berücksichtigt. In dieser Untersuchung werden die wichtigsten zoologischen und botanischen Arbeiten zum Straßenbegleitgrün des Zeitraumes 1983 bis 1995 hinsichtlich ihrer Aussagen zu Pflegeweisen und -terminen ausgewertet. Es finden sich kurze Beschreibungen des Aufbaues der Untersuchungen, um die Vergleichbarkeit beziehungsweise den ergänzenden Wert der verschiedenen Arbeiten herauszustellen. Aufbauend auf der so gewonnenen Übersicht vermittelt eine anschließende Synopsis ausgewogene Pflegeempfehlungen, die gleichermaßen allen Lebewesen der straßenbegleitenden Grünflächen, Pflanzen und Tieren, verbesserte Bedingungen ihres besonderen Lebensraumes ermöglichen sollen. Fauna und Flora der straßenbegleitenden Grünflächen weisen hohen Artenreichtum auf. In der Landschaft seltene Spezies kommen jedoch nur vereinzelt vor, die Lebensgemeinschaften bestehen vor allem aus weit verbreiteten Arten. In den zoologischen Arbeiten wird stichhaltig nachgewiesen, dass Mahd oder Mulchen bedeutende Eingriffe in die Struktur der betroffenen Tierpopulationen darstellen. Die Lebensgemeinschaften werden dadurch zum Teil unnötig geschwächt. Ausgewogene Anlage und Pflegeempfehlungen für Zoologie und Vegetation bedeutet für die meisten Flächen, dass sie nur alle drei bis vier Jahre gemäht werden müssen.
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.
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.
In der zukünftig vorgesehenen Systematik der Straßenerhaltung werden zur routinemäßigen Beobachtung und Beurteilung des Ebenheitszustandes auf unterschiedlichen Entscheidungsebenen geeignete Systeme zur Messung von Fahrbahnunebenheiten benötigt. Um die aus den Messungen resultierenden Ergebnisse vergleichbar zu machen, müssen Verfahren zur Beschreibung beziehungsweise Bewertung von Unebenheiten zur Verfügung stehen, die sich einheitlicher Entscheidungsgrundlagen bedienen und deren Ergebnisse dazu ineinander überführbar sind. Der Teil 1 der Gesamtaufgabe beschäftigt sich mit der Sammlung einer repräsentativen Anzahl von Zustandswerten für das Fahrbahnoberflächenprofil in Längsrichtung und mit dem Vergleich von Mess- und Beschreibungsverfahren für Unebenheiten des Längs- beziehungsweise des Querprofils. Im Teil 2 werden die theoretischen Grundlagen zur Beurteilung der Mess- und Beschreibungsverfahren gelegt, wobei die Betrachtung auf die Messung der Ebenheit im Längsprofil beschränkt werden sollte. Die theoretischen Untersuchungen ergaben, dass allein die folgenden Geräte sich zur Messung der Ebenheit im Längsprofil eignen: Analyseur Dynamique de Profil en Long (APL), Automatic Road Analyzer (ARAN) und High Speed-Road Monitor (HPM). Alle drei Geräte messen das Straßenlängsprofil und eignen sich zur Ermittlung der Spektralen Dichte der Profilhöhen Omega(Index 0 hoch 1), die zur Zeit die einzige Beschreibungsgröße ist, die die Längsebenheit charakterisieren kann. Um die gemessenen Spektralen Dichten bewerten zu können, wurde eine Bewertungsgröße für die Längsebenheit, der Spektrale Ebenheits-Index (SEI) entwickelt, mit dessen Hilfe auch die in Teil 1 gesammelten Ebenheitsdaten von 180 km bundesdeutschen Straßen zu einem ersten Bewertungshintergrund ausgewertet werden konnten. Mit der Einführung der Spektralen Dichte Phi(Index h)Omega als Beschreibungs- und der Schaffung des SEI als Bewertungsgröße für die Ebenheit ist die Voraussetzung für eine sachgerechte und aussagekräftige Charakterisierung für die Allgemeinunebenheit im Längsprofil gegeben. Darüber hinaus stehen repräsentative Zustandswerte der Ebenheit aus dem aktuellen Straßennetz der Bundesrepublik Deutschland zur Verfügung.
In einer Großversuchsanlage der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) werden Dauerbelastungsversuche an Asphalt-Modellstraßen im natürlichen Maßstab 1:1 durchgeführt. Bei diesen Versuchen wird die Verkehrsbelastung durch rollende Räder mit Hilfe von Impulsgebern (pulse generators) simuliert. Die Wirkungen aus Impulsgeber-Belastung und Radüberfahrt können miteinander verglichen werden, wenn als Wirkung der Anteil der bleibenden Verformung im Asphalt berücksichtigt wird, welche auf den rheologischen Normalfall des Kriechens zurückführbar ist. Das Schadensereignis bei allen Dauerbelastungsversuchen war bleibende Verformung in Gestalt von Spurrinnen. Es ergaben sich keine konkreten Hinweise auf Materialermüdung, zum Beispiel durch Ausbildung von Rissen. Es werden zwei Typen der Spurrinnenbildung beobachtet. Der erste Typ kann auf den Normalfall des Kriechens von Asphalt zurückgeführt werden, beim zweiten Typ wird eine "Einfahrphase" beobachtet, in der das ungebundene Material des Untergrundes konsolidiert oder plastische Verformung in der Asphaltschicht stattfindet. In einigen Versuchen wurde die Lastabhängigkeit der Spurrinnenbildung untersucht. Diese Untersuchungen führen auf die Möglichkeiten einer Berechnung der Lastabhängigkeit bei gemischtem Verkehr (Lastäquivalenz). Ebenso wird die Abhängigkeit der Spurrinnenbildung bei gemischten Temperaturen diskutiert. In Abschnitt 7 der Arbeit erfolgt eine vergleichende Darstellung aller Versuchsergebnisse, insbesondere im Hinblick auf die Feststellung von Bauweisen-Äquivalenzen. In Abschnitt 8 wird das Konzept eines Verfahrens zur experimentellen Bemessung von Asphaltbefestigungen dargelegt. In Verbindung mit Dauerbelastungsversuchen wird angestrebt, hieraus die Spurrinnenbildung zu prognostizieren.
Um verschiedene Erhaltungsmaßnahmen, die vorrangig die Wiederherstellung der Griffigkeit und Ebenheit älterer Betondecken zum Ziele hatten, vergleichend untersuchen zu können, wurden im Rahmen ohnehin anstehender Instandsetzungen auf verschiedenen Bundesautobahnen folgende Arbeiten durchgeführt: - Mechanisches Aufrauhen; - Bituminöse Schichten im Kalteinbau; - Oberflächenbehandlungen; - Beschichtungen mit Reaktionsharzmörteln; Beschichtungen mit Beton. Das mechanische Aufrauhen erfolgte mit schnell drehenden Anhängefräsen, Klopffräsen und Betonfräsen. Mit diesen Verfahren kann die Griffigkeit einer Betondecke nachhaltig verbessert werden. Die Untersuchungen haben jedoch gezeigt, dass dies am dauerhaftesten mit den schnell drehenden Anhängefräsen geschieht. Mit den Betonfräsen wird der Beton so stark beansprucht, dass Gefügeschäden zu befürchten sind. Um die Qualität und Dauerhaftigkeit der Griffigkeitsverbesserung zu sichern wird vorgeschlagen, dass Griffigkeitswerte nach Beendigung des Fräsens größer gleich 70 und nach einem Jahr unter Verkehr noch größer gleich 60 SRT-Einheiten betragen müssen. Mit den bituminösen Schichten im Kalteinbau ist eine Erhaltungsmaßnahme gegeben, die neben der Griffigkeitsverbesserung auch zur Verbesserung der Ebenheit beitragen kann. Es wurden bituminöse Schichten eingebaut, die sich in der Größe des Größtkorns voneinander unterschieden. Anfänglich wiesen die Schichten mit dem größten Größtkorn (11 mm) eine bessere Griffigkeit auf als die mit dem kleineren Größtkorn (5 mm). Im Laufe der Zeit näherten ich die Werte einander mit der Tendenz, dass langfristig die feineren Gemische ein besseres Griffigkeitsverhalten erwarten lassen. Oberflächenbehandlungen auf Autobahnen müssen nach wie vor kritisch gesehen werden, da zur Abwendung von Windschutzscheiben-Schäden nach dem Einbau Geschwindigkeitsbeschränkungen für mehrere Tage/Wochen angeordnet werden müssen, die auf stark befahrenen Strecken zu Staus führen können. Hinzu kommt, dass trotz moderner Dosiertechnik Bindemittelanreicherungen in den Rollspuren auftreten können. Die Reaktionsharzmörtel-Beschichtungen auf Epoxid- bzw. Methylmethacrylatharz-Basis bestätigen die bereits anderen Orts gemachten guten Erfahrungen. Mit der Wahl der Zuschlagart bzw. des Abstreumaterials kann man die Griffigkeitsergebnisse entscheidend beeinflussen. Die Frage der Dauerhaftigkeit von Reaktionsharzmörteln ist - sorgfältige Betonvorbehandlung und Mörtelverarbeitung vorausgesetzt - gelöst. Mit Reaktionsharzmörtel-Beschichtungen können Betondecken deutlich dauerhaft saniert werden. Erste Lärmmessungen nach DIN ISO 362 deuten auch auf günstige Immissionswerte hin. Die Beschichtungen mit Beton unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Griffigkeit nicht von neuen Betondecken. Hinsichtlich Haltbarkeit kann von einer Bewährung jedoch noch nicht gesprochen werden. Eine Variante, die Beschichtung mit Kolloidalbeton, hat sich gar nicht bewährt, da es hier schon nach 2 Monaten Liegedauer unter Verkehr zu schollenartigen Ablösungen kam. Infolge von Grunderneuerungen konnten die Beschichtungen mit Beton nicht lange genug beobachtet werden, um eine abschließende, fundierte Aussage zur Dauerhaftigkeit machen zu können.
In der Forschungsarbeit der Bundesanstalt für Straßenwesen wurden in einem Ringversuch simultan für mehrere in-situ-Dichtemessverfahren sowohl die Wiederhol- als auch die Vergleichs-Präzisionen für zwei verschiedene Bodenarten ermittelt. Die Messungen wurden dabei auf Versuchsflächen durchgeführt, die in den Hallen der Bundesanstalt für Straßenwesen präpariert waren. Das dem Versuchsplan zugrundeliegende varianzanalytische Modell musste dabei die hier vorliegenden technischen Anforderungen und Restriktionen berücksichtigen: a) Ausschaltung von systematischen Fehlern und Dichtewerten bei der Gewinnung der gesuchten Präzisionen sowie b) Nicht-Wiederholbarkeit der Messungen infolge zerstörender Prüfung. Der mathematische Hauptaufwand lag in der Erstellung der zum Modell gehörigen varianzanalytischen Zerlegungstafel und der daraus herzuleitenden Schätzfunktionen für die gesuchten Verfahrenspräzisionen und sonst interessierenden Modellparameter. Hierzu wurde von Deutler ein gemischtes, dreifaktorielles, partiell hierarchisches, varianzheterogenes Varianz-Analyse-Modell entwickelt und zwar für den balancierten wie auch für den nicht-balancierten Fall. Angewendet auf nicht zerstörungsfreie in-situ-Messverfahren von Dichte und Wassergehalt wurden die Präzisionen an Kies- und Schluffboden unter Mitwirkung von bis zu 17 Prüfinstituten ermittelt.