620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Gegenstand des Forschungsvorhabens ist die Etablierung des Elastizitätsmoduls als Parameter, der qualitative Aussagen über den Schädigungszustand des Baustoffes Straßenbeton ermöglicht. Zu diesem Zweck erfolgte eine systematische Ermüdung sowohl labor- als auch großmaßstäblicher Beton-Probekörper bei zeitgleicher Messung des Elastizitätsmoduls mithilfe von unterschiedlichen Verfahren.
Im ersten Schritt wurde ein Versuchsprogramm entwickelt, mit dem Straßenbeton-Probekörper mittels des Spaltzug-Schwellversuchs gezielt in einen definierten Ermüdungszustand versetzt werden können. Hierfür wurde der Parameter des Grenz-Elastizitätsmoduls definiert, welcher, wenn er unterschritten wird, zum Pausieren des Versuchs führt. In diesen systematisch eingehaltenen Lastpausen erfolgten begleitende Untersuchungen der Ultraschalllaufzeit und der Eigenfrequenz zur Bestimmung des Elastizitätsmoduls der untersuchten Probekörper während des Ermüdungsvorganges.
Im zweiten Schritt wurden die Untersuchungen auf eine Betonplatte und einen Betonplattenstreifen ausgeweitet.
Hierfür kam mit der Phase-Shift-Methode ein Verfahren zum Einsatz, das auf der Multichannel Analysis of Surface Waves (MASW) basiert und mithilfe dessen die Degradation großformatiger Straßenbetonelemente in Form der Verminderung des Elastizitätsmoduls messtechnisch nachgewiesen werden kann.
Anhand von FEM-Simulationen konnte gezeigt werden, dass eine Verminderung des Elastizitätsmoduls infolge der Ermüdung zu einer lokalen Konzentration der Beanspruchungen einer Betonplatte unter Last führt. Weiterhin ergab sich, dass die Verminderung der Beanspruchung der Betonplatte infolge eines ermüdungsbedingt verringerten Elastizitätsmoduls in einer Erhöhung der Beanspruchung der Beton-Unterlage resultiert. Dadurch bedingt kann es zu einer Verschlechterung der Auflagerungsbedingungen der Betonplatte kommen, was sich wiederum auf deren Beanspruchung und somit auf die Nutzungsdauer auswirken kann.
Es zeigt sich zwischen den Ergebnissen aller untersuchten Verfahren eine sehr gute Synchronität hinsichtlich des qualitativen ermüdungsbedingten Verlaufs des Elastizitätsmoduls. Die vier angewandten Verfahren, die sich voneinander unabhängiger physikalischer Phänomene bedienen, ermöglichen neben einer qualitativen Aussage über die Schädigung des Materials die Bestimmung von Absolutwerten des Elastizitätsmoduls. Je nach verwendetem Verfahren weichen die absoluten Werte des Elastizitätsmoduls leicht voneinander ab. Der Elastizitätsmodul bestätigt sich als geeigneter Parameter zur Beschreibung der Degradation des Baustoffs Straßenbeton im Zuge des Ermüdungsprozesses.
Die eingesetzte Phase-Shift-Methode kann in Kombination mit der Bestimmung charakteristischer Verläufe für die Verminderung des Elastizitätsmoduls im Zuge der Ermüdung potentiell die Basis für die zerstörungsfreie Bewertung der strukturellen Substanz von Betonfahrbahndecken in situ bilden. Perspektivisch kann dies die einfache und zielsichere Bewertung vorhandener Betonfahrbahndecken hinsichtlich ihrer Restnutzungsdauer und neuer Betonfahrbahndecken in Bezug auf ihre Dauerhaftigkeit ermöglichen
Eine der wichtigsten Grundlagen für die systematische Straßenerhaltung in Kommunen ist die Kenntnis des Straßenzustands und seiner zeitlichen Entwicklung. Im Rahmen des Erhaltungsmanagements wird in Deutschland der Zustand von Verkehrsflächen mittels periodisch durchgeführter Zustandserfassungen aufgenommen, die bspw. messtechnisch oder visuell erfolgen können. Im Ergebnis liegen Zustandsmerkmale auf sogenannten Auswerteabschnitten vor. Für die Aufstellung eines Bauprogramms sind daraus im ersten Schritt zustandshomogene Abschnitte zu bilden. Ziel des Forschungsprojektes war, ein praxisorientiertes, automatisch arbeitendes Verfahren zur Bildung zustandshomogener Abschnitte zu entwickeln (Segmentierungsverfahren) und damit ein Werkzeug zu schaffen, mit dessen Hilfe objektive Entscheidungen über die durchzuführenden Erhaltungsmaßnahmen unterstützt werden können. Da die Segmentierung jedoch ausschließlich auf den Zustandsdaten beruht, müssen bei der Aufstellung eines Bauprogramms regelmäßig von der jeweiligen Kommune noch eine Reihe weiterer praktischer Aspekte berücksichtigt werden, die zumeist Ortskenntnis erfordern. Insoweit ist das Resultat aus vorliegendem Verfahren als ein hilfreicher Baustein und objektiver erster Vorschlag für ein Bauprogramm zu betrachten. In einem ersten Schritt wurden aus der Literatur bekannte Segmentierungsverfahren analysiert. Dabei konnte insbesondere auch auf Erkenntnisse aus dem abgeschlossenen Projekt FE 29.0360/2014 „Verfahren zur Bildung und Beschreibung zustandshomogener Abschnitte und repräsentativer Kennzahlen für das Erhaltungsmanagement“ zurückgegriffen werden, in dem der Forschungsnehmer eine ähnliche Fragestellung bereits für Bundesfernstraßen betrachtet hatte. Darauf aufbauend wurde ein eigenes Segmentierungsverfahren entwickelt und erprobt, welches insbesondere eine grundlegend neue Herangehensweise an die Gesamtsegmentierung mehrerer Folgen von Zustandsmerkmalen beinhaltet. Die Verfahrensentwicklung und -verifikation wurde anhand der Netz- und Zustandsdaten von vier Beispielkommunen durchgeführt. Zu Beginn der Projektbearbeitung war es notwendig, eine eingehende Analyse der Daten hinsichtlich ihrer Konformität im Hinblick auf die Regelwerke durchzuführen, damit nachfolgend das Segmentierungsverfahren auf die jeweils gleiche Inputdatenstruktur aufsetzen konnte. Ein solcher Preprozessingschritt – vergleichbar mit dem Teilprojekt TP 0 bei der ZEB – ist generell zu empfehlen. Aus den so aufbereiteten Daten wurden Post-greSQL-Projektdatenbanken aufgebaut. Der Algorithmus zur Bildung zustandshomogener Abschnitte wurde in PostgreSQL entwickelt. Künftige Nutzer können das SQL-Script durch verschiedene Eingabeparameter, wie z. B. die Auswahl des Netzbereiches und die Mindestsegmentlänge, steuern. Das Verfahren segmentiert Abschnittsfolgen des Netzes fahrstreifenbezogen nach mehreren Zustandsmerkmalen, die auf Auswerteabschnitten fester Länge vorliegen. Die Abschnittsfolge wird dabei in Segmente eingeteilt, die möglichst zustandshomogen sind. Es wurde so konzipiert, dass die zu segmentierenden Zustandsmerkmale aus der Menge der verfügbaren Zustandswerte und Teilwerte frei wählbar sind. Jedem Segment werden als charakteristische Kennzahlen die Mittelwerte (oder andere Lageparameter wie der Median) der beteiligten Zustandswerte und eine Zustandsklasse zugeordnet. Darauf aufbauend kann jedem Segment eine Mängelklasse und eine geeignete Erhaltungsmaßnahme zugewiesen und damit Erhaltungsabschnitte abgeleitet werden. Es wurde ein neuer Algorithmus entwickelt, der Ideen verschiedener etablierter Verfahren aufgreift, aber letztendlich eine Eigenentwicklung darstellt. So wurde das Verfahren der kumulativen Summen mit dem Verfahren nach RÜBENSAM und SCHULZE verknüpft, die gefundenen Changepoints wurden mit einem Signifikanztest verifiziert und ggf. wieder eliminiert und das Kriterium der Mindestsegmentlänge wurde an geeigneter Stelle integriert. Zur initialen Glättung der Folge der Zustandsdaten wurde eine spezielle Glättungsmethode entwickelt. Eine komplett neue Herangehensweise wurde für die Gesamtsegmentierung mehrerer Folgen von Zustandsparametern gefunden. Die netzweit berechnete Segmentierung wurde durch zwei der beteiligten Beispielkommunen einer stichprobenhaften Prüfung unterzogen. Es zeigte sich, dass das Verfahren grundsätzlich korrekte und verwertbare Resultate liefert, die bei der Aufstellung eines Bauprogramms unterstützend eingesetzt werden können. Weitere Testrechnungen haben gezeigt, dass sich das Verfahren grundsätzlich auch für Straßen des überörtlichen Netzes eignet, da die Auswerteabschnittslänge (10 m/20 m/100 m) hier einen skalierbaren Faktor darstellt. Erweiterungen des Verfahrens bzgl. der Anzahl zu segmentierender Zustandsmerkmale sind möglich und für einen generellen Praxiseinsatz vermutlich auch notwendig. Diese Option sollte durch weitere umfängliche Beispielrechnungen und Vergleiche mit den Ergebnissen etablierter Verfahren verifiziert werden.
Fortschreibung RLuS
(2023)
Die „Richtlinien zur Ermittlung der Luftqualität an Straßen ohne oder mit lockerer Randbebauung“ (RLuS) dienen den zuständigen Behörden der Straßenbauverwaltung in Planfeststellungsverfahren zur Abschätzung der zu erwartenden Luftschadstoffbelastung. Darüber hinaus werden die RLuS bei bestimmten Fragestellungen der Maßnahmenplanung an schon bestehenden Verkehrswegen eingesetzt. Die letzte Veröffentlichung der RLuS erfolgte 2012 und entspricht in wichtigen Teilen nicht mehr dem aktuellen Wissensstand. Im Rahmen dieses Projekts wurden daher über einen Zeitraum von fünf Jahren hinweg Aktualisierungen und Erweiterungen in die RLuS eingearbeitet.
Nach einer vollständigen Neucodierung des Berechnungsprogramms zu den RLuS zu Projektbeginn wurde das Emissionsmodul auf jeweils aktuelle Versionen des Handbuchs für Emissionsfaktoren (HBEFA) aktualisiert und auf Basis des gegenwärtig aktuellen HBEFA 4.1 in Form der „RLuS 2012 - Ausgabe 2020“ eine neue Version veröffentlicht.
Im Rahmen dieser Aktualisierungen des Emissionsmoduls erfolgte neben einer Überprüfung der (nicht im HBEFA enthaltenen) B[a]P-Emissionsfaktoren und des Ansatzes zur Ermittlung der Verkehrsqualität auch eine Erweiterung auf die im HBEFA 4. neu hinzugekommene Verkehrsqualitätsstufe „LOS 5“.
Im Weiteren wurde das Tunnelmodul der RLuS auf Basis eines Ausbreitungsmodells aktualisiert und bietet nun eine realitätsnähere Abbildung der Immissionssituation.
Um der aktuellen Entwurfspraxis mit verstärkter Planung und zunehmendem Bau von Kreisverkehren im Außerortsbereich Rechnung zu tragen, wurde auf Basis von gemessenen Fahrprofilen ein Kreisverkehrsmodul entwickelt, das mit den RLuS die systematische und flexible Beurteilung von Kreisverkehren im Außerortsbereich hinsichtlich der Luftqualität ermöglicht.
Schließlich wurden die Anhaltswerte für die Vorbelastung an Hand eines räumlich hoch differenzierenden Verfahrens auf Basis von Modell- und Messwerten aktualisiert und bis auf das Bezugsjahr 2040 erweitert.
Für einen hoch effizienten, nachhaltigen und kostenminimierten Winterdienst ist der Einsatz von Sole von großer Bedeutung. Frühere Forschungsarbeiten und die praktischen Erfahrungen haben das bestätigt. Damit für die Soleverwendung bei der FS30- oder FS100-Streuung ausreichend Sole, hergestellt aus Natriumchlorid, mit guter Qualität zur Verfügung steht, müssen geeignete Tausalzlöseanlagen beschafft und betrieben werden. Damit kann eine ausreichende Verfügbarkeit von Sole sichergestellt werden. In vielen Fällen ist die Eigenherstellung von Sole auch wirtschaftlicher als eine Fremdbeschaffung.
Erste Anforderungen an Tausalzlöseanlagen wurden in einem aktuellen europäischen Normungsprojekt formuliert. Allerdings wurden die technischen Zusammenhänge bei der Soleherstellung bislang nicht untersucht und es sind verschiedene Probleme bei der Soleherstellung berichtet worden.
Ziel der Forschungsarbeit war die Beurteilung der Leistungsfähigkeit unterschiedlicher technischer Ausführungen von Tausalzlöseanlagen. Dabei wurden die Zusammenhänge zwischen der verfahrenstechnischen und sonstigen technischen Ausführung der Anlagen, den Umfeldbedingungen und der Salzqualität untersucht. Als Nutzen soll zukünftig eine leistungsfähige und zuverlässige Arbeit der Tausalzlöseanlagen erreicht werden, die kostengünstig die ausreichende Bereitstellung von Sole für einen effektiven Winterdienst ermöglichen.
Schwerpunkte der Bearbeitung stellten eine Online-Umfrage bei Straßenbauverwaltungen in Deutschland, Österreich, den Niederlanden und in der Schweiz dar, um deren Erfahrungen und mögliche Optimierungspotenziale bei der Produktion von Sole zu erfassen. Aufbauend auf den Umfrageergebnissen wurden in Deutschland praktische Untersuchungen mit Salzlöseanlagen, die mit aufwärts gerichtetem Wasserdurchfluss oder Zwangsumlauf arbeiteten, durchgeführt. Die Abhängigkeiten der Soleproduktionskapazität und der Solequalität vom Systemdesign, der verwendeten Salzqualität und den Temperaturen des Lösewassers und des Salzes wurden bestimmt. Die Ergebnisse verschiedener Methoden zur Online-Messung und manuellen Messung der Solekonzentration wurden mit Laborergebnissen verglichen.
Alle erzielten Ergebnisse wurden verwendet, um technische Anforderungen an Tausalzlöseanlagen und Empfehlungen für deren Betrieb und für die Beschaffung neuer Anlagen einschließlich der Auswahl der Salzqualität zu formulieren.
Unbedingt notwendige Bestandteile einer Leistungsbeschreibung für Tausalzlöseanlagen wurden identifiziert (u.a. Anforderungen an die Produktionsleistung und Solequalität (Konzentration, Reinheit), Anforderungen der Arbeitssicherheit und des Umweltschutzes, Vorgaben für die Mess-, Steuer- und Regeltechnik, Abnahmekriterien).
Sammelstraßen nehmen in Wohngebieten oft Verkehr aus anschließenden Wohngebieten, Lieferverkehr und öffentlichen Personennahverkehr auf. Sie werden deshalb großzügig trassiert und reizen zu höheren Geschwindigkeiten. Man versucht durch Änderung in der Netzstruktur, Beschilderungen mit Zeichen 274 StVO oder baulichen Maßnahmen eine Geschwindigkeitsdämpfung zu erreichen. Über die erzielbare Minderung des Risikos für die Anwohner bestehen verschiedene Ansichten. Im Kölner Stadtgebiet wurden in drei neuen Wohnsiedlungen Versuche durchgeführt. Das erste Versuchsgebiet war eine Wohnsiedlung der 60er Jahre mit 14.000 Einwohnern. Sie war durch eine schleifenartige Sammelstraße mit der Stadt verbunden. Vorgeschrieben war Tempo 30 ohne flankierende Maßnahmen. Neue Beschilderung führte nicht zu einer Abnahme der Geschwindigkeit. 50% der Autos fuhren mit 50 km/Std. Das zweite Versuchsgebiet war ein Neubaugebiet mit 10.000 Einwohnern. Durch Blinkzeichen wurde das Überschreiten von 30 km/Std. angezeigt. Die vorgeschriebene Geschwindigkeit von 30 km/Std. wurde nur von 10% der Fahrer eingehalten. Im dritten Versuchsgebiet mit 10.000 Einwohnern wurden auf 1,5 km in Abständen von 70 bis 200 m Schwellen mit 10 cm Höhe eingebaut. Über die Hälfte der Fahrer fuhren unter 30 km/Std. Aus den Messungen ergab sich, dass das Fahrverhalten nicht durch Schilder, sondern nur durch Veränderungen im Straßenraum beeinflusst werden kann.
Auf Straßen und im Windkanal wurde an Autobahnen das NO2- und Pb - Ausbreitungsverhalten bei Anordnung von Lärmschutzwänden, Gehölzpflanzungen oder Wald in Fahrbahnnähe gemessen und der freien Schadstoffausbreitung gegenübergestellt. Es wurde ermittelt, dass eine 500 m lange und mindestens 4 m hohe Lärmschutzwand die NO2- und Pb-Belastung um 30 bis 50% reduziert. Sie führt aber vor der Wand im Straßenraum zu einer Konzentrationserhöhung bis zu 25%. Ein beidseitiger mit Unterholz durchsetzter Mischwaldstreifen von 50 m Tiefe bewirkt ebenfalls eine Minderung hinter dem Waldstreifen. Heckenartige Gehölzpflanzungen führen zu keiner Verringerung der Belastung. Vergleichsmessungen im Windkanal zeigen für gasförmige Schadstoffe eine stärkere Schutzwirkung einer 4 m hohen Lärmschutzwand gegenüber einem gleich hohen Randbewuchs.
Kategorisierung von Straßen
(1985)
In den neuen "Richtlinien für die Anlage von Straßen, Teil: Straßennetzgestaltung (RAS-N)", deren Veröffentlichung 1985 vorgesehen ist, sind für sechs Funktionsstufen Kriterien angeführt, die erlauben, eine Straße nach ihrer Verkehrsbedeutung in eine Kategorie einzuordnen. Drei Funktionsbereiche werden unterschieden: Verbindung, Erschließung und Aufenthalt. Verbindung bedeutet, dass Personen und Güter ihre verschiedenen Ziele in angemessener Zeit erreichen können, Erschließung sorgt für Zugänglichkeit und Parkraum innerhalb bebauter Gebiete, die Funktion der Straße als Aufenthalt dient den Bedürfnissen der Fußgänger. Um die Ansprüche aus den drei Funktionen angemessen berücksichtigen zu können, werden Unterscheidungsmerkmale angegeben und Kategoriengruppen gebildet, die bestimmte Verkehrsqualitäten besitzen. Als Maß dafür dient die mittlere Reisegeschwindigkeit von Pkw mit Werktagsverkehr, Urlaubsverkehr und Sonntagsverkehr. Die vorgesehenen Geschwindigkeiten richten sich nach einer erträglichen Erreichbarkeit zentraler Ziele. Die neuen Richtlinien sind keine Patentrezepte für die Gestaltung von Straßenräumen. Eine sachgerechte Analyse im Einzelfall wird auch künftig notwendig bleiben. Die Kategorisierung von Straßen wird jedoch für eine Nutzungsabwägung hilfreich sein.
Die Aufgabe dieser Untersuchung besteht darin, die aktuelle Situation zur Verkehrssicherheit von Fußgängern bei eingeschränkten Sichtverhältnissen auf Außerortsstraßen deutlich zu machen und das Verhalten der Fußgänger im Straßenraum zu analysieren. Weiterhin sind Verbesserungsmaßnahmen zu dokumentieren und vorgefundene Maßnahmen bezüglich ihrer Wirksamkeit abzuschätzen und auszuwählen. Zur Bearbeitung waren erforderlich: - Kartierung von 1.088 km Straßen mit fußgängerrelevanten Daten; - Beobachtung von 835 Fußgängern (Verhalten, Ausstattung); - Psychologische Exploration (94 Fußgänger, 93 Autofahrer); - Autofahrer-Befragung (300); - Maßnahmen-Dokumentation (48). Ergebnisse: Fast 40 Prozent der außerorts erfassten Straßen haben begleitende Gehwege oder Geh-/Radwege. Diese sind zu 63 Prozent nicht beleuchtet. Es sind nur wenige Fußgänger bei Dunkelheit und außerorts unterwegs (alle 6 km ein Fußgänger). Die Gehwege werden gut genutzt, ohne Gehweg geht man zu 3/4 auf der linken Fahrbahnseite oder Fahrbahnrand dem Verkehr entgegen. 58 Prozent tragen dunkle Kleidung und sind vom Autofahrer schlecht zu erkennen. Kinder sind am hellsten gekleidet. Neben retroreflektierenden Ranzen und hellen Taschen werden nur selten die übrigen Materialien zur besseren Erkennbarkeit verwendet (Leuchtscheibe/Kristall/Aufkleber etc.). Für Autofahrer sind Fußgänger auf der Straße ein seltenes und meist unerwartetes Ereignis. Dagegen rechnen alle Fußgänger mit Autofahrern und versuchen, sich darauf einzustellen. Es bleiben aber gefährdete Gruppen (zum Beispiel jugendliche Disco-Besucher) und gefährliche Bereiche (zum Beispiel Ortsränder im Übergang zur freien Strecke). Es werden 15 wirkungsvolle Maßnahmen zur besseren Erkennbarkeit der Fußgänger empfohlen. Wenn die Trennung vom Kfz-Verkehr nicht möglich ist, erhöhen helle Beläge und Fahrbahnbegrenzungsmarkierungen die Kontrastwirkung. Beim Autofahrer sollte die Ausstattung der Kraftfahrzeuge für Nachtfahrten verbessert werden. Sehtests und generelle Geschwindigkeitsbegrenzung nachts auf 80 km/h sind zu überdenken.
Die im folgenden Bericht dargelegten Ergebnisse aus den Jahren 1986 bis 1993 sind vor dem Hintergrund und den Randbedingungen der Untersuchungen auf den offenporigen Asphaltdeckschichten auf Außerortsstraßen zu sehen. Weiterentwicklungen in der Straßenbautechnik, Änderungen an den Kraftfahrzeugen und Änderungen des Verhaltens der Verkehrsteilnehmer erfordern, die Versuchsergebnisse zu überdenken; dies gilt insbesondere, weil die offenporigen Asphaltdeckschichten, die den Untersuchungen zugrunde lagen, Ende der 80er Jahre entsprechend dem damaligen Stand der Technik konzipiert und gebaut wurden. Der Ergebnisbericht beruht auf Untersuchungen mit den damals geltenden Randbedingungen des Verkehrs, der Verkehrsmischung und den hierbei verursachten Lärmemissionen. Diese Bedingungen gelten heute nicht mehr in demselben Umfang. So lassen die aus Lärmmessungen sich ergebenden Pegelanstiege auf Deckschichten mit langjährig bewährten Bauweisen vermuten, daß die Geräuschemissionen der Pkw angestiegen sind. Die Frage, in welchem Umfang der Pegelanstieg auf Eigenschaftsänderungen der Deckschichten zurückzuführen ist bzw. durch den Anstieg der Pkw-Geräuschemissionen verursacht wird, läßt sich zur Zeit nicht genau beantworten. Die Untersuchungen haben nicht die erwarteten Ergebnisse hinsichtlich der Lärmwirksamkeit und der bautechnischen Nutzungsdauer hervorgebracht. Aus den Untersuchungen wurden jedoch Erkenntnisse zur Auswahl der Baustoffe, zur Zusammensetzung der Baustoffgemische (Kornform, Bindemittelqualität, Hohlraumgehalt) und zur Herstellung der Deckschichten im Hinblick auf Verbesserungen der bautechnischen Nutzungsdauer und dauerhaften Lärmwirksamkeit gewonnen. Beim Bau offenporiger Asphaltdeckschichten werden die gewonnenen Erkenntnisse bereits umgesetzt. Zur gezielten Weiterentwicklung der lärmmindernden Wirksamkeit von Deckschichten sind ergänzende Untersuchungen zur Abschätzung und Trennung der Lärmerzeugungsmechanismen erforderlich.