620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Eine der derzeitigen Schwierigkeiten bei dem Einsatz von gummimodifizierten Asphalten (GmA) liegt in der nicht hinreichend genauen Bindemittelgehaltsbestimmung durch Extraktion bei der Kontrollprüfung nach den [TP Asphalt-StB, Teil 1, 2007]. Das Ziel dieses Forschungsprojektes war es daher, Hinweise und Empfehlungen zur Verbesserung der Präzision bei der Bestimmung des Bindemittelgehaltes von GmA zu erarbeiten. In einer ausführlichen Untersuchungsreihe wurden im Labor hergestellte SMA 8 S und PA 8, die sowohl im Nass- als auch Trockenverfahren unter Variation des Grundbitumens, des Gummimehlanteils und unter variierenden Mischtemperaturen, Misch- und Lagerungszeiten modifiziert wurden, nach den [E GmBA, 2012] extrahiert. Da sich nur ein Teil des Gummimehles im Bindemittel löst, galt es die im Gesteinskörnungsgemisch verbleibenden ungelösten Gummipartikel möglichst präzise zu erfassen. Dabei stieß die angewendete Vorgehensweise an Grenzen. Das Verhältnis zwischen gelösten und ungelösten Gummipartikelanteilen ist in Abhängigkeit von dem eingebrachten Gummimehlanteil und aufgrund von unvermeidbar unterschiedlicher Gummimehlqualitäten nicht konstant. Eine weitere Ursache für Schwankungen war, dass sich nach der Extraktion Fülleranteile in dem ungelösten Gummipartikelanteil und Gummipartikel im Gesteinskörnungsgemisch wiederfinden ließen. Die Ermittlung des Mittelwertes der ungelösten Gummipartikel aller durchgeführten Extraktionen ergab einen Wert von 75 %. Wie durch die vorherigen Bewertungen zu erwarten, ergab sich jedoch eine große Spannweite von 43 bis 107 %. Mit dem Extraktionsverfahren nach den [E GmBA, 2012] scheint demnach prüftechnisch kein hinreichend genaues Vorgehen zur Ermittlung des Bindemittelgehaltes von GmA und zum ungelösten Gummipartikelanteil zu erzielen zu sein. Als alternative Methode wurde die Veraschung solcher Asphalte eingesetzt und eine empfohlene Vorgehensweise entwickelt. Dieses Verfahren ist unabhängig von der bisherigen Extraktion mit dem Lösemittel Trichlorethylen und den damit verbundenen einzuhaltenden Arbeitssicherheitsbestimmungen. Erste Versuche im Rahmen dieses Forschungsprojektes zeigen plausible und vielversprechende Ergebnisse, die durch weitere Untersuchungsreihen zur Optimierung und zur Validierung des Verfahrens ergänzt werden müssen.
The German highway network is facing new challenges in the near future. The structures have to deal with increasing traffic loads, climate change effects and new requirements regarding sustainability while they are getting older and budget cuts can be expected. To guarantee a reliable highway network, it will be vital to adapt and enhance innovative approaches. Current bridge management relies on the results of conventional bridge inspections and thus has certain limitations when it comes to insufficient load bearing capacity and other systematic weaknesses. Therefore, new approaches for real time condition assessment of critical road infrastructure elements are to be developed.
Zunehmende Belastungen insbesondere der Bundesstraßen durch Schwerverkehr und Witterungsextreme führen dazu, dass viele Straßenabschnitte vor Ablauf der geplanten Nutzungsdauer erneuert werden müssen. Hinzu kommt die Herausforderung der Beseitigung von Investitionsstaus, das heißt die Erneuerung von Straßenabschnitten, deren substanzieller Zustand durch Überschreiten der geplanten Nutzungsdauer nicht mehr wirtschaftlich ist. Insbesondere bei extremen Witterungsbedingungen zeigen sich unter Umständen die Schwächen der verschiedenen Bauweisen. So kann es bei hohen Temperaturen und Stop-and-go-Verkehr bei Asphaltbauweisen zur erhöhten Spurrinnenbildung oder zur Schädigung der Längsnähte kommen. In der Betonbauweise können unter Umständen Hitzeschäden auftreten, wenn größere Imperfektionen – die direkt aus der Herstellung oder mangelnder/fehlerhafter Erhaltung resultieren – vorliegen. Aufgrund außergewöhnlicher klimatischer Situationen (Hitzeperioden) im Jahr 2013 kam es insbesondere im Bundesland Bayern zu einem vermehrten Auftreten von Hitzeschäden. Deshalb wurde im gleichen Jahr eine „Expertengruppe Hitzeschäden“ gegründet, die aus Vertretern des BMVI, der BASt, der Straßenbauverwaltungen und externer Experten bestand. Ziel war es, die Ursachen und Mechanismen von Hitzeschäden zu eruieren, um geeignete Maßnahmen zu deren Vermeidung ergreifen zu können. In diesem Zusammenhang wurde eine spezielle Messstation entwickelt, um die Temperatur über den Betondeckenquerschnitt, die Fugenbewegungen und weitere relevante Klimadaten ermitteln zu können. In enger Zusammenarbeit mit dem Bund und den Ländern wurden bisher 15 derartige Stationen aufgebaut. Somit besteht die Möglichkeit, in der Praxis auftretende witterungsinduzierte Spannungszustände im Kontext mit den verschiedenen Bauweisen sowie den zunehmend auftretenden Witterungsextrema zu analysieren. Die genaue Kenntnis über den Temperaturverlauf im Betonquerschnitt und zur Fugenbewegung, im zeitlichen und örtlichen Kontext zu den Witterungsbedingungen ist notwendig, um das Spannungsniveau im Deckensystem ableiten und prognostizieren zu können. Zudem ist die Kenntnis über konstruktive und materialtechnische Parameter aus dem zu betrachtenden Straßenoberbau erforderlich. Um Aussagen zur zeitlichen Entwicklung des Verhaltens des Plattensystems im Lebenszyklus treffen zu können, ist die kontinuierliche Erfassung, Speicherung und Analyse relevanter Daten von Bedeutung. Für die temporäre Spannungsprognose (z. B. über den Zeitraum einer Hitzeperiode) ist jedoch eine Analyse der Ausgangsdaten innerhalb weniger Stunden notwendig, um entsprechende Handlungsempfehlungen (z. B. Einrichtung von Tempolimits) treffen zu können. Durch die Verknüpfung mit weiteren Daten können ferner Aussagen zur Entwicklung wichtiger zeitlich veränderlicher Parameter über den Nutzungszeitraum gewonnen werden.
Durch das steigende Verkehrsaufkommen des gewerblichen Güterverkehrs auf den Bundesautobahnen ergeben sich insbesondere in den Nachtstunden Probleme für die Fahrzeugführer bei der Einhaltung der gesetzlich vorgeschriebenen Ruhezeiten. Als Folgen sind Überbelegungen in den Rastanlagen und gefährliches Abstellen der Fahrzeuge in den Zu- und Abfahrten von Rastanlagen zu beobachten. Neben Neu-, Um- und Ausbaumaßnahmen können telematische Systeme kurz- und mittelfristig eingesetzt werden, um eine bessere Verteilung der Nachfrage im Streckenabschnitt und eine Erhöhung der Parkkapazität für einzelne Rastanlagen zu erzielen. In einem Projekt der Bundesanstalt für Straßenwesen wurde ein neues Steuerungsverfahren "Telematisch gesteuertes Kompaktparken" entwickelt (im Weiteren: Kompaktparken). Kompaktparken erreicht eine Kapazitätserhöhung durch die Umnutzung der Fahrgasse zwischen parallelen Parkflächen. Dazu parken mehrere Lkw ohne mittlere Fahrgasse zeitlich sortiert, kompakt hintereinander. Damit sich die Fahrzeuge bei der Abfahrt nicht behindern, ist ein zeitliches Sortieren erforderlich. Für das Kompaktparken ist charakteristisch, dass dies mit Hilfe von dynamischen Abfahrtzeitanzeigen über den Parkstandreihen erfolgt. Ankommende Fahrzeugführer sollen in der Parkstandreihe parken, in der die eigene geplante Abfahrtzeit angeboten wird. Zur Entwicklung und zum Test eines möglichen Algorithmus für Kompaktparken wurde eine Nutzerschnittstelle programmiert, welche die errechneten Abfahrtzeiten und eine (theoretische) Belegung der Parkstandreihen abbildet. Die Nutzerschnittstelle kann genutzt werden, um einzelne Fahrzeuge per Mausklick auf einer virtuellen Rastanlage zu platzieren. Auf diese Weise konnten bestimmte Funktionalitäten und Varianten einer algorithmischen Umsetzung getestet werden. Der Algorithmus im Steuerungsverfahren nutzt als Eingangsgröße den charakteristischen Verlauf der Parknachfrage im Güterverkehr. So nimmt die Wahrscheinlichkeit zum Abend hin zu, dass ein ankommender Lkw eine Aufenthaltszeit von 9 bis 11 Stunden auf der Rastanlage plant. Im Steuerungsverfahren werden anhand der typischen Parknachfrage die voraussichtlich gewünschten Abfahrtzeiten abgeleitet und über dynamische Abfahrtzeitanzeigen über den Parkstandreihen angeboten. Wird eine Parkstandreihe vollständig belegt, so wird die dort angebotene Abfahrtzeit auf eine benachbarte, nicht vollständig belegte Parkstandreihe übertragen. Auf diese Weise können stark nachgefragte Abfahrtzeiten lange Zeit angeboten werden. Bauliche und betriebliche Randbedingungen, auch um Fehlverhalten entgegen zu wirken, werden für eine praktische Umsetzung diskutiert. Dazu gehört die Bereitstellung von Informationen, welche Abfahrtzeiten (in welcher Parkstandreihe) noch verfügbar sind, und Belegungspläne, die darstellen, wann Lkw in den Parkstandreihen die Rastanlage verlassen werden. Der vorliegende Bericht beschreibt die theoretischen Grundlagen und das Steuerungsverfahren.
Teil I: Die Untersuchung beschäftigt sich mit der Frage, ob und in welcher Weise die Verkehrssicherheit bei nächtlicher Ausschaltung von Signalanlagen an Knotenpunkten beeinträchtigt wird. Es wurden umfangreiche Analysen des Unfallgeschehens (Vorher-Nachher-Vergleiche) und Verkehrsbeobachtungen durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Ausschaltung in der Gesamtbilanz zu einem deutlichen Anstieg der Unfallzahlen geführt hat. Grundsätzlich ist daher mit einer potentiellen Erhöhung des Unfallrisikos bei Ausschaltung zu rechnen. Unabhängig von ihrer Struktur und Lage treten an vielen Knoten nachts keine Unfälle auf, so dass die Ausschaltung nicht generell ausgeschlossen werden kann. Sie sollte jedoch in den Richtlinien restriktiv geregelt und von Einzeluntersuchungen abhängig gemacht werden. Es wird empfohlen zu prüfen, ob als Alternative zur völligen Ausschaltung nicht Maßnahmen im Bereich der verkehrsabhängigen Steuerung vorzuziehen sind. rnTeil II: Für eine beabsichtigte Änderung und Ergänzung der bestehenden Richtlinien für Lichtsignalanlagen (LSA) sollten Erfahrungen mit nachts ausgeschalteten LSA eingeholt werden. Die Untersuchung zielte darauf ab: 1. Erste Anhaltspunkte darüber zu gewinnen, wie Pkw-Fahrer als Kraftfahrer und auch als Fußgänger nachts ein- bzw. ausgeschaltete LSA beurteilen, 2. Verkehrsbedeutsame Unterschiede im Erleben und Verhalten von Gegnern und Befürwortern von Dauerbetrieb zu ermitteln. Eine auf den Kölner Stadtbereich bezogene Stichprobe von 427 Pkw-Fahrern wurde teils telefonisch, teils durch persönlichen Kontakt zu diesem Thema befragt. Ergebnisse: die Mehrheit der Kraftfahrer sieht einen Nutzen des Dauerbetriebs von LSA. Positive Fahrgewohnheiten bleiben erhalten. Die Erkennbarkeit der Verkehrsregelung sowie die Orientierung über den Verlauf der Fahrstreifen wird für leichter gehalten. Zu hohe Geschwindigkeiten werden nach Ansicht der Befragten vermieden. Die Hälfte der Kraftfahrer sieht sich beim Befahren von Knoten, deren LSA ausgeschaltet ist, in ihrer Sicherheit beeinträchtigt. Viele Kraftfahrer machen nachts Umwege, um Wartezeiten an LSA zu vermeiden. Gegner von Dauerbetrieb verhalten sich nicht wesentlich anders als Befürworter.rn
Zwischen 1982 und 2003 wurden in der BRD 16 Taumittelsprühanlagen in Betrieb genommen. Planung, Bau und Betrieb dieser Anlagen wurden seither von der Bundesanstalt für Straßenwesen mit Untersuchungen begleitet. Zwölf Anlagen befinden sich auf Brücken, vier an Steigungs- bzw. Gefällestrecken. Vier Anlagen (sämtlich Brückenanlagen) befinden sich auf Bundesstraßen, zwölf auf Bundesautobahnen. An Steigungs- bzw. Gefällestrecken bilden sich bei plötzlichem starkem Schneefall in kurzer Zeit festgefahrene Schneedecken, die besonders von Lkw nicht mehr befahren werden können. Es bilden sich Staus. Auf Stahlbrücken bildet sich häufig schon zu einem früheren Zeitpunkt lokal begrenzte Glätte. Diese Glatteisfallen verursachen Unfälle. In beiden Fällen ist es wichtig, schnell zu handeln. Durch die TMS kann sofort Taustoff auf die Fahrbahn ausgebracht werden, der an Steigungen den Schnee räumfaehig hält und auf Brücken das Eis auftaut. Alle Anlagen können den konventionellen Winterdienst partiell sinnvoll ergänzen, ihn aber nicht ersetzen. Die Streckenabschnitte, in denen sich die Taumittelsprühanlagen befinden, zeigten vor deren Einbau Unfallauffälligkeiten. Die Zahl der Unfälle ist nach Installation einer Taumittelsprühanlage überall deutlich zurückgegangen. Auf der Basis der vorliegenden Kosten- und Nutzen-Daten konnte von insgesamt 16 Anlagen die Wirtschaftlichkeit von 13 Anlagen beurteilt werden. Davon wurden zwölf Taumittelsprühanlagen positiv eingeschätzt. Die Kostenseite umfasst die investiven Kosten und die Betriebskosten. Auf der Nutzenseite wurde sowohl betriebswirtschaftlicher als auch volkswirtschaftlicher Nutzen abgeschätzt. Dies sind auf der betriebswirtschaftlichen Seite vor allem eingesparte Sondereinsätze und Kontrollfahrten und auf der volkswirtschaftlichen Seite im Wesentlichen vermiedene Unfälle und Staus. Für die meisten Anlagen lagen mehr oder weniger vollständige Unfallzahlen vor, für die Staus gab es so gut wie keine dokumentierten Beobachtungen, so dass für die Schätzung von einer begründeten Annahme ausgegangen wurde. Die Wirtschaftlichkeitsfaktoren (Fw) bewegen sich ohne Berücksichtigung der Staukosten zwischen 0,19 und 2,63 wobei drei Werte deutlich <1 sind und zwei dicht unterhalb der Rentabilitätsschwelle liegen. Bei Einbeziehung der Staukosten liegt die Bandbreite zwischen 0,31 und 4,36 und nur noch ein Wert ist <1. Zwei Anlagen arbeiten kostendeckend. Diese Zahlen sind Schätzwerte. Die Anlagentechnik befindet sich auf dem neuesten Stand. Technische Neuerungen gibt es im Bereich der Sprühtechnik. Die neu entwickelten Micro-FAST Sprühstränge haben eine höhere Anzahl von Sprühdüsen und damit ein feineres und gleichmäßigeres Sprühbild bei einem gleichzeitig geringeren technischen Aufwand und können die Investitionskosten um rund ein Drittel senken. Im Bereich der Betriebskosten können Einsparungen bei der Wartung und den Reparaturkosten erwartet werden. Seit 2002 werden kurze Mini- oder mobile Sprühanlagen angeboten, die - wenn auch weniger aufwändig in ihrer Ausstattung - für den gleichen Einsatzzweck wie stationäre Anlagen gedacht sind. Erste positive Trends sind erkennbar.
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.
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.
Vor dem Hintergrund der derzeitigen Verkehrs- und Unfallsituation sowie verkehrsrechtlicher Vorschriften wurde durch Auswertung humanwissenschaftlicher und technischer Literatur eine Sachstandsbeschreibung erstellt, die die in Zusammenhang mit Auffahrunfällen und ihrer Verhinderung stehenden Aspekte aufzeigt. Als fahrzeugtechnische Hilfen zur Einhaltung eines ausreichenden Abstandes zwischen hintereinander fahrenden Fahrzeugen werden dabei vorrangig autarke Systeme - das sind solche, bei denen sich alle notwendigen Vorrichtungen im Fahrzeug befinden - betrachtet. Möglichkeiten und Grenzen der bekannten technischen Hilfsmittel, insbesondere der Abstandswarn- und Abstandsregelungseinrichtungen werden aufgezeigt. Es stellte sich heraus, dass den Warnstrategien sowie ihren Auswirkungen auf den Verkehrsablauf und die Verkehrssicherheit besondere Bedeutung zukommt. In diesem Zusammenhang werden auch Zielkonflikte, insbesondere zwischen Sicherheitsforderungen und Fahrerakzeptanz, deutlich. Im Teil I des Berichts erfolgt die zusammenfassende Beschreibung und kritische Wertung des Sachstandes. Im Teil II werden die Auswerteergebnisse zu den angesprochenen Fragenkomplexen im einzelnen dargestellt. Teil III enthält eine Kurzdokumentation der für die Erstellung des Berichts wesentlichsten Literaturstellen.
Zwischen 1982 und 2003 wurden in der Bundesrepublik Deutschland 16 Taumittelsprühanlagen (TMS) in Betrieb genommen. Planung, Bau und Betrieb dieser Anlagen wurden seither von der Bundesanstalt für Straßenwesen mit Untersuchungen begleitet. Zwölf Anlagen befinden sich auf Brücken, vier an Steigungs- beziehungsweise Gefällestrecken. Vier Anlagen (sämtlich Brückenanlagen) befinden sich auf Bundesstraßen, zwölf auf Bundesautobahnen. An Steigungs- beziehungsweise Gefällestrecken bilden sich bei plötzlichem starkem Schneefall in kurzer Zeit festgefahrene Schneedecken, die besonders von Lkw nicht mehr befahren werden können. Es bilden sich Staus. Auf Stahlbrücken bildet sich häufig schon zu einem früheren Zeitpunkt lokal begrenzte Glätte. Diese Glatteisfallen verursachen Unfälle. In beiden Fällen ist es wichtig, schnell zu handeln. Durch die TMS kann sofort Taustoff auf die Fahrbahn ausgebracht werden, der an Steigungen den Schnee räumfähig hält und auf Brücken das Eis auftaut. Alle Anlagen können den konventionellen Winterdienst partiell sinnvoll ergänzen, ihn aber nicht ersetzen. Die Streckenabschnitte, in denen sich die Taumittelsprühanlagen befinden, zeigten vor deren Einbau Unfallauffälligkeiten. Die Zahl der Unfälle ist nach Installation einer Taumittelsprühanlage überall deutlich zurückgegangen. Auf der Basis der vorliegenden Kosten- und Nutzen-Daten konnte von insgesamt 16 Anlagen die Wirtschaftlichkeit von 13 Anlagen beurteilt werden. Davon wurden zwölf Taumittelsprühanlagen positiv eingeschätzt. Die Kostenseite umfasst die investiven Kosten und die Betriebskosten. Auf der Nutzenseite wurde sowohl betriebswirtschaftlicher als auch volkswirtschaftlicher Nutzen abgeschätzt. Dies sind auf der betriebswirtschaftlichen Seite vor allem eingesparte Sondereinsätze und Kontrollfahrten und auf der volkswirtschaftlichen Seite im Wesentlichen vermiedene Unfälle und Staus. Für die meisten Anlagen lagen mehr oder weniger vollständige Unfallzahlen vor, für die Staus gab es so gut wie keine dokumentierten Beobachtungen, sodass für die Schätzung von einer begründeten Annahme ausgegangen wurde. Die Wirtschaftlichkeitsfaktoren (Fw) bewegen sich ohne Berücksichtigung der Staukosten zwischen 0,19 und 2,63 wobei drei Werte deutlich kleiner als 1 sind und zwei dicht unterhalb der Rentabilitätsschwelle liegen. Bei Einbeziehung der Staukosten liegt die Bandbreite zwischen 0,31 und 4,36 und nur noch ein Wert ist kleiner als 1. Zwei Anlagen arbeiten kostendeckend. Diese Zahlen sind Schätzwerte. Die Anlagentechnik befindet sich auf dem neuesten Stand. Technische Neuerungen gibt es im Bereich der Sprühtechnik. Die neu entwickelten Micro-FAST Sprühstränge haben eine höhere Anzahl von Sprühdüsen und damit ein feineres und gleichmäßigeres Sprühbild bei einem gleichzeitig geringeren technischen Aufwand und können die Investitionskosten um rund ein Drittel senken. Im Bereich der Betriebskosten können Einsparungen bei der Wartung und den Reparaturkosten erwartet werden. Seit 2002 werden kurze Mini- oder mobile Sprühanlagen angeboten, die - wenn auch weniger aufwändig in ihrer Ausstattung - für den gleichen Einsatzzweck wie stationäre Anlagen gedacht sind. Erste positive Trends sind erkennbar.