620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Der Schutz des Grundwassers spielt bei Umweltverträglichkeitsprüfungen im Zusammenhang mit Straßenbauvorhaben eine immer größere Rolle. Das Bundes-Bodenschutzgesetz gebietet einen flächendeckenden Schutz vor Fremdstoffen, die aus verunreinigten oberen Bodenschichten in das Grundwasser einsickern können. Über die möglichen und in einigen Fällen auch über tatsächliche Auswirkungen des Straßenablaufwassers auf das Grundwasser sind in den letzten Jahren detaillierte Forschungsvorhaben veröffentlicht worden. Im vorliegenden Bericht ist die Aufbereitung der bekannteren Arbeiten zum Thema bewusst knapp gehalten und konzentriert sich auf diejenigen Aspekte der vorgestellten Werke, die über zu erwartende Sicker- und Grundwasserbelastungen, beziehungsweise über Schutzfunktionen des Bodens, besonders zielführend berichten. Schließlich werden die Arbeiten im Zusammenhang betrachtet und einem über die Einzelbeiträge hinausgehendem Resumee unterzogen. Obwohl die Konzentrationen an straßenspezifischen Substanzen im Straßenoberflächenwasser oft hoch sind, finden sich nach der Passage des Bankettbodens nur geringe Spuren im Sickerwasser. Auch in Sickerschächten, Sickerbecken und ihren zuleitenden Gräben wirken die Sedimente als effektiver Filter und lassen Schadstoffe kaum in tiefere Bodenschichten oder das Grundwasser eindringen. Die Bodenschutz-Verordnung bestimmt als Beurteilungszone für das Sickerwasser den Übergang von der wasserungesättigten zur wassergesättigten Bodenschicht. Aus den Ergebnissen lässt sich abschätzen, dass bei ton- und humusreichen neutralen bis basischen Böden keine Gehalte zu erwarten sind, die über den durch die Verordnung vorgegebenen Prüfwerten liegen. Lediglich für bindungsarme, saure Böden bestehen noch Unsicherheiten und Forschungsbedarf.
Teil 1: Literaturauswertung: Da zur Zeit kein einheitliches Untersuchungskonzept zur Bestimmung des Einflusses der Bruchflächigkeit von Edelsplitten auf die Standfestigkeit von Asphalten besteht, wurde eine Literaturstudie durchgeführt und mit dem Ziel ausgewertet, wissenschaftlich abgesicherte und eindeutige Erkenntnisse herauszuarbeiten. Die Literaturstudie erfolgte nach einem einheitlichen Schema z.B. hinsichtlich der Zielsetzung der Untersuchungen, der Art der Prüfung, der Art der Mischgutsorte, der Art der Asphaltzusammensetzung, der Art und Herkunft der Mineralstoffe, der Kornverteilung, des Bindemittelgehaltes etc. Da sich nur vier relevante Veröffentlichungen mit Asphalten aus Kiesedelsplitten auseinandersetzen und sich 14 auf Asphalttragschichten beziehen, wurde nach der Erfahrungssammlung aus dem bisherigen Stand der Prüfverfahren und Untersuchungsmethodik ein zielgerichtetes Konzept für eine Laboruntersuchung vorgeschlagen, die es ermöglichen soll, den Einfluss der Bruchflächigkeit von Edelsplitten auf die Standfestigkeit von Asphalten zu quantifizieren und wissenschaftlich abzusichern. Es wurde festgestellt, dass dieser Einfluss bisher in keiner Literaturstelle wissenschaftlich haltbar und eindeutig beantwortet wurde. Es ist ziemlich unwahrscheinlich, dass alle Einflussgrößen so genau erfasst und beurteilt werden können, dass daraus zielsicher auf die Standfestigkeit eines Asphaltes geschlossen werden kann. Was zur zielsicheren Herstellung von standfesten Asphalten fehlt, ist nicht das Mehr an gebrochener Oberfläche, sondern ein Prüfverfahren und die dazugehörigen Anforderungswerte, mit denen im Rahmen der Eignungsprüfung eine zuverlässige und praxisorientierte Beurteilung der Standfestigkeit von Asphalt möglich ist. Damit sollten auch Baustoffe und Baustoffgemische bestimmter Herkunft oder Zusammensetzung auf deren Eignung zur Herstellung standfester Asphalte zielsicher beurteilt werden können. Teil 2: Einfluss des Rundkornanteils auf die Scherfestigkeit von Gesteinskörnungen: Die Untersuchungen sollen zur Klärung beitragen, inwieweit Edelsplitte aus gebrochenem Kies mit unterschiedlichen Bruchflächenanteilen verwendet werden können, ohne die Verformbarkeit von Asphaltschichten wesentlich zu beeinflussen. Die Untersuchung wurde auf die bodenmechanische Fragestellung ohne Berücksichtigung des Einflusses des Bindemittels beschränkt. Verwendet wurden ungebrochene und gebrochene Terassenkiese vom Oberrhein, die im wesentlichen aus Quarzen, verschiedenen Kalksteinen, Kieselschiefern, Sandsteinen, kristallinen Gesteinen und dichten kieseligen Gesteinen bestehen. Es sind an Versuchsreihen mit unterschiedlich zusammengesetzten Korngemischen Dreiaxial- und CBR-Versuche bei verschiedenen Bruchflächenanteilen durchgeführt worden, um Beziehungen zwischen Druckspannungen bzw. CBR-Werten und Bruchflächenanteilen zu ermitteln. Für eine Versuchsreihe ist zudem die Beziehung zwischen dem Reibungswinkel j und dem Bruchflächenanteil bestimmt worden. Alle vier für die Überprüfung des Einflusses der Bruchflächen auf die Festigkeit von Korngemischen durchgeführten Versuchsreihen führen zu vergleichbaren ähnlichen Ergebnissen. Dreiaxialversuche wie auch CBR-Versuche zeigen mit zunehmendem Bruchflächenanteil ein Ansteigen der Druck- bzw. der Scherfestigkeit bis zu einem Maximalwert, der im Bereich des Bruchflächenanteils von 50 % bis 75 % liegt. Größere Anteile an Bruchflächen ergeben bei gleichen Versuchsbedingungen keinen Anstieg der Festigkeitswerte. Diese Aussage gilt ausschließlich für die untersuchten ungebundenen Mineralgemische bei vergleichbaren Versuchsbedingungen. Inwieweit ein Bindemittel z.B. Bitumen, diese Erkenntnisse beeinflussen könnte, ist nur durch eine ergänzende Forschungsarbeit zu beantworten.
Ansätze zur Bewertung der Restsubstanz und insbesondere der Restnutzungsdauer von Asphaltschichten basieren in der Regel auf Ermüdungshypothesen. Allen Modellen liegt das mit unterschiedlichen Laborverfahren ermittelte Ermüdungsverhalten von Asphaltprobekörpern zugrunde. Im Rahmen dieses Projektes sollte der Effekt der Materialermüdung an Asphaltschichten nachgewiesen werden, die bereits über den Nutzungszeitraum der RStO 86/89 von 20 Jahren hinaus dem Klimageschehen und der Verkehrsbelastung ausgesetzt waren. Dazu wurde ein E-Modul-Vergleich zwischen Asphaltproben aus der äußeren Radspur - dem "belasteten Bereich" - und der Fahrstreifenmitte - dem "unbelasteten Bereich" - durchgeführt. Es wurden 17 Straßen (Bundesstraßen, Landstraßen) mit jeweils 500 m Länge aus dem ehemaligen Forschungsvorhaben der BASt "Langzeitbeobachtungen an ausgewählten Streckenabschnitten" in die Untersuchungen einbezogen. Insgesamt wurden 1320 Probekörper aus der Deck- und Tragschicht der entnommenen Bohrkerne hergestellt und an ihnen mittels Zweipunkt-Biegeversuch der absolute E-Modul bestimmt. Die Auswertung ergab, dass sich beim absoluten E-Modul nach 27 Jahren Verkehrsbelastung keine einheitliche Tendenz zwischen belastetem und unbelastetem Bereich abzeichnete. Genauso häufig wie an Probekörpern aus dem belasteten Bereich ein kleinerer E-Modul bestimmt wurde, galt dies auch umgekehrt, und zwar für die Deckschicht als auch für die Tragschicht gleichermaßen. Häufig war auch kein Steifigkeitsunterschied zwischen beiden Bereichen feststellbar. Diese Ergebnisse werden durch parallel durchgeführte Deflexionsmessungen mit dem Falling Weight Deflectometer (FWD) bestätigt. Eine Abschätzung oder gar Bestimmung der Restnutzungsdauer von verkehrsgerecht dimensionierten flexiblen Straßenbefestigungen erscheint derzeit nicht möglich. Die Ergebnisse deuten an, dass die Nutzungszeiträume für nach den RStO ausgelegten und ausgeführten Fahrbahnbefestigungen wesentlich länger anzusetzen sind. Die Ermüdung von Asphaltschichten kann dennoch nicht ausgeschlossen werden. Nach den durchgeführten Untersuchungen muss davon ausgegangen werden, dass die Ermüdung in Straßenbefestigungen andersartig und in wesentlich längeren Zeiträumen als bisher angenommen verläuft und geeignetere Übertragungsfunktionen für Ergebnisse aus Laboruntersuchungen auf das Gebrauchsverhalten entwickelt werden müssen. Als ausschlaggebendes Verhaltenskriterium für schwerer belastete Asphaltbefestigungen erweist sich die Spurrinnenbildung. Hieraus kann die Notwendigkeit einer Erhöhung der Widerstandsfähigkeit der Asphaltdecke gegenüber der Spurrinnenbildung abgeleitet werden. Die Notwendigkeit, die Schicht-Konstruktions-dicken von Fahrbahnbefestigungen zu erhöhen, konnte nicht nachgewiesen werden.
Aufgrund des hohen Anteils von ca. 80 Prozent des Individualverkehrs am gesamten Personenverkehr, der abnehmenden Verkehrsräume und der zunehmenden Verkehrsdichte im innerstädtischen Bereich ist es erforderlich, geeignete Verkehrs- und Fahrzeugkonzepte zu entwickeln, um dieses Verkehrsaufkommen zu bewältigen. Die BMW AG hat vor diesem Hintergrund ein neuartiges Zweiradfahrzeug konzipiert. Auf diesem Fahrzeug sitzt der Fahrer aufrecht und angegurtet in einem speziellen Schutzraum, der aus Überrollbügeln gebildet wird. Zusätzlich verfügt das Zweirad im Frontbereich über eine Knautschzone. Da das Fahrzeug bezüglich der passiven Sicherheit über einen hohen Standard verfügt und die Akzeptanz am Markt davon abhängig ist, wird die Möglichkeit untersucht, den Fahrer dieses Fahrzeugs von der Helmtragepflicht zu befreien. Darüber hinaus werden allgemeine Aspekte der aktiven und passiven Sicherheit bewertet. Die Ergebnisse der Untersuchungen sollen es dem Bundesministerium für Verkehr ermöglichen, wissenschaftlich begründete Entscheidungen hinsichtlich der Befreiung von der Helmtragepflicht und den allgemeinen Zulassungsbedingungen zu treffen. Die Untersuchungen basieren auf Messergebnissen und Videoaufzeichnungen von Anprallversuchen, auf Ergebnissen von Computersimulationen, Daten aus Unfallerhebungen, Literaturstudien, Fachgesprächen und weiteren Analysen. Die Sicherheit des C1-Zweirades wurde jeweils für den Frontalanprall, den seitlichen Anprall und die Ausschleuderphase bewertet. Alle Versuchs- und Simulationsdaten ergaben Dummybelastungen, die zeigten, dass das C1-Fahrzeug im Frontalanprall erheblich sicherer ist als ein herkömmliches Zweirad. Auch beim seitlichen Anprall ergibt sich ein Sicherheitsvorteil gegenüber herkömmlichen Zweirädern. Die Ausschleuderphase bei einem Zweiradunfall ist sehr komplex. Soll der Fahrer des C1-Zweirades von der Helmtragepflicht befreit werden, ist sicherzustellen, dass sein Kopf zu keinem Zeitpunkt mit der Fahrbahn oder anderen Hindernissen in Kontakt kommt. Hierzu sind die Sicherheitsrahmenstruktur und das Gurtsystem entsprechend auszulegen. Um das Sicherheitspotential des Zweirades zu bewerten, wurden unter anderem Versuche nach ISO 13232 durchgeführt, in der Unfallkonstellationen zur Beurteilung des Schutzes von Zweiradaufsassen bei Unfällen empfohlen werden. Das Gutachten stellt fest, dass das C1-Zweirad die an die aktive und passive Sicherheit zu stellenden Anforderungen erfüllt. Darüber hinaus kann der Benutzer des Zweirades vorerst von der Helmtragepflicht befreit werden. Die Helmtragepflichtbefreiung ist an die Umsetzung von Sicherheitsanforderungen gekoppelt, die in einem Anforderungskatalog zusammengestellt wurden. In diesem Zusammenhang sind zwei neue Testverfahren entwickelt worden. Aus den Ergebnissen dieses Gutachtens wurden allgemeine Anforderungen für Zweiräder dieser Bauart definiert und eine Ausnahmeverordnung für die Straßenverkehrsordnung (Befreiung von der Helmtragepflicht) vorbereitet. Damit etwaige Probleme frühzeitig erkannt werden, sind nach Markteinführung Unfälle unter Beteiligung des C1-Zweirades sorgfältig zu beobachten und auszuwerten.
Das vorliegende Forschungsvorhaben behandelt den Vergleich von zerstörungsfreien Prüfverfahren, die sich zur Untersuchung von Betonbrücken eignen. Um die in den letzten Jahren erfolgten Neu- und Weiterentwicklungen auf diesem Gebiet hinsichtlich ihrer Einsatzmöglichkeiten und Leistungsgrenzen zu vergleichen und zu bewerten, wurden diese Verfahren in einer Ringversuchsreihe getestet. Dazu wurden zwei Probekörper mit gezielt eingebrachten Fehlstellen hergestellt. Im Mittelpunkt der Untersuchung stand die Analyse von Spannkanälen, wobei sich die Betonrezeptur und die Lage der schlaffen Bewehrung sowie der Spannkanäle an realen Praxisbedingungen orientierten. Zusätzlich wurden Verdichtungsmängel untersucht. Zum Einsatz kamen die Verfahrensgruppen Radar, Ultraschall-Echo und Impact-Echo in jeweils mehreren aktuell entwickelten Verfahrensmodifikationen einschließlich ein- und dreidimensionaler Rekonstruktionsrechnungen. Die Experimente wurden begleitet von Simulationsrechnungen zur Ausbreitung akustischer Wellen und Mikrowellen. Im Ergebnis konnten das Radar- und die Ultraschallverfahren bei nicht zu enger schlaffer Bewehrung die Hüllrohre sicher orten. Die bildgebenden Ultraschallverfahren konnten einige der Verpress- und Verdichtungsmängel im Blindversuch angeben. Das Impact-Echo-Verfahren konnte dagegen seine aus der Literatur bekannte Leistungsfähigkeit zur Analyse der Spannkanäle nicht bestätigen. Mit den Simulationsrechnungen wurden wichtige Ergebnisse zur Unterstützung der Versuchsplanung und der Auswertung gewonnen und der Einfluss der Luftporen des Betons auf die Ultraschallausbreitung quantitativ nachgewiesen. Der derzeitige Entwicklungsstand der Verfahren lässt es noch nicht zu, an Probekörpern mit engmaschiger schlaffer Bewehrung Aussagen über die Lage oder den Zustand des Spannkanals zu treffen.
Gemäß den "Zusätzlichen Technischen Vertragsbedingungen und Richtlinien für die Herstellung von Brückenbelägen auf Stahl" (ZTV-BEL-ST 92) müssen Abdichtsysteme einer Grundprüfung unterzogen werden. Den Kernpunkt dieser Grundprüfung stellt die in den "Technischen Prüfvorschriften für die Prüfung der Dichtungsschichten und der Abdichtungssysteme für Brückenbeläge auf Stahl" (TP-BEL-ST) geregelte Dauerschwellbiegeprüfung dar. Diese Dauerschwellbiegeprüfung soll im Zuge der Überarbeitung des Merkblattes für reaktionsharzgebundene Dünnbeläge auf Stahl zu den "Zusätzlichen Technischen Vertragsbedingungen und Richtlinien für die Herstellung von reaktionsharzgebundenen Dünnbelägen auf Stahl" (ZTV-RHD-ST) auch für diese Beläge eingeführt werden. Hierzu war es notwendig, ein praxisnahes und belagunabhängiges Belastungskollektiv für die Dauerschwellbiegeprüfung zu ermitteln. In der Vergangenheit wurde diese Dauerschwellbiegeprüfung mit einer dynamischen Einstufenbelastung durchgeführt, welche die tatsächliche Beanspruchung eines Belages nicht ausreichend darstellt. Im Rahmen der Untersuchungen an der orthotropen Platte der Rheinbrücke Emscher-Schnellweg im Zuge der BAB A 42 wurde ein praxisnahes, aus umfangreichen Messungen der tatsächlichen Verformungen einer orthotropen Fahrbahnplatte unter Verkehr abgeleitetes Mehrstufenkollektiv zur Modifikation der Dauerschwellbiegeprüfung erarbeitet.
Die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) wurde vom Bundesministerium für Verkehr (BMV) gebeten, im Zusammenhang mit der Erstellung von Richtlinien zur Anwendung von DIN V ENV 1991-3/08.96 (Nationales Anwendungsdokument (NAD)) Untersuchungen zur Neuregelung der Windlasten für Brücken durchzuführen. Hierzu wurde in Vergleichsrechnungen an "typischen" Bauwerken untersucht, ob und inwieweit sich für gegenwärtig übliche Konstruktionen im Hinblick auf die Verankerung der Kappen und die Bewehrung der Kragarme durch die geplanten Festlegungen Veränderungen ergeben. Zusammenfassend lässt sich zu den Ergebnissen der Vergleichsrechnungen feststellen, dass die gegenüber der DIN erhöhten Windlasten für Brücken mit Lärmschutzwänden zu einer erhöhten Bewehrung bei der Verankerung der Kappen sowie bei den Kragarmen führen. Für die Praxis ist dieser Effekt jedoch nur im Hinblick auf die Bewehrung der Kappen von Interesse, da hier alleine die Windlast für die Bemessung maßgebend ist. Der Bericht fasst die Ergebnisse der durchgeführten Vergleichsrechnungen zusammen und liefert damit eine Grundlage für die Festlegung der Windlasten im Rahmen des NAD zu DIN V ENV 1991-3/08.96.
Sofern Risse in Spannbetonüberbauten die Spannbewehrung kreuzen, bedarf es zunächst einer eingehenden Ursachenforschung mit Beurteilung des Ist-Zustandes sowie Angaben zu eventuell notwendigen Instandsetzungsmaßnahmen. Bisher wurden die der Beurteilung zugrunde gelegten Annahmen von den jeweils eingesetzten Gutachtern zum Teil unterschiedlich getroffen, was zu ungleichen Aussagen führte. Zur Erzielung eines bundeseinheitlichen Erhaltungsstandards ist daher eine Handlungsanweisung erforderlich, die einheitliche Annahmen für die Nachrechnung, Beurteilung und die Art und Weise des Vorgehens vorgibt. Die Anweisung behandelt: 1. Die Bestandsaufnahme mit Datenaufbereitung und Berechnungen. Das Ergebns ist eine Beschreibung des Ist-Zustandes des Bauwerks ohne Bewertung, ob eine Instandsetzung notwendig ist. 2. Beurteilung der untersuchten Querschnitte hinsichtlich der Notwendigkeit einer Instandsetzung und, sofern erforderlich, Festlegung der Instandsetzungsart im Rahmen einer gutachterlichen Stellungnahme. Die einzelnen Arbeitsschritte zu 1. und 2. werden beschrieben. Die durchzuführenden Maßnahmen, entweder nur Abdichtung des Risses oder Verstärkung der Zusatzbewehrung aus Betonstahl oder Spannbewehrung, werden kurz beschrieben.