620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Institut
Der Brückenbau in Deutschland kann auf eine lange Tradition in der Überwachung der Bauwerke verweisen und die Entwicklung der Rechentechnik gestattet in immer komplexeren Strukturen die Verwaltung der Bauwerksdaten in Datenbanken. Verfügbare Programmsysteme wie zum Beispiel das Bauwerks Management System erlauben die Erfassung, Verwaltung und Auswertung der Bauwerksdaten. Die Entwicklung der Rechentechnik wird auch durch die Entwicklung der Messtechnik begleitet, so dass zunehmend intelligente Sensorik den Alltag begleitet. Eine automatisierte Messwerterfassung an Bauwerken und deren Auswertung wird Monitoring genannt. Heute existieren sowohl Monitoringsysteme, die sich durch die technische Ausstattung und entsprechende Auswerteverfahren auszeichnen, als auch jeweils getrennte Komponenten. Da schließt das Projektziel an, welches die Analyse der Möglichkeiten des Einsatzes von Monitoringsystemen zur Bewertung des Schädigungszustandes von Brücken für die Tragfähigkeit und die Restnutzungsdauer beinhaltet. Es wird eine Literaturanalyse hinsichtlich existierender Monitoringsysteme mit genannter Zielstellung angefertigt. Im Ergebnis wird festgestellt, dass es gegenwärtig keine Monitoringsysteme gibt, die explizite Aussagen zur Tragfähigkeit erlauben. Die gegenwärtigen Systeme zeigen globale Schädigungen auf und bewerten dann auf der Basis notenähnlicher Strukturen. Im Rahmen des Projektes wird eine Konzept für ein Monitoringsystem entwickelt, welches für konkrete Versagensszenarien - dem Festigkeitsversagen und der Ermüdung - quantifizierte aber unscharfe Aussagen zur Tragfähigkeit und Restnutzungsdauer für die untersuchte Brücke erlaubt. Der Abstand zum Versagen durch Übergang des Tragwerks in einen Bruchzustand (Tragfähigkeit) wird im konzipierten Monitoringsystem durch den Zuverlässigkeitsindex Beta und die Versagenswahrscheinlichkeit Pf beschrieben. Die Restnutzungsdauer bei Tragfähigkeitsminderungen ist implizit bei den veränderlichen Basisvariablen und den Schädigungsverläufen abgebildet. Als Maß für Aussagen zur expliziten Restnutzungsdauer infolge Materialermüdung dienen die Schädigungssumme D und die zugehörige Nutzungsdauer tzD. Zur Abgrenzung sicherer und unsicherer Bereiche werden diese Daten für verschiedene Zeitpunkte im Lebenszyklus des Bauwerkes ermittelt und in Relation betrachtet. Monitoringbasiert werden hierfür Kenndaten des Tragsystems ermittelt und Beanspruchungen durch ergänzende Simulationen des aktuellen Verkehrs abgeleitet. Das Monitoringkonzept sieht den Erkenntnissen der Literaturanalyse folgend dieses Vorgehen als Interaktion von Rechnung, Messung und Auswertung vor. Die Untersuchungen werden in diesem Projekt theoretisch geführt, die empfohlenen Auswertealgorithmen zur monitoringbasierten Bewertung von Tragfähigkeit und Restnutzungsdauer für balkenartige Spannbetontragwerke auf Basis von Beispielen anderer Projekte rechnerisch erprobt.
Die hier vorgestellten Forschungsprojekte hatten die Aufgabenstellung, - sinnvolle Obergrenzen für den biogenen Blend-Anteil im Kraftstoff aus ökonomisch-technischer Sicht aufzuzeigen sowie - technische Anforderungen an Pkw aus Altbestand und Neufahrzeugen für den Betrieb mit solchen Kraftstoff-Blends zu untersuchen, insbesondere in Hinblick auf Aspekte der Dauerhaltbarkeit. Auf Basis einer umfangreichen Literaturrecherche wurden zunächst sinnvolle Beimischungen ermittelt, die in 5 Fahrzeugen (3 Otto-Pkw, 2 Diesel-Pkw) auf einem Abgasrollenprüfstand getestet wurden. Anschließend wurden zwei Fahrzeuge einer Dauerlaufuntersuchung (ca. 80.000 km) unterzogen. Hierbei wurden u. a. Emissionsverhalten, Kraftstoffverbrauch und Motorleistung bewertet und Motorölproben entnommen. Am Ende der Dauerlaufuntersuchungen wurden bei beiden Fahrzeugen Motor und Kraftstoffsystem sorgfältig inspiziert. Aus fahrzeugtechnischer Sicht begrenzen bei Biodiesel vor allem die Ölverdünnung sowie der Anstieg der NOx-Emissionen den maximal möglichen Beimischungsanteil. Bei Bio-Alkohol sind insbesondere die Materialverträglichkeit und der Kraftstoffverbrauch limitierende Faktoren für erhöhte Beimischungen. Obwohl die betrachteten Euro-5-Fahrzeuge nicht für den Betrieb mit erhöhten Beimengungen an Biokraftstoffen ausgelegt waren, wurden die maßgeblichen Grenzwerte für die limitierten Emissionen im Verlauf der Untersuchungen nicht überschritten. Mit Ausnahme von NOx bei den Dieselfahrzeugen wurden darüber hinaus sogar die Euro-6-Grenzwerte unterschritten.
Die Initiative der Einführung kooperativer Systeme in einem Korridor von Rotterdam über Frankfurt/Main nach Wien, dem sogenannten C-ITS Corridor, und damit auch in Deutschland wurde im Juni 2013 durch die Unterzeichnung einer entsprechenden Absichtserklärung des Bundesministeriums für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung mit den Verkehrsministern der Niederlande und Österreichs offiziell gestartet. In vielen Forschungsprojekten wurden vorher die Grundlagen erarbeitet, um eine solche Einführung technisch überhaupt erst möglich zu machen. Im Beitrag werden diese Ergebnisse nochmals kurz aufgegriffen und um den aktuellen Stand bei den Entwicklungen im C-ITS Corridor erweitert. Als erstes Einführungsszenario wurden die Baustellenwarnung und Kooperatives Verkehrsmanagement unter Einbeziehung von Fahrzeugdaten gewählt. Nicht verschwiegen werden sollen hierbei auch die wesentlichen Herausforderungen, die im Übergang von Forschung und Feldtests zu realen Anwendungen liegen.
Unfälle im Straßenverkehr sind in aller Regel Konsequenzen normalen Fahrverhaltens, das an eine bestimmte Situation nicht angepasst war und daher zum Unfall beigetragen hat. Zur Klassifikation dieses mutmaßlich fehlerbehafteten Verhaltens wurde im hier berichteten Projekt eine Taxonomie entwickelt. Sie dient der Klassifizierung von Fahrerfehlverhalten und integriert Aspekte des menschlichen Informationsverarbeitungsprozesses sowie die drei Fehlertypen von RASMUSSEN (1983). Als Bestimmungsstücke beinhaltet die Taxonomie Fehlertypen (regel-/wissens-/fertigkeitsbasiert) und Entscheidungsknoten mit Fragen, deren Beantwortung den Analysten zum jeweiligen Fehler führt. Zusammengefasst bietet die erarbeitete Taxonomie eine breite Anwendbarkeit für die Klassifikation von Fahrfehlern und fehlerfreiem Verhalten bei Manövern, kritischen Situationen bis hin zu Beinaheunfällen oder Unfällen, z. B. zur Harmonisierung der (Video-)Auswertung von FOT- und NDS-Datensätzen oder für In-Depth-Unfallerhebungen. Die Taxonomie wird komplementiert durch eine Übersicht über Fehlervorläuferbedingungen, die im Sinne von Genotypen (HOLLNAGEL 1998) in ihrer jeweiligen Ausprägung auslösende und begünstigende Bedingungen für Fehler, Beinaheunfälle und Unfälle darstellen. Die Übersicht ist als erweiterbares strukturierendes Dokument zu sehen, welches je nach wissenschaftlichen Erkenntnissen verändert werden kann. Gemeinsam mit der Taxonomie bildet sie die Basis für die Ableitung von Fahrerassistenzbedarf und andere Maßnahmen, zur Generierung von Hypothesen und zur strukturierten Sammlung von Studienergebnissen. Der vorliegende Bericht adressiert die FOT- und NDS-Community sowie allgemein verkehrspsychologisch-wissenschaftlich Interessierte. In acht Kapiteln widmet er sich den Arbeitsschritten und Ergebnissen der Taxonomieentwicklung.
Die Straßenverkehrsinfrastruktur und der Straßenverkehr müssen sich künftig neuen Herausforderungen stellen, wie dem technologischen, demografischen und klimatischen Wandel. Im Hinblick auf den projizierten Klimawandel entwickelte die BASt eine Strategie zur "Adaptation der Straßenverkehrsinfrastruktur an den Klimawandel (AdSVIS)". Diese Strategie soll dazu beitragen, die Verwundbarkeit des Straßenwesens gegenüber den negativen Folgen des Klimawandels durch Anwendung geeigneter Adaptationsmaßnahmen zu mindern. Um das Ziel zu erreichen, wurden vielfältige Projekte initiiert. Den zentralen Punkt der Anpassungsstrategie stellt dabei das Projekt "Risikoanalyse wichtiger Güter- und Transitverkehrsachsen unter Einbeziehung von Seehäfen (RIVA)" dar. Ziel dieses Projekts ist, eine Methodik für die Identifikation, Analyse und Bewertung der Risiken aus den projizierten Klimaänderungen zu entwickeln und an ausgewählten Streckenabschnitten im deutschen Teil des TEN-T (Transeuropäisches Netz - Transport) zu validieren. Durch dieses hierbei entwickelte und validierte Verfahren soll ferner das gesamte Bundesfernstraßennetz im Hinblick auf die klimabedingten Risiken untersucht und bewertet werden, mit dem Ziel, einen Aktionsplan für die erforderlichen Anpassungsmaßnahmen zu erstellen. Darüber hinaus befassen sich weitere Projekte des AdSVIS-Programms mit der Anpassung der maßgeblichen Regelwerke, beispielsweise mit der Überprüfung der Dimensionierungsansätze von Entwässerungseinrichtungen und Straßenbefestigungen. Gleichzeitig werden konkrete Anpassungsmaßnahmen entwickelt und erprobt.
Die Straßeninfrastruktur sieht sich immer größer werdenden Herausforderungen gegenübergestellt. Das Netz der Bundesfernstraßen wird immer älter bei gleichzeitig weiterhin stark ansteigendem Güterverkehrsaufkommen. Um diesen Herausforderungen gerecht zu werden, gilt es, eine dauerhafte Straßeninfrastruktur zur Verfügung zu stellen. Eine entscheidende Rolle wird dabei der bautechnischen und wirtschaftlichen Bewertung von Straßenbefestigungen zuteil, dabei ist der "Blick" in die Straßenkonstruktion selbst von maßgebender Bedeutung. "Was passiert in der Straße?", "Wie kann dies beschrieben werden?" sind dabei die Fragen, die es zu beantworten gilt. Über die Weiterentwicklung der bestehenden Mess-Sensorik eingebunden im Straßenaufbau sowie den Einsatz verschiedener möglichst zerstörungsfreier Messsysteme, zum Beispiel Georadarverfahren, sollen neue Ansätze verfolgt sowie Merkmale und Zustandsgrößen abgeleitet werden, die die strukturelle Substanz des Straßenaufbaus beschreiben. Darüber hinaus gilt es, neue Messverfahren sowie neue Ansätze zur Bewertung der strukturellen Substanz unter möglichst realistischen Umgebungsbedingungen zu erproben und zu validieren. Hierfür bieten sich großmaßstäbliche Untersuchungen unter zeitraffender Belastung an. Diese Möglichkeit bietet die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) in ihrer Modellstraße mit der neuen Belastungseinrichtung, dem Mobile Load Simulator MLS10. Aktuelle Forschungsaktivitäten zu den genannten Forschungsschwerpunkten leisten somit einen wichtigen Beitrag, um den Herausforderungen über die wirtschaftliche Erhaltung und über die Bereitstellung einer dauerhaften Straßeninfrastruktur zu begegnen.
Nach dem sehr erfolgreichen Kolloquium "Wege aus dem Stau" im August 2011 in der BASt veranstaltete die Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (FGSV) in Zusammenarbeit mit BMVBS, BASt und der Bauindustrie im Jahr 2013 als Folgeveranstaltung zwei Seminare unter dem Titel "Staustelle Baustelle". Das Programm war vor allem für alle diejenigen von Interesse, die sich mit der Planung, Ausschreibung und Durchführung von Baustellen insbesondere auf Autobahnen befassen. Eines der Hauptziele war es, den Dialog zwischen Planern und Betreibern einerseits und den mit der Baudurchführung Befassten andererseits anzuregen. Hierzu wurden in einem Block verkehrs- und baustellenmanagementbezogene Themen sowie in einem zweiten Block bautechnische Themen behandelt. Um einen möglichst breiten Teilnehmerkreis zu erreichen, wurde das Seminar weitgehend inhaltsgleich am 12. September 2013 in Hannover und am 25. September 2013 in Stuttgart durchgeführt. Mit jeweils ca. 70 Teilnehmern konnten Vertreter aus allen Bereichen der Verkehrsbranche, d. h. aus Bauindustrie, Wirtschaftsbetrieben, Ingenieurbüros, Verkehrsverwaltungen von Bund und Ländern sowie aus der Wissenschaft, begrüßt werden. Im Beitrag werden die Vorträge beider Veranstaltungen zusammenfassend wiedergegeben.
The goal of the project FIMCAR (Frontal Impact and Compatibility Assessment Research) was to define an integrated set of test procedures and associated metrics to assess a vehicle's frontal impact protection, which includes self- and partner-protection. For the development of the set, two different full-width tests (full-width deformable barrier [FWDB] test, full-width rigid barrier test) and three different offset tests (offset deformable barrier [ODB] test, progressive deformable barrier [PDB] test, moveable deformable barrier with the PDB barrier face [MPDB] test) have been investigated. Different compatibility assessment procedures were analysed and metrics for assessing structural interaction (structural alignment, vertical and horizontal load spreading) as well as several promising metrics for the PDB/MPDB barrier were developed. The final assessment approach consists of a combination of the most suitable full-width and offset tests. For the full-width test (FWDB), a metric was developed to address structural alignment based on load cell wall information in the first 40 ms of the test. For the offset test (ODB), the existing ECE R94 was chosen. Within the paper, an overview of the final assessment approach for the frontal impact test procedures and their development is given.
Viskositätsverändernde Zusätze im Asphalt werden seit mehr als 15 Jahren verwendet. Die Einsatzmöglichkeiten dieser Zusätze sind die Temperaturabsenkung und die Verwendung als Verarbeitungshilfe, frühere Verkehrsfreigaben sind möglich, die Maschinentechnik wird geschont. An Beispielen werden diese Anwendungsmöglichkeiten vorgestellt und Hinweise zum Umgang mit viskositätsveraenderten Asphalten gegeben.
Deutschland ist aufgrund seiner zentralen Lage eines der wichtigsten Transitländer im zusammenwachsenden Europa. Die Güter werden vor allem über die Straße verteilt und durch Deutschland transportiert. Für diese Funktion braucht es ein funktionstüchtiges und qualitativ hochwertiges Fernstraßennetz. Zuverlässige Kenntnisse über das spezifische Verhalten unter Verkehrsbelastung der jeweiligen Baustoffe und Konstruktion sind für eine Dimensionierung von Straßenaufbauten, aber auch zur Bewertung der strukturellen Substanz erforderlich. Neben Versuchen am jeweiligen Baustoff im Labor ist ein weiteres essenzielles Werkzeug die Untersuchung in Großversuchen. Dazu wurde an der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) eine instrumentierte Modellstraße mit Aufbauten gemäß den Richtlinien für die Standardisierung des Oberbaus von Verkehrsflächen (RStO) im Maßstab 1:1 gebaut und der Mobile Load Simulator MLS10 für die zeitraffende Belastung mit rollendem Rad in Betrieb genommen. Heute und in Zukunft sollen neben Forschungen zur Substanzbewertung vor allem innovative Asphalt- und Betonbauweisen untersucht werden. In dem Beitrag werden erste Erfahrungen mit dem MLS10 auf einem instrumentierten Straßenaufbau im Rahmen eines Dauerbelastungsversuchs an der Modellstraße vorgestellt.
Die Verkehrsinfrastruktur ist ein wichtiger Standortfaktor eines Landes. Mit zunehmendem Verkehr ist jedoch eine Reihe negativer Folgen für Mensch und Umwelt verbunden. Daher müssen zukunftsfähige Lösungen entwickelt werden, die unsere Mobilität langfristig sichern, wirtschaftlich tragfähig und sozial ausgewogen sind und gleichzeitig die Umwelt schonen. In den letzten Jahren haben in situ-Messungen im gesamten Bundesgebiet gezeigt, dass einige der europaweit gültigen Grenzwerte, insbesondere an verkehrsnahen Standorten, zum Teil stark überschritten werden. Die Emissionen von Fahrzeugen konnten durch innermotorische Maßnahmen und Abgasnachbehandlung schon deutlich reduziert werden. Dennoch gibt es in Bezug auf die Einhaltung der Grenzwerte bei einigen Schadstoffen weiterhin Handlungsbedarf und es werden Maßnahmen auf dem Gebiet der Verkehrssteuerung diskutiert. Als Eingangsgrößen für solche umweltsensitiven Verkehrssteuerungen bedarf es messtechnisch erhobener Luftschadstoffdaten.
Die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) wurde vom Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS) gebeten, eine wissenschaftlich gestützte Bewertung vorzunehmen, ob und gegebenenfalls in welchem Umfang Mehrkosten für den Baulastträger Bund bei der Anwendung der RAL zu erwarten sind. Im gleichen Zuge sollten auch die Auswirkungen auf die Verkehrssicherheit abgeschätzt werden, um somit den erwarteten volkswirtschaftlichen Nutzen der RAL nachzuweisen. Die Ergebnisse der durchgeführten pauschalierten Vergleichsbetrachtungen, die sich auf eine vergleichende Betrachtung der Regelquerschnitte beschränken ließen, verdeutlichen insgesamt die Vorteilhaftigkeit einer Einführung der RAL: Zum einen sind in Bezug auf die Maßnahmen des Bedarfsplans bei Anwendung der RAL im Vergleich zu dem bisherigen Regelwerk keine Mehrkosten zu erwarten. Zum anderen kann hinsichtlich der Verkehrssicherheit eine Verbesserung erwartet werden.
Der Bewertung der strukturellen Substanz von Straßenaufbauten kommt im Rahmen einer wirtschaftlichen Erhaltungsplanung eine entscheidende Bedeutung zu. Die vorhandenen Zustandsdaten aus der regelmäßigen Zustandserfassung und -bewertung (ZEB) bieten hierfür eine gute Grundlage, beschränken sich allerdings auf die Bewertung von Oberflächeneigenschaften. Die Messung der Tragfähigkeit stellt daher einen wichtigen Baustein bei der Bewertung der strukturellen Substanz dar, ist allerdings bei den etablierten Messverfahren aufgrund der Messgeschwindigkeit und der damit gegebenenfalls verbundenen Behinderung des fließenden Verkehrs eher auf Objektebene einsetzbar. Mit dem im letzten Jahrzehnt entwickelten Traffic Speed Deflectometer (TSD) sind nun schnellfahrende Tragfähigkeitsmessungen möglich. Im Rahmen eines Pilotprojekts im Freistaat Bayern wurde die Anwendbarkeit des TSD im Vergleich zu anderen Messverfahren auf Bundesautobahnen, Bundesstraßen und Staatsstraßen untersucht.
Die Forschungsarbeit behandelt die Vor- und Nachteile der Teilung einer vierstreifigen Richtungsfahrbahn einer Autobahn in eine Hauptfahrbahn ohne Anschlussstellen für den Fernverkehr und eine getrennte Fahrbahn für den lokalen Verkehr hinsichtlich des Verkehrsablaufs. Diese getrennte Fahrbahn erschließt die Anschlussstellen ins nachgeordnete Netz und verfügt nur am Anfang und Ende über eine Verbindung zur durchgehenden Hauptfahrbahn. Während eine solche Verkehrsführung in den Ballungsräumen im Ausland erfolgreich Verwendung findet, ist sie in Deutschland bisher weitestgehend unbekannt. Im Rahmen der Forschungsarbeit wurden lange Verteilerfahrbahnen an Autobahnen zur räumlichen Trennung von durchfahrendem und ausfahrendem Verkehr hinsichtlich ihres Verkehrsablaufs untersucht. Anhand einer umfangreichen empirischen Untersuchung und darauf aufbauenden mikroskopischen und makroskopischen Simulationen sollten insbesondere Einsatzkriterien für lange Verteilerfahrbahnen festgelegt werden. Ziel der Untersuchung ist es, anhand der gewonnenen Erkenntnisse aus Gründen des Verkehrsablaufs Entscheidungsgrundlagen für die Trennung von Fernverkehr und örtlichem Verkehr mit langen Verteilerfahrbahnen bereitzustellen.
Das Technische Komitee 337 "Ausstattung für den Straßenbetriebsdienst" der CEN hat in den letzten Jahren verschiedene Normen für Produkte des Straßenbetriebsdienstes erarbeitet, weitere Normen sind in Bearbeitung oder in der Planung. Die Normen beinhalten im Wesentlichen Begriffsbestimmungen, Vorgaben für einheitliche Bemaßungen, Leistungsanforderungen und teilweise auch deren Prüfung. Die Normen geben den Stand der Technik wieder und werden daher zur Anwendung bei der Beschaffung empfohlen. Aufgrund der Europäischen Normungsarbeit enthalten die Normen auch Inhalte, die nicht in jedem Falle für deutsche Straßenbauverwaltungen von wesentlichem Interesse sind. Eine Reihe von beschriebenen Prüfungsverfahren ist zunächst nur anhand theoretischer Überlegungen entstanden und soll in der nächsten Zeit zur Nutzung umgesetzt und erprobt werden. Sie sind in sogenannten Technischen Spezifikationen (CEN/TS) formuliert. Der derzeitige Stand der Normen, einschließlich von forderbaren Prüfergebnissen, aus Sicht der (BASt) in Bezug zum genannten Allgemeinen Rundschreiben Straßenbau 21/2013, wird genauer beschreiben.
Bei der Nachrechnung von Straßenbrücken aus Beton werden häufig rechnerische Tragfähigkeitsdefizite festgestellt. Neben stetig steigenden Beanspruchungen infolge zunehmender Verkehrslastzahlen und einer gleichzeitig alternden Bausubstanz sind diese zum Teil auch auf die mit der Weiterentwicklung der Bauweise fortgeschriebenen bzw. geänderten Nachweisformate zurückzuführen. Im Rahmen der Ressortforschung des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI) und der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) werden die Ursachen für die rechnerischen Defizite systematisch analysiert und Lösungsansätze entwickelt. Die Ergebnisse in Form von Berichten, Erfahrungssammlungen bzw. konkreten Richtlinientextvorschlägen fließen kontinuierlich in die Arbeit der Gremien zur Fortschreibung der Regelwerke ein.
Ausgehend von einer Vielzahl an Schäden, die in den 1970ern und 1980ern oftmals schon nach wenigen Jahren Nutzungsdauer an den Belägen auf Stahlbrücken aufgetreten sind, wurden von den Herstellern qualitativ hochwertige Abdichtungssysteme entwickelt, die zu einer deutlichen Verringerung der Schäden führten. Lange Standzeiten von 20 bis 30 Jahren sind keine Seltenheit, und die Anzahl von Schäden hat deutlich abgenommen. Als problematisch erweist sich bei einzelnen Baumaßnahmen nach wie vor die Einbauqualität, zumeist bedingt durch unzureichende Einbaubedingungen. Gerade bei den hochwertigen Baustoffen spielen die Einbaubedingungen eine entscheidende Rolle. Deshalb ist es wichtig, sowohl bei der Planung als auch bei der Ausführung diese Randbedingungen zu berücksichtigen.
Flexible Fahrbahnübergangskonstruktionen stellen für Ingenieurbauwerke mit einer Dehnlänge bis zu circa 30 m eine preiswerte Alternative zu den herkömmlichen Fahrbahnübergängen aus Stahl dar. Neben kurzen Einbauzeiten sind ein guter Rollkomfort und eine sehr geringe Geräuschentwicklung kennzeichnend für diese Bauart. Von besonderer Bedeutung für die Ausführung ist eine lückenlose Qualitätssicherung. Aufgrund neuer Baustoffe und neuer konstruktiver Ansätze ist für die Zukunft sowohl eine Erhöhung der Leistungsfähigkeit als auch eine Erweiterung des Anwendungsbereichs zu erwarten.
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.
Der vorliegende Bericht beschreibt Konzepte für eine intelligente Brücke auf der Grundlage einer zuverlässigkeitsbasierten Zustandsbewertung unter Berücksichtigung von Bauwerksinformationen, welche aus Prüfungen, Inspektionen und Überwachung gewonnen werden. Das Brückensystem wird durch ein Modell beschrieben, welches den zentralen Teil des Konzeptes darstellt. Das Modell wird in Schädigungsmodelle und ein Tragwerkssystem-Modell unterteilt. Dieses Modell wird a-priori durch die Eingangsdaten (welche etwa die Geometrie, die Materialien und die Verwendung der Brücke beschreiben) charakterisiert. Aus diesen ergeben sich dann auch die Ausgangsmodelle. Um die signifikanten Streuungen und Unsicherheiten adäquat abzubilden sind diese Modelle probabilistisch. Das Modell liefert eine sich kontinuierlich ändernde probabilistische Zustandsbewertung. Die Zustandsbewertung gibt eine Aussage über den Zustand und die Zuverlässigkeit des Brückensystems und seiner Bauteile und dient als Grundlage für die Planung und die Optimierung von Maßnahmen. Die Verwendung von Resultaten aus Inspektionen, Prüfungen und Überwachungen erfolgt durch eine Aktualisierung der Modellparameter. Die Aktualisierung beruht auf der Methode der Bayes'schen Aktualisierung und wird auf der Grundlage der entwickelten Klassifizierung der Bauwerksinformationen mit entsprechenden Methoden durchgeführt. Dieses Verfahren erlaubt es, alle Informationen in konsistenter Weise in ein einziges Modell einfließen zu lassen. Dabei wird die Genauigkeit und Aussagekraft der gewonnenen Daten und Beobachtungen explizit berücksichtigt. Durch die Aktualisierung der Modellparameter unter Berücksichtigung von Systemeffekten wird die Zustandsbewertung der Bauteile und des Brückensystems aktualisiert. Das ermöglicht die Planung und die Optimierung von Maßnahmen unter Berücksichtigung der Bauwerksinformationen. Auf diese Weise wird die intelligente Brücke mit Inspektionen und Überwachungen zu einem adaptiven System, welches sich Veränderungen anpassen kann.
Durch die steigenden Verkehrszahlen haben sich die Anforderungen an Brückenbauwerke im Bestand in den letzten Jahren deutlich erhöht. Gleichzeitig ergeben sich heute durch Veränderungen in den Normen geringere rechnerische Querkrafttragfähigkeiten und höhere erforderliche Mindestquerkraftbewehrungen. Dadurch kann die Querkrafttragfähigkeit des Längssystems von bestehenden Brückenbauwerken häufig nicht mehr nachgewiesen werden, sodass Verstärkungsmaßnahmen erforderlich werden. In diesem, von der Bundesanstalt für Straßenwesen geförderten Forschungsvorhaben, wurden daher am Institut für Massivbau der RWTH Aachen experimentelle und theoretische Untersuchungen zum Einfluss einer externen Längsvorspannung auf die Querkrafttragfähigkeit bestehender Spannbetonbrücken durchgeführt. Für die experimentellen Untersuchungen wurden sechs Teilversuche an drei Zweifeldträgern mit parabelförmigem internen Spannglied und einer Stützweite von jeweils 5,5 m durchgeführt. Zwei der drei Träger wurden zusätzlich durch gerade externe Spannglieder vorgespannt. Durch die Versuche wurde der Einfluss der externen Vorspannung auf die Erstrisslasten und Bruchlasten untersucht. Die Träger wurden zusätzlich in beiden Feldern jeweils unterschiedlich bewehrt, wobei eine Trägerhälfte in etwa mit der nach DIN-FB 102 erforderlichen Mindestquerkraftbewehrung bewehrt war und die andere mit der Hälfte davon. Dadurch konnte auch das Tragverhalten bei nicht vollständig vorhandener Mindestquerkraftbewehrung untersucht werden. Parameterstudien mit Finite Elemente Modellen ergänzen die Versuche, um die Einflüsse aus Vorspanngrad, Querkraftbewehrungsgrad, Betonfestigkeit, Querschnitt und Spanngliedführung auf die Querkrafttragfähigkeit näher zu untersuchen. Auf Grundlage der experimentellen und theoretischen Untersuchungen wurden dann bestehende Bemessungs- und Ingenieurmodelle überprueft und modifiziert.
Müdigkeit am Steuer ist eine bedeutsame Ursache von Straßenverkehrsunfällen. Es steht eine Fülle unterschiedlicher Methoden zur Verfügung, um Müdigkeit beim Fahrer zu erkennen. Ziel des vorliegenden Projekts war es, auf Basis einer mehrstufigen Befragung von zwölf Experten aus Industrie- und Hochschulforschung die Stärken und Schwächen der derzeit validesten objektiven Müdigkeitsmessverfahren vergleichend zu beschreiben. Als Basis der Bewertung diente ein eigens erarbeiteter Gütekriterienkatalog. Zu den validesten Müdigkeitsmessverfahren gehören aus Expertensicht Lenkverhalten und Spurhaltung, Indikatoren des Lidschlussverhaltens und des EEG, das videobasierte Expertenrating sowie der kontrovers diskutierte Pupillografische Schläfrigkeitstest. Die Güteprofile der sechs ausgewählten Messverfahren werden aufgeführt. Je nach Einsatzgebiet sind alle ausgewählten Messverfahren (Forschung und Entwicklung), nur einige (Müdigkeitswarnsystem im Fahrzeug), oder kein einziges (Verkehrskontrolle) geeignet. Dem Urteil der Experten nach bedarf eine valide Müdigkeitserfassung der Kombination von mindestens zwei Messverfahren unter Berücksichtigung der spezifischen Stärke-Schwächenprofile.
Ein Großteil der Brückenbauwerke in Deutschland hat in Anbetracht der üblichen Nutzungsdauer von 100 Jahren über die Hälfte dieser Zeitspanne überschritten. Zur Wahrung der Sicherheit müssen sämtliche Brückenbauwerke in festgelegten Intervallen geprüft werden. Hierbei wird der IST-Zustand ausgewertet und entsprechend RI-EBW-PRÜF beurteilt, um eine optimale Instandhaltungsstrategie ausarbeiten zu können. Ziel des Forschungsvorhabens ist es, Modelle der Schadensumfangsentwicklung von häufigen Schäden an Brücken zu erarbeiten und ein Prognoseverfahren für die Zustandsentwicklung von Brückenbauwerken zu konzipieren und damit die statische Bewertung nach RI-EBW-PRÜF um die dynamischen Schädigungsmodelle zu erweitern. Dafür ist es notwendig, die Änderung der Daten aus den Bauwerksprüfungen, die dem Algorithmus zur Berechnung der Zustandsbewertung zu Grunde gelegt werden, mit den Modellen der Schadensumfangsentwicklung für künftige Zeitpunkte vorher zu bestimmen. Hierfür werden Ingenieurmodelle und probabilistische Modelle gewählt: Die S-Shape-Funktionen und Markov-Ketten bzw. -Prozesse, welche anhand von Realdaten und durch Berechnung mit Schädigungsmodellen validiert werden, erweisen sich hierfür als äußerst produktiv. Für beide Modelle werden grundlegende Untersuchungen durchgeführt und gezeigt, dass ein Zusammenhang zwischen den Modellen besteht. Es offenbart sich, dass S-Shape-Funktionen das Potential haben als erste Einschätzung für die Zustandsentwicklung einer Brücke herangezogen zu werden. Zur Anwendung der Markov-Ketten werden Daten aus SIB-Bauwerke aus Nordrhein-Westfalen und Thüringen ausgewertet. Da das zur Verfügung gestellte Datenfeld zu gering ist, werden Optimierungsverfahren und Möglichkeiten geprüft, den Bestand künstlich zu erweitern. Darauf aufbauend kann gezeigt werden, dass eine Optimierung des Verfahrens unter Berücksichtigung kürzerer Prüfintervalle möglich ist. Das Konzept für ein Modell der Schadensumfangentwicklung ist damit komplett.
Die Erhaltung des Brückenbestandes des Bundes hat hohe Priorität, um eine uneingeschränkte Mobilität im Bundesfernstraßennetz gewährleisten zu können. Die Planung des Einsatzes finanzieller Mittel erfordert unter anderem eine genaue Kenntnis des Zustandes der jeweiligen Brückenbauwerke. Die Bauwerksprüfung erfolgt derzeit "handnah" in festen Intervallen mit einem nach DIN 1076:1999-11 festgelegten Prüfungsumfang. Man spricht von einem zustands- bzw. schadensbasierten Erhaltungsmanagement. Das derzeitige Verfahren beschreibt den IST-Zustand ohne detaillierte Rückschlüsse auf die Entstehung von Schäden zu liefern. Strukturelle Abhängigkeiten bzw. gegenseitige Beeinflussung von Schädigungsmechanismen werden bisher nicht berücksichtigt. Das Ziel des Themenschwerpunktes "intelligente Bauwerke" ist daher, ein verbessertes Konzept für herausragende, bedeutende Brücken zu entwickeln. Von der reinen Datensammlung soll ein Übergang zu einem Brückenmodell erfolgen, welches Informationen direkt weiterverarbeiten kann. Im Rahmen dieses Projekts wird ein Systemmodell entwickelt, welches sowohl strukturelle Abhängigkeiten als auch Interaktionen zwischen Schädigungen berücksichtigt. Das Modell fungiert nicht als "Black-Box", sondern erlaubt es, Rückschlüsse auf die Schadensursachen zu ziehen sowie Informationen über die Relevanz der Schäden bzw. deren Wirkungen auf die einzelnen Bauteile und das Gesamtsystem zu erhalten. Ein neuer Modellierungsansatz für die Bauwerksprüfung und Zustandsbewertung für Brückenbauwerke wurde entwickelt, der so genannte Einflussbaum. Der Einflussbaum ermöglicht eine detaillierte Abbildung von Schädigungsmechanismen durch die Einführung flexibler Logischer Verknüpfungen. Im Gegensatz zu reinen Boole'schen Verknüpfungen herkömmlicher Modellierungsmethoden kann dieses Element auf verschiedene Arten die komplexen Zusammenhänge des Einflusses von Schäden abbilden. Die Verknüpfungen können frei definierte Gleichungen bzw. Vorschriften beinhalten. Auf diese Weise können sowohl einfache grenzwertbasierte als auch vollprobabilistische (zuverlässigkeitsbasierte) Zustandsbewertungen abgebildet werden. Der konzipierte Einflussbaum besteht aus drei Modellebenen: der Strukturebene, der Ebene der Schadensbilder und der Parameterebene. Im Zuge des Ausarbeitens eines Einflussbaumes wird das Bauwerk in einzelne Bauteile strukturiert zerlegt und die entstehenden Elemente hierarchisch angeordnet. Die einzelnen Elemente geben auf einer zugeordneten Skale ihren Zustand aus. Eine Nachverfolgbarkeit verschiedener Einflüsse ist somit gegeben. Für die Beschreibung aller Ebenen des Einflussbaums kommt die grafische Notationssprache Systems Modeling Language (SysML) zum Einsatz. SysML ermöglicht die Modularisierung benutzerdefinierter Strukturteile des Einflussbaums. Die Module können in das Gesamtmodell unkompliziert eingefügt werden. Der Modellierungsprozess wird dadurch stark beschleunigt. Das Hauptergebnis des Projekts FE 15.038 ist ein neues, modellbasiertes Bauwerkszustandsermittlungssystem (Einflussbaum), welches die Berechnung des Zustands nicht nur für das Gesamttragwerk, sondern auch für dessen einzelne Komponenten ermöglicht. Mithilfe des Einflussbaums können zum einen bestehende Schädigungen modelliert und zum anderen Schädigungsabläufe simuliert werden. Der Einflussbaum kann somit im Rahmen der Zustandsbewertung von Bauwerken eingesetzt werden und darüber hinaus als Prognosetool zur Ermittlung des künftigen Bauwerkszustands herangezogen werden. In der Planungsphase ermöglicht das Systemmodell mit einer Parameterstudie kritische Bauteilkomponenten, sog. HotSpots, zu lokalisieren. Die gewonnen Erkenntnisse können als Entscheidungshilfe für die Platzierung von Sensorik dienen. Im Vergleich der neuen systemmodell-basierten Methode und einer herkömmlichen Bauwerksbewertung liegt der Hauptunterschied darin, dass eine Systemanalyse mit einem Einflussbaum den zugrundeliegenden Schädigungsmechanismus aufzeigt. Es werden detailliert die Eingangsparameter für Schädigungen, die jeweiligen vorherrschenden Schädigungsprozesse und die betroffenen strukturellen Komponenten ermittelt. Dies trägt zu einem tieferen Verständnis der Zustandsentwicklung von Bauwerken bei und ermöglicht einerseits eine realitätsnahe Zustandsbeurteilung und andererseits auch eine Berücksichtigung des Erkenntnisgewinns in der Planung von Neubauten hinsichtlich potentieller Schwachstellen bzw. eines effektiven Einsatzes von Monitoringkonzepten.
Ziel des Projektes ist ein Konzept und ein an einem Beispiel umgesetztes technisches Equipment, welches eine Ermittlung von Einwirkungen auf Brücken, Widerstand und Zustand der Brücken in Echtzeit ermöglicht und gleichzeitig Datenlieferant für Verkehrszählungen und Achslastermittlungen ist. Technische Basis für die Datenerfassung der Verkehrsmengen und deren einzelnen Fahrzeuge ist der Einsatz von Traffic-Sensoren der Firma AVK GmbH und technische Basis für die Datenerfassung der Achslasten und der brückenspezifischen Kenngrößen ist eine konventionelle Messtechnik von Wegaufnehmern, Dehnmessstreifen und Beschleunigungssensoren. Für die praktische Anwendung der genannten beiden unabhängigen Messsysteme wurden während des Projektes an einer Testbrücke Erfahrungen gesammelt. Diese werden gegenwärtig genutzt, um ein System, in dem Datenerfassung, Weiterverarbeitung und Ergebnisbereitstellung auf einer einheitlichen Basis erfolgen, zu realisieren. Schwerpunkt wird neben der Weiterentwicklung der Algorithmen zur Verkehrserfassung und Bauwerkszustandsbewertung das Postprocessing werden, also die Bereitstellung der Daten in verteilten Umgebungen (webbasiert, Client-Server-Anwendungen), zur Zusammenarbeit z. B. mit den Straßenbauverwaltungen. Auf der Grundlage der gemessenen Daten und am mechanischen Modell ermittelten Daten werden die Algorithmen zur Achslasterkennung und der Zustandsdaten der Brücke entwickelt, die hier nur als Prototypen beschrieben werden und einer steten Entwicklung unterliegen. Sowohl aus den gemessenen Daten als auch aus der Interaktion von Messung und Simulation werden unter Anwendung statistischer Methoden charakteristische Werte und Ziellastniveaus abgeleitet. Ein stets mitlaufendes Auswerteregime optimiert ein Grundzeitintervall der Messungen hinsichtlich der Aussagequalität. An einer Testbrücke wurden die einzelnen Komponenten des Systems in der praktischen Anwendung überprüft und weiterentwickelt. Es wurden Folgerungen für die Anforderungen an die Messhardware, Software und die Auswertealgorithmen für einen weitergehenden professionellen Einsatz abgeleitet. Eine angezielte Echtzeitauswertung konnte bisher zwar installiert, aber noch nicht praktisch erprobt werden. Dies wird im Zusammenhang mit der weiteren Softwareentwicklung vorgesehen. Am Projektende liegt ein einsatzfähiges Equipment mit den entsprechenden Auswertemodulen vor, jedoch muss dieses erweitert und professionalisiert werden.