620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Die Richtlinien für die Standardisierung des Oberbaues von Verkehrsflächen (RStO) wurden überarbeitet, um zwischenzeitlich gewonnene Erkenntnisse und Erfahrungen aus Forschung und Praxis umzusetzen. Dabei bestand die Aufgabe außerdem darin, den Entwurf der Richtlinien für die Standardisierung des Oberbaues bei der Erneuerung von Verkehrsflächen (RStO-E) in die neuen RStO zu integrieren, da die RStO-E auf denselben Planungsgrundlagen und Anwendungsprinzipien aufbauen. Die wesentliche Neuerung der RStO 01 ist die Festlegung der Bauklassengrenzen anhand der bemessungsrelevanten Beanspruchung auf der Grundlage äquivalenter 10-t-Achsübergänge oder anhand der DTV(hoch (SV))-Angaben, die mit Hilfe straßenklassenspezifischer Lastkollektivquotienten bewertet werden. Die neuen RStO unterscheiden sich außerdem von der bisherigen Ausgabe dadurch, dass Bauweisen herausgenommen, modifiziert und neue aufgenommen wurden. Außerdem wurden die Ausgangswerte und die Mehr- oder Mindestdicken infolge örtlicher Verhältnisse für die Bestimmung des frostsicheren Straßenaufbaues geändert. Im abschließenden Teil 2 werden der Neubau von Fahrbahnen und Erneuerung von Fahrbahnen im Tiefeinbau (5.), die Erneuerung von Fahrbahnen im Hocheinbau (6.), die Erneuerung von Fahrbahnen im Hocheinbau bei teilweisem Ersatz der vorhandenen Befestigung (7.) und der Neubau und die Erneuerung von sonstigen Verkehrsflächen (8.) behandelt. Siehe auch Teil 1 des Beitrages.
Die Erfahrungen zeigen, dass auch im Brücken- und Ingenieurbau an Bundesfernstraßen die Vorteile von hochfestem und selbstverdichtendem Beton genutzt werden können. Unter den Randbedingungen des Brückenbaus sind insbesondere Vollplattenquerschnitte mit beidseitigen Kragarmen, die ohne Versprung im Querschnitt an die Platte angegliedert sind, für die Ausführung mit hochfestem Beton geeignet. Mit dieser Bauweise wurden Spannweiten bis zu 40 m realisiert. Der Schlankheit der Querschnitte ist jedoch durch die zusätzlichen Kosten für Beton- und Spannstahlbewehrung eine wirtschaftliche Grenze gesetzt. Für die Ausführung von Brückenüberbauten an Bundesfernstraßen in Ortbetonbauweise ist selbstverdichtender Beton aufgrund der üblichen Abmessungen und der konstruktiven Durchbildung von Brücken nicht geeignet. Direkt befahrene Fahrbahntafeln aus hochfestem Ortbeton ohne zusätzliche Abdichtung sind für Brücken an Bundesfernstraßen mit den heute üblichen Verfahren nicht realisierbar. Die Gebrauchseigenschaften von Bauteilen aus hochfestem und/oder selbstverdichtendem Beton, wie z. B. Verformung und Dauerhaftigkeit, haben sich mindestens als vergleichbar mit normalfestem Beton dargestellt. Die Dauerhaftigkeit von hochfestem Beton stellt sich unter der Frost-Tausalz- und Wettereinwirkung an Bundesfernstraßen sogar besser dar, als für normalfesten Rüttelbeton oder selbstverdichtenden Beton. Chlorideindringwiderstand und Karbonatisierungswiderstand des hochfesten Betons sind höher. Selbst dann, wenn infolge von Oberflächenrissen das optische Erscheinungsbild eines Brückenpfeilers beeinträchtigt ist, sind Chlorideindring- und Karbonatisierungstiefe geringer als für normalfesten Beton unter den gleichen Einwirkungen. Die Erfahrungen haben gezeigt, dass bis einschließlich der Festigkeitsklasse C70/85 hochfeste Betone zielsicher hergestellt und eingebaut werden können. Mit abnehmender Festigkeitsklasse werden jedoch die typischen Schwierigkeiten bei der Ausführung der Bauteile geringer. Voraussetzung für die zielsichere Herstellung von hochfestem Beton und/oder selbstverdichtendem Beton ist jedoch die Umsetzung der zwischen Betonhersteller und bauausführendem Unternehmen vorab projektbezogenen, abgestimmten und qualitätssichernden Maßnahmen, die in QS-Plänen, z. B. für Betonherstellung, Transport und Baustelle, niedergelegt werden. Die notwendigen Maßnahmen zur Sicherstellung der geforderten Frischbetoneigenschaften, Hydratationswärmeentwicklung, Festigkeitsentwicklung, Einbauverfahren, Nachbehandlung und Festbetoneigenschaften gehen über das für normalfesten Rüttelbeton Bekannte hinaus. Der Aufwand für selbstverdichtenden Beton geht dabei noch über die für hochfesten Beton hinaus. Aus diesen Gründen wird die Begleitung solcher Baumaßnahmen durch nicht in das Baugeschehen involvierte, kompetente und erfahrene Betoningenieure weiterhin für erforderlich gehalten. Dies wird heute schon mit der Forderung einer Zustimmung im Einzelfall für Bauwerke und Bauteile aus hochfestem oder selbstverdichtendem Beton in den ZTV-ING in die Praxis umgesetzt. Mit zunehmender Verwendung hochfester und/oder selbstverdichtender Betone, auch außerhalb des Brückenbaus, werden die Erfahrung und die Sicherheit im Umgang mit diesen Betonen zunehmen, sodass das Instrument der Zustimmung im Einzelfall dann verzichtbar werden kann.
Es bestehen Möglichkeiten, die Griffigkeit von Betonfahrbahndecken durch besondere Ausbildung der Oberfläche zu beeinflussen, wie sich aus Untersuchungen der TH Berlin und der BASt mit dem standardisierten Messverfahren mit blockiertem Schlepprad (Stuttgarter Reibungsmesser) ergeben hat. Die in den Vorschriften für Betonfahrbahnen auf Straßen (Arbeitsanweisung 1939, TV Beton 72, ZTV Beton 78) enthaltenen Bestimmungen werden aufgeführt. Sie beruhen jeweils auf Ergebnissen von Versuchsstrecken mit verschiedenen Oberflächenausführungen: Strukturieren, Aufstreuen von gebrochenen Mineralstoffen, Einarbeiten von Brechsanden, Entfernen des Oberflächenmörtels. Bei Vergleichen der Wirkung des Abziehens mit Rosshaarbesen oder Stahlbesen hat sich der Stahlbesen als günstiger erwiesen. Weitere Versuche betreffen die Verbesserung alter Betondecken mittels Fräsen, zementgebundener Beschichtung mit Haftbrücken oder mit Reaktionsharzmörtel, bituminöser Beschichtung oder Oberflächenbehandlung. Eine künftige Erhöhung der Griffigkeit neuer Betondecken wird von einer Betonzusammensetzung mit rauhem und polierresistentem Sand erwartet.
Im Forschungsvorhaben wurde eine vergleichende Analyse der Baulastträgerkosten von Einhausungsbauwerken und Tunneln in offener Bauweise über den Lebenszyklus durchgeführt. Betrachtet wurden die Einhausungsarten oben offene Einhausungen, seitlich offene Einhausungen (Galerien) und geschlossene Einhausungen mit Verglasungen im Decken- und/oder Wandbereich. Der Analyse wurden mittlere Kostensätze für die Erhaltung (Erneuerung und Unterhaltung) der Bauwerke zugrundegelegt, die aus vorliegenden Objektdaten von Einhausungen und Tunneln gewonnen wurden. Die Gegenüberstellung der Kosten erfolgte für fiktive Gegen- und Richtungsverkehrsbauwerke mit einer Länge von 100 bis 6.000 Metern. Die bauliche Gestaltung sowie die betriebs- und sicherheitstechnische Ausstattung der Einhausungen wurden aus den Ergebnissen einer parallel durchgeführten Risikoanalyse (FE 15.492/2010/FRB) abgeleitet. Ziel der Gegenüberstellung war insbesondere die Ermittlung des Kosteneinflusses der Beleuchtungs- und Lüftungsauslegung. Als Vergleichsgröße wurden nach dem Modell der Ablösebeträge-Berechnungsverordnung (ABBV) kapitalisierte Erhaltungskosten verwendet. Im Ergebnis zeigte sich, dass alle Einhausungsarten mit geringeren Kosten als nach RABT 2006 ausgestattete Vergleichstunnel verbunden sind. In Abhängigkeit von Bauwerkslänge und Betriebsform ergaben sich für seitlich offene Einhausungen um 35 bis 45 %, für oben offene Einhausungen um 15 bis 40 % und für geschlossene Einhausungen um 10 bis 20 % niedrigere Erhaltungskosten. Auf Grundlage der ermittelten Kostensätze und dem Modell der ABBV wurde ein Softwaretool erstellt, mit dem die verschiedenen Einhausungsarten einem Vergleichstunnel gegenübergestellt werden können und das die zu erwartenden Kostendifferenzen ausgibt. Basierend auf den Ergebnissen wurden Standardisierungskonzepte für das Regelwerk erarbeitet, die unter Beibehaltung des Sicherheitsniveaus nach RABT 2006 eine wirtschaftlich optimierte Ausstattung von Einhausungen ermöglichen sollen.
Die Brücke hat eine Länge von 660 Metern und überquert das Haseltal mit einer maximalen Höhe von 70 Metern. Sie ist ein Durchlaufträger über sieben Felder mit Stützweiten von 5 x 101,60 Metern für die Mittelöffnungen und 2 x 76,20 Metern für die Endfelder. Zwei im Abstand von 18,53 Metern angeordnete vollwandige Hauptträger unterstützen die als orthotrope Platte ausgebildete 29,30 Meter breite Fahrbahntafel. Die seitlichen Kragarme sind über 5 Meter weit gespannt. Erbaut wurde die Brücke in den Jahren 1959 bis 1961. Die konstruktive Ausbildung des Überbaus wird im Einzelnen beschrieben. Auffällig ist das geringe Flächengewicht des Überbaus von nur 248 Kilogramm je Quadratmeter. Beschrieben wird zunächst der Bauablauf mit einigen Besonderheiten, ausserdem die Prüfungen während der Bauausführung und der Zustand des Bauwerks zum Ablauf der zehnjährigen Gewährleistungszeit. Bei einer Hauptprüfung des Überbaus wurden 1983 neben anderen Schäden zahlreiche systematische Risse, besonders in den Schweissnähten festgestellt, die 1985 bis 1988 zu einer umfangreichen Instandsetzung führten. Im Jahre 2002 wurden erneut viele Risse in den Schweissnähten gefunden, die umgehend wieder instand gesetzt wurden. Es wurden jährliche Sonderprüfungen angeordnet und wegen des desolaten Zustandes des Überbaus ein Neubau beschlossen. Einzelheiten zu den Schadensursachen, die durch Gutachten und Versuche festgestellt wurden, werden dargestellt.
Vorbereitung von Großversuchen an Stützkonstruktionen aus Gabionen – Einzelgabionen mit Steinfüllung
Gabionen haben sich in den letzten Jahren als kostengünstige Bauelemente für Stützkonstruktionen etabliert. Bisher existiert allerdings für Stützkonstruktionen aus Gabionen weder ein realitätsnahes rechnerisches Nachweisverfahren für die innere Standsicherheit eines Einzelelements noch ein definiertes Prüfverfahren für Belastungsversuche. Aus diesem Grund sollen die vorhandenen Regelwerke überarbeitet und angepasst werden.
Im vorliegenden Forschungsprojekt wurden sechs zentrische Belastungsversuche an 3-seitig gelagerten Gabionen durchgeführt. Die Einzelkörbe wurden analog zum häufigen Vorgehen auf einer Baustelle vor Ort befüllt und handgerichtet. Es wurden drei gleiche Versuche mit Lindlarer Grauwacke und 3 unterschiedliche Versuche mit Füllungen aus Granit durchgeführt. In diesem Bericht werden die Belastungsversuche, sowie das Deformationsverhalten der Gabionen beschrieben und analysiert.
Basierend auf den Ergebnissen des vorherigen Projektes F1100.2315000 „Vorbereitung von Großversuchen an Stützkonstruktionen aus Gabionen“ wurden die Erkenntnisse aus den Sandversuchen und die Messtechnik aus den bisherigen Versuchen übernommen.
Die Gabionen reagierten mit großer Verformung des Frontgitters auf die Belastung. Die Distanzhalter wirkten sich positiv auf die Stabilität der Gabione aus. Hohe Zugkräfte in den Distanzhaltern resultierten aus der horizontalen Deformation des Frontgitters und führten zum langsamen Aufbiegen der Distanzhalterhaken, bis diese schließlich versagten.
Eine höhere Steifigkeit der Gabione und somit niedrigere Verformungsraten lassen sich durch die Wahl eines festen, homogenen Füllmaterials mit hohem Reibungswinkel erzielen. Eine Verdichtung des Füllmaterials trägt ebenso dazu bei. Eine hohlraumarme Verfüllung, welche Materialumlagerungen in der Gabione unter Belastung verhindert, ist essentiell für die innere Standsicherheit.
Die Gabionen weisen ein plastisches Verformungsverhalten auf, wodurch ein eindeutiger Bruchpunkt in der Regel nicht vorliegt. Aus diesem Grund wurde für jeden Versuch eine Bruchfestigkeit aufgrund von anhaltender Deformation des Frontgitters und Stauchung der Gabione bzw. eines Aufbiegens der Distanzhalterhaken festgelegt. Für alle Gabionen wurden äquivalente Betondruckfestigkeiten ermittelt.
Die hier untersuchten Gabionen zeichneten sich insgesamt durch niedrige Bruchfestigkeiten aus.
Basierend auf den Erfahrungen aus den durchgeführten Belastungsprüfungen in diesem Forschungsprojekt wurden abschließend Empfehlungen zur Durchführung eines Prüfverfahrens für zentrische Belastungsprüfungen an 3-seitig gelagerten einzelnen Gabionen formuliert.
Dem Bauen mit Beton kommt in Bezug auf die Nachhaltigkeit im Brücken- und Ingenieurbau eine besondere Bedeutung zu. Nationale und internationale Entwicklungen werden erläutert. Die Ergebnisse laufender und geplanter Aktivitäten sollen bei der Weiterentwicklung von Regelwerken berücksichtigt werden. Weitere Ziele sind, die zahlreichen Bestrebungen im Bereich Nachhaltigkeit im Brücken- und Ingenieurbau zu harmonisieren und die Vorstellungen der Baulastträger in die aktuellen Entwicklungen zu integrieren.
Seilverspannte Brücken
(2008)
Der Beitrag behandelt den Entwurf, Besonderheiten der Berechnung und die Bemessung der beiden wichtigsten Bauarten seilverspannter Brücken, der echten Hängebrücke und der Schrägseilbrücke. Bei den Hängebrücken wird zunächst eingegangen auf die geschichtliche Entwicklung, die geprägt ist durch die im Zuge der Verbesserung des Stahls zunehmende Drahtfestigkeit. Anschliessend geht der Bericht ein auf: statisches System, Arten des Ueberbaus, Ausführung der Pylone, Kabel, Hänger und Widerlager. Analog zu den Hängebrücken ist der Beitrag bei den Schrägseilbrücken aufgebaut: geschichtliche Entwicklung, Haupttragwerke, Ueberbau, Pylone und Schrägseile. Hinsichtlich der Besonderheiten der Berechnung werden angesprochen: Anwendung der Theorie II. Ordnung und Betriebsfestigkeitsbeanspruchung. Erläutert wird auch die Montage sowohl der Hängebrücke als auch der Schrägseilbrücke in Wort und Bild.
Es ist zu beobachten, dass trotz einer Abnahme der Zahl der Verletzungen und der Verletzungsschwere der Insassen bei Pkw-Unfällen Halswirbelsäulen (HWS)-Distorsionen, speziell im unteren Geschwindigkeitsbereich häufiger auftreten. Neben anderen Faktoren werden auch veränderte Beschleunigungs- und Verzögerungsimpulse, die im Crashfall auf die Insassen wirken, als möglicherweise ursächlich für die Entstehung von HWS-Distorsionen angesehen. In der vorliegenden Arbeit wird untersucht, welchen Einfluss konstruktive Veränderungen, die durch Versicherungseinstufungstests bedingt werden, auf die Beschleunigungs- und Verzögerungsimpulse im Fahrzeuginnenraum haben. Versuche zum Fußgängerschutz wurden einvernehmlich nicht durchgeführt, da die Fahrzeuge noch nicht konsequent nach Fußgängerschutzkriterien konzipiert werden. Die Untersuchungsmethode lässt sich gliedern in: - Analyse von internationalen Versicherungssystemen und Analyse der aus den Versicherungseinstufungstests resultierenden Veränderungen von Fahrzeugstrukturen; - Durchführung und Analyse von eigenen Aufprallversuchen mit Fahrzeugteilstrukturen und vergleichende Analyse von Vollfahrzeugversuchen der Versicherungswirtschaft; Zusammenführen der getätigten Schritte. Bei der Ersteinstufung eines Pkw in die Vollversicherung dient der Versicherungseinstufungstest des RCAR/AZT (Prüfgeschwindigkeit 15 km/h) zur Bestimmung der Schadenshöhe und damit zur Einstufung in eine Typklasse. In vielen weiteren Staaten dienen dieser oder ähnliche Tests zur Bewertung der Reparaturfreundlichkeit von Pkw. Um bei einem Versicherungseinstufungstest den Schaden möglichst gering zu halten, haben nahezu alle Neufahrzeuge Querträgersysteme mit kostenarm wechselbaren Absorptionselementen, die die Crashenergie gezielt auf kurzem Weg aufnehmen. Durch die neu EG-Richtlinie 2003/102/EG zum Fußgängerschutz müssen zukünftig hinter der Stoßfängeraußenhaut und vor dem massiven Querträger weiche Schäume untergebracht werden. Der Bauraum für Querträger und Energieabsorptionselemente wird dadurch weiter eingeschränkt. Diese Anforderungen veranlassen die Hersteller dazu, die Energieabsorptionselemente steifer zu gestalten, um einen effektiven Energieabbau bei kurzen Stopplängen zu gewährleisten. Durch diese Maßnahmen wird zwar der Insassenschutz bei Frontalaufprallen im Hochgeschwindigkeitsbereich verbessert, es werden aber zugleich höhere Innenraumverzögerungen (schnellerer Anstieg, höhere mittlere Verzögerung) bei Crashs im gesamten Geschwindigkeitsbereich erzeugt. Eine durchgeführte Korrelation zwischen konstruktiven Veränderungen am Fahrzeug und empirisch bestimmten Verzögerungsverläufen zeigte, dass eine günstigere Einstufung in der Fahrzeugvollversicherung nicht zwangsläufig höhere Verzögerungsimpulse für den Innenraum bedingen muss. Bei der Analyse von 172 Crashversuchen des Allianz Zentrums für Technik mit Neufahrzeugen aus den Jahren 1992 bis 2003 zeichnen sich aber statistisch bedeutsame ßnderungen in den Verzögerungsverläufen über die Prüfjahre ab: - Anstieg der Verzögerung wird steiler; - Mittelwert der Verzögerung wird grösser; - Zeitdauer bis zum Auftreten der maximalen Verzögerung wird kürzer; - dynamische Gesamtdeformation wird kleiner. Die steife Auslegung der für den Versicherungseinstufungstest relevanten Crashteile verbessert den Insassenschutz bei Hochgeschwindigkeitscrashs. Wenn es sich aber durch weitere Untersuchungen bestätigt, dass höhere Verzögerungs- beziehungsweise Beschleunigungsimpulse die Auftretenswahrscheinlichkeit von HWS-Verletzungen im Niedriggeschwindigkeitsbereich vergrößern, so sollten gezielt Maßnahmen zur Verringerung dieser Verletzungsrisiken ergriffen werden. Dazu gehören die weitere Optimierung der Sitzstrukturen einschließlich der Kopfstützen und die Entwicklung adaptiver Crashstrukturen, die dem Crashfall angepasste Kraft-Weg-Kennlinien ermöglichen.
Steigende Transportleistungen im Straßenverkehr stehen derzeit stagnierenden Investitionen in die Straßeninfrastruktur gegenüber. Aus der dadurch erhöhten Verkehrsdichte auf Bundesautobahnen folgt zwangsläufig, dass es zunehmend schwerer wird, die für Unterhaltungs- und Instandsetzungsarbeiten erforderlichen Fahrstreifensperrungen vorzunehmen, ohne dabei massive Störungen im Verkehrsablauf hervorzurufen. Daher war das Ziel des vorliegenden Forschungsvorhabens, neue Empfehlungen zur Planung und Organisation von Arbeitsstellen kürzerer Dauer im Hinblick auf eine möglichst weitgehende Stauvermeidung zu geben. Inhalt des ersten Teils ist die Erarbeitung praxisverwertbarer und standardisierter Maßnahmen zur Stauvermeidung für den Regelbetrieb in Autobahnmeistereien. Neben der Auswertung bereits vorhandener Forschungsergebnisse erfolgt auch ein Abgleich mit den internationalen Regelwerken zur Sicherung von Arbeitsstellen. Mit Hilfe von Feldversuchen werden die betrieblichen und verkehrlichen Auswirkungen solcher Maßnahmen erfasst und Hinweise für ihren Einsatz im Alltagsbetrieb gesammelt. In einem zweiten Teil werden die erhobenen Verkehrsdaten aus den Feldversuchen für die Berechnung der Reisezeitverluste an Arbeitsstellen kürzerer Dauer genutzt. Über ein mikroskopisches Simulationsmodell erfolgt eine Erweiterung der Datenbasis, ohne die negativen Konsequenzen von zusätzlichen Feldversuchen in Kauf nehmen zu müssen. Anschließend dient ein makroskopisches Simulationsmodell zur Ermittlung der auftretenden Zeitverluste im Vergleich der Fälle mit und ohne Einsatz von Maßnahmen zur Staureduktion. Der dritte und letzte Teil der Untersuchung führt die Ergebnisse zusammen und nimmt, auf der Grundlage einer Systematik zur objektiven Bewertung von Maßnahmen zur Staureduktion, eine Analyse und Beurteilung vor. Sie ist die Basis der am Schluss gegebenen organisatorischen Detail- und übergeordneten Strategieempfehlungen.