620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Die Nationale Nachhaltigkeitsstrategie der Bundesregierung sowie die Revision der Bauproduktenrichtlinie/Bauproduktenverordnung fordern eine verstärkte Berücksichtigung von Aspekten zur Nachhaltigkeit und zur Klimarelevanz. Mit Einführung des überarbeiteten Leitfadens Nachhaltiges Bauen durch das BMVI trat für den Neubau von Bundesbauten die verbindliche Anwendung des Bewertungssystems Nachhaltiges Bauen (BNB) in Kraft. In diesem Zusammenhang sollte auf Wunsch des BMVI überprüft werden ob das Bewertungsverfahren aus dem Bereich des Hochbaus auf Straßeninfrastrukturen übertragen werden kann. Zur Entwicklung eines solchen Bewertungssystems wurde die Arbeitsgruppe Nachhaltigkeitsbewertung der Straßeninfrastrukturen unter dem Dach des BMVI und unter Leitung der BASt eingerichtet. Das bereitgestellte System umfasst verschiedene Module für die entsprechenden Phasen von der Planung und Ausschreibung bis zur Abnahme sowie für die verschiedenen Elemente von Straßeninfrastrukturen. Die Module wurden für den Variantenvergleich auf Objektebene entwickelt. Für Straßeninfrastrukturen wird hiermit eine gleichwertige Berücksichtigung ökologischer, ökonomischer sowie sozialer Aspekte für den Lebenszyklus der Bauwerke ermöglicht. Eine Übertragung des BNB-Verfahrens auf Straßeninfrastrukturen ist möglich, lediglich Randbedingungen müssen angepasst werden. Die Konzeption stellt einen Forschungsansatz dar. Sollte eine Einführung eines Nachhaltigkeitsbewertungsverfahrens für Straßeninfrastrukturen durch das BMVI gewünscht werden sind weitere Pilotstudien erforderlich.
Mit der Einführung der "Richtlinien für die Anlage von Landstraßen" (RAL, 2012) soll in Deutschland ein weiterer Beitrag zur Erhöhung der Verkehrssicherheit geleistet werden. Durch standardisierte, wieder erkennbare und voneinander unterscheidbare Typen von Landstraßen wird das Ziel verfolgt, dem Kraftfahrer eine für die Netzfunktion einer Landstraße angemessene Fahrweise zu verdeutlichen. Auf den schmalen Straßen mit nahräumiger Verbindungsfunktion sind dafür statt der bisher gebräuchlichen Fahrbahnbegrenzungen (Zeichen 295, StVO) und der Leitlinie in Fahrbahnmitte (Zeichen 340, StVO) seitlich vom Rand der befestigten Fläche abgesetzte Leitlinien vorgesehen, die im Begegnungsfall bei Bedarf überfahren werden können. Die optisch verengte Fläche zwischen diesen Leitlinien und das Fehlen einer Leitlinie in Fahrbahnmitte sollen dem Kraftfahrer signalisieren, dass im Begegnungsfall erhöhte Aufmerksamkeit geboten ist. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, Empfehlungen zur Querschnittsgestaltung und zur zweckmäßigen Art der Markierung für derartige Nahbereichsstraßen zu geben. Die Untersuchungsmethodik umfasst sowohl Untersuchungen zum Fahrverhalten im Fahrsimulator als auch auf Messstrecken in Nordrhein-Westfalen und in Sachsen sowie Untersuchungen zum Gefährdungspotenzial des Radverkehrs als auch Vorher-/Nachher-Unfalluntersuchungen. Die Linienführung der ausgewählten Messstrecken wurde für den Vorher-/Nachher-Vergleich des Fahrverhaltens im Fahrsimulator nachgebildet. Dabei wurden verschiedene Variationen aus Querschnittsbreite, Fahrstreifenaufteilung und Markierungsformen simuliert, um eine Vorzugsvariante für die Umsetzung auf den Messstrecken zu ermitteln. Neben der Auswertung des Fahrverhaltens der Probanden wurden diese zur Akzeptanz der einzelnen Varianten befragt. Ergebnis der Untersuchungen im Fahrsimulator ist eine generelle Präferenz der Probanden zu seitlichen Leitlinien, die einen Meter vom Rand der befestigten Fläche abgesetzt sind. Diese bewirken beim Befahren ohne Gegenverkehr einen höheren Abstand zum befestigten Fahrbahnrand. Unterbrochene Leitlinien zeigen darüber hinaus eine geschwindigkeitsreduzierende Wirkung, die bei einem Strich-Lücke-Verhältnis von 1:1 am größten ist. Ausgehend von diesen Ergebnissen wurden in Abhängigkeit von den befestigten Breiten auf den Messstrecken verschiedene Varianten markiert und deren Wirkung durch einen Vergleich des Spur- und Geschwindigkeitsverhaltens vor und nach Umsetzung der Maßnahme überprüft. Die Untersuchung zum Spurverhalten zeigte, dass die Kraftfahrer ohne Gegenverkehr einen größeren Abstand zum befestigten Rand halten. Die Messungen zeigen ferner, dass die Kraftfahrer rechtzeitig vor der Begegnung mit anderen Fahrzeugen die seitlichen Leitlinien überfahren; Konflikte mit dem Gegenverkehr wurden dabei nicht beobachtet. Bei vorhandenem Radverkehr konnten ebenfalls keine Konflikte festgestellt werden. Die Kraftfahrer halten genügend Abstand während des Überholvorganges zum Radfahrer ein. Die Erwartung, dass die neue Art der Markierung zu geringeren Fahrgeschwindigkeiten führen könnte, hat sich abweichend von Ergebnissen anderer Forschungsarbeiten bei dieser Untersuchung nicht bestätigt. Es wurden im Vergleich zum Vorher-Zustand annähernd identische Geschwindigkeiten gemessen. Dass sich die Geschwindigkeiten kaum verändern, spiegelt sich letztendlich auch im Unfallgeschehen wider. Im Rahmen des Vorher-/ Nachher-Unfallvergleiches konnten keine signifikanten maßnahmebedingten Änderungen des Unfallgeschehens festgestellt werden. Zusammenfassend können aufgrund der vom Kraftfahrer bei der Alleinfahrt gewählten größeren Abstände zum Rand der befestigten Fläche und der bei Gegenverkehr rechtzeitig eingeleiteten Ausweichmanöver die vom befestigten Rand abgesetzten "überfahrbaren" Leitlinien empfohlen werden.
Die schnell fortschreitende Entwicklung der Sensortechnologie und der Aktuatorik bietet Ansätze für neuartige Rückhaltesysteme und kann somit den Schutz des Insassen bei Unfällen erheblich verbessern. Kommende Generationen adaptiver Rückhaltesysteme werden eine dosierte Aktivierung der Schutzwirkung (z.B. mehrstufige Airbags oder Gurtstraffer) abhängig von der Unfallschwere und der Fahrzeugbesetzung erlauben. Um solche Systeme voll auszunutzen, werden Sensoren entwickelt, die die Schwere eines Unfalls in weitaus höherer Auflösung als bisher erkennen können und somit das Einleiten adaptiver Maßnahmen ermöglichen. Diese Systeme werden unter dem Begriff der intelligenten oder adaptiven Rückhaltesysteme zusammengefasst. Ziel des Projektes "Intelligente Rückhaltesysteme" ist es, die möglichen Verbesserungen der passiven Sicherheit durch die neuen Technologien zu analysieren und darzustellen. Außerdem sind die Auswirkungen auf die gesetzlichen Regelungen zu untersuchen, um so mögliche zusätzliche Schutzpotentiale schnell umzusetzen und eventuelle Risiken zu vermeiden. In einer umfangreichen Literaturrecherche wurde zum einen das Unfallgeschehen analysiert. Ergänzend wurden die Schwerpunkte des Pkw-Unfallgeschehens durch eine Auswertung von Unfalldaten der GIDAS untersucht und dargestellt. Zum anderen wurde der Stand der Technik heutiger und zukünftiger Rückhaltesysteme aufgearbeitet und systematisiert. Dabei wurden die bestehenden und zukünftigen Systeme in ihrer Funktionsweise analysiert und durch ein 3-Ebenen-Modell charakterisiert. Mit Hilfe des Abgleichs der Schwerpunkte des realen Unfallgeschehens mit den RHS und der bestehenden Gesetzgebung wurden Potenziale und Wirkbereiche möglicher Maßnahmen skizziert. Auf der Basis einer Expertenbefragung konnten der Entwicklungsstand der iRHS aufgezeigt und Vorschläge zur Erweiterung der bestehenden Sicherheitsgesetzgebung gemacht werden.
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.
An insgesamt zehn willkürlich ausgewählten Baustellen wurden Gussasphaltproben für Kontrollprüfungen entnommen. Gleichzeitig wurden unmittelbar auf den Baustellen Probekörper hergestellt, deren Mischgut nicht - wie bei Kontrollprüfungen üblich - ein zweites Mal erhitzt werden musste. Die Untersuchungen ergaben, dass keine signifikanten Unterschiede bei den statischen und dynamischen Eindringtiefen vorliegen, wenn die Gussasphalttemperaturen bei der Herstellung der Proben 210 -°C, 230 -°C oder 250 -°C betragen haben. Die bei einer Gussasphalttemperatur von 230 -°C hergestellten Proben weisen keine Unterschiede in ihrer Verformungsbeständigkeit auf, wenn die Proben bis zur Prüfung 24, 48 oder 96 Stunden gelagert waren. Das Ergebnis der Eindringtiefen (statisch und dynamisch) unterscheidet sich, ob die Proben unmittelbar auf der Baustelle hergestellt werden oder - wie bei den Kontrollprüfungen - nach nochmaligem Erhitzen der Gussasphaltmassen im Labor. Der Gussasphalt auf der Baustelle in Probenformen eingefüllt ist eindruckempfindlicher. Die Ergebnisse differenzieren um einen konstanten Faktor von 1,3 - 1,5. Insoweit kann das bisherige Verfahren bei Kontrollprüfungen NT-Gussasphalte in Schalen abgefüllt und abgekühlt zur Herstellung von Probewürfeln für ETstat oder Zylinder für ETdyn ins Labor zur bringen beibehalten werden. Man müsste nur die Grenzwerte für die Beurteilung der NT-Gussasphalte entsprechend festlegen. Das bisherige Verfahren, die Proben nicht direkt auf der Baustelle herzustellen, hat den großen Vorteil, dass keine Stromaggregate und Trockenschränke mitgeführt werden müssen, die in schwierigem Gelände unter freiem Himmel die Herstellung der Proben behindern und zu größeren Streuungen der Messergebnisse führen können. Die Messergebnisse der statischen Eindringtiefe nach 30 Minuten und der dynamischen Eindringtiefe nach 2500 Lastwechsel liegen auf derselben Höhe, wenn die Eindringtiefen sehr niedrig um und unter 1 mm liegen. Zwischen 1 und 2 mm statischer Eindringtiefe sind die dynamischen Eindringtiefen um das 2-3-fache höher. In Übereinstimmung mit DIN EN 13108-20 ist bei einer statischen Eindringtiefe unter 2,5 mm der Wert der dynamischen Eindringtiefe zu ermitteln, da eine deutlichere Differenzierung der Ergebnisse erreicht und die Verformungsbeständigkeit des Gussasphaltes in der Wärme damit besser angesprochen werden kann. Insoweit sind die national geltenden Vorschriften z.B. ZTV Asphalt-StB 07 und die TL Asphalt-StB 07 an die DIN EN anzupassen.
Die Griffigkeit ist die maßgebende Größe für die Übertragung der Längs- als auch der Seitenkräfte von Reifen auf die Straßenoberfläche und hat somit einen erheblichen Anteil an der Straßensicherheit. In Deutschland erfolgt die Erfassung der Straßengriffigkeit im Rahmen von Bauverträgen sowie der Zustandserfassung und -bewertung (ZEB) mit dem Seitenkraftmessverfahren (SKM). Mit der Veröffentlichung der TP Griff-StB (SKM) durch die FGSV am 29.4.2008 ist derzeit das aktuellste Dokument für Griffigkeitsmessungen im Rahmen von Bauverträgen sowie der Zustandserfassung und -bewertung von Bundesfernstraßen (ZEB) mit dem Seitenkraftmessverfahren herausgegeben worden. Dieses Dokument löst die TP Griff-StB (SCRIM) mit ihren drei Allgemeinen Rundschreiben ab und fasst die Ergebnisse aus verschiedenen Forschungsprojekten und Erfahrungen aus den regelmäßigen Messungen der Messgerätebetreiber zusammen.
Die Griffigkeit ist die maßgebende Größe für die Übertragung der Langs- als auch der Seitenkräfte von Reifen auf die Straßenoberfläche und hat somit einen erheblichen Anteil an der Straßensicherheit. In Deutschland erfolgt die Erfassung der Straßengriffigkeit im Rahmen von Bauverträgen sowie der Zustandserfassung und -bewertung (ZEB) mit dem Seitenkraftmessverfahren (SKM). Mit der Veröffentlichung der Technischen Prüfvorschriften für Griffigkeitsmessungen im Straßenbau (TP Griff-StB) (SKM) durch die Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (FGSV) am 29.04.2008 ist derzeit das aktuellste Dokument für Griffigkeitsmessungen im Rahmen von Bauverträgen sowie der Zustandserfassung und -bewertung von Bundesfernstraßen mit dem Seitenkraftmessverfahren (SKM) herausgegeben worden. Dieses Dokument löst die TP Griff-StB (SCRIM) mit ihren drei Allgemeinen Rundschreiben ab und fasst die Ergebnisse aus verschiedenen Forschungsprojekten und Erfahrungen aus den regelmäßigen Messungen der Messgerätebetreiber zusammen.
Grundlagen zur Kommunikation zwischen automatisierten Kraftfahrzeugen und Verkehrsteilnehmern
(2021)
Der heutige Straßenverkehr ist geprägt durch eine ständige Interaktion zwischen unterschiedlichen Verkehrsteilnehmern, um in geregelten oder ungeregelten Situationen einen reibungslosen Verkehrsablauf zu gewährleisten. Durch einen steigenden Anteil an automatisierten Fahrzeugen und Fahrfunktionen im Verkehrsgeschehen werden zwangsläufig auch die Interaktionen zwischen nicht-automatisierten Verkehrsteilnehmern und automatisierten Verkehrsteilnehmern unterschiedlicher Automatisierungsstufen sukzessive zunehmen.
Der vorliegende Forschungsbericht widmet sich der Frage, wie sich die heutige Kommunikation zwischen automatisierten und nichtautomatisierten Verkehrsteilnehmern unter Berücksichtigung einer zunehmenden Fahrzeugautomatisierung verändern wird und welche möglichen Folgen daraus auf die Verkehrssicherheit und Verkehrseffizienz erwartet werden müssen.
Im Mittelpunkt des Projekts stand eine Analyse, welche Kommunikationsmodelle zur Beschreibung der Interaktionen zwischen automatisierten und nichtautomatisierten Verkehrsteilnehmern geeignet sind. Dabei zeigte sich das Sender-Empfänger-Modell von SHANNON & WEAVER (1949) als geeignet, weil es den im Straßenverkehr üblicherweise kurzzeitigen und gerichteten Kommunikationsprozess durch seine klaren Elemente einfach beschreibbar macht. Zudem erscheint zielführend, die Perspektive und Kommunikationsmöglichkeit des aktiven PkwFahrers bzw. die des automatisiert fahrenden Fahrzeugs einzunehmen.
Dem aktiven Fahrer eines herkömmlichen Pkw steht zur Informationsübermittlung an seine Umwelt eine Vielzahl von Kommunikationsmitteln zur Verfügung, da er sowohl auf die technischen Möglichkeiten seines Fahrzeugs als auch auf seine menschliche Zeichengebung zurückgreifen kann. Diese wurden nach der Modalität, der Formalität, der Intentionalität und der Selektivität klassifiziert.
Diese Klassifizierung erfolgte in einer umfangreichen Sammlung an Interaktionsszenarien, in denen (mindestens) zwei Verkehrsteilnehmer miteinander interagieren. Zudem wurde eine Relevanzbewertung der verschiedenen Interaktionsszenarien hinsichtlich ihres Einflusses auf die Verkehrssicherheit, den Verkehrsfluss und das Verkehrsklima durchgeführt. Aus theoretischen Überlegungen und empirischen Studien wurden mögliche Kriterien abgeleitet, mit deren Hilfe eine qualitative Bewertung der Kommunikationsmittel in Abhängigkeit von der vorliegenden Verkehrssituation und der zu übermittelnden Botschaft durchgeführt werden konnte.
Die Interaktionsszenarien wurden anschließend dahingehend geprüft, ob die bislang genutzten Kommunikationsmittel eines herkömmlichen Pkw auch durch einen automatisiert fahrenden Pkw im Mischverkehr angewendet werden können. Dabei traten insbesondere diejenigen Szenarien in den Mittelpunkt, die vom Regelfall nach StVO abweichen und die im heutigen Verkehrsgeschehen nicht durch geeignete technologiebasierte Kommunikationsmittel verhandelt werden können. Im Rahmen eines Experten-Workshops, u. a. mit Vertretern aus den Bereichen der Arbeits-, Organisations- und Verkehrspsychologie mit Bezug zum automatisierten Fahren, wurde zudem eine Diskussion aus wissenschaftlicher Sicht angestoßen, welche neuen Kommunikationsmittel als Folge einer zunehmenden Fahrzeugautomatisierung möglich bzw. nötig sind.
Die Konsolidierung der wissenschaftlichen Beiträge aus dem Workshop sowie deren Gegenüberstellung mit den eigenen Ergebnissen bildeten den Abschluss der Forschungsarbeit. Auf Basis dessen konnten Handlungsempfehlungen für künftige Forschungsfragen und Studienansätze für die Gestaltung und Evaluierung neuer Kommunikationsformen aus wissenschaftlicher Perspektive abgeleitet werden, die bei der weiteren Forschung zu Fragen der Fahrzeugautomatisierung Eingang finden sollen.
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.
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.