Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen, Reihe B: Brücken- und Ingenieurbau
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Die Zustandsbewertung von Brücken und Ingenieurbauwerken im Bereich der Bundesfernstraßen wird nach DIN 1076 und RI EBW PRÜF durchgeführt und beinhaltet eine detaillierte Erfassung und Bewertung von Einzelschäden und -mängeln und darauf aufbauend eine mehr oder weniger subjektive Zustandsbewertung des Gesamtbauwerks. Bei der Zustandsbewertung des Gesamtbauwerks gehen die wesentlichen Einzelinformationen der Bauwerksprüfungen über Schadensschwere, -ort und -menge verloren. Die bisherige Vorgehensweise ist nicht ausreichend für eine optimierte Erhaltungsplanung im Rahmen eines geplanten Managementsystems der Bauwerkserhaltung (BMS).Im vorliegenden Bericht wird ein neues Verfahren zur detaillierten Zustandsbewertung von Brücken und Ingenieurbauwerken nach einheitlichen Kriterien beschrieben. Dieses Verfahren soll als Grundlage für ein angestrebtes, umfassendes BMS dienen. Unter Berücksichtigung des spezifischen Informationsbedarfes von Bund und Ländern bei der Erhaltungsplanung und der vorgegebenen Rahmenbedingungen wurde ein Verfahren der Zustandsbewertung auf der Basis der bewährten Einzelschadensbewertungen konzipiert. Das dargestellte Verfahren beinhaltet eine automatisierte Zustandsbewertung nach einheitlichen Kriterien für einzelne Bauteilgruppen und das Gesamtbauwerk unter Verwendung der Ergebnisse der Bauwerksprüfungen nach DIN 1076, die im Rahmen des überarbeiteten Programmsystems BW PRÜF (als DOS Version) oder als Teil der Straßeninformationsbank SIB Bauwerke (als Windows Version) erfolgen kann: Zustandsbewertung = f (Schadensbewertung, Schadensumfang, Anzahl der Einzelschäden) Der Einsatz dieses Verfahrens benötigt gegenüber dem bisherigen Verfahren zusätzliche Angaben des Prüfers, die jedoch in ihrem Umfang begrenzt bleiben: Bewertung der Einzelschäden getrennt nach den Kriterien Standsicherheit, Verkehrssicherheit und Dauerhaftigkeit (unter Berücksichtigung eines Bewertungskatalogs). Angabe des geschädigten Bauteils (wie bisher nach RI EBW PRÜF). Angabe der Schadensmenge und des Schadensortes (neu: Umfang des Einzelschadens "klein", "mittel", "groß"). Weiterhin werden im Programmsystem eine Reihe von Vorgaben gemacht, auf die der Prüfer keinen Einfluß hat: Einführung von Bauteilgruppen gemäß ASB, Teilsystem Bauwerksdaten. Rechnerische Zustandsbewertung für Bauteilgruppen unter Berücksichtigung eines vorgegebenen Bewertungsschlüssels. Rechnerische Zustandsbewertung des Gesamtbauwerks unter Berücksichtigung der Zustandsbewertung der Bauteilgruppen. Das Programmsystem gibt als Information die Zustandsnote des Gesamtbauwerks im Prüfbericht aus. Zustandsnoten für Bauteilgruppen werden intern gespeichert. Der vorliegende Schlußbericht enthält neben Erläuterungen zum Verfahren der Zustandsbewertung Definitionen zur Schadens und Zustandsbewertung und eine Parameterstudie zum Einfluß maßgebender Größen.
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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.
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Zur zerstörungsfreien beziehungsweise zerstörungsarmen Untersuchung von Betonbrücken sind derzeit eine Vielzahl unterschiedlicher Verfahren verfügbar. Neue, zum Teil vielversprechende Verfahren befinden sich im Stadium der Entwicklung. Im Rahmen dieses Berichtes werden die derzeit verfügbaren Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung (ZfP) im Hinblick auf eine Anwendbarkeit im Massivbrückenbau vorgestellt. Im Vordergrund stehen dabei Verfahren, die zur Auffindung von unter der Oberfläche verborgenen Fehlstellen geeignet sind. Grundsätzlich kann festgestellt werden, dass die Anwendung zerstörungsfreier Prüfverfahren durch die inhomogene Zusammensetzung von Beton erschwert wird. Auch durch die Notwendigkeit der Untersuchungen am Bauwerk wird die Anwendung von Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung im Massivbrückenbau erschwert. Weiterhin ergeben sich Randbedingungen, wie zum Beispiel die Vermeidung von Eingriffen in den Verkehr und minimale Eingriffe in das Bauwerk durch die Untersuchung. Eine Analyse der derzeitig verfügbaren Verfahren hat gezeigt, dass zur Lösung von Fragestellungen des Massivbrückenbaus die Anwendung der Verfahren Impuls-Echo, Ultraschall, Durchstrahlung, IR-Thermographie sowie Radar erfolgversprechend erscheint. Werden mehrere Verfahren in Kombination eingesetzt, können umfassende Informationen über den Umfang von Schäden gewonnen werden. Hierdurch lässt sich in vielen Fällen ein umfassendes Bild über den Zustand des Bauwerkes gewinnen. Die in diesem Bericht beschriebenen Verfahren und deren konsequente Anwendung werden zukünftig eine effektivere Identifikation von Problempunkten im Betonbrückenbau ermöglichen.
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Da für den Einsatz auf Brücken offenporige Deckschichten nicht geeignet sind, wurden in drei Abschnitten Untersuchungen zum lärmmindernden Verhalten dichter Deckschichten mit unterschiedlicher Oberflächentextur durchgeführt. Zur Vereinfachung der Untersuchungen wurden die Erprobungsstrecken nicht auf Brücken angelegt, sondern in zwei Abschnitten im Rahmen von Erneuerungsmaßnahmen im Zuge von Straßen und in einem Abschnitt durch Untersuchung verschiedener Varianten in bereits länger liegenden Strecken. Als Mischgut wurde Splittmastixasphalt 0/5 und Asphaltbeton 0/5 nach ZTVbit-StB in Dicken von 3 bis 4 cm verwendet mit unterschiedlichen Abstreuungen der Körnungen 1/3 mm bis 2/5 mm, in einem Fall wurde ein Dünnschichtbelag aus SMA 0/8 und AB 0/5 mit unterschiedlicher Abstreuung untersucht. Weiterhin wurden auf einer Deckschicht aus AB 0/11 drei unterschiedliche Oberflächenbehandlungen in die Untersuchungen einbezogen, PmB-Emulsion beziehungsweise Epoxidharz mit Abstreuungen. Die relative Abminderung der Lärmpegel gegenüber Referenzstrecken erreichte Werte bis etwa 3 dB(A), die Einbindung der Abstreusplitte in die Oberfläche des SMA 0/5- beziehungsweise AB 0/5-Mischgutes war aber mangelhaft und nicht von Dauer. Dabei verhielt sich die Chromerzschlacke feiner Körnung besser als andere Materialien. Die Kornfraktion 2/5 mm war bereits als zu grob einzustufen. Bei den Oberflächenbehandlungen ergaben sich deutlich bessere Einbindungen der Abstreumaterialien, aber bei der Behandlung mit Epoxidharz zeigte die AB 0/11-Deckschicht deutliche Risse. Das bisher durchgeführte Programm kann noch kein befriedigendes Ergebnis für den Einsatz dichter Beläge mit einer dauerhaft wirksamen Lärmminderung aufzeigen. Es werden aber auf der Grundlage der Einzelergebnisse Hinweise für weitere Untersuchungen zur Optimierung verschiedener Varianten gegeben, die bereits in ein entsprechendes neues Programm eingeflossen sind.
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Gegenwärtig wird in den neuen Bundesländern der vorhandene Straßenbrückenbestand einer umfassenden Tragfähigkeitsbewertung unter Erfassung und Berücksichtigung des aktuellen Bau- und Erhaltungszustandes unterzogen.Im Zuge der Nachrechnung kann bei der Einstufung älterer Plattentragwerke in Lastklassen nach DIN 1072 die Nebentragrichtung bei gleichzeitig vorhandenen Tragreserven der Hauptspannrichtung tragfähigkeitsbestimmend werden. Dies trifft vor allem für solche Bauwerke zu, deren Bemessung auf die Betrachtung eines "Meterstreifens" zurückgeführt wurde, und die aus heutiger Sicht oftmals eine zu geringe Querbewehrung erhielten. Mit einem veränderten Rechenmodell zur Schnittgrößenbestimmung gelingt es, vorhandene Bauwerksreserven zu erschließen. Dazu werden dem Benutzer Hilfsmittel in Form von Schnittgrößentafeln sowie Erläuterungen und Hinweise zur Anwendung des Berechnungsverfahrens zur Verfügung gestellt. Ein Beispiel veranschaulicht die durchzuführenden Bearbeitungsschritte. Die Anwendung der aufgestellten Berechnungshilfsmittel darf auf andere plattenartige Bauweisen, wie nicht randverstärkte Balkenreihen oder Platten mit Stahlträger in Beton, ausgedehnt werden, wenn deren Steifigkeitsverteilungen den getroffenen Festlegungen näherungsweise entsprechen. Das beschriebene Berechnungsmodell erfasst die tatsächliche Tragwirkung der zu untersuchenden Bauwerke mit schwacher Querbewehrung realitätsnäher und unterstützt so eine unter Beachtung des Bau- und Erhaltungszustandes zutreffendere Tragfähigkeitsbewertung bei Einhaltung des vorgeschriebenen Sicherheitsniveaus.
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In den neuen Bundesländern sind Fertigteilbrücken weit verbreitet. Aufgetretene Mängel, insbesondere bedingt durch ein nicht ausreichendes Abdichtungssystem, erfordern Instandsetzungsmaßnahmen. Dazu sind Erkenntnisse über das Verformungsverhalten notwendig. Im vorliegenden Projekt wurde an repräsentativen Bauwerken das Verformungsverhalten unter - kurzzeitigen Einwirkungen, insbesondere Verkehrslasten und - langzeitigen Einwirkungen, insbesondere Temperaturbelastung untersucht. Als Ergebnis ist zusammenzufassen: - Die mit höherer Frequenz auftretenden Verformungen unter Kurzzeiteinwirkungen verhalten sich erheblich günstiger als in der Planung vorgesehen. Sie erreichen daher in bezug auf die Gesamtverformung nur eine untergeordnete Größe. - Die mit geringer Frequenz auftretenden Verformungen unter Langzeiteinwirkungen stellen sich bei der meist vorhandenen durchgehenden Lagerung auf Mörtelleisten und Zwischenstützen als Rahmen mit Riegel/Stiel- oder Riegel/Scheibensystemen am Widerlager viel ungünstiger als geplant ein, da sich die Gesamtverformungen im Gegensatz zu bisherigen Annahmen an einem Widerlager einstellen und sich somit die Dehnlänge über die gesamte Bauwerkslänge erstreckt. Die Verschiebungen an den Innenstützen sind unbedeutend. - Bei Anordnung einer beweglichen Lagerlinie kann davon ausgegangen werden, dass sich die Gesamtverformungen planmäßig am Verformungslager einstellen. Die Größe der maßgebenden Verformungen unter Langzeiteinwirkungen ist direkt abhängig von den Bauwerksabmessungen (Stützweite, Reihung der Felder, Bauwerkslänge, Lagerungsart) und ist über die Dehnlänge bauwerksspezifisch zu berücksichtigen.
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Mit der Umsetzung der DIN EN 1317 in den RPS 2009 sind die Anforderungen an Rückhaltesysteme auch auf Brückenbauwerken deutlich gestiegen. Systeme mit verbessertem Rückhaltevermögen haben Bauwerksbeanspruchungen zur Folge, welche die in der Vergangenheit üblichen Lastansätze für den Lastfall Fahrzeuganprall teilweise deutlich übersteigen. Dadurch ergeben sich erhöhte Anforderungen an die konstruktive Ausbildung der Kappen, der Kappenanschlüsse und der Kragarme. Hier setzt das Forschungsvorhaben an, indem unter Zugrundelegung der gestiegenen Beanspruchungen und begleitet von numerischen Untersuchungen baupraktikable Vorgehensweisen für Entwurf, Planung, Berechnung und Bemessung geeigneter Kappen-Kragarmkonstruktionen im Allgemeinen und für die Nachrüstung und Ertüchtigung von Bestandsbauwerken im Besonderen entwickelt und beschrieben werden. Gegenstand des Forschungsvorhabens sind Brücken mit Kragarmen in Massivbauweise. Zunächst werden übliche Ausführungsformen im Kappen-Kragarmbereich und die derzeit gültigen normativen Vorgaben zum Lastansatz bei Fahrzeuganprall beschrieben und diskutiert. Darauf aufbauend wird ein Lösungsvorschlag für die Kappenverankerung bei der Instandsetzung von Bestandsbauwerken entwickelt. Zur Optimierung der Kragarmbemessung werden numerische Berechnungen durchgeführt, die auf eine maximale Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Systemreserven abzielen. Insbesondere wird dabei die lastverteilende Wirkung der üblicherweise als nichttragend angesetzten Brückenkappen berücksichtigt. Darüber hinaus werden nicht - lineare Verfahren unter Berücksichtigung der Rissbildung im Beton angewendet, um Lastumlagerungseffekte realistisch abzubilden. Auf der Grundlage von Anprallversuchen an Rückhaltesystemen, die im Hinblick auf das Lastabtragungsverhalten im Kappen-Kragarm-Bereich ausgewertet werden, wird ein alternativer Lastansatz für die Anprallsituation entwickelt. Eine Bewertung dieses Lastansatzes erfolgt anhand numerischer Untersuchungen zur Kragarmbemessung. Darauf aufbauend wird eine Bemessungshilfe für die Kragarmbemessung erarbeitet, und es werden Maßnahmen zur Kragarmverstärkung unter besonderer Berücksichtigung des alternativen Lastansatzes entwickelt.
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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.
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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.
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Einfluss der veränderten Verkehrsführung bei Ertüchtigungsmaßnahmen auf die Bauwerksbeanspruchungen
(2013)
Im Rahmen von mehreren vorhergehenden Forschungsprojekten wurden vom Forschungsnehmer Untersuchungen zu den Beanspruchungen von Brückenbauwerken infolge des Straßenverkehrs durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen führten zu den neuen Verkehrslastannahmen für Straßenbrücken im Eurocode 1, Teil 2 (in Verbindung mit dem deutschen nationalen Anhang) und den Ziellastniveaus in der Nachrechnungsrichtlinie. Im Ergebnis von Nachrechnungen müssen die Bestandsbrücken ertüchtigt oder neu gebaut werden. Ertüchtigung von Autobahnbrücken heißt Bauen unter Verkehr. Auf den Bestandsbrücken ist eine veränderte Verkehrsführung erforderlich. Mit einer veränderten Verkehrsführung geht aber unter Umständen auch eine Veränderung der Beanspruchungen der Brückenbauwerke infolge dieser "Umnutzung" einher. Ziel des vorliegenden Forschungsprojektes ist es, den Einfluss der veränderten Verkehrsführung bei Ertüchtigungsmaßnahmen auf die Bauwerksbeanspruchungen zu analysieren. Unter Anwendung einer in den vorhergehenden Projekten entwickelten Vorgehensweise werden Simulationsrechnungen durchgeführt, in denen verschiedenen Varianten von Spuranordnungen auf Überbauquerschnitten betrachtet werden. Des Weiteren werden differenzierte Verkehrscharakteristiken, also verschiedene Verkehrsstärken und Verkehrszusammensetzungen, betrachtet. Grundsätzlich werden hierbei Beanspruchungen, also zum Beispiel resultierende Biegemomente oder Auflagerkräfte, betrachtet. Aus diesem Grund müssen die Berechnungen für definierte Tragsysteme durchgeführt werden. Im vorliegenden Projekt wurden hierzu zwei reale Brückenbauwerke betrachtet, die sich im Zuge von Autobahnen in Nordrhein-Westfalen befinden. Erweitert werden die Betrachtungen auf ein zusätzliches "virtuelles" Tragsystem, um ein gewisses Spektrum von Stützweiten und Querschnittsbreiten analysieren zu können. Grundsätzlich zeigt sich im Ergebnis der Untersuchungen, dass Beanspruchungen aus aktuellem Verkehr bei normaler Verkehrsführung durch das Lastmodell LM1 des DIN-Fachberichtes 101 abgedeckt werden. Für Beanspruchungen aus zukünftigem Verkehr ist das neue Lastmodell LM1 des Eurocodes erforderlich. Im Rahmen von Baumaßnahmen wird im Allgemeinen eine 4+0-Verkehrsführung eingerichtet. Hierbei werden bei zweiteiligen Überbauquerschnitten vier Fahrstreifen über einen Querschnitt geleitet. Dies geht einher mit einer Verengung der Fahrspuren. In solchen Fällen ist davon auszugehen, dass es nicht möglich ist, dass Lkw-Überholverkehr stattfinden kann. Dies führt zu einer wesentlichen Verringerung der Beanspruchungen von Brückenbauwerken, da auch in Stausituationen in den zwei Richtungsfahrbahnen keine Lkw-Fahrzeuge nebeneinander stehen können. Für Verkehrszusammensetzungen entsprechend der aus der Nachrechnungsrichtlinie bekannten Verkehrsart "Große Entfernung" (50 % Sattelzugfahrzeuge) ergibt sich daher eine Abdeckung der Beanspruchungen aus Straßenverkehr durch das Lastmodell BK60 der DIN 1072. Für Verkehrszusammensetzungen analog der Verkehrsart "Mittlere Entfernung" reicht das Lastmodell BK30/30 zu Abdeckung aus. Weitere Differenzierungen hinsichtlich der Verkehrsstärke führen hier zu keinen wesentlichen Änderungen der getroffenen Aussagen.