Ziel des Forschungsvorhabens war es, die bestehenden Dispositionsmodelle (2019) entlang des Bundesfernstraßennetzes in ausgewählten Fokusgebieten zu validieren, weiterzuentwickeln sowie unter Einbeziehung explorativer Wirkungsszenarien einen Bezug zum Klimawandel herzustellen. In fünf Regionen wurden Standsicherheitsberechnungen der potentiell rutschungsgefährdeten Hänge und Böschungen an ausgewählten Profilschnitten in konzeptionellen Modellen anhand kinematischer Analysen sowie mittels Grenzgleichgewichtsmethoden und numerischer Modellierung durchgeführt. Eine grundsätzliche Verbesserung und Weiterentwicklung der Massenbewegungskarten auf Basis der bestehenden Methodik konnte nach aktuellem Kenntnisstand und verfügbarer Datengrundlage insbesondere durch die Erhöhung der Auflösung des digitalen Höhenmodells, die Erhöhung der Maßstäbe geologischer Karten sowie der Verwendung alternativer Algorithmen erreicht werden. Die flächendeckende Erstellung der Hinweiskarten für Ansatz 1A und 1B für das gesamte Bundesgebiet ermöglicht neue Anwendungsfelder. Auf Basis aktueller Klimamodelle und deren abgeleiteten Änderungssignalen konnten für die nahe (2030-2061) und ferne (2071-2100) Zukunft Wirkungsszenarien erstellt werden, in denen durch die Verbindung vom Faktor Klima sowie den berechneten Dispositionsmodellen (Ansätze 1A und 1B) mögliche Effekte auf das Bundesfernstraßennetz abgeschätzt wurden. Auf Grundlage dieser Ergebnisse kann dabei zukünftig von einer Erhöhung starker Niederschläge und somit einhergehend einem stärkeren Schadenspotential, beginnend in den Mittelgebirgsregionen, ausgegangen werden. Speziell in Gebieten mit großen und verzweigten Rinnensystemen können sich diese prognostizierten Änderungen stärker auswirken als in den übrigen Regionen.

In diesem Projekt „FE 04.0303/2016/ORB“ wurden Methoden für die Dimensionierung und Analyse von flexiblen Straßenbefestigungen entwickelt und implementiert. Primär wurde das Programm flexCALC erstellt, das die rechnerische Dimensionierung (gemäß RDO Asphalt) und die Substanzbewertung (gemäß RSO Asphalt) auf Basis eines Finite-Elemente-Rechenkerns in einer einheitlichen Softwareplattform zusammenführt. Des Weiteren steht in dem modular strukturierten Programm ein Rechenkern auf Basis der Mehrschichtentheorie zur Verfügung. Dieser zeichnet sich durch seine enorme Geschwindigkeit aus, unterliegt jedoch verschiedenen geometrischen und materiellen Einschränkungen. Der durch der Fourier-Reihen unterstützte Rechenkern auf Basis Finite-Elemente-Methode ermöglicht gegenüber der Mehrschichtentheorie die Berücksichtigung anderer Geometrien und Randbedingungen. Beide Methoden gelten für linear-elastische Statik. Nichtlineare Materialmodelle und dynamische Effekte werden aufgrund ihrer Komplexität in der Dimensionierungspraxis bislang nicht berücksichtigt. Detaillierte Analysen erfordern allerdings deren Berücksichtigung, da die Ergebnisse unter idealisierten Annahmen stark von der Realität abweichen können. Daher wurde ein Finite-Elemente-Rechenkern mit rein polynomialen Ansatzfunktionen implementiert. Zur Auswahl stehen verschiedene Modelle für ungebundene, granulare Materialien und ein etabliertes Modell für viskoelastische Materialien. Zur Modellierung des Schichtenverbundes wurden verschiedene Konstitutivgesetze und die dazugehörige Elementformulierung implementiert. Außerdem ist ein expliziter Löser implementiert. Damit steht ein Werkzeugkasten bereit, der die Weiterentwicklung der Dimensionierung unterstützen wird. Besonderes Augenmerk wurde auf eine ausführliche Dokumentation sowie die Möglichkeit zur einfachen Weiterentwicklung und Wartbarkeit gelegt. Durch aufwändige Verifikationen wurde die Korrektheit der implementierten Algorithmen sichergestellt.

Die Filterregeln für Geokunststoffe werden in dem Merkblatt über die Anwendung von Geokunstoffen im Erdbau des Straßenbaus (M Geok E, 2016) durch Einteilung der Anwendung in drei hydraulische Sicherheitsfälle unterschieden. Die drei hydraulischen Sicherheitsfälle werden durch die Angabe von Bereichen der zulässigen charakteristischen Öffnungsweite O90 beschrieben. Zum Zeitpunkt der Erarbeitung des M Geok E wurde die Obergrenze der Öffnungsweite als technisch sinnvoll angesehen, während die Untergrenze ein Zugeständnis an die verfügbaren Produkte war. Die im Rahmen des Forschungsprojekts durchgeführte Marktstudie zeigt, dass zwischenzeitlich fast ausschließlich Produkte mit Öffnungsweiten zwischen 0,06 mm und 0,08 mm, also an der unteren Grenze, am Markt verfügbar sind. Beim Einsatz dieser Produkte für geotextile Filter können in der Praxis Durchlässigkeitsprobleme auftreten. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden zunächst die national und international für die Bemessung von geotextilen Filtern gebräuchlichen Filterregeln zusammengestellt. In welchen Fällen in der Praxis aus der Anwendung der gängigen Filterregeln bei der Bemessung geotextiler Filter derzeit tatsächlich systematische Probleme im Hinblick auf die Kolmationsgefahr erwachsen, sollte durch eine bundesweite Erhebung zum Einsatz von Trenn- und Filterkunststoffen im Erdbau des Straßenbaus bei den zuständigen Fachbehörden eruiert werden. Aufgrund der geringen Anzahl an Rückmeldungen konnte anhand der Erhebung nur eine Tendenz ermittelt werden. Es werden hauptsächlich geotextile Filter mit einer Öffnungsweite an der unteren Grenze mit geringen Filterdicken eingesetzt. Ein Filterversagen war nur in einem Fall bekannt. Das Hauptaugenmerk des Forschungsprojekts lag in der Überprüfung der bestehenden Filterkriterien des M Geok E durch experimentelle Untersuchungen unter Laborbedingungen in Form von Versuchen am System Boden/Geokunststoff. Dazu wurden sowohl erosions- und suffosionsgefährdete Böden (SW und UL nach DIN 18196), als auch solche Böden, die als verhältnismäßig wenig suffosionsempfindlich gelten (SE und ST* nach DIN 18196), ausgewählt. Die Geotextilien wurden anhand der Marktstudie gewählt. Zum Einsatz kamen insgesamt sieben Geotextilien mit Öffnungsweiten an der oberen und unteren Grenze (mit Filterdicken von 1 mm/ 3 mm). Die Öffnungsweite wurde im Rahmen des Forschungsprojekts nach dem Verfahren gemäß DIN EN ISO 12956 nachgewiesen. Als Systemversuche wurden Langzeitversuche, zyklische Versuche und Versuche mit Suspensionsbeaufschlagung durchgeführt. Dazu wurde ein Versuchsstand, ähnlich einem GR-Test (Gradient Ratio Test), entwickelt. Bei den Langzeitversuchen sollte die zeitliche Entwicklung des Durchlässigkeitsbeiwertes des Systems Boden/Geokunststoff unter konstanten Randbedingungen untersucht werden (hydraulisches Gefälle i = 12, Dauer = 200 Stunden). Gemessen wurde der Durchfluss, die Masse des ins Geotextil eingelagerten Bodens, die Drücke innerhalb der Bodenprobe, sowie der Materialdurchgang. Diese Parameter liefern Aufschluss über das Clogging-Potenzial bzw. zeigen Kolmationsprozesse im Boden/Geotextil. Insgesamt wurden 14 Langzeitversuche durchgeführt. Bei den zyklischen Versuchen sollten Regenereignisse mit Trockenfallen des geotextilen Filters simuliert werden. Dazu wurde das hydraulische Gefälle am Versuchsstand zwischen 0 < i < 12 variiert (Versuchsdauer = 13 Std.). Erfasst wurden die gleichen Parameter wie bei den Langzeitdurchlässigkeitsversuchen. Insgesamt wurden acht zyklische Versuche durchgeführt. Zur Untersuchung des Materialtransports wurden vier Versuche mit einer Suspensionsbeaufschlagung unter konstanten Randbedingungen (i = 12, Versuchsdauer = 5 Std.) durchgeführt. Dazu wurde intervallweise Kaolin dem Versuch zugeführt und neben den üblichen Parametern die Veränderung der Kornverteilung des Prüfbodens erfasst. Zusammenfassend zeigen die Versuche, dass ein Clogging-Potenzial bei der Verwendung von Geotextilien mit einer Öffnungsweite an der unteren Grenze besteht. Besonders Geotextilien mit einer Filterdicke von 1 mm sind davon betroffen. Aus diesem Grund ist auf Grundlage der gewonnenen Ergebnisse eine Fortentwicklung des M Geok E hinsichtlich der folgenden Punkte empfehlenswert: • Die untere Grenze der Öffnungsweite gemäß M Geok E (hydraulischer Sicherheitsfall II) sollte angehoben werden. Ein Einsatz von Geotextilien mit Öffnungsweiten an der oberen Grenze sollte bevorzugt werden. • Die bestehende obere Grenze der Öffnungsweite sollte überprüft und gegebenenfalls angehoben werden. • Es wird empfohlen, ein Kriterium zur Berücksichtigung der Filterdicke mit aufzunehmen (vgl. Ansatz nach BAW MAG 1993, STOEWAHSE 2017). • Es sollte ein Kriterium zur hydraulischen Filterwirksamkeit entwickelt werden. • Kriterien zur Berücksichtigung weiterer Parameter wie beispielsweise die Lagerungsdichte des Bodens und die Ungleichförmigkeitszahl sollten in die Geotextilfilterbemessung mit einbezogen werden (vgl. Ansätze nach DWA-M 511, GIROUD & LUETTICH).

In der Untersuchung wurden der Verkehrsablauf und die Verkehrssicherheit an Doppeleinfahrten, Einfahrten mit überlangem Einfädelungsstreifen sowie Sonderlösungen für hoch belastete Einfahrten analysiert. Dazu wurden bereits realisierte Lösungen hinsichtlich des Verkehrsablaufs und der Verkehrssicherheit empirisch analysiert sowie eine weitere fiktive Lösung entwickelt und anhand mikroskopischer Verkehrsflusssimulationen bewertet. Die Analyse des Verkehrsablaufs an den untersuchten Einfahrten erfolgte sowohl anhand der Daten von Dauerzählstellen und Verkehrserhebungen als auch mithilfe mikroskopischer Verkehrsflusssimulationen mit dem Programm BABSIM. Im Ergebnis der Analyse des Verkehrsablaufs zeigte sich, dass Doppeleinfahrten sowohl an der zweiten Einfahrt als auch in der gesamtheitlichen Betrachtung eine hohe Kapazität aufweisen. Mithilfe der mikroskopischen Verkehrsflusssimulation konnte ermittelt werden, dass sich eine Verlängerung des Einfädelungsstreifens positiv auf die Kapazität von Einfahrten vom Typ E 1 an zweistreifigen Richtungsfahrbahnen mit hohem Schwerverkehrsanteil auswirken kann. Die vollständige Länge der verlängerten Einfädelungsstreifen wird jedoch nur in geringem Umfang durch die einfahrenden Fahrzeuge genutzt. Die Unfallanalyse ergab, dass die mittleren Unfallraten und Unfallkostenraten sowohl an den untersuchten Doppeleinfahrten als auch an den Einfahrten mit verlängertem Einfädelungsstreifen unauffällig sind. Als signifikante Einflussgrößen auf das Unfallgeschehen an Doppeleinfahrten stellten sich die Verkehrsbelastung der beiden Einfahrtrampen sowie das Verhältnis zwischen dem DTV der Einfahrtrampen und der Hauptfahrbahn unterhalb der Doppeleinfahrt heraus. Eine Abhängigkeit des Unfallgeschehens von der Länge des Einfädelungsstreifens konnte an Einfahrten mit verlängertem Einfädelungsstreifen nicht festgestellt werden. An allen untersuchten Einfahrttypen sind als Unfalltypen und Unfallarten Unfälle im Längsverkehr bzw. Zusammenstöße mit vorausfahrenden Fahrzeugen am häufigsten registriert worden. Aus den Erkenntnissen zum Verkehrsablauf und zum Unfallgeschehen wurden Empfehlungen für die Entwurfsgestaltung und die verkehrstechnische Bemessung hochleistungsfähiger Einfahrten ohne Fahrstreifenaddition abgeleitet.

Der Artikel beschreibt die Entwicklung eines neuen Einwirkmodell für Anprallsituationen gegen Fahrzeugrückhaltesysteme auf Straßenbrücken. https://doi.org/10.53184/SVT11-2024-4