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Der erste Teil des vorliegenden Schlussberichtes zur Nutzung von Bauteilen der Rheinbrücke Leverkusen für Forschungszwecke gibt Aufschluss über die Schadensentwicklung und den aktuellen Schadensstand der Brücke. Hierbei werden speziell die verschieden Schadenskategorien der Stahlbrücke mit einer Bilddokumentation erläutert. Zur Untersuchung der Ursachen werden verschiedene Aspekte wie zum Beispiel das Material, die Verkehrsbelastung und der Temperatureinfluss betrachtet. Daraus folgend wurden Erhaltungs- und Erweiterungsmaßnahmen entwickelt. Nach verschiedenen Probeanwendungen wurden erste Erfahrungen gesammelt, welche als Impulse für andere Stahlbrücken in Frage kommen. Im Zweiten Teil des Forschungsvorhabens werden zur Identifikation der Bauteile die verschiedenen Baugruppen kategorisiert und ein Rückbaukonzept vorgestellt. Es werden Empfehlungen zu Lagerungsbedingungen und Lagerungsorten der zu untersuchenden kategorisierten Bauteile gegeben. Die sich daraus ergebenden Forschungsprojekte werden in logische Forschungsbereiche eingeteilt. Aufbauend auf diesen Bericht können Forschungsideen zum Umgang mit dem Bestandsmaterial, zu vorhandenen Fertigungsungänzen und zu möglichen Bewertungsverfahren entwickelt werden.
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.
Der BIM-Masterplan zielt darauf ab, bis zum Jahr 2025 eine flächendeckende Implementierung der Building Information Modelling (BIM) Technologie im Bundesfernstraßenbau zu erreichen. Besonders in der Planungsphase zeigt sich bereits eine umfassende Nutzung der BIM-Technologie. Diese Entwicklung wird unterstützt durch die Integration digitaler Modelle, die unter Berücksichtigung bestehender Normen und Richtlinien erstellt und ausgetauscht werden. Die Qualität und Richtlinienkonformität dieser Modelle können durch regelbasierte, teilautomatisierte Modellprüfungen sichergestellt werden. Diese Prüfungen würden die Projektumsetzung erheblich erleichtern und beschleunigen.
Ein zentraler Aspekt des Projekts ist die Transformation traditioneller Regelwerke in sogenannte Smart Standards. Diese digitalen Richtlinien, serialisiert als XML-Dokumente gemäß dem NISO Standard Tag Suite, ermöglichen eine effizientere Verwaltung, Weiterverarbeitung und Auswertung der Regelwerksinhalte. In einer Vorstudie wurden bestehende Regelwerke systematisch analysiert und bewertet, um ihre Eignung für eine Überführung in Smart Standards zu bestimmen. Zehn Regelwerke wurden auf das Autonomielevel 2 und zwei ausgewählte Regelwerke zusätzlich auf Level 4 angehoben, was ihre digitale Anwendbarkeit und Integration in bestehende Prüfwerkzeuge signifikant verbessert. Basierend auf den Projektergebnissen wird die Implementierung digitaler Regelwerke für den Straßen- und Ingenieurbau empfohlen. Für eine erfolgreiche Einführung der BIM-Technologie im Bundesfernstraßenbau sind spezifische Voraussetzungen notwendig. Dazu zählen die Bereitstellung der erforderlichen Infrastruktur, der Aufbau von Fachkompetenz zur Bewältigung technischer und organisatorischer Herausforderungen, die effektive Integration digitaler Regelwerke in bestehende Erstellungsprozesse und die Entwicklung einheitlicher Modellierungsrichtlinien für Konsistenz und Präzision in den Projekten. Diese Schritte sind entscheidend, um die Akzeptanz und dauerhafte Nutzung von BIM im Straßen- und Ingenieurbau zu sichern.
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.
Das Ziel des Projektes war es, zuverlässige Kenngrößen für die Praxis abzuleiten, um Volumeneigenschaften wie Raumdichte, Hohlraumgehalt und Verdichtungszustand von offenporigen Asphalten treffsicher zu bestimmen und damit das Mischgut zielgerichteter zu konzipieren und genauer beschreiben zu können. Dafür wurde ein entsprechendes Untersuchungsprogramm aufgestellt, um zum einen das bisher nach Regelwerk für offenporigen Asphalt anzuwendende Ausmessverfahren nach den TP Asphalt-StB, Teil 6 zu evaluieren, sowie alternative Verfahren zur Raumdichtebestimmung weiterzuentwickeln respektive auf deren Praxistauglichkeit hin zu überprüfen. Dabei sollten vor Allem die Einflüsse aus der Oberflächenbeschaffenheit, der Prüfdicke aber auch der Art der Probekörperherstellung berücksichtigt werden. Für die Untersuchungen wurden sechs Asphaltmischgüter PA 8 aus Baumaßnahmen in den Jahren 2020 und 2021 einbezogen. Um Einflüsse aus der Oberfläche (Rauheit) und aus der Dicke der Probekörper abschätzen zu können, wurden sowohl zylindrische Probekörper aus walzsektorverdichteten Asphalt-Probeplatten, als auch Marshall-Probekörper und Bohrkernproben aus der fertigen Schicht mit unterschiedlich geschliffenen Oberflächen sowie in variierenden Dicken hergestellt und verglichen. Durch die Einbeziehung der Bohrkernproben konnte ein direkter Vergleich zu den Verhältnissen in situ erfolgen. Neben der konventionellen Bestimmung der Raumdichte mittels Verfahren D nach den TP Asphalt-StB, Teil 6 wurden folgende alternative Prüfungen durchgeführt: • ASTM D6752/D6752M-18, Bestimmung der Raumdichte durch Vakuumabdichtung. • Bestimmung der Raumdichte durch 3-D Scan („HandyScan“) • TP Asphalt-StB Teil 19, Durchlässigkeit von Asphalt-Probekörpern Das Ausmessverfahren hat einige Nachteile: neben möglicher Messungenauigkeiten beim Anlegen des Messschiebers beeinflussen die Form, die Geometrie und die Beschaffenheit des Probekörpers die Raumdichte. Äußere, herstellungsbedingte Hohlräume können nicht ausgeschlossen werden und verfälschen das Ergebnis. Bei dem Verfahren nach dem US-amerikanischen Regelwerk ASTM D6752/D6752M-18 wird ein Asphaltprobekörper unter Vakuum in einem Kunststoffbeutel luftdicht verpackt und im Wasserbad gewogen. Über das sog. spezifische Raumgewicht unter Wasser kann die Raumdichte des Probekörpers bestimmt werden. Der Vorteil dieses Verfahrens besteht unter anderem darin, dass sich die Kunststofffolie um die äußeren Hohlräume legt, so dass diese hier berücksichtigt werden können. Das Verfahren mit Vakuumabdichtung ist potentiell auch weniger anfällig für Messungenauigkeiten, was sich auch in den unter Widerholbedingungen ermittelten niedrigen Spannweiten widerspiegelt. Die Raumdichten, die nach ASTM bestimmt werden, sind grundsätzlich größer als die aus dem Ausmessverfahren, da das berücksichtigte Volumen auf Grund des Ausschlusses der Oberflächenhohlräume kleiner gemessen wird als beim Ausmessen. Eine Abhängigkeit von der Probekörperhöhe und der Rauigkeit wurde im Rahmen von Regressionsanalysen für die verschiedenen Probekörperarten bestätigt. Das Verfahren nach ASTM ist dabei deutlich robuster gegenüber variierenden Abmessungen und wechselnden Probekörpertexturen. Die Prüfung der Wasserdurchlässigkeit nach den TP Asphalt-StB, Teil 19 erwies sich als sehr aufwendig im Sinne der benötigten Zeit und des eingesetzten Materials. Es ergaben sich im Rahmen von statistischen Auswertungen große Streuungen zwischen den unterschiedlichen Probekörpern und keine systematischen Zusammenhänge. Dadurch ist das Verfahren auch nicht geeignet, um indirekt den Hohlraumgehalt bei offenporigen Asphalten respektive die Raumdichte oder den Verdichtungszustand anzusprechen. Dadurch zeigt sich noch mal deutlich, dass die Hohlraumstruktur von Probekörpern verschieden sein kann und somit auch das Durchflussverhalten abweicht. Die Bestimmung der Raumdichte durch 3D-Scans an ausgewählten Probekörpern hat gezeigt, dass die Morphologie der Probekörper grundsätzlich gut erfasst werden kann, jedoch dass die Auswertung der Daten sehr zeitaufwendig und aktuell noch fehleranfällig ist. Der 3D-HandyScan kann zukünftig ein hilfreiches Verfahren sein, ist jedoch für den regelmäßigen Einsatz in der Praxis aktuell noch nicht ausgereift. Als wichtige Empfehlungen für die zukünftige Bestimmung der Raumdichte werden eine einheitliche Dicke der Probekörper von z. B. 30 mm, die Herstellung von Probekörpern aus WSV-Platten sowie die Implementierung der Raumdichtebestimmung nach ASTM ins nationale Regelwerk vorgeschlagen.
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).
Im hier dokumentierten Forschungsprojekt sollten Wirksamkeitsuntersuchungen von Streckenbeeinflussungsanlagen (SBAs) und Zuflussregelungsanlagen (ZRAs) zusammengetragen werden, die seit dem Jahr 2000 in Deutschland durchgeführt wurden, um sie nachfolgend einer Metaanalyse zu unterziehen und daraus unter Einbeziehung des Stands von Wissenschaft und Technik Empfehlungen für die Weiterentwicklung von SBA- und ZRA-Bewertungsverfahren abzuleiten.
Gemäß Literaturanalyse sind summierte Reisezeiten und Unfallzahlen als geeignete Kenngrößen zur monetarisierten SBA- und ZRA-Bewertung im Hinblick auf Verkehrsfluss und Verkehrssicherheit. Unfallzahlen können direkt erhoben, Reisezeiten können gemessen oder in ausreichender Qualität aus lokalen Verkehrsdaten oder FCD geschätzt werden. Damit wird der Einsatz komplexer Verkehrsmodelle vermieden, die eine detaillierte Kenntnis der VBA- und ZRA-Wirkungen voraussetzen würden. In Bezug auf Umweltwirkungen weist der Stand der Wissenschaft und Technik die Verwendung von Emissionsmodellen als vielversprechend aus, in die makroskopische Verkehrsdaten eingehen.
Es können für SBAs und ZRAs je elf Dokumente zusammengetragen, die die Wirksamkeit der Anlagen anhand von Vorher-Nachher-Vergleichen untersuchen. Dabei sind die vorliegenden Studien formal heterogen: Manche SBA-Studien betrachten Kenngrößen des Verkehrsflusses, andere alternativ das Störungsgeschehen, manche weder das eine noch das andere. Nicht alle ZRA-Studien untersuchen Sicherheitswirkungen.
Es wird ein Konzept zur Metaanalyse von SBA- und ZRA-Wirksamkeitsuntersuchungen erarbeitet, umfassend erläutert und angewandt. Aufgrund der Studienlage können aber keine aggregierten Erkenntnisse zur SBA- oder ZRA-Wirksamkeit abgeleitet werden, so dass keine Empfehlungen für Ex-ante-Wirksamkeitsschätzungen erarbeitet werden können.
Auf Grundlage der gewonnenen Erkenntnisse wird eine Weiterentwicklung der Verfahren zur Ex-post-Wirksamkeitsanalyse von SBAs und ZRAs vorgeschlagen:
> Bezüglich der Verkehrssicherheit wird das Vorgehen zur Ermittlung der Veränderung von Unfallkosten gemäß dem bestehenden FGSV-Regelwerk empfohlen – unter besonderer Beachtung von Veränderungen zwischen den Vergleichszeiträumen z. B. infolge allgemeiner Trends oder Veränderungen im relevanten Umfeld der Untersuchungsstrecke.
> Bezüglich des Verkehrsflusses wird die Verwendung eines Verfahrens aus der Literatur empfohlen, das aus lokalen Daten einer SBA Reisezeitsummen schätzt, monetarisiert und vergleicht. Das Verfahren wird für alternative Datenquellen geöffnet und ist somit auch für ZRAs anwendbar.
> Bezüglich der Umweltwirkungen wird der Einsatz des etablierten Modells HBEFA zur Ermittlung von Klimagas- und Luftschadstoffemissionen vorgeschlagen. Die erforderlichen Eingangsdaten stehen bereits aus der Verkehrsflussuntersuchung zur Verfügung
Bei der Anwendung der Verfahren ist der Kontext zu berücksichtigen, in dem die Datenerfassung erfolgte. Er umfasst z. B Informationen zur Trassierung, zu besonderen Witterungsbedingungen, zu Arbeitsstellen oder zu gültigen Verkehrsregeln in den Vergleichszeiträumen.
Wenn künftige Untersuchungen einheitlich nach den vorgeschlagenen Verfahren durchgeführt werden, können künftige Metaanalysen aussichtsreich durchgeführt werden und zur Verbesserung auch von Ex-ante-Wirksamkeitsschätzungen führen. Die statistische Belastbarkeit so gewonnener Erkenntnisse wird jedoch eine Herausforderung bleiben.
Analyse und Entwicklung leistungsfähiger Einfahrttypen ohne Fahrstreifenaddition für Autobahnen
(2024)
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.
Im Rahmen der geplanten Neuausrichtung der Erhebungen am Unfallort („GIDAS 4.0“) soll mit dem vorlie-genden Projektvorhaben der methodische und statistische Ansatz von GIDAS neu bewertet werden. Dies betrifft gleichermaßen das Stichproben- und das Erhebungsverfahren. Die Hauptziele des Forschungs-projekts umfassen die Erarbeitung möglicher Stichprobenkonzepte für das Folgeprojekt GIDAS 4.0 so-wie eines Modells, um neben der standardmäßigen In-depth-Unfallerhebung auch anlassbezogene Unfall-aufnahmen durchführen zu können. Wesentliche Grundlage der Untersuchung waren statistische Analysen von GIDAS- und amtlichen Unfalldaten für die Jahre 2006 bis 2008 sowie 2017 bis 2019. Darüber hinaus basieren die Projektergebnisse auf einer ausführlichen Auswertung der (internationalen) Literatur zu den Themen Stichprobenverfahren und In-depth-Unfallerhebungen sowie auf Expertengesprächen und einem im Rahmen des Projekts durchgeführten Workshop. Vor der Darstellung methodischer Vorschläge zum Redesign von GIDAS fand eine eingehende Beschäftigung mit grundsätzlichen, für vertiefte Unfallerhe-bungen relevanten Themen statt. Nach einem Überblick über In-depth-Erhebungen in anderen Ländern wurden zunächst generelle Fragen zur Repräsentativität solcher Unfallerhebungen und damit verbundene Themen erörtert (Erhebungs- und Stichprobendesigns, Erhebungsumfang, systematische Fehler). Vor diesem Hintergrund der allgemeinen Charakterisierung von Erhebungen zur Gewinnung vertiefter Unfallda-ten wurden anschließend die einzelnen Verfahrenselemente der aktuellen GIDAS-Erhebung (GIDAS 3.0) einer näheren Betrachtung und Bewertung unterzogen. Dies betrifft die einzelnen Phasen des Erhebungs-prozesses (inkl. Anfahrts- und Erhebungsdauer), das zweistufige Stichprobenauswahlverfahren, Genauig-keitsbeurteilungen („Designeffekt“), die Untersuchung von systematischen Verzerrungen des GIDAS-Erhebungssystems, Analysen zur „Repräsentativität“ der GIDAS-Daten und das aktuelle Gewichtungsver-fahren. Auf Basis der dabei erzielten Ergebnisse sowie anhand weiterer Auswertungen der GIDAS-Daten wurden dann methodische Alternativen im Hinblick auf die Neuausrichtung des GIDAS-Erhebungssystems (Basiserhebung und anlassbezogene Erhebung) vorgestellt und bewertet. Die rele-vantesten methodischen Weiterentwicklungsoptionen werden dabei anhand des Ausmaßes der methodi-schen Veränderung gegenüber dem aktuellen Erhebungssystem und ihrer zeitlichen (kurz-, mittel- und langfristigen) Realisierungsmöglichkeit klassifiziert. Als generelles Ergebnis kann man festhalten, dass auch zukünftig vertiefte Unfallerhebungen im Sinne von Primärerhebungen „vor Ort“ durchgeführt werden sollten. Allerdings offenbart sich deren Nutzen nur dann, wenn die Unfallstelle vom Erhebungsteam in relativ kurzer Zeit nach Eintreten des Unfallereignisses auch erreicht wird. Abschließend wird darauf ein-gegangen, welche Daten aus methodischen und nutzungsorientierten Gründen zusätzlich in die GIDAS-Datenbank aufgenommen werden sollten.
Die Ermittlung der genutzten Lkw-Parkmöglichkeiten auf und an den Bundesautobah-nen (BAB) ist die Grundlage für die Ableitung von zielgerichteten Maßnahmen zur Ver-besserung der Lkw-Parkplatzsituation. Das Bundesministerium für Digitales und Ver-kehr (BMDV) beauftragte daher die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) mit der Auswertung einer durch die Autobahn GmbH durchgeführten Erhebung der in drei aus-gewählten Erhebungsnächten abgestellten Lkw auf und an den BAB. Wie schon bei den vorangegangenen Erhebungen wurde eine bundesweite Vollerhebung nach einem von der BASt erarbeiteten bundeseinheitlichen Erhebungskonzept durchgeführt. Die nachts abgestellten Lkw werden dabei auf den bewirtschafteten und unbewirtschafte-ten Rastanlagen, den ehemaligen Grenzzollanlagen, auf privaten Autohöfen sowie an abseits der BAB bekannten Abstellorten im nahen Umfeld der BAB gezählt.
Bei Betonfahrbahnen erfolgt die Festlegung der Deckendicke entweder standardisiert gemäß den RStO oder rechnerisch mit Hilfe der RDO Beton, wobei letztere erst in jüngerer Vergangenheit vermehrt bei hochbelasteten Streckenabschnitten zur Anwendung kommen. Da die Aufwendungen bei einer Dimensionierung nach den RDO Beton im Vorfeld höher sind, sollte im Forschungsvorhaben untersucht werden, welche Ausführungsart (nach RStO oder RDO) insgesamt wirtschaftlicher und demnach auch nachhaltiger ist. Hierfür wurden Verfahren herangezogen, die zum einen die Entwicklung der strukturellen Substanz als auch die Entwicklung der verschiedenen Performance-Kenngrößen abbilden. Durch Kombination lassen sich schließlich spezielle Eingreifzeitpunkte für Erhaltungsmaßnahmen eruieren. Angewendet wurden die Verfahren auf acht Untersuchungsstrecken aus dem Netz der Bundesautobahnen. Aufbauend auf den tatsächlichen ermittelten Substanzzustandsgrößen wurde die jeweilige Entwicklung der Ausfallrate berechnet sowie anschließend die Entwicklung der Performance-Kenngrößen für jeden Streckenabschnitt bestimmt. Darauf aufbauend wurden gegebenenfalls notwendige Erhaltungsmaßnahmen ermittelt und bei Einfluss der Maßnahme auf die Substanz die Entwicklung der Ausfallrate neu bestimmt. Dadurch konnte die Nutzungsdauer einer jeden Strecke bis zum wirtschaftlichen Nutzungsausfallzeitpunkt ermittelt werden. Für den Wirtschaftlichkeitsvergleich wurden schließlich Bau- und Erhaltungskosten abgeschätzt und die notwendigen Erhaltungsmaßnahmen auf der Grundlage der Ausfallrate und der Gebrauchseigenschaften bestimmt. Für einen Vergleich sollten schließlich die Kosten pro Jahr und km für jeden Streckenabschnitt und einen Nutzungszeitraum von 30 Jahren ermittelt werden. Die Gesamtkosten der Erhaltungsmaßnahmen wurden hierfür durch den betrachteten Zeitraum von 30 Jahren geteilt. Die Kosten, die sich aus dem Bau der Fahrbahn ergeben haben, wurden jedoch auf die prognostizierte Lebensdauer bezogen, um den Restwert der Strecke zu berücksichtigen. Das Ergebnis hat gezeigt, dass die Kosten der RStO-Baulose deutlich mehr streuen und im Niveau über denen der RDO-Baulose liegen. Der Hauptgrund für die wirtschaftlichen Vorteile der RDO-Baulose liegt offensichtlich in den besseren bautechnischen Anforderungskriterien, die bereits in der Planungsphase aufgestellt wurden und in der Ausschreibung Berücksichtigung fanden.
Analyse von Einflussfaktoren und Kenngrößen für die maschinelle Detektion von Fahrbahnmarkierungen
(2024)
Für automatisierte Fahrmanöver eines Fahrzeuges im Straßenverkehr ist eine Erkennung der Situation, in dem sich das Fahrzeug befindet, eine notwendige Voraussetzung. Längsmarkierungen werden bei automatisierten Fahrmanövern zur Querpositionierung genutzt und müssen hierfür von der Sensorik des Fahrzeuges detektiert werden. Neben der Güte des Sensors und der Signalverarbeitung sind die Ausprägungen spezifischer Merkmale eines Objektes für das Ergebnis einer Detektion entscheidend. Diese qualitative Ausprägung kann im Kontext der Detektion als maschinelle Erkennbarkeit bezeichnet werden. Für die Ableitung einheitlicher und fundierter (Mindest-) Standards für Markierungen als Bestandteil einer automatisiert befahrbaren Straße besteht wissenschaftliches Interesse an der Entwicklung von Methoden zur Quantifizierung der maschinellen Erkennbarkeit einer Markierung. Ziel des Forschungsprojektes ist neben der Erforschung von Anforderungen an Fahrbahnmarkierung für das automatisierte und vernetzte Fahren auch der Abgleich mit aktuellen Qualitätsanforderungen, die bisher maßgeblich die Wahrnehmbarkeit von Markierung durch den menschlichen Fahrer sicherstellen sollen. Eine Literatur- und Marktanalyse ist die Grundlage für Prüfsystematik und Bewertungsmetrik. In Fahrversuchen auf einem Testfeld und einer öffentlichen Autobahn wurden Markierungskenngrößen (Leuchtdichtekoeffizienten Qd, RL und RL,w sowie Geometrie und Material) und äußere Einflussfaktoren (Tag, Nacht und Gegenlicht sowie Nässe und Trockenheit) gezielt und kontrolliert variiert. Zur Bewertung der maschinellen Detektierbarkeit wird der Kontrast zwischen der Markierung und der benachbarten Fahrbahnoberfläche in Kamerabildern und LiDAR-Punktwolken analysiert. Alle Markierungskenngrößen und äußeren Einflussfaktoren können bezüglich des Einflusses auf die maschinelle Detektierbarkeit bewertet werden. Insbesondere der Kontrast der Leuchtdichtekoeffizienten von Markierung und benachbarter Fahrbahnoberfläche ist maßgebend. Es kann grundsätzlich festgestellt werden, dass bei trockenen und nassen Bedingungen die Erneuerungswerte nach ZTV M 13 ausreichen, um einen Weberkontrast von 0,1 in Kamerabild und LiDAR-Punktwolke sicherzustellen. Auch ein Weberkontrastwert von 0,5 kann in vielen Fällen durch die Erneuerungswerte der ZTV M 13 erreicht werden. Im direkten Vergleich ist die Kamera-Detektierbarkeit bei Tageslicht (Qd) und bei Nacht und Nässe (RL,w) durch bisherige Standards deutlich weniger sichergestellt als bei Nacht und Trockenheit (RL). Bisherige Anforderungen an RL,w stellen eine deutlich geringere LiDAR-Detektierbarkeit bei Nässe sicher als Anforderungen an RL bei Trockenheit (unabhängig von der Beleuchtungssituation). Die Ergebnisse der wissenschaftlichen Arbeit sind Grundlage für weitere Forschungsaktivitäten auf dem Gebiet der Fahrzeugautomatisierung im Zusammenspiel mit der Straßeninfrastruktur und leisten einen Beitrag zur Sicherstellung der automatisierten Befahrbarkeit dieser. Es werden Empfehlungen an Kontrast der Leuchtdichtekoeffizienten von Markierungen und der benachbarten Fahrbahnoberfläche gegeben. Für die fundierte Definition von Mindestwerten sind zukünftig die Einflüsse von falsch-positiven Detektionen zu berücksichtigen und zu erforschen.
Während körperliche Verletzungen nach einem Unfall in der Regel umfassend versorgt werden, ist derzeit nicht immer sichergestellt, dass psychische Beschwerden, die infolge des Unfallgeschehens auftreten, frühzeitig erkannt und behandelt werden. Wie eine umfassende Literaturanalyse zu Beginn des Projekts zeigte, führen Verkehrsunfälle sehr häufig neben körperlichen Verletzungen auch zu psychischen Beeinträchtigungen. Psychische Belastungen können wiederum die Fahrkompetenz negativ beeinflussen. Im vorliegenden Projekt wurde systematisch untersucht, inwiefern sich verunfallte und nicht verunfallte Personen hinsichtlich ihrer psychischen Belastung unterscheiden und ob diese psychischen Belastungen mit einer schlechteren Fahrkompetenz einhergehen. Des Weiteren wurde untersucht, ob sich das Fahrverhalten verunfallter Personen vom Fahrverhalten nicht verunfallter Personen unterscheidet. In der vorliegenden Untersuchung wurde die psychische Belastung und die Fahrkompetenz von n1 = 41 Personen, die in den 4 bis 32 Monaten vor der Versuchsteilnahme mit einem motorisierten Fahrzeug an einem schweren Verkehrsunfall beteiligt waren, mit n2 = 41 Personen, die noch nie in ihrem Leben an einem Verkehrsunfall beteiligt waren, verglichen. Die beiden Versuchsgruppen waren hinsichtlich Alter, Geschlecht, Jahresfahrleistung und Ortskenntnis in Würzburg parallelisiert. Anhand einer Online-Vorbefragung und einem psychologischen Interview wurde die psychische Belastung der Teilnehmenden bestimmt. Im Anschluss an das Interview fand eine Versuchsfahrt im Realverkehr statt, bei der die Fahrkompetenz anhand der Standardized Application for Fitness to Drive Evaluations (S.A.F.E.) bewertet wurde. Neben dem Vergleich der Versuchsgruppen wurde analysiert, inwiefern psychische Belastungen mit der Fahrkompetenz in Zusammenhang stehen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Mehrheit der verunfallten ebenso wie der nicht verunfallten Teilnehmenden eine unauffällige psychische Belastung aufwiesen. Verunfallte Teilnehmende wiesen dabei aber im Mittel eine höhere Belastung durch Angst- und posttraumatische Symptome auf als nicht verunfallte Teilnehmende. Es gab keinen Unterschied in der Fahrkompetenz zwischen verunfallten und nicht verunfallten Teilnehmenden. Lediglich bei einzelnen Fehlverhalten (z. B. Blinkverhalten und Sicherungsverhalten) fielen deskriptiv betrachtet Unterschiede auf, die in weiteren Studien gezielt untersucht werden sollten, um aussagekräftigere Erkenntnisse zu ermöglichen. Neben der großen Anzahl an Personen, die sich gegenüber psychischen Unfallfolgen als resilient erweisen, scheint auch psychische Belastung selbst nicht notwendigerweise mit sicherheitsrelevanten Einschränkungen des Fahrverhaltens zusammenzuhängen. Insgesamt kann somit festgehalten werden, dass ein Großteil der Verunfallten in der vorliegenden Stichprobe weder eine auffällige psychische Belastung noch sicherheitsrelevante Einschränkungen im Fahrverhalten aufweist. Eine Subgruppe der Verunfallten, vermehrt jene, die den Unfall mit starker Angst und als Kontrollverlust erlebten, leidet jedoch auch bis zu zweieinhalb Jahre nach dem Unfallereignis unter erhöhter allgemeiner Ängstlichkeit, Ängsten beim Autofahren bzw. in bestimmen Verkehrssituationen oder unter posttraumatischen Belastungssymptomen bis hin zur Posttraumatischen Belastungsstörung. Allgemeine Maßnahmen mit Blick auf das Fahrverhalten Verunfallter (mit psychischen Beschwerden) erscheinen damit zunächst nicht erforderlich. Empfehlenswert scheint es jedoch, verunfallte Personen über mögliche psychische Beeinträchtigungen aufzuklären und gezielt den Personen, die mit klinisch relevanter psychischer Belastung oder spezifischen Ängsten beim Fahren reagieren, zeitnah fachliche Unterstützung und Therapie anzubieten. Methodische Limitationen entstehen in dieser Studie unter anderem aus dem quasiexperimentellen Design sowie der Selbstselektion der Teilnehmenden. Die Ergebnisse erlauben daher nur Aussagen über Zusammenhänge und nicht über Kausalitäten.
Vereinfachte lichttechnische Vermessung der ortsfesten Straßenbeleuchtung bei Dunkelheitsunfällen
(2024)
Im Rahmen des Projektes wurden vereinfachte lichttechnische Messverfahren entwickelt, um photometrische Daten bei Dunkelheitsunfällen schnell und zuverlässig erheben zu können. Für die Erhebung von Beleuchtungsstärken wurden zunächst Messungen mit verschiedenen Messköpfen durchgeführt. Der Messkopf mit den gemäß Kenngrößen geringsten Werten wurde anschließend auf ein mobiles Modellfahrzeug montiert. Für dieses wurde ein Verfahren entwickelt, mit dem Beleuchtungsstärken an Unfallorten einfach erhoben werden können. Für die Erhebung von Leuchtdichten wurde zum einen ein Leuchtdichtenormal entwickelt. Mit Hilfe des Normals können verschiedene Leuchtdichten eingestellt werden. Ein visueller Abgleich ermöglicht die Überprüfung der Einhaltung einer normgerechten Beleuchtungssituation an Unfallorten. Zum anderen wurde ein spezielles Kalibrierverfahren für Leuchtdichten für Digitalkameras getestet. Im Gegensatz zum Einsatz des Leuchtdichtenormals, welches für die Zuordnung zu einer Beleuchtungsklasse nur das menschliche Auge als Referenz verwendet, werden hier echte Leuchtdichtebilder erzeugt, die ortsaufgelöst viele, replizierbare Werte liefern. Die Evaluation der Verfahren ergab, dass mit dem Messfahrzeug sehr verlässliche Aussagen zu den an Unfallorten vorliegenden Beleuchtungsstärken getroffen werden können. Auch die mit der kalibrierten Digitalkamera erhobenen Werte lagen in ihrer Abweichung zu den Werten normgerechter Messungen in noch tolerablen Grenzen. Dahingegen wurden mit dem Leuchtdichtenormal zum Teil große Fehleinschätzungen vorgenommen. Für das Messfahrzeug sowie das Leuchtdichtenormal ist zu beachten, dass es sich um Prototypen handelt. Die Fertigung für eine breite Anwendung ist daher noch mit größerem Aufwand verbunden. Für die Anwendung des Messfahrzeugs sowie der kalibrierten Digitalkamera wurde ein Leitfaden erstellt, der die genaue Vorgehensweise der Messungen am Unfallort beschreibt.
Derzeit soll das Merkmal „Griffigkeit“ bei der Konzeption von Baustoffgemischen für Fahrbahndeckschichten aus Asphalt und Beton über ein Mindestniveau des „polished stone value“ (PSV) der Gesteinskörnung 8/10 für den gesamten Nutzungszeitraum der Deckschicht sichergestellt werden. In Abhängigkeit von der Mischgutart und der zu er-wartenden Beanspruchung werden für das Asphaltmischgut für Deckschichten aus-schließlich Anforderungen an den PSV der groben Gesteinskörnung gestellt, wobei die Referenzkörnung 8/10 in der Mehrzahl aller verwendeten Asphaltmischgutsorten nur einen kleinen Teil des Gesteinskörnungsgemisches darstellt oder bei einem Größtkorn von 5,6 oder 8 mm nicht enthalten ist. Die Praxis hat gezeigt, dass die ausschließliche Berücksichtigung des PSV Kriteriums einen hohen, in sehr vielen Fällen jedoch über-höhten Sicherheitsfaktor darstellt. Anhand von Griffigkeitsprognosen mit dem FAP-Verfahren an Asphaltmischungen unterschiedlicher Art und Sorte und einem abgestuf-ten Niveau des rechnerischen PSV konnten folgende Schlussfolgerungen quantitativ belegt werden:
o Der Einfluss des rechnerischen PSV auf den Reibbeiwert FAP einer Asphalt-oberfläche kann mit im Mittel 40 % nach 270.000 Überrollungen beschrieben werden. Infolge dessen, führt die Abschätzung des Reibungsbeiwertes einer Asphaltoberfläche nur unter Berücksichtigung des rechnerischen PSV der gro-ben Gesteinskörnung zu Fehleinschätzungen und schließt Gesteine mit ausrei-chenden Eigenschaften von der Verwendung aus. Die Untersuchungsergebnis-se zeigen, dass auch mit Gesteinsmischungen eine dauerhaft griffige Oberflä-che erzeugt werden kann, welche nach dem rechnerischen PSV von der Ver-wendung auszuschließen wären. Dies ist unwirtschaftlich und führt zu einem unnötigen Verbrauch natürlicher Ressourcen.
o Die Ableitung des Reibbeiwertes FAP einer Asphaltoberfläche über einen rech-nerischen PWS-Wert ist aufgrund der Berücksichtigung der feinen Gesteins-körnung gegenüber dem rechnerischen PSV zielsicherer möglich. Dem rechne-rische PWS ist mit im Mittel 55 % ein höherer Stellenwert bei der Prognose zu-zuschreiben als dem rechnerischen PSV.
o Darüber hinaus konnte aufgezeigt werden welchen Stellenwert die Mischgut-spezifischen Merkmale Größtkorn, Hohlraumgehalt und Textur auf die Griffig-keitsentwicklung nehmen.
o Die in der europäischen Norm dargestellten Kategorien für das FAP Verfahren schließen 60 % der Asphaltdeckschichten aus Splittmastixasphalt und 35 % der Asphaltdeckschichten aus Asphaltbeton aus. Es wäre daher zu empfehlen, die Spanne der DIN EN 13108 insgesamt und in den Kategorien zu vergrößern.
o Eine Übertragung der Anforderungen an den PSV einer Korngruppe konnte sehr gut für offenporige Asphalte, gut für Asphaltdeckschichten aus Splittmasti-xasphalt und ausreichend genau für Asphaltdeckschichten aus Asphaltbeton auf den FAP-Wert dargestellt werden.
o Bei Anwendung der vorgestellten zweifaktoriellen Beurteilung, bestehend aus einem Mindestniveau des Reibungsbeiwertes und einem beanspruchungsun-abhängigen Dauerhaftigkeitsfaktor, kann eine Prognose der Griffigkeit während der Erstprüfung erfolgen. Die empfohlenen Anforderungen basieren auf den PSV-Kategorien der TL Asphalt-StB und wurden mit SKM-Ergebnissen voran-gegangener Projekte validiert.
Für einen ressourcenschonenden Umgang mit den natürlichen Gesteinen, wird eine schnelle Umsetzung des Verfahrens in die Praxis, unter Beachtung der Anforderungen an die Griffigkeit gemäß ZTV Asphalt-StB, empfohlen.
10. BASt-Tunnelsymposium
(2024)
Der angestrebte langlebige, wirtschaftliche und sichere insbesondere jedoch auch nachhaltige Bau und Betrieb eines Straßentunnels führen zu neuen Anforderungen an die Konstruktion sowie die betriebs- und sicherheitstechnische Ausstattung. Diese gilt es sowohl in der Planungs- aber auch in der späteren Bau- und Betriebsphase entsprechend umzusetzen. Die Beiträge der Vortragsveranstaltung befassen sich mit diesen aktuellen Themen zu Planung, Bau und Betrieb von Straßentunneln und greifen diese Anforderungen auf. Im Themenblock Planung wird ein Praxisbeispiel die Anwendung einer BIM-basierten Arbeitsweise in der Betriebsphase eines Tunnels aufgezeigt. Der Bericht zur Anwendung zweier risikobasierter Untersuchungsverfahren zur Ermittlung des Einflusses unterschiedlicher Abstände zwischen Pannenbuchten sowie eines steigenden Anteils von Fahrzeuggen mit alternativen Antrieben auf die Tunnelsicherheit, soll Planern aber auch Tunnelbetreibern eine bessere Einschätzung ggf. zu ergreifender Maßnahmen ermöglichen. Hilfestellung für den Tunnelbetreiber, einen Tunnel auch bei eingeschränkter Funktionalität betriebstechnischer Einrichtungen weiter zu betreiben, soll die Vorstellung hierfür zu gewährleistender minimaler Betriebsbedingungen bieten. Des Weiteren wird über Versuche zum Verhalten von Tunnelnutzenden in Entfluchtungssituationen berichtet. Im Themenblock Bautechnik wird der Fragestellung nachgegangen, wie der Einsatz von selbstverdichtendem Beton mit Zusatz von Polypropylen-Fasern einen positiven Einfluss auf die Betonqualität bei Innenschalen haben kann. Zum Thema Nachverpressung von Tunnelinnenschalen und der Reichweite verschiedener Injektionsmaterialien und -systeme wird über durchgeführte großmaßstäbliche Laborversuche berichtet. Angesichts des fortschreitenden Klimawandels und der Einhaltung der gesetzten Klimaziele hat die CO2-neutrale Erzeugung von Energie hohe Priorität. Die Vorträge des Themenblocks Nachhaltigkeit setzen sich einerseits mit dem Potential der Einsparung von Energie und zum anderen mit der Substitution fossiler durch regenerative Energieerzeugung auseinander.
Gegenstand des Vorhabens ist die Durchführung dreidimensionaler Simulationen zur Bewertung der akustischen Wirksamkeit beliebig geformter bzw. mit unterschiedlicher Impedanz belegter Lärmschutzwände (Lsw) zum Schutz gegen Straßenverkehrslärm. Das Ziel ist die Erstellung von Berechnungsmodulen, die die dreidimensionalen Berechnungs-ergebnisse in analytische Beschreibungen für die 2½-dimensionale Berechnungsmethode überführt, die beispielsweise in einer überarbeiteten Version der „Richtlinien für den Lärmschutz an Straßen – RLS“ verwendet werden können.
Zu diesem Zweck wird zu Beginn der Stand der Technik durch eine Studie der einschlägigen Forschungsergebnisse der letzten Jahre auf dem Gebiet der Einfügungsdämpfung und der Reflexion von Lsw – vor allem solcher Schallschirme, die sich von der konventionellen ebenen, senkrecht stehenden Bauweise unterscheiden – zusammengefasst.
Anschließend erfolgt die Konzeption der angestrebten 3D-Simulationen der Schirmwirkung –insbesondere im Fernfeld der von der Quelle abgewandten Seite – verschiedener abge-knickter und gekrümmter bzw. unterschiedlich mit Impedanz belegter Lsw. Zusätzlich wird die quellseitige Reflexion dieser Lsw und die damit verbundene potenzielle Pegelerhöhung an Immissionsorten auf der Quellseite der Lsw betrachtet.
Im dritten Teil werden die geplanten numerischen Simulationen durch Anwendung der Finite-Elemente-Methode durchgeführt und ausgewertet. Bei der Auswertung wird der Fokus neben dem spektralen Schirmmaß insbesondere auf die Einfügungsdämpfung der jeweiligen komplexen Lsw gegenüber einer geraden, schallharten Lsw an der Position der ersten Beugungskante (Referenz) gelegt.
Abschließend erfolgt die Erstellung analytischer Beschreibungen zur Berücksichtigung der spektralen Wirksamkeit abgeknickter und gekrümmter bzw. unterschiedlich mit Impedanz belegter Lsw in Form von Zusatzdämpfungen gegenüber der Referenz für die Anwendung innerhalb der DIN ISO 96132 oder einer überarbeiteten Version der RLS.
In den letzten Jahren ist eine Vielzahl neuer Verfahren für die Erzeugung von Punktwolken für ingenieurgeodätische Zwecke auf den Markt gekommen. Dies betrifft sowohl terrestrische als auch mobile und Airborne Laserscan-Messsysteme (TLS, MLS, ALS) sowie photogrammetrische Systeme auf der Basis von Drohnen (UAVs). Jedes der unterschiedlichen Messsysteme weist Vor- und Nachteile auf oder ist nur in Kombination mit herkömmlichen Verfahren einsetzbar. Zum gegenwärtigen Zeitpunkt ist unklar, welche Systemspezifikationen für Anwendungen in der Straßenbauvermessung zweckmäßig und wirtschaftlich einsetzbar sind. Offen ist ebenfalls, inwieweit die Nutzung für anschließende Arbeitsprozesse einen Gewinn darstellt, z. B. durch georeferenzierte Punktwolken bei der Aufstellung des Entwurfs, bei der vermessungstechnischen Bauüberwachung oder bei der Bauabrechnung.
Ziel des Forschungsprojektes war es zu untersuchen, für welche Anwendungen in der Straßenbauverwaltung Punktwolken sowohl unter technischen als auch unter qualitativen Gesichtspunkten eingesetzt werden können. Es wurden die Vor- und Nachteile der Erfassungsverfahren aufgezeigt sowie Spezifikationen für die Auswahl einzelner Messsysteme bzgl. der Datenerfassung, -aufbereitung und -bereitstellung zusammengestellt. Dabei wurden auch Aspekte der Verkehrssicherheit und der Reduzierung der Verkehrsbeeinträchtigung berücksichtigt und diskutiert. Über den rein ingenieurgeodätischen Aspekt hinaus sollte die Frage beantwortet werden, inwieweit die Qualität einer Punktwolke in Hinblick auf einzelne Anwendungsfälle beurteilt werden kann und ob durch den Einsatz neuer Verfahren ein Mehrwert für anschließende Arbeitsprozesse aus den Bereichen Planung, Bau und Betrieb von Straßen zu erzielen ist.
Dazu erfolgte zunächst eine Darstellung der Grundlagen zur Punktwolkenerfassung, indem die Funktionsweisen der beiden wesentlichen Erfassungstechnologien zur Erzeugung von Punktwolken erläutert wurden. Anschließend galt es im Rahmen einer Anforderungsanalyse die möglichen Einsatzbereiche von Punktwolken zu beschreiben, die den einzelnen Lebensphasen eines Bauwerks zugeordnet wurden. Für die identifizierten Einsatzbereiche wurde aufgezeigt, unter welchen Voraussetzungen der Einsatz von Punktwolken einen Mehrwert liefern kann. Dazu erfolgte eine einsatzbereichsbezogene Bewertung sowie die Darstellung des mittel- bis langfristigen Nutzens des Einsatzes dieser Technologien. Weiterhin wurden verkehrssicherheitsrelevante Aspekte beim Einsatz von Drohnen entlang von Straßen thematisiert. Ein weiterer Abschnitt beinhaltete eine Marktanalyse zu den verfügbaren Hard- und Softwarekomponenten für die Erfassung und Verwendung von Punktwolken. Zuletzt erfolgte schließlich eine Beurteilung, inwiefern eine Anpassung der gültigen Regelwerke in Bezug auf den Einsatz von Punktwolken erforderlich ist. Dazu wurden die in den Lebensphasen jeweils relevanten Regelwerke gesichtet und der Anpassungsbedarf beurteilt.
Zusammenfassend ist festzustellen, dass neben der Planungs- und Bauphase der Einsatz von Punktwolken insbesondere in der Betriebsphase zielführend sein kann. Für den Rückbau ergeben sich analoge Anwendungsfälle wie bei der Bauphase. Es zeigte sich, dass der frühzeitige Einsatz von Punktwolken während der Planungs- und Bauphase für weitere Anwendungsfälle im Rahmen der Betriebsphase nutzenbringend sein kann.
Die Bewertung des Nutzens bzw. des Mehrwertes erfolgte zunächst im Sinne einer mittel- bis langfristigen Betrachtung als auch in Hinblick auf spezifische Einsatzbereiche. Neben dem Mehrwert wurden die bei der Erfassung auch zu berücksichtigenden juristischen Aspekte sowie der Einfluss auf den Straßenverkehr beleuchtet. Der Einsatz von Punktwolken macht insbesondere dann Sinn, wenn mehrere Fachgewerke bzw. Fachabteilungen über mehrere Lebenszyklusphasen eines Bauwerks auf die mit Hilfe von Punktwolken erzeugten Datensätze zugreifen. Dies betrifft bspw. die Inventarisierung der Straßenraumausstattung. Mit Hilfe von Punktwolken kann die räumliche Lage der einzelnen Elemente des Straßenraums sehr gut beschrieben und dokumentiert werden. Gleiches gilt für die Grundplanerstellung sowohl mit als auch ohne lärmtechnische Daten, bei denen eine Verortung von Objekten innerhalb eines größeren Analysegebiets von Bedeutung ist. Innerhalb der Betriebsphase besteht ein großes Nutzenpotential in der Verwendung von Punktwolkendaten zur Erstellung von BIM-Modellen bestehender Infrastrukturobjekte. Hierbei können die geometrischen Abmessungen der Bauwerke und Bauwerksteile mit Hilfe von (teil-)automatisierten Algorithmen identifiziert und in ein BIM-Modell integriert werden. Neben einem Überblick zu den am Markt verfügbaren Hard- und Softwaresystemen zur Erfassung und Verarbeitung von Punktwolken erfolgte auch eine Bewertung der Eignung diverser Systeme (auf Technologieebene) für die hier erörterten Einsatzbereiche.
Die für die verschiedenen Themenfelder relevanten Regelwerke, Projektierungsnormen und Gesetze bzw. Verordnungen wurden zusammengetragen und beurteilt, inwieweit diese um das Thema Punktwolken ergänzt werden sollten. Insgesamt erfolgte eine Beurteilung von ca. 100 Regelwerken, Normen, Gesetzen und Verordnungen. Für die Planungsphase, insbesondere für den Bereich Vermessung, konnten die meisten Regelwerke identifiziert werden, die ggf. anzupassen sind. Zusammenfassend ist jedoch festzustellen, dass kein unmittelbarer Handlungsbedarf zur Anpassung besteht. Gleichwohl wird bei einigen Regelwerken eine Ergänzung des Themas Punktwolken im Rahmen der nächsten Überarbeitung empfohlen.
Im Brückenbau ist aktuell der Einsatz von Betonen auf eine Festigkeit von ≤C50/60 beschränkt, da für die einwandfreie Herstellung von Bauteilen aus hochfestem Beton deutlich höhere Anforderungen an die Betonherstellung, die Verarbeitung und die Nachbehandlung zu stellen sind. Diese Beschränkung soll für Fertigteile von Brückenbauwerken, deren Herstellung unter werksmäßigen Bedingungen erfolgt, aufgehoben werden.
Ziel des Projektes war eine systematische Untersuchung zu den Auswirkungen der Planung von Brücken mit Fertigteilen aus hochfestem Beton. Es sollte insbesondere die Frage nach Grenzen dieser Bauweise zur Vermeidung einer dynamischen Anregung unter Verkehr oder zur Sicherstellung der Stabilität beantwortet, Einsparpotential bei Querschnittsabmessungen und Gewicht quantifiziert und ergänzende Regeln bzw. Entwurfsparameter für die Planung von Straßenbrücken erarbeitet werden.
Es wurden zunächst Typenentwürfe für ein einfeldriges Brückenbauwerk zur stützenfrei Überführung eines achtspurigen Autobahnquerschnitts (RQ 43,5) erarbeitet. Das Bauwerk wird als vorgespannte Fertigteilkonstruktion mit normalfester Ortbetonergänzung ausgeführt. Zur Quantifizierung des Einflusses des hochfesten Betons werden Entwürfe mit Fertigteilträgern aus hochfesten Beton und Normalbeton gegenübergestellt.
Grundlegendes Regelwerk für die Querschnittsausbildung ist der Entwurf der BEM-ING mit Angaben zu Mindestabmessungen und Empfehlungen zum maximalen Gewicht von Fertigteilträgern. So ist für Einfeldträger mit Spannweiten bis zu 45 m als Anhaltswert die Schlankheit des Gesamtquerschnitts auf einen Wert zwischen L/H=15 und L/H=25 und das Fertigteileigengewicht auf ca. 110 to zur Gewährleistung des Transportes und der Montage zu begrenzen.
Die Untersuchungen zeigten, dass der Einsatz von hochfesten Beton zu einer deutlichen Reduktion der Trägerhöhe und des -gewichts führt, so dass auch bei großen Spannweiten Konstruktionshöhen von L/25 machbar sind. Insbesondere im Hinblick von Ersatzneubauten mit vorgegebener Gradiente und einzuhaltendem Lichtraumprofil bietet der Einsatz von hochfesten Beton somit ganz neue Möglichkeiten.
Mit wachsender Biegeschlankheit der Spannbetonträger kommt der Kippsicherheit, der dynamischen Beanspruchbarkeit und der statischen Verformungen im Gebrauchszustand unter Verkehr eine immer größere Bedeutung zu. Auf Basis der Typenentwürfe wurden die Auswirkung des hochfesten Betons auf das Systemverhalten untersucht.
Im Endzustand ist ein Kippversagen der Fertigteilträger durch ein seitliches Ausweichen des Druckgurtes aufgrund der Ortbetondecke nicht maßgebend. Auch ein Knicken der Stege kann aufgrund der internen Vorspannung ausgeschlossen werden. Die Untersuchungen konzentrieren sich daher auf die Bewertung der Kippstabilität im Bauzustand. Es zeigte sich, dass der Zustand des aufgehängten Trägers während des Hebens maßgebend ist.
Als wesentliche Einflussfaktoren auf die Kippsicherheit wurde neben der Größe der Vorverformungen des Trägers infolge Herstell- und Montagetoleranzen, der Abstand der Hebepunkte vom Trägerende und die Druckgurtbreite v.a. der Vorspanngrad identifiziert.
So wird bei schlanken Trägern die geringere Biegesteifigkeit des Trägers durch einen höheren Vorspanngrad kompensiert, um die vertikalen Verformungen zu reduzieren und/oder eine Rissbildung im Endzustand unter Verkehr zu vermeiden. Im Bauzustand steigt jedoch die Gefahr der Rissbildung im Obergurt, was die Querbiegetragfähigkeit herabsetzt und damit die Kippsicherheit signifikant reduziert.
Die Wahl einer Vorspannung im nachträglichen Verbund oder eine Mischbauweise mit Spanngliedern im sofortigen Verbund ist in Hinblick der der Kippstabilität im Bauzustand daher zu empfehlen.
Insgesamt konnte bei allen Entwürfen eine ausreichende Kippsicherheit nachgewiesen werden. Eine weitere Erhöhung der Anhaltswerte der Schlankheit oder der Spannweite bei Einfeldbrücken gemäß BEM-ING wird auch in Hinblick einer Verformungsbegrenzung nicht empfohlen.
Für den Nachweis der Kippsicherheit der Bauzustände wird statt der Überprüfung eines Grenzkriteriums die Vewendung des Verfahrens nach Robert F. MAST (1993) empfohlen.
Die dynamischen Untersuchungen zeigten, dass eine starke dynamische Vergrößerung der Verkehrslasten nur stattfindet, wenn sich der für die Bemessung maßgebliche Lastfall aus wenigen schweren Lastwagen zusammensetzt, welche mit bedeutender Geschwindigkeit fahren. So ist bei Brücken mit großer Spannweite die Belastung durch ein Einzelfahrzeug für die Brückenträger unerheblich, auch wenn es zu massiver dynamischer Vergrößerung kommt. Dies spiegelt sich auch im mit wachsender Spannweite sinkenden Schwingbeiwert gemäß DIN1072 wider, der bei Spannweiten ≥ 50 m den Wert 1,0 annimmt.
Es konnte gezeigt werden, dass das normative Lastmodell LM1 gemäß EC1 die dynamische Vergrößerung aus Verkehr ausreichend abdeckt und auf eine dynamische Untersuchung von Brücken mit Trägern gemäß dem aktuellen Entwurf der BEM-ING verzichtet werden kann.