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.

Im Rahmen des Forschungsprojektes „Erprobung einer geothermischen Bergwassernutzung am Grenztunnel Füssen“ wurde die Funktionsweise einer „direkten, passiven geothermischen Freiflächentemperierung“ erprobt, die in den Jahren 2019/20 auf dem Betriebshof der Autobahnmeisterei am Nordportal des Grenztunnels Füssen baulich realisiert wurde. Hierzu wird das Bergwasser des angrenzenden Grenztunnels Füssen durch bifilar verlegte Rohrregister gepumpt. Das Bergwasser erwärmt im Winter die Fahrbahnoberfläche, um diese schnee- und eisfrei zu halten, und kühlt diesen im Sommer ab, um Spurrillenbildung vorzubeugen. Das in diesem Kontext realisierte Technikum ist mit neun Freiflächen ausgestattet, wobei der Fahrbahnaufbau bei sechs Freiflächen aus Asphalt und bei den weiteren drei aus Beton besteht; jeweils eine Beton- und eine Asphaltfläche wurde als Referenzflächen nicht mit Rohrregistern versehen. Die Testflächen variieren bezüglich der Anordnung der Rohrleitungen hinsichtlich der Tiefenlage, den Rohrachsabständen sowie bezüglich des Deckschichtaufbaus. In jedem Feld wird der Durchfluss, Vor- und Rücklauftemperatur, sowie in Feldmitte, als auch am Rand die Temperatur in zwei Sensorebenen unterhalb und oberhalb der Rohrleitungen gemessen. Bei direkten, passiven Freiflächenheizungen wird das Wasser direkt ohne Wärmetauscher und -pumpe durch die Rohre gepumpt. Die einzig verstellbare Größe stellt der Volumenstrom dar, welcher die Geschwindigkeit des durchströmenden Wassers bestimmt. Der dimensionslose Wärmeübergangskoeffizient des strömenden Wassers zur Umgebung nimmt mit Anstieg der Geschwindigkeit zu, so dass mehr Wärme übergeben wird. Im Rahmen des von der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) geförderten Forschungsvorhabens „Erprobung einer geothermischen Bergwassernutzung am Grenztunnel Füssen“ wurde das Technikum durch das Institut für Geotechnik der Universität Stuttgart über zwei Jahre in Winter- und Sommerperioden im Einsatz getestet. Im Fokus der Forschungsaktivitäten stand die vollständige Erfassung und Analyse der Wärmeströme temperierter Verkehrsflächen und anwendungsorientiert die Entwicklung eines möglichst effizienten und störungsfreien Betriebskonzeptes solcher Anlagen. Das Forschungskonzept für das Technikum Füssen sah vor, wesentliche Parameter der atmosphärischen Wärmeströme messtechnisch zu erfassen, daneben aber die Analyse der Messergebnisse durch numerische Simulationen zu ergänzen, die notwendig sind, um die für die Energiebilanz zur Freiflächentemperierung erforderlichen Wärmeströme, die messtechnisch nicht vollständig erfasst werden können, ergänzend abzubilden und die im weiteren als Übertragungsmodell genutzt werden sollen, um auf der Basis von Parameterstudien Empfehlungen für die Planung und den Betrieb von direkten, passiven geothermischen Flächentemperierungen auch für von dem Standort Füssen abweichende Randbedingungen abzuleiten. In eine optimierte automatische Anlagensteuerung wurden dabei auch Wetterprognosen integriert. Im Ergebnis wurde eine Implementierungshilfe zum Einsatz von direkten, passiven Freiflächenheizungen zur Schnee- und Eisfreihaltung von Verkehrsflächen an Tunnelportalen formuliert, die einen wesentlichen Beitrag dazu leisten soll, solche nachhaltigen Konzepte zu einer Regelanwendung an Tunnelportalen zu machen. Zur Bemessung und Auslegung der Anlage wurden alle auf die Freiflächen wirkenden, messbaren und nicht regulierbaren Wärmeströme ermittelt und quantifiziert. Zu allen Wärmeströmen gibt es, sofern alle notwendigen Daten vorliegen, analytische Berechnungsmöglichkeiten. Um das Verhalten der Anlage zu analysieren und um bei numerischen Untersuchungen Szenarien zu untersuchen, deren Randbedingungen klar definiert und messbar sind, wurden Testszenarien entwickelt. Es wurden für den winterlichen Betrieb fünf und den sommerlichen Betrieb zwei Testszenarien definiert, welche eine atypische Steuerung bei außergewöhnlichen Wetterereignissen vorsahen, um darüber hinaus auch die Grenzen der Leistungsfähigkeit der Anlage auszuloten. Im Testszenario „Schneefall“ trat starker Schneefall ein, sodass zu den ohnehin gemessenen Daten die Dichte, Intensität und Temperatur des Schnees gemessen werden konnte. Die Auswertung weiterer Schneemessungen ergab, dass mit abnehmender Außentemperatur die wärmedämmende Wirkung des Schnees steigt .Ein weiteres Szenario zur Untersuchung der Glätte, sollte Kenntnisse zur Trägheit bzw. Reaktionszeit des Systems liefern, weshalb die Anlage über längere Zeit außer Betrieb genommen wurde, bevor die Anlage dann bei der Ankündigung von Glätte mit adäquater Vorlaufzeit aktiviert wurde. Um die, das Verhalten der Freiflächenheizung maßgebend beeinflussenden Parameter, zu analysieren und einordnen zu können, wurden numerische Simulationen mit einem gekoppelten hydraulisch-thermischen Modell durchgeführt. Das Modell simuliert das Verhalten der Freiflächen während der Testszenarien und soll die schwer durch Messungen ermittelbaren Wärmeströme (z. B. kurzwellige Strahlung) identifizieren und quantifizieren. Die Validierung der Simulation erfolgt anhand der Messdaten, welche in Perioden erfasst wurden, in denen die äußeren atmosphärischen Randbedingungen möglichst präzise bestimmbar sind. Es zeigt sich, dass die numerisch ermittelten und gemessenen Daten gut übereinstimmen. Die Parameterstudien bestätigte u.a. die Beobachtung, dass Kupferleitungen höhere Fahrbahnoberflächentemperaturen induzieren. Ferner wurde eine Aktivierungszeit von 9 Stunden vor Ankündigung eines Wettereignisses (Glätte etc.) als ausreichend ermittelt, um die Fahrbahnoberflächen auf ein verwertbares Temperaturniveau zu heben. Es wurde auch festgestellt, dass das Abschmelzen von Schnee sehr energieintensiv ist i.e. nicht jeder Schneefall kann unmittelbar abgeschmolzen werden und es bedarf ggf. zusätzlicher Straßenräumung. Die Eisfreihaltung an der Freiflächenoberfläche konnte aber gewährleistet werden, sodass bei starkem Schneefall zwar geräumt werden muss, aber kein Salz zum Auftauen benötigt wird. Die tatsächlich gemessenen Klimadaten stimmen nicht immer mit der Prognose überein, sodass, um auf der sicheren Seite liegend, bei der automatischen Steuerung sowohl gemessene Daten als auch Wetterprognosen berücksichtigt wurden. Die Programmierung der Steuerung erfolgte mittels eines Python Scripts. Die Fernsteuerung wurde im Winter 2021/22 erfolgreich für den Betrieb der Anlage eingesetzt. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Flächen durchgehend eisfrei gehalten werden konnten. Alle bei Planung, Bemessung und Betrieb gewonnenen Erkenntnisse wurden in eine Implementierungshilfe integriert, welche potenziellen Anwendern die Planung von direkten, passiven Freiflächenheizungen erleichtert. Das Forschungsvorhaben belegt, dass die an deutschen Straßentunneln anfallende Drainage- bzw. Bergwässer als nachhaltige Energiequelle u. a. für die Temperierung von Betriebsgebäuden und zur Temperierung von Verkehrs- und Betriebsflächen an den Tunnelportalen genutzt werden können. Das Konzept kann bei allen Bestandstunneln, bei denen Tunneldrainagewässer anfallen, grundsätzlich eingesetzt und die Verfahrenstechnik dabei auch nachträglich installiert werden. Die Nutzung von Drainagewässern ist grundsätzlich grundlastfähig und kann damit sowohl zur Kühlung, aber auch zum Heizen eingesetzt werden. Die Temperierung von Verkehrsflächen zur Eis- und Schneefreihaltung eine zweite besonders effiziente Nutzung, die es erlaubt, ausgewählte Bereiche vor Tunnelportalen und auf Betriebsflächen im Winter energieeffizient zu beheizen und somit den hier oft besonders aufwändigen Winterdienst (Freihaltung Fluchtwege etc.) und den Taumitteleinsatz vor Tunnelportalen zu reduzieren. Zugleich kann der bauwerksschädigende Eintrag von Streusalz und Chloriden in den Tunnel verringert und hierdurch die Lebensdauer von Tunnelschale und -ausbau verlängert werden. In Hinsicht auf die Nutzung erneuerbarer Energien im Betrieb von Straßentunneln bieten sich hier innovative Konzepte für die Zukunft, die auch bei Bestandstunneln nachgerüstet werden können.

Dieses Forschungsvorhaben beschäftigt sich mit der Eignung des Radarverfahrens hinsichtlich der Prüfaufgabe Betondeckungsmessung. Das Radarverfahren wird hierzu mit dem etablierten magnetisch induktiven Verfahren in der Betondeckungsmessung verglichen. Übergeordnete Ziele sind langfristige Untersuchungen mit Radar an jungen Betonkörpern und nach hinreichender Austrocknung sowie Betondeckungsmessungen, die zu schwierig interpretierbaren Ergebnissen führen. Für vergleichende Untersuchungen zur Ermittlung der Leistungsfähigkeit des Radarverfahrens und dem magnetisch induktiven Verfahren wurden Testkörper hergestellt. Der Einfluss der Betonfeuchte auf die Genauigkeit der Messergebnisse wurde an einem Testkörper über einen Zeitraum von 15 Monaten untersucht. Ein weiterer Testkörper wurde für die Untersuchung der getrennten Erkennbarkeit von benachbarten Stäben und zum Einfluss dichtbewehrter Bereiche über einen Zeitraum von 7,5 Monaten regelmäßig gemessen. Für die Messungen an den hergestellten Testkörpern wurden das Radargerät Hilti PS-1000, für das magnetisch induktive Referenzverfahren das Profoscope und das Profometer der Firma Proceq sowie zur Feuchtemessung die Gann Aktiv Elektrode verwendet. Für die Auswertung und Bewertung der Messergebnisse wurden die Radardaten in die Software ReflexW eingelesen, bearbeitet und die Laufzeiten bestimmt. Im Hinblick auf den Messaufwand und die Messgeschwindigkeit unterscheiden sich das Radarverfahren und das magnetisch induktive Referenzverfahren kaum. In der Auswertung ist das Radarverfahren jedoch zeitintensiver und erfordert mehr Erfahrung, Praxis im Umgang mit der Software und Kalibrierung der Permittivität. Die Ergebnisse zeigen, dass sich das magnetisch induktive Verfahren sich für eine Detektion der Bewehrungsstäbe mit einer Betondeckungsmaßen von 20 - 70 mm bei Einhaltung der im DBV-Merkblatt geforderten Genauigkeit eignet. Die Bewehrungsstäbe bis in 150 mm Tiefe konnten schon drei Tage nach der Betonage mit dem Radargerät detektiert werden. Hier konnten im oberflächennahen Bereich die Bewehrungsstäbe mit Abweichung und im tieferen Bereich ohne nennenswerte Abweichung detektiert werden. Den Abschluss bildet eine Handlungsanweisung, die dem Anwender hilft, die Stärken beider Verfahren unter Berücksichtigung der Randbedingungen nutzen zu können.

Ausfälle der Verkehrsinfrastruktur bedingt z. B. durch Naturereignisse, menschliche Einwirkungen oder technisches Versagen können zu hohen volkswirtschaftlichen Kosten führen, wenn sie zu längeren Unterbrechungen von kritischen Streckenelementen führen. Ein wachsendes Mobilitätsbedürfnis, alternde Infrastrukturen sowie die Zunahme von externen Stressfaktoren wie beispielsweise dem Klimawandel stellen zusätzliche Herausforderungen für die Betreiber von Verkehrsinfrastrukturen dar. Ein umfassendes Infrastrukturmanagement ist deshalb für eine hohe Verfügbarkeit und eine Aufrechterhaltung der Funktionalität im Ereignisfall unabdingbar. Was heute mehrheitlich noch fehlt, ist ein ganzheitliches, systematisches Management, das die übergeordnete Systemresilienz beurteilt und die Beurteilung von Maßnahmen hinsichtlich ihres Beitrags zur Aufrechterhaltung der Funktionsfähigkeit der Verkehrsinfrastruktur ermöglicht. Dieses Forschungsprojekt knüpft an das Forschungsprojekt FE 89.0330/2017 Reaktions- und Wiederherstellungsprozess für die Straßeninfrastruktur nach disruptiven Ereignissen an, indem der bestehende Ansatz zur Bewertung der Resilienz von Straßeninfrastrukturen methodisch und inhaltlich optimiert und weiterentwickelt wird. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf dem Transfer in die Praxis. Dafür wird ein webbasiertes IT-Tool entwickelt, mit welchem die Resilienz der Straßeninfrastruktur sowie die Resilienzwirkung von Maßnahmen bewertet werden können. Um die Nutzung des IT-Tools zu erleichtern, wird ein Benutzerleitfaden erstellt. Ein Implementierungskonzept zeigt auf, wie Methodik und IT-Tool in der Praxis zur Anwendung kommen sollen. So wird ein wichtiger Meilenstein für die Integration einer Resilienzbewertung als fester Bestandteil des Verkehrsinfrastrukturmanagements erreicht und der Grundstein für eine Überführung der theoretischen Konzepte aus der Forschung in die Praxis gelegt werden, sodass auch zukünftig Entscheidungen im Infrastrukturmanagement zur Aufrechterhaltung der Funktionalität der Straßen besser vorbereitet und Maßnahmen respektive Investitionen besser begründet werden können.

Brücken sind als wichtiger Teil der Verkehrsinfrastruktur über die gesamte Lebensdauer kontinuierlich hohen Beanspruchungen ausgesetzt. Eine dauerhafte Sicherstellung ihrer Leistungsfähigkeit mit dem Ziel minimaler Ausfallzeiten stellt eine große Herausforderung dar. Nur durch eine effektive Bauwerkserhaltung kann die Nutzungsdauer maximiert werden. Hierfür werden regelmäßige Inspektionen durchgeführt, welche die Tragsicherheit, Gebrauchstauglichkeit und Verkehrssicherheit der Bauwerke gewährleisten. Ein kontinuierliches Monitoring wird derzeit meist nur anlassbezogen eingesetzt und nur an konkreten Fragestellungen orientiert ausgewertet. Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines Konzeptes zur Unterstützung eines Lebenszyklusmanagements (LZM) von Brücken mit Monitoringdaten. Durch Clusterbildung sind über den gesamten Brückenbestand die relevanten Bauteile und die dazugehörigen Grenzzustände zu definieren. Es werden die Potenziale von Monitoringverfahren zur Gewinnung von Zustandsinformationen ermittelt. Das Monitoring einer Brücke führt nicht nur dann zur Verbesserung des LZM auf Netzebene, wenn die Restnutzungsdauer verlängert wird, sondern auch, wenn der Zeitpunkt einer Instandsetzungsmaßnahme frühzeitig erkannt werden kann. Die Auswertung von Monitoringdaten liefert gezielt Informationen über relevante Bauteilzustände, die wiederum mithilfe von zielgerichtet definierten Key Performance Indikatoren (KPI) zu Aus-sagen über den Zustand des Bauwerkes aggregiert werden können. In diesem Zusammenhang erfolgt auch eine Verknüpfung mit typischen Erhaltungsmaßnahmen zur Berücksichtigung im LZM. Bei-spielhaft wird für typische Brückenschädigungen der Einsatz von sensor- und bildbasierten Monitoringsystemen erläutert, welche die Entscheidungsgrundlage für eine zustandsbasierte prädiktive Erhaltungsplanung von Brücken liefern können. Dies kann dann durch Aussagen zu Restnutzungsdauern und der Wirksamkeit von Erhaltungsmaßnahmen über die Gesamtheit aller Brückenbauwerke in eine fortschrittliche Erhaltungsplanung überführt werden.

Für das Pilotprojekt „Intelligente Brücke im Digitalen Testfeld Autobahn“ wurde das Bauwerk BW 402e im Bereich des AK Nürnberg mit vier einzelnen, voneinander unabhängigen Monitoring­Systemen, einem Server und einer Internet­Verbindung ausgestattet. Die Monitoring­Systeme bestehen aus zwei intelligenten Kalottenlagern, einer intelligenten Schwenktraversen­Dehnfuge, dem System RTMS zur Erfassung relevanter Brückenkennwerte und Verkehrsbelastungen und einem drahtlosem Sensornetz zur Erfassung von Bauwerkseigenschaften und Wetter. Während der fünfjährigen Projektlaufzeit wurde der Betrieb und die Funktionsfähigkeit der Anlage sichergestellt, sodass die Systeme Datenerfassungsquoten zwischen 70 % und 97 % erreichten. Alle Systeme verarbeiten die Sensordaten automatisiert auf der lokal installierten Hardware zu relevanten Kenngrößen, die den Zustand des Bauwerks, einzelner Bauteile sowie Verkehrseinwirkungen und klimatische Einwirkungen erfassen. Diese aggregierten Daten sowie die Messdaten werden auf dem Server gespeichert bzw. in einer Datenbank abgelegt. Basierend auf dieser Datenbank werden die Ergebnisse kontinuierlich und mit einem möglichst geringen Zeitversatz tabellarisch und grafisch auf einer Webpage den Betreibern zur Verfügung gestellt. Zu den Ergebnissen, die auf der Webpage dargestellt werden, gehören Status der Messsysteme und Einzahlwerte zum Bauwerksstatus und Verkehr, Wetterdaten, Verkehrsdaten und Oberflächentemperaturen, Bauwerkssteifigkeit und externe Vorspannung, statistisch ausgewertete Messdaten und Auslastungsgrade, Daten der intelligenten Fahrbahnübergangskonstruktion und der intelligenten Lager, Messdaten aus dem drahtlosen Sensornetz, Störungen bzw. Ausfall der Internetanbindung und Informationen zum Bauwerk.

Das System Intelligente Brücke in seiner Gesamtarchitektur stellt mit seinen Funktionsgruppen am Bauwerk und in der Zentrale / beim Anwender, den vielzahligen zugehörigen physikalischen und logischen Schnittstellen sowie den vielfältigen Übertragungsprozessen eine umfangreiche technische Anlage mit zum Teil hohem Komplexitätsgrad dar. Darüber hinaus soll diese messtechnische Anlage über einen an das Bauwerk angeglichenen Lebenszyklus als integraler Bestandteil dieses anforderungskonform, betriebssicher und wirtschaftlich betrieben werden, was insbesondere auch weitere Anforderungen an Dauerhaftigkeit sowie Wartungs-, Erhaltungs-, Aktualisierungsund Erweiterungsfähigkeit über diese Zeiträume stellt. Ziel des Projekts ist daher die Erstellung eines Konzepts zur systematischen Erfassung erforderlicher Anforderungen an diese Anlagen in einem qualitätsgesicherten Planungs-, Entwurfsund Entwicklungs-, Ausführungs- und Abnahmeprozess.

Ziel des F+E-Vorhabens „Entwicklung einer Methodik einschl. Prototyp für eine optimierte Planung von Ertüchtigungen und/oder Ersatz wichtiger Brücken der Bundesfernstraßen“ war es, ein prototypisches Verfahren zu entwickeln, das für ein Teilnetz der Bundesfernstraßen, Ertüchtigungs- und/oder Erneuerungsmaßnahmen an Brücken in ein optimiertes Ertüchtigungsprogramm überführt und die gesamtwirtschaftlichen Auswirkungen durch Nichtverfügbarkeit oder beschränkte Nutzbarkeit der Brücken minimiert. Im Ergebnis entstand eine Methodik, welche die folgenden Aspekte beinhaltet: Das Verfahren zur Vorselektion von Bauwerken unter baulichen und gesamtwirtschaftlichen Aspekten soll den Baulastträgern dazu dienen, frühzeitig besonders kritische Bauwerke zu identifizieren, um diese in ein Verfahren zur Maßnahmenplanung auf Teilnetzebene einbeziehen zu können. Eng verknüpft mit der baulichen Vorselektion ist die Bestimmung des baulichen Maßnahmenbedarfs. Art der Maßnahme und Eingreifzeitraum werden auf Basis der Vorselektionsstufe und dem Zustand des Bauwerks ermittelt. Im Fokus stehen schließlich die gesamtwirtschaftlichen Wirkungen von verkehrlichen Einschränkungen aufgrund der Ertüchtigungs- und Erneuerungsmaßnahmen an den Bauwerken. Hierbei finden neben den maßnahmenbedingten Baulastträgerkosten und den veränderten Restwerten der Bauwerke, die Veränderung von Reisezeiten, Emissionen und Unfällen im von Verkehrseinschränkungen direkt oder indirekt betroffenen Teilnetz Berücksichtigung. Für die Erarbeitung optimierter Ertüchtigungsprogramme ist eine Betrachtung von gleichzeitigen (Teil-) Sperrungen von Brücken und den entstehenden Wechselwirkungen im Verkehrsmodell von besonderer Bedeutung. Und zwar insbesondere vor dem Hintergrund der Vielzahl an zu ertüchtigenden Bauwerken im Bundesfernstraßennetz bei gleichzeitig vergleichsweise guter Finanzausstattung des Programms zur Brückenmodernisierung. Die Methodik zur Aufstellung von optimierten Ertüchtigungsprogrammen hat zum Ziel, für die Gesamtheit der im Teilnetz erforderlichen Maßnahmen einen möglichst hohen gesamtwirtschaftlichen Nutzen zu generieren, d. h. die negativen Auswirkungen von Verkehrseinschränkungen durch Baustellen sollen für die Verkehrsteilnehmer insgesamt möglichst gering gehalten werden. Die Berechnung erfolgt mittels eines auf dem sog. Tabu-Search-Verfahren basierenden Optimierungsansatz. Zur Überprüfung der Methodik wurde sie in einem auf Microsoft Excel und VBA sowie der Verkehrsplanungssoftware PTV Visum basierenden Software-Prototyp implementiert. Angewendet wurde das Verfahren auf ein Beispiel mit 16 Brücken – darunter vier wichtige Rheinquerungen – in Nordrhein-Westfalen.

Um die BIM-Methode im Erhaltungsmanagement von Brückenbauwerken anzuwenden und die BIM-Modelle über die Lebenszyklusphasen Planung und Bau auch im Betrieb durchgehend nutzen zu können, müssen frühzeitig Definitionen und Anforderungen festgelegt werden, die an die BIM-Methodik für das Erhaltungsmanagement gestellt werden. Das Ziel des Projektes ist es, den gesamten Informationslebenszyklus eines Brückenbauwerkes zu untersuchen und dabei insbesondere die für das Betriebs- und Erhaltungsmanagement notwendigen Informationen zu berücksichtigen. Wesentlich dabei ist es, zu identifizieren, welche Informationen relevant für die gängigen Anwendungsfälle und Szenarien im Erhaltungsmanagement sind. Die relevanten Informationen werden dann den möglichen Datenquellen zugeordnet. Der Fokus liegt dabei auf der Praxistauglichkeit sowohl beim Erhaltungsmanagement, das üblicherweise von Behörden verantwortet wird, als auch im Informationsbeschaffungsprozess, bei dem verschiedene Beteiligte involviert sind. In den vergangenen 15 Jahren wurden im Rahmen verschiedener Projekte umfangreiche Untersuchungen zur Anwendung von BIM im Brückenbau durchgeführt. Dabei stellt vor allem die Veröffentlichung des IFC-Bridge Standards einen wesentlichen Fortschritt dar. Dennoch fehlen weiterhin konkrete Prozesse, Standards sowie Umsetzungsstrategien des Bundes. Expertenbefragungen hinsichtlich der Informationsanforderungen und der Umsetzung von Anwendungsfällen im Erhaltungsmanagement haben zu den Ergebnissen geführt, dass der Umfang der in den bestehenden Regelwerken geforderten Informationen ausreichend ist, die Informationsquellen und die Form der Information selbst jedoch nicht einheitlich und eindeutig sind. Aus den Befragungen und Analysen des Status quo im Erhaltungsmanagement hat sich ein Konzept entwickelt, welches aus einem Frontend, also der Benutzeroberfläche eines BIM-Bestandsmanagementsystems, und aus einem Backend mit den verschiedenen Datenquellen besteht. Die Grundprinzipien des Konzeptes sind, dass alle Informationen im Backend vorhanden sein sollen und dass alle Informationen in einer auswertbaren Form zur Verfügung stehen müssen. Hinsichtlich der Zuordnung zwischen Dokumenten und Modelelementen wurde eine Verknüpfung über ein Metadatenkonzept oder das Hinterlegen von Links hinsichtlich der Handhabung als sinnvoll erachtet. Dabei werden die Daten in ihrer ursprünglichen Form beibehalten und so eine langfristige Archivierung sichergestellt. Um die als notwendig identifizierten Informationen möglichst aufwandsarm zu erheben und für den Betrieb bereitzustellen, wurden zunächst die Begriffe As-built Modell und Digitale Bauwerksakte definiert. Im Rahmen einer BIM-gestützten Planung ist für ein As-built Modell sicherzustellen, dass dieses im Rahmen der Toleranzen dem gebauten Zustand entspricht. Für die Einführung des BIM-gestützten Erhaltungsmanagement bei Bestandsbrücken ergibt sich die große Herausforderung, dass Daten vielfach nur begrenzt digital vorliegen. Für die Erstellung der digitalen Bauwerksakte wurden die Ansätze Fusion-Data und Linked-Data un-tersucht und der Linked-Data Ansatz weiterverfolgt. Für die Verwaltung von As-built Modellen wird das IFC 4x2 Format empfohlen. Für die Anwendungsfälle Bauwerksprüfung, Nachrechnung, Schwertransporte, Durchführung von Erhaltungsmaßnahmen, Erweiterung des Bauwerks in Form von Um- und Ausbau sowie die Auswertung von Netzstatistiken wurde der Einfluss von BIM, die Nutzung der Informationen sowie die daraus entstehenden Soll-Prozesse im Betrieb konzipiert. Dafür wurde anhand eines praxisgerechten Konzepts die Umsetzung der Anwendungsfälle über das Frontend dargestellt. Das Konzept verfolgt die Voraussetzungen einer webbasierten Software als Frontend, welche als Zugang zur digitalen Bauwerksakte dient. Zur Demonstration der entwickelten Konzepte werden anhand des realen Projektes BW 27/1 der A99 die BIM-Anwendungsfälle des Erhaltungsmanagements implementiert. Auf Grundlage der in den AIA ergänzten Attributtabellen wurden die Attribuierung der BIM-Modelle sowie die Prüfung der Attribute durchgeführt. Weiterhin wurden die Dokumente auf Grundlage der entwickelten Konvention parametrisiert und regelbasiert mit den Daten verlinkt. Auf Grundlage der daraus erstellten digitalen Bauwerksakte wurde für die Umsetzung der Anwendungsfälle eine softwarespezifische Demo erstellt. Auf Grundlage der im Projekt begegneten Technologien wird ein Ausblick in künftige Trends und Entwicklungen gegeben. Laut einer Studie von Roland Berger werden Trends wie Cloud-Computing, Big Data, Internet of Things, Künstliche Intelligenz, Blockchain, Virtual und Augmented Reality, Robotik, Sensorik oder Smart Buildings und Smart Cities auch maßgebenden Einfluss auf das Planen, Bauen und Betreiben der Bauwerke von morgen haben.

Für den Nachweis der Querkrafttragfähigkeit von Fahrbahnplatten ohne Querkraftbewehrung gibt es nach derzeitiger Bemessungspraxis keine einheitliche Vorgehensweise. Die bisherigen Erfahrungen zeigen, dass die Ergebnisse der Berechnungen sowohl bei der Ermittlung der Beanspruchungen als auch bei der Interpretation der Bemessungsverfahren nach DIN EN 1992-2 und zugehörigem Nationalen Anhang in einer erheblichen Bandbreite voneinander abweichen können, ohne dass immer eindeutig beurteilt werden kann was richtig oder falsch ist. Die Schnittgrößenermittlung und Bemessung entscheidet aber darüber, ob Querkraftbewehrung erforderlich ist oder nicht. Besonders wenn es dadurch im Zuge der Ausführungsplanung zu anderen Ergebnissen kommt als bei der Entwurfsplanung, führt dies auch zu vertraglichen Problemen für den Bauherrn. Ein weiteres Problemfeld kann die Nachrechnung bestehender Bauwerke darstellen, da die Fahrbahnplatten des Bestands in der Regel ohne Querkraftbewehrung ausgeführt wurden. Vor diesem Hintergrund besteht aus Bauherrensicht die Notwendigkeit, eine einheitliche Vorgehensweise für die Berechnung und Bemessung von Fahrbahnplatten ohne Querkraftbewehrung bei Querkraftbeanspruchung auf Grundlage des aktuellen Stands von Wissenschaft und Technik zu entwickeln, um eine sichere und wirtschaftliche Bemessung zugleich mit eindeutigen Vorgaben zu gewährleisten. Ziel des Forschungsvorhabens ist die Erarbeitung einer einheitlichen Vorgehensweise für den Nachweis von Fahrbahnplatten ohne Querkraftbewehrung. Dabei werden Vorschläge erarbeitet, die mechanisch begründet und für die Bemessungspraxis geeignet sind. Zudem werden entsprechende Textvorschläge zur Aufnahme in Bauherrenregelungen formuliert. Das Problem umfasst sowohl die Ermittlung der Beanspruchungen als auch des Tragwiderstands bei Querkraft von Fahrbahnplatten ohne Querkraftbewehrung. Beide Seiten, die Beanspruchung vEd und der Tragwiderstand vRd, stehen dabei in einer gewissen Abhängigkeit zueinander (z. B. auflagernahe Einzellasten, Interaktion Biegung/Querkraft, Kalibrierung des Bemessungsmodells, Betontraganteil Vccd).

Die Anpassung von Bestandsbrücken für zukünftige Verkehrsbelastungen ist häufig mit der Veränderung oder Erneuerung der Fahrbahn verknüpft. Der geänderten Situation entsprechend sind statische Nachweise zur Tragsicherheit erforderlich. Die Nachrechnungsrichtlinie [1] für den Teil Mauerwerk soll mit der Nachrechnung bestehender Gewölbebrücken validiert, sowie auf den aktuellen Stand der computerunterstützten Nachweisführung angepasst werden. Bei Bogenbrücken aus Mauerwerk und unbewehrtem Beton ist das sogenannte Stützlinienverfahren vorteilhaft anwendbar, da hiermit die Strukturnichtlinearität infolge der belastungsabhängigen Rissbildung mit klaffenden Fugen berücksichtigt wird. Beim Nachweis von Mauerwerksstrukturen sind im Allgemeinen die drei folgenden Nichtlinearitäten zu berücksichtigen: • Strukturnichtlinearität (klaffende Fugen) • Geometrische Nichtlinearität (Knicken) • Materialnichtlinearität („plastisches“ Verhalten von Mörtel) Die Analyse nichtlinearer Aufgabenstellungen erfordert deshalb vertiefte Fachkenntnisse des Ingenieurs. Im Gegensatz zur linear-elastischen Berechnung sind hier Sensitivitätsuntersuchungen notwendig, damit sich die Einflüsse bestimmter Eingangswerte besser beurteilen lassen. Das Baumaterial Mauerwerk lässt sich bei genauerer Analyse nicht mehr als elastisches Kontinuum abbilden, da sich die Struktur entsprechend der Einwirkungskombination durch Rissbildung mit sich öffnenden Fugen verändert. Mithilfe der Methode der finiten Elemente entsteht mit Einbau von Kontaktelementen zwischen den Fugenrändern der Steine das sogenannte Diskontinuumsmodell. Die verknüpften Kontaktelemente übertragen nur Druck- und Reibungskräfte. Dieses wichtige Detail ermöglicht die realitätsnahe Modellierung von Mauerwerk mit Rissbildung unter Laststeigerung. Die Tragfähigkeit von Mauerwerk wird neben der Steindruckfestigkeit im Besonderen von der Steinzugfestigkeit bestimmt. Bei Bogenbrücken aus quaderförmigem Natursteinmauerwerk spielt wegen der verhältnismäßig geringen Fugendicke die Mörteldruckfestigkeit eine untergeordnete Rolle. In der aktuellen Normung wird vereinfachend auf der Widerstandsseite nur ein einziger Sicherheitsbeiwert Ƴm festgelegt. Zur rechnerischen Erschließung weiterer Tragreserven lassen sich aber auch die Einzelkomponenten auf der Widerstandsseite absichern. 1. Die Teilsicherheitsfaktoren basieren auf folgendem Nachweisprinzip: Berechnung der Beanspruchung der Konstruktion über Spannungen mit Schnittgrößen (Stützlinie oder Stützfläche); Darstellung als Beanspruchungspfad 2. Ermittlung der Beanspruchbarkeit des Mauerwerks (Darstellung als Bemessungs-Traglastkurve) 3. Vergleich Beanspruchung ≤ Beanspruchbarkeit Am Beispiel von fünf Gewölbebrücken aus Mauerwerk wird die Nachrechnungsrichtlinie für den Einsatz aktueller Rechentechnik und dem aktuellen Stand der Normung validiert. Im Zuge dieses Forschungsvorhabens sind für die praktikable Nachweisführung Vorschläge zur Aktualisierung der Richtlinie dokumentiert. Dabei wurden folgende Parameter untersucht: • Geometrie mit verschiedener Spannweite, Stichhöhe, Bogendicke, Kreisbögen mit konstantem und konischem Querschnittsverlauf vom Scheitel bis zum Kämpfer • Steifigkeit der Bögen mit E-Modul für Mauerwerk • Steifigkeit der Aufbauten als Auffüllung (Hinterfüllung) • Laststellungen mit Lastverteilung in Querrichtung (mitwirkende Breite) • Einwirkung aus Temperatur • Mauerwerksart: Ziegel- Natursteinmauerwerk • Mauerwerk verschiedener Festigkeiten • Bemessungsfestigkeit aus Sicherheitskonzept • Bemessungs-Tragfähigkeit unter ausmittiger Beanspruchung (Bemessungs-Traglastkurve) Die Ausnutzungsgrade für die Nachweise wurden dokumentiert: 1. Grenzzustand der Tragfähigkeit (GZT) • Ausnutzungsgrad für maßgebende Einwirkungskombination • Ausweis der Tragreserve für eine mögliche Laststeigerung (faktorisierbare Lastbilder) 2. Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit (GZG) • Nachweis, dass unter dem 1,0-fachen Lastmodell der Querschnitt rechnerisch nur bis zur Querschnittsmitte aufreißen (klaffen) darf, d.h. Resultierende der Beanspruchung mit Ausmitte bis zur 2. Kernweite (m ≤ 2) • Nachweis, dass unter ständigen Einwirkungen der Querschnitt rechnerisch überdrückt ist, d. h. Resultierende der Beanspruchung mit Ausmitte bis zur 1. Kernweite (m ≤ 1) Die Beispielbrücken ließen sich auf Grundlage der ergänzten Nachrechnungsrichtlinie nachweisen, wobei alle geforderten Grenzzustände eingehalten sind.

Deutschland verfügt über eine gut ausgebaute Infrastruktur. Deutschland ist auch ein hochfrequentiertes Transitland. Der Verkehr allgemein und der Straßenverkehr insbesondere sind relevante Wirtschaftsfaktoren. Die kontinuierliche Schaffung und Erhaltung eines Netzes von Ingenieurbauwerken im Verkehrssystem Straße sind Ziele des verschiedener Management Systeme. Die Systeme leben von den vorhandenen Daten. Hierzu zählen Daten des Verkehrs und Daten des Status des Bauwerkes. Im Rahmen des Nationalen Innovationsprogramms „Straße im 21. Jahrhundert“ des Bundesministeriums (BMVI) wurden Forschungsvorhaben gefördert, die sich u. a. mit der Entwicklung neuer Konzepte und Technologien zur Bereitstellung solcher Datenbestände befassen. Alle bisherigen Forschungs- und Praxisprojekte betrafen Bestandsbrücken und verfolgten das Ziel eines objektspezifischen Verkehrslastmodells bzw. einer Überwachung eines vorhandenen Schadens. Eine Weiterentwicklung des Einsatzes für Brücken von Beginn der Verkehrsfreigabe für einen weiteren Dauerbetrieb fehlt (national und international). Mit der Pilotstudie „Intelligente Brücke im Digitalen Testfeld Autobahn sollen gemäß einer Konzeption der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) die bisherigen Entwicklungen des BASt-Forschungscluster „Intelligente Brücke“ umfänglich demonstriert und damit bundesweit zugänglich gemacht werden. Zu diesem Zweck hat die Bayerische Straßenbauverwaltung im Rahmen des vom Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI) geplanten Digitalen Testfeldes Autobahn das Bauwerk BW402e im Bereich des AK Nürnberg, Richtungsfahrbahn Regensburg (Verbindungsrampe A3 zur A9) zum Ausbau zur intelligenten Brücke vorgesehen. Die Brücke ist ein Neubau. Im Fokus der „Intelligenten Brücke im Digitalen Testfeld Autobahn“ stehen die Schwerpunkte „Einwirkungsüberwachung und Analyse“, „Intelligente Fahrbahnübergänge und Lager“ sowie „Intelligente Sensornetze“. Den Kern der „Intelligenten Brücke im Digitalen Testfeld Autobahn“ bilden die Messsysteme neben der Datenanalyse, Bewertung und Visualisierung von Ergebnissen sowie dem Datenmanagement. Im Bauwerk 402e am Autobahnkreuz Nürnberg sind fünf verschiedene Messsysteme installiert. Dabei sind konventionelle Systeme und Systeme in Erprobung kombiniert. Die unterschiedlichen Systeme, die unabhängig voneinander entwickelt wurden, dienen so einem gemeinsamen Ziel, gestatten Referenzen und einem ganzheitlichen Erfahrungsgewinn. Der vorliegende Schlussbericht dokumentiert in diesem Gesamtkontext die Bearbeitung des Forschungsprojektes „Digitales Testfeld Autobahn - Intelligente Brücke - Synchronisation von Sensorik und automatisierte Auswertung von Messdaten“. Im Rahmen der Bearbeitung werden vorhandene Algorithmen und Methoden angewendeten und weiterentwickelt, um aus den Messdaten sowohl die Erkennung von überfahrenden Fahrzeugen zu realisieren als auch Kennwerte des Status des Bauwerkes zu ermitteln. Wesentlicher Projektschwerpunkt ist dabei die Realisierung der vollständig automatisierten Datenauswertung, Datenaufbereitung und Datenpublikation vor Ort. Die Messdaten für diese Auswertungen stammen dabei aus dem Messsystem an der Brücke, am Lager und am Fahrbahnübergang. Daten aus den anderen Messsystemen werden als Referenzquellen herangezogen. Aus diesem Ansatz heraus ist die zeitliche Synchronisation von Messdaten aus verschiedenen, heterogenen Systemen ein zusätzlicher Schwerpunkt des Projektes. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Erprobung und Weiterentwicklung des drahtlosen Sensornetzes. Auch hieraus können Referenzdaten für die anderen Systeme gewonnen werden. Alle erfassten und aufbereiteten Daten müssen systematisch gehalten, gesichert und publiziert werden. Diese Anforderungen bilden einen weiteren Schwerpunkt der Projektbearbeitung. Die Entwicklung einer Web-basierten Ergebnispublikation ist dabei eine wesentliche Zielstellung.

Die im Straßenbau verwendeten Ausgangsstoffe unterliegen hohen Standards, welche in den europäischen Normen bzw. den nationalen Umsetzungen z.B. in der TL Bitumen-StB oder der TL Gestein-StB festgehalten sind. Die Anforderungen der HANV-Schicht an das verwendete Gestein, die das Traggerüst beeinflussen, sind mit den halbstarren Deckschichten bereits hinreichend im M HD optimiert worden. Ebenso wurden die Bindemittel größtenteils aus der Bauweise übernommen. Für Reaktionsharze gibt es kein Regelwerk auf diesem Rechtsniveau, welches die Eigenschaften genau spezifiziert. Dabei steht bei der HANV-Bauweise ausgehend von der volumetrischen Betrachtung dem konventionell verwendeten bitumenhaltigen Bindemittel bzw. Bitumen nur eine sekundäre Aufgabe im viskoelastischen Verhalten zu. Primär wird die Schicht von den Eigenschaften des Verfüllbaustoffes geprägt, eine Vermutung, die bisher nur auf Erfahrungen und nicht auf quantitativen Nachweisen beruht. Durch Untersuchungen an unterschiedlichen Reaktionsharzen und resultierenden HANV-Systemen konnte der Einfluss der Verfüllbaustoffe im ausgehärteten als auch im aushärtenden Zustand auf die Performanceeigenschaften der Abdichtungsschicht bzw. das Zusammenspiel mit dem Asphalttraggerüst quantifiziert werden. Dementsprechend können je nach zu erwartender Beanspruchungsart (hohe Verformungen oder mittragender Wirkung) die Verfüllbaustoffe optimiert werden. Dies erlaubt eine nachhaltige Qualität der Abdichtungsschicht auf Stahlbeton und Stahlbrücken.