Abteilung Brücken- und Ingenieurbau
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Institut
Tunnelleitzentralen übernehmen wichtige Funktionen für die Gewährleistung der Verfügbarkeit des Straßenverkehrsnetzes. ln ihnen werden Überwachungs- und Steuerungsmöglichkeiten von Tunneln gebündelt. Da diese Funktionen durch IT-Systeme gesteuert werden, wird der Schutz vor Cyber-Angriffen zu einer wachsenden Herausforderung. Das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderte Forschungsprojekt Cyber-Safe verfolgt daher das Ziel, Leitzentralen betreiber in die Lage zu versetzen, Gefährdungen durch Cyber-Angriffe besser als bisher zu erkennen und systematisch geeignete Schutzmaßnahmen zu ergreifen.
Im Projekt ESIMAS - Echtzeit-Sicherheits-Management-System für Straßentunnel - wurde der Prototyp für ein Expertensystem zur Überwachung von Straßentunneln unter Einbezug innovativer Detektionssysteme entwickelt. Das Ziel von ESIMAS ist die Bereitstellung eines ganzheitlichen modularen Ansatzes zur Überwachung von Straßentunneln, welcher sowohl die präventive Ereignisvermeidung, die schnelle Ereigniserkennung als auch die Ereignisbewältigung verbessern soll. Dieser Ansatz geht deutlich über die aktuellen Möglichkeiten der Tunnelsteuerung und übergeordneten Leitsysteme hinaus. Die zukünftige Unterstützung der Überwachung von Tunnelanlagen mit ESIMAS führt zu einem maßgeblichen Sicherheitsgewinn für den Verkehrsteilnehmer, da durch die umfangreichere und genauere Erfassung und Auswertung von Informationen die Verantwortlichen in den Tunnelleitzentralen besser und schneller reagieren können.
Im Rahmen einer durch die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt} initiierten Studie wurde das geothermische Potenzial des anfallenden Bergwassers für 15 Portale von deutschen Straßentunneln abgeschätzt und mögliche Konzepte zur Nutzung der hydrogeothermischen Energie aufgezeigt. Das Institut für Geotechnik der Universität Stuttgart (IGS} hat im Anschluss für drei dieser Portale die Untersuchungen zum geothermischen Potenzial fortgeführt sowie Wärmenutzungskonzepte aufgestellt und detailliert geplant. Als Ergebnis liegt die Entwurfsplanung für eine geothermische Anlage am Nordportal des Grenztunnels Füssen vor. Es wird ein Überblick über die durchgeführten Untersuchungen, den Prozess der Portalauswahl und die relevanten Wärmenutzungen gegeben.
Brücken stellen eine wichtige Komponente unserer Verkehrsinfrastruktur dar, allerdings werden heutzutage die meisten Entscheidungen im Rahmen von Vergaben auf Grundlage der Herstellungskosten getroffen. Dieses Vorgehen greift indes zu kurz, da die Leistungsfähigkeit von Brücken in der Nutzungsphase und die mit Brückenbaumaßnahmen verbundenen Verkehrsbeeinträchtigungen eine wichtige Rolle spielen. Daher muss es ein Ziel sein, eine lebenszyklusorientierte Analyse und Bewertung in der Planungspraxis zu etablieren. Hierfür stellt der vorliegende Beitrag Grundlagen bereit, indem für die Nachhaltigkeitsanalyse von Brücken einzusetzende Methoden erläutert und in umfangreichen Vergleichsrechnungen angewendet werden. Die Ergebnisse sollen zuständige Behörden, Planern und Bauherren sowohl bei der Gestaltung von Nachhaltigkeitsbewertungssystemen unterstützen als auch Vergleichswerte für typische Autobahnüberführungen bereitstellen.
Fire incidents are among the most relevant for people in a tunnel. Therefore, it is important to be sufficiently prepared for such events. A large scale fire test is to be used to help evaluate the initial burning duration and the time it takes for the fire to spread to other vehicles in the tunnel, and in particular how long it takes for a truck carrying wooden pallets to catch fire, taking into consideration the extremely high temperatures. The goal, therefore, is to determine the time it takes for a fire to spread to other vehicles in the tunnel. In the large scale fire test, an accident in a tunnel with one-way traffic is simulated between a truck loaded with approximately 3.7 t of wooden Europol pallets and a passenger car. Directly behind each of the vehicles involved in the accident there is another car which stops at a distance of 1.0 m. Approximately 300 litres of burning diesel are discharged from the truck's fuel tank, which is simulated by using approximately 400 litres of isopropanol. A 10 m-² burning pool forms underneath the truck. Other objectives of the large scale fire test are the validation of the CFD models and the evaluation of the progression of the thermal release ratios estimated for the simulation. The thermal release ratios generated in the test are determined and evaluated using various models.
Risk-based approach for the protection of land transport infrastructure against extreme rainfall
(2016)
The aim of the research project "Risk based approach for the protection of transport infrastructure against extreme rainfall RAINEX" is the development of a practical methodology for the identification and assessment of both vulnerable as well as critical transport infrastructures towards extreme rainfall events consequences. The developed methodology is based on expert knowledge and includes qualitative and semi-quantitative analyses regarding the assessment of the vulnerability and criticality of relevant transport infrastructures. The process chain from the spatial rainfall to the concentrated runoff in the river channel was shown to assess the local hazard resulting in the local risk. The main result of the project is a practice-oriented and applicable methodology and a comprehensive and well-developed security handbook.
Im Rahmen des Forschungsprojektes Cyber-Safe fand am 10. März 2016 bei der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) in Bergisch Gladbach ein Workshop zum Thema "Steigerung der IT-Sicherheit von Verkehrs- und Tunnelleitzentralen" statt. An diesem Workshop beteiligten sich 40 Experten der Verkehrs- und Tunnelüberwachung. Die Tätigkeitsfelder der Teilnehmer reichten von Tunneloperatoren über Tunnelmanager und IT-Fachleute bis hin zu Sicherheitsbeauftragten.
Die Straßenverkehrsinfrastruktur ist durch steigende Belastungen und zunehmende Durchschnittsalter mittlerweile vielfach am Rande der Leistungsfähigkeit angelangt. In Zukunft werden Baumaßnahmen in erheblichem Umfang durchzuführen sein. Damit diese Erhaltungsmaßnahmen technisch und wirtschaftlich optimal durchgeführt werden können, ist es notwendig, frühzeitig und umfassend über den aktuellen Zustand, vor allem der Brücken, informiert zu sein. Hierfür ist es notwendig, den Zustand dieser zu erfassen, neue innovative Techniken zur Unterstützung der Bauwerksprüfung nach DIN 1076 sollen hinsichtlich ihrer Eignung überprüft werden. Unbemannte Fluggeräte bzw. UAS (Unmanned Aerial System) bieten vielfältige Möglichkeiten zur Bilderfassung und können als unterstützendes technisches Hilfsmittel bei der Bauwerksprüfung zum Einsatz kommen. Im Rahmen eines Forschungsprojekts wurden drei Brücken mithilfe von UAS beflogen, wodurch Schäden identifiziert werden konnten. Insbesondere die Möglichkeit zur Befliegung schwer zugänglicher Stellen, Zeitersparnis während einer Prüfung und die automatisierte Schadenserkennung machen diese Technologie für die Brückenprüfung interessant. Durch die gezielte Anwendung der UASâ€Technologie kann eine Reduzierung der Nutzungseinschränkung des Bauwerks verbunden mit einer Qualitätssteigerung der Ergebnisse erreicht werden.
Im Dezember 2015 wurde die A1-Änderung zum deutschen Nationalen Anhang von DIN EN 1992-1-1 veröffentlicht. Die Änderungen betreffen u. a. den Ansatz der wirksamen Betonzugfestigkeit bei der Ermittlung der Mindestbewehrung zur Begrenzung der Rissbreiten bei frühem Zwang. Der nachfolgende Beitrag erläutert die Hintergründe, warum eine entsprechende A1-Änderung zu DIN EN 1992-2/NA nicht erfolgt. Als Begründung für diese unterschiedliche Vorgehensweise werden die wesentlichen Unterschiede zwischen dem Hochbau und dem Brückenbau dargestellt.
Steigende Beanspruchungen insbesondere durch Schwerlastverkehr und altersbedingte Tragfähigkeitsdefizite älterer Brückenbauwerke führen dazu, dass zahlreiche Betonbrücken instand gesetzt oder verstärkt werden müssen. Um einen Beitrag zur konstruktiv und wirtschaftlich erfolgreichen Durchführung zukünftiger Verstärkungsmaßnahmen zu leisten, wurde im Auftrag der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) eine Erfahrungssammlung zu "Verstärkungen älterer Beton†und Spannbetonbrücken" erstellt. In der Dokumentation wird ein Überblick über den Stand der Technik der im Massivbrückenbau eingesetzten Verstärkungstechniken gegeben, und insgesamt 76 durchgeführte Verstärkungsmaßnahmen werden ausgewertet. Repräsentative Verstärkungsmaßnahmen werden in anonymisierter Form detailliert vorgestellt. Der vorliegende Bericht gibt einen Überblick über die in Kürze erscheinende Erfahrungssammlung, wobei die wesentlichen Erfahrungen der ausgewerteten Anwendungsfälle vorgestellt werden.
Derzeit beruht das Erhaltungsmanagement von Brücken vornehmlich auf turnusmäßigen visuellen Bauwerksprüfungen. Schäden werden häufig erst entdeckt, wenn sie offensichtlich sind - was unwirtschaftlich ist. Schäden und kritische Reaktionen des Bauwerks kündigen sich allerdings oftmals schon im Inneren der Struktur, in nicht einsehbaren Bereichen und durch die tatsächlich vorliegenden, aber oft nicht genau bekannten Einwirkungen auf das Bauwerk an. Bestands- und Neubau-Brücken sollten daher in der Lage sein, bereits frühzeitig und ergänzend zu den Bauwerksprüfungen Auskunft über ihren Zustand und dessen Entwicklung geben zu koennen. Benoetigt werden hierzu flexible und modular anpassbare Systeme zur messtechnischen Unterstützung in und am Bauwerk, differenzierte Bewertungsverfahren und ein entsprechend erweitertes Erhaltungsmanagement. Hinsichtlich einer messtechnischen Instrumentierung am Bauwerk sind zum einen leistungsfähige und dauerhafte Sensorik zur Erfassung von Einwirkungen und Bauteilreaktionen an diesem sowie zum anderen eine intelligente Messdatenverarbeitung zur Plausibilisierung, Fusion, Interpolation und Reduktion von Sensordatenströmen vor Ort erforderlich. Der Beitrag fasst im Rahmen aktueller Forschung untersuchte Ansätze und Realisierungsmöglichkeiten zur Sensordatenanalyse und -überwachung - wie sie insbesondere zur Sicherstellung belastbarer, stark fehlerminimierter Zustandsinformationen erforderlich sind - unter praktischen Gesichtspunkten einer Umsetzung bei der Überwachung von Brückenbauwerken zusammen. Verschiedene Verfahrensansätze werden hinsichtlich Einsatzbereich, Aufwand und Nutzen diskutiert. Die gewonnenen Erkenntnisse sind von allgemeiner Bedeutung und daher auf andere Bereiche des Erhaltungsmanagements von Infrastruktur übertragbar.
The current maintenance management for bridges is mainly based on visual inspection and aims at the repair of identified damages. In the project cluster "Smart Bridge" an adaptive system for holistic evaluation in real time is developed. The following pilot studies show significant aspects of the Smart Bridge. Within the research project "Digital Test Area Autobahn" a new constructed prestressed concrete bridge is implemented with instrumented expansion joints and bearings, a "RTMS©" and a sensor network. By using analytical bridge models and evaluation methods the condition and reliability of the bridge as well as the remaining service life is determined. In the pilot study "duraBASt" sensors for the detection of durability and structural safety as well as data analyzing and evaluation procedures are investigated. The aim of this study is the partial implementation of the aspects: data collection, data processing and model development for condition assessment of the bridge.
The case study "Digital Test Area Autobahn" is presented. A new built (September 2016) pre-stressed concrete bridge is equipped with different monitoring systems for the detection of traffic load, climatic influence and the reaction of the bridge. Possibilities for the implementation of a VoI (Value of Information) analyses are presented.
In future, additional and more detailed data are needed about the current conditions of bridges for preventive maintenance management. Monitoring procedures are not merely able to provide key performance indicators for a specific point in time, but also over a period. These KPIs must be selected in such a way as to permit substantiated statements about the present and future condition of bridges. For this reason, greater efforts must be made to define the significant KPIs for the various types of bridges, and show how these figures can be reliably determined. Both the COST Action TU1402, and TU1406 offer important approaches which, properly combined, can deliver substantial added value to the calculation and description of the condition of bridges in the interest of proactive maintenance management.
Tunnel in Spritzbetonbauweise werden in der Regel mit einem Dichtungssystem aus Kunststoffdichtungsbahnen (KDB) gegen das anstehende Bergwasser abgedichtet. Tunnelabdichtungen aus KDB müssen dabei über die gesamte Nutzungsdauer des Bauwerks zuverlässig ihre Funktion erfüllen. Zur Verifizierung und Kalibrierung von Prüfverfahren zur Langzeitbeständigkeit von KDB können u. a. in situ gealterte KDB-Proben aus bestehenden Straßentunneln sehr nützlich sein. Die Ergebnisse umfangreicher Untersuchungen zu den Materialeigenschaften von KDB-Proben aus insgesamt acht älteren Straßentunneln zeigen, dass einige mechanische Eigenschaften der KDB auf eine bereits stattgefundene Alterung der KDB hindeuten, aber überwiegend noch die Anforderungen der Regelwerke eingehalten werden. Die Ergebnisse der Untersuchungen bestätigen die bereits in der Vergangenheit vorgenommenen Änderungen im Regelwerk und sind auch bei der aktuellen Fortschreibung der Zusätzlichen Technischen Vertragsbedingungen und Richtlinien für Ingenieurbauten (ZTV-ING) eingeflossen.
Im Rahmen eines Forschungsvorhabens an der RWTH Aachen wurden mehrere Spannbetondurchlaufträger bis zum Versagen belastet. Neben umfangreicher konventioneller Messtechnik wurden zusätzlich innovative Messmethoden durch die Bundesanstalt fuer Materialforschung und -prüfung (BAM) getestet. Darunter waren eingebettete Ultraschall-Transducer, deren Daten mit einer neuartigen Methode, der Codawelleninterferometrie (CWI), ausgewertet wurden. Dieses Verfahren detektiert auch kleinste Änderungen im Signal und in der Wellengeschwindigkeit gegenüber einer Referenzmessung. Hiermit koennen Belastungs- und Strukturänderungen sowie Schaeden sehr viel sensibler angezeigt werden als bei konventionellen Ultraschallmessungen. Durch eine Modifikation des Verfahrens mit gleitender Referenz können aber auch starke Veränderungen im Material, wie sie bei Bruchversuchen auftreten, erfasst werden. In den Versuchen gelang es mit Netzwerken aus bis zu 20 Ultraschall-Transducern, Spannungskonzentrationen und Rissbildungen qualitativ zu detektieren und zu verfolgen, ohne dass die Sensoren direkt am Ort der Änderung angebracht werden müssen.
Durch die in den letzten Jahren enorm gestiegenen Verkehrsbelastungen und damit einhergehenden gestiegenen lokalen Beanspruchungen im Deckblech kommt es bei bestehenden Stahlbrücken mit orthotropen Fahrbahnplatten vermehrt zu Ermüdungsschäden im Bereich der geschweißten Anschlüsse der Längsrippen an das Deckblech (Kategorie-1-Schäden). Der vorliegende Beitrag gibt einen Übernblick über existierende Verstärkungsmaßnahmen, die bereits in Pilotprojekten erprobt wurden sowie aktuelle Forschungsarbeiten zur Verstärkung von orthotropen Fahrbahnplatten mit Kategorie-1-Schaeden.
Bei der Nachrechnung älterer Spannbetonbruecken mit Hohlkastenquerschnitt werden derzeit häufig grosse rechnerische Defizite beim Nachweis der schubfesten Verbindung zwischen gedrückter Bodenplatte und den Stegen im Bereich der Zwischenunterstützungen festgestellt. Neben erhöhten Beanspruchungen als Folge stetig wachsender Verkehrslastzahlen sind diese Defizite im Wesentlichen auf die mit Einführung der DIN-Fachberichte für den Brückenbau im Jahr 2003 geänderten Bemessungsvorschriften zurückzuführen. In Deutschland erfolgt die Ermittlung des Tragwiderstands im Grenzzustand der Tragfähigkeit (GTZ) seither auf Grundlage des Fachwerkmodells mit Rissreibung. In den vorgestellten Untersuchungen wird gezeigt, dass die Übertragung dieses für Stegquerschnitte entwickelten Modells auf Druckgurte mechanisch nicht begründet ist und zu sehr konservativen Ergebnissen führt. Auf Basis der Ergebnisse numerischer und analytischer Betrachtungen werden Bemessungsmodelle entwickelt, die das Tragverhalten vorwiegend gedrückter Gurtbereiche realitätsnäher erfassen. Die Kalibrierung und Verifikation der Finite Element-Modelle erfolgt in den durchgeführten Untersuchungen stets durch den Vergleich mit Ergebnissen gut dokumentierter Versuche aus der Literatur.
Efficient and widely available transport infrastructure is one of the most important prerequisites for sustainable economic development to meet the demand for mobility. In this context, being able to manage traffic growth forecasts is of particular importance. In Germany, current forecasts indicate a 40% increase in rail and road transport in the country. However, about 60% of bridges (as measured by bridge area) on the national German highway system that are suitable for freight transport were built before 1985. In other transport sectors as well, aging infrastructure is one of the key challenges for the availability and the resilience of European transport infrastructure. Many bridges in the national German highway system are already at their load-bearing limit. Furthermore, required maintenance measures have not been adequately carried out in the past due to limited budgets, leading to overall bridge deterioration. Further challenges for owners and operators of transport infrastructure result from the effects of climate change, associated climate extremes, natural catastrophes, and possible criminal and terrorist threats. To ensure that future infrastructure challenges can be successfully addressed, strategies and solutions must be developed and implemented in a timely manner to enable holistic and sustainable life-cycle management. The concepts of Resilience Management as well as Resilience Engineering are essential building blocks in this process. Resilience is the ability to survive in the face of a complex, uncertain, and ever-changing future. It is a way of thinking about both short-term cycles and long-term trends. Using this concept, owners and operators can reduce the risk of disruption in the face of shocks and stresses. Resilience requires cyclical, proactive, and holistic risk management practices.
The field of safety in road tunnels has always been an important issue for operators, owners and the responsible authorities. After the tunnel accidents in 1999 the subject gained however in importance. On European level the Directive 2004/54 EC on "Minimum safety requirements for tunnels in the Trans European Road network" has been published. This guideline has to be implemented into national law by all Member States. According to the guideline all Member States of the European Community shall develop a methodology for risk analyses to be applied in certain cases. For Germany, a standardized methodology for a probabilistic quantitative risk assessment has been worked out.