620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Deutschland ist ein Gebiet mit überwiegend niedriger Seismizität. Viele Anforderungen der aktuellen europäischen Erdbebennorm für Brücken DIN EN 1998-2 sind daher für eine sichere Auslegung von Brücken in Deutschland in dieser Art nicht angemessen, sodass deren vollständige Anwendung weder notwendig noch wirtschaftlich ist. In diesem Forschungsvorhaben wurde ein Konzept für eine vereinfachte Erdbebenauslegung für Straßenbrücken in Deutschland entwickelt. Die so ausgelegten Brücken erfüllen bei minimalem Aufwand in der Planungsphase alle notwendigen Anforderungen an Brücken aus DIN EN 1998-2.
Das Konzept ist für die Bemessung von Neubauten gedacht und beinhaltet vier Stufen:
I. keine Erdbebenauslegung notwendig;
II. vereinfachte Auslegungsregeln ohne explizite Erdbebenberechnung;
III. vereinfachte Erdbebenberechnung;
IV. Erdbebenbemessung nach DIN EN 1998-2 + NA.
Für jede Stufe ist in Abhängigkeit vom Brückentyp und der Überbaulänge eine maximal zulässige Erdbebenintensität definiert. Die Erdbebenintensität wird beschrieben als Produkt aus Bemessungs-Bodenbeschleunigung und Bodenfaktor ag·S.
Das Konzept ist ausgearbeitet für ein- und zweifeldrige Plattenbalkenbrücken in Stahlbeton, Spannbeton und Verbundbauweise, für ein- und zweifeldrige Plattenbrücken in Stahlbeton sowie für integrale Rahmenbrücken in Stahlbeton, Spannbeton und Verbundbauweise. Für diese Brückentypen und für verschiedene Parametervariationen wurden numerische Modelle erstellt, diese für gewöhnliche Lasten ausgelegt und anschließend das Tragverhalten unter Erdbeben mittels modalen Antwortspektrenverfahren untersucht. Die Auswertung erfolgte im Hinblick auf die Ausnutzung relevanter Zustandsgrößen unter Erdbeben im Verhältnis zu gewöhnlichen Lasten.
Die Ergebnisse der Untersuchungen wurden in Formulierungsvorschläge für Regelwerke überführt, die den Anwendungsbereich, Anforderungen an die Brückentypen, vereinfachte Auslegungsregeln sowie vereinfachte Berechnungsverfahren für Straßenbrücken in deutschen Erdbebengebieten enthalten.
Das Ziel dieses Projekts war die Konzeptionierung und der Bau abgeschlossener photokatalytischer Reaktoren (Tunnelkassetten), mit denen die Stickoxidbelastung im Tunnel „Rudower Höhe“ in Berlin in einem relevanten Maß von 15 % reduziert werden kann. Grundsätzlich teilte sich das Projekt in zwei Phasen auf, wobei in der Phase 1 ein geschlossenes System mit geeignetem Photokatalysator und Leuchtmittel entwickelt werden sollte. Im Rahmen des Projekts stellte sich heraus, dass sich für diese Fragestellung eine Tunnelkassette mit den Abmessungen 1,5 x 3 x 4 m³ sowie drei Lüftern mit einem Volumenstrom von je 1.500 m³/h geeignet zeigte. Zum photokatalytischen Abbau der Stickoxide dienen 13 mit einem Zement-Photoment-Gemisch beschichtete Schaumstoffmatten. Als Leuchtmittel eignen sich die Leuchtstoffröhren Philips Cleo Performance 80. Anhand von Simulationen zeigte sich, dass für eine Stickoxidreduktion von 15 % jeweils 50 Tunnelkassetten auf beiden Seiten am Ende des Tunnels installiert werden sollten.
Die Umsetzung dieser Ergebnisse war in Phase 2 des Projekts geplant. Aufgrund des Ausfalls eines Unterauftragnehmers, der für die Herstellung, den Einbau und den Betrieb der Tunnelkassetten verantwortlich war, konnte diese Phase jedoch lediglich in Ansätzen verwirklicht werden. So stellte die TU Berlin eigenständig eine Demonstrator-Tunnelkassette her, an der die Funktionalität durch einen längeren Testbetrieb nachgewiesen werden konnte. Bezüglich des Photokatalysators ergab sich jedoch die Problematik, dass diese infolge der Alterung geringere Abbauraten erreicht.
Als Grundlage für die Konzeption der Tunnelkassetten wurden zudem umfangreiche Messungen am Tunnel „Rudower Höhe“ vorgenommen. Labortechnische Bewertungen der photokatalytischen Materialien erfolgte an Messaufbauten nach DIN ISO 22197-1. Zudem wurde ein Reaktor speziell für die Abschätzung der Wirksamkeit der Tunnelmatten erarbeitet, der eine beidseitige Beleuchtung sowie eine Durchströmung erlaubt.
Bei einem Anprall gegen ein ortsfestes Hindernis ist mit tiefen Intrusionen in den Fahrzeuginnenraum zu rechnen, die zu schwersten Verletzungen führen können. Untersuchungen haben gezeigt, dass Kollisionen mit künstlichen Hindernissen an der Fahrbahnseite, wie Gabelständer, Trimasten, zu 80 % frontal angeprallt werden.
Ziel des Forschungsprojektes war die Bewertung der passiven Sicherheit von Gabelständern und Trimasten, um anhand der Ergebnisse Empfehlungen für die Notwendigkeit einer Absicherung durch Schutzeinrichtungen zu erarbeiten.
Als Methode wurde ein Mix aus Realversuchen und Finiten Elemente Simulationen gewählt. Ausgangspunkt bildeten je zwei Validierungsversuche für den Gabelständer und Trimast. Aufbauend auf diesen Versuchen wurden Simulationsmodelle validiert. Die Simulationsmodelle wurden modifiziert und die Insassensicherheit nach Kriterien der EN 12767 bewertet. Wesentliche Kriterien waren der Index für die Schwere der Beschleunigung (ASI: Acceleration Severity Index) und die theoretische Anprallgeschwindigkeit des Kopfes (THIV: Theoretical Head Impact Velocity).
Der wesentliche Faktor zum Erreichen einer passiven Sicherheit wurde im Abreißen der Gurtrohre beim Anprall festgestellt. Ein Abreißen der Gurtrohre führt zum Unterschreiten der Grenzwerte für den ASI und THIV gemäß EN 12767. Von Bedeutung sind in diesem Zusammenhang der Gurtrohrdurchmesser und die Ausführung der Fußplatten. Fixierte Fußplatten begünstigen ein Abreißen der Gurtrohre und ein Unterschreiten der Grenzwerte für den ASI und insbesondere für den THIV.
Die Masthöhe, die Spreizung und das Schild selbst haben nur einen geringen Einfluss auf die beiden Kennwerte. Unterschiedliche Diagonalrohranordnungen, Schwächung der Gurtrohre oder Reduktion des Schweißnahtumfangs wirken sich positiv auf das Abreißen der Gurtrohre aus und führen zum Unterschreiten der Grenzwerte des ASI und THIV
Vorbereitung von Großversuchen an Stützkonstruktionen aus Gabionen – Einzelgabionen mit Steinfüllung
Gabionen haben sich in den letzten Jahren als kostengünstige Bauelemente für Stützkonstruktionen etabliert. Bisher existiert allerdings für Stützkonstruktionen aus Gabionen weder ein realitätsnahes rechnerisches Nachweisverfahren für die innere Standsicherheit eines Einzelelements noch ein definiertes Prüfverfahren für Belastungsversuche. Aus diesem Grund sollen die vorhandenen Regelwerke überarbeitet und angepasst werden.
Im vorliegenden Forschungsprojekt wurden sechs zentrische Belastungsversuche an 3-seitig gelagerten Gabionen durchgeführt. Die Einzelkörbe wurden analog zum häufigen Vorgehen auf einer Baustelle vor Ort befüllt und handgerichtet. Es wurden drei gleiche Versuche mit Lindlarer Grauwacke und 3 unterschiedliche Versuche mit Füllungen aus Granit durchgeführt. In diesem Bericht werden die Belastungsversuche, sowie das Deformationsverhalten der Gabionen beschrieben und analysiert.
Basierend auf den Ergebnissen des vorherigen Projektes F1100.2315000 „Vorbereitung von Großversuchen an Stützkonstruktionen aus Gabionen“ wurden die Erkenntnisse aus den Sandversuchen und die Messtechnik aus den bisherigen Versuchen übernommen.
Die Gabionen reagierten mit großer Verformung des Frontgitters auf die Belastung. Die Distanzhalter wirkten sich positiv auf die Stabilität der Gabione aus. Hohe Zugkräfte in den Distanzhaltern resultierten aus der horizontalen Deformation des Frontgitters und führten zum langsamen Aufbiegen der Distanzhalterhaken, bis diese schließlich versagten.
Eine höhere Steifigkeit der Gabione und somit niedrigere Verformungsraten lassen sich durch die Wahl eines festen, homogenen Füllmaterials mit hohem Reibungswinkel erzielen. Eine Verdichtung des Füllmaterials trägt ebenso dazu bei. Eine hohlraumarme Verfüllung, welche Materialumlagerungen in der Gabione unter Belastung verhindert, ist essentiell für die innere Standsicherheit.
Die Gabionen weisen ein plastisches Verformungsverhalten auf, wodurch ein eindeutiger Bruchpunkt in der Regel nicht vorliegt. Aus diesem Grund wurde für jeden Versuch eine Bruchfestigkeit aufgrund von anhaltender Deformation des Frontgitters und Stauchung der Gabione bzw. eines Aufbiegens der Distanzhalterhaken festgelegt. Für alle Gabionen wurden äquivalente Betondruckfestigkeiten ermittelt.
Die hier untersuchten Gabionen zeichneten sich insgesamt durch niedrige Bruchfestigkeiten aus.
Basierend auf den Erfahrungen aus den durchgeführten Belastungsprüfungen in diesem Forschungsprojekt wurden abschließend Empfehlungen zur Durchführung eines Prüfverfahrens für zentrische Belastungsprüfungen an 3-seitig gelagerten einzelnen Gabionen formuliert.
Für einen hoch effizienten, nachhaltigen und kostenminimierten Winterdienst ist der Einsatz von Sole von großer Bedeutung. Frühere Forschungsarbeiten und die praktischen Erfahrungen haben das bestätigt. Damit für die Soleverwendung bei der FS30- oder FS100-Streuung ausreichend Sole, hergestellt aus Natriumchlorid, mit guter Qualität zur Verfügung steht, müssen geeignete Tausalzlöseanlagen beschafft und betrieben werden. Damit kann eine ausreichende Verfügbarkeit von Sole sichergestellt werden. In vielen Fällen ist die Eigenherstellung von Sole auch wirtschaftlicher als eine Fremdbeschaffung.
Erste Anforderungen an Tausalzlöseanlagen wurden in einem aktuellen europäischen Normungsprojekt formuliert. Allerdings wurden die technischen Zusammenhänge bei der Soleherstellung bislang nicht untersucht und es sind verschiedene Probleme bei der Soleherstellung berichtet worden.
Ziel der Forschungsarbeit war die Beurteilung der Leistungsfähigkeit unterschiedlicher technischer Ausführungen von Tausalzlöseanlagen. Dabei wurden die Zusammenhänge zwischen der verfahrenstechnischen und sonstigen technischen Ausführung der Anlagen, den Umfeldbedingungen und der Salzqualität untersucht. Als Nutzen soll zukünftig eine leistungsfähige und zuverlässige Arbeit der Tausalzlöseanlagen erreicht werden, die kostengünstig die ausreichende Bereitstellung von Sole für einen effektiven Winterdienst ermöglichen.
Schwerpunkte der Bearbeitung stellten eine Online-Umfrage bei Straßenbauverwaltungen in Deutschland, Österreich, den Niederlanden und in der Schweiz dar, um deren Erfahrungen und mögliche Optimierungspotenziale bei der Produktion von Sole zu erfassen. Aufbauend auf den Umfrageergebnissen wurden in Deutschland praktische Untersuchungen mit Salzlöseanlagen, die mit aufwärts gerichtetem Wasserdurchfluss oder Zwangsumlauf arbeiteten, durchgeführt. Die Abhängigkeiten der Soleproduktionskapazität und der Solequalität vom Systemdesign, der verwendeten Salzqualität und den Temperaturen des Lösewassers und des Salzes wurden bestimmt. Die Ergebnisse verschiedener Methoden zur Online-Messung und manuellen Messung der Solekonzentration wurden mit Laborergebnissen verglichen.
Alle erzielten Ergebnisse wurden verwendet, um technische Anforderungen an Tausalzlöseanlagen und Empfehlungen für deren Betrieb und für die Beschaffung neuer Anlagen einschließlich der Auswahl der Salzqualität zu formulieren.
Unbedingt notwendige Bestandteile einer Leistungsbeschreibung für Tausalzlöseanlagen wurden identifiziert (u.a. Anforderungen an die Produktionsleistung und Solequalität (Konzentration, Reinheit), Anforderungen der Arbeitssicherheit und des Umweltschutzes, Vorgaben für die Mess-, Steuer- und Regeltechnik, Abnahmekriterien).
Straßenbegleitflächen können wertvolle Lebensräume für eine Vielzahl von Tier- und Pflanzenarten bieten und damit einen Beitrag zum Erhalt und der Förderung der Biodiversität leisten. Gleichzeitig kommen aber auch gebietsfremde Pflanzenarten (Neophyten) auf Straßenbegleitflächen vor und breiten sich bevorzugt entlang dieser aus. Einige dieser Arten können eine Gefahr für die Biodiversität darstellen, hohe ökonomische Kosten verursachen oder die menschliche Gesundheit gefährden.
Ziel der vorliegenden Untersuchung war eine Erhebung der Verbreitung von Neophyten, den auftretenden Problemen und gegebenenfalls bereits ergriffener Maßnahmen zu deren Kontrolle auf Begleitgrün der Bundesfernstraßen in Deutschland. Um eine verlässliche Einschätzung zu erhalten, wurde eine online-Umfrage entwickelt, die an die zuständigen Straßen- und Autobahnmeistereien der Bundesländer gerichtet wurde. Dabei wurden 12 Fragen zu 10 ausgewählten Neophyten gestellt. Die Rücklaufrate betrug über 40 %.
Laut der Angaben der Teilnehmer kommen die meisten der in der Umfrage aufgeführten Neophyten häufig auf Straßenbegleitflächen vor. Die beiden Arten, die laut der Umfrage am häufigsten vorkommen, die Herkulesstaude (Heracleum mantegazzianum) und der japanische Staudenknöterich (Fallopia japonica), verursachen auch die häufigsten Probleme in den Zuständigkeitsbereichen. Die Teilnehmer gaben an, dass die Herkulesstaude zu gesundheitlichen Problemen, der Staudenknöterich zu Sichtbehinderungen und beide Arten zu einem erhöhten Pflegeaufwand führen. Beide Arten werden in einem Großteil der Zuständigkeitsbereiche aktiv bekämpft. Die Herkulesstaude wird relativ erfolgreich durch manuelle oder chemische Maßnahmen beseitigt, während Maßnahmen gegen den Staudenknöterich größtenteils nicht erfolgreich sind. Auch Maßnahmen gegen die anderen aufgeführten Neophyten führen nur selten zu einer vollständigen und dauerhaften Beseitigung der Bestände.
Die Umfrage verdeutlicht, dass ein dringender Bedarf an Maßnahmen zur Kontrolle von Neophyten, vor allem des Staudenknöterichs, besteht. Auf Grundlage dieser Ergebnisse sollen effiziente Bekämpfungsmaßnahmen und Strategien zur Vermeidung der Einbringung und Ausbreitung von Neophyten entwickelt werden. Mittel- bis langfristig sollen diese zur (Kosten-)Entlastung bei der Unterhaltung bestehender und der Planung zukünftiger Infrastruktureinrichtungen führen.
Die Fahrausbildung fungiert als ein zentraler Bezugspunkt für alle anderen Maßnahmen der Fahranfängervorbereitung: Von ihr müssen die Impulse, die fachliche Orientierung und die Koordination für die Weiterentwicklung des Gesamtsystems der Fahranfängervorbereitung ausgehen. Die derzeitige Fahrausbildung kann diesem hohen Anspruch jedoch noch nicht gerecht werden. Ihr fehlen sowohl wichtige pädagogisch-psychologische Steuerungsinstrumente (z. B. Kompetenzrahmen inklusive Mindest-Ausbildungsinhalte, Ausbildungsplan, Evaluationskonzept) zur eigenen Qualitätssicherung als auch fachlich-strukturelle Voraussetzungen für die Realisierung von Aktivitäten zu ihrer Weiterentwicklung im Rahmen des Gesamtsystems der Fahranfängervorbereitung (z. B. eine Fachkommission).
Zur Behebung der genannten Defizite wurde im vorliegenden Projekt ein Konzept für die Optimierung der Fahrausbildung zum Erwerb einer Fahrerlaubnis der Klasse B erarbeitet. Den Kern dieses Konzepts bilden ein Kompetenzrahmen und ein Ausbildungsplan. Im Kompetenzrahmen wurden sowohl die für den Erwerb von Fahr- und Verkehrskompetenz erforderlichen Kompetenzen als auch die zugehörigen Kompetenzstandards und Mindest-Ausbildungsinhalte nach aktuellen wissenschaftlichen Maßstäben festgelegt. Auf dieser Grundlage wurden dann im Ausbildungsplan die zum Erwerb der Kompetenzen zu vermittelnden Mindest-Ausbildungsinhalte den verschiedenen Lehr-Lernformen (Selbständiges Theorielernen, Theorieunterricht, Fahrpraktische Ausbildung) unter inhaltlichen, pädagogisch-psychologischen und fachdidaktischen Gesichtspunkten zugeordnet und mit Blick auf den Lehr-Lernprozess zeitlich angeordnet. Darüber hinaus wurden im Rahmen des vorliegenden Projekts inhaltliche, methodische und mediale Gestaltungsempfehlungen für das Selbständige Theorielernen und den Theorieunterricht bereitgestellt. Schließlich wurden ein belastbarer Implementationsplan und ein geeignetes Evaluationskonzept beschrieben, mit dem die Lern- und Sicherheitswirksamkeit der optimierten Fahrausbildung noch in der Implementationsphase weiter erhöht (Formative Evaluation) und danach summarisch überprüft (Summative Evaluation) werden kann.
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.
Jahresbericht 2021
(2022)
Im Jahresbericht 2021 präsentiert die BASt eine Auswahl von Forschungsaktivitäten des Jahres 2021.
In fast 40 Beiträgen werden Projekte aus 5 Fachbereichen vorgestellt. Das Themenspektrum reicht von digitalen Transformationen im Brücken- und Ingenieurbau über nachhaltigen, klimaresistenten Straßenbau, effiziente, ökologische und digitale Verkehrstechnik bis hin zur automatisierten, umweltbewussten Fahrzeugtechnik sowie zur Sicherheit aller, die am Verkehr teilnehmen.
Schlaglichter sowie Zahlen und Fakten in kurzer und knapper Form ergänzen den Bericht.
Intelligente Verkehrssystem-Dienste (IVS-Dienste) bilden heute in den verschiedensten Anwendungsbereichen des Straßenverkehrs eine wichtige technologische und organisatorische Basis. Die durch die zunehmende Bedeutung von Informations- und Kommunikationstechnik getriebene Vernetzung dieser Systeme stellen neue Herausforderungen an die Einführung neuer und Integration bestehender IVS-Dienste. Zur Sicherstellung einer intelligenten Mobilität in Deutschland und Europa ist die Durchgängigkeit von Informationen und eine einhergehende Integration der entsprechenden Systeme eine wichtige Voraussetzung. Neben der oftmals im Vordergrund stehenden technischen Sichtweise sind vor allem auch die inhaltliche und organisatorische Kooperation zwischen den mit der Erbringung von Mobilitätsdienstleistungen befassten Akteuren zu betrachten.
Intelligente Mobilität mit für die Reisenden durchgängigen Angeboten erfordert insbesondere, dass die beteiligten Akteure gemeinsame inhaltliche Zielsetzungen formulieren. Hierzu ist ein gegenseitiges Verständnis der jeweiligen Aufgaben sowie der für die Aufgabenerbringung etablierten Prozesse notwendig. Auf der Basis eines gemeinsamen Verständnisses gilt es dann, die erforderlichen Schnittstellen und Prozesse inhaltlich, organisatorisch und technisch festzulegen und zu implementieren.
Ziel des Projektes ist die Entwicklung einer national verbindlich eingeführten IVS-Referenzarchitektur für zuständigkeitsübergreifendes Verkehrsmanagement zur Sicherstellung eines koordinierten und harmonisierten Vorgehens bei der Einführung und Nutzung neuer und der Vernetzung bestehender IVS-Dienste im zuständigkeitsübergreifenden Verkehrsmanagement.
Dabei werden folgende Erwartungen an die IVS-Referenzarchitektur für zuständigkeitsübergreifendes Verkehrsmanagement gestellt:
• Schaffung eines allseits akzeptierten Verständnisses von Verkehrsmanagement (Semantik) als Voraussetzung für zuständigkeitsübergreifende und für den Verkehrsteilnehmer durchgängige IVS-Verkehrsmanagement-Dienste/Diensteprofile sowie zur Erleichterung der Entwicklung und Einführung von IVS-Diensten im zuständigkeitsübergreifenden Kontext.
• Entwicklung von funktionalen, organisatorischen und technischen Anforderungsprofilen für die Harmonisierung der Kooperation und Kollaboration öffentlicher Straßenbetreiber und Service-Provider und für die Interoperabilität ihrer Systeme.
• Schaffung eines für den Verkehrsteilnehmer wahrnehmbaren zusätzlichen Nutzens durch die Überwindung von zuständigkeitsbedingten Brüchen in der Bereitstellung von IVS-Verkehrsmanagement-Diensten und in deren Wahrnehmung durch den Verkehrsteilnehmer (sog. Common Look & Feel).
Basierend darauf bedeutet eine Verankerung der zuständigkeitsübergreifenden Anforderungen als Bestandteil von Ausschreibungen eine Erhöhung der Planungs- und Investitionssicherheit für Straßenbetreiber und Service-Provider, sowie die Industrie zur Vermeidung technologischer „Insellösungen“. Generell sind alle Stakeholder und Akteure, die am zuständigkeitsübergreifenden Verkehrsmanagement beteiligt sind, die Schnittstellen dazu haben oder sich in sonstiger Weise damit befassen, von der IVS-Referenzarchitektur für zuständigkeitsübergreifendes Verkehrsmanagement betroffen.
Die im Zuge des Nationalen Projekts IVS-Architektur Straße betrachteten IVS-Dienste des zuständigkeitsübergreifenden Verkehrsmanagements wurden aus Sicht des öffentlichen Straßenbetreibers für Stadt- und Fernstraßen betrachtet. So ist das zuständigkeitsübergreifende Verkehrsmanagement die Verkehrsbeeinflussung durch Strategien mit dem Ziel, die Verkehrsnachfrage und das Angebot an Verkehrssystemen über die Grenzen von hoheitlich eigenständigen Baulastträgern und Betreibern hinweg optimal aufeinander abzustimmen.
Im Zuge der Erstellung des Rahmenwerks für Architekturen Intelligenter Mobilitätsdienste (RAIM; auch IVS-Rahmenarchitektur; siehe Projekt FE 03.0483/2011/IRB) wurde ein generelles Modell zur Anpassung des TOGAF-Vorgehensmodells an die Aufgaben zur Erstellung einer IVS-Rahmenarchitektur entwickelt. Dazu wurden die einzelnen Schritte (Steps) jeder ADM-Phase auf den IVS-Bereich zugeschnitten, womit ein methodisches und umfassendes Vorgehen für die Entwicklung einer Architektur sichergestellt wurde.
Im Rahmen der Erstellung der Referenzarchitektur wurden die einzelnen Phasen und Schritte des TOGAF ADM-Vorgehensmodells auf die spezifischen Gegebenheiten des zuständigkeitsübergreifenden Verkehrsmanagements übertragen und angewendet.
Die IVS-Referenzarchitektur für Verkehrsinformation im Individualverkehr konkretisiert das Rahmenwerk für Architekturen intelligenter Mobilitätsdienste (RAIM) für die IVS-Dienstekategorie Verkehrsinformation im Individualverkehr.
Gegenstand der IVS-Referenzarchitektur für Verkehrsinformation im Individualverkehr sind alle auf Straßenverkehrsteilnehmer unmittelbar wirkenden On-Trip-Verkehrsinformationen, unabhängig vom Kommunikationsmedium. Dies umfasst z. B. über Funkkommunikation (Rundfunk, WLAN, Mobilfunk, etc.) in Endgeräte der Verkehrsteilnehmer übertragene Informationen inkl. C2X sowie Informationen auf dynamischer Beschilderung.
Zur Erarbeitung der IVS-Referenzarchitektur wird das IVS-Architektur-Vorgehensmodell des Rahmenwerks für IVS-Architektur in Deutschland – basierend auf dem TOGAF (The Open Group Architecture Framework) -Vorgehensmodell – angewendet.
Folgende Phasen werden dabei durchlaufen:
1) Vorbereitungsphase
2) Phase A: Architekturvision
3) Phase B: Geschäftsarchitektur
4) Phase C: Informationssystemarchitektur bestehend aus Datenarchitektur und Anwendungsarchitektur
In der Vorbereitungsphase wird die Einbindung zugrundeliegender Modelle geklärt, Modellanpassungen definiert sowie wichtige Prinzipien für die Architekturentwicklung festgelegt. In Phase A werden die Ziele der Architekturentwicklung und die daran Beteiligten festgelegt. Die Ergebnisse der Phasen B und C stellen die eigentliche IVS-Architektur dar. In Phase B werden der aktuelle und der gewünschte Zustand der Geschäftsarchitektur beschrieben. Dafür werden die Unterschiede herausgearbeitet und unter anderem mit Hilfe von Geschäftsprozessdiagrammen dokumentiert. In Phase C werden der aktuelle sowie der gewünschte Zustand der Daten- und Anwendungsarchitektur beschrieben.
Jede Phase ist wiederum in mehrere Schritte unterteilt. Damit wird ein methodisches und umfassendes Vorgehen bei der Entwicklung einer IVS-Architektur sichergestellt.
Die IVS-Referenzarchitektur für multimodale Reiseinformation konkretisiert das Rahmenwerk für Architekturen intelligenter Mobilitätsdienste (RAIM) für die IVS-Dienstekategorie multimodale Reiseinformation.
Multimodale Reiseinformationsdienste (MMRI) unterstützen Reisende bei der Planung ihrer Reise von A nach B durch einen Vergleich verschiedener Reiseoptionen unter Kombination verschiedener Beförderungsarten, Preise und folgender Verkehrsträger: Luftverkehr, Schienenverkehr, Straßenverkehr, Schiffsverkehr, Reisebusverkehr, öffentlicher Personenverkehr, bedarfsgesteuerter Verkehr, Fuß und Radverkehr. MMRI bieten dem Reisenden personalisierte Reisewege entsprechend spezifischer Reisepräferenzen an.
Zur Entwicklung der IVS-Referenzarchitektur wurde neben einer Bestandsaufnahme auch eine Analyse der bestehenden Ansätze zur Etablierung der multimodalen Reiseinformation durchgeführt. Die betrachteten Projekte und Initiativen sind hierbei EU Spirit, DELFI sowie die ÖV-IVS-Rahmenarchitektur. Darüber hinaus fand ein stetiger Austausch mit der VAO GmbH aus Österreich statt, die als assoziierter Partner an der Entstehung der IVS-Referenzarchitektur für multimodale Reiseinformation mitgewirkt haben.
Es gibt die Rollen Inhalteanbieter, Dienstbetreiber und Dienstanbieter mit den der jeweiligen Rolle zugeordneten typischen Aktivitäten zur Erzeugung des Wertschöpfungsbeitrags, den die Akteure leisten. Aktivitäten führen zur Erzeugung von Produkten, die als Informationsobjekte in der IVS-Wertschöpfungskette zwischen den Geschäftsprozessen weitergereicht werden. Hierbei wird von den Akteuren ein definiertes politisches (Einhaltung des Rechtsrahmens, der Verhaltensnormen und Gepflogenheiten), wirtschaftliches (Bereitstellung von Personal, Finanzierung und Controlling, Steuerung der eigenen Aktivitäten), und technisches Verhalten (Erfassung und Aufbereitung von Daten und Informationen, Erzeugung, Bereitstellung und Darstellung von IVS-Diensten) erwartet.
Intelligente Verkehrssysteme (IVS) bilden heute in den Anwendungsbereichen des Straßenverkehrs eine wichtige technologische und organisatorische Basis. Zudem nimmt die Bedeutung der Informations- und Kommunikationstechnik für die zunehmende Vernetzung dieser Systeme zu und bringt neue Herausforderungen bei der Einführung und Integration neuer Systeme in bestehende IVS-Landschaften mit sich. Mit dem Projekt „IVS-Rahmenarchitektur“ wurde ein „Rahmenwerk zur Entwicklung von Architekturen intelligenter Mobilitätsdienste“ erstellt.
Neben der bislang im Vordergrund stehenden technischen Sichtweise sind heute vor allem auch die Aspekte der Kooperation zwischen den mit der Erbringung von Mobilitätsdienstleistungen befassten Akteuren zu betrachten.
Die entwickelte IVS-Rahmenarchitektur liefert nun einen ganzheitlichen Umsetzungsrahmen für die Realisierung aller Aspekte von IVS-Architekturen. Es werden grundlegende Festlegungen getroffen, die für die Interoperabilität der auf verschiedenen Ebenen arbeitenden, verteilt kommunizierenden Organisationen und Anwendungen sicherzustellen. Dazu werden formale Definitionen zum gemeinsamen Verständnis sowie die erforderlichen Methoden und Voraussetzungen zur Zielerreichung festgelegt.
Auf der Basis der IVS-Rahmenarchitektur wurden drei IVS-Referenzarchitekturen erarbeitet, von der jede einen spezifischen Anwendungsbereich konkretisiert und so die Grundlage zur Entwicklung einer IVS-Architektur für einen konkreten Anwendungsfall liefert.
Die Entwicklung der IVS-Rahmenarchitektur erfolgte durchgehend in engem Austausch mit den drei Referenzarchitekturen. Zudem brachte ein Betreuerkreis seine Expertise in das Projekt ein. Auf zwei öffentlichen Workshops wurden die Ergebnisse über 40 Organisationen und Unternehmen aus dem Bereich intelligenter Verkehrssysteme vorgestellt.
Die IVS-Architektur-Pyramide dient dem Projekt als geeignetes Metamodell zur Darstellung und Beschreibung von IVS-Diensten. Diese besteht aus fünf Schichten – der Leitbild-/Strategie-Ebene, der Prozessebene, der Informationsstrukturebene, der IT-Dienste und IT-Infrastrukturebene – die alle gemeinsam den potentiell möglichen Betrachtungs- und Darstellungsbereich einer IVS-Architektur aufspannen.
Den methodischen Ausgangspunkt zur Entwicklung der IVS-Rahmenarchitektur bilden der internationale Standard ISO/IEC/IEEE 42010 sowie das etablierte Architekturrahmenwerk The Open Group Architecture Framework (TOGAF). TOGAF ist als weltweit verbreitetes Rahmenwerk zur Entwicklung von Unternehmensarchitekturen angesehen. Es bietet als zentrales Element ein Vorgehensmodell zur Entwicklung von Unternehmensarchitekturen, die so genannte Architecture Development Method (ADM). Aufgrund der Ausrichtung auf ein einzelnes Unternehmen erfolgte eine Anpassung – Tailoring – der ADM zur Entwicklung von IVS-Architekturen. Für die Entwicklung der IVS-Rahmenarchitektur 1.0 wurde der Schwerpunkt auf die Architekturvision, die Geschäfts- und Informationssystemarchitektur gelegt (Phasen A bis C und initiale Phase in der ADM).
In Phase A werden die Ziele der Architekturentwicklung und die daran Beteiligten festgelegt. In Phase B werden der aktuelle und der gewünschte Zielzustand der Geschäftsarchitektur beschrieben, dabei werden die Unterschiede herausgearbeitet und mit Hilfe von Geschäftsprozessdiagrammen dokumentiert. In Phase C werden der aktuelle sowie der gewünschte Zustand der Daten- und Anwendungsarchitektur beschrieben. Dazu werden die konkreten Datenmodelle und Anwendungen verwendet.
Alle erarbeiteten Ergebnisse sind in einem IVS-Wiki festgehalten und damit der Öffentlichkeit zugänglich. Für die Weiterentwicklung der Rahmenarchitektur kann ebenfalls auf das Wiki zurückgegriffen werden.
Die Entwicklung der IVS-Rahmenarchitektur erfolgte durch die Beteiligung von u. a. Unternehmen, öffentlichen Einrichtungen, Softwareentwicklungs- sowie Beratungshäusern – im ständigen Austausch mit der Praxis. Im Rahmen der wissenschaftlichen Auseinandersetzung mit dem Thema IVS-Architektur entstanden während der Projektlaufzeit zwei Veröffentlichungen, die sowohl eine wissenschaftliche Prüfung des Vorgehens und der Ergebnisse ermöglicht haben, als auch die Diffusion der Erkenntnisse in die Wissenschaft und Praxis befördern.
Mit Abschluss des Projekts hat Deutschland nun eine IVS-Rahmen- und drei konforme IVS-Referenzarchitekturen für den Bereich Straße. Durch den holistischen Ansatz nimmt Deutschland dabei in der EU eine Sonderstellung ein und grenzt sich bewusst von verwandten Ansätzen ab.
Mit dem Hilfsmittel der dokumentierten und von vielen Beteiligten empfohlenen IVS-Architekturen können zukünftig IVS-Dienste schneller entwickelt und einfacher betrieben werden, d. h. Unternehmen und weitere Organisationen im Bereich IVS können nun darauf basierende Dienste und Innovationen anbieten.
Eine ständige Anpassung und Weiterentwicklung ist angestrebt und auch erforderlich, damit die IVS-Rahmenarchitektur den Anforderungen aus der Praxis gerecht werden kann.
Intelligente Mobilitätsdienste sind datenbasierte Anwendungen im Bereich von Verkehr und Mobilität, die von Nutzern beansprucht werden können. Aufgrund des Paradigmenwechsels in der Nutzung und im Betrieb von verkehrlicher Infrastruktur stehen nicht lediglich technische Fragestellungen im Fokus. Zunehmend wird eine gesamtheitliche Perspektive auf den Dienst und all seine Facetten eingenommen, was nicht zuletzt am zunehmenden Interesse privatwirtschaftlicher Akteure an der Mobilitätsdomäne liegt.
Der strategische und geschäftliche Teil eines Dienstes inklusive der Ziele und Erwartungshaltung beteiligter Akteure hat zunehmend an Bedeutung gewonnen. Für privatwirtschaftliche Akteure, die in Kooperation mit der öffentlichen Hand Mobilitätsdienste realisieren und betreiben, stellt es ein Hindernis dar, ähnliche Dienste von Fall zu Fall mit starken Abweichungen zu implementieren. Dies verursacht auf Seiten der Unternehmen einen großen Aufwand, einen entsprechenden Beitrag zur Wertschöpfung zu leisten.
Das verstärkte Aufkommen datenbasierter Mobilitätsangebote erfordert neue, ganzheitliche Konzepte und Mechanismen zur effektiven Zusammenarbeit verschiedener Akteure. Der zunehmende Abstimmungsbedarf zwischen privaten und öffentlichen Akteuren erhöht die Komplexität in der Zusammenarbeit zusätzlich.
RAIM – das Rahmenwerk für Architekturen intelligenter Mobilitätsdienste – bietet einen Leitfaden für die gestalterische Planung sowie die funktionale, technische und wirtschaftliche Realisierung intelligenter Mobilitätslösungen. Auf vertraglicher, organisatorischer und technischer Ebene unterstützt RAIM somit die reibungslose Kommunikation zwischen den beteiligten Akteuren.
Anwendung kann RAIM beispielsweise finden, bestehende Dienste im Verkehrssektor nachträglich zu strukturieren oder die Kooperation von privaten und öffentlichen Akteuren bei der Erstellung von intelligenten Mobilitätsdiensten zu ermöglichen. RAIM soll vor allem Mobilitätsdienstleister, ÖPNV-Betriebe, Navigationsdienstleister, App-Betreiber, Regulatoren, Behörden und städtische Akteure ansprechen. Vor allem bei neuen Diensten (Mobilitätsangeboten) ist Dialog und Konsens zwischen den Akteuren zu fördern.
Das Bundesfernstraßennetz ist verschiedenen Herausforderungen wie u.a. das gesteigerte Verkehrsaufkommen und die hohe Altersstruktur der Bauwerke ausgesetzt. Aktuell basiert das Erhaltungsmanagement von Brücken auf regelmäßigen Bauwerksinspektionen, die weitestgehend aus einer visuellen Bewertung bestehen. Um den derzeitigen Herausforderungen adäquat zu begegnen sowie vorausschauend handeln zu können, müssen neue, effektive und effiziente Lösungen gefunden werden. Daher hat die BASt 2011 den Forschungsschwerpunkt „Intelligente Brücke“ ins Leben gerufen. Unter Verwendung digitaler Technologien und Methoden wurde damit eine Grundlage für ein prädiktives Erhaltungsmanagement geschaffen, welches Bauwerkseigentümer bei der Gewährleistung der Sicherheit, Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit ihrer Bauwerke unterstützen soll.
Im Rahmen dieses Berichts wurden die relevanten zumeist konzeptionellen Arbeiten aus den Jahren 2011 bis 2020 zusammengestellt. Der Fokus liegt dabei auf den Aspekten Datenerfassung, -aufbereitung, -analyse und -bewertung, -management sowie Qualitätssicherung. Die erfolgten Arbeiten bilden die Grundlage für die Realisierung verschiedener Reallabore, in denen ausgewählte Entwicklungen und Forschungsansätze an Bauwerken unter realen Bedingungen erprobt, bewertet und weiterentwickelt werden.
Das Reallabor „Intelligente Brücke im Digitalen Testfeld Autobahn“ wird in diesem Bericht im Detail vorgestellt und die eingesetzten Systeme hinsichtlich ihrer Praxistauglichkeit und Dauerhaftigkeit beurteilt.
Bei dem Bauwerk handelt es sich um eine vierfeldrige Spannbeton-Hohlkastenbrücke, die mit den vier Messsytemen „Brückenkennwerte“, „drahtloses Sensornetzwerk“, „instrumentierte Lager“ und „instrumentierter Fahrbahnübergang“ ausgestattet ist. Über einen Zeitraum von 5 Jahren erfolgen an dem Reallabor Forschungsprojekte, mit dem Ziel, die Messsysteme im Zusammenhang zu Demonstrieren und Verfahren zur zuverlässigen Erfassung und automatisierten Auswertung sowie eine Webanwendung zur Publikation der Ergebnisse zu entwickeln. Damit stehen Informationen zu Verkehr, Wetter- und Klimaeinflüssen, bauteil- und bauwerksbezogene Kennwerte zur Verfügung.
Durch die kontinuierlichen Erkenntnisse zu Einwirkungen und Status des Bauwerks und der instrumentierten Bauteile kann der Betreiber der Brücke unterstützt werden. Die im Rahmen des Reallabors „Intelligente Brücke im Digitalen Testfeld Autobahn“ gewonnenen Erkenntnisse und Erfahrungen schaffen eine wichtige Grundlage für die Konzeption weiterer Reallabore.
Anhand von Reallaboren werden kontinuierlich Realdaten generiert, die als Grundlage für weitere Forschung dienen können im Hinblick auf u.a. die Verifizierung von Systemannahmen, Überprüfung und Kalibrierung von Ingenieurmodellen sowie die Weiterentwicklung von datenbasierten Algorithmen. Darüber hinaus bieten Reallabore optimale Bedingungen zur Erprobung und Weiterentwicklung von praxistauglichen und zuverlässigen Innovationen.
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.
Füllsysteme für Fugen in Betonfahrbahnen sind während ihrer Nutzungsdauer vielfältigen Beanspruchungen ausgesetzt. Daraus leiten sich erhöhte Anforderungen an die Dauerhaftigkeit des Gesamtsystems „Fuge“ ab. Neben jahreszeitlich schwankenden klimatischen Änderunge spielen insbesondere zyklische Beanspruchungen durch den überrollenden Verkehr sowie die Alterung der Fugenmassen eine maßgebliche Rolle.
Ziel dieses Forschungsprojekts war es, ein praxisorientiertes Prüfverfahren zu entwickeln, das zum einen das Gesamtsystem „Fuge“ bestehend aus Betonfugenflanke, Voranstrichmittel sowie der Fugenmasse umfasst und andererseits die maßgebenden Szenarien der in-situ-Beanspruchungen realistisch abbildet. Dazu wurden Systemprüfkörper bestehend aus Beton und Fugenfüllstoff definiert, an denen über die herkömmlichen Prüfungen am Füllstoff hinaus, statische Zug-/Scherversuche und zyklische Druck-/Zug-/Scherversuche an neuen und künstlich gealterten Proben vorgenommen wurden. Diese Prüfungen wurden sowohl an Laborproben (Referenz) als auch an Systemprüfkörpern aus Bohrkernen von originären Bestandstrecken durchgeführt.
Die Untersuchungen zeigten u.a., dass die heiß verarbeitbaren Fugenmassen, mit Ausnahme der modifizierten Fugenmasse vom Typ N2+, infolge künstlicher Alterung erheblich versprödeten, d.h. bei deutlich reduziertem Dehnvermögen höhere Maximalspannungen aufwiesen. Dieser Effekt zeichnete sich auch bei den im dynamischen Scherrheometer ermittelten Phasenwinkeln und komplexen Schermoduln ab. Unter der Annahme eines exponentiellen Verlaufs der Alterung von heiß verarbeitbaren Fugenmassen, konnte für die künstliche Laboralterung ein simulierter Nutzungszeitraum von etwa 6 Jahren ermittelt werden. Für die kalt verarbeitbaren Fugenmassen erwies sich die für heiß verarbeitbare Fugenmassen herangezogene künstliche Alterung unter Druck und Temperaturbeanspruchung als nicht zweckmäßiges Verfahren.
Zur ersten Validierung der entwickelten Laborprüfverfahren wurde im BAB-Netz eine heiß und eine kalt verarbeitbare Fugenmasse über die ersten 21 Monate Nutzungsdauer intensiv beobachtet.
Unter Einbeziehung der Systemprüfungen an Labor- und in-situ-Proben wurde ein erster Bewertungsansatz entwickelt, mit dem, anhand wissenschaftlich orientierter Kenn- und Grenzwerte, Fugenmassen im nicht gealterten ebenso wie im künstlich gealterten Zustand bewertet werden können.
Das European New Car Assessment Programme (Euro NCAP) ist ein verbraucherschutzorientiertes Programm zur Bewertung der Sicherheit von – in der Regel – neuen Kraftfahrzeugmodellen. Das Programm gibt es seit 1997, seit 2009 besteht die Bewertung aus 4 Bausteinen (1. Schutz erwachsener Insassen; 2. Schutz von Kindern im Fahrzeug; 3. Schutz schwächerer Verkehrsteilnehmer; 4. Ausstattung mit Fahrerassistenzsystemen).
Das Hauptziel des vorliegenden Projekts bestand darin, die Testergebnisse aus Euro NCAP soweit möglich auf die gesamte Pkw-Flotte zu übertragen und daraus einen Safety Performance Indikator (SPI) für den Pkw-Bestand mehrerer aufeinander folgender Jahre (Zeitreihe) zu bilden. Ein weiteres Ziel war es zu untersuchen, ob ein Zusammenhang zwischen der Euro NCAP-Bewertung von Fahrzeugen und dem Unfallgeschehen existiert. Neben Literaturanalysen wurden hierzu statistische Modelle zum Einfluss der durch den SPI ausgedrückten Fahrzeugsicherheit auf die korrespondierende Zahl der Verunglückten aus der amtlichen Straßenverkehrsunfallstatistik geschätzt.
Ein wesentlicher Schritt bei der Entwicklung eines SPI zur Fahrzeugsicherheit bestand darin, die Euro NCAP-Testergebnisse der verschiedenen Jahre im Hinblick auf die im Zeitverlauf geänderten Testprozeduren soweit als möglich vergleichbar zu machen. Hierfür wurde eine Projektgruppe bestehend aus Experten der BASt in den Bereichen Aktive und Passive Fahrzeugsicherheit gebildet, welche die Aufgabe hatte, je Baustein zu quantifizieren, wie sich diese Veränderungen der Testprozeduren auf die Fahrzeugbewertung auswirken. Dabei wurden die Testrahmenbedingungen des Jahres 2020 als Referenz herangezogen.
Der zweite wesentliche Schritt zur Erzeugung eines Safety Performance Indikators bestand darin, die – neu berechneten – Euro NCAP-Ergebnisdaten für die einzelnen getesteten Marken und Modelle mit den ZFZR-Beständen (1.1.2014 bis 1.1.2020) zu verknüpfen (matching).
Die Verknüpfung der ZFZR-Bestandsdaten mit den Euro NCAP-Bewertungsdaten erfolgte über einen komplexen Algorithmus, der im Kern auf den Merkmalen Fabrikatcode, Modellcode und Jahr der Erstzulassung basiert.
Im Ergebnis konnte im Durchschnitt über die hier betrachteten sieben Bestandsjahre (Stichtage: 1.1.2014 bis 1.1.2020) von den neueren Fahrzeugen (Erstzulassungsjahr ab 2009) rund 70 % eine Euro NCAP-Bewertung zugeordnet werden. Den übrigen Pkw im ZFZR-Bestand wurde die fehlende Bewertung über Imputationsverfahren zugewiesen.
Es wurden insgesamt vier (bausteinspezifische) Safety Performance Indikatoren gebildet, die auf den neu berechneten und vereinheitlichten Fahrzeugbewertungen aus Euro NCAP basieren. Bei den genannten Indikatoren handelt es sich um Durchschnittswerte der Sicherheitsbewertung der im ZFZR erfassten Pkw. Aus diesen vier Indikatoren wurde dann noch ein Safety Performance Gesamtindikator mittels gewichtetem Mittelwert berechnet. Im Ergebnis liegen damit Zeitreihen der vier bausteinspezifischen SPI-Werte sowie des SPI-Gesamtwerts vor.
Das zentrale Ergebnis der Analysen der SPI-Zeitreihen ist, dass alle Indikatoren einen im Zeitverlauf ansteigenden Trend aufweisen. Dies ist ein klares Indiz dafür, dass der Sicherheitsstandard nicht nur bei den Neufahrzeugen, sondern auch bezogen auf den gesamten Pkw-Bestand in den letzten Jahren kontinuierlich gestiegen ist.
Die höchsten Indikatorwerte finden sich beim SPI zum Baustein 2 (Schutz von Kindern im Fahrzeug), am niedrigsten fallen sie hinsichtlich der Ausstattung mit Fahrerassistenzsystemen aus (SPI zum Baustein 4).
Gliedert man die Indikatoren zusätzlich nach Pkw-Segment, so finden sich bei SUV’s, gefolgt von Geländewagen, Großraum-Vans und der Oberklasse die höchsten Werte beim SPI-Gesamtwert. Dass die SUV’s den höchsten SPI aufweisen, hat allerdings auch damit zu tun, dass es sich um ein relativ neues Segment handelt, in dem der Anteil älterer Fahrzeuge vergleichsweise niedrig ist.
Im Rahmen der Unfallanalyse wurden log-lineare Regressionsmodelle gerechnet, um den Einfluss der vier SPI auf die jeweils entsprechenden Unfallmerkmale (verunglückte Pkw-Insassen, Fußgänger und Radfahrer, unfallbeteiligte Pkw) zu ermitteln. Darüber hinaus wurde der Zusammenhang zwischen dem SPI-Gesamtwert und den resultierenden monetären volkswirtschaftlichen Unfallkosten analysiert. Die statistischen Auswertungen zum Zusammenhang zwischen SPI und Unfallgeschehen zeigten in allen Fällen, dass ein höherer Wert des entsprechenden Safety Performance Indikators mit einer geringeren Zahl an verunglückten Personen bzw. unfallbeteiligten Pkw einhergeht. In Bezug auf die Unfallkosten ergab sich, dass bei einer Zunahme des Gesamt-SPI der Pkw-Flotte um 1 % die entsprechenden Unfallkosten ceteris paribus um 0,7 % sinken.
Zudem wurden bei der Konzeption des Projektes bereits die wesentlichen Voraussetzungen für eine kontinuierliche Fortführung der SPI-Zeitreihen in den nächsten Jahren geschaffen.
Bei den abzugsrelevanten Merkmalen - Verdichtungsgrad und Hohlraumgehalt - liegt die Bestimmung der Raumdichte am Ausbaustück oder Marshallprobekörper entsprechend den nationalen Prüfvorschriften zugrunde. Zur Bestimmung der Raumdichte ist bei offenporigen Asphalten das Ausmessverfahren (Verfahren D) anzuwenden und bei allen anderen Walzasphalten das Tauchwägeverfahren mit Ledertuch (Verfahren B). Nur bei lärmtechnisch optimierten Asphaltdeckschichten soll zur Erfahrungssammlung neben dem Verfahren B auch das Verfahren D angewandt werden.
Aus den Erfahrungen mit den Prüfverfahren ist bekannt, dass mit zunehmendem Hohlraumgehalt die Raumdichte an Prüfkörpern mit den standardisierten Verfahren nicht präzise genug erfasst werden kann. Um ein geeignetes Verfahren für primär semiporöse und sekundär offenporige Asphaltdeckschichten zu finden wurden insgesamt 7 zum Teil standardisierte Prüfmethoden zur Bestimmung der Raumdichte an drei Mischgutarten durchgeführt. Dabei wurden die Geometrien und Herstellungsarten der Prüfkörper variiert.
Alle gesammelten Daten der Untersuchungen (Raumdichte und Streuung) wurden hinsichtlich der Einflüsse aus den geometrischen Kennwerten (Prüfkörperhöhe und -durchmesser), Prüfkörpermasse und charakterisierenden Kennwerten wie den Hohlraumgehalt, den Textureigenschaften, der effektiven Fläche der Textur und Körnungsspezifischen Kennwerten analysiert.
Es konnten deutliche Unterschiede zwischen den Verfahren nachgewiesen werden. Hinsichtlich der Eignung für semiporöse und offenporige Asphalte konnte ein Verfahren zur Umhüllung von Prüfkörpern mit einem Vakuumbeutel empfohlen werden, welches in Einklang mit der europäischen Norm steht. Alternativ ist eine Bestimmung des Volumens über eine Laserabtastung der Probekörper zu empfehlen. Diese technisch hochwertige Methodik lässt eine sichere Abgrenzung zwischen der Textur eines Prüfkörpers und den zur Raumdichte zugehörigen Volumen zu.