620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Gussasphalt ohne Abstreuung
(2013)
Bedingt durch die wachsende Problematik des Verkehrslärms ist die akustische Optimierung von Asphaltdeckschichten seit über 20 Jahren eine wichtige Aufgabenstellung in der Asphalttechnologie. Nach einem ersten Forschungsschwerpunkt auf offenporige Asphalte wurde anschließend der Fokus auf dichte Deckschichten gerichtet. Eine dieser neueren Konzepte ist die Bauweise Gussasphalt ohne Abstreuung, oder auch als Gussaphalt mit offenporiger Struktur bezeichnet. Als Abkürzung wird derzeit PMA (Porous Mastic Asphalt) verwendet. Die Grundidee dieser Bauweise besteht darin, die untere Zone der Deckschicht möglichst dicht, das heisst ähnlich einem Gussasphalt auszubilden, während sich an der Oberfläche eine offene Textur einstellt, die gemeinsam mit dem kleinen Größtkorn, gute akustische Eigenschaften zeigt. Erreicht wird dies durch eine spezielle Zusammensetzung des Mischguts mit einem großen Anteil grober Gesteinskörnungen, feiner Gesteinskörnungen, die auf 1 Millimeter begrenzt sind und einem abgesenkten Fülleranteil. Diese reduzierte Mörtelmenge führt zur gewünschten definierten Ausfüllung des Korngerüsts. Zur Überprüfung dieser These bieten sich Analysen mit Röntgen-Computertomographie an, die erlauben, die wahre Hohlraumverteilung in Probekörpern zu ermitteln. Die bei der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) in Berlin durchgeführten Messungen zeigen das grundsätzliche Funktionieren der Bauweise. Bei genauer lokaler Betrachtung jedoch können größere Schwankungen detektiert werden, die bis zum Verlassen des Konzeptes führen können. Durchgehende Hohlraumstrukturen bis zur Unterlage sind dabei möglich, die sich auch auf die Oberflächengestalt auswirken. Die bautechnischen Ursachen sind noch nicht näher geklärt. In Frage kommen alle am komplexen Prozess Asphalteinbau beteiligten Parameter, die generell, auch beim herkömmlichen Einbau von Walzasphalt, zu Schwankungen führen. Die Messung der Oberflächeneigenschaften Griffigkeit, Ebenheit und Schallemission ergab ein insgesamt homogenes Verhalten des betrachteten Streckenabschnitts. Die Ermittlung des Schallpegels nach statistischer Vorbeifahrt zeigte für Pkw bei 120 km/h eine Minderung gegenüber dem Referenzpegel von 3 dB(A). Das Optimierungsziel - dichte Asphaltdeckschicht mit guten akustischen Eigenschaften - wurde erreicht. In der Erprobung der noch jungen Bauweise PMA stellt der betrachtete Abschnitt auf der BAB A 4 aufgrund seiner Länge und Verkehrsbelastung einen wichtigen Meilenstein dar, der sich bis zum jetzigen Zeitpunkt insgesamt vielversprechend verhielt. Vor einer Aufnahme als Regelbauweise in die ZTV Asphalt-StB müssen Fragestellungen in den Themenfeldern Laborverfahren, Mischgutkonzeption beziehungsweise Einbauhomogenität und Dauerhaftigkeit beantwortet werden. Für die Themenfelder sind bereits weitergehende Forschungsaktivitäten in Bearbeitung, die bis Anfang 2014 Ergebnisse erwarten lassen. Die Frage der Dauerhaftigkeit wird die Zeit selbst beantworten.
Im Rahmen des zweitägigen Kolloquiums "Luftqualität an Straßen 2013" wurden aktuelle Forschungsaktivitäten und Maßnahmen auf dem Gebiet der Luftreinhaltung im Einflussbereich von Straßenbau und Straßenverkehr vorgestellt. Der Tagungsband gibt 14 Fachvorträge und die 4 Beiträge der Posterausstellung wieder.
Jahresbericht 2011/2012
(2013)
Der Verkehr auf deutschen Straßen nimmt immer weiter zu. Einem auch in Zukunft gut funktionierenden, sicheren und ökonomisch wie ökologisch verträglichen System Straße widmet sich die Forschung der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt). Alle zwei Jahre berichtet die BASt über ihre Aufgaben, Forschungsprojekte und ausgewählte Themen der Verwaltung. Der aktuelle Bericht umfasst die Jahre 2011 und 2012. Auf 151 Seiten gibt er einen kleinen Einblick in die aktuelle Forschung zu wichtigen Themen des Straßenwesens. In den Projekten SKRIBT und SKRIBTPlus wurde das Verhalten von Autofahrerinnen und Autofahrern in Gefahrensituationen im Tunnel untersucht. Es stellte sich heraus, dass in solchen Situationen oft falsch und zu spät reagiert wird. Durch die gesammelten Daten konnten neue Konzepte entwickelt werden, die das Verhalten bei Gefahren in Tunneln verbessern. In Kraftfahrzeugen kamen zwar in den letzten Jahren neue Sicherheitssysteme zum Einsatz, die in Gefahrensituationen das Bremsverhalten verbessern. Bisher ist es jedoch für den Endverbraucher schwer, unterschiedliche Systeme zu vergleichen, da keine geeigneten Bewertungen herangezogen werden können. Im EU-Projekt ASSESS (Assessment of Integrated Vehicle Safety Systems for improved vehicle safety), an dem die BASt maßgeblich beteiligt ist, wurde deshalb an einem einheitlichen Verfahren zur Bewertung und an juristischen Fragenstellungen gearbeitet. Viele europäische Länder sind sich einig: Alkohol, Drogen und Medikamente im Straßenverkehr gefährden die Sicherheit auf Europas Straßen. Um sich ein genaueres Bild machen zu können und geeignete Gegenmaßnahmen zu entwickeln, bewilligte die Europäische Kommission das bisher größte Forschungsprojekt zur Verbesserung der Verkehrssicherheit: DRUID (Driving Under the Influence of Drugs, Alcohol and Medicines). An dem fünf Jahre dauernden und von der BASt koordinierten Projekt, beteiligten sich Institute aus 18 europäischen Ländern. Das Ergebnis ist eine umfassende Bestandsaufnahme sowie konkrete Maßnahmenvorschläge. Die Arbeit der BASt umfasst im großen Maße auch den Ausbau und Erhalt der gesamten Straßeninfrastruktur. Der Beitrag "Wie bauen wir in der Zukunft: Straßenbau ohne OEl?" geht beispielsweise der Frage nach, wie wir bei immer knapper werdenden und teuer zu bezahlenden Ressourcen unsere Straßen zukünftig erhalten und ausbauen werden. Auch die Aktion "auf" der Straße spielt eine große Rolle in der BASt. Seit Jahren zeichnet sich ein Mangel an Parkplätzen für Lkw an Bundesautobahnen ab. Um hier Abhilfe zu schaffen, hat die BASt einen neuen Steuerungsansatz entwickelt: Beim sogenannten Kompaktparken werden Kapazitäten erhöht und effektiver genutzt, indem Lkw in Reihe, nach ihrer geplanten Abfahrzeit, geparkt werden.
Die Innenschalen von Straßentunneln in geschlossener Bauweise werden in der Regel als Stahlbetonkonstruktion ausgeführt. Die Ausführung unbewehrter Tunnelinnenschalen kann für den Bauherrn eine erhebliche Kostenersparnis bedeuten, da die Kosten für die Bewehrung und deren Einbau eingespart werden. Unbewehrte Innenschalen für Straßentunnel in geschlossener Bauweise wurden in der Vergangenheit bei einzelnen Projekten in Deutschland bereits ausgeführt. Die Anforderungen an die bauliche Durchbildung und an die Gebrauchstauglichkeitseigenschaften wurden aufgrund fehlender Regelungen in den ZTV-ING objektspezifisch festgelegt. Die im Rahmen dieses Forschungsprojektes durchgeführte Auswertung der Erfahrungen mit unbewehrten Innenschalen zeigt, dass viele der Tunnel eine hohe Anzahl von Rissen und Betonabplatzungen in den unbewehrten Bereichen aufweisen. Die hier erforderlichen nachträglichen Instandsetzungsmaßnahmen führen häufig zu hohen Kosten und Beeinträchtigungen der Tunnelverfügbarkeit. Als Fazit aus diesen Erfahrungen kann der Einsatz von unbewehrten Innenschalen nur in Ausnahmefällen bei vorliegenden besonders günstigen Randbedingungen empfohlen werden. Neben einer günstigen Geologie zählen hierzu noch weitere Parameter, die im vorliegenden Bericht ausführlich dargelegt werden. Zur Vermeidung vertragsrelevanter Probleme bei der Ausführung unbewehrter Innenschalen wird eine klare Festlegung der Gebrauchstauglichkeitseigenschaften der fertigen Tunnelinnenschale empfohlen. Bezüglich der zulaäsigen Rissweiten in unbewehrten Innenschalen wird die Anwendung der Vorgaben aus der Ril 853, Modul 853.4004 empfohlen. In den ZTV-ING sollten für den Sonderfall einer unbewehrten Innenschale auch weiterhin keine speziellen Anforderungen festgelegt werden. Kriterien für die Anwendung unbewehrter Innenschalen wurden im Rahmen dieses Forschungsprojektes erarbeitet und sollten bei Bedarf den Straßenbauverwaltungen der Länder und den Planern zur Verfügung gestellt werden.
In dem geltenden Regelwerk für Straßentunnel, der ZTV-ING, ist das derzeitige rechnerische Nachweisverfahren zum baulichen Brandschutz für Rechteckrahmenquerschnitte im Teil 5, Abschnitt 2 über ein vereinfachtes Nachweisverfahren mit Ansatz eines Temperaturgradienten von 50 K in Wand und Decke geregelt. Alternativ kann nach ZTV-ING ein "genauerer" rechnerischer Nachweis durchgeführt werden, der jedoch in der Praxis kaum angewendet wird, da hierzu bisher keine eindeutigen Regelungen zur Durchführung vorliegen. Es stellen sich insbesondere die Fragen, inwieweit über einen genaueren rechnerischen Nachweis Einsparpotenziale bei der Bewehrung gegenüber dem vereinfachten Nachweis vorliegen und welchen Einfluss eine verlängerte ZTV-ING-Kurve (55 Minuten Vollbrandphase statt 25 Minuten Vollbrandphase) auf die erforderlichen Bewehrungsgehalte hat. Im vorliegenden Forschungsvorhaben wurden die genaueren rechnerischen Nachweise für typische Rechteckrahmenquerschnitte von Straßentunneln (ein- und zweizellig) auf Grundlage des Eurocodes EN 1992-1-2 [4], "Allgemeines Rechenverfahren", durchgeführt. Aufgrund des deutlich unterschiedlichen Abplatzverhaltens von Beton ohne PP-Fasern und Beton mit PP-Fasern mit entsprechendem Einfluss auf das Tragverhalten im Brandfall wurden differenzierte Berechnungen durchgeführt. Die Annahmen für die Größe und den Zeitpunkt der Betonabplatzungen basieren auf den Auswertungen von Großbrandversuchen für Rechteckrahmen [10]. In zusätzlichen statischen Berechnungen wurde der Lastfall nach dem Brand mit Berücksichtigung der veränderten Baustoffeigenschaften durch die Brandeinwirkung nachgewiesen. Auf Grundlage der durchgeführten Berechnungen wurde ein Leitfaden mit Musterstatik für den genaueren rechnerischen Brandschutznachweis erstellt. Der Leitfaden mit Musterstatik soll bei der zukünftigen Dimensionierung von Rechteckkonstruktionen von Straßentunneln einen optimierten Brandschutznachweis mit einhergehenden Kostenoptimierungen gegenüber dem bisherigen vereinfachten Brandschutznachweis ermöglichen. Es hat sich gezeigt, dass der genaue rechnerische Nachweis des Brandfalls ein komplexes Berechnungsverfahren ist, das in der Praxis noch nicht erprobt ist. Auf Grundlage der Ergebnisse des genaueren rechnerischen Nachweisverfahrens wurde ein für die Praxis zweckmäßiges Berechnungsverfahren mit Vorgabe eines von der Bauteildicke abhängigen linearen Temperaturgradienten entwickelt. Voraussetzung für die Anwendung dieses Nachweisverfahrens sind vergleichbare Randbedingungen im Brandfall hinsichtlich Größe von Betonabplatzungen und Temperaturverteilungen im Bauteil, welche bei der Verwendung von Betonen mit PP-Fasern und entsprechenden Vorgaben an Rezeptur, Herstellung und Verarbeitung gesehen werden. Für eine Fortschreibung der ZTV-ING, Teil 5, Abschnitt 2, Nr. 10 "Baulicher Brandschutz" werden entsprechende Empfehlungen formuliert.
Die Anforderungen an Brückenbauwerke haben sich in den vergangenen Jahren infolge der steigenden Verkehrszahlen deutlich erhöht. Gleichzeitig hat sich mit der Umstellung der Normen der rechnerische Querkraftwiderstand von Bauteilen ohne Querkraftbewehrung verringert. Daher lässt sich für Brückenbauwerke im Bestand mit Fahrbahnplatten ohne Querkraftbewehrung nach derzeitigen technischen Regeln oft nicht eine ausreichende Querkrafttragfähigkeit nachweisen. Allerdings sind die berechneten Tragfähigkeiten aufgrund einer Unterschätzung der mitwirkenden Plattenbreite konservativ. Der derzeit gültige Ansatz zur Berechnung der Querkrafttragfähigkeit ohne Querkraftbewehrung nach DIN-Fachbericht 102 (2009) wurde anhand einer Querkraftdatenbank kalibriert, die hauptsächlich aus Versuchen an Balken besteht. Bislang wurden nur wenige Versuche zur Querkrafttragfähigkeit von Platten unter punktförmiger Belastung durchgeführt. Im vorliegenden von der Bundesanstalt für Straßenwesen geförderten und am Institut für Massivbau der RWTH Aachen durchgeführten Forschungsvorhaben wurde durch experimentelle und theoretische Untersuchungen das Querkrafttragverhalten von Platten genauer analysiert. Die experimentellen Untersuchungen bestanden aus insgesamt 17 Bauteilversuchen in zwei Versuchsserien. In der ersten Versuchsserie wurde die Fragestellung der sich einstellenden Lastverteilungsbreite bei Platten ohne Querkraftbewehrung im Zustand II untersucht. Hierzu wurde durch Variation der Plattenbreite (0,5 m bis 3,5 m) an Einfeldsystemen gezielt der Übergang von der Balkentragwirkung zur Plattentragwirkung analysiert. Anschließend wurde der Einfluss der Schubschlankheit (2,9 bis 5,4) auf das Querkrafttragverhalten überprüft. In der zweiten Versuchsserie wurde an Kragarmen von zweistegigen Plattenbalken der Einfluss der Vouten sowie des Momenten-Querkraftverhältnisses untersucht. Aufbauend auf den Versuchen der ersten Versuchsserie wurden nichtlineare Finite-Elemente-Berechnungen zur Untersuchung weiterer Einflüsse (z. B. Betonfestigkeit, Längs- und Querbewehrungsgrad, Druckbewehrung, Plattendicke, Stützweite) durchgeführt. Auf Grundlage der durchgeführten theoretischen und experimentellen Untersuchungen wurden abschließend die bestehenden Bemessungsansätze modifiziert und anhand von Versuchen aus der Literatur überprüft.
In Anbetracht des stetigen Wachstums des Schwerverkehrsaufkommens auf dem deutschen und europäischen Straßennetz wurden durch das Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS) und die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) in der jüngsten Vergangenheit mehrere Forschungsprojekte initiiert, um die Auswirkungen dieses wachsenden Verkehrsaufkommens auf die Brückenbauwerke, sowohl hinsichtlich des Brückenneubaus als auch hinsichtlich des Brückenbestandes, zu analysieren. Vom Forschungsnehmer wurden hierzu in vorhergehenden Projekten auf der Grundlage von Verkehrssimulationsrechnungen verschiedene Lastmodelle identifiziert, die die Beanspruchungen infolge prognostiziertem zukünftigen Verkehr oder eines in gewissen Teilen bekannten objektspezifischen Verkehres abdecken. Die Relevanz der identifizierten Lastmodelle in den Sicherheitskonzepten wurde bisher nicht untersucht. Dies steht im Schwerpunkt dieser Projektaufgabe. Für ein ausgewähltes Tragsystem (2x40 m Zweifeldsystem mit einem zweistegigen Plattenbalkenquerschnitt in Massivbauweise) wurden hierzu sicherheitstheoretischen Untersuchungen durchgeführt. Grundlage solcher Untersuchungen ist die Berücksichtigung von streuenden (zufälligen) Kenngrößen zur Abbildung von inneren Widerständen diesen gegenüber stehenden Beanspruchungen. Für die stochastische Beschreibung der Beanspruchungen infolge des Straßenverkehrs wurden die Ergebnisse der in den vorhergehenden Forschungsprojektes Verkehrssimulationsrechnungen verwendet und eine Vorgehensweise zur Aufbereitung dieser Datenbestände entwickelt. Hierdurch ist es möglich, eine differenzierte stochastische Beschreibung der Beanspruchungen aus Verkehrseinwirkungen unter Kenntnis objektspezifischer Verkehrscharakteristiken zu erstellen. Im Ergebnis der Untersuchungen zeigt sich, dass über verschiedene betrachtete Verkehrscharakteristiken und zugehörige Lastmodelle hinweg relativ homogene Sicherheitsindizes ergeben. Unter Berücksichtigung von Modellunsicherheiten auf der Einwirkungs- und Widerstandsseite liegen die Ergebnisse leicht über den "normativen Vorgaben" des Sicherheitsindexes.
An Landstraßen ist man in höherem Maße als an Autobahnen auf Kurzzeitzählungen zur Ermittlung der Bemessungsverkehrsstärke angewiesen, da das Dauerzählstellennetz hier weit weniger dicht ist und somit Informationen über stündliche Verkehrsmengen selten verfügbar sind. In diesem Forschungsvorhaben wurden Verfahren entwickelt, • um aus Kurzzeitzählungen die Bemessungsverkehrsstärke und den bemessungsrelevanten Schwerverkehrsanteil abzuleiten und • die aus Kurzzeitzählungen ermittelten Verkehrsmengen auf Folgejahre fortzuschreiben. Für die Ermittlung der bemessungsrelevanten Nachfragewerte wurde dabei unterschieden nach Abschnitten mit Belastungsspitzen, • die regelmäßig an Freitagnachmittagen auftreten, • aufgrund des Werktagsverkehrs und • aufgrund von Freizeit-, Ausflugs- oder Urlaubsverkehren. Für die Ermittlung der Bemessungsverkehrsstärke sind nicht alle Tage bzw. Wochen gleichermaßen geeignet. Je nach Abschnittstyp gibt es unterschiedlich geeignete Zählzeiten. Das Forschungsvorhaben zeigt eine Typisierung auf und weist nach, welche Strecken idealerweise zu welchen Zeiten gezählt werden sollten. Dabei werden sowohl Empfehlungen zur Wahl einer günstigen Zählwoche als auch " für Tageszählungen " zur Bestimmung der geeigneten Stunden gegeben. Als Schätzwert für die Bemessungsverkehrsstärke dient in allen Fällen der höchste während der Kurzzeitzählung gemessene Stundenwert. Die Empfehlung bzgl. der Fortschreibung von Zählungen auf Folgejahre ist dreigeteilt: 1. Geht die allgemeine Verkehrsentwicklung gegen Null, kann auf eine Fortschreibung verzichtet werden. 2. Liegt eine Verkehrsentwicklung vor, sollte die Fortschreibung mit einem ganglinienbasierten Verfahren vorgenommen werden. Die Veränderungsindizes für die gewünschten Fahrzeuggruppen sind aus dem entsprechenden Dauerzählstellenkollektiv abzuleiten. 3. Sind seit der letzten Zählung strukturelle Veränderungen eingetreten (z. B. Netzänderungen), sollte eine neue Erhebung durchgeführt werden.
Auf Basis des HBEFA 3.1 wurde das Emissionsmodul grundlegend überarbeitet. Die Emissionsberechnung kann nunmehr für die Bezugsjahre 2005 bis 2030 erfolgen. Aktualisiert wurden auch die PM10-Emissionsfaktoren für Aufwirbelung und Abrieb. Für freie (nicht überdeckelte Strecken) im guten Fahrbahnzustand sollten für den Leichtverkehr (LV) für alle Verkehrssituationen mit Tempolimit größer 50 km/h unabhängig vom Level of Service 30 mg/(km • Fzg) sowie für den Schwerverkehr (SV) 130 mg/(km • Fzg) verwendet werden. Für Tunnelstrecken werden für den LV 5 mg/ (km • Fzg) sowie für den SV 130 mg/(km • Fzg) vorgeschlagen. Für Straßen im schlechten Zustand sind diese Werte mit dem Faktor 2 zu multiplizieren. Für die Ermittlung der nicht motorbedingten PM2.5-Emissionen (Reifen-, Straße- und Bremsabrieb) wird der Ansatz aus CORINAIR vorgeschlagen. Kupplungsabrieb und Wiederaufwirbelung von Straßenstaub können nach derzeitigen Erkenntnissen vernachlässigt werden. Es wurde auch ein entsprechender Berechnungsvorschlag für Benzo(a)pyren-Emissionsfaktoren abgeleitet. Er basiert auf Emissionsfaktoren aus einer Studie des Schweizer Bundesamtes fuer Umwelt, Wald und Landschaft. Die bisher in MLuS integrierten gebietstypischen Vorbelastungswerte wurden anhand vorliegender Messdaten aus den Jahren 2000 bis 2006 aktualisiert. Neu wurden Vorbelastungsdaten für PM2.5 abgeleitet, da diese bisher in MLuS noch nicht vorgesehen waren. Die Änderungen der Vorbelastungswerte werden wie bisher tabellarisch in Form von Reduktionsfaktoren der Schadstoffbelastung angegeben. Die Abschätzungen der immissionsseitigen Wirkungen von Lärmschutzwänden- und -wällen wurden auf der Grundlage von mikroskaligen Modellrechnungen (MISKAM) quantifiziert und mit Windkanalmessungen bzw. Ergebnissen aus der Literatur abgeglichen. Nunmehr können Lärmschutzwände und Lärmschutzwälle bis 10 m berücksichtigt werden. Als NO-NO2-Konversionsmodell wird nunmehr ein vereinfachtes Chemiemodell auf Basis der Beschreibung der chemischen Umwandlung im Gleichgewicht der Stoffe NO2, NO und Ozon verwendet. Die Funktion zur Abschätzung der Überschreitungshäufigkeiten des NO2-Stundengrenzwertes wurde anhand von Messdaten der Jahre 2000 bis 2009 aktualisiert. Mit den zuvor erläuterten Ergebnissen wurde eine grundlegende Aktualisierung des PC-Programms durchgeführt. In Absprache mit dem zuständigen FGSV-Arbeitskreis wird das Programm "Richtlinien zur Ermittlung der Luftqualität an Straßen ohne oder mit lockerer Randbebauung" (RLuS) heißen. Die Onlinehilfe und das Handbuch zum Programm wurden ebenfalls aktualisiert. Abgeschlossen wurde auch im Rahmen des hier vorliegenden Projektes die Neuformatierung der RLuS-Broschüre.