Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen, Reihe V: Verkehrstechnik
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Die Festlegung der Salzdosierung (Streudichte) wird in der aktuellen Winterdienstpraxis zumeist vom Einsatzpersonal auf den Fahrzeugen vorgenommen. Das von der Bundesanstalt für Straßenwesen (Bergisch Gladbach, Deutschland) in Auftrag gegebene Pilotprojekt „Automatisch gesteuerte Streustoffausbringung durch Nutzung neuer mobiler Sensoren“ hatte die Minimierung von „subjektiven Faktoren“ bei der Taustoffanwendung zum Ziel. Der Forschungsauftrag knüpfte an das Vorprojekt „Optimierung der Streustoffausbringung – Modell der objektiv notwendigen Streudichten im Straßenwinterdienst“ an und nutzt zusätzlich die Möglichkeiten eines neu entwickelten berührungslosen Sensors. Mit diesem Sensor besteht die Möglichkeit, die Wasserfilmdicke auf der Fahrbahn und den aktuellen Fahrbahnzustand in die Berechnung der optimalen Streudichte einzubeziehen. Die Testinstallationen wurden in den Autobahnmeistereien Greding und Münchberg erprobt. Die Einführung von Assistenzsystemen zur parametergesteuerten Ermittlung der optimalen Streu-dichte sollte als wichtiger Schritt angesehen werden, um den Straßenwinterdienst zukünftig noch wirtschaftlicher, sicherer und mit geringsten Umweltbelastungen durchführen zu können. Die mit den derzeitig verfügbaren technischen Mitteln durchgeführten Feldversuche haben erste Erkenntnisse und Lösungen aufgezeigt. Es wurde aber auch deutlich, dass kurzfristige Lösungen nicht zu erwarten sind. Praxistaugliche Lösungen erfordern Sensoren, die präzise Messwerte liefern und eine noch komplexere Erfassung der Bedingungen auf der Straßenoberfläche. Das kann wahrscheinlich nur mit einer größeren Zahl von Sensoren an einem Fahrzeug kombiniert mit Verfahren der Bilderkennung erfolgen. Damit könnte alles Wesentliche erfasst und ausgewertet werden, was die Fahrer der Winterdienstfahrzeuge heute im Sichtfeld haben, kombiniert mit der Möglichkeit, die numerischen Daten automatisiert zu verarbeiten.
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Die Festlegung der Salzdosierung (Streudichte) wird in der aktuellen Winterdienstpraxis zumeist vom Einsatzpersonal auf den Fahrzeugen vorgenommen. Aus der Auswertung von automatisierten Datenaufzeichnungen ist bekannt, dass dabei persönliche Erfahrungen eine wesentliche Rolle spielen. Das drückt sich darin aus, dass beim Vergleich des Dosierverhaltens von mehreren Mitarbeitern unter vergleichbaren Randbedingungen der durchschnittlich eingestellte Dosierwert bis zu 100 % abweicht. Das von der Bundesanstalt für Straßenwesen (Bergisch Gladbach, Deutschland) in Auftrag gegebene Pilotprojekt "Optimierung der Streustoffausbringung " Modell zur Festlegung der objektiv notwendigen Streudichten im Straßenwinterdienst" hatte die Minimierung von "subjektiven Faktoren" bei der Taustoffanwendung zum Ziel. Aufbauend auf dem Phasendiagramm für die Mischung von NaCl und H2O wurde ein Berechnungsalgorithmus entwickelt, der Temperatur und Wasserfilmdicke auf der Fahrbahn in wählbaren Prognosezeiträumen berücksichtigt. Die stündlich aktualisierten Prognosedaten werden während der Einsatzfahrt des Winterdienstfahrzeuges übermittelt und haben direkten Einfluss auf die Streudichte. Neben den Prognosedaten haben auch technologische und streckenbezogenen Randbedingungen direkten Einfluss auf die berechnete Streudichte. Technologische Randbedingungen sind die Streutechnologie (wahlweise FS 30 oder FS 100) und der Prognosezeitraum. Zu diesem Zweck wurden vier Fahrzeuge von Autobahnmeistereien in Brandenburg und Nordrhein-Westfalen mit Bordcomputern ausgestattet, mit denen Daten kurzfristiger Wetterprognosen des Deutschen Wetterdienstes (Zeithorizont: 3 Stunden), Messungen der Fahrbahntemperatur und Daten der an der Strecke befindlichen Straßenwetterstationen verarbeitet werden. Die Bordcomputer sind über das GSM-Netz mit einem zentralen Server verbunden. Dadurch werden die Daten der Wetterprognosen laufend aktualisiert. Der Einsatz der prognostischen Streudichteberechnung hat gezeigt, dass durch diese Technik erhebliche Einsparungspotenziale bei der Taustoffanwendung erschlossen werden können. Das gilt vor allem für präventive Streueinsätze.
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Tauleistungsmessungen im Labor widersprechen der häufig geäußerten Annahme, dass Feuchtsalz aufgrund der Anfeuchtung deutlich schneller reagiert als getrocknetes Natriumchlorid. Auf Eisplatten aufgetragenes trockenes Natriumchlorid beginnt praktisch sofort mit einer Tauwirkung. Die bessere Wirkung des Feuchtsalzes im Vergleich zu trocken ausgebrachten Tausalz in der Praxis entsteht nur durch wesentlich geringeren Verwehverluste während und nach dem Ausbringen. Ausgehend von dieser Erkenntnis entstand die Überlegung, inwieweit durch eine Verringerung des Lösungsanteils bei der Anfeuchtung des Trockenanteils (Anfeuchtungsgrad) im gleichen Umfang eine Verwehung verhindert werden kann. Eine Verringerung der Lösungsanteile soll Kosten für die Lösungen senken, die heute erforderliche, im Vergleich zum Trockensalz lange Ladezeit senken und gegebenenfalls die mögliche Lademenge von tauwirksamen Trockenstoffen für eine längere Streustrecke erhöhen. Zunächst fanden Tauleistungsmessungen im Labor mit Natriumchlorid und unterschiedlichen Anfeuchtungsgraden statt, anhand deren Ergebnissen sich keine Senkung der Tauleistung infolge der Reduzierung der Lösungsmenge bei gleichbleibendem Trockenstoffanteil ableiten ließ. Die Messergebnisse führten allerdings zu teilweise unterschiedlichen Aussagen, die vorrangig auf die Genauigkeit des Messverfahrens zurückgeführt werden. Durchgeführte Praxisversuche zeigten, dass eine reduzierte Anfeuchtung nicht zu höheren Verwehverlusten führen muss. Die Streubilder wurden dabei visuell beim Ausbringen durch eine Hinterherfahrt beurteilt. Ein geänderter Anfeuchtungsgrad führt nach den durchgeführten Beobachtungen zu einem geänderten Flugverhalten der Tausalze vom Streuteller. Dieses führte wiederum zu ungleichmäßigeren Verteilungen der Tausalze auf der Fahrbahn. Eine Korrektur dieses geänderten Wurfverhaltens war an den eingesetzten Streumaschinentypen nicht möglich. Anhand der Versuche waren auch sehr deutliche Unterschiede zwischen den eingesetzten Streumaschinentypen erkennbar. Während ein Maschinentyp eine Absenkung des Anfeuchtungsgrades unter 30 ohne wesentlich höhere Verwehverluste zulässt, hatte ein anderer Maschinentyp Schwierigkeiten, bei dem Anfeuchtungsgrad 30 eine vollständige Anfeuchtung zu erreichen. Eine verringerte Lösungsmenge ohne Erhöhung der Verwehverluste setzt nach den Beurteilungen eine optimale Anfeuchtungstechnik voraus, die bei einem eingesetzten Typ nach einer Korrektur des Wurfverhaltens auch erreichbar scheint. Diese Korrektur war aber an der eingesetzten Streumaschine nicht möglich. Ein weiteres wesentliches Ergebnis der Versuche war der Einfluss der Tausalze auf die Streubilder. Bei der Streudichte konnten bei gleichen Einstellungen Differenzen über 25 % infolge unterschiedlicher Salzqualitäten (Korngrößen, Feuchtigkeitsgehalt) erkannt werden. Ebenso ergab sich ein sehr unterschiedliches Wurfverhalten bei den unterschiedlichen Tausalzqualitäten. Diese Erkenntnisse zeigen den sehr hohen Einstellbedarf für die Streumaschinen in Bezug zu den eingesetzten Tausalzen. Da die genutzten Streumaschinen sich bei einem verringerten Anfeuchtungsgrad nicht so einstellen ließen, dass ein optimales Streubild erreicht wird, wurden die Untersuchungen eingestellt. Zwischenzeitlich erkannte Mängel an weiteren Streumaschinen aus dem laufenden Betrieb verschiedener Straßenbauverwaltungen mit dem FS30-Verfahren weisen auf einen erhöhten Prüf- und Justierbedarf hin. Diese Probleme müssen zunächst geklärt werden, bevor an eine weitere Optimierung der Tausalzausbringung gearbeitet wird. Technische Weiterentwicklungen der Streumaschinen für eine verringerte Anfeuchtung im Sinne des ursprünglich geplanten Projektzieles laufen ebenfalls. Die müssen dann gegebenenfalls in ihrer Wirkung geprüft werden.
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Winterliche Fahrbahnbedingungen führen auf den hoch belasteten Autobahnen, deren Verkehrsfluss bereits bei normaler Witterung am Rande der Leistungsfähigkeit liegt, innerhalb kürzester Zeit zu erheblichen Verkehrsstörungen bis hin zum totalen Erliegen des Verkehrs. Auf Grund der Bedeutung dieser Verkehrsadern werden an den Winterdienst auf Bundesautobahnen sehr hohe Anforderungen gestellt. Der geforderte Standard kann nur gewährleistet werden, wenn der Winterdienst optimal organisiert und ausgestattet ist und die Einsätze innerhalb kürzester Zeit durchgeführt werden können. Dies gilt insbesondere für Autobahnmeistereien, die Winterdienst auf hoch belasteten Streckenabschnitten bzw. auf Autobahnabschnitten mit erschwerten Randbedingungen wie hohen Längsneigungen durchführen. Bei diesem Forschungsvorhaben wurden daher zwei Ziele verfolgt: Zum einen wurden durch eine verkehrstechnische Untersuchung winterbedingter Staus Größenordnungen der Kapazität von Autobahnquerschnitten bei winterlichen Fahrbahnbedingungen ermittelt. Zum anderen wurden ausgewählte Maßnahmen zur Unterstützung des Winterdienstes auf hoch belasteten Streckenabschnitten als Pilotprojekte in mehreren Autobahnmeistereien untersucht, um mögliche Empfehlungen für die Winterdienstpraxis geben zu können. Bei der verkehrstechnischen Untersuchung wurden bei ausgewählten Autobahnmeistereien in Baden-Württemberg und Hessen während der Winter 2001/02 bis 2003/04 winterbedingte Staus ausgewertet. Eingangsgrößen für die Kapazitätsermittlung waren dabei Stauprotokolle und Winterdienst-Einsatzberichte der Autobahnmeistereien, Informationen über Wetter und Fahrbahnzustand, der Höhenverlauf der Untersuchungsstrecken sowie Geschwindigkeits- und Verkehrsstärkedaten von Langzeitzählstellen. Die in dieser Untersuchung entwickelte Methodik der Datenerhebung und Auswertung mit Hilfe des linearen k-v-Diagramms hat sich als geeignet erwiesen, erste Ergebnisse zur maximalen Verkehrsstärke von Autobahnquerschnitten bei winterlichen Fahrbahnbedingungen zu liefern. Zu den ausgewählten Maßnahmen, die im Rahmen dieses Forschungsprojektes untersucht wurden, zählen der Einsatz eines Hochleistungsfahrzeugs mit Ausrüstung eines Kehrblasaggregates für den Winterdienst, der Einsatz einer Mobilen Taumittelsprühanlage im Baustellenbereich, die Nutzung von blauem Blinklicht mit Einsatzhorn auf Winterdienstfahrzeugen, die Verstärkung des Winterdienstes durch Einsatz eines zusätzlichen Winterdienstfahrzeuges, die Reduktion der Beladungszeiten durch verschiedene Beladungssysteme, die Möglichkeiten einer optimierten Winterdienststeuerung durch eine Winterdienstzentrale, die Nutzung von Betriebsumfahrten im Winterdienst sowie Möglichkeiten der Durchsetzung von temporären Fahrverboten bei extremen Winterereignissen. Nach Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen zur weiteren Beurteilung der untersuchten Maßnahmen konnten abschließend Empfehlungen für die Winterdienstpraxis erarbeitet werden.
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Genaue Kenntnisse über die Verteilung von Streustoffen auf der Fahrbahn und deren Wirkungszeiten sind Voraussetzungen für einen sparsamen Streustoffeinsatz. Die Kenntnis des zeitlichen Verlaufes der Wirkung von Tausalzen auf der Fahrbahn schafft die Möglichkeit, Wiederholungsstreuungen erst dann durchzuführen, wenn das aus Sicht der Verkehrssicherheit notwendig ist. Dabei ist besonders wichtig, die Zusammenhänge mit der Zahl der Fahrzeugüberfahrten und Niederschlagsereignisse zu erkennen. In einigen Ländern wurden dazu in der Vergangenheit Untersuchungen durchgeführt. Problematisch war dabei immer, dass die Salzmengenmessungen nur während Sperrungen der Fahrbahn durchgeführt werden konnten. Der Aufwand der manuellen Messungen beschränkte die Zahl der Messtage erheblich. Ziel des Forschungsvorhabens war es, die auf der Fahrbahn wirksamen Salzmengen über zwei Winterperioden auf dem kompletten Querschnitt einer zweistreifigen Autobahn zu erfassen. Dazu wurden Fahrbahnsensoren eingesetzt, die durch Messung der elektrischen Leitfähigkeit und der Wasserfilmdicke die Salzmenge auf der Fahrbahn ermitteln können. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden umfangreiche Labortests an zwei Sensorfabrikaten durchgeführt, um deren Messgenauigkeit festzustellen. Nach Auswahl des Fabrikates wurden insgesamt 12 Sensoren bei Kilometer 29,8 der Autobahn A 4 Richtung Görlitz eingebaut. Das Messfeld wurde von Dezember 2006 bis April 2008 betrieben und lieferte während der Winterperioden etwa 8 Millionen Daten über den Fahrbahnzustand. Parallel dazu wurden die Aufzeichnungen von cirka 210 Streuungen ausgewertet, die im Rahmen des planmäßigen Streudienstes im Bereich des Messfeldes durchgeführt wurden. Diese Daten wurden außerdem mit den Wetterdaten und den Daten einer naheliegenden Verkehrszählstation kombiniert. Ergänzend zu den Messungen mit den Fahrbahnsensoren wurden einzelne Analysen mit dem Streustoff-Aufnahmegerät der Firma ESG durchgeführt. Dabei werden auf der Fahrbahn vorhandene Restsalzmengen komplett aufgenommen und analysiert. Aus den Analysen konnten folgende Erkenntnisse abgeleitet werden: - Der Streustoff wird aus den Rollspuren sehr schnell verdrängt. Eine geringe, verbleibende Salzmenge ist jedoch zumeist ausreichend, um gefährliche Glätte zu verhindern. - Bei präventiver Feuchtsalzstreuung auf trockene oder leicht feuchte Fahrbahn kommt nur ein geringer Teil des ausgestreuten Salzes zur Wirkung, soweit nicht innerhalb kurzer Zeit Niederschlag fällt. - Präventive Streuungen müssen sehr zeitgenau, möglichst nicht mehr als 60 Minuten vor einem erwarteten Glätteereignis durchgeführt werden. - Bei Feuchtsalzstreuung auf feuchte Fahrbahn gehen in Abhängigkeit von der Streudichte und weiterer Faktoren nur cirka 25 bis 50 % des ausgebrachten Salzes in Lösung. Der restliche Teil des Salzes wird in Randbereiche verfrachtet, ohne zur Glättebekämpfung beizutragen. - Die durch Niederschläge reaktivierten Restsalzmengen liegen 24 Stunden nach der Streuung bei 0,5 bis 1,5 g/m2. - Salzanteile aus einer reinen Solestreuung werden deutlich langsamer von der Fahrbahn verdrängt. - Mit Solestreuung könnten bei erwarteter Reifglätte und überfrierender Nässe erhebliche Salzeinsparungen erzielt werden. - Fahrbahnsensoren haben bei der Feststellung der Restsalzmengen und der Gefriertemperatur bei dem derzeitigen technischen Entwicklungsstand unter Praxisbedingungen erhebliche Unsicherheitsfaktoren. - Unter dem Aspekt, dass Fahrbahnsensoren an den jeweils kritischen Stellen angeordnet werden sollten, sprechen die Erkenntnisse der Untersuchung dafür, die Fahrbahnfeuchte und die Gefriertemperatur in der Rollspur festzustellen. Zusätzlich ist noch eine Messung der Fahrbahntemperatur außerhalb der Rollspuren zu empfehlen. Es muss jedoch noch untersucht werden, welcher Fahrstreifen bei 3-streifigen Fahrbahnen mit Sensoren bestückt werden sollte.
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Die Taumittel-Sprühanlage (TMS) auf der A 45 (Sauerlandlinie) ist mit ca. 6 km die längste in Deutschland. Die Anlage liegt zwischen 285 m und 412 m über NN und damit in einem klimatisch kritischen Bereich, in dem sich im Winter oft die Fahrbahnzustände durch Übergänge von Regen in Schnee und/oder positiven in negative Temperaturen sehr schnell ändern. Dies führte zu zahlreichen glättebedingten Unfällen und anhaltenden Staus. Um diese zu verringern wurde im Winter 1984/85 die TMS in Betrieb genommen. Nach dem Einbau der TMS sind die Unfälle aufgrund winterlicher Straßenverhältnisse im Streckenbereich der Anlage insgesamt um mehr als die Hälfte zurückgegangen. Eine besonders starke Absenkung von 85 Prozent war bei den Unfällen mit Leichtverletzten zu beobachten. Gegenüber der Absenkung von 60 Prozent bei Unfällen mit leichtem Sachschaden sanken die Unfälle mit schwerem Sachschaden nur um 25 Prozent. Mit den Untersuchungen der Bundesanstalt für Straßenwesen wurde der Nachweis der Wirtschaftlichkeit dieser Taumittel-Sprühanlage erbracht. Für die Planung weiterer Anlagen sowohl zur Entschärfung von Glatteisfallen als auch zur Unterstützung des konventionellen Winterdienstes auf besonders durch Winterglätte und starken Schneefall gefährdeten Streckenabschnitten werden individuelle Wirtschaftlichkeitsabschätzungen empfohlen.
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Zwischen 1982 und 2003 wurden in der BRD 16 Taumittelsprühanlagen in Betrieb genommen. Planung, Bau und Betrieb dieser Anlagen wurden seither von der Bundesanstalt für Straßenwesen mit Untersuchungen begleitet. Zwölf Anlagen befinden sich auf Brücken, vier an Steigungs- bzw. Gefällestrecken. Vier Anlagen (sämtlich Brückenanlagen) befinden sich auf Bundesstraßen, zwölf auf Bundesautobahnen. An Steigungs- bzw. Gefällestrecken bilden sich bei plötzlichem starkem Schneefall in kurzer Zeit festgefahrene Schneedecken, die besonders von Lkw nicht mehr befahren werden können. Es bilden sich Staus. Auf Stahlbrücken bildet sich häufig schon zu einem früheren Zeitpunkt lokal begrenzte Glätte. Diese Glatteisfallen verursachen Unfälle. In beiden Fällen ist es wichtig, schnell zu handeln. Durch die TMS kann sofort Taustoff auf die Fahrbahn ausgebracht werden, der an Steigungen den Schnee räumfaehig hält und auf Brücken das Eis auftaut. Alle Anlagen können den konventionellen Winterdienst partiell sinnvoll ergänzen, ihn aber nicht ersetzen. Die Streckenabschnitte, in denen sich die Taumittelsprühanlagen befinden, zeigten vor deren Einbau Unfallauffälligkeiten. Die Zahl der Unfälle ist nach Installation einer Taumittelsprühanlage überall deutlich zurückgegangen. Auf der Basis der vorliegenden Kosten- und Nutzen-Daten konnte von insgesamt 16 Anlagen die Wirtschaftlichkeit von 13 Anlagen beurteilt werden. Davon wurden zwölf Taumittelsprühanlagen positiv eingeschätzt. Die Kostenseite umfasst die investiven Kosten und die Betriebskosten. Auf der Nutzenseite wurde sowohl betriebswirtschaftlicher als auch volkswirtschaftlicher Nutzen abgeschätzt. Dies sind auf der betriebswirtschaftlichen Seite vor allem eingesparte Sondereinsätze und Kontrollfahrten und auf der volkswirtschaftlichen Seite im Wesentlichen vermiedene Unfälle und Staus. Für die meisten Anlagen lagen mehr oder weniger vollständige Unfallzahlen vor, für die Staus gab es so gut wie keine dokumentierten Beobachtungen, so dass für die Schätzung von einer begründeten Annahme ausgegangen wurde. Die Wirtschaftlichkeitsfaktoren (Fw) bewegen sich ohne Berücksichtigung der Staukosten zwischen 0,19 und 2,63 wobei drei Werte deutlich <1 sind und zwei dicht unterhalb der Rentabilitätsschwelle liegen. Bei Einbeziehung der Staukosten liegt die Bandbreite zwischen 0,31 und 4,36 und nur noch ein Wert ist <1. Zwei Anlagen arbeiten kostendeckend. Diese Zahlen sind Schätzwerte. Die Anlagentechnik befindet sich auf dem neuesten Stand. Technische Neuerungen gibt es im Bereich der Sprühtechnik. Die neu entwickelten Micro-FAST Sprühstränge haben eine höhere Anzahl von Sprühdüsen und damit ein feineres und gleichmäßigeres Sprühbild bei einem gleichzeitig geringeren technischen Aufwand und können die Investitionskosten um rund ein Drittel senken. Im Bereich der Betriebskosten können Einsparungen bei der Wartung und den Reparaturkosten erwartet werden. Seit 2002 werden kurze Mini- oder mobile Sprühanlagen angeboten, die - wenn auch weniger aufwändig in ihrer Ausstattung - für den gleichen Einsatzzweck wie stationäre Anlagen gedacht sind. Erste positive Trends sind erkennbar.