45 1 · 2022 TR ANSFORMING CITIES THEMA Urbane Mobilität Kräftig reintreten Die Effizienz verschiedener Führungsformen des Radverkehrs Urbane Mobilität, Radverkehr, Radverkehrsanlagen, Verkehrswegeplanung, Regelwerk Jochen Eckart, Martin Temmen, Jan Hauenstein, Max Rabes, Christoph Welz Radverkehr ist einer der Verkehrsträger der Zukunft. Radfahren vereint persönliche Vorteile wie aktive Mobilität und körperliche Fitness mit gesellschaftlichen Vorteilen wie Emissionsfreiheit und Stadtverträglichkeit. Dies ermöglicht eine zukunftsfähige und nachhaltige Mobilität in Stadt und Land. Um den Anteil der Radfahrenden weiter zu erhöhen, ist neben der Verbesserung der objektiven und subjektiven Verkehrssicherheit auch die Steigerung des Komforts beim Radfahren wichtig. Effizienz des Radfahrenden als Komfortparameter Im Gegensatz zu motorisierten Verkehrsmitteln wird das (konventionelle) Fahrrad durch Muskelkraft betrieben. Die benötigte Energie muss durch die radfahrende Person aufgebracht werden. Der körperliche Leistungsbedarf ist daher eine wesentliche Komfortgröße für das Radfahren. Je geringer die benötigte Leistung zum Erreichen der gewünschten Fahrgeschwindigkeit ausfällt, desto komfortabler wird das Radfahren tendenziell wahrgenommen- [1,- 2]. Auf der Grundlage empirischer Erhebungen geht die vorliegende Arbeit der Frage nach, wie sich unterschiedliche Führungsformen des Radverkehrs auf Leistungsbedarf und Geschwindigkeit und damit die Effizienz des Radfahrens auswirken. Um eine Vergleichbarkeit zwischen den unterschiedlichen Führungsformen herzustellen, werden zwei mögliche Effizienzindikatoren eingeführt. Diese sagen aus, welche Leistung durchschnittlich benötigt wird um eine Durchschnittsgeschwindigkeit von 20 km/ h auf einem Streckenabschnitt zu erreichen bzw. welche Durchschnittsgeschwindigkeit mit einem Leistungsbedarf von 100 W möglich ist. © Vedant SHAH auf Pixabay 46 1 · 2022 TR ANSFORMING CITIES THEMA Urbane Mobilität Berücksichtigung von Geschwindigkeit und Leistungsbedarf in Regelwerken Um ein Fahrrad fortzubewegen, muss die radfahrende Person eine körperliche Leistung erbringen. Die Leistung, die benötigt wird, um das Fahrrad auf einer konstanten Geschwindigkeit zu halten bzw. zu beschleunigen, ergibt sich aus den verschiedenen Widerständen, die das Fahrrad abbremsen. Hier summieren sich Beschleunigungswiderstand (auch Trägheitswiderstand), Luftwiderstand, Steigungswiderstand, Fahrwiderstand und Rollwiderstand-[2 - 5]. In den Regelwerken der Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen ( FGSV) finden sowohl Vorgaben für die angestrebte Fahrgeschwindigkeit von Radfahrenden wie auch Faktoren, die den Energiebedarf beeinflussen, Berücksichtigung. In den Empfehlungen für Radverkehrsanlagen ERA [6]wird eine angestrebte Fahrgeschwindigkeit (Durchschnittsgeschwindigkeit einschließlich Zeitverlusten an Knotenpunkten) von 15 bis 25 km/ h für innerörtliche Radschnellverbindungen und 15 bis 20 km/ h für innergemeindliche Radverkehrsverbindungen angegeben. Als grundlegender Standard für Radschnellverbindungen wird in den Hinweisen zu Radschnellverbindungen und Radvorrangrouten H- RSV eine durchschnittliche Fahrgeschwindigkeit von 20 bis 25 km/ h genannt [7]. Zur Minimierung des Kraftaufwandes beim Radfahren wird in der ERA empfohlen, Oberflächen mit geringem Rollwiderstand zu nutzen, Umwegen zu minimieren, Steigungen zu vermeiden sowie unnötige Halte zu reduzieren [6]. Für Radschnellverbindungen wird darüber hinaus empfohlen, Beeinträchtigungen durch andere Verkehrsteilnehmende zu minimeren. Weiterhin sollten möglichst wenig Zeitverluste durch Warten und Halten entstehen [7]. Bild 1: Leistungs- und Geschwindigkeitsprofil einer Erhebungsfahrt . © Eichner et al., 2019 Erhebung der Effizienz im Alltagsradverkehr Für die Beurteilung des Komforts von Radverkehrsanlagen bietet sich an, die Leistung und Fahrgeschwindigkeit der Radfahrenden nicht einzeln zu betrachten, sondern diese ins Verhältnis zu setzen. Dafür können Effizienzindikatoren genutzt werden die abbilden, welcher Aufwand für das Erreichen eines Ziels erforderlich ist. In der vorliegenden Erhebung wurde beobachtet, dass es Radfahrende gibt, die eine bestimmte Fahrgeschwindigkeit (erforderliche Reisezeit etc.) anstreben, während andere Radfahrende eine bestimmte Leistung (nicht verschwitzt ankommen etc.) zum Ziel haben. Eine Aussage, ob Geschwindigkeit oder Leistung die prägenden Größen sind, ist nicht möglich. Daher ergeben sich zwei Effizienzindikatoren.  Manche Radfahrende streben eine bestimmte Geschwindigkeit an und erbringen die hierfür notwendige Leistung. Als Bezugsgeschwindigkeit für den Effizienzindikator werden in Anlehnung an die ERA 2010 und die H RSV 20 km/ h gewählt. Dieser Effizienzindikator gibt damit an, welche Leistung der Radfahrende in einem Abschnitt aufbringen muss, um eine Fahrgeschwindigkeit von 20 km/ h zu erreichen.  Andere Radfahrende orientieren sich an einer bestimmen Leistung, die sie nicht überschreiten wollen, um beispielsweise nicht verschwitzt im Büro anzukommen. Hier bildet die Geschwindigkeit das Resultat dieser Leistung. In Anlehnung an die von Knoflacher [1] genannte Spannbreite der erbrachten Leistung von Alltagsradfahrenden von 65 bis 160 W wird eine mittlere Leistung von 100 W berücksichtigt. Der Effizienzindikator gibt damit an, welche Durchschnittsgeschwindigkeit in einem Abschnitt mit 100 W erbrachter Leistung des Radfahrenden möglich ist. - 420 - 390 - 360 - 330 - 300 - 270 - 240 - 210 - 180 - 150 - 120 - 90 - 60 - 30 - 0 0,00 km 0,40 km 0,80 km 1,20 km 1,60 km 2,00 km 2,40 km 2,80 km 3,20 km 3,60 km 4,00 km 4,40 km 4,80 km 5,20 km 5,60 km 6,90 km 6,40 km 6,80 km 7,20 km 7,60 km 8,00 km Leistung [Watt] Geschwindigkeit [km/ h] 1 2.1 2.2 2.3 3 4 5 6 a 6b 6c.1 6c.2 7 8 9 10 30 20 10 0 47 1 · 2022 TR ANSFORMING CITIES THEMA Urbane Mobilität Beide Effizienzindikatoren können mit Hilfe von Trendlinien für das Verhältnis von Geschwindigkeit und Leistung ermittelt werden. Auf der Grundlage einer empirischen Erhebung wurden Effizienzwerte für Streckenabschnitte mit unterschiedlichen Führungsformen in der Stadt Karlsruhe ermittelt. Mit den an der Hochschule Karlsruhe entwickelten „SensorBikes“ wurden Leistung und Fahrgeschwindigkeit von 32 Alltagsradfahrenden auf einem 8 km langen städtischen Rundkurs in Karlsruhe erhoben [8]. Gewählt wurde eine Route, die verschiedene Führungsformen umfasst. Steigungsstrecken sowie nicht asphaltierte Fahrbahnbeläge wurden ausgeschlossen. Bei der Auswahl der Proband*innen wurden gezielt verschiedene Typen von Radfahrenden [9] ausgewählt, um eine möglichst große Bandbreite unterschiedlicher körperlicher Voraussetzungen und fahrerischen Könnens abzubilden. Bei den für die Erhebung genutzten SensorBikes handelt es sich um handelsübliche Trekkingräder, welche mit unterschiedlichen Sensoren bestückt werden können [10]. Für die Ermittlung der Effizienzindikatoren wurden die integrierte Leistungsmesskurbel sowie ein Geschwindigkeitssensor genutzt. Beide Sensoren wurden mit einem GPS-Fahrradcomputer gekoppelt, sodass die jeweils aufgebrachte Leistung und die gefahrene Geschwindigkeit einem Ort oder Streckenabschnitten zugeordnet werden können. In Bild 1 sind Geschwindigkeit und Leistung für eine typische Erhebungsfahrt dargestellt. Die roten Kästchen kennzeichnen die Streckenabschnitte mit unterschiedlichen Führungsformen des Radverkehrs: 1: - gemeinsamer Geh- und Radweg, 2.1, 2.2 und 2.3: - Radwege, 3: - Mischverkehr, 4: - Schutzstreifen, 5: - Mischverkehr gegen Einbahnstraße, 6a: - Schutzstreifen, 6b: - Radfahrstreifen 6c: - Mischverkehr Anliegerstraße, 7: - Mischverkehr, 8: - Fußgängerzone, 9: - Radfahrstreifen und 10: - straßenunabhängiger Radweg. Die gelbe Linie gibt Leistung wieder und die grüne Linie zeigt die Geschwindigkeit an. Aus den gemessenen Geschwindigkeiten und Leistungswerten wurden im Anschluss die Effizienzindikatoren für die einzelnen Streckenabschnitte ermittelt. Dies geschah mit Hilfe von Trendlinien welche die für eine bestimmte Durchschnittsgeschwindigkeit durchschnittlich aufzubringende Leistung bzw. umgekehrt wiedergeben (Bild 2). Zusammenhang zwischen Effizienz und Führungsformen des Radverkehrs Die Auswertung der Daten aller Fahrten ergibt folgende Ergebnisse: Auf dem gesamten Rundkurs waren die Radfahrenden mit einer Durchschnittsgeschwindigkeit (ohne Halte) von 21 km/ h und einer durchschnittlichen Leistung von 139 W unterwegs. Die Durchschnittsgeschwindigkeiten der mittleren 50 % der Radfahrenden liegen zwischen 19 und 23- km/ h. Hierfür wurden Leistungen zwischen 90 und 170 W erbracht. Somit liegt die Geschwindigkeit leicht über den, laut ERA 2010 angestrebten 15 bis 20 km/ h. Die Leistung liegt in dem in der Literatur für Alltagsradler angegebenen Bereich. Laut Wilson [2] kann ein typischer Radfahrender über die Dauer einer Stunde eine Leistung von rund 150 W aufbringen, Knoflacher [1] gibt eine Spannbreite von 65 bis 160 W an. Bild 2: Geschwindigkeits- und Leistungsdiagramm für verschiedene Führungsformen Radverkehr. © Eckart et al. 48 1 · 2022 TR ANSFORMING CITIES THEMA Urbane Mobilität Um die Effizienzindikatoren für die unterschiedlichen Führungsformen zu berechnen, wurden die auf den jeweiligen Streckenabschnitten gefahrenen Durchschnittsgeschwindigkeiten und -leistungen in ein Geschwindigkeit-Leistungsdiagramm eingetragen. Mithilfe von Trendlinien wurde bestimmt, welche Leistung auf den unterschiedlichen Streckenabschnitten erbracht werden muss, um eine Durchschnittsgeschwindigkeit von 20 km/ h zu erreichen. Zudem kann ermittelt werden, welche Durchschnittsgeschwindigkeiten bei 100 W Leistung erzielt werden. Die Koeffizienten für die unterschiedlichen Führungsformen sind in Tabelle 1 aufgelistet. Wie das Geschwindigkeits-Leistungsdiagramm illustriert (Bild 2), steigt der Leistungsbedarf exponentiell zur Geschwindigkeit und und entspricht damit den in der Literatur dargestellten biomechanischen Modellen des Radfahrens [2, 3]. Anhand der Effizienz lassen sich drei Gruppen von Führungsformen unterscheiden:  Bei Führung des Radverkehrs in der Fußgängerzone wurde eine geringe Durchschnittsgeschwindigkeit von 17 km/ h und einem Maximum von 21 km/ h gemessen. Die Effizienz ist mit 125- W für 20 km/ h bzw. 16,5 km/ h für 100 W gering. In der Fußgängerzone müssen sich die Radfahrenden an die zahlreichen Interaktionen mit Fußgänger*innen mit Brems- und Beschleunigungsvorgängen anpassen. Dies führt zu einem unsteten Geschwindigkeitsprofil mit einer geringen Durchschnittsgeschwindigkeit und einem höheren Leistungsbedarf.  Radwege im Seitenraum, Schutzstreifen, Radfahrstreifen und Mischverkehr auf der Fahrbahn sind hinsichtlich Geschwindigkeit und Leistung vergleichbar. Bei dieser Radverkehrsinfrastruktur kommt es zu einer mittleren Anzahl von Interaktionen. Die Durchschnittsgeschwindigkeit liegt zwischen 21 und 22 km/ h, die maximale Geschwindigkeit zwischen 28 und 29 km/ h. Die Effizienz und liegt bei einer Leistung zwischen 104 und 111 W für eine Geschwindigkeit von 20-km/ h bzw. einer Geschwindigkeit von 19,9 bis 20,1 km/ h für eine Leistung von 100 W.  Der straßenunabhängige Radweg ist aufgrund der sehr geringen Interaktionen mit anderen Verkehrsteilnehmer*innen und der großzügigen Breite von 3,5 m mit den Anforderungen an Radschnellverbindungen vergleichbar. Dort fuhren die Proband*innen im Durchschnitt 24 km/ h und eine Maximalgeschwindigkeit von 35 km/ h. Sie waren damit deutlich schneller als auf den anderen Führungsformen. Der mit einer Radschnellverbindung vergleichbare Radweg hat eine sehr hohe Effizienz von 94 W für 20 km/ h bzw. 21 km/ h für 100 W. Berücksichtigung der Effizienz von Radverkehrsinfrastruktur in der Radverkehrsförderung Der hier genutzte Effizienzindikator für den Alltagsradverkehr ermöglicht die Ableitung von Hinweisen für die Planung und Bewertung von Radverkehrsinfrastruktur. Eine effiziente Infrastruktur weist eine niedrige Anzahl von Interaktionen von Radfahrenden mit anderen Verkehrsteilnehmer*innen auf. Dann brauchen die Radfahrenden zum Erreichen einer bestimmten Durchschnittsgeschwindigkeit weniger Leistung als auf Abschnitten, auf denen es zu vielen Interaktionen kommt. Dies ist darauf zurückzuführen, dass Bremsvorgänge und Leistungsspitzen bei den darauffolgenden Beschleunigungsvorgängen aufgrund der Verkehrslage entfallen. Weiterhin ist eine Drosselung der Geschwindigkeit aus Rücksicht auf andere Verkehrsteilnehmer*innen nicht erforderlich. Auch die Abmessungen der Radverkehrsinfrastruktur haben Einfluss auf ihre Effizienz. Es zeigt sich, dass breitere Radverkehrsanlagen höhere Durchschnittsgeschwindigkeiten ermöglichen. So erlaubt das Mehr an Raum, leichter auf andere Verkehrsteilnehmende zu reagieren. Radfahrstreifen, Schutzstreifen, Radwege und Mischverkehr auf der Tabelle 1: Effizienz der verschiedenen Führungsformen des Radverkehrs. Führungsform Radverkehr Leistung P für 20km/ h in W Geschwindigkeit bei 100 W in km/ h Fußgängerzone Radfahrer frei 125 16,5 Radweg im Seitenraum 104 19,9 Schutzstreifen oder Radfahrstreifen 111 20,1 Mischverkehr auf Fahrbahn 106 19,9 Straßenunabhängiger Radweg (vergleichbar mit Standards Radschnellverbindung) 94 21 49 1 · 2022 TR ANSFORMING CITIES THEMA Urbane Mobilität Fahrbahn, die entsprechend der aktuellen Regelwerke gestaltet sind, haben eine mittlere Effizienz. Radverkehrsinfrastruktur, die in Anlehnung an die Standards für Radschnellverbindungen gestaltet ist, zeigte in der Erhebung eine um 23 % höhere Effizienz als solche, die „nur“ entsprechend der Vorgaben der ERA für Radwege und Radfahrstreifen gestaltet sind. Die Führung des Radverkehrs auf Infrastruktur mit zahlreichen Interaktionen mit Fußgänger*innen wie in der Fußgängerzone sowie enge Infrastruktur führt im Vergleich zu regelwerkskonformen Radwegen und Radfahrstreifen zu einer 17 % niedrigeren Effizienz. Mit den SensorBikes steht eine Erhebungsmethodik zur Verfügung, die es erlaubt, den Leistungsbedarf und die Geschwindigkeit von Radfahrenden vergleichbar zu erheben. Eine durchschnittliche Leistung von 125 W für 20 km/ h bzw. 16 km/ h für 100-W entspricht einer geringen, 105 W bzw. 20-km/ h für 100 W entspricht einer mittleren und 95 W bzw. 21 km/ h für 100 W einer hohen Effizienz der Radverkehrsinfrastruktur. Diese Werte können als Anhaltswerte für die Beurteilung von Radverkehrsinfrastruktur in weiteren Untersuchungen der Planungspraxis dienen. Die Effizienzindikatoren können die Radverkehrsplanung und Radverkehrsförderung sowohl dabei unterstützen, optimale Trassenvarianten für Radrouten wie auch ineffiziente Netzabschnitte zu identifizieren. Auch können die Effizienzindikatoren bei der Ermittlung der Wirkung von Lückenschlüssen und Ausbaumaßnahmen im Radverkehrsnetz hilfreich sein. Mit der dargestellten Erhebungsmethodik können Kennwerte für die Effizienz von Radverkehrsinfrastruktur jedoch nur in Bestandssituationen erhoben werden. Um dies auch bei der Planung zukünftiger Infrastruktur zu berücksichtigen, sind Tools für die Mikrosimulation des Radverkehrs erforderlich, welche die Geschwindigkeit und den Leistungsbedarf der Radfahrenden abhängig von den Eigenschaften der Führungsformen des Radverkehrs auch für noch nicht existierende Radverkehrsinfrastruktur abbilden können. LITERATUR [1] Knoflacher, H.: Fußgeher- und Fahrradverkehr - Planungsprinzipien, Wien 1995. [2] Wilson, D. G. S. T.: Bicycling Science. MIT Press, 2020. [3] Gressmann, M.: Fahrradphysik und Biomechanik: Technik - Formeln - Gesetze. Delius Klasing Verlag, 2017. [4] Beneke, R., Di Prampero, P. E.: Mechanische und methabolische Belastung beim Radfahren: eine Analyse aus physiologischer und biomechanischer Sicht. Deutsche Zeitschrift für Sportmedizin, 52, 1 (2001) S. 29 - 32. Prof. Dr. Jochen Eckart Institut für Verkehr und Infrastruktur Hochschule Karlsruhe Kontakt: jochen.eckart@h-ka.de Dr. Martin Temmen Wissenschaftlicher Mitarbeiter Stiftungsprofessur Radverkehr Hochschule Karlsruhe Kontakt: Martin.Temmen@h-ka.de Jan Hauenstein Masterstudent und Wissenschaftlicher Mitarbeiter Hochschule Karlsruhe - Verkehrssystemmanagement Kontakt: haja1035@h-ka.de Max Rabes Masterstudent Verkehrssystemmanagement Hochschule Karlsruhe Kontakt: rama1035@h-ka.de Christoph Welz Masterstudent Verkehrssystemmanagement Hochschule Karlsruhe Kontakt: wech1035@h-ka.de AUTOREN [5] Chowdhury, H., Alam, F.: Bicycle aerodynamics: an experimental evaluation methodology. Sports Engineering, 15 2 (2012) S. 73 - 80. [6] Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Empfehlungen für Radverkehrsanlagen. ERA 2010. [7] Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Hinweise zu Radschnellverbindungen und Radvorrangrouten H RSV 284/ 1, 2021. [8] Eichner R., Hauenstein J., Lehnen M., Rabes M., Schlotthauer K. und Welz C.: „Sensorbike“ Vertiefungsprojekt: Verkehrsökologie, Hochschule Karlsruhe, 2019. [9] Mekuria, M. C., Furth, P. G., Nixon, H.: Low-Stress Bicycling and Network Connectivity. 2012. http: / / scholarworks.sjsu.edu/ mti_all (Accessed 12 March 2021). [10] Eckart J., Merk J.: Die Vermessung der Radfahrenden Analyse des Radverkehrs mit einem SensorBike mit ubiquitären Sensoren, in Lecture Notes in Informatics (LNI), Gesellschaft für Informatik, Bonn 2020.