1. Fachkongress Digitale Transformation im Lebenszyklus der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2021 45 Entwicklung der Verkehrseinwirkungen auf Bundesautobahnen Andreas Socher Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt), Bergisch Gladbach, Deutschland Zusammenfassung Das Verbundforschungsprojekt BrAssMan, Brücken Asset Management für Straßenbrücken, hat zum Ziel die bisherige Praxis des Erhaltungsmanagements durch eine bestandsübergreifende Datenanalyse und ein intelligentes Asset Management zu ergänzen. In diesem Zug soll ein Bindeglied auf dem Weg von der inspektions- und nachrechnungsbasierten Bestandsbewirtschaftung zum zustands- und prognosebasierten Asset Management geschaffen werden. Teil des Projekts ist eine umfassende Analyse des Datenbestandes des Verkehrs, die in Form von Schlüsselleistungsindikatoren, bzw. KPIs (Key Performance Indicators), Aufschluss über die netzweite Beanspruchung der Brückenbauwerke der Bundesfernstraßen geben soll. 1. Einleitung Ziel der Untersuchungen ist die Ableitung aussagekräftiger Kennwerte über die Höhe und Entwicklung der Verkehrsbeanspruchung von Brückenbauwerken. Hierzu werden die im Netz der Bundesautobahnen aufgezeichneten, realen Verkehrseinwirkungen einer umfangreichen Analyse unterzogen, die vor dem Hintergrund repräsentativer Brücken Bauwerksbeanspruchungen ableitet, deren Hintergründe anschließend untersucht und maßgebende Einflussfaktoren identifiziert werden. Im Prozess der Analyse werden charakteristische Verkehrseinwirkungen hergeleitet und mit normenbasierten Lastmodellen und Brückenklassen verglichen, um bauwerksunabhängig Vergleichsgrößen zu ermitteln. Im Zuge weiterer, flächendeckender Datenquellen des Verkehrs soll eine auf künstlicher Intelligenz beruhende Datenverschneidung netzweite KPIs über die Höhe und Entwicklung der Verkehrsbeanspruchung von Brückenbauwerken im Netz der Bundesfernstraßen liefern. Zur Darstellung der Vorgehensweise folgt zunächst eine Einleitung in die Methodik der Analyse und Auswertung von Datensätzen stationärer Achslastmessstellen (AMS). Durch den historisierten Datenbestand der AMS besteht mittlerweile eine ausreichende Ausgangslage zur Untersuchung der Entwicklungen von Verkehrseinwirkungen. Aufgrund mehrerer Standorte der AMS, die entsprechend unterschiedliche Verkehrsbeanspruchungen aufweisen, ist es möglich tiefergehende Zusammenhänge zwischen den aufgezeichneten Einwirkungen und Zähldaten des Verkehrs herzustellen. Die Technischen Lieferbedingungen für Streckenstationen [1] liefern die notwendigen Informationen, um Schnittstellen zwischen diesen Datenquellen herzustellen. Vor dem Hintergrund der Beziehung zwischen den Zählwerten und bauwerksbezogenen Einwirkungen des Verkehrs können die Datensätze der Dauerzählstellen der Bundesfernstraßen, aktuell 2.013 Messstellen [2], im Hinblick einer netzweiten Analyse aktiviert werden, um für das Bundesgebiet flächendeckende Aussagen über Verkehrseinwirkungen und deren Entwicklung aufzuzeigen. Die primäre Datengrundlage bildet, wie bereits erwähnt, der bundesweite Bestand der Monatsdatensätze der stationären AMS, die seit dem Jahr 2011 im Netz der Bundesautobahnen erfasst werden. Die bisherige Nutzung der AMS-Daten konzentriert sich auf die Dimensionierung und Bemessung der Infrastruktur, u.a. des Straßenoberbaus und der Brückenbauwerke. Aktuell wird an 41 Richtungsmessstellen an 21 Querschnitten gemessen. Die fest in der Fahrbahn verbauten Sensoren erfassen während einer Überfahrt eine Reihe an Fahrzeugeigenschaften: Die Weigh-In-Motion-Messanlagen (WIM-Messanlagen) erfassen das Datum, die Uhrzeit, die Fahrspur, den Fahrzeugtyp, die Fahrzeuglänge, die Abstände zwischen den Achsen und Fahrzeugen, das Gesamtgewicht sowie die Achslasten. Auf Grundlage der gemessenen Achslasten und des damit berechneten Gesamtgewichts werden entsprechende Überladungskennungen angegeben. Die Plausibilität der Fahrzeugmessungen wird mit einer Kennung des Tages je Fahrstreifen und einer Kennung des Datensatzes angezeigt. Bei unplausiblen Messungen geben die jeweiligen Kennungen Hinweise auf den Grund, warum die Überfahrt als unplausibel gekennzeichnet worden ist, sowie auf die Eigenschaft, die als unstimmig identifiziert worden ist [3]. 46 Entwicklung der Verkehrseinwirkungen auf Bundesautobahnen 1. Fachkongress Digitale Transformation im Lebenszyklus der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2021 Im Rahmen der angestrebten Zielvorstellung wird jedoch eine zusätzliche, erweiterte Plausibilisierung benötigt, die weitere Merkmale zur Identifizierung unplausibler Achslasten im Analyseprozess verankert. Auf diesem Weg werden weitere, außergewöhnlich hohe Achslasten, die das Produkt fehlerhafter Datenerfassungen sind, aus dem Analyseprozess entfernt, um eine realitätsgetreue Simulation des aufgezeichneten Verkehrs zu gewährleisten. 2. Erweiterte Plausibilisierung der Datengrundlage Eine für die nachfolgende Analyse besonders relevante Größe für die Plausibilisierung der Fahrzeugüberfahrten ist die Höhe der gemessenen Achslasten. Auf Grundlage bisheriger Erkenntnisse wurde eine obere Plausibilitätsgrenze von 20 Tonnen für das Gewicht einer einzelnen Achslast vereinbart. Falls demnach eine einzelne Achslast die Obergrenze von 20 Tonnen überschreitet, gilt Diese und demnach auch das gesamte Fahrzeug als unplausibel. Es ist an dieser Stelle darauf hinzuweisen, dass Doppel- und Dreifachachsen aus mehreren, bzw. zwei und drei, einzelnen Achslasten bestehen. Die Obergrenze von 20 Tonnen hat den Zweck Messfehler zu erkennen und von weiteren Datenanalysen auszuschließen. Die Höhe von 20 Tonnen liegt im Hinblick auf die dokumentierten gerichtsfesten Nachverwiegungen von Fahrzeugen, bzw. deren Achslasten, auf der sicheren Seite [4]. Um zu dieser Erkenntnis zu gelangen, wurden zwei umfangreiche Datenquellen des BAG ausgewertet. Die erste Quelle umfasst die Sammlung der Protokolle von Vor- und Nachverwiegungen, die im Zuge von Überladungskontrollen des BAG ab Januar 2013 bis einschließlich September 2020 an elf verschiedenen Kontrollplätzen angefertigt worden sind. Die Daten dieser 160 Tabellen stellen 1.213 individuelle Messungen dar, die an verschiedenartigen Kontrollplätzen mit unterschiedlichen Waagen, u.a. Radlast- und stationäre Waagen, oder anhand von Wiegenoten, bzw. Wiegenachweisen, aufgenommen wurden. Die zweite Quelle besteht aus 106 Fahrzeugverwiegungen, die hingegen ausschließlich an einer Radlastwaage durchgeführt wurden und das Gewicht jeder einzelnen Achse aufweisen. Da in diesem Zug auch der Fahrzeugtyp dokumentiert wurde, ist es möglich gewesen, die jeweiligen Achsen als Einzel-, Doppel- oder Dreifachachsen zu klassifizieren und zu bestimmen, ob es sich um Achsen mit oder ohne Antrieb handelt. Im Gegensatz zur ersten Datenquelle wurden jedoch keine Vorverwiegungen angegeben. Aufgrund fehlender Angaben konnten diese Informationen auch nicht durch eine Rückführung auf die Monatsdatensätze der stationären AMS wiederhergestellt werden. Diese Rückführung war jedoch bei der ersten Quelle möglich, wodurch fehlende Angaben der nachverwogenen Achsen, u.a. Position, Typ und Vorhandensein eines Antriebs, in Teilen wiederhergestellt werden konnten. 2.1 Plausibilitätsgrenzen von Achslasten Im Zuge der Auswertung der Monatsdatensätze der stationären AMS hat sich bei der Berechnung von charakteristischen Verkehrseinwirkungen die Notwendigkeit ergeben, die obere Plausibilitätsgrenze von 20 Tonnen je Achslast um Weitere zu ergänzen. Anlass hierfür waren vereinzelte Fahrzeuge, deren Doppel- und Dreifachachsen ungewöhnlich hohe Lasten aufgewiesen haben. Als Beispiel ist hierfür ein Lkw des Typs 49 (Lkw mit Anhänger: Einzelachse, Dreifachachse + Einzelachse, Einzelachse [1] - zulässiges Gesamtgewicht von 40 t [5]) zu nennen, dessen Dreifachachse eine Last von 44,7 t (15.415 kg, 12.851 kg und 16.443 kg) mit Reifenabständen von 67 und 65 cm aufwies, wohingegen die erste Achse des Zugfahrzeugs lediglich mit einer Last von 5,8 t verwogen wurde. Ein weiteres Beispiel stellt ein Lkw des Typs 9 (Lkw: Einzelachse, Doppelachse [1] - zulässiges Gesamtgewicht von 26 t [5]) dar, dessen Einzelachse mit einem Gewicht von 6,1 t und dessen Doppelachse mit einem Gewicht von 36,7 t (18.033 kg und 18.640 kg mit einem Abstand von 135 cm) gemessen wurde. Derartige Achslastmessungen sind das Produkt fehlerhafter Datenerfassungen, die nicht als Solche identifiziert wurden. Bevor jedoch zusätzliche Plausibilitätsgrenzen eingeführt werden können, die derartige Problematiken minimieren, ist es notwendig die bisherigen, gerichtsfesten Nachverwiegungen von Achslasten einer Analyse zu unterziehen. Ziel ist dabei die Differenzierung der Plausibilitätsgrenzen in Abhängigkeit der Achstypen (Einzel-, Doppel- oder Dreifachachse) und Achsabstände. Aus der ersten Datenquelle des BAG wurden die Achslasten herausgefiltert und ihre vor- und nachverwogenen Gewichte verglichen, siehe Abbildung 1: Abbildung 1: Vor- und Nachverwiegungen von Achslasten 1. Fachkongress Digitale Transformation im Lebenszyklus der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2021 47 Entwicklung der Verkehrseinwirkungen auf Bundesautobahnen Die Bemerkungen in den Protokollen der Nachverwiegungen deuten darauf, dass es sich bei den vor- und nachverwogenen Achslasten in Abbildung 1 nahezu ausschließlich um Antriebsachsen, bzw. Einzelachsen, handelt. Das höchste nachverwogene Gewicht einer als Antriebsachse gekennzeichneten Messung war 16.310 kg. Die 490 Nachverwiegungen zeigen mit Ausnahme der vermutlich falschen Messwertzuordnungen, die unter 11,4 t zu beobachten sind, Messabweichungen, die bei der Verwiegung dynamischer Einwirkungen zu erwarten sind. Es fällt jedoch auf, dass die Messwerte der Vorverwiegungen im Durchschnitt über Denen der Nachverwiegungen liegen. Die erste Datenquelle des BAG wurde im Weiteren einer Verschneidung mit den Datensätzen der stationären AMS unterzogen. Die Angaben in den Protokollen der Überladungskontrollen, bzw. Nachverwiegungen, wurden genutzt, um anhand eines umfassenden Such- und Filter-Algorithmus die in den Protokollen angegebenen Vorverwiegungen in den Monatsdatensätzen der stationären AMS wiederzufinden. Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass erheblich mehr Informationen bzgl. der Achslast und dem dazugehörigen Fahrzeug gewonnen werden können. Nicht nur wird es möglich die Positionen, Typen und Abstände der Achsen zu bestimmen, sondern auch festzustellen, ob die Einträge in den Protokollen korrekt sind. Aufgrund der Unvollständigkeit der Achslastdatensammlung, der Datenlücken in den Datensätzen der AMS, die i.d.R. durch die abgeschaltete Datenspeicherung während der Fahrzeugkontrollen entstanden sind, und der vereinzelt unzureichenden Angaben in den Protokollen, u.a. weder Datum noch Uhrzeit, konnten von den 1.213 Fahrzeugmessungen lediglich 420 auf die entsprechenden Monatsdatensätze der AMS zurückgeführt werden. Maßgebend waren hierbei die 192 Messungen der Antriebsachsen und die 219 Messungen der Fahrzeuggesamtgewichte. Abbildung 2: Vor- und Nachverwiegungen von Antriebsachsen Abbildung 2 repräsentiert somit einen Auszug der Messprotokolle, für den eine hohe Datenqualität nachgewiesen werden kann. Aufgrund des Ausschlusses fehlerhaft dokumentierter Vorverwiegungen, der Konzentration auf vollständig ausgefüllte Messprotokolle und ausschließlichen Betrachtung von Antriebsachsen ergibt sich eine belastbare Datengrundlage. In diesem Zusammenhang ist festzustellen, dass stationäre AMS i.d.R. zu hohe Achslasten und somit auch zu hohe Fahrzeuggesamtgewichte ermitteln. Diese Erkenntnis ist im Zuge der weiteren Untersuchungen genauso zu beachten, wie das damit einhergehende Spektrum der Messabweichungen, das in Anbetracht der Abbildung 1 in der Lage ist außergewöhnlich hohe Achslasten hervorzubringen. Die bereits eingeführte, obere Plausibilitätsgrenze von 20 t ist bereits in der Lage unrealistisch hohe Einzelachsen des herkömmlichen Verkehrs, der sich an den von der Straßenverkehrs-Zulassungs-Ordnung (StVZO) zulässigen Gesamtgewichten und Achslasten orientiert, zu identifizieren, jedoch ist diese Plausibilitätsgrenze unzureichend, um die diesbezüglichen Doppel- oder Dreifachachsen auf ihre Plausibilität hinreichend zu prüfen. Die zuvor angeführten Beispiele, Dreifachachse mit 44,7 t und Doppelachse mit 36,7 t, repräsentieren Fahrzeuge, die die Notwendigkeit weiterer Plausibilitätsgrenzen hervorheben. Aufgrund fehlender Nachweise, bspw. Videoaufnahmen, wurde die Plausibilität derartiger Fahrzeuge im Rahmen von Abstimmungsrunden zwischen dem Bundesamt für Güterverkehr (BAG) und der BASt zur Diskussion gestellt. Im Zuge der äußerst geringen Auftretenshäufigkeit sowie der bereits erwähnten unpassenden Gesamtgewichtsverteilungen wurde die Annahme bestätigt, dass es sich hierbei nicht um plausible Verkehrsaufzeichnungen, sondern um Messfehler handelt. Dieser Sachverhalt wird aufgrund des anwachsenden Datenbestandes derartiger, 48 Entwicklung der Verkehrseinwirkungen auf Bundesautobahnen 1. Fachkongress Digitale Transformation im Lebenszyklus der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2021 als unplausibel identifizierter Fahrzeuge weiterverfolgt und stetig geprüft. Zur Festlegung der zusätzlichen Plausibilitätsgrenzen wurden die aufgezeichneten, unplausiblen Fahrzeuge dem § 34 „Achslast und Gesamtgewicht“ der Straßenverkehrs-Zulassungs-Ordnung (StVZO) gegenübergestellt. Der Vergleich mit der StVZO und den Messabweichungen zwischen den Vor- und Nachverwiegungen hat ergeben, dass entsprechend des Achsentyps und -abstandes das Doppelte der zulässigen Achslast die jeweils geeignete Plausibilitätsgrenze darstellt. Demnach werden bei der Wahl der zusätzlichen Plausibilitätsgrenzen sowohl die dynamischen Einflüsse auf die Achslasten, als auch die Messungenauigkeiten der stationären AMS berücksichtigt. Die bereits erwähnte Prüfung hat die korrekte Funktionsweise der neu eingeführten Plausibilitätsgrenzen bestätigt. Die identifizierten Fahrzeuge wiesen i.d.R. dieselben unplausiblen Merkmale auf. Aufgrund der äußerst geringen Identifizierungsrate von unter 1: 350.000 Fahrzeugen konnten die Filterergebnisse manuell überprüft werden. Die zweite Datenquelle des BAG umfasst 106 Fahrzeugverwiegungen, die an einer Radlastwaage durchgeführt wurden. Nachfolgend dienen diese Informationen der weiteren Verifizierung der gewählten Grenzen, indem reale, gerichtsfest nachverwogene Achslasten den festgelegten Plausibilitätsgrenzen entsprechend ihres Typs und ihrer Abstände untereinander gegenübergestellt werden. Im Hinblick der nachfolgenden Erläuterungen ist es wichtig an dieser Stelle anzumerken, dass die beiden Datenquellen des BAG keine Fahrzeuge der Typen 0 oder 108 (Typ 0: Unbekannter Fahrzeugtyp / nicht zuordnungsbares Fahrzeug; Typ 108: Sonderfahrzeug mit beliebig vielen Achsen und Achskombinationen [1]) beinhalten, wodurch diese beiden Fahrzeugtypen nicht in die Untersuchung bzgl. der vorgestellten zusätzlichen Plausibilisierung integriert wurden. Eine diesbezügliche Erweiterung der Untersuchung steht noch aus. Abbildung 3: Plausibilitätsgrenzen unterschiedlicher Achstypen In Anbetracht der Abbildung 3 fällt auf, dass sich die verschiedenartigen Achstypen sowohl in ihrer Häufigkeit, als auch in ihrer Last stark unterscheiden. Die Achslasten wurden hierbei unabhängig ihrer Fahrzeugzugehörigkeit nach ihrem Gewicht geordnet und zur besseren Visualisierung gleichmäßig über die X-Achse verteilt. Bei jedem Datenpunkt handelt es sich um eine einzelne Achslast und nicht um die Last einer Achsgruppe. Mit Ausnahme der Plausibilitätsgrenze von 11 t für Doppelachsen mit einem Abstand unter einem Meter, kann den eingezeichneten, verschiedenartigen Achslasten entnommen werden, dass die gesetzten Grenzen stets deutlich über 20% der dazugehörigen höchsten nachverwogenen Achslasten liegen. Die Plausibilitätsgrenze von 11 t für Doppelachsen mit einem Abstand unter einem Meter konnte mit diesen Nachverwiegungen nicht verifiziert werden, da der Datenquelle kein diesbezügliches Fahrzeug zu entnehmen war. Die Datensätze der AMS zeigen jedoch, dass auch diese Plausibilitätsgrenze ihren Zweck erfüllt und Fahrzeuge mit ungewöhnlichen Gesamtgewichtsverteilungen und unplausiblen Achsabständen herausfiltert. Die Identifizierungsrate gleicht den übrigen zusätzlichen Plausibilitätsgrenzen. Abschließend ist festzustellen, dass die vorgestellten Plausibilitätsgrenzen sich lediglich gegen außergewöhnlich hohe Achslasten des herkömmlichen Verkehrs richten, die im Hinblick der durchgeführten Vor- und Nachverwiegungen des BAG, siehe Abbildungen 1, 2 und 3, nicht an einem einzigen realen Fall wiederlegt werden konnten. 3. Untersuchung der Verkehrseinwirkungen 3.1 Vorgehensweise und Zielvorstellung Um die Entwicklung der Verkehrseinwirkungen auf Brückenbauwerke der Bundesfernstraßen darzustellen, wird eine Analyse der Straßeninformationsbank, Teilsystem Bauwerke (SIB-BW), erfolgen, die eine Reihe häufig vorkommender Bauwerksarten und -eigenschaften identifizieren wird, deren Summe den Brückenbestand repräsentiert. Die aus dieser Analyse hervorgehenden fiktiven Brücken werden nachfolgend zur Ableitung von Einflusslinien genutzt, um die aus den Achslastdaten hergeleiteten Verkehrsströme auf Diesen zu überführen und in diesem Zug die maßgebenden Verkehrseinwirkungen zu erfassen. Als maßgebend werden die maximalen und minimalen Schnittgrößen in den zuvor festgelegten Zeitintervallen (Tag, Woche und Monat) angesehen. Die auf diesem Weg gesammelten Schnittgrößen werden nachfolgend als Blockmaxima bezeichnet. Dieses Vorgehen erfolgt anhand verschiedener Verkehrsströme, nachfolgend auch Varianten genannt, die die Fahrzeuge der unterschiedlich aufgezeichneten Haupt- und Überholfahrspuren beinhalten. Die Varianten beziehen sich nicht nur auf 1. Fachkongress Digitale Transformation im Lebenszyklus der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2021 49 Entwicklung der Verkehrseinwirkungen auf Bundesautobahnen einzelne Fahrspuren, sondern auch auf richtungsbezogene Fahrspurkombinationen. Für die maßgebenden Positionen der Schnittgrößen, u.a. für Einspann-, Stütz- und Feldmomente, erfolgt im Rahmen der Jahresdaten einer AMS eine Extrapolation der Blockmaxima auf charakteristische Werte. Die Extrapolation erfolgt anhand der Gumbel-Verteilung, die sich im Rahmen von Voruntersuchungen als geeignet erwiesen hat und in dieser Form bereits für die Berechnung von Designwerten für Windlasten erfolgreich eingesetzt wurde [6]. Die Gumbel-Verteilung hat im Hinblick auf die Arten der Blockmaxima (Tages-, Wochen- oder Monatsmaxima) sowie im Rahmen von Datenlücken eine gute Stabilität demonstriert und bei ausreichendem Datenbestand (≥ 50 % der Tage eines Jahres) vergleichbare Ergebnisse geliefert. Diesbezüglich erfolgte ebenfalls ein Vergleich verschiedener Extremwertverteilungen, der hier allerdings nicht weiter erläutert wird. Durch die Berücksichtigung unterschiedlicher Wiederkehrperioden können die hergeleiteten charakteristischen Verkehrseinwirkungen den im Netz der Bundesfernstraßen repräsentativen Brückenklassen und Lastmodellen vergleichend gegenübergestellt werden [7]. Auf Grundlage dieser Gegenüberstellung werden die unterschiedlichen Bauwerke, bzw. deren Positionen, miteinander vergleichbar und eine umfassende Analyse der verschiedenartigen Verkehrsströme für die Standorte der AMS wird ermöglicht. Durch eine Untersuchung der Korrelationen zwischen den Verkehrszähldaten und den ermittelten Verkehrseinwirkungen soll eine netzweite Betrachtung ermöglicht werden, indem die 2.013 Dauerzählstellen [2] im Netz der Bundesfernstraßen für eine Datenverschneidung aktiviert werden. Für die von den Dauerzählstellen erfassten Streckenzüge soll abschließend eine normenbasierte Abschätzung der Verkehrseinwirkungen und deren Entwicklung erfolgen. Parallel dazu wird eine zusätzliche Datenbank ermüdungsrelevanter Einwirkungen generiert, indem je AMS und Jahr alle berechneten Schnittgrößen in einem Belastungshistogramm zusammengefasst werden. Diese Histogramme werden im Anschluss entsprechend der erfassten und auf Grundlage der Verkehrszähldaten zu erwartenden Achslasten extrapoliert, wodurch Datenlücken bestmöglich geschlossen werden und grundlegende Aussagen über die Entwicklung ermüdungsrelevanter Einwirkungen ermöglicht werden. 3.2 Methodik der Datenauswertung Aufgrund des Umfangs der Datenauswertung wird lediglich auf grundlegende Kernpunkte der Methodik detaillierter eingegangen. Zu diesen Kernpunkten gehören die Schrittweite der Überführung der Achslasten über die Einflusslinien und die Fragestellung nach der Inklusion von Fahrzeugen, deren Achslasten aufgrund ihrer unzureichenden Höhe, bspw. PKW, Krafträder oder Lieferwagen, nicht erfasst werden. Im ersten Schritt der Aufbereitung der Datensätze der AMS werden die unterschiedlichen Verkehrsströme definiert, die im nächsten Schritt zur Unterteilung und Einordnung der gemessenen Achslasten dienen. Für jede stationäre AMS ist eine Hin- und Gegenrichtung definiert, denen die erfassten Fahrspuren angehören. Im Hinblick auf den Bestand der AMS gibt es die folgenden drei Kategorien, die mit unterschiedlichen Kennziffern je Fahrtrichtung versehen sind: Hauptfahrspuren (1, 33), 1. Überholfahrspuren (2, 34) und in seltenen Fällen auch 2. Überholfahrspuren (3, 35). Entsprechend der zwei Fahrtrichtungen ergeben sich für die weiterführenden Untersuchungen sechs relevante Varianten: Varianten Kennziffern der Fahrspuren 1 1 und 2 (Fahrtrichtung 1) 2 33 und 34 (Fahrtrichtung 2) 3 1 (Fahrtrichtung 1) 4 2 (Fahrtrichtung 1) 5 33 (Fahrtrichtung 2) 6 34 (Fahrtrichtung 2) Tabelle 1: Auflistung Varianten untersuchter Verkehrsströme Im Hinblick auf die Varianten werden die Haupt- und 1. Überholfahrspuren je Fahrtrichtung einer kombinierten und separaten Analyse unterzogen. Die Methodik der Anordnung der Achslasten erfolgt anhand der Abstände der einzelnen Achsen untereinander sowie der Zeitmessungen und Geschwindigkeiten der Fahrzeuge. Die von den stationären AMS aufgezeichneten Achsabstände, die sich innerhalb der Fahrzeuglänge befinden, weisen eine hohe, bzw. zentimetergenaue Genauigkeit auf. Die aufgezeichneten Abstände zwischen den Fahrzeugen enthalten jedoch erhebliche Ungenauigkeiten, weshalb mit Hilfe der Zeitstempel und Geschwindigkeiten der Fahrzeuge neue, genauere Abstände berechnet werden. Diesbezüglich werden die Besonderheiten des Erfassungsmechanismus, u.a. die geringfügig verzögerte Zeiterfassung, berücksichtigt und in die Berechnung der Fahrzeugabstände einbezogen. Die hierfür benötigten Informationen werden bereits in den AMS-Datensätzen bereitgestellt. Bei Kombinationen von Fahrspuren, siehe Varianten 1 und 2, orientieren sich die Überholfahrspuren bei der Berechnung der Abstände zwischen den Fahrzeugen stets an den zeitlich nächstgelegenen Fahrzeugen der Hauptfahrspur, um eine möglichst hohe Genauigkeit im Zuge der gesamten Fahrzeugabfolge zu erreichen. Auf Grundlage der berechneten Abstände wird jeder plausiblen Achslast eine Meterkennung zugewiesen, die sich entsprechend der Abfolge der einzelnen Achslasten aufsummiert. Die Achslasten der Kombinationen von Fahrspuren, siehe Varianten 1 und 2, werden dabei in einer Liste zusam- 50 Entwicklung der Verkehrseinwirkungen auf Bundesautobahnen 1. Fachkongress Digitale Transformation im Lebenszyklus der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2021 mengeführt. Die auf diesem Weg aufbereiteten Datensätze werden nachfolgend über die Einflusslinien der ausgewählten, repräsentativen Brückenbauwerke geführt und die Schnittgrößen der entsprechenden Bauwerkspositionen erfasst, analysiert und anhand ihrer Zeitintervalle klassifiziert. Aufgrund der noch nicht abgeschlossenen Brückenbestandsanalyse, wurden vorerst nur vier Bauwerke gewählt, die sich im Zusammenhang der Beantwortung der noch offenen Fragestellungen zur weiteren Gestaltung der Methodik als geeignet erwiesen haben. Die abschließende Bauwerksauswahl wird die primären statischen Systeme in Längsrichtung des Bauwerksbestandes mit den dazugehörigen, häufig vertretenen Stützweiten auswerten, um die konstruktiven Eigenschaften der Brückenbauwerke im Rahmen objektspezifischer Aussagen, bzw. bei der Zuweisung der KPIs, weitestgehend berücksichtigen zu können. Bauwerk Feldanzahl Stützweiten Statisches System in Längsrichtung 1 1 20 m Einfeldrig, frei aufliegend 2 2 20 m, 20 m Mehrfeldrig mit Durchlaufwirkung 3 1 100 m Einfeldrig, frei aufliegend 4 2 100 m, 100 m Mehrfeldrig mit Durchlaufwirkung Tabelle 2: Auflistung vorläufig gewählter, fiktiver Brückenbauwerke Im Zuge einer schnellen Datenverarbeitung im Analyseprozess, der dazu geeignet sein soll die Verkehrsströme tausender Monatsdatensätze auf mehreren Brückenbauwerken abzubilden, wurde die Berechnung der Schnittgrößen vereinfacht: Die statischen Systeme der Bauwerke wurden lediglich in Längsrichtung betrachtet und idealisiert, wodurch sonstige Einflüsse der Konstruktion auf die Schnittgrößen, bspw. die Auflagerbreiten, vernachlässigt wurden. Zudem wurde das dynamische Verhalten der Brückenbauwerke, das insbesondere bei geringen Stützweiten zu höheren Belastungen führt, vernachlässigt. Die Schwingbeiwerte der DIN 1072 in den Fassungen von 1967 und 1985 wurden allerdings im Rahmen der Berechnung normenbasierter Vergleichswerte zur Schaffung gleicher Voraussetzungen zwischen den Normen berücksichtigt. An diesem Punkt ist darauf hinzuweisen, dass die dynamischen Einflüsse auf die Achslasten und die Messungenauigkeiten der AMS, die u.a. zu durchschnittlich überhöhten Achslasten führen, Eingang in die Berechnung finden, siehe Abbildung 1 und 2. Nachfolgend werden die zuvor aufgeführten Brückenbauwerke zusammen mit beispielhaft gewählten Varianten, unterschiedlichen maßgebenden Schnittgrößenpositionen und Normen, bzw. Lastmodellen oder Brückenklassen, dargestellt. Für jedes der gewählten Brückenbauwerke werden für alle Varianten die maximalen und minimalen Schnittgrößen der unterschiedlichen Positionen berechnet. Dies ermöglicht, wie zuvor beschrieben, einen universellen Vergleich zwischen den hergeleiteten charakteristischen Verkehrseinwirkungen der unterschiedlichen Varianten und Bauwerkspositionen sowie den hierbei angewendeten, repräsentativen Brückenklassen und Lastmodellen der Bundesfernstraßen [7]. Abbildung 4: BW 1 - Var. 1, FM, LM1, Eurocode 1 Abbildung 5: BW 2 - Var. 2, SM, LM1, DIN FB 101 Abbildung 6: BW 3 - Var. 3, FM, BK 60/ 30, DIN 1072: 1985 1. Fachkongress Digitale Transformation im Lebenszyklus der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2021 51 Entwicklung der Verkehrseinwirkungen auf Bundesautobahnen Abbildung 7: BW 4 - Var. 4, 1. FM, BK 30/ 30, DIN 1072: 1985 3.2.1 Schrittweite der Achslastüberführung Die Überführung der Achslasten erfolgt anhand einer zuvor festgelegten Schrittweite. Im Hinblick der in grün abgebildeten Einflusslinien, siehe Abbildungen 4 bis 7, ist ersichtlich, dass eine zu hohe Schrittweite die Ergebnisse, bzw. Blockmaxima, verfälschen kann, jedoch wird in den nachfolgenden Abbildungen ebenfalls zu sehen sein, dass die Aussagekraft der Analyse sich ab einer gewissen Schwelle nicht mehr wesentlich verbessert. In diesem Zusammenhang ist zudem auszusagen, dass die Berechnungszeit linear im Verhältnis der Verringerung der Schrittweite zunimmt. Um diesen Sachverhalt zu untersuchen werden die Jahresdatensätze der stationären AMS 5701 und 5705 untersucht. Die AMS 5701 trägt den Namen „Stukenbrock“ und befindet sich auf der A33. Die Fahrtrichtung 1, bzw. Variante 3, hat zum Fernziel Bielefeld und zum Nahziel Schloß-Holte-Stukenbrock. Das Fernziel Paderborn und das Nahziel Stukenbrock-Senne hat die Fahrtrichtung 2, bzw. Variante 5. Die AMS 5705 trägt den Namen „Reken“ und befindet sich auf der A31. Die Fahrtrichtung 1, bzw. Variante 3, hat zum Fernziel Emden und zum Nahziel Borken. Das Fernziel Bottrop und das Nahziel Reken hat die Fahrtrichtung 2, bzw. Variante 5. Nähere Informationen zu den AMS sind auf der Webseite der BASt im Bereich der Achslasterfassung zu finden [3]. Obwohl die Verkehrszähldaten, die Aufteilungen der Fahrzeugarten sowie die Achs- und Gesamtgewichtsverteilungen des Schwerverkehrs grundlegende Ähnlichkeiten zwischen den beiden AMS und ihren Fahrspuren aufweisen, unterscheiden sich die untersuchten Einwirkungen der verschiedenen Verkehrsströme auf die unterschiedlichen Brückenbauwerke erheblich. Grund hierfür ist die unterschiedliche Häufigkeit und das Gewicht der aufgezeichneten Groß- und Schwerlasttransporte, bzw. der Fahrzeugtypen 0 und 108, die bei einer Vielzahl von Untersuchungen den Großteil der maßgebenden Fahrzeuge der Schnittgrößenermittlung der Blockmaxima repräsentieren. Durch eingehende Prüfung der Fahrzeuge mit dem Typ 0 „unbekannter Fahrzeugtyp / nicht zuordnungsbares Fahrzeug“ kann ausgesagt werden, dass es sich im Zuge der vorliegenden Analyse um falsch oder nur in Teilen erfasste Fahrzeuge des Typs 108 handelt. Die entsprechenden Korrekturalgorithmen wurden bereits in der Datenaufbereitung und -auswertung eingepflegt, wodurch die entsprechenden Fahrzeuge des Typs 0 dem Fahrzeugtyp 108 zugewiesen wurden. Nachfolgend werden die Fahrzeuge als „maßgebend“ bezeichnet, deren Überführung der Einflusslinie den größten Schnittgrößenanteil der jeweiligen Tagesmaxima und -minima der Feld- und Stützmomente hervorgerufen hat. Demnach spielt die Häufigkeit eines Fahrzeugtyps nur eine untergeordnete Rolle im Hinblick auf die Aufteilung der maßgebenden Fahrzeuge auf die unterschiedlichen Fahrzeugtypen. Als Beispiel könnte der Fahrzeugtyp 108 im Rahmen von Tagesmaxima einen Anteil von 100% an den maßgebenden Fahrzeugen aufweisen, sofern an jedem Tag des Untersuchungszeitraums ein Fahrzeug des Typs 108 den größten Anteil des höchsten Feldmoments erzeugt. Die Schrittweitenanalyse stützt sich auf drei Kriterien, die jeweils einen Vergleich mit den Ergebnissen der kleinsten Schrittweite darstellen, die lediglich 0,5 % der Stützweite, bzw. der kleinsten Stützweite, des untersuchten Bauwerks beträgt. Die Balkendiagramme der Abbildungen 8 bis 11 visualisieren an ausgewählten Beispielen die entsprechenden Kriterien. Bei jeder Balkengruppe (blauer, roter und gelber Balken) handelt es sich um eine eigenständige Analyse, die sich lediglich in der Schrittweite von den übrigen Balkengruppen unterscheidet. Das erste Kriterium (linker, blauer Balken) zeigt die Übereinstimmung der maßgebenden Fahrzeuge. Die Prozentzahlen zeigen an, wie viele der Blockmaxima, bzw. Tagesmaxima und -minima, durch dieselben Fahrzeuge der kleinsten Schrittweite erzeugt wurden. Da jedem einzelnen Fahrzeug bereits während der Datenaufbereitung eine einzigartige Kennung zugewiesen wurde, ist dieser Vergleich möglich. Im zweiten Kriterium (roter, mittlerer Balken) werden die jeweiligen Durchschnittswerte der Blockmaxima verglichen. Dieses Kriterium gibt unabhängig einer Extremwertverteilung direkt Auskunft über die Höhe der erzeugten Tagesmaxima und -minima. Der Vergleich der hergeleiteten charakteristischen Verkehrseinwirkungen stellt das dritte Kriterium (gelber, rechter Balken) dar. Die Extrapolation wurde anhand einer Wiederkehrperiode von 50 Jahren und, wie bereits erwähnt, der Gumbel-Verteilung durchgeführt. Im Hinblick auf die verfolgten Ziele der nachfolgenden Untersuchungen kann mit diesen Kriterien festgestellt werden, bis zu welcher Länge Schrittweiten aufweisen können, ohne dass die Genauigkeit der damit berechneten Ergebnisse soweit absinkt, dass die daraus gewonnenen Erkenntnisse und KPIs verfälscht werden. Darüber hinaus dient diese Untersuchung der Verifizierung der Stabilität des Analyseverfahrens, wodurch die Belastbarkeit der daraus gewonnen Ergebnisse gewährleistet werden kann. 52 Entwicklung der Verkehrseinwirkungen auf Bundesautobahnen 1. Fachkongress Digitale Transformation im Lebenszyklus der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2021 Im Zuge der nachfolgenden Auswertung ist darauf hinzuweisen, dass eine klare Korrelation zwischen dem Verlauf der Einflusslinien und der Abnahme der Übereinstimmung herrscht. Mit zunehmender Schrittweite sinkt insbesondere die Genauigkeit der Analysen, die mit Einflusslinien durchgeführt wurden, deren Verläufe an den maßgebenden Positionen Unstetigkeiten, bzw. Spitzen, aufweisen. Als Beispiel sinkt die Genauigkeit der Analyse des 1. Feldmoments eines zweifeldrigen Bauwerks erheblich stärker, als die Genauigkeit der Analyse dessen Stützmoments, vgl. Abbildungen 5 und 7 mit Abbildungen 9 und 11. Auf Grundlage der Analysekriterien und der aktuell verfügbaren Rechenleistung ist die Schrittweite von 5 % die ideale Wahl für die weiterführenden Untersuchungen. Die 32 durchgeführten Jahresauswertungen (AMS: 5701 & 5705; je Variante 3 und 5, 4 Bauwerke mit insgesamt acht untersuchten Schnittgrößen) liegen dieser Entscheidung zugrunde: Die durchschnittliche Übereinstimmung der maßgebenden Fahrzeuge beträgt 96,16 % im Vergleich zur Schrittweite von 0,5 %, der Durchschnitt der Blockmaxima 99,61 % und der Durchschnitt der charakteristischen 50-Jahreswerte 99,66 %. Abbildung 8: Schrittweitenanalyse: BW 1 Abbildung 9: Schrittweitenanalyse: BW 2 Abbildung 10: Schrittweitenanalyse: BW 3 1. Fachkongress Digitale Transformation im Lebenszyklus der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2021 53 Entwicklung der Verkehrseinwirkungen auf Bundesautobahnen Abbildung 11: Schrittweitenanalyse: BW 4 3.2.2 Inklusion von Fahrzeugen ohne Achslasten Die Inklusion von Fahrzeugen, deren Achslasten aufgrund ihrer unzureichenden Höhe, bspw. PKW, Krafträder oder Lieferwagen, von den stationären AMS nicht erfasst werden, wurde ebenfalls untersucht. Die Berücksichtigung von Fahrzeugen ohne erfasste Achslasten bietet Vor- und Nachteile: Anhand der Zeitstempel dieser Fahrzeuge erhält der Algorithmus zur Berechnung der Fahrzeugabstände mehr Zeitpunkte zur Anordnung der Fahrzeuge auf den jeweiligen Fahrspuren. Da die Abstände der Fahrzeuge der Überholfahrspuren auf Grundlage der auf den Hauptfahrspuren erfassten Fahrzeuge berechnet werden, ist davon auszugehen, dass bezogen auf die Überholfahrspuren die Realitätstreue der daraus resultierenden Achslastreihenfolge steigt. Im Gegensatz zur Reihenfolge, ist im Hinblick auf die Abstände der Fahrzeuge eher mit einer Abnahme der Realitätstreue zu rechnen, da Fahrzeuge, deren Achslasten nicht erfasst werden, in der Regel mit erheblich höheren Geschwindigkeiten gemessen werden, als die übrigen Fahrzeuge des Verkehrsstroms, bspw. LKW. Da sich die Abstände zwischen den Fahrzeugen aus deren Zeitdifferenz und Geschwindigkeit ergeben, führt die Inklusion dieser schnelleren Fahrzeuge zu einer Vergrößerung dieser Abstände. Da im Hinblick auf Blockmaxima derartige Fahrzeuge keine Rolle spielen, bzw. i.d.R. in den erfassten Fahrzeugabfolgen nicht vorhanden sind, oder in diesen Situationen eine dem Verkehrsstrom entsprechende Geschwindigkeit aufweisen, ist davon auszugehen, dass die Inklusion derartiger Fahrzeuge im Rahmen der vorgestellten Analyseverfahren zu keiner wesentlichen Veränderung der Ergebnisse führt. Die diesbezügliche Untersuchung, die analog zur Schrittweitenanalyse erfolgt ist, belegt diese Annahme: Im Zuge der drei vorgestellten Kriterien, siehe Abbildungen 8 bis 11, ergeben sich anhand der Jahresauswertungen der AMS 5701 und 5705 nahezu identische Ergebnisse. Der Vergleich unterschiedlicher Schrittweiten hat ergeben, dass die diesbezüglichen Übereinstimmungen der maßgebenden Fahrzeuge, siehe Kriterium 1, sich mit den Ergebnissen der vorherigen Schrittweitenanalyse decken, also mit zunehmender Schrittweite stetig weiter abnehmen. Aufgrund der Veränderung der Abstände der Achslasten kommen die Ungenauigkeiten der Schrittweiten im gleichen Maß erneut zum Tragen, wodurch dieses Ergebnis zu erwarten gewesen ist. Im Zuge der Durchschnittswerte der Blockmaxima sowie der hergeleiteten charakteristischen Verkehrseinwirkungen, siehe Kriterium 2 und 3, ergeben sich auch mit zunehmender Schrittweite nur geringfügige Differenzen, bspw. ± 0,03 % und ± 0,1 % bei einer Schrittweite von 5 %. Im Hinblick auf die Inklusion von Fahrzeugen ohne erfasste Achslasten kann somit ausgesagt werden, dass diesbezüglich keine relevanten Veränderungen der Ergebnisse der vorgestellten Analyseverfahren zu beobachten sind. Da jedoch ein signifikanter Anteil der Berechnungszeit, ca. 30 %, durch die Exklusion derartiger Fahrzeuge eingespart wird, wird im Weiteren auf die Inklusion von Fahrzeugen ohne erfasste Achslast verzichtet. 3.3 Ergebnisse 3.3.1 Auswertung der Blockmaxima und charakteristischen Verkehrseinwirkungen Im Rahmen der nachfolgenden Abbildungen und der variantenbezogenen Analyse und Auswertung der AMS- Datensätze ist darauf hinzuweisen, dass auch die Vergleichswerte der normenbasierten Lastmodelle und Brückenklassen entsprechend der untersuchten Fahrspuren angepasst wurden. Demzufolge werden bei den Varianten 3 und 5 lediglich die Hauptfahrspuren betrachtet, wodurch die normenbasierten Vergleichswerte nicht den Widerstand der Bauwerke wiederspiegeln. Am Beispiel der Abbildung 13 ist daher für das Lastmodell 1 des Eurocodes 1 nur ein Moment von 4620 kNm angegeben. Im Hinblick auf Bundesfernstraßen ist allerdings davon auszugehen, dass mindestens eine Überholfahrspur je Fahrtrichtung, bzw. eine entsprechende Bauwerksbreite, vorhanden ist, wodurch sich diesbezüglich mindestens ein Moment von 7400 kNm ergeben würde, siehe Legende in Abbildung 4. Die nachfolgenden Untersuchungen fokussieren sich aufgrund der lückenhaften Datenlage auf die AMS 5705 und Variante 3. Die Feldmomente der Bauwerke 1 und 3 bieten sich diesbezüglich an, um den Einfluss der Stützweite auf die durchschnittlichen und charakteristischen Verkehrseinwirkungen zu verdeutlichen. Im Zuge der Datenauswertung ist darauf hinzuweisen, dass nicht zuordnungsbare Fahrzeuge, bzw. deren Fahrzeugtyp als unbekannt („0“) gekennzeichnet wurde, im Rahmen hier nicht weiter aufgeführter Untersuchungen analysiert 54 Entwicklung der Verkehrseinwirkungen auf Bundesautobahnen 1. Fachkongress Digitale Transformation im Lebenszyklus der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2021 wurden. Diese ergab, dass es sich bei diesen nicht zuordnungsbaren Fahrzeugen im Fall eines Blockmaximas i.d.R. um ein falsch oder in Teilen erkanntes Fahrzeug des Typs 108 handelt. Daher wurden diese Fahrzeuge dem Fahrzeugtyp 108 zugeschrieben, da dessen Definition „Sonderfahrzeug mit beliebig vielen Achsen und Achskombinationen“ [1] in den untersuchten Fällen passend angewendet werden konnte. Auf den Abbildungen 12 und 14 ist die Entwicklung der durchschnittlichen Blockmaxima der Jahre 2011 bis 2017 visualisiert worden. Es wurden nicht nur Durchschnittswerte aller Tagesmaxima, sondern auch die Durchschnittswerte der entsprechenden Anteile angegeben, die unter Beteiligung und Ausschluss des Fahrzeugtyps 108 entstanden sind. Die jährlichen und seit 2011 entstandenen Veränderungen wurden ebenso angegeben, wie die Prozentsätze der Fahrzeugtypen, die für die meisten Tagesmaxima des entsprechenden Jahres maßgebend gewesen sind, hier stets Fahrzeugtyp 108. Die Abbildungen 13 und 15 betrachten auf ähnliche Art und Weise die charakteristischen Verkehrseinwirkungen, die mit einer Wiederkehrperiode von 1000 Jahren und der Gumbel-Verteilung hergeleitet wurden. Diesbezüglich findet ein Vergleich zwischen den aus den gesamten Verkehrsdaten hergeleiteten Einwirkungen und den Einwirkungen, die unter Ausschluss des Fahrzeugtyps 108 hergeleitet wurden, statt. Die in Blau dargestellten Schnittgrößen wurden auf Grundlage aller plausiblen Fahrzeuge berechnet, wohingegen die in Rot dargestellten Schnittgrößen nur auf Tagesmaxima beruhen, die keine Achslast eines Fahrzeugtyps 108 enthalten. Die Tagesmaxima des Fahrzeugtyps 108 fanden demnach in diesem Fall keine Beachtung und wurden durch Maxima ersetzt, die ausschließlich aus Achslasten der übrigen Fahrzeugtypen im gleichen Zeitraum, bzw. am selben Tag, gebildet wurden. Zu Vergleichszwecken wurde die Schnittgröße des Lastmodells 1 des Eurocodes 1 (nur Hauptfahrspur) sowie das Jahresmaximum, bzw. das höchste Tagesmaximum des Jahres, mit dem dazugehörigen maßgebenden Fahrzeugtyp abgebildet. Aus den Abbildungen 12 bis 15 ist zu entnehmen, dass sich die Fahrzeuge des Typs 108 maßgeblich von den übrigen Fahrzeugen des Verkehrsstroms abgrenzen. Zwar ist dieser Fahrzeugtyp nur selten im gesamten Verkehrsaufkommen vertreten, in Bezug auf Blockmaxima wird er jedoch maßgebend. Nicht nur weisen diese Fahrzeuge in diesem Zusammenhang erheblich höhere Durchschnittswerte auf, sondern bilden diesbezüglich auch die absolute Mehrheit der maßgebenden Fahrzeuge. Abbildung 12: Entwicklung der Blockmaxima: BW 1 Abbildung 13: Entwicklung der char. Verkehrseinwirkungen: BW 1 1. Fachkongress Digitale Transformation im Lebenszyklus der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2021 55 Entwicklung der Verkehrseinwirkungen auf Bundesautobahnen Abbildung 14: Entwicklung der Blockmaxima: BW 3 Abbildung 15: Entwicklung der char. Verkehrseinwirkungen: BW 3 Der Einfluss des Fahrzeugtyps 108 auf die Herleitung charakteristischer Verkehrseinwirkungen ist erheblich, wie der Vergleich der unterschiedlich hergeleiteten Schnittgrößen beweist. Die Jahresmaxima zeigen, dass es sich in Teilen um Fahrzeuge handelt, deren Einwirkungen im Hinblick auf die Hauptfahrspur bei Bauwerken mit geringen Stützweiten an das Lastmodell 1 des Eurocodes 1 heranreichen. Die Nähe der Jahresmaxima zu den charakteristischen 1000-Jahreswerten, die ohne den Fahrzeugtyp 108 gebildet wurden, lässt zudem die zwingende Notwendigkeit deutlich werden, derartige Fahrzeuge nicht nur bei der Herleitung von charakteristischen Verkehrseinwirkungen zu berücksichtigen, sondern auch im Hinblick ihrer extrapolierten Schnittgrößen, siehe Abbildung 13 und 15, weitergehenden Untersuchungen zu unterziehen, um das Potenzial der von diesem Fahrzeugtyp hervorgerufenen Einwirkungen besser einschätzen zu können. Eine anfängliche Untersuchung der beobachteten, maßgebenden Fahrzeuge des Typs 108 hat ergeben, dass es sich um Fahrzeuge mit außergewöhnlich hohen Achslasten und geringen Achsabständen handelt, deren Gesamtgewichtsverteilung und Achsanordnung dennoch plausibel erscheinen. Die untypischen Fahrzeugeigenschaften lassen jedoch bereits vermuten, dass es sich in Teilen um militärische Fahrzeuge handelt, da verkehrsübliche Schwerverkehrsfahrzeuge unter derartigen Achslasten nicht fahrtauglich wären, bzw. in kurzer Zeit größere Schäden aufweisen würden. Entsprechend dieser Erkenntnis sind die geltenden, pauschalen Plausibilitätsgrenzen der Achslasten für den Fahrzeugtyp 108 zu überdenken, bzw. zu entfernen, und durch automatisierte, intelligente Einzelfallprüfungen zu ersetzen. Die damit verbundene Plausibilisierung von Fahrzeugen mit Achslasten über 20 Tonnen könnte den beschriebenen Einfluss des Fahrzeugtyps 108 weiter steigern. Diesbezüglich erscheint es als ratsam eine Sammlung derartiger Fahrzeuge anzulegen, um auch anderen Forschungsprojekten, bzw. deren Verkehrssimulationen, eine Datengrundlage zu liefern, die diese schwergewichtigen Fahrzeuge mit u.a. außergewöhnlichen Achslasten beinhaltet. Im Hinblick auf die unterschiedlichen Ergebnisse des Bauwerks 1 und 3 lässt sich der Einfluss der Stützweite erkennen. Da das Brückenbauwerk 1 lediglich über eine Stützweite von 20 m verfügt und somit die Tagesmaxima i.d.R. nur von einem Fahrzeug gebildet werden, spielen die Verkehrssituationen, bzw. die Reihenfolge und Abstände der Fahrzeuge, keine Rolle, wodurch keine Differenz zwischen fließendem und Stau-Verkehr wahrgenommen werden kann. Demnach erhalten die einzelnen maßgebenden Fahrzeuge, häufig Fahrzeuge des Typs 108, einen stärkeren Einfluss auf die Ergebnisse, als es bei Brückenbauwerken mit größeren Stützweiten der Fall wäre, deren Tagesmaxima i.d.R. durch mehrere Fahrzeuge gebildet werden. Bei den vorliegenden Ergebnissen handelt es sich um eine Simulation realer Verkehrseinwirkungen, die mit Hilfe stationärer AMS aufgezeichnet wurden. Da diese Messstellen Fahrzeuge mit sehr geringen Geschwindigkeiten nicht, nur teilweise oder ungenau erfassen, wird Stauverkehr unzureichend betrachtet und bleibt bei den aktuellen Simulationen nahezu unberücksichtigt. Zur Simulation des Stauverkehrs wird aktuell ein Algorithmus auf Basis der realen Verkehrseinwirkungen entwickelt, der diese Betrachtungslücke füllen soll. Demnach ist zu erwarten, dass für Brückenbauwerke mit größeren Stützweiten sowohl die Durchschnittswerte der Tagesmaxima, als auch die damit hergeleiteten charakteristischen Verkehrseinwirkungen im Vergleich zu Abbildung 14 und 15 ansteigen werden und in diesem Zusammenhang die Dominanz des Fahrzeugtyps 108 abnehmen wird, da diese Fahrzeuge i.d.R. zu Uhrzeiten unterwegs sind, in denen ein fließender Verkehr herrscht. 56 Entwicklung der Verkehrseinwirkungen auf Bundesautobahnen 1. Fachkongress Digitale Transformation im Lebenszyklus der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2021 3.3.2 Entwicklung der Verkehrseinwirkungen Schließlich ist auf die Entwicklung der beobachteten Verkehrseinwirkungen einzugehen: Zwar ist die Aussagekraft der Ergebnisse durch die fehlende Berücksichtigung des Stauverkehrs und die lediglich punktuelle Datenerfassung, die sich nur auf einen Standort (AMS 5705), Fahrtrichtung und Fahrspur (Variante 3) bezieht, deutlich eingeschränkt, jedoch kann im Hinblick sämtlicher Ergebnisse, die in Teilen den dominanten Fahrzeugtyp 108 ausblenden, Folgendes ausgesagt werden: Im Rahmen der Bauwerke 1 und 3 konnte im Hinblick der Jahre 2011 bis 2013 ein geringfügiger Abfall des Feldmoments beobachtet werden, wohingegen ab dem Jahr 2014 ein stetiger und in Teilen deutlicher Zuwachs zu verzeichnen war. Diese Entwicklungen geben aufgrund der beschriebenen Methodik eher Auskunft über die Eigenschaften und die Häufigkeit von Fahrzeugen mit besonders schwergewichtigen Achslasten, jedoch können die Entwicklungen auch in Teilen durch die vorhandenen Verkehrszähldaten nachvollzogen werden. Diesbezüglich sind die entsprechenden Datenlücken zu berücksichtigen. Da die Monatsdatensätze der AMS auch in den Auswertungen der Achslasterfassung der BASt untersucht wurden, lassen sich dort ebenfalls die beobachteten Entwicklungen in anderer Form, bzw. im Rahmen der Schwerverkehrssowie Gesamt- und Achsgewichtsverteilungen, wiederfinden. In Anbetracht der angestrebten Weiterentwicklung der Methodik und der daran anschließenden Gesamtauswertung des Datenbestandes der stationären AMS, die anhand von ausgewählten, den Brückenbestand repräsentierenden Bauwerken durchgeführt werden soll, ist zu erwarten, dass zukünftig konkrete, flächendeckende Aussagen über die Entwicklung der Verkehrseinwirkungen auf Bundesfernstraßen getroffen werden können. Auf diesem Weg sollen zunächst für die Streckenzüge der Bundesautobahnen und im Weiteren für Bundesstraßen KPIs gebildet werden, die die Praxis des Erhaltungsmanagements mit Hilfe objektspezifischer Kennwerte über die Höhe und Entwicklung der Verkehrsbeanspruchung von Brückenbauwerken unterstützen sollen. 3.4 Fazit Mit den ausgewerteten Monatsdatensätzen der AMS 5705 der Jahre 2011 bis 2017 konnte der maßgebende Einfluss des Fahrzeugtyps 108 auf die untersuchten Verkehrseinwirkungen herausgestellt werden. Es wurde festgestellt, dass im Zusammenhang der damit verbundenen Sensitivität der vorgestellten Analyse eine intensive Untersuchung und Plausibilisierung dieser Fahrzeuge notwendig ist, um eine ausreichende Datenqualität und somit auch die Aussagekraft der daraus gewonnenen Ergebnisse sicherzustellen. Durch die punktuelle Datenerfassung und fehlende Berücksichtigung des Stauverkehrs, die bei Brückenbauwerken mit größeren Stützweiten zum Tragen kommt, ergeben sich noch keine aussagekräftigen Ergebnisse über die Entwicklung der Verkehrseinwirkungen, jedoch erweist sich die vorgestellte Methodik in Verbindung mit den aufgeführten Änderungen, Erweiterungen und Verbesserungen als brauchbar, um die angestrebte Zielvorstellung, die Ableitung aussagekräftiger Kennwerte über die Höhe und Entwicklung der Verkehrsbeanspruchung von Brückenbauwerken, zu erreichen. 3.5 Ausblick Die Bearbeitung des Teilvorhabens der BASt des Verbundforschungsprojekts BrAssMan folgt einem festgelegten Arbeitsplan. Im Zusammenhang der Generierung netzweiter KPIs über die Höhe und Entwicklung der Verkehrsbeanspruchung von Brückenbauwerken gestalten sich die anstehenden Schritte wie folgt. Zunächst wird die Simulation von Stauverkehr in die Algorithmen der Analyse eingebunden. Parallel dazu wird eine automatisierte Datensammlung außergewöhnlich schwergewichtiger Fahrzeuge, die sich auf den Typ 108 konzentriert, implementiert. Danach werden alle bisher erfassten Monatsdatensätze der stationären AMS der beschriebenen Analyse unterzogen. Dies geschieht vor dem Hintergrund der bis dahin ausgewählten, repräsentativen Brückenbauwerke. Die bereits angekündigte, tiefgehende Untersuchung des Fahrzeugtyps 108 folgt zusammen mit der Entwicklung dessen individualisierter Plausibilitätsprüfung. Schließlich werden nach der Herleitung charakteristischer Verkehrseinwirkungen mit Hilfe der normenbasierten Lastmodelle und Brückenklassen bauwerksunabhängige Vergleichswerte gebildet, die zusammen mit den dazugehörigen, normalisierten Verkehrszähldaten die Lerndatensätze der Regressionsmodelle bilden. Die Anwendung der Modelle auf die historisierten Datensätze der Dauerzählstellen der Bundesfernstraßen, aktuell 2.013 Messstellen [2], liefert die angestrebten, flächendeckenden KPIs. Diese historisierten KPIs werden über die Zuordnung der Streckenabschnitte zu den Dauerzählstellen und die Zugehörigkeit der Bauwerke zu ihren Streckenabschnitten auf die Brücken übertragen. Die Höhe der Verkehrsbeanspruchung wird für jedes Brückenbauwerk anhand des aktuellsten KPIs wiedergegeben. Der KPI der Entwicklung wird auf Basis der zu erwartenden jährlichen Veränderung gebildet. Hierzu wird der jährliche Verlauf, bzw. die jährliche Steigung, der historisierten KPIs sinngemäß extrapoliert. Die beiden beschriebenen KPIs werden abschließend zu einem Teil des intelligenten Asset Managements, das im Rahmen des Projekts BrAssMan entwickelt wird. 1. Fachkongress Digitale Transformation im Lebenszyklus der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2021 57 Entwicklung der Verkehrseinwirkungen auf Bundesautobahnen 4. Projektkonsortium Das Verbundforschungsprojekt BrAssMan wird gemeinschaftlich durch die folgenden Partner bearbeitet: • Wölfel Engineering GmbH + Co. KG (Wölfel) • Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) • Leonhardt, Andrä und Partner Beratende Ingenieure VBI AG (LAP) • RWTH Aachen (RWTH) • avato consulting AG (avato) Literatur [1] Bundesanstalt für Straßenwesen, TLS 2012, „Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt): Regelwerke/ Verkehrstechnik“, 26.04.2021. [Online]: https: / / www.bast.de/ BASt_2017/ DE/ Publikatione n/ Regelwerke/ Verkehrstechnik/ Unterseiten/ V5-tls -2012.pdf? __blob=publicationFile&v=1. [2] Bundesanstalt für Straßenwesen, Verkehrszählung, „Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt): Verkehrstechnik/ Verkehrszählung“, 26.04.2021. [Online]: https: / / www.bast.de/ BASt_2017/ DE/ Ver kehrstechnik/ Fachthemen/ v2-verkehrszaehlung/ A ktuell/ zaehl_aktuell_node.html. [3] Bundesanstalt für Straßenwesen, Achslasterfassung, „Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt): Statistik/ Achslast“, 26.04.2021. [Online]: https: / / www.bast.de/ BASt_2017/ DE/ Statistik/ Ach slast/ Achslast_node.html. [4] Bundesamt für Güterverkehr, Tabellen des Bundesamts für Güterverkehr (BAG) für Zielkontrollen: Vor- und Nachverwiegung: 2013 bis 2020, 2020. [5] StVZO, „Webseite des Bundesamts für Justiz“, 26.04.2021. [Online]: https: / / www.gesetze-im-inte rnet .de/ stvzo_2012/ . [6] J. D. Holmes und S. A. Bekele, Wind Loading of Structures, Fourth Edition, Boca Raton, FL 33487- 2742: CRC Press, 2021. [7] A. Socher und M. Müller, „Relevante Brückenbauwerke für ein prädiktives Erhaltungsmanagement“, Tagungshandbuch 2020: 4. Brückenkolloquium: Fachtagung für Beurteilung, Planung, Bau, Instandhaltung und Betrieb von Brücken, S. 253 - 258, 2020.