Nach aktuellem Stand wird bei der Zustandserfassung und -bewertung (ZEB) der Bundesfernstraßen die Zustandsgröße „Spektrales Unebenheitsmaß“ – abgekürzt AUN (für Allgemeine Unebenheit) – als alleiniges Kriterium zur Beurteilung der Längsebenheit herangezogen. Erfahrungen haben gezeigt, dass regellose Längsunebenheiten dadurch im Allgemeinen hinreichend charakterisiert werden können. Einzelhindernisse jedoch und periodische Unebenheitsausprägungen, wie sie beispielsweise bei Plattenversätzen älterer Betonfahrbahnen vorkommen, werden durch den AUN nur unzureichend beschrieben. Im Rahmen der Verbesserung des Verfahrens wird daher der Vorschlag gemacht, die Auswertung der Längsprofile im Rahmen der ZEB künftig auf zwei Säulen zu stellen: die Bewertung der Geometrie (bisher nur durch den AUN) und der von ihr verursachten Wirkungen. Ein neuer Längsebenheitsindikator, der „Längsebenheitswirkindex“ (LWI) wird vorgeschlagen. Er basiert auf der Auswertung dreier Bewertungskriterien für die Ebenheit: der Beanspruchung der Straße, des Fahrers und des Ladegutes. Die Untersuchungen zeigen, dass der LWI Periodizitäten und Einzelhindernisse detektieren und angemessen bewerten kann und damit die Lücke, die das derzeitige Verfahren aufweist, in geeigneter Weise zu schließen vermag. Mit dem LWI ist ein aussagekräftiger, einfacher und universeller Längsebenheitsindikator gefunden worden, der sich harmonisch in das bisherige Bewertungskonzept der ZEB einfügt und dieses im Hinblick auf die Auswirkungen der Unebenheit in sinnvoller Weise ergänzt.

Der Fachvortrag zur Veranstaltung ist im Volltext verfügbar. Das PDF enthält alle Bilder und Tabellen.

1 Einleitung

Im Rahmen der Zustandserfassung und -bewertung (ZEB) der Bundesfernstraßen wird die Längsebenheit der Fahrbahnoberfläche in Form fortlaufender Längsprofile erfasst. Hieraus ermittelte Zustandsgrößen (Auswertung) dienen der Charakterisierung in Form von 100-m-bezogenen Auswerteabschnitten, wie sie in der Erhaltungsplanung von Bedeutung sind. Zur Zustandsbewertung von Fahrbahnoberflächen werden diese physikalischen Zustandsgrößen in Zustandswerte – Noten „1“ für sehr gut bis „5“ für sehr schlecht – überführt.

Seit einiger Zeit wird an dem derzeitigen Vorgehen der Auswertung und Bewertung des Zustandsmerkmals Längsebenheit Kritik laut: Ausschlaggebender Punkt hierfür ist vornehmlich der sich aus der Praxis der Erhaltungsplanung abzeichnende Schwachpunkt des Verfahrens, Unebenheiten je nach Form der Unebenheit (regellos, stufig, periodisch) nicht in jedem Fall hinsichtlich ihres Ausprägungsgrades richtig zu charakterisieren. Dies ist insbesondere für ein erhaltungsrelevantes Erkennen höherer Schädigungsgrade von Nachteil. Sowohl stufenförmige, meist periodische Unebenheitsformen, wie sie vornehmlich auf älteren, oftmals sanierungsbedürftigen Betonfahrbahnoberflächen der Bundesautobahnen zu finden sind, aber auch Einzelhindernisse (Deckenwechsel, Brückenwiderlager etc.) werden mit dem derzeitigen Auswertungs- und Bewertungsverfahren nicht hinreichend berücksichtigt.

Durch die Verwendung derartiger Zustandsdaten als Grundlage für die Erhaltungsplanung der Bundesfernstraßen – sowohl unmittelbar, als auch unter Einsatz von Pavement Management Systemen (PMS) – können daher z. T. fehlerhafte Maßnahmevorschläge bzw. Fehlentscheidungen nicht ausgeschlossen werden.

Ziel ist es deshalb, durch Weiterentwicklung des Verfahrens zur Beurteilung der Längsebenheit die genannten Nachteile zu beseitigen und hiermit einen Beitrag zu einer verbesserten Beschreibung von Längsunebenheiten von Fahrbahnoberflächen zu leisten. Die folgenden Ausführungen dienen diesem Ziel.

2 Derzeitiger Stand der Beurteilung von Längsebenheiten im Rahmen der ZEB der Bundesfernstraßen

Seit der Ersterfassung der Bundesautobahnen im Jahre 1992 im Rahmen der ZEB der Bundesfernstraßen findet die Zustandsgröße AUN (in Kombination mit der Zustandsgröße Welligkeit W) zur Beschreibung von Längsunebenheiten im größeren Rahmen Anwendung. Diese leitet sich aus dem Verfahren zur Berechnung der spektralen Leistungsdichte von Höhenlängsprofilen ab. Sie dient vornehmlich der Charakterisierung von regellosen Längsunebenheiten eines vorgegebenen Streckenabschnitts bei ausschließlicher Betrachtung der geometrischen Verformungen der Fahrbahnoberfläche unter Berücksichtigung aller vorhandenen Längenausdehnungen im gesamten betrachteten Auswerteabschnitt [1] bis [6]. Die Berechnung erfolgt aus einem nicht auf absolute Höhen (z. B. NN) bezogenen Höhenlängsprofil [7], wobei die Auswertelänge im Rahmen der ZEB 100 m beträgt. Die Zustandsgröße Welligkeit W gibt in diesem Zusammenhang anschaulich das Verhältnis der Unebenheitshöhen von lang- zu kurzwelligen Unebenheitsanteilen an [1] bis [6].

Durch die Eigenschaft der Zustandsgröße AUN, eine ausschließlich statistische Cha­rakterisierung für einen Auswerteabschnitt vorzunehmen, demnach ein „mittleres Unebenheitsniveau“ auszuweisen (Mittelwert-Eigenschaft), ist diese Zustandsgröße keine sinnvoll verwendbare Kenngröße zur Erkennung und Quantifizierung von Einzelhindernissen (z. B. Stufen) und periodischen Unebenheiten, da sich diese Unebenheitsformen hierbei nicht ausreichend abbilden.

3 Grundzüge einer verbesserten Beurteilung

In der Vergangenheit hat es sich als schwierig erwiesen, die Geometrie von Unebenheiten in ihrer ganzen Bandbreite der Erscheinungsformen bzw. Einflussgrößen wie Länge, Höhe, Form, Wiederholhäufigkeit etc. im Rahmen der ZEB in praxisnaher Weise zu detektieren und bewertbar zu machen. Eine zusätzliche Berücksichtigung von Einzelhindernissen und periodischen Unebenheiten ist zur erhaltungsrelevanten Beurteilung der Längsebenheit unverzichtbar und macht somit eine ergänzende Auswertung des Höhenlängsprofils auf diese Anteile hin erforderlich. Der Ansatz einer ausschließlichen Modifikation des bestehenden Berechnungsverfahrens für die Zustandsgrößen AUN/W ist aus den oben genannten Gründen nicht zielführend.

Ausgehend von der Erfahrung, dass einige Streckenabschnitte bislang von der Bewertung des Zustandes her z. T. als zu gut eingestuft werden, bei der Befahrung allerdings merkliche Auswirkungen auf Fahrzeuginsassen, Ladegut sowie auf die Fahrzeuge selbst auftreten, bietet es sich daher an, neben der Geometrie (hier: dem AUN-Wert) auch die Auswirkungen von Längsunebenheiten in das Auswerte- und Bewertungskonzept mit einzubeziehen (Bild 1).

Bild 1: Grundkonzept des Auswerte- und Bewertungsverfahrens

Kompatibilität und Integrität zum bestehenden ZEB-Auswerte- und Bewertungskonzept bleiben hierbei gewahrt. Nachteilige Einflüsse auf Verkehrssicherheit sowie Straßenbeanspruchung werden mitberücksichtigt.

Die zusätzlich eingeführte Zustandsgröße trägt die Bezeichnung „Längsebenheitswirkindex“ (LWI). Bei ihrer Berechnung wird vorausgesetzt, dass die von einer Unebenheit verursachte größte Auswirkung zur Kennzeichnung des Fahrbahnzustandes im betreffenden 100-m-Abschnitt von maßgebender Bedeutung ist. Für das Erhaltungsmanagement liefert dies die Information, Längsprofile derart erkannter Abschnitte einer weitergehenden Analyse auf schadhafte Bereiche zu unterziehen, Quervergleiche mit weiteren Zustandsmerkmalen (Querebenheit und Substanz-Oberfläche) sowie ggf. eine detailliertere Untersuchung des betreffenden Streckenabschnittes vor Ort vorzunehmen.

4 Berücksichtigung der Auswirkungen durch die Zustandsgröße LWI

Durch die Unebenheit der Straßenoberfläche wird ein Fahrzeug beim Befahren zu Vertikalschwingungen angeregt. Diese beziehen sich in erster Linie auf die Achsen und den Fahrzeugaufbau bzw. die Karosserie. Der Fahrzeugaufbau leitet die Schwingungen über den Sitz in den menschlichen Körper weiter bzw. gibt sie direkt an die transportierten Güter ab. Daraus resultieren entsprechende Beanspruchungen für den Fahrer und das Ladegut. Auf der anderen Seite werden Schwingungen in Form von wechselnden Kräften in den Straßenoberbau eingeleitet. Dieses erhöht die Straßenbelastung und damit die Beanspruchung der Straße. Wird die Radlastdynamik zu groß, besteht zudem die Gefahr des mangelnden Kraftschlusses zwischen Reifen und Fahrbahn, wodurch die Fahrsicherheit vor allem bei Nässe und in Kurven beeinträchtigt wird. Folgende drei Schwingungserscheinungen bilden daher die Grundlage für den Längsebenheitswirkindex (Bild 2):

• Radlastschwankungen (Kriterien Straßenbeanspruchung und Fahrsicherheit)
• vertikaler Schwingungseintrag in den menschlichen Körper
• Vertikalbeschleunigungen auf der Ladefläche (Kriterium Ladegutbeanspruchung).

Bild 2: Bewertungskriterien zur Beurteilung der Längsebenheit

Das Bild 3 zeigt das Berechnungsschema für die Zustandsgröße LWI.

Bild 3: Berechnungsschema für den Längsebenheitswirkindex (LWl)

Es ist „von unten nach oben“ zu lesen. Das Straßenlängsprofil wird durch drei verschiedene Filter bewertet: einem „Mensch-Filter“, der das Schwingempfinden eines Fahrers in einem Mittelklassewagen abbildet, der mit 100 km/h über diese betreffende Straße fährt, einem „Ladegut-Filter“, der die vertikalen Beschleunigungen ermittelt, die auf der Ladefläche direkt über der mittleren Achse eines dreiachsigen Sattelaufliegers auftreten, wenn dieser mit 80 km/h über die betreffende Straße fährt, und einem „Radlast-Filter“, der die zwischen Reifen und Fahrbahn auftretenden Radlastschwankungen einer 11,5 t-Lkw-Antriebsachse, ebenfalls bei Überfahrt mit 80 km/h, berechnet. Alle drei Filter sind hierbei so gewählt, dass sie auf Bundesfernstraßen typisch auftretende Schwingungsniveaus abbilden.

So verbirgt sich hinter dem „Mensch-Filter“ ein typisches Mittelklassefahrzeug (VW Passat, [8]), ein dafür typischer Fahrzeugsitz [9], sowie die in der internationalen Normung (ISO 2631-1 bzw. VDI 2057 [10], [11]) standardisierte frequenzabhängige Schwingempfindlichkeit des Menschen im Hinblick auf die vertikale Anregung vom Fahrzeugsitz. Nachgebildet wird nicht nur das Komfortempfinden des Menschen, sondern seine frequenzabhängige Schwingempfindlichkeit auch im Hinblick auf mögliche gesundheitliche Folgen.

Mit der Wahl des dreiachsigen Sattelaufliegers [12] als Grundlage für den „Ladegut-Filter“ wird ebenfalls ein typischer Belastungsfall auf deutschen Fernstraßen nachgezeichnet, da der Sattelzug den dominierenden Fahrzeugtyp im Güterfernverkehr darstellt. Als Basis für den „Radlast-Filter“ wurde die 11,5 t-Lkw-Antriebsachse [13] gewählt. Sie taucht praktisch in allen im Güterfernverkehr eingesetzten Fahrzeugen über 18 t zulässigem Gesamtgewicht auf und beansprucht zudem aufgrund ihrer Tragkraft den Straßenoberbau am meisten. Als Antwort auf das jeweils vorliegende Straßenlängsprofil liegen damit folgende drei Filterantwortfunktionen in Abhängigkeit vom Weg vor: die Radlastschwankungen, die Schwingungsbelastung des Menschen und die Ladegutbeschleunigung. Das Berechnungsschema sieht vor, dass diese drei Funktionen zunächst quadriert werden, was eine energiebezogene Berücksichtigung der Auswirkungen bedeutet. Danach werden sie durch jeweils einen „Referenzwert-Gute Straße“ dividiert – das sind die (ebenfalls quadrierten) theoretischen Maximalwerte, die die drei Filter auf einer „guten“ Straße (definiert durch ein bestimmtes Leistungsdichte-Spektrum) abliefern würden. Damit liegen drei quadrierte und normierte dimensionslose Filterantworten als Funktion des Weges vor. Ihr gemeinsamer Maximalwert – auf einen 100-m-Abschnitt bezogen – ergibt den Längsebenheitswirkindex LWI. Die Bilder 4 und 5 zeigen beispielhaft die Auswertung zweier 100-m-Abschnitte: einer Straße guter Ebenheit (Bild 4) und einer alten Betondecke (Bild 5).

Bild 4: Berechnung des LWI für eine gute Straße (AUN = 0,73 cm³, LWI = 0,95)

Bild 5: Berechnung des LWl für eine schlechte Straße (AUN = 3,76 cm³, LWl = 13,16)

Im jeweils oberen Bild ist das Längsprofil gezeigt, im unteren das jeweilige Maximum der drei quadrierten und normierten Filterantworten als Funktion des Weges. Die Berechnung ergibt für die gute Straße einen LWI von 0,95 und für die schlechte einen von 13,16.

Das Bild 6 zeigt, wie der LWI auf rein regellose Unebenheiten reagiert.

Bild 6: Verhalten des LWI auf regellose Unebenheiten (AUN, W)

Wie ersichtlich, gibt es einen linearen Zusammenhang zwischen AUN und LWI. Für Welligkeiten von 2 (in etwa das Mittel der Bundesautobahnen) ergeben AUN und LWI den gleichen Wert. Für davon abweichende Welligkeiten wird der LWI größer und kann bis zu doppelt so groß wie der AUN werden. Das liegt daran, dass der LWI auf eine mittlere Welligkeit von 2 normiert ist und für höhere Welligkeiten (höhere lange Wellen) das Ladegut stärker beansprucht wird, für kleinere Welligkeiten dagegen (höhere kurze Wellen) die Straße (in Form höherer Radlastschwankungen). Je stärker allerdings das wahre Leistungsdichte-Spektrum von seiner Beschreibung durch AUN und W abweicht, desto größere Abweichungen gibt es auch in dem genannten Zusammenhang zwischen AUN und LWI. So kann der LWI auch einmal kleinere Werte annehmen als der AUN, in der Tendenz fällt er jedoch etwas größer aus.

Im Bild 7 ist gezeigt, wie sich der LWI ganz allgemein im Bezug auf Einzelhindernisse und Periodizitäten verhält.

Bild 7: Verhalten des LWI auf einzelne und periodische Unebenheiten

Die obere Grafik gibt hierbei die Amplituden- bzw. „Höhen“-lnformation und die untere die „Phasen“-lnformation wieder, denn sie beschreibt, wie groß der räumliche Versatz zwischen den Maxima des Hindernisses und seiner Wirkung (LWI) ist. Im oberen Teil ist in rot die Reaktion auf das Einzelhindernis, in blau die auf das periodische Hindernis dargestellt – auf der Abszisse die Wellen- bzw. Hindernislänge, auf der Ordinate das Verhältnis von LWI zu quadrierter Anregungsamplitude. Beim periodischen Hindernis wurde nur der eingeschwungene Zustand betrachtet. Die bei schadhaften älteren Betondecken typischen vertikalen Plattenversätze stellen kurzwellige geometrische Erscheinungen dar. Hier verhält sich der LWI gemäß der Kurven bis 1,4 m (bei Einzelhindernissen) bzw. bis 2,2 m bei periodischen Erscheinungen. Ab diesen Werten gehen die Kurven praktisch in eine Konstante über, d. h. die Hindernis- bzw. Wellenlänge übt keinen weiteren Einfluss mehr auf den LWI aus. Eine einzelne Bodenwelle der Länge 2 m und Höhe 1 cm ergibt nach diesem Bild einen LWI von „5“. Tritt sie dagegen periodisch auf, so wird sie mit einem LWI von „9“ bewertet. Periodizitäten werden in der Regel nicht höher bewertet als Einzelhindernisse, in diesem Falle jedoch deshalb, weil es im Wesentlichen die Wellen zwischen 1 und 3 m sind, die die Achsen schwerer Lkw zu Eigenschwingungen anregen und sich damit ungünstig auf die Straße auswirken.

Im Bild 7 sind ebenfalls die Wirkungsbereiche der drei Filter dargestellt. Für kurze Wellen bis 3 m gibt der Radlast-Filter den Ausschlag für den LWI – d. h. die Radlastschwankungen stellen das entscheidende Kriterium für die Beurteilung dieser Unebenheiten dar. Für mittlere Wellenlängen zwischen 3 und 9 m Länge gibt der Mensch-Filter den Ausschlag, weil er im Zusammenhang mit diesen Unebenheiten am empfindlichsten reagiert (Frequenzen zwischen 3 und 8 Hz). Oberhalb von 9 m Hindernis- bzw. Wellenlänge stellt die Beanspruchung des Ladegutes das entscheidende Kriterium für den LWI dar. Diese Wellen fallen in den Eigenresonanzbereich des Nutzfahrzeug-Aufbaus und führen damit zu den größten vertikalen Beschleunigungen der Ladeflächen. Hier handelt es sich um den Frequenzbereich zwischen 0,5 und 3 Hz. Wellenlängen über 40 m wirken sich praktisch nicht mehr auf den LWI, d. h. auf die Bewertung der Längsebenheit aus.

Zu dem unteren Teil des Bildes ist festzustellen, dass der Versatz zwischen dem Maximum des Hindernisses und der stärksten Reaktion darauf (in Form des LWl) natürlich zum einen eine Funktion der Hindernislänge ist. Zum anderen sind einige interessante Beobachtungen zu machen: bei bestimmten Hindernissen gibt es Sprünge im Versatz (nicht Sprünge im LWI) und ab einer Hindernislänge von ca. 30 m wird der Versatz negativ, d. h. das Wirkmaximum rückt bei solch langen Hindernissen allmählich vor das geometrische Hindernismaximum. Die Sprünge sind damit zu erklären, dass bei diesen Hindernislängen (und -formen) die fahrdynamischen Auswirkungen – in der Form, wie sie im Bild 4 dargestellt sind – zwei hintereinanderliegende gleich große Maxima aufweisen. Bei Erhöhung bzw. Verkleinerung der Länge „wechselt“ nun gewissermaßen der LWI örtlich betrachtet von dem einen auf das andere Maximum. Als Ergebnis kann aus diesem Teil des Bildes festgehalten werden, dass praktisch in dem gesamten fahrdynamisch relevanten Wellenlängenbereich bis etwa 40 m der örtliche Versatz zwischen „Ursache“ und „Wirkung“ unter 10 m bleibt. 

5 Nutzung des vorhandenen Bewertungskonzeptes

In der ZTV-ZEB [6] sind für Bundesfernstraßen folgende Grenzwerte für das Unebenheitsmaß (AUN) festgelegt worden: Zielwert: 1 cm³, Warnwert: 3 cm³ und Schwellenwert: 9 cm³. Aus dem angesprochenen engen Zusammenhang zwischen AUN und LWI (Bild 6) können deshalb direkt Grenzwerte für den LWI abgeleitet werden. Es wird an dieser Stelle vorgeschlagen, betragsmäßig dieselben Werte für den LWI zu übernehmen. Nach dem Bild 6 bedeutet das für regellose Unebenheiten allerdings eine gewisse Verschärfung. Zwar liegt im Mittel aller Bundesfernstraßen die Welligkeit bei „2“ (womit der LWI für statistisch normalverteilte regellose Unebenheiten den gleichen Wert liefert wie der AUN), dennoch ergeben sich für alle anderen Welligkeiten – sowohl für kleinere als auch für größere – höhere Werte für den LWI. Das heißt, in der Tendenz gibt der LWI für regellose Unebenheiten etwas höhere Werte ab als der AUN. Die Tabelle 1 fasst die Grenzwertvorschläge zusammen.

Tabelle 1: Grenzwertvorschläge für den LWI auf Bundesfernstraßen

Die Tabelle 2 gibt wieder, welche Kräfte und Beschleunigungen sich hinter diesen Grenzwertvorschlägen verbergen.

Tabelle 2: Grenzwertvorschläge für den LWI mit den entsprechenden Auswirkungen auf die Beanspruchung von Fahrbahn, Ladegut und menschlichem Körper

Ist die Radlastschwankung ausschlaggebend für den LWI, so bedeutet die Erreichung des Schwellenwertes eine kurzzeitige 50-prozentige Minderung der Radlast, d. h. der auf die Straße übertragbaren Längs- und Seitenkräfte. In Kurven, die stellenweise Glätte aufweisen, kann dieses zu kritischen Fahrsituationen führen. In Bezug auf den Straßenoberbau bedeutet dieser Grenzwert eine 50-prozentige Erhöhung der Radlast und damit eine Verfünffachung der Straßenbeanspruchung an besonders exponierten Stellen, wie etwa Stufen, wenn man das so genannte „Vierte-Potenz-Gesetz“ zu Grunde legt.

Ist die Ladegutbeanspruchung ausschlaggebend für den LWI, so wird das Transportgut bei Erreichen des Schwellenwertes mit bis zu 3 m/s² beschleunigt. Nach DIN 30786 [14] liegen etwa 90 % der Spitzenbeanspruchungen beim Transport auf Sattelaufliegern unterhalb dieses Wertes. Dabei bezieht sich diese Norm „auf den schlechtesten Fall, d. h. beim Zusammentreffen ungünstiger Umstände (z. B. Zuladung, Fahrbahnbeschaffenheit, Fahrzeugbeschaffenheit und Fahrgeschwindigkeit)“, (Zitat [14]). In den Gütertarifvorschriften der Deutschen Bahn [15] werden 3 m/s² als Richtwert der Gütersicherung für vertikal wirkende Kräfte angegeben. Die DIN EN 22247 [16] legt für vertikale Schwingprüfungen versandfertiger Packstücke eine Beschleunigungsamplitude zwischen 5 und 11 m/s² fest.

Gibt die Schwingbeanspruchung des menschlichen Körpers den Ausschlag für den LWI, so bedeutet das Erreichen des Schwellenwertes, dass der Effektivwert über 100 m der frequenzbewerteten Beschleunigungen auf den sitzenden Menschen 0,9 m/s² erreicht. Nach VDI 2057 und ISO 2631-1 [10], [11] nimmt der Fahrzeuginsasse diese Beanspruchung als „sehr stark spürbar“ wahr. Zum Vergleich: 0,1 m/s² sind „gut“ und 0,3 m/s² „stark“ spürbar. Eine 8-stündige Fahrt über eine Straße, deren Ebenheit dem Zielwert (0,3 m/s²) entspricht, führt den Fahrer an seine Leistungsgrenze. Würde er theoretisch über 8 Stunden dem Warnwert (0,5 m/s²) ausgesetzt werden, muss von einer „möglichen“ Gefährdung, und im Falle des Schwellenwertes (0,9 m/s²) sogar von einer „deutlichen“ gesundheitlichen Gefährdung für die betroffene Person ausgegangen werden [11].

Die genannten Grenzwerte sind speziell auf die Bewertung von Bundesstraßen und Autobahnen abgestimmt. Für lnnerortsstraßen (halbes Geschwindigkeitsniveau) sind doppelt so hohe Grenzwerte anzusetzen, wenn man die gleichen Schwingungsauswirkungen zu Grunde legt.

Auf Grund der vorgestellten Ergebnisse kann davon ausgegangen werden, dass der LWI den Zustand regelloser Straßen in der Tendenz zwar etwas schärfer als der AUN, im Allgemeinen aber in die gleiche Bewertungsklasse (wie durch die Grenzwerte in der Tabelle 1 definiert) einstufen wird. Sind jedoch ausgeprägte einzelne oder periodisch wiederkehrende Unebenheiten in der Straßenoberfläche vorhanden, kann es zu besonders auffälligen Bewertungsunterschieden kommen, weil der AUN diese Unebenheiten nicht widerspiegelt. Sie treten immer dann zutage, wenn sich aus einer ansonsten sehr guten Oberfläche einzelne oder periodische Unebenheitsanteile herausheben. Die Bilder 8 bis 11 zeigen diesen Umstand im Falle von Einzelhindernissen (Bilder 8 und 9) und Periodizitäten (Bilder 10 und 11).

Bild 8: Straße sehr guter Ebenheit mit 5 m-Welle (3 cm hoch)

Bild 9: Straße sehr guter Ebenheit mit 5 m-Betonplatte (1,5 cm Versatz)

Bild 10: Straße sehr guter Ebenheit mit 14 m-Periodizität (4 cm hoch)

Bild 11: Straße sehr guter Ebenheit mit 5 m-Betonplatte (1,5 cm Versatz)

Die Profile sind künstlich erzeugt, um das Verhalten von AUN und LWI auf verschiedene Unebenheitsformen zu untersuchen. Gezeigt sind wellenförmige Unebenheiten sowie schräggestellte Betonplatten. Die Hindernishöhen liegen zwischen 1,5 und 4 cm. In allen Fällen spiegelt der AUN einen sehr guten Straßenzustand wider (besser als der Zielwert), während der LWI die Ebenheit gemäß der vorgeschlagenen Grenzwerte als sehr schlecht beurteilt (über dem Schwellenwert). Diese Beispiele machen auf anschauliche Weise deutlich, dass der LWI Einzelhindernisse und Periodizitäten erfassen und bewerten kann und damit die Lücke, die das Bewertungskonzept der ZEB derzeit aufweist, zu schließen vermag.

6 Ergebnisse

Im Rahmen einer ersten Erprobung erfolgte eine Überprüfung der Zustandsgröße LWI anhand von Daten der Zustandserfassung und -bewertung der Bundesfernstraßen. Hierbei wurden die Daten zur Längsebenheit im Bereich der Bundesautobahn A 5 zu Grunde gelegt, welche in ihrem Verlauf die Bundesländer Hessen und Baden-Württemberg durchquert. Das Datenkollektiv basierte auf ZEB-Längsebenheits-Rohdaten des Messjahres 1997. Es lagen Daten zu 20 899 100-m-Abschnitten vor, von denen 20 672 Abschnitte (99 %) ausgewertet werden konnten. Für alle Erfassungsabschnitte wurden sowohl LWI als auch AUN als Zustandsgröße ermittelt und miteinander verglichen. Insbesondere wurden die Klassenabweichungen untersucht, wobei für den LWI die gleichen Klassengrenzen gewählt wurden wie für den AUN: Zielwert: 1,0, Warnwert: 3,0 und Schwellenwert: 9,0. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 3 zusammengestellt.

Tabelle 3: Zusammenstellung der Klassendifferenzen AUN, LWI

Für die Hälfte der Untersuchungsabschnitte (49,9 %) ergaben LWI und AUN die gleichen Klasseneinstufungen (siehe Summe der Hauptdiagonalen der Tabelle). In 1,9 % aller Fälle ergab der LWI eine bessere Klasseneinstufung als der AUN (siehe Summe unterhalb der Hauptdiagonalen) und in 48,1 % aller Fälle eine schlechtere (siehe Summe oberhalb der Hauptdiagonalen). Von diesen 48,1 % fiel die Bewertung in 80,7 % der Fälle um 1 Klassenstufe, in 18,8 % um 2 Klassenstufen und in 0,5 % der Fälle um 3 Klassenstufen schlechter aus. Diese Aussagen bestätigen, dass der LWI die Längsebenheit tendenziell „schärfer“ bewertet als der AUN, was nach den theoretischen Untersuchungen auch zu erwarten war. Erklärtes Ziel war ja auch, die Schwäche des AUN – nämlich, dass er Strecken mit ausgeprägteren einzelnen und periodischen Unebenheiten nicht angemessen, d. h. tendenziell zu gut beurteilt – zu beheben. Es wurde bewusst die BAB 5 ausgewählt, weil nicht unerhebliche Streckenabschnitte dieser Autobahn einen Ebenheitszustand aufwiesen, der durch den AUN nicht angemessen charakterisiert schien.

Ein weiteres interessantes Ergebnis dieser Untersuchungen ist im Bild 12 wiedergegeben.

Bild 12: Maßgebender Filter für die Bewertung der BAB 5 durch den LWI 

Es stellt dar, wie häufig jeder der drei Filter für die Ebenheitsbewertung den Ausschlag gab. In einigen Fällen erreichten mehrere Filter das gleiche, maximale Ergebnis. Aus diesem Grund beträgt die Summe mehr als 100 %. Als Ergebnis kann festgehalten werden, dass in der Bewertung durch den LWI offenbar alle drei Bewertungskriterien – Beanspruchung der Straße, des Ladegutes und des menschlichen Körpers – in angemessener Weise zur Auswirkung gekommen sind (vgl. auch die ausgewogene Aufteilung und Abstimmung der Filter im fahrdynamisch relevanten Frequenzbereich im Bild 7).

Die Bilder 13 und 14 zeigen die Summenhäufigkeitskurven von AUN und LWI. Auch diese Darstellung bestätigt, dass der LWI die Ebenheit der BAB 5 als insgesamt schlechter ausweist als der AUN. Während der AUN 1 % der Erfassungsabschnitte als schlecht ausgibt (AUN > 9 cm³), sind es beim LWI 9 %.

Bild 13: Summenhäufigkeit der Zustandsgröße AUN, BAB 5, ZEB-BAB 1997

Bild 14: Summenhäufigkeit der Zustandsgröße LWI, BAB 5, ZEB-BAB 1997

Die Bilder 15 und 16 stellen die Unterschiede in der Bewertung zwischen AUN und LWI noch einmal getrennt für das Straßenkollektiv „gute Ebenheit“ (Bild 15) und „mittlere Ebenheit“ (Bild 16) dar.

Bild 15: Vergleich der Zustandswerte – AUN, LWI – Kollektiv „Gute Ebenheit“

Bild 16: Vergleich der Zustandswerte – AUN, LWI – Kollektiv „Schlechte Ebenheit“

Das Kollektiv „schlechte Ebenheit“ (schlechter als Schwellenwert) enthielt zu wenig Daten, um sie statistisch auswerten zu können. Grundlage für die Bildung der beiden Köllektive war die Einstufung der Ebenheit nach der Normierungsfunktion des AUN (Umrechnung von Zustandsgrößen in Zustandswerte – Noten 1 bis 5), wie sie in den ZTV-ZEB vorgeschrieben ist. Das Kollektiv „gute Ebenheit“ beinhaltete alle Auswerteabschnitte, die auf Basis des AUN eine Note „besser als 2“ erhielten – das waren insgesamt 832 km Beton- und 863,8 km Asphaltstraßen. Das Kollektiv „mittlere Ebenheit“ beinhaltete alle Abschnitte, die auf Basis des AUN Zustandswerte „2 bis 4,5“ erhielten – insgesamt 229,5 km Beton- und 143,8 km Asphaltstraßen. Das Bewertungsschema zur Umrechnung von der Zustandsgröße auf den Zustandswert ist in der Tabelle 4 aufgeführt. Für beide Zustandsgrößen, AUN wie LWI, wurde dieselbe Normierungsfunktion gewählt. Die Bilder 15 und 16 zeigen jeweils auf der linken Seite die Bewertung nach AUN und auf der rechten nach LWI.

Tabelle 4: Zusammenhang zwischen Zustandsgröße und Zustandswert (AUN, LWl)

Das Ergebnis für das Kollektiv „gute Ebenheit“ ist, dass Beton- wie Asphaltdecken in etwa die gleiche Qualität aufweisen – sowohl in der Bewertung nach AUN, als auch nach LWI – mit einem leichten Vorteil für die Asphaltdecken. Insgesamt jedoch bewertet der LWI die Straßen tendenziell schlechter: ca. 1 bis 2 % liegen über dem Schwellenwert (4,5) und ca. 10 % zwischen Warn- und Schwellenwert (3,5 bis 4,5). Demgegenüber bewertet der AUN keinen der Auswerteabschnitte schlechter als 2,0.

Während im Kollektiv „gute Ebenheit“ kaum Unterschiede in der Qualität zwischen Beton- und Asphaltdecken zu erkennen sind, werden die Unterschiede im Kollektiv „mittlere Ebenheit“ schon deutlicher: nicht so sehr beim AUN, aber dafür beim LWI. Der LWI vergibt an 54,7 % der Betonstraßen dieses Kollektivs die Note „schlecht“ bzw. schlechter als 4,5 – das umfasst immerhin eine Gesamtlänge von 125,5 km. Demgegenüber werden „nur“ 29,5 % der Asphaltstraßen dieses Kollektivs vom LWI als „schlecht“ benotet – das sind insgesamt 42,4 km.

Die Vermutung liegt nahe, dass der LWI hier auf die typischen Schadensmerkmale älterer Betondecken reagiert hat. Das Ausmaß der angezeigten Ebenheitsmängel auf der BAB 5 erscheint zunächst frappierend, zumal der AUN nur ganze 1,5 km als über dem Schwellenwert angibt. Man muss diese Zahlen allerdings vor dem Hintergrund der Gesamtauswertelänge von knapp 2.100 km sehen. Dennoch bleibt festzuhalten, dass der AUN dieses Kollektiv „Ebenheit“ als überwiegend „im grünen Bereich“ (< Warnwert) ausweist, während der LWI genau das entgegengesetzte Bild zeichnet, nämlich diese Auswerteabschnitte überwiegend im gelb-roten Bereich, d. h. über dem Warnwert, ansiedelt.

7 Fazit

Im Hinblick auf die Zielvorgaben der Weiterentwicklung der Längsebenheitsauswertung machen die oben dargestellten Ergebnisse deutlich [17], dass

• Einzelhindernisse und periodische Unebenheiten, welche bei der Längsprofilaufnahme miterfasst werden, mit Hilfe der Zustandsgröße LWI detektierbar und von der Schadensausprägung her quantifizierbar geworden sind,
• die Auswirkungsattribute Ladegut, Radlast und menschlicher Körper zueinander ausgewogen auf Unebenheitsereignisse ansprechen,
• die Berücksichtigung der Zustandsgröße LWI eine schärfere, sich mehr an der Realität orientierende Bewertung liefert,
• im Falle von regellosen Unebenheiten die Zustandsgröße LWI keine unplausiblen, merklich abweichenden Ergebnisse gegenüber denen der Zustandsgröße AUN ermittelt.

Zur Bewertung der Auswirkungen wurden anerkannte Grenzwerte aus Transportwesen und Gesundheitsforschung zu Grunde gelegt. Zudem ist die Kompatibilität und Integrität zum bisherigen Bewertungskonzept gewahrt.

Ergebnisse einer netzweiten Anwendung der Zustandsgröße LWI auf Bundesautobahnen für das Messjahr 2001 werden in Kürze vorliegen. In diesem Zusammenhang wird auch zu prüfen sein, inwieweit eine weitergehende Verknüpfung der Zustandswerte von AUN und LWI und somit eine Zusammenfassung der Informationen der beiden Auswertepfade zu einem möglichen Gesamtzustandswert gemäß dem eingangs vorgestellten Grundkonzept für die Aus- und Bewertung (Bild 1) aus erhaltungs- und bewertungstechnischer Sicht Vorteile bringt.

Mit dem LWI ist somit eine Zustandsgröße entwickelt worden, die eine deutliche Verbesserung der Längsebenheitsbewertung und damit auch der Erhaltungsplanung erwarten lässt.

Literaturverzeichnis

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2. Becker, W.: Die Spektrale Dichte – ein Maß für die Fahrbahnunebenheit im Längsprofil, Straße und Autobahn 10/1995, Kirschbaum Verlag 
3. Kempkens,E.: Längsebenheit vonStraßen – Anforderungen und Grenzwerte im Hinblick auf Abnahme, Gewährleistung und Erhaltung, Straße und Autobahn 2/1997, Kirschbaum Verlag
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5. Road Surface Profiles – Reporting of Measured Data – Part 1: Random Profiles, CEN Work ltem 00227-131; 09/2001 (Norm-Entwurf)
6. ZTV-ZEB: Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen, Technische Erfassungs- und Auswerteregeln, Teil D
7. Schniering, A; Kempkens, E.: Die Beurteilung der Längsebenheit von Fahrbahnoberflächen anhand des Höhenlängsprofils, Vortrag auf dem Deutschen Straßen- und Verkehrskongress 2002 in München
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9. Mitschke, M.: Dynamik der Kraftfahrzeuge, Band B: Schwingungen, 3. neubearb. Aufl., Springer-Verlag, Berlin Heidelberg New York 1997
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12. Daten aus dem Bereich „GE-AK-Auftragskonstruktion“, BPW Bergische Achsen KG, Wiehl, Juni 2001
13. Daten aus dem Bereich „Berechnung Nutzfahrzeuge“, DaimlerChrysler AG, Juni 2001
14. DIN 30786: Transportbeanspruchungen, Mechanisch-dynamische Beanspruchungen, Schwingungen und Stoßbeanspruchungen beim Straßentransport, Teil 2, Entwurf Oktober 1986
15. Vorschriften über die Beladung der Güterwagen (Beladevorschriften), Deutscher Eisenbahn-Gütertarif, Deutsche Bahn
16. DIN EN 22247: Verpackung, Versandfertige Packstücke, Schwingprüfung mit niedriger Festfrequenz (ISO 2247:1985), 1993
17. Ueckermann, A.: Verbesserung des Verfahrens zur Längsebenheitsauswertung, Entwurf des Schlussberichts zum Forschungsauftrag FA 4.186, lnstitut für Straßenwesen, RWTH Aachen, August 2001