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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Lastbestimmung wenigstens
eines von Fahrzeugen befahrbaren Brückenabschnittes sowie
auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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Befahrbare
Brücken haben konstruktionsbedingt nur eine begrenzte Tragfähigkeit.
Insbesondere ältere Brücken sind für
deutlich geringere Verkehrs- oder Nutzlasten ausgelegt, als heute
oder künftig tatsächlich auftreten. Dies liegt
am Ausbau der Fahrwege, an der Zunahme des Last- und Schwerlastverkehrs
und an den höheren Gewichten der einzelnen Fahrzeuge. Eine Überlastung
einer Brücke kann schwerwiegende Folgen von unplanmäßig
hohem Verschleiß von Fahrbahn und Tragwerk bis zum Zusammenbruch
haben.
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Auf
vielen Brücken gilt daher eine Gewichtsbeschränkung
für Fahrzeuge. Neben Fällen bewusster Missachtung
dieser Begrenzung kommen in der Praxis auch kritische Situationen
zustande, wenn der Fahrer das aktuelle Gewicht seines Fahrzeuges
und damit auch eine eventuelle Überladung nicht kennt. Zur
Durchsetzung der Einhaltung von Gewichtsbeschränkungen
sind sogenannte WIM-Systeme (WIM = Weigh-In-Motion) bekannt, deren
Wägesensorik in den Straßenbelag eingebettet ist
und die auf unterschiedlichen Messprinzipien beruhen. Die bei Überfahrt
von einem Rad oder einer Achse des Fahrzeuges auf eine platten-
oder streifenförmige Messfläche eingeprägte
Last kann eine Biegung einer Platte mit bekannter Biegespannungscharakteristik,
eine Druckbeaufschlagung eines Piezokristalls, eine Verschiebung
des Plattenabstandes eines Plattenkondensators oder eine Verschiebung
eines beweglichen Spulenkerns in einer Spule verursachen, wobei aus
den genannten Wirkungen auf die Größe der Last
zurückgeschlossen wird. Diese Messeinrichtungen kommen
als Wägeplattformen oder Lastzellen oder als Kombination
aus beiden zum Einsatz.
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Nach
der CH-Produktschrift „Weigh-In-Motion: Lineas – WIM
Sensor mit Quarztechnik", herausgegeben 2005 von Kistler
Instrumente AG, werden zum Brücken- und Bautenschutz übergewichtige Fahrzeuge
daran gehindert, Brücken mit Gewichtsbeschränkung
zu überqueren. Hierzu sind Sensoren in Längen
von 0,75 m und 1,00 m erhältlich, so dass sie gemeinsam
die volle Breite einer Spur oder einer Strasse abdecken können.
Gewöhnlich decken vier Sensoren eine Spur ab, während
zwei Sensoren üblicherweise parallel zu einem einzelnen
Kanal verbunden und einem Ladungsverstärker vorgelagert werden.
So lassen sich die rechte und die linke Radlast separat messen,
um überladene Fahrzeuge während der Fahrt zu erkennen
und um diese umzuleiten. Wenn ein solches Fahrzeug nicht der Umleitung
folgt, sondern auf die Brücke zufährt, so kann dies
auf Video erfasst und der Fahrer mit einer Buße belegt
werden. Derartige WIM-Stationen helfen, hohe Wartungs- und Reparaturkosten
zu vermeiden.
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Allerdings
können sich selbst bei der Einhaltung der individuellen
Gewichtsbeschränkung mehrere Fahrzeuge mit großem
Gewicht gleichzeitig auf der Brücke aufhalten. Die jeweilig
aktuellen Gesamtbelastungen durch Fahrzeuge auf einer Brücke
sind nicht bekannt.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs
genannten Art bereitzustellen, welches einerseits stets die aktuellen Belastungen
auf der Brücke erfasst und für die Instandhaltungsplanung
protokolliert.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
ein Verfahren zur Lastbestimmung wenigstens eines von Fahrzeugen
befahrbaren Brückenabschnittes, mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.
Erfindungsgemäß sind am Anfang und am Ende des
Brückenabschnittes Sensoren zur Messung des Gewichts von
in Fahrt befindlichen Fahrzeugen angeordnet. Die Fahrzeuggewichte
werden damit bei Einfahrt in den Brückenabschnitt und bei
Ausfahrt aus dem Brückenabschnitt während der
Fahrt gemessen. Die aktuelle Brückenlast wird also um jedes in
den Brückenab schnitt einfahrende Fahrzeug erhöht,
während aus dem Brückenabschnitt ausfahrende Fahrzeuge
sie vermindern. Durch Aufsummieren bzw. Subtrahieren der einfahrenden
bzw. ausfahrenden Fahrzeuggewichte kann die momentane Brückenlast
aktualisiert werden, so dass die fahrzeugbedingte Brückenbelastung
beobachtet und protokolliert werden kann.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird das Aufsummieren bzw. Subtrahieren gestartet, wenn
sich auf dem Brückenabschnitt eine bekannte Anzahl von
Fahrzeugen mit bekannten Gewichten befindet. Die Gewichtssumme der
zu einem Zeitpunkt auf dem Brückenabschnitt befindlichen
Fahrzeuge stellt einen Startwert für die erfindungsgemäße
Gewichtsbilanzierung dar, der vorzugsweise zu Null gewählt
wird. Die Initialisierung des Verfahrens kann beispielsweise bei
Nacht oder zu anderen Zeiten mit geringem Verkehrsaufkommen stattfinden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird das Gewicht eines Fahrzeuges in einem Abstand vor
Einfahrt in den Brückenabschnitt gemessen. Auf diese Weise
werden Informationsdaten über Fahrzeuggewichte bereitgestellt,
die nach gewisser Zeit, als wenn dieses Fahrzeug die Einfahrt in
den Brückenabschnitt erreicht hat, zur Brückenlast
beitragen werden. Indem die Gewichtssensoren mit einer Auswertungseinrichtung
verbunden sind, stehen dort zum Beispiel die Informationen über
die aktuelle Brückenlast sowie über ein oder mehrere
herannahende Fahrzeuge mit hohem Gewicht, etwa Lastkraftwagen oder Schwertransporter,
zur Verfügung.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird die Geschwindigkeit eines Fahrzeuges in dem Abstand
vor Einfahrt in den Brückenabschnitt gemessen. Dies kann
separat, etwa durch eine in die Fahrbahn eingebettete Induktionsschleife,
oder im Zuge der Gewichtsmessung durch die Gewichtssensoren erfolgen.
Aus der Geschwindigkeitsinformation, die ebenfalls an die Auswertungseinrichtung übertra gen
wird, kann ermittelt werden, wann ein detektiertes Fahrzeug die
Einfahrt in den Brückenabschnitt und dann die Ausfahrt
aus diesem erreichen wird, wenn man die Länge des Brückenabschnittes
und den Abstand kennt, in welchem der Geschwindigkeitssensor vor
dem Brückenabschnitt angeordnet ist. Nimmt man an, dass
sich das Fahrzeug mit annähernd konstanter Geschwindigkeit bewegt,
kann bestimmt werden, in welchem Zeitraum es sich auf dem Brückenabschnitt
befindet. Die Annahme einer konstanten Geschwindigkeit ist bei Lastkraftwagen,
bei Schwertransportern und bei Reisebussen aufgrund deren zulässiger
Höchstgeschwindigkeiten aber auch bei im Stau befindlichen Fahrzeugen
gerechtfertigt.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird die von Fahrzeugen auf den Brückenabschnitt übertragene
Last für künftige Zeitpunkte prognostiziert. Durch
Kenntnis der aktuellen Brückenlast und durch Erfassung
der Geschwindigkeiten und Gewichte der Fahrzeuge im Vorfeld des
Brückenabschnittes lässt sich die künftig auftretende
Brückenlast für einen Zeitpunkt aus der nahen
Zukunft vorhersagen, indem die Gewichtsbilanzierung des Brückenabschnittes
bis zu diesem Zeitpunkt fortgeschrieben wird. Diese Kurzzeitprognose
legt den Grundstein für verkehrsbeeinflussende Maßnahmen,
um die Situation einer extremen Überlast zu erkennen und
die Gefahr eines Zusammenbruchs einer Brücke rechtzeitig
abzuwenden.
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Vorzugsweise
werden daher erfindungsgemäß Fahrzeuge von der
Einfahrt in den Brückenabschnitt abgehalten, wenn die prognostizierte
Brückenlast eine vorgegebene Lastschwelle überschreitet.
In Abhängigkeit von Größe, Konstruktionsart,
Alter und baulichem Zustand eines Brückenbauwerkes wird
eine Lastschwelle definiert, bis zu der die Brücke oder
ein Brückenabschnitt durch überfahrende Fahrzeuge – Sicherheitsgrenzen
eingerechnet – belastet werden kann. Wird eine die Lastschwelle überschreitende
Brückenlast prognostiziert, so kann durch eine Verkehrsbeeinflussungsanlage
auf Fahrzeuge, die sich dem Brückenabschnitt nähern
und aufgrund ihres Gewichtes den Überlastzustand des Brückenabschnittes
verursachen würden, Einfluss genommen werden. So könnte
durch eine zwischen dem Brückenabschnitt und dem davon
beabstandet angeordneten Gewichts- bzw. Geschwindigkeitssensor installierte
Aktorik in Form eines Wechselverkehrszeichens oder eines Lichtsignals
ein auf den Brückenabschnitt zufahrender Verkehrsteilnehmer
zum Verlassen der Straße über eine Ausfahrt oder
zum Anhalten auf einer Wartebucht an der Straße aufgefordert
werden. Im Falle eines Verkehrsstaus kann der Zufluss zum Brückenabschnitt
generell dosiert werden, um eine Überlastsituation zu vermeiden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren ist für Brücken
bzw. Brückenabschnitte mit nur einer Fahrbahn, aber auch
für mehrere Fahrbahnen aufweisende Brückenabschnitte
anwendbar. In letzterem Fall ist das bislang beschriebene Verfahren
für jede Fahrbahn einzeln durchzuführen, damit
eine Brückenlast des gesamten Brückenabschnittes
aktuell ermittelt und prognostiziert werden kann.
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Ebenso
kann das erfindungsgemäße Verfahren für
eine mehrere hintereinander angeordnete Brückenabschnitte
aufweisende Brücke für jeden Brückenabschnitt
getrennt durchgeführt werden.
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Weitere
Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand
der einzigen Figur beschrieben, in der eine Vorrichtung zur Durchführung
eines Lastbestimmungsverfahrens schematisch veranschaulicht ist.
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Gemäß der
einzigen Figur weist eine Vorrichtung 10 zur Lastbestimmung
eines Brückenabschnittes B, über den eine von
Fahrzeugen F befahrbare Straße S führt, eine Reihe
von an sich bekannten Gewichtssensoren 21, 22, 23,
die im Straßenbelag eingebettet und zur Messung des Gewichtes
m von diese überrollenden Fahrzeugen F sind, und eine mit diesen
verbundene Auswertungseinrichtung 40 auf. So sind ein erster
Gewichtssensor 21 an der Einfahrt B1 in
den Brückenabschnitt B angeordnet, der ein Fahrzeuggewicht
m1 misst und an die Aus wertungseinrichtung 40 übermittelt.
Anschließend misst ein an der Ausfahrt B2 aus
dem Brückenabschnitt B angeordneter Gewichtssensor 22 ein
Fahrzeuggewicht m2 und leitet dies ebenfalls
an die Auswertungseinrichtung 40 weiter.
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Die
Auswertungseinrichtung 40 umfasst eine Recheneinheit 41,
in der ab einem Startzeitpunkt, wenn sich keine Fahrzeuge F auf
dem Brückenabschnitt B befinden – beispielsweise
nachts – sämtliche Fahrzeuggewichte m1 von
in den Brückenabschnitt B einfahrenden Fahrzeugen F aufaddiert
und parallel dazu um sämtliche Fahrzeuggewichte m2 von aus dem Brückenabschnitt B
ausfahrenden Fahrzeugen F vermindert werden. Auf diese Weise bestimmt die
Recheneinheit 41 zu jedem Zeitpunkt t die aktuelle Brückenlast
M(t) durch Aufsummieren der Fahrzeuggewichte m von zu diesem Zeitpunkt
t auf dem Brückenabschnitt B befindlichen Fahrzeugen F.
Die Werte für die aktuelle Brückenlast M(t) kann
beispielsweise zu Instandhaltungszwecken protokolliert und in einer
Speichereinheit 42 der Auswertungseinrichtung 40 hinterlegt
werden.
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Die
Lastbestimmungsvorrichtung 10 weist einen dritten Gewichtssensor 23 auf,
der auf der Straße S in einer Entfernung d13 vor
der Einfahrt B1 in den Brückenabschnitt
B angeordnet ist. Dieser Gewichtssensor 23 misst ein Fahrzeuggewicht
m3 von in Fahrt befindlichen Fahrzeugen
F und übermittelt es an die Auswertungseinrichtung 40.
An derselben Stelle wird von einem Geschwindigkeitssensor 30,
der beispielsweise durch den Gewichtssensor 23 gebildet
sein kann, die Geschwindigkeit v des Fahrzeuges F gemessen und ebenfalls
an die Auswertungseinrichtung 40 übertragen. Die
Datenübertragungen von der Gewichts- und Geschwindigkeitssensorik 21, 22, 23, 30 zur
Recheneinheit 41 der Auswertungseinrichtung 40 kann
leitungsgebunden oder wenigstens abschnittsweise drahtlos erfolgen.
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Unter
der Annahme einer konstanten Fahrzeuggeschwindigkeit v bis zum und
auch auf dem Brückenabschnitt B, kann aus der bekannten
Entfernung d13 bis zur Einfahrt B1 in den Brückenabschnitt B und
aus der bekannten Länge d12 des
Brückenab schnittes B selbst berechnet werden, in welchem Zeitraum
sich das gemessene Fahrzeuggewicht m3 auf
dem Brückenabschnitt B befindet und damit zur Brückenlast
M(t) in diesem Zeitraum beiträgt. Damit kann die gesamte
Brückenlast M(t) für Zeitpunkte der nahen Zukunft
prognostiziert werden, so dass kritische Lastzustände vorzeitig
erkannt werden können. Eine prognostizierte Brückenlast
Mpro kann als kritisch eingestuft werden,
wenn sie eine vorab definierte und in der Recheneinheit 41 hinterlegte
Lastschwelle Mmax überschreitet.
Daher findet erfindungsgemäß ein fortwährender
Vergleich der prognostizierten Brückenlast Mpro mit
der Lastschwelle Mmax statt, damit rechtzeitig
vor Eintreten der sicherheitskritischen Überlast auf den
zufließenden Verkehr eingewirkt werden kann.
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Dafür
ist die Auswertungseinrichtung 40 mit einem Steuergerät 52 einer
Verkehrsbeeinflussungsanlage 50 gekoppelt, die beispielsweise
ein über der Straße S angebrachtes Wechselverkehrszeichen 51 ansteuert,
wenn die Auswertungseinrichtung 40 einen drohenden Überlastzustand
für den Brückenabschnitt B meldet. Das Wechselverkehrszeichen 51 ist zwischen
dem dritten Gewichtssensor 23 und der Einfahrt B1 in den Brückenabschnitt B angeordnet und
zeigt dem Führer eines die Überlastmeldung auslösenden
Fahrzeuges F an, dass dieser den Brückenabschnitt B nicht
befahren darf und vor dem Brückenabschnitt B entweder in
einer Wartebucht warten oder über eine Ausfahrt die Straße
S verlassen muss.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren eignet sich auch für
die getrennte Überwachung und Prognose von Brücken
mit mehreren, hintereinander angeordneten Brückensegmenten
B, sowie für Brückensegmente B mit mehreren Fahrbahnen.
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Insgesamt
liefert das erfindungsgemäße Verfahren aktuelle
Informationen über die Brückenbelastung durch
Ermittlung der Anzahl der auf der Brücke befindlichen Fahrzeuge
sowie deren Gewichte. Aus der Historie der Aufzeichnungen über
die Brückenbelastungen können nutzungsabhängige
Wartungsintervalle bestimmt werden, wodurch eine Kosteneinsparung
bei der Brü ckeninstandhaltung erreicht wird. Dies hilft
Unfälle zu vermeiden und die Verkehrssicherheit zu erhöhen.
Durch eine vorbeugende Minimierung von Überlastungen wird
der Verschleiß an der Brücke reduziert und deren
Betriebsdauer erhöht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - CH-Produktschrift „Weigh-In-Motion:
Lineas – WIM Sensor mit Quarztechnik”, herausgegeben 2005
von Kistler Instrumente AG [0004]