Neue Autobahnknotenpunkte in einer Ebene

Der neue Typ von Knotenpunkten hat verschiedene Varianten. Für die Einbahnstraßen wurden fünf Hauptvarianten ausgearbeitet, mathematisch beschrieben und modelliert.
Die Fläche von Pendelknotenpunkt für die Stadt beträgt von 8000 bis 20000 qm je nach Ausbau. Dies würde eine 90%- tige Kosten- und ca. 60%- tige Flächenersparnis ergeben, verglichen mit der konventionellen Bauweise von Straßenkreuzungen in mehreren Ebenen für die Kreuzung von Haupt- und Nebenstraßen.

Der neue Typ von Knotenpunkten für Autobahnen

Die Pendelknotenpunkte für die Autobahnen im Vergleich zu den städtischen haben eine andere Geometrie und benötigen eine größere Fläche. Auf Bild 10 ist der Haupttyp von diesen Knotenpunkten gezeigt. Der kontinuierliche Verkehrsstrom auf diesem Knotenpunkt hat eine maximale Geschwindigkeit von 80 bis 100 km/h. Die Läge des Knotenpunktes beträgt ca. 400 m, die Breite ca. 250 m, seine Fläche beträgt ca. 4,0 bis 4,2 ha. Die Fläche von Autobahnknotenpunkten für die Kreuzung mit Stadtstraßen beträgt ca. 6,0 ha. Die Länge von Akkuräumen befindet sich im Bereich von 19,0 m.
Die vorgeschlagenen Knotenpunkte können 2 oder 3 Spuren in einer Richtung für den kontinuierlichen Verkehr haben:

die Knotenpunkte mit 2 Spuren können auf Autobahnen mit 4 – 6 Spuren und mit der Verkehrsbelastung von 30 bis 45 tausend Pkw/24h – DTV benutzen (Bei 4 – spuriger Fahrbahn soll die Autobahn nach einem Knotenpunkt auf einer Länge von ca. 350 m nur noch 3 Spuren haben);
die Knotenpunkte mit 3 Spuren können auf Autobahnen mit 6 bis 8 Spuren und mit der Verkehrsbelastung ab 45 bis 55 tausend DTV benutzen.

2DXT Neue Autobahnknotenpunkte in einer Ebene

Die Knotenpunkte sind teilweise vereinfacht


Neuer Typ von Knotenpunkten in einer Ebene Dr.-Ing. Alexander Cuzinov Zwei Hauptelemente neuen Knotenpunkten Dieser Typ von Knotenpunkten ist sowohl innerhalb als auch außerhalb von Städten einsetzbar. Vorgeschlagene Knotenpunkte sind komplexe Gebilde, die bei kreuzenden Straßen einen kontinuierlichen Verkehrsfluss der Hauptstraße in geradeaus Richtung ermöglichen. Diese neuen Kreuzungen verursachen eine gewisse Verkehrsverzögerung, doch aus der Sicht der einzelnen Verkehrsteilnehmer sind sie vergleichbar mit der Verzögerung an normalen Kreuzungen. Jedoch haben die neue Knotenpunkte um den Faktor von ca. 1,5 mehr Leistungsfähigkeit im Vergleich zu konventionellen Kreuzungen. An diesen Knotenpunkten gibt es hauptsächlich zwei Hauptelemente: 1) Der Fahrbahnwechsel des Durchgangsverkehrs. 2) Breite Haltelinien innerhalb der Zwischenräume auf den Querstraßen. Das erste Element ist ein Grundelement von komplexe Knotenpunkten, die in den 70 – 80 Jahren entwickelt wurden (Bild 1).

Bild 1. a - Patent Nr. 2098493, France, 1972 b - Patent Nr. 3272097, USA, 1966 Auf Bild 2. ist ein prinzipielles Schema für die komplexen Knotenpunkte dargestellt.
8i
Bild 2. Vereinfachtes Schema der theoretischen Entwicklung von komplexen Knotenpunkten

Bild 2a Bild 2b In diesem Bezug sehr interessant ist die Kombination von komplexen Knotenpunkten mit den Kreisverkehren Bild 2a und Bild 2b. Auf diesen Knotenpunkten ist die Hauptmethode von komplexen Knotenpunkten (Bild 1 und Bild 2.) Mittels den Kreisverkehren realisiert. Ein Hauptelement hier ist zwei Kreisverkehre mit Gegenfahrrichtungen. Diese Kreisverkehre dienen für jeder Strasse als zwei Fahrwege wie beim komplexen Knotenpunkt. Und statt elementare Kreuzungen von komplexe Knotenpunkten dienen Verflechtungsbereiche und vier Kreiseln. Die praktische Anwendung von diesen Knotenpunkten gibt es schon lange Zeit in England (In London, in Swindon und Cardiff). Die patentierten Knotenpunkte (Bild 1) können nicht tatsächlich als eine Alternative für z.B.das Kleeblatt dienen. Sie Benötigen eine Fläche von ca. 25 ha. Aber einT-förmiger Knotenpunkt mit dem gleichen Prinzip wurde von Arthur W.Kaufman im 1975 Jahr in USA patentiert (Bild 3)

Bild 3. Patent Nr. 3915580, USA, 1975 Für die vorgeschlagenen Knotenpunkte ist die Stufe 2 (Bild 2) wichtig. Das zweite Element – eine breite Haltelinie ist ein schon mehr oder weniger bekanntes Element. Es ist abhängig von der Anzahl der Verkehrsspuren an der Haltelinie. Aber in einzelnen Fällen (z.B. auf den Knotenpunkten mit hoher Verkehrsstrombelastung) ist sie eine wirkungsvolle Methode. Bei dem Artikel von R.M. Kimber und Marie C. Semmens gibt es eine Begründung für solche Lösungen (Bild 4).

Bild 4. Kimber und Semmens, 1982 Verkehrsablauf auf neuen Knotenpunkten Angenommen die Straßenknotenpunkte zweier Straßen (Bild 5) bestehen aus einer Verbreiterung der Hauptstraße. Diese Verbreiterung beinhaltet fünf Teile: den mittleren mit zwei Fahrbahnen, zwei Seitenteilen mit jeweils einer Fahrbahn und zwei kleine Zwischen- /Akkuräumen, die vom Verkehr getrennt sind und mit intermittierenden Stops für den Straßen- /Richtungswechsel benutzt werden.

Bild 5. Neuer Typ von Knotenpunkten Der Verkehr läuft hier (Bild 6) folgendermaßen ab: Der Durchgangsverkehr auf den zwei mittleren Spuren fließt ungehindert. Gleichzeitig füllen sich aus den Seitenteilen die ersten Zwischenräume mit den Linksabbieger-Fahrzeugen (Abschnitt (a)). Diese Phase dauert ca. 20 Sekunden. Nach Freigabe (Abschnitt (b)) folgt das Auffüllen dieser Zwischenräume mit Fahrzeugen von den Querstraßen. Gleichzeitig können Fahrzeuge, die sich in den zweiten Zwischenräumen befinden, diese nun verlassen. Diese Phase beträgt auch ca. 20 Sekunden. Nachdem der Durchgangsverkehr von den zwei inneren Spuren, zeitlich versetzt, auf die äußeren umgelenkt wurde, können sich die Fahrzeuge aus den ersten Zwischenräumen die zweiten Zwischenräume bewegen, bzw. links abbiegen und in den Verkehr einfädeln (Abschnitt (c)). Danach wird der Durchgangsverkehr, wieder zeitlich versetzt, von den Seitenteilen zurück auf die mittleren Fahrbahnen geleitet. Hier beginnt ein neuer Zyklus. Die Fußgänger überqueren die Straße synchron mit den Fahrzeugen. Dieser Zyklus dauert ca. 70 Sekunden.

Bild 6. Variante 1

Bild 6. Variante 2 Leistungsfähigkeit und Zeitverlust auf neuen Knotenpunkten Auf Bild 7. ist ein vereinfachter Beweis für den Vorteil der Leistungsfähigkeit gezeigt. Für die vorgeschlagenen Knotenpunkte wurde einen mathematisches Modell erstellt. EDV Berechnungen der Leistungsfähigkeit können mit einem geeignetem Programm erstellt werden (Bild 8). Durch die Analyse der Berechnungsergebnisse wird deutlich, dass sich die Leistungsfähigkeit erhöht in Abhängig von der Größe der Zwischenräume bis hin zu bestimmten Grenzen. Der optimale Zeitumfang liegt bei ca. 70 sec.

Bild 7. Vereinfachte Beweis der höheren Leistungsfähigkeit

Bild 8. Berechnung der Leistungsfähigkeit Die für die maximale Leistungsfähigkeit ausreichende Länge von Akkuräumen ist 21 m. Die maximale Leistungsfähigkeit beträgt: für den kontinuierlichen Verkehrsstrom 3,5 bis 4 tausend Pkw/h; für Nebenstraßen 1000 bis 1800 Pkw/h inklusiv 300 – 600 Pkw/h für Linksabbieger und 600 bis 800 Pkw/h für Rechtsabbieger. Anwendung neuer Knotenpunkte in der Stadt Die Frage - "Wie hoch könnte der Anteil des ÖPNV an der Verkehrsleistung sein?" liegt an der Höhe des Niveaus der Entwicklung einer Gesellschaft. Die Frage ist jedoch auch abhängig von der Anpassungsfähigkeit des Straßennetzes sowohl für den ÖPNV als auch für den Individualverkehr. Das Hauptproblem dabei ist der Widerspruch zwischen den Anforderungen an das Straßennetz durch den Individualverkehr einerseits und anderseits durch den öffentlichen Nahverkehr. Für den ÖPNV sollte eine Straßennetzdichte von ca. 3 bis 4 km/km2 existieren, aber das Straßennetz mit kontinuierlichem Verkehr (Schnellstraßennetz), das für Privatverkehr als Hautträger dient, schneidet dieses dichtes Netz und hat eine Dichte von ca. 0,4 km/km2 (Bild 9). Eine äußerst dominierende Entwicklung des öffentlicheren Nahverkehrs in der ehemaligen UdSSR und eine äußerst dominierende Entwicklung des Individualverkehrs in USA führten zu widerspruchvollen Entwicklungen des Straßennetzes. Und dies wirkt sich das auf die Größe der Fläche von Städten und ihre Effektivität aus. Die Erhöhung der Motorisierung in den russischen Städten führt zu Problemen bei der weiteren Entwicklung der Städte. Der vorgeschlagene Typ von Knotenpunkten könnte eine Kompromisslösung des obengenannten Widerspruchs auf der Ebene der Straßennetzplanung sein. Bei der Weitentwicklung der Städte, die weder die USA Probleme noch die der ehemaligen UdSSR haben, also über eine mittlere Gemengelage in ihrer Verkehrsentwicklung verfügen, verschärft sich dieser Widerspruch durch die Fahrtzeitverluste und dies spiegelt sich in sozialen Problemen wieder. Insbesondere wirkt es sich in Große Agglomerationen wie z.B. NRW aus.

Bild 9. 2,0 L 1,5 L 1,0 L Der neue Typ von Knotenpunkten hat verschiedene Varianten. Für die Einbahnstraßen wurden fünf Hauptvarianten ausgearbeitet, mathematisch beschrieben und modelliert. Die Fläche von Pendelknotenpunkt für die Stadt beträgt von 8000 bis 20000 qm je nach Ausbau. Dies würde eine 90%- tige Kosten- und ca. 60%- tige Flächenersparnis ergeben, verglichen mit der konventionellen Bauweise von Straßenkreuzungen in mehreren Ebenen für die Kreuzung von Haupt- und Nebenstraßen. Der neue Typ von Knotenpunkten für Autobahnen Die Pendelknotenpunkte für die Autobahnen im Vergleich zu den städtischen haben eine andere Geometrie und benötigen eine größere Fläche. Auf Bild 10 ist der Haupttyp von diesen Knotenpunkten gezeigt. Der kontinuierliche Verkehrsstrom auf diesem Knotenpunkt hat eine maximale Geschwindigkeit von 80 bis 100 km/h. Die Läge des Knotenpunktes beträgt ca. 400 m, die Breite ca. 250 m, seine Fläche beträgt ca. 4,0 bis 4,2 ha. Die Fläche von Autobahnknotenpunkten für die Kreuzung mit Stadtstraßen beträgt ca. 6,0 ha. Die Länge von Akkuräumen befindet sich im Bereich von 19,0 m. Die vorgeschlagenen Knotenpunkte können 2 oder 3 Spuren in einer Richtung für den kontinuierlichen Verkehr haben: die Knotenpunkte mit 2 Spuren können auf Autobahnen mit 4 – 6 Spuren und mit der Verkehrsbelastung von 30 bis 45 tausend Pkw/24h – DTV benutzen (Bei 4 – spuriger Fahrbahn soll die Autobahn nach einem Knotenpunkt auf einer Länge von ca. 350 m nur noch 3 Spuren haben); die Knotenpunkte mit 3 Spuren können auf Autobahnen mit 6 bis 8 Spuren und mit der Verkehrsbelastung ab 45 bis 55 tausend DTV benutzen.

Bild 10. SX1, 2006 Der Verkehrsablauf auf einem Knotenpunkt ist mit LSA zu steuern. Die LSA können mit Detektoren unterstützt werden. Auf Bild 11 ist ein Knotenpunkt mit leichter Überdachung gezeigt. Dies kann nötig für die nördliche Länder sein und bringt eine Stabilität für den Verkehrsablauf, für die technische Unterstützung der Verkehrsteuerung, für die Geschwindigkeit und für die Sicherheit. Dies senkt auch die Betriebskosten. Unüberdacht sollte ein Knotenpunkt währen der Nachtzeit beleuchtet sein. Ein Pendelknotenpunkt mit Überdachung wird 5 bis 7 mal weniger als ein vergleichbarer planfreien Knotenpunkt kosten.

Bild 11. Die Leistungsfähigkeit der Autobahnknotenpunkte ist bei Rechts- und Linksabbiegen größer als bei den Pendelknotenpunkten für die Stadt (bis 800 – links und bis 1200 Pkw/h – rechts). Die optimale Umlaufzeit des Zyklus liegt zwischen 70 und 120 sec. Bild 12 demonstriert einen T- formigen Pendelknotenpunkt. Dieser Knotenpunkt hat nur zwei Phasen und erreicht bei Linksabbieger die höchste Leistungsfähigkeit 900 bis 1000 Pkw/h. T- formige Pendelknotenpunkte können sehr unterschiedliche Formen haben, unterschiedliche Anzahl der Spuren in den Akkuräumen (von 1 bis 4 Spuren), welche die Leistungsfähigkeit für die Linksabbieger verdoppeln können. Dieser Typ von Knotenpunkten ist wichtig für die großflächigen Bereiche des Landes, wo die Städte an Autobahnen nur von einer Seite angeschlossen sind. Es ist der einfachste Typ von Pendelknotenpunkt und kann erst als Experimentalbau eingesetzt werden.

Bild 12. ST1, 2006 Die Pendelknotenpunkte sind eine volle Alternative für die planfreien Knotenpunkte („Trompete“) für die Kreuzung mit Nebenstrassen. Bei gleicher Leistungsfähigkeit und bei gleichen Fahrzeitverlusten (Wartezeit) haben sie folgende Vorteile: sie sind in 10 bis 15 mal kostengünstiger und brauchen 1,5 mal weniger Fläche; sie können in 5 bis 6 mal schneller gebaut werden; die Nutzung dieser Knotenpunkte entspricht der modernen Fahrzeugtechnik, Steuerungstechnik und der gegenwärtige Fahrkultur.
Weitere mögliche Anwendungen von vorgeschlagenen Knotenpunkten Auf Landstraßennetz Nach den Autobahnen sind die Bundes-, Kreis- und Landesstraßen ein Hauptträger der Verkehrsbelastung in den Städten und Agglomerationen. Diese Straßen tragen in 2 – 5 Mal mehr Verkehrsbelastung als Nebenstraßen. Aber dabei haben sie meistens keine physikalischen Vorteile gegen den Nebenstraßen. Sie haben oft auch nur zwei Spuren, oft gleiche Geschwindigkeitsbeschränkung und nur administrativen Vorrang (Differenzierung). Es gibt keine organische Abstufung zwischen Autobahnnetz und Straßennetz der Ballungsgebiete. Die Erhöhung der Leistungsfähigkeit und die Minimierung der Zeitverluste auf diesen Straßen erreicht man durch die Länge der Phasen der LSA und zusätzliche Abbiegerspuren. Weitere Erhöhung der Leistungsfähigkeit ist möglich nur durch den Ausbau der Straße, was in den Ballungsgebieten oft kaum möglich ist bzw. können die Kosten sehr hoch sein. Andauernd steigende Zeitkosten behindern die Verkehrsteilnehmer und wirken sich negativ an den Ansiedlern aus. - Die Fahrer aus Ballungsgebieten benutzen immer öfter das Autobahnnetz für die örtlichen Fahrten. Das verursacht den Stau oder Geschwindigkeitssenkung auf Autobahnen und auch schon die Gegenmethoden wie LSA – Steuerung bei den Zufahrten. In diese Reihe stehen die Länder wie NRW, Hessen. - In den Ländern, wo die Verkehrsbelastung hauptsächlich das Landesstraßennetz wegen den hohen Bergen trägt, wirkt es sich bei der Senkung der Bevölkerungsanzahl mit aus, bzw. bei den Änderungen des Ansiedelns. Wie z.B. in den Kreisen Waldshut oder Lörrach. - Und in den Gegenfalls – durch die Erhöhung der „Straßenkosten“ bzw. in Folge der Einführung der Autobahnmaut erhöht sich der LKW- Verkehr auf den Bundesstraßen (z.B. B25 und B29) des Landkreises Donau-Ries. Durch die Anwendung der neuen Knotenpunkte – „Kontiknoten“ auf Landesstraßen wird auf diesen Straßen ein kontinuierlicher Verkehrsfluss organisiert. Es bringt: - eine große Zeitverkürzung der Fahrten auf diesen Straßen (Es gibt auch ein physikalischern Vorteil für die weitereK lassifizierung des Straßennetzes); - eine Erhöhung der Leistungsfähigkeit den Landesstraßen um ca. 2 Mal; - eine verbesserte Verteilung der Verkehrsbelastung zwischen dem Autobahnennetz und dem Örtlichen Landesstraßennetz und dadurch eine Entlastung der Autobahnen vom örtlichen Verkehr; (Das kann z.B. ein wichtiger Teil des Projektes „Staufreies Hessen 2015“ sein.) - einen wichtigen Vorteil bei der Organisierung der Umleitungen zu örtlichen Zentren (z.B. um die Stadt Halver); - eine bessere Koordinierung des Gesamtverkehrsablaufs bzw. der Verkehrssteuerung. Für den kontinuierlichen Verkehrsfluss ist es nicht relevant wann auf die Kontiknoten umgeschaltet wird. - eine Einspritsersparnis für den größeren Anteil des Verkehrs (bei der Beschleunigung der Wagen nach dem LSA erhöht sich um meherere Male der Benzinverbrauch). Dadurch erhöht sich auch wesentlich der Umweltschutz. Es gibt noch einige Vorteile, aber wenn ein Gewinn durch Zeitverkürzung der Fahrten, durch die Einspritsersparnis, durch die Umweltschutz und durch die Leistungsfähigkeitserhöhung addiert wird, kann man mehrere Flächen für die Knotenpunkte „Kontiknoten“ opfern. Auf den Bildern 13 – 17 sind 3 Varianten für die Anwendung der Kontiknoten auf den Landesstraßen dargestellt. Das ist ein konkretes Beispiel für die Straße mit ca. 50 - 70 km/h. Die Varianten 1a und 1b demonstrieren nur eine Wandlungsfähigkeit der Knotenpunkte und sind für die praktisch existierenden mit ca. 90° abgeknickten Hauptstraßen geeignet. Der Knotenpunkt „ST4“ (Variante 2b) hat drei Phasen und dadurch ziemlich niedrige Leistungsfähigkeit, aber dieses Beispiel der Knotenpunkte ist ein einfacher Typ mit nur einem neuen Element wie Fahrbahnwechseln. Deswegen könnte dieser Knotenpunkt als erstes gebaut werden. Auf Bild 18 ist ein optimaler Kontiknot mit 2 Phasen dargestellt. Die Hauptstrasse aller gezeigten Kontiknoten kann auch 4 – spurig sein. Auf Bild 19 (unten) sieht man eine organische Abstufung des Straßennetzes. Das war durch die Anwendung der „Bundesstraßen mit autobahnähnlichem Charakter“ geplant.

Bild 13. ST3-90, 2010-2011

Bild 14. ST4-90, 2010-2011

Bild 15. ST3, 2010-2011

Bild 16. ST4, 2010-2011

Bild 17.

Bild 18. ST5, 2011

Bild 19.
Die neuen Knotenpunkte können auch für die Bildung einer neuen Art von Straßen – „LKW- Autobahnen “ anwendet werden Das sollen schmale Autobahnen mit 4 Spuren in beide Richtungen sein, die für die LKW geeignet sind und für die Umleitung der LKWs um Ballungsgebiete dienen. Solche Umleitungen von LKWs beseitigen auf den vorhandenen Autobahnen Ungleichheit der Verkehrsmittel nach der Geschwindigkeit und nach den dynamischen Maß. Dieses bringt Erhöhung der Leistungsfähigkeit von Autobahnen und Effektiver Mitnutzung des Autobahnnetzes mit den PKWs von den anliegenden Städten. Es senkt wesentlich den Feinstaubeinteil in der Luft der Agglomerationen. Anwendung auf „LKW-Autobahnen“ der Kontiknoten erlaubt das vorhandene Straßennetz der Bundes-, Land- und Kreisstraßen ungeschnitten beibehalten und dadurch den zusätzlichen Umlauf von örtlichen Verkehrsmitteln zu beseitigen. Auf Bild 19 (oben) ist eine solche LKW- Autobahn angezeigt. Sie ist ungefähr wie die vorgesehene beim Projekt 1970 „Bundesstraße mit autobahnähnlichem Charakter“ eingesetzt und hat 8 Knotenpunkte in mehreren Ebenen mit Autobahnen und ca. 30 - 40 vorgeschlagene Knotenpunkte. Das können die Modifikationen der Kontiknoten SX1 und ST1 sein, wenn solche Autobahnen nur für LKWs geeignet sind. Oder das können die Kontiknoten SX4 und ST6 sein, wenn solche Autobahn einen gemischten Verkehr hat. Der kontinuierliche Verkehrsstrom auf diesen Knotenpunkten hat eine Geschwindigkeit auch von 80 bis 100 km/h. Der Knotenpunkt SX4 hat im Vergleich zu SX1 (Bild 10) Zufahrt für die Linksabbieger der Nebenstraße und der Hauptstraße von rechts, er hat eine höhere Fahrsicherheit bzw. er hat einen Phasenanfangspunkt in dem Zeitumfang nur nach vollen Spurwechseln, er hat die Leistungsfähigkeit ohne Einschränkung bei jeder Richtung der Nebenstraße und jeder Abbiegerrichtung der Hauptstraße gleichzeitig stark zu sein (1200 Pkw/h.) Der Knotenpunkt ST6 im Unterschied zu ST1 (Bild 12) hat Zufahrt für die Linksabbieger der Nebenstraße von rechts und eine erhöhte Leistungsfähigkeit. Anwendung dieser Knotenpunkte bringt die Senkung von Gesamtkosten solcher Autobahnenarten und Verkürzung der Baufristen. Ein wichtiger Vorteil der neuen Knotenpunkte ist, dass eine Zufahrt von Nebenstraßen zur Autobahn durch die LSA streng gesteuert ist. Eine flüssige Nachfüllung des Verkehrsflusses der Autobahn erfolgt, weil es organisierte Raumlücken existieren. Das ist einzelne Möglichkeit um den Verkehrsfluss der Autobahn zu stabilisieren und Stau zu vermeiden. (Das Autobahnnetz mit Knotenpunkten in mehreren Ebenen hat immer ein Risiko durch die freien unregulierten Zufahrten einen örtlichen Stau zu bekommen. Es ist ein wichtiger Nachteil des Autobahnnetzes, der durch die LSA – Steuerung beseitigt werden kann.) Selbstverständlich werden die Kontiknoten wie alle anderen Knotenpunkte bei einem Rückstau überfordern. In diesem Fall wird die Lichtsignalsteuerung des Knotens geändert. Dabei werden, wie auch bei den konventionellen planfreien Knotenpunkten, die Abbiegerrichtungen der Nebenstrassen - eine von Links andere von Rechts gefährdet.
2DXT Neue Autobahnknotenpunkte in einer Ebene

Copyright © 2006 2DXT