Zusammenhang Textur und Griffigkeit von Fahrbahnen und Einflüsse auf die Lärmemission

• Forschungsstelle: ASTRA SBT
• Projektnummer: VSS2009/703
• Projekttitel Englisch: Correlation between Road-Texture and skidresistance of pavement and influences on noise

Schlüsselwörter (Deutsch)

Fahrbahntextur, Makrotextur, Mikrotextur, Fahrbahngriffigkeit, Belagsemissionen

Schlüsselwörter (Englisch)

Pavement texture, macro texture, micro texture, skid resistance, pavement-noise emission

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Zur situativen Beurteilung der Anforderungen der Fahrbahnoberflächeneigenschaften und die damit ver­bundene Wahl der Belagsmischgüter (Belagswahl) sind Kenntnisse der Zusammenhänge Textur, Griffig­keit und Einflüsse auf die Lärmemissionen grundlegende Voraussetzungen.

Mit den quantifiziert vorliegenden Erkenntnissen der Zusammenhänge Textur, Griffigkeit und Lärm­emissionen verschiedener Fahrbahnoberflächeneigenschaften (Beläge) werden jene Grundlagen ge­schaf­fen, die es ermöglichen in jedem Einzelfall das für diesen Fall zweckmässige Optimum der drei Grössen festzulegen, ohne dass damit Einbusse der Verkehrssicherheit zu befürchten sind.

Solche Grundlagen stellen wichtige Werkzeuge nicht nur bei Neubau sondern vor allem für eine nach­haltige Substanzerhaltung von Fahrbahnen unter gleichzeitiger und gleichwertiger Berücksichtigung von Verkehrs­sicherheit und Umweltverträglichkeit dar.

Im Rahmen dieses Forschungsprojekts erfolgt keine Beurteilung des Zustands der Fahrbahnoberfläche. Durch die Erforschung der Zusammenhänge zwischen Textur und Griffigkeit sowie Textur und Lärmemmissionen sollen neue Grundlagen für die schon teilweise erfolgte Normierung im Bereich der Textur sowie die Ergänzung der Griffigkeitsnormierung geschaffen werden. Damit grenzt sich das Projekt klar von der netzweiten Zustandserfassung und –bewertung der Nationalstrassen ab. Es erfolgt lediglich die Nutzung der qualitativ hochwertigen Zustandsdaten der Fahrbahnoberfläche aus der netzweiten Messkampagnie im Jahr 2009.

Kurzbeschreibung (Englisch)

Knowledge of the correlation between texture, skid resistance and influences on the noise emissions is the basic condition for the situational evaluation of the requirements of the road surface properties and the associated choice of the surface mixture goods (pavement choice).

By the quantified available findings of the correlations between texture, skid resistance and noise emissions of different road surface properties, basics are created, which make it possible in each individual case to specify the optimum of the three parameters appropriate for this case, but though no loss of road safety is to be feared.

Such basics represent important tools not only with new buildings but particularly for a lasting preservation of real assets of lanes with simultaneous and equivalent consideration of road safety and environmental compatibility.

This research does not evaluate the road surface condition. New bases for the standardisation of texture and conditions of skid resistance will be investigated within this study. Thus the project is capable of being differentiated from highway network wide assessment of the pavement conditions. It just uses the excellent data of this network wide condition survey to research the correlation between texture, skid resistance and influences on the noise emissions.

Projektbeschreibung (Deutsch)

Seit Anfang Juni läuft die dritte Zustandserfassung und -bewertung (ZEB-NS) auf den Schweizerischen Nationalstrassen. Ähnlich wie in den Jahren 2000 bis 2002 bei der letzten netzweiten Zustandserfassung der Fahrbahnen der Nationalstrassen [1] werden die Fahrbahnqualitätsmerkmale Oberflächenschäden, Längs- und Querebenheit und die Griffigkeit erhoben. Zusätzlich wird ebenfalls netzweit die Belagstextur erfasst und erstmals neu die Lärmemissionen des Fahrbahnbelages (CPX-Methode).

Die Auswertung der Erhebungsdaten soll, ähnlich wie 2002, je einzelnes Fahrbahnqualitätsmerkmal (Zu­standsmerkmal) aggregiert auf 100 m-Intervalle des Basisbezugssystems der Nationalstrassen­strecken erfolgen. Neu umfassen die Erhebungen auch die Rampen von Autobahnanschlüssen und Verzwei­gungen.

Während für die Zustandsmerkmale Oberflächenschäden, Längs- und Querebenheit und Griffigkeit so­wohl je separate, eigene [2, 3, 4] als auch indexierte [5] Bewertungsmassstäbe in den entsprechenden VSS-Normen vorliegen, fehlen diese zur Zeit für die Textur. Die Bewertungsmassstäbe für Lärmemissio­nen sind in der Lärmschutzverordnung [6] festgelegt bzw. für Belagsemissionen geregelt.

Obwohl qualitativ die Zusammenhänge zwischen der Belagstextur und der Griffigkeit via die Einflüsse von Makro- und Mikrotextur der Fahrbahnoberfläche seit vielen Jahren bekannt sind und beschrieben wurden [7, 14, 15, 16, 17, 18], fehlen aktuelle quantitative Angaben. Diese quantitativen Abhängigkeiten sind in­dessen die eigentlichen Voraussetzungen zur Bewertung von Auswirkungen von Veränderungen der Belagstextur und damit der Griffigkeit auf die Lärmemissionen. Dies stellt die zentrale Fragestellung der beantragten Forschungsarbeit dar. Das Forschungsvorhaben soll auf Antrag des Bundesamtes für Strassen (ASTRA) aufgrund der umfangreichen Datensätze aus der im Jahre 2009 erfolgten Zustandser­he­bung Fahrbahnen Nationalstrassen durchgeführt und die gewünschten Erkenntnisse erarbeitet werden.

Dabei sind folgende Gesichtspunkte zu berücksichtigen: Eine direkte und allgemein gültige Korrelation zwischen Textur und Griffigkeit ist schwierig herzustellen, da die Einflüsse der Mikro- und Makrotextur von der Geschwindigkeit, vom Oberflächenzustand (vor allem bei nasser oder verschmutzter Fahrbahn) und von den Materialkomponenten an der Oberfläche selbst abhängig sind. Die modernen Mess­tech­nischen Methoden zur Erhebung und Auswertung der Textureigenschaften (Laser-Texturmeter, kontinuier­liche Ermittlung der mittleren Texturtiefe MTD, Spektrumsanalyse der Texturwerte) ermöglichen die Analyse unter neuen Gesichtspunkten.

In Bezug auf eine bessere Beurteilung der Einflussparameter bei der Lärmerzeugung an der Kontakt­fläche Reifen – Fahrbahnoberfläche und folglich im Hinblick auf eine Belagsoptimierung wird die Frage einer möglichen Korrelation zwischen Texturspektrum und Lärmspektrum untersucht. Dabei interessiert vor allem die Frage, welche Spektrumsanteile der Textur haben welche Einflüsse (und mit welcher Intensität) auf das Lärmspektrum an der Kontaktfläche zwischen Reifen und Fahrbahn.

Von zentralem Interesse sind dabei die Ausmasse der Auswirkungen bei den Lärmemissionen bei Ver­änderungen im Texturspektrum resp. im Griffigkeitsniveau. Sie stellen entscheidende Grundlagen zur Beurteilung der Wahl und der Optimierung von Strassenbelägen (Belagsdesign).

Erwartete Erkenntnisse/ Nutzen, Nutzniesser (Deutsch)

Die hier im Rahmen des vorgesehenen Forschungsvorhabens erarbeiteten Grundlagen stellen wichtige Ergebnisse zur Beurteilung und Wahl von Belägen für Fahrbahnen von Nationalstrassen dar. Dabei wird ein Optimum bzgl. Nachhaltigkeit bei Erhaltungstätigkeiten angestrebt. Sicherheit wird über genügende Griffigkeit und Umweltverträglichkeit über geringe Lärmemissionen Reifen / Belag gewährleistet. Die Forschungsarbeit liefert dazu einen wichtigen Beitrag.

Nebst der konkret beabsichtigten Anwendung der Resultate bei den Nationalstrasse des Bundes, lassen sich die Ergebnisse auch bei kantonalen Hochleistungsstrassen und wichtigen Hauptverkehrsstrassen ver­wenden.

Nutzniesser sind einerseits Behörden du die für sie arbeitenden Ingenieurbüros, welche die Grundlagen für ein optimales Belagsdesign im konkreten Fall nutzen können. Andererseits sind die Verkehrs­teilnehmer Nutz­niesser guter Griffigkeitseigenschaften und damit hoher Verkehrssicherheit, schliesslich profitieren aber vor allem auch Anwohner durch niedriger ausfallende Lärmimmissionen.

Letztlich lassen sich Teilergebnisse für die Normung auf dem Gebiet der Textur (VSS EK 7.11) nutzen

Methoden (Deutsch)

Die Forschungsmethodik gliedert sich in vier Phasen, welche mit ihrem Abschluss und der erarbeiteten Ergebnisse jeweils einen Meilenstein bilden (siehe Forschungsplan / Arbeitsprogramm / Meilensteine):

Phase 1: Grundlagenaufbereitung

Die in aggregierten 100 m-Intervallen aus der netzweiten Zustandserfassung vorliegenden, unbewerteten Erhebungsresultate für die Textur, Griffigkeit, CPX-Lärmemissionen und Belagsart sind als Vorbereitung der Auswertungen in eine Datenbank bei den Forschungsstellen zu übernehmen. Dabei handelt es sich um folgende ortsbezogenen Daten pro 100 m-Intervall resp. Teilen davon:

- Textur: Mittlere Texturtiefe MTD der Makrotextur und Texturspektrum

- Griffigkeit: Reibungsbeiwert SLK mit zugehöriger Messgeschwindigkeit.

- Lärmemission: CPX-Wert mit zugehöriger Messgeschwindigkeit, innerorts / ausserorts

- Belagsart: Asphaltbeton AC, Splittmastixasphalt SMA, Drainasphalt PA, Gussasphalt, Micro­rauasphalt MR, Beton

- Strassenkategorie: Nationalstrassen-Betriebsformen 2 x 3, 2 x 2, 2, G

Während die Daten Textur, Griffigkeit und Lärmemissionen direkt aufgrund der Auswertungen und Aggregationen der Erhebungsdaten resultieren, müssen die Daten zur Belagsart dem aktualisierten ASTRA-Belagskataster entnommen werden. Die Strassenkategorien sind aus der RBBS-Datenbank zur Verfügung zu stellen.

Phase 2: Auswertungen der Daten

Die grossen Datenumfänge werden in einem ersten Schritt nach den Kriterien Strassenkategorie, Stamm­linie / Rampen, Messgeschwindigkeit Griffigkeit und Messgeschwindigkeit Lärmemission in Teil­daten­men­gen gesplittet und entsprechend bezeichnet. Eine weitere Aufgliederung nach Belagsart erfolgt parallel.

Im zweiten Schritt werden diese Teildatensätze statistisch so bearbeitet, dass je Gruppe Verteilungen der Werte gebildet und die für die Verteilungen charakteristischen Grössen wie Mittelwerte, Standard­ab­weichungen, Schiefe etc. bestimmt werden. Sie bilden die Grundlage für die Analyse der Daten und der Zusammenhänge.

Phase 3: Analyse von Zusammenhängen

Gemäss Zielsetzungen des Forschungsprojektes steht grundsätzlich das Erkennen von folgenden Zusam­men­hängen im Vordergrund:

- Korrelation zwischen Textur (Makrotextur) und Griffigkeit

- Korrelation zwischen Texturspektrum und Lärmspektrum (auf repräsentativen Abschnitten)

- Mögliche Zusammenhänge zwischen Lärmspektrum und Griffigkeit.

Phase 4: Folgerungen und Erkenntnisse

In der abschliessenden Phase 4 werden die Folgerungen geschlossen und die erlangten Erkenntnisse zusammengetragen. Dies erfolgt durch die Erstellung des Schlussberichts. Für die Normierung werden die Forschungsergebnisse zusätzlich in einem Normenentwurf in deutscher Sprache festgehalten.

Forschungskompetenz

Für die Durchführung des vorgesehenen Forschungsvorhabens ist die Bildung einer Forschungsgemein­schaft vorgesehen. Zu den Beteiligten gehören das Institut für Verkehrsplanung und Transportsysteme (IVT), Fachbereich Verkehrssysteme im Individualverkehr, ETH Zürich, die Firma SACR SA, Zürich und die Firma Infralab SA, Lausanne. Die Federführung obliegt dem IVT der ETH Zürich.

Der Fachbereich „Verkehrssysteme im Individualverkehr“ am Institut für Verkehrsplanung und Transport­systeme (IVT) an der ETH Zürich befasst sich in Lehre, Forschung und Beratung mit den Gebieten Ver­kehrstechnik, Entwurf und Sicherheit von Verkehrsanlagen sowie Betriebs- und Erhaltungsmanagement. In der Vergangenheit wurde durch den Fachbereich eine Vielzahl von Forschungsarbeiten des VSS durchgeführt, wobei die meisten davon zu neuen oder revidierten VSS-Normen führten. Das IVT verfügt über eine sehr lange Erfahrung im Bereich der Griffigkeitsmessungen und -bewertung und ist Kalibrie­rungsstelle für sämtliche Griffigkeitsgeräte in der Schweiz [10, 11].

Das IVT hatte die erste Zustandserfassung und –bewertung (ZEB-NS 2002) im Auftrag des ASTRA konzipiert, die Durchführung geleitet und alle Arbeiten der verschiedenen beteiligten Forschungsstellen koordiniert. Das IVT verantwortete auch die Schlussberichterstattung [12, 13, 1].

Die Firma SACR SA, Zürich ist spezialisiert auf Zustandserfassungen und -bewertungen von Strassen­oberflächeneigenschaften sowie auf entsprechende Materialuntersuchungen. Sie weist sich über sehr umfangreiche Erfahrungen auf diesem Gebiet aus und hat viele Forschungsaufträge für die VSS durchgeführt. Ihr Direktor vertritt die Schweiz im entsprechenden Bereich der CEN-Normierung (CEN TC 27 / WG 5 – Oberflächeneigenschaften). Die Firma ist auf allen Strassennetzen (Bund, Kantone und Gemeinden) tätig.

Die Firma Infralab SA, Lausanne ist ebenfalls u.a. auf dem Gebiet der Zustandserfassung und –bewer­tung von Fahrbahnoberflächeneigenschaften vor allem in der welschen Schweiz tätig. Sie weist ebenfalls eine langjährige Erfahrung aus. Zurzeit ist sie an der dritten netzweiten Erhebung des Oberflächenzu­stan­des der Fahrbahnen der Nationalstrassen (ZEB-NS 2009) beteiligt.

Spezielle Geräte und Installationen (Deutsch)

- Keine

- Software-Installationen vorhanden

Allgemeiner Stand der Forschung (Deutsch)

Die heutigen Erwartungen an eine Strassenoberfläche werden immer umfangreicher und höher. Neben einem einwandfreien Zustand hinsichtlich der Fahrbahnoberfläche sowie der Längs- und der Quer­eben­heit ist eine genügende Griffigkeit auf nasser Fahrbahn eine Grundanforderung. Vor allem innerorts oder in bewohnten Gebieten sollte die Fahrbahn auch möglichst lärmarm sein, d.h. die an der Kontaktfläche zwischen Fahrbahn und Reifen entstehenden Lärmemission absorbieren anstatt reflektieren. Dass alle diese positiven Eigenschaften über die gesamte Nutzungsdauer eines Belages ohne wesentliche Verän­derung erhalten bleiben sollten, ist nicht nur erwünscht sondern wird erwartet.

Obwohl in den letzten Jahren diverse viel versprechende Entwicklungen in diesem Bereich erfolgten (Drainbeläge, lärmmindernde Beläge, hochgriffige Spezialbeläge, usw.), bleiben heute noch grosse Unsicherheiten in Bezug auf ihre zielgerichtete Anwendung und Dimensionierung, auf ihre mechanische und physikalisch-chemische Dauerhaftigkeit und nicht zuletzt auch auf die langfristige Erhaltung ihrer Funktion im Bereich der Textur, der Griffigkeit sowie der Lärmabsorption.

Aus der Literatur sind die allgemeinen qualitativen Erkenntnisse zu den geschwindigkeitsabhängigen Griffigkeitsniveaus in Funktion von Makro- und Mikrotextur bekannt. Dabei werden Makro- und Mikrotex­tur der Fahrbahnoberfläche nur soweit beschrieben, dass für beide Texturarten die Unterschei­dung in gut / schlecht, aber ohne quantifizierte Grössen angegeben wird. Damit lassen sich naturgemäss auch keine qualitativen Angaben zu den Unterschieden und den geschwindigkeitsbedingten Rückgang der Griffigkeitsniveaus angeben (siehe Abb. 1) [7].

 

Abb. 1: Griffigkeit in Abhängigkeit von Makro- und Mikrotextur (Dok2.pdf)

Weitere Angaben aus der Literatur sind je zu den Zusammenhängen Griffigkeit und Materialeigen­schaf­ten (Mischgutzusammensetzung, Kornart und –verteilung, Zuschlagsstoffe) und Belagsart und Lärmemis­sion vor allem Lärmreduktion offenporiger Beläge gegenüber üblichem geschlossenen Asphaltbetonbe­lägen [8, 9] bekannt. Damit ist auch bereits das Einfluss- resp. Auswirkungsspektrum bzgl. Lärmverände­rungen in der Spannweite mit ca. 0 bis 8 dB (A) bekannt.

Zugehörige Dokumente

• Dok2.pdf [PDF] 28 kB

Projektziele (Deutsch)

Mit der Durchführung dieser Forschungsarbeit werden drei Ziele verfolgt:

• Erkennen von quantifizierten Zusammenhängen zwischen der Belagstextur und der Griffigkeit von Fahrbahnoberflächen verschiedener Beläge.
• Analyse der Einflüsse und Auswirkungen von Veränderungen der Textur (und der Griffigkeit) auf die Lärmemissionen.
• Ableitung von Grundlagen für die Bewertung der Textur als allfälliges weiteres Zustandsmerkmal zur Gesamtbewertung von Fahrbahnzuständen

Projektziele (Englisch)

With the realisation of this research project the following three objectives are pursued:

• Identify quantified correlations between pavement texture and skid resistance of road surface of different pavement types
• Analysis of influences and effects of changes of texture (and skid resistance) on the noise emission
• Derivative of basic principles for the evaluation of texture as possible further condition charac­teristic to the total evaluation of road surface conditions.

Forschungsplan (Deutsch)

Die vorgesehenen Forschungsarbeiten werden innerhalb von 15 Monaten inkl. Berichterstattung durch­geführt. Der Startzeitpunkt der Arbeiten dieses Forschungsauftrages ist auf den Fahrplan der netz­weiten Zustandserhebung ZEB-NS 2009 abzustimmen.

Möglichst frühzeitige Koordinationsgespräche gewähr­leisten eine zweckmässige Datenübergabe / -übernahme und gestatten die hier vorgesehene Daten­auf­bereitung bereits in der Schlussphase der netzweiten Zustandserfassung der Nationalstrassen 2009.

Diese Koordination kann deshalb sehr gut sichergestellt werden, weil einer der Projektpartner dieser Forschungsarbeit bei der netzweiten Zustandserfassung Fahrbahnen Nationalstrassen 2009 mitbeteiligt ist (Infralab SA, Lausanne).

Im Rahmen der Forschungsarbeiten sind 4 Meilensteine vorgesehen. Diese bilden jeweils den Abschluss einer Forschungsphase (siehe Vorgehen / Methoden). Der erste Meilenstein stellt die fertige Datenbankstruktur mit den importierten und vorher aufbereiteten Datensätzen dar. Den zweiten Meilenstein bildet die abgeschlossene statistische Auswertung. Die Darstellung der Zusammenhänge und ein erarbeitetes Normenkonzept bilden den dritten Meilenstein. Den vierten Meilenstein stellt der Abschluss des Projektes dar. Dieser beinhaltet die Fertigstellung des Schlussberichts, welcher die Bewertung und Folgerungen enthält, und die Erstellung des Normenentwurfs in deutscher Sprache.

Arbeitsschritte

2009

2010

2011

4

1

2

3

4

1

Phase 1 Grundlagenaufbereitung MS1: Datenbankstruktur mit aufbereiteten Datensätzen

a. Vorbereitungen Datenbank

b. Übergabe / Übernahme Daten

c. Aufbereitung Datensätze

Phase 2 Auswertungen der Daten MS2: Ergebnisse der statistischen Auswertung

d. Gliederung der Datensätze in Teilmengen

e. Statistische Auswertung der Teilmengen

Phase 3 Analyse von Zusammenhängen MS3: Darstellung Zusammenhänge, Normenkonzept

f. Korrelation Textur / Griffigkeit

g. Korrelation Textur / Lärmemission

h. Prüfung Zusammenhang Griffigkeit / Lärm

Phase 4 Folgerungen und Erkenntnisse MS3: Abschluss

i. Bewertung, Folgerungen

k. Schlussbericht

l. Normentwurf in deutscher Sprache

Abb. 2: Ablaufplanung des Forschungsprojekts

Umsetzung und Anwendungen (Deutsch)

• Grundlage für einen Belagsdesignguide (Test 1)
• Grundlage für neue VSS-Norm Bewertung Belagstextur

Berichtsnummer (Deutsch)

1495

Berichtsnummer (Englisch)

1495

Literatur (Deutsch)

[1] Lindenmann, H.P. et al. (2002). Zustandserfassung und -bewertung Fahrbahnen Nationalstrassen ZEB-NS, Schlussbericht, ASTRA und IVT, Bern

[2] Schweizerischer Verband der Strassen- und Verkehrsfachleute, VSS (2003). SN 640 925b Anhang; Erhaltungsmanagement der Fahrbahnen (EMF); Anleitung zur visuellen Zustandserhebung und Indexbewertung mit dem Schadenkatalog, Schweizer Norm, Zürich

[3] Schweizerischer Verband der Strassen- und Verkehrsfachleute, VSS (1984): SN 640 511b; Griffigkeit; Bewertung, Schweizer Norm, Zürich

[4] Schweizerischer Verband der Strassen- und Verkehrsfachleute, VSS (2003): SN 640 521c; Ebenheit; Qualitätsanforderungen, Schweizer Norm, Zürich

[5] Schweizerischer Verband der Strassen- und Verkehrsfachleute, VSS (2003): SN 640 925b; Erhal­tungs­management der Fahrbahnen (EMF); Zustandserhebung und Indexbewertung, Schweizer Norm, Zürich

[6] Lärmschutzverordnung (1986), SR 814.41

[7] Lindenmann, H.P. (2008). Bau und Erhaltung von Verkehrsanlagen; Vorlesungsunterlage IVT, D-BAUG, MSc-Studiengang, ETH Zürich

[8] Bundesamt für Strassen, ASTRA (2003). Lärmarme Strassenbeläge innerorts; Statusbericht 2003, Bern

[9] Bundesamt für Strassen, ASTRA (2008). Lärmarme Strassenbeläge innerorts; Jahresbericht 20083, Bern

[10] Lindenmann, H.P., M. Caprez, Y. Chabot-Zhang, N. Jafari (2002). Griffigkeit auf Autobahnen, Vergleich der Messergebnisse SRM und SCRIM; Unterhalt 2000, Forschungsprojekt 6, ASTRA, Bern

[11] Schweizerischer Verband der Strassen- und Verkehrsfachleute, VSS (1985): SN 640 510b; Griffigkeit; Messverfahren, Schweizer Norm, Zürich

[12] Lindenmann, H.P. (1999). ZEB-NS Konzeptstudie, Bundesamt für Strassen, ASTRA, Bern; IVT ETH Zürich

[13] Bundesamt für Strassen, ASTRA (2003). ZEB-NS, Schlussbericht, Bern

[14] Circulaire n°2002-39 de la direction des routes relative à l’adhérence des couches de roulement neuves et au contrôle de la macrotexture (2002)

[15] Gothie, M. (2005). Les mesures de l’adhérence des chaussées en France et leur interprétation – Bulletin de liaison des laboratoires des Ponts et Chaussées n°255

[16] Minh Tan Do (2005). Relation entre l’adhérence et la microtexture. Bulletin des laboratoires des ponts et chaussées n°255

[17] Delanne, Y. (2005). Adhérence des pneumatiques, adhérence conventionnelle, comparaison et liaison avec la texture – Bulletin de liaison des laboratoires des Ponts et Chaussées n°255

[18] Jacot, A. (2006). Gute Oberflächeneigenschaften für sichere Fahreigenschaften – Strasse und Verkehr 11/2006, Zürich