INSTITUT FÜR STRASSEN- UND EISENBAHNWESEN

www.kit.eduwww.kit.eduKIT – Universität des Landes Baden-Württemberg und

Nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft

INSTITUT FÜR STRASSEN- UND EISENBAHNWESEN (ISE)

Vulnerabilität von Straßenkonstruktionen aufgrund steigender Temperaturen

Kolloquium 2010 „Straße und Klimawandel – Szenarien und Denkanstöße“

Dr.-Ing. Carsten Karcher

Institut für Straßen- und Eisenbahnwesen4 08.12.2010

Einflussfaktoren auf die Straßenkonstruktion

Vulnerabilität von Straßenkonstruktionen aufgrund steigender

Temperaturen

Endogene Einflussfaktoren

Dimensionierung der Konstruktion

Bemessung der Konstruktion

Baustoffauswahl

Qualität der Baustoffe und der Bauausführung

Erhaltung

Ausgabe 2001

Institut für Straßen- und Eisenbahnwesen5 08.12.2010

Einflussfaktoren auf die Straßenkonstruktion

Vulnerabilität von Straßenkonstruktionen aufgrund steigender

Temperaturen

Exogene Einflussfaktoren

Verkehrsbeanspruchung

Temperatur

UV-Strahlung

Niederschlag

Äuß

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Fakto

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Wette

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Fahrgeschwindigkeit

Achslasten, gesamt

LKW-Anteil

DTV

Windgeschwindigkeit

Relative Luftfeuchte

Lufttemperatur

Globalstrahlung

Vegetation

Himmelsrichtung

Tallage, Berglage, Hanglage

Damm, Einschnitt, Gleichlage

Gradiente

Querschnitt

Querneigung

Radius

Zur Beschreibung der Stoffeigenschaften

erforderliche Hilfsgrößen

Oberflächentemperaturen

Asphaltkörpertemperaturen

Asphaltsteifigkeit

Querdehnzahl

Achslastverteilungen

Geschwindigkeitsverteilungen

Zur Prognose von Verformungen

erforderliche Eingangsgrößen

Verformungen

Korngrößenverteilung

F, S, K, Spl, BS:NS

Bindemittelgehalt

Volumenanteile

B , M , Hbit, HFB

Erweichungspunkt RuK

Penetrationsindex

Stabilisierungsindex, P

Raumdichte

Verdichtungsgrad

Schichtdicke

Absorptionskoeffizient,

langwellig

Absorptionskoeffizient,kurzwellig

Spezifische Wärmekapazität

Wärmeleitzahl

Innere

Fakto

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Zusam

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Quelle: Arand & von der Decken, 1996

Institut für Straßen- und Eisenbahnwesen6 08.12.2010

Prognostizierte Änderungen des Klimas

IPCC Fourth Assessment Report:

Climate Change 2007 (AR4) - Zentral-Europa

Höhere Temperaturen an warmen Tagen

Größere Anzahl an aufeinanderfolgenden heißen Tagen

(Hitzeperioden)

Steigende Durchschnittstemperaturen:

SRES A2: 2,5 bis 5,5 K und B2: 1 bis 4 K

Weniger Tage mit (sehr) tiefen Temperaturen

Vermehrte Frost-Tau-Wechsel

Niederschläge

Vulnerabilität von Straßenkonstruktionen aufgrund steigender

Temperaturen

Institut für Straßen- und Eisenbahnwesen8 08.12.2010

Abschätzung klimabedingter Auswirkungen

Umfeld der Straßenkonstruktion

Überschreitung zulässiger Längsdehnungen für

Spannbetonbrücken

Rutschungen an wassergesättigten Böschungen

Überschwemmungen

Unterspülungen

Oberfläche der Straßenkonstruktion

Aquaplaning

Sprühfahnen

Straßenkonstruktion selbst

Wirkungsmechanismen, Auswirkungen

sowie Ansätze zur Adaption für

Beton- und Asphaltkonstruktionen

Vulnerabilität von Straßenkonstruktionen aufgrund steigender

Temperaturen

Institut für Straßen- und Eisenbahnwesen9 08.12.2010

Straßenkonstruktionen aus Asphalt

Wirkungsmechanismus des exogenen Einflussfaktors

Temperatur

Steifigkeit

Verformungsverhalten (in Kombination mit Verkehrseinfluss)

Vulnerabilität von Straßenkonstruktionen aufgrund steigender

Temperaturen

Phase 1

Phase 2

Phase 3

Anzahl der ÜberrollungenS

purr

inn

entie

fe

Institut für Straßen- und Eisenbahnwesen10 08.12.2010

Straßenkonstruktionen aus Asphalt

Auswirkungen klimabedingter Änderungen bei

gleichbleibenden endogenen Einflussfaktoren

Höhere (Durchschnitts-)Temperaturen

Hitzeperioden

Vulnerabilität von Straßenkonstruktionen aufgrund steigender

Temperaturen

50

52

54

56

58

60

10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

Verkehrsbeanspruchung B [Mio. äAÜ]

Te

mp

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turb

ea

ns

pru

ch

un

g [

°C]

2,0

2,5

3,0

ln-Dehnungsrate εln* [‰·10-4

/n]

1,5

Institut für Straßen- und Eisenbahnwesen11 08.12.2010

Straßenkonstruktionen aus Asphalt

Mögliche Schäden

Bleibende Verformungen (Spurrinnen)

Vulnerabilität von Straßenkonstruktionen aufgrund steigender

Temperaturen

Institut für Straßen- und Eisenbahnwesen12 08.12.2010

Straßenkonstruktionen aus Asphalt

Mögliche Schäden

Bleibende Verformungen (Spurrinnen)

Risse durch geändertes Tragverhalten aufgrund Wassereinwirkung

Materialverlust, Kornausbrüche (Schlaglochbildung)

Vulnerabilität von Straßenkonstruktionen aufgrund steigender

Temperaturen

Institut für Straßen- und Eisenbahnwesen13 08.12.2010

Straßenkonstruktionen aus Asphalt

Möglichkeiten zur Vermeidung von klimabedingten

Schäden

Auswahl von Baustoffen mit besonderen Eigenschaften

Realisierung von Qualität der Baustoffe und der Bauausführung

Rechtzeitige Erhaltung- und Instandsetzung (Oberfläche und

Entwässerungseinrichtungen)

Vulnerabilität von Straßenkonstruktionen aufgrund steigender

Temperaturen

0,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

0 2.000 4.000 6.000 8.000 10.000

Lastimpulsanzahl n [-]

Deh

nu

ng

[‰

]

Institut für Straßen- und Eisenbahnwesen14 08.12.2010

Straßenkonstruktionen aus Beton

Wirkungsmechanismus des exogenen Einflussfaktors

Temperatur

Ausdehnen

Aufwölben (auch aufgrund von Feuchte)

Vulnerabilität von Straßenkonstruktionen aufgrund steigender

Temperaturen

Quelle: Sam Foos, KIT

Institut für Straßen- und Eisenbahnwesen15 08.12.2010

Straßenkonstruktionen aus Beton

Auswirkungen klimabedingter Änderungen bei

gleichbleibenden endogenen Faktoren

Höhere Temperaturen, Hitzeperioden

Mögliche Schäden

Hitzeschäden / Blow-ups

Risse (Eigengewicht und Verkehr)

Vulnerabilität von Straßenkonstruktionen aufgrund steigender

Temperaturen

Quelle:

Leitfaden Hitzeschäden,

Rupert Schmerbeck

Institut für Straßen- und Eisenbahnwesen16 08.12.2010

Straßenkonstruktionen aus Beton

Möglichkeiten zur Vermeidung von klimabedingten

Schäden

Realisierung von Qualität der Baustoffe und der Bauausführung

Erhaltungs- und Instandsetzungsempfehlungen

Vulnerabilität von Straßenkonstruktionen aufgrund steigender

Temperaturen

Institut für Straßen- und Eisenbahnwesen17 08.12.2010

Straßenkonstruktionen aus Beton

Möglichkeiten zur Vermeidung von klimabedingten

Schäden

Realisierung von Qualität der Baustoffe und der Bauausführung

Erhaltungs- und Instandsetzungsempfehlungen

Rechtzeitige Erhaltung und Instandsetzung

(z.B. Entwässerungseinrichtungen

und Fugenpflege)

Vulnerabilität von Straßenkonstruktionen aufgrund steigender

Temperaturen

Institut für Straßen- und Eisenbahnwesen19 08.12.2010

Fazit und Ausblick

Ausgangsfrage: Wir verletzbar sind unsere

Straßenkonstruktionen aufgrund von geänderten

Randbedingungen, die aus dem Klimawandel resultieren?

(Re-)Agieren nötig

Adaptionen durch Veränderung endogener

Einflussfaktoren

Zeiträume bedenken, Bauwerke sind auf eine

jahrzehntelange Nutzungsdauer ausgelegt!

Vulnerabilität von Straßenkonstruktionen

Institut für Straßen- und Eisenbahnwesen20 08.12.2010

Fazit und Ausblick

Ausgangsfrage: Wir verletzbar sind unsere

Straßenkonstruktionen aufgrund von geänderten

Randbedingungen, die aus dem Klimawandel resultieren?

(Re-)Agieren nötig

Adaptionen durch Veränderung endogener

Einflussfaktoren

Zeiträume bedenken, Bauwerke sind auf eine

jahrzehntelange Nutzungsdauer ausgelegt!

Vielen Dank für Ihr Interesse!

Vulnerabilität von Straßenkonstruktionen

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Nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft

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Vulnerabilität von Straßenkonstruktionen aufgrund steigender Temperaturen

Kolloquium 2010 „Straße und Klimawandel – Szenarien und Denkanstöße“

Dr.-Ing. Carsten Karcher