1. Siegener Straßenbautag
Entwicklung akustisch optimierter
Straßendeckschichtsysteme auf
Kunststoffbasis
Dr.-Ing. Andreas Schacht
Siegen, 12. Juli 2017
2 1.Siegener Straßenbautag | Siegen | 12. Juli 2017
Dr.-Ing. Andreas Schacht
Aufbau des Vortrages
1. Einleitung und Motivation
2. Ableitung der Entwicklungsziele
3. Entwicklung des Deckschichtsystems
4. Empirischer Wirkungsnachweis des Deckschichtsystems
5. Zusammenfassung und Ausblick
4 1.Siegener Straßenbautag | Siegen | 12. Juli 2017
Dr.-Ing. Andreas Schacht
Einleitung und Motivation
„Mobilität ist elementarer Ausdruck unserer
Lebensweise, Ausdruck von Freiheit, von sozialer
und kultureller Teilhabe, Basis für unseren Wohlstand -
Mobilität ist Lebensqualität.“
Prof. Dr.-Ing. Hans-Peter Keitel
5 1.Siegener Straßenbautag | Siegen | 12. Juli 2017
Dr.-Ing. Andreas Schacht
Anteil des Verkehrsträgers „Straße“ (2010):
Personenverkehrsleistung: 87,8 %
Güterverkehrsleistung: 72,0 %
Derzeitige Prognose „Straße“ (2010 bis 2030):
Personenverkehrsleistung: + 16 %
Güterverkehrsleistung: + 39 %
Einleitung und Motivation
Bedeutung der Straßeninfrastruktur:
Der Verkehrsträgers „Straße“ nimmt eine herausragende Stellung in der
Verkehrsabwicklung ein - diese wird zukünftig weiter steigen
Hiermit sind aber auch negative Folgen bzw. Entwicklungen verbunden
[nach BMVI, 2016 und BMVI, 2014]
[nach SCHACHT, 2015]
6 1.Siegener Straßenbautag | Siegen | 12. Juli 2017
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Einleitung und Motivation
Verkehrslärm rückt zunehmend in den Fokus
der Öffentlichkeit
16 % sind einem Niveau > 55 dB(A) ausgesetzt
(Bereich der physiologischen und psychischen
Reaktionen des Menschen)
Mehr als 50 % der Bevölkerung fühlen sich
dauerhaft durch Verkehrslärm belästigt
Berücksichtigung in der aktuellen
Gesetzgebung (z.B. BImSchG, etc.)
Vorrangige Förderung aktiver Lärm-
schutzmaßnahmen („leise Beläge“)
Folgen der Verkehrsbelastung:
[nach UBA, 2012]
[nach UBA, 2014]
7 1.Siegener Straßenbautag | Siegen | 12. Juli 2017
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Einleitung und Motivation
[WWW.UMGEBUNGSLAERM-KARTIERUNG.NRW.DE]
9 1.Siegener Straßenbautag | Siegen | 12. Juli 2017
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Ableitung der Entwicklungsziele
Ursachen von Verkehrsgeräuschen:
Fahrzeugseitiges Minderungspotenzial
nahezu ausgereizt (Motor, Reifen, etc.)
Nur eine weitere Einflussnahme auf die
Reifen-Fahrbahngeräusche ermöglicht
eine weitere Reduzierung (berücksichtigtes
Entwicklungsszenario: PKW, v = 120 km/h)
[nach BECKENBAUER, 2008]
[BECKENBAUER, 2008]
10 1.Siegener Straßenbautag | Siegen | 12. Juli 2017
Dr.-Ing. Andreas Schacht 10
minimale Anregung des Reifens / der Profilklötze zu mechanischen Schwingungen, hohe Ebenheit
verstärkte aerodynamische Geräusche (schlechte Luftdrainage), verstärkter Horneffekt, keine Absorption des Schalls auf dem Ausbreitungsweg
minimale aerodynamische Geräusche (gute Luftdrainage), ausgeprägte Absorption des Schalls auf dem Ausbreitungs-weg, verminderter Horneffekt
verstärkte Anregung des Reifens / der Profilklötze zu mechanischen Schwingungen, Verschmutzungs-anfälligkeit („Clogging-Effekt“)
Wirkweise bisheriger bautechnischer Lösungsansätze:
Ableitung der Entwicklungsziele
[nach SCHACHT, 2015]
11 1.Siegener Straßenbautag | Siegen | 12. Juli 2017
Dr.-Ing. Andreas Schacht 11
1. Eine weitere Pegelminderung ist durch die Verringerung der Makrotexturtiefe nicht zu realisieren
2. Eine dauerhafte Pegelminderung ist durch eine offenporige Schicht nur bedingt zu realisieren
3. Eine signifikante Pegelminderung ist nur durch eine Kopplung der beiden Ansätze zu realisieren
4. Die Materialeigenschaften sind bei der akustischen Bemessung zu berücksichtigen
Die Deckschicht ist so zu gestalten, dass diese eine geringe Anregung des Reifens zu
mechanischen Schwingungen, eine gute Luftdrainage unter dem Reifen in Verbindung
mit ausgeprägten Absorptionseigenschaften sowie eine mechanische Dämpfung vereint.
Ableitung der Entwicklungsziele
Abgeleitete Entwicklungsgrundsätze:
12 1.Siegener Straßenbautag | Siegen | 12. Juli 2017
Dr.-Ing. Andreas Schacht
Draufsicht:
Ableitung der Entwicklungsziele
Lösungsansatz - Deckschichtentwurf:
Öffnungen zur Absorptionsschicht
Strukturmodule (Mosaik-Prinzip)
Fahrstruktur
Öffn
un
ge
n z
ur A
bso
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ich
t
Stru
ktu
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osa
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rinzip
)
Fa
hrs
truktu
r
Absorptionsschicht
Fahrstruktur
Strukturmodul
Strukturschicht
textile Bewehrungsstruktur
Mikrotextur (Griffigkeit)
Interaktionsöffnungen
[nach SCHACHT, 2015]
13 1.Siegener Straßenbautag | Siegen | 12. Juli 2017
Dr.-Ing. Andreas Schacht
untere Absorptionsschicht(mindestens eine Schicht)
obere Strukturschicht
Luftströmungen
Asphalt- bzw. Betonunterbau mit Abdichtung nach oben
Ableitung der Entwicklungsziele
Wirkweise Deckschichtentwurf:
[nach SCHACHT, 2015]
15 1.Siegener Straßenbautag | Siegen | 12. Juli 2017
Dr.-Ing. Andreas Schacht
Entwicklung der Strukturschicht
untere Absorptionsschicht(mindestens eine Schicht)
obere Strukturschicht
Asphalt- bzw. Betonunterbau mit Abdichtung nach oben
[nach SCHACHT, 2015]
16 1.Siegener Straßenbautag | Siegen | 12. Juli 2017
Dr.-Ing. Andreas Schacht
Wie kann eine gezielte Luftdrainage in der Kontaktzone Reifen-Fahrbahn
bei gleichzeitig nur geringfügiger Steigerung der Schwingungsanregung
des Reifens erfolgen?
Grundproblematik der Entwicklung:
Entwicklung der Strukturschicht
Systematische Variation der Strukturgeometrie
(Breite/Höhe/Form/Anordnung)
Prüfung der akustischen Eigenschaften künstlicher
Oberflächen mit geeigneten Simulationsmodellen
Die Strukturierung muss so ausgeprägt sein, dass eine
ausreichende Luftdrainage in der Kontaktzone erfolgt
Die Strukturierung darf in keiner signifikanten Erhöhung
der mechanischen Anregung resultieren
Op
tim
ieru
ng
s-
pro
ble
m
[nach SCHACHT, 2015]
17 1.Siegener Straßenbautag | Siegen | 12. Juli 2017
Dr.-Ing. Andreas Schacht
Entwicklung der Strukturschicht
Simulation der akustischen Eigenschaften künstlicher Oberflächenstrukturen
unter Variation der Oberflächengeometrie (~3500 Varianten)
Ableitung von Modellzusammenhängen zwischen
Oberflächengeometrie, Texturkenngrößen und akustischen Eigenschaften
Ableitung der optimalen Oberflächengeometrie und
Vorauswahl von Oberflächenstrukturen für den empirischen Wirkungsnachweis (12 Varianten)
Herstellung von Prototypen und empirischer Wirkungsnachweis
im Prüfstand Fahrzeug-Fahrbahn der BASt
Geometrie-Akustik-Modell
Datengrundlage
Überführung in die Empirie
[nach SCHACHT, 2015]
18 1.Siegener Straßenbautag | Siegen | 12. Juli 2017
Dr.-Ing. Andreas Schacht
Vorüberlegungen zu möglichen akustisch relevanten Texturgrößen:
Gestaltfaktor g
Ableitung des Gestaltfaktors g aus der
Tragflächenkurve („Abbot-Kurve“)
Für den Anwendungsfall nicht geeignet
Amplitudenspektrum
Überführung des Texturprofils mittels FFT
in Sinusschwingungen mit charakteristischer
Amplitude und Wellenlänge
Für den Anwendungsfall geeignet
Entwicklung der Strukturschicht
Amplitude [µm]
Wellenlänge [mm]λ2 = λ3λ1
Amax1 = Amax2
Amax3
1
2
3
Position x
Rautiefe [mm]
TFA [%]
R1/2
R1/2
R2/2
R2/2
1
2
1
2
Rautiefe [mm]
Position x [mm]
[nach SCHACHT, 2015]
[nach SCHACHT, 2015]
19 1.Siegener Straßenbautag | Siegen | 12. Juli 2017
Dr.-Ing. Andreas Schacht
Modellzusammenhang Textur-Akustik:
Entwicklung der Strukturschicht
▲ m
echanis
che A
nre
gung
▼ a
ero
dynam
ische E
ffekte
▼
mechanis
che A
nre
gung
▲
ae
rod
ynam
ische E
ffekte
[nach SCHACHT, 2015]
20 1.Siegener Straßenbautag | Siegen | 12. Juli 2017
Dr.-Ing. Andreas Schacht
Modellzusammenhang Geometrie-Textur:
Entwicklung der Strukturschicht
Modellzusammenhang:
Einflussgrößen auf die Wellenlänge:
Die Oberfläche ist geprägt durch eine
stochastische Abfolge von geometrischen
Formen/Strukturen
Stochastische Variation in definierten
Spannweiten:
SpannweiteStruktur = smax – smin
SpannweiteKanal = kmax – kmin
Smin Smax
kmax kmin
h = const.
[nach SCHACHT, 2015]
21 1.Siegener Straßenbautag | Siegen | 12. Juli 2017
Dr.-Ing. Andreas Schacht
Modellzusammenhang Geometrie-Akustik:
Entwicklung der Strukturschicht
[nach SCHACHT, 2015]
22 1.Siegener Straßenbautag | Siegen | 12. Juli 2017
Dr.-Ing. Andreas Schacht
Ableitung der optimalen Oberflächenstruktur:
Entwicklung der Strukturschicht
Ableitung der optimalen Geometrie
Optimale Wellenlänge
= 10,11 mm
Optimale Strukturlänge
= 3,5 bis 4,7 mm
Optimale Zwischenraumbreite
= 5,3 bis 6,3 mm
λ = 10,11 mm L = 78,7 dB(A)
Weitere Analyseschritte umfassten eine veränderte Strukturhöhe (optimal 5 mm),
Strukturform und Anordnung der Drainagekanäle (Winkel zur Fahrtrichtung)
[nach SCHACHT, 2015]
23 1.Siegener Straßenbautag | Siegen | 12. Juli 2017
Dr.-Ing. Andreas Schacht
Analyse von 12 vorausgewählten Oberflächenvarianten
mit einer Länge von jeweils etwa 10 m
Manuelle Herstellung mit einem Acrylat-basierten
Werkstoff in Verbindung mit einem Bewehrungstextil
Bewertungsgeschwindigkeiten: 60, 80, 100, 120 km/h
Reifen gemäß ISO 11819-3
Bewertung der akustischen Eigenschaften mit dem
Constant-Passed-By-Verfahren (CPB-Verfahren) und
dem Close-Proximity-Verfahren (CPX-Verfahren)
Empirischer Wirkungsnachweis im Prüfstand Fahrzeug-Fahrbahn:
Entwicklung der Strukturschicht
[nach SCHACHT, 2015]
24 1.Siegener Straßenbautag | Siegen | 12. Juli 2017
Dr.-Ing. Andreas Schacht
Untersuchungen im PFF
Prototypherstellung für Untersuchungen im PFF
[nach SCHACHT, 2015]
25 1.Siegener Straßenbautag | Siegen | 12. Juli 2017
Dr.-Ing. Andreas Schacht
Variante „70° mit Längskanälen” ist unabhängig von der
Geschwindigkeit am „leisesten” (CPB = ~78 dB(A) bei
120 km/h, ReferenzbelagRLS, SPB = 85,8 dB(A))
70° mit Längskanälen
70° ohne Längskanäle
Entwicklung der Strukturschicht
Exemplarische Ergebnisse:
Rechteckstruktur
[nach SCHACHT, 2015]
27 1.Siegener Straßenbautag | Siegen | 12. Juli 2017
Dr.-Ing. Andreas Schacht
Entwicklung der Absorptionsschicht
untere Absorptionsschicht(mindestens eine Schicht)
obere Strukturschicht
Asphalt- bzw. Betonunterbau mit Abdichtung nach oben
[nach SCHACHT, 2015]
28 1.Siegener Straßenbautag | Siegen | 12. Juli 2017
Dr.-Ing. Andreas Schacht
[BECKENBAUER, 2008]
Ausgeprägtes Schallabsorptionsvermögen
im Frequenzbereich von 800 bis 2000 Hz
Geringer Strömungswiderstand
(vertikale Luftdrainage)
Geringe mechanische Impedanz
(hohes Dämpfungsmaß)
Geringe Verschmutzungsanfälligkeit,
d.h. lange akustische Lebensdauer
(„Clogging-Effekte“)
Hohe Dauerhaftigkeit, d.h. lange
bautechnische Lebensdauer
Entwicklungsziele:
Entwicklung der Absorptionsschicht
Entwicklung der Absorptionsschicht in
Anlehnung an poro-elastische Beläge
Ergebnisse bisheriger Untersuchungen:
Geschwindigkeitsunabhängiges
Minderungspotenzial > 12 dB(A)
Ausgeprägtes Absorptionsvermögen, ein
geringer Strömungswiderstand und ein
hohes mechanisches Dämpfungsmaß
Gewählter Lösungsansatz:
[www.thermoplastic-
polyurethane.com]
[www.formtech.ch] [www.briloner-hartstein-werk.de]
Ausgeprägtes Schallabsorptionsvermögen
im Frequenzbereich von 800 bis 2000 Hz
Geringer Strömungswiderstand
(vertikale Luftdrainage)
Geringe mechanische Impedanz
(hohes Dämpfungsmaß)
Geringe Verschmutzungsanfälligkeit,
d.h. lange akustische Lebensdauer
(„Clogging-Effekte“)
Hohe Dauerhaftigkeit, d.h. lange
bautechnische Lebensdauer
29 1.Siegener Straßenbautag | Siegen | 12. Juli 2017
Dr.-Ing. Andreas Schacht
Entwicklung der Absorptionsschicht
Verschmutzungsanfälligkeit:
Nachbildung der natürlichen Verschmutzungs-
vorgänge im Zeitraffer:
Partikelbeaufschlagung mit einem definiert
zusammengestellten „Straßenschmutz“
Zweifache definierte Verschmutzung
(2 Stufen: 480 g/m² und 960 g/m²)
Definierte Beregnungs- und Trocknungszyklen
(8 Zyklen, Regenmenge = 1 l/min für 20 min,
Trockenphase 10 bis 12 h)
Analyse der durchgespülten und abgespülten
Schmutzpartikel (Korngrößenverteilung)
2,5° NeigungPartikelbeaufschlagung
Definierte Beregnung
Filterpapier
[nach SCHACHT, 2015]
30 1.Siegener Straßenbautag | Siegen | 12. Juli 2017
Dr.-Ing. Andreas Schacht
Verschmutzungsanfälligkeit:
Entwicklung der Absorptionsschicht
Geringere Verschmutzungsanfälligkeit
der Untersuchungsvarianten
Sättigungseffekte sind festzustellen,
Abnahme der Verschmutzungszunahme
nach der 1. Verschmutzungsstufe
Vornehmlich Partikel < 0,063 mm
verbleiben in der Schicht
Etwa 25 % der Partikel > 0,063 mm werden
durch die Schicht hindurch gespült, an der
Oberfläche verbleiben etwa 50 %
Eine deutlich höhere akustische
Lebensdauer ist im Vergleich zu einem
Offenporigen Asphalt zu erwarten [nach SCHACHT, 2015]
32 1.Siegener Straßenbautag | Siegen | 12. Juli 2017
Dr.-Ing. Andreas Schacht
Fräsen der Einbauspur
(50 x 5 cm)
Manueller Einbau der unteren
Absorptionsschicht Applikation der Strukturschicht
Nachträgliches Einbringen der
Interaktionsöffnungen Fertiggestellte Teststrecke
Empirischer Wirkungsnachweis „Gesamtsystem“
[nach SCHACHT, 2015]
33 1.Siegener Straßenbautag | Siegen | 12. Juli 2017
Dr.-Ing. Andreas Schacht
Prüfung der akustischen Eigenschaften mit dem
CPX-Verfahren nach ISO 11819-2
o nur Bewertung der Reifen-Fahrbahngeräusche
o keine Berücksichtigung einer möglichen Schallabsorption
auf dem Ausbreitungsweg
o Bewertungsgeschwindigkeiten: 60, 80 und 100 km/h
o Reifen gemäß ISO 11819-3
Als Vergleichswert bei der Bewertung wurde der vorhandene
Gussasphalt 0/11 herangezogen
Empirischer Wirkungsnachweis „Gesamtsystem“
Bewertung der akustischen Eigenschaften in-situ:
[nach SCHACHT, 2015]
34 1.Siegener Straßenbautag | Siegen | 12. Juli 2017
Dr.-Ing. Andreas Schacht
Empirischer Wirkungsnachweis „Gesamtsystem“
Gesamtpegel: Spektrale Geräuschanalyse:
Lärmpegelminderung von 6 dB(A)
gegenüber der Referenzoberfläche
Pegelminderung erscheint nahezu
unabhängig von der Geschwindigkeit
Pegelminderung > 8 dB(A) bei 500 – 1500 Hz,
unabhängig von der Geschwindigkeit
< 500 Hz nahezu keine Minderung,
> 1500 Hz geringfügige Minderung
- 8,2 dB(A)
- 8,4 dB(A)
Die lärmreduzierende Wirkung des Deckschichtsystems
konnte damit empirisch nachgewiesen werden.
[nach SCHACHT, 2015]
36 1.Siegener Straßenbautag | Siegen | 12. Juli 2017
Dr.-Ing. Andreas Schacht
Aus den bisherigen bautechnischen Lösungskonzepten wurde ein neuartiges
Deckschichtsystem bestehend aus zwei funktionsgetrennten Schichten abgeleitet
Der Entwurf der oberen Strukturschicht erfolgte mit Simulationsmodellen unter
systematischer Variation der Oberflächengeometrie
Modellzusammenhänge zwischen der Geometrie der Oberflächenstrukturen und den
akustischen Eigenschaften wurden abgeleitet
Entwicklung einer Absorptionsschicht in Anlehnung an poro-elastische Fahrbahnbeläge
(ausgeprägte akustische Wirkung und lange akustische Lebensdauer)
Die geräuschreduzierende Wirkung des Deckschichtkonzeptes wurde im Rahmen empirischer
Untersuchungen bestätigt
Zusammenfassung
Der vorgestellte Lösungsansatz stellt einen entscheidenden Entwicklungsschritt
für eine weitere signifikante Reduzierung der Reifen-Fahrbahngeräusche dar.
[nach SCHACHT, 2015]
37 1.Siegener Straßenbautag | Siegen | 12. Juli 2017
Dr.-Ing. Andreas Schacht
Materialentwicklung für die Struktur- und Absorptionsschicht
des Deckschichtsystems sowie für die Fügematerialien
Technologieentwicklung im Hinblick auf Herstellungs- und
Einbauverfahren sowie Applikationsverfahren
Funktionalisierung der Deckschicht, wie z.B. haptische oder
visuelle Signale, Integration von Sensoren oder Photovoltaik usw.
Ausblick
Ableitung weiterer Forschungsschritte:
[WWW.ADM-ISOBLOC.DE]
[WWW.SPIEGEL-ONLINE.DE]
[WWW.ECONITOR.DE]
39 1.Siegener Straßenbautag | Siegen | 12. Juli 2017
Dr.-Ing. Andreas Schacht
Quellenangaben
[AUTOBILD, 2014] AutoBild, Internetpräsenz www.autobild.de, Artikel: „Bunt bedruckte Pneus“, Internet-Link zum Artikel:
http://www.autobild.de/artikel/reifen-neues-druckverfahren-von-bridgestone-2824219.html, Axel-Springer
SE (Hrsg.), Hamburg, veröffentlicht am 09.02.2012, Abrufdatum: 05.09.2014, 2014
[BECKENBAUER, 2008] Beckenbauer, T.: „Physik der Reifen-Fahrbahngeräusche – Geräuschentstehung,
Wirkungsmechanismen und akustische Wirkung unter dem Einfluss von Bautechnik und Straßenbetrieb“,
4. Informationstage Geräuschmindernde Fahrbahnbeläge in der Praxis – Lärmaktionsplanung, unter der
Schirmherrschaft des Landesbetrieb Straßenbau Nordrhein-Westfalen, Gelsenkirchen, 2008
[BMVI, 2014] Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur: „Verkehrsverflechtungsprognose 2030“,
Abschlussbericht zum FE-Projekt 96.0981/2011, Freiburg, München, Aachen, Essen, 2014
[BMVI, 2016] Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur: „Bundesverkehrswegeplan 2030“,
Berlin, 2016
[SANDBERG, EJSMONT, 2002] Sandberg, U., Ejsmont, J. A.: „Tyre/Road Noise Refernce Handbook“, INFORMEX Ejsmont & Sandberg
Handelsbolag (Hrsg.), Kisa, Schweden, 2002
[SCHACHT, 2015] Schacht, A.: „Entwicklung künstlicher Straßendeckschichtsysteme auf Kunststoffbasis zur
Geräuschreduzierung mit numerischen und empirischen Verfahren“, Dissertation an der RWTH Aachen
University, Fakultät für Bauingenieurwesen, Lehrstuhl für Straßenwesen, Aachen, 2015
[UBA, 2012] Umweltbundesamt: „Umweltbewusstsein in Deutschland 2010: Ergebnisse einer repräsentativen
Bevölkerungsumfrage“, Forschungsprojekt 3711 17 11“, Berlin, Marburg, 2013
[UBA, 2014] Umweltbundesamt: „Zusammenstellung des Umweltbundesamtes der Mitteilungen der Bundesländer
entsprechend § 47c BImSchG“, www.umweltbundesamt.de, Abrufdatum: 18.12.2014, 2014
40 1.Siegener Straßenbautag | Siegen | 12. Juli 2017
Dr.-Ing. Andreas Schacht
Internetquellen
[WWW.ADM-ISOBLOC.DE] Internetauftritt der ADM-Isobloc GmbH, Brüggen,
Abrufdatum: 18.12.2014
[WWW.BRILONER-HARTSTEIN-WERKE.DE] Internetauftritt der Briloner Hartstein Werk GmbH &Co. KG, Brilon,
Abrufdatum: 18.12.2014
[WWW.ECONITOR.DE] Internetauftritt der Econitor GmbH, Berlin,
Abrufdatum: 18.12.2014
[WWW.FORMTECH.CH] Internetauftritt der Formtech AG, Wila, Schweiz,
Abrufdatum: 18.12.2014
[WWW.SPIEGEL-ONLINE.DE] Internetauftritt Spiegel-Online, Artikel: „Autonomes Fahren bei Lexus: Freihändig durch
Tokio“, Artikel vom 25.11.2013, Abrufdatum: 18.12.2014
[WWW.THERMOPLASTIC-POLYURETHANE.COM] Internetauftritt Thermoplastic-Polyurethan,
Abrufdatum: 18.12.2014