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Erweiterte Analyse der thermischen Zustände in Straßenbefestigungen unter besonderer Berücksichtigung klimatischer Einflüsse und stoffspezifischer Materialparameter

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[Quelle: http://d-nb.info]

Das Nachweisverfahren für die Berechnung der Dauerhaftigkeit von Verkehrsflächen in Asphaltbauweise beruht auf der Bewertung der mechanischen Beanspruchungen, hervorgerufen durch die Verkehrslasten und der Temperatur. Die Materialkennwerte der Asphalte sind stark von der Temperatur abhängig und somit ist eine möglichst exakte Beschreibung der thermischen Zustände von Straßenbefestigungen während der Nutzungszeit von hoher Bedeutung. Die in Deutschland gültigen Prognose- und Dimensionierungsverfahren berücksichtigen standardisierte Temperaturprofile, welche die Temperaturzustände in der Straßenbefestigung in Abhängigkeit der Oberflächentemperaturen charakterisieren. Randparameter wie die Stoffeigenschaften der Baustoffe oder die Geometrie der Straßenkonstruktionen haben danach keinen Einfluss auf die Wärmetransportvorgänge und die daraus ermittelten charakteristischen Temperaturzustände. In den vergangenen Jahren war der Einfluss des Klimawandels auf die lokalen klimatischen Bedingungen messbar. Besonders Dürren und Hitzewellen im Sommer führen zu deutlichen Schäden an der Natur. Dies lässt vermuten, dass die Änderung in Folge des Klimawandels einen erheblichen Einfluss auf die Temperaturzustände von Straßenbefestigungen haben. Der Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit lag auf der Bestimmung eines Verfahrens, mit dessen Hilfe die klimatischen Einflüsse, die Geometrie der Straßenkonstruktion und die stoffspezifischen Materialparameter berücksichtigt werden können. Dazu wurden Simulationsergebnisse der thermischen Zustände von Straßenkonstruktion ausgewertet und ein erweitertes Analyseverfahren zur Bestimmung von repräsentativen Temperaturzuständen entwickelt. Mithilfe eines Clusterverfahrens konnten anhand der stündlichen Temperaturzustände maßgebende Profile (Mittelwertfunktionen) abgeleitet werden, welche die Charakteristiken der Straßenkonstruktion berücksichtigen. Die Mittelwertfunktionen weisen gegenüber den bisherigen Ansätzen eine deutlich verminderte Abweichung zwischen den realen Temperaturzuständen und den zugehörigen synthetisch generierten Temperaturverläufen auf. Mit dem Verfahren der Mittelwertfunktionen wurden detaillierte Analysen der Vulnerabilität der Verkehrsinfrastruktur in Deutschland auf Basis der prognostizierten Einflüsse infolge des Klimawandels durchgeführt. Zu diesem Zweck wurde für jeden Landkreis in Deutschland eine Simulation der thermischen und mechanischen Beanspruchungen durchgeführt und für die Ergebnisse der Nachweis auf Ermüdungsrissbildung an der Unterseite der Asphalttragschicht sowie der Entwicklung der Spurrinnentiefe in Anlehnung an das Dimensionierungsverfahren nach den \citet{RDOAsphalt09} geführt. Abschließend wurde an mehreren Fallbeispielen die Anwendbarkeit des Verfahrens der Mittelwertfunktionen gezeigt. Als Schlussfolgerung dieser Arbeit kann abgeleitet werden, dass die thermischen Zustände in Straßenbefestigungen durch Verwendung der Mittelwertfunktionen mit deutlich geringeren Abweichungen und somit einer höheren Güte im Dimensionierungsverfahren verwendet werden können. Weiterhin wurde festgestellt, dass der Klimawandel einen essenziellen Einfluss auf die Dauerhaftigkeit der Straßenbefestigungen in Asphaltbauweise in ganz Deutschland haben. Es ist zwingend notwendig, Maßnahmen aus den Erkenntnissen dieser Arbeit abzuleiten, um die Resilienz der Infrastruktur gegenüber dem Klimawandel zu erhöhen.

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Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 3146
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Wiedemann, Sabine; Freudenstein, Stephan
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