Bericht über das Monitoring der Pilotstrecke

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1 Bayerisches Landesamt für Umwelt Zweischichtiger Offenporiger Asphalt auf der B 17 in Augsburg Bericht über das Monitoring der Pilotstrecke 1 Einleitung Betroffenheiten durch Verkehrslärm Seit 1970 hat sich in Deutschland der Bestand an Pkw etwa verdreifacht [1]. Heute besitzen fast drei von vier Bundesbürgern ein Auto. Mit diesem werden durchschnittlich pro Tag 37 km zurückgelegt [2]. Allein durch den Individualverkehr ist es um ca. 5 db(a) lauter geworden. Etwa zwei Drittel der Bevölkerung fühlen sich durch Straßenverkehrslärm belästigt. 13 Millionen Menschen, die meisten davon in Ballungsräumen, sind Lärmpegeln von mehr als 65 db(a) am Tag und 55 db(a) in der Nacht ausgesetzt, die als gesundheitlich bedenklich gelten [3]. Nicht umsonst stellen ruhige Wohnlagen den zweitwichtigsten Faktor für eine hohe Lebensqualität dar [4]. Trotz kontinuierlicher Absenkung der Lärm-Grenzwerte für die Typzulassung sind diese Fahrzeuge im fließenden Verkehr nicht leiser geworden [5]. Der Grund dafür ist, dass z.b. für Pkw bereits ab Geschwindigkeiten von ca. 30 bis 40 km/h das Rollgeräusch die Hauptlärmquelle darstellt und dieses bei der Typzulassung nur unzureichend berücksichtigt wird. Das Rollgeräusch entsteht durch die Wechselwirkung des Reifens mit der Fahrbahn. Dieser verformt sich beim Abrollen und wird einerseits zu Schwingungen angeregt. Das Reifenprofil schlägt zudem auf die Straßenoberfläche auf und es entstehen Reib- und Zischgeräusche (Abb. 1 links). Die gekrümmte Lauffläche im Ein- und Auslauf des Reifens bildet mit der Fahrbahnoberfläche einen Schalltrichter, der die Schallabstrahlung noch verstärkt (Horneffekt in Abb. 2 links) [6]. Zur Lösung der aufgezeigten Probleme wäre eine radikale Verhaltensänderung der Bevölkerung notwendig, angeregt durch ein stark verändertes Lärm-Bewußtsein [7]. Solange dies jedoch noch nicht in ausreichender Form vorhanden ist, sind weitere technische Ansätze nötig. Hierzu zählen neben den Lärmschutzwällen und wänden im Schallausbreitungsweg auch leise Straßenoberflächen [8]; zu letzteren gehören insbesondere die offenporigen Asphaltdeckschichten (OPA). Hier liegt der Ansatz zur Minderung der Lärmbelastung der Bürger: ein Geräusch, das nicht vorhanden ist, muss nicht aufwändig abgemindert werden.

2 Kontaktauslauf Reifen- Rollrichtung Reifen- Rollrichtung Kontakteinlauf Kontaktauslauf Kontakteinlauf Abb. 1 Links: Beim Fahren auf einer dichten Deckschicht schließt der Reifen im Kontakteinlauf Luft ein. Diese wird durch das gegen die Fahrbahn gepresste Profil verdichtet und im Kontaktauslauf schlagartig entspannt. Dadurch entstehen Zischgeräusche ( air pumping ). Rechts: Die Luft entweicht in die Holräume der OPA. Dadurch wird das air pumping reduziert. grafische Darstellung LfU 2 Die OPA als Lärmschutzmaßnahme für lärmkritische Fälle Die Entwicklung der OPA begann vor ca. 60 Jahren in den USA [9], zunächst auf Start- und Landebahnen, um die Gefahr des Aquaplanings von Flugzeugen zu minimieren, danach auf Straßen in regenreichen Regionen, um die Bildung von Sprühfahnen zu mindern und die Verkehrssicherheit zu erhöhen. Diese Deckschichten werden deshalb auch als Dränasphalt bezeichnet. Erst später wurde ihre Rollgeräusch mindernde Wirkung für den Verkehrslärmschutz entdeckt (sogenannte horizontale Lärmschutzmaßnahme). In Deutschland bestehen seit 1986 Erfahrungen mit OPA [10]. Der Mechanismus der Pegelminderung basiert im Wesentlichen auf drei Faktoren: Die gewalzte Oberfläche, wie z.b. auch bei einer Deckschicht aus Splittmastixasphalt, regt den Reifen nicht so sehr zu Schwingungen an. Zischgeräusche, die beim Verdichten und Entspannen der Luft zwischen Reifenprofil und Straßenoberfläche entstehen (air pumping), werden reduziert (Abb. 1 rechts). Schall wird auf dem Ausbreitungsweg absorbiert (Abb. 2 rechts). Dabei bestimmen Hohlraumgehalt, Strömungswiderstand für die Luft und Einbaudicke die absorbierenden Eigenschaften der OPA, die im Einzelfall in Abhängigkeit von Verkehrsstärke, Verkehrszusammensetzung (Pkw- und Lkw-Anteil) sowie Fahrgeschwindigkeit optimiert werden müssen (Abb. 3) [11][12]. Abb. 2: Minderung des Horn-Effekts: Die gekrümmte Lauffläche des Reifens bildet mit der Fahrbahnoberfläche einen Schalltrichter, der den Schall (hier bei 1000 Hz) bei der Ausbreitung über einer dichten Deckschicht verstärkt (links) und über einer offenporigen mindert (rechts). Bildquelle: Hübelt, euronoise 2003 [6], grafische Darstellung LfU 2 Bayerisches Landesamt für Umwelt 2012

3 Vorbeifahrtpegel in db(a) a) innerorts Lkw Pkw dichte Deckschicht 2 OPA b) 1. Maximum akustisch relevanter Bereich Frequenz (Hz) Absorptionsgrad α Abb. 3: a) Geräuschspektren von Pkw und Lkw innerorts auf einer dichten Deckschicht und 2 OPA; graue Flächen: spektrale Minderung im höher-frequenten Bereich durch Absorption; Datenquelle: LfU b) Das 1. Maximum im Absorptionsspektrum der 2 OPA wird vornehmlich auf das Rollgeräusch der Lkw abgestimmt; hier nach dem Modell von Hamet [5]. Seit 1989 werden die offenporigen Asphaltdeckschichten in den Niederlanden sogar zweischichtig (2 OPA) gebaut [13]. Untersuchungen zeigen, dass diese das Rollgeräusch gegenüber Gussasphalt auch bei niedrigen Geschwindigkeiten (innerstädtisches Verkehrsniveau) um mehr als 5 db(a) mindern. Auf Initiative des Bayerischen Landesamts für Umwelt (LfU) wurde im August 2003 erstmals in Deutschland eine bau- und schalltechnisch optimierte 2 OPA auf der Bundesstraße B 17 in Augsburg auf einer Länge von 560 m von Betriebskilometer () 18,150 bis 17,590 eingebaut [12][14]. Eine weitere Strecke wurde im August 2005 auf der Westlichen Ringstraße in Ingolstadt realisiert [15]. Beide Projekte wurden vom Bayerischen Staatsministerium für Umwelt und Gesundheit gefördert. Diese Deckschichten mindern das Rollgeräusch von Pkw um mindestens 7 db (Abb. 4) und das von Lkw um 6 db. Hierdurch hat sich der Verkehrslärm deutlich verringert. Im Jahr 2007 wurde das LfU für diese Maßnahmen vom Bundespräsidenten als Schirmherr der Initiative Deutschland Land der Ideen ausgezeichnet. 102 Pkw, v = 80 km/h Monate nach Umbau 100 vor dem Einbau ca. 7 db(a) Verlängerungsstrecke Pilotstrecke 88 Nahfeldpegel in db(a) Fahrtrichtung Abb. 4: Ortsaufgelöstes Rollgeräusch des linken Fahrstreifens der Richtungsfahrbahn Landsberg Donauwörth bei 80 km/h gemessen in unmittelbarer Nähe des Pkw Reifens (Nahfeldpegel) vor dem Einbau sowie 7, 21, 68/10 und 86/28 Monate nach dem Einbau einer 2 OPA auf der Pilot-/Verlängerungsstrecke. Datenquelle: Müller-BBM GmbH, grafische Darstellung LfU Bayerisches Landesamt für Umwelt

4 Nahfeldpegel in db(a) 100 akustischer Zustand vor dem Umbau 98 rechter Fahrstreifen linker Fahrstreifen 90 Abb. 5: Zeitliche Veränderung des Rollgeräusches bei 80 km/h in unmittelbarer Nähe des Reifens auf dem rechten und linken Fahrstreifen der 2 OPA auf der B 17 in Augsburg (ohne störende Effekte im Übergangsbereich). Datenquelle: Müller-BBM GmbH, grafische Darstellung LfU 3 Wissenschaftliche Begleitung der 2 OPA auf der B 17 Der Frage, ob und wie sich die akustischen Parameter der 2 OPA im Laufe der Jahre verändern, ging das LfU in einer wissenschaftlichen Begleituntersuchung (Monitoring) nach. Über sieben Jahre hinweg wurden jährlich vor allem die Schallabsorption, der Strömungswiderstand und die Textur der Deckschicht bestimmt. Außerdem wurde das Rollgeräusch in unmittelbarer Nähe des Reifens (Nahfeldpegel, CPX- Messung) erfasst (Abb. 4) [16]. Nach ca. fünf Jahren Liegezeit der Pilotstrecke wurde die sogenannte Verlängerungsstrecke von 17,705 bis 17,013 gebaut. Vorausgegangen war der zwei Jahre dauernde höhenfreie Umbau der Gabelsbergerstraße bei ca. 17,300. Somit konnte auch der unmittelbare Einfluss einer angrenzenden Baumaßnahme auf eine 2 OPA untersucht werden. Die CPX- Messungen ergaben, dass auf der B 17 jeweils die linken Fahrstreifen praktisch nicht, die rechten Fahrstreifen dagegen nach dem Einbau pro Jahr um rund 1 db lauter wurden (Abb. 5) [17]. Im direkten Übergangsbereich in Fahrtrichtung von der dichten Deckschicht auf die 2 OPA lässt die Minderungswirkung sogar noch stärker nach (Abb. 4). Hier verstopft der durch die Kraftfahrzeuge eingetragene Straßenschmutz die Hohlräume, ähnlich wie bei einem Fußabstreifer. Damit verbunden nimmt der Schallabsorptionsgrad α ab und die Frequenz f max des ersten Maximums im Absorptions- a) Absorptionsgrad α b) Fahrtrichtung Pilotstrecke Verlängerungsstrecke Frequenz des 1. Maximums im Absorptionsspektrum f max 300 Hz 400 Hz 500 Hz 600 Hz 700 Hz 570 Hz 500 Hz 600 Hz 700 Hz Abb. 6: a) Absorptionsgrad α und b) Frequenz f max des ersten Maximums im Absorptionsspektrum der linken Fahrstreifen der 2 OPA auf der B 17 in Augsburg in Abhängigkeit von Zeit und Ort (). Datenquelle: Müller-BBM GmbH, grafische Darstellung LfU 4 Bayerisches Landesamt für Umwelt 2012

5 spektrum verschiebt sich gleichzeitig von optimal 570 Hz (Abb. 3) zu tieferen Frequenzen (Abb. 6). Dieser Zusammenhang kann mit der Änderung der Hohlraumstruktur infolge des Betriebs der 2 OPA begründet werden. Da sich das Rollgeräusch auf den linken Fahrstreifen über die Jahre fast nicht verändert hat (Abb. 5), wirken sich die zeitlichen Veränderungen der akustischen Parameter der 2 OPA hier offenbar noch nicht aus. Um zu erklären, warum die rechten Fahrstreifen kontinuierlich lauter wurden, können diese Parameter somit als Referenz herangezogen werden. Werden die akustischen Parameter der linken Fahrstreifen von denen der rechten abgezogen (Abb. 7), dann können im Nachhinein zwei Ursachen dafür ausgemacht werden, warum sich die akustischen Eigenschaften der rechten Fahrstreifen während des Straßenbetriebs trotz zweimal jährlicher Reinigung unumkehrbar negativ verändert haben. Die erste Ursache sind vermutlich Scherkräfte, die von Kfz im Einfahrbereich der Eichleitnerstraße auf die B 17 ausgeübt werden. Nach etwa zweieinhalb Jahren Liegezeit konnte im Bereich zwischen Betr.- km ca. 18,050 und ca. 18,000 festgestellt werden, dass sich die Textur der Oberfläche verändert. In der Folgezeit traten auch Kornausbrüche auf. Deshalb musste in diesem Bereich bereits nach sechs Jahren Liegezeit die oberste Schicht der 2 OPA durch einen lärmarmen Splittmastixasphalt (SMA-LA) als Sanierungsmaßnahme ersetzt werden. Die zweite Schadensursache ist der höhenfreie Umbau der Kreuzung Gabelsbergerstraße im Zusammenhang mit dem Bau der Verlängerungsstrecke. Während der gesamten fast zweijährigen Bauzeit traten auf der Pilotstrecke Verkehrsstauungen auf. Außerdem war die Höchstgeschwindigkeit zeitweise von 70 km/h auf 50 km/h reduziert. Durch die geänderte Verkehrsführung und hohe Belastung durch Lkw wurde auf einer Länge von ca. 150 m ab ca. 17,700 vermehrt Schmutz eingetragen. Diese Beobachtungen bestätigen auch bautechnische und computertomographische Untersuchungen an Bohrkernen. Hierfür wurden nach ca. 6 Jahren Liegezeit bei ca. 17,750 sowohl aus als auch zwischen den Rollspuren der jeweils linken und rechten Fahrstreifen Bohrkerne gezogen. Die Ergebnisse zeigen, dass sich der Hohlraumgehalt in der 2 OPA im linken Fahrstreifen sowie der Hohlraumgehalt der unteren Schicht in der 2 OPA im rechten Fahrstreifen gegenüber dem Neuzustand kaum verändert hat. Dagegen verstopft zu einem Drittel organischer und zu zwei Dritteln anor- a) Differenz des b) 17.1 Absorptionsgrads Δα Fahrtrichtung SMA LA Pilotstrecke Verlängerungsstrecke Frequenzverschiebung des 1. Maximums im Absorptionsspektrum Δf max -600 Hz -400 Hz -200 Hz 0 Hz Abb. 7: a) Differenz des Absorptionsgrads Δα und b) Frequenzverschiebung des ersten Maximums im Absorptionsspektrum Δf max von rechten und linken Fahrstreifen der 2 OPA auf der B 17 in Augsburg in Abhängigkeit von Zeit und Ort (). Datenquelle: Müller-BBM GmbH, grafische Darstellung LfU -100 Hz -100 Hz -300 Hz SMA LA Bayerisches Landesamt für Umwelt

6 ganischer Schmutz die Hohlräume der oberen Schicht der 2 OPA der rechten Fahrstreifen. Die Übergangszone der unteren und oberen Schicht der 2 OPA wirkt dabei wie ein Sieb. Auch wenn die offenporige Asphaltdeckschicht 2007 in die Regelwerke der Straßenbauverwaltung aufgenommen wurde [18], bleibt sie eine besondere Bauweise speziell für Fälle, in denen herkömmliche Schallschutzmaßnahmen versagen [19]. Da es sich um eine Hightechbauweise handelt, ist eine fachliche Begleitung von der Planung über den Bau einer Teststrecke bis zum eigentlichen Einbau notwendig. Aber nicht jede Straße ist hierfür geeignet. So muss eine hohe Verkehrsbelastung bei gleichmäßig fließendem Verkehr vorliegen. Da die OPA empfindlich auf Schub- und Scherkräfte reagieren, sollten sie nicht im Bereich von kurvigen Straßenabschnitten, Steigungen über 5 %, Kreuzungen, Ampeln, Abbiegestreifen mit Schwerverkehr, Parkbuchten, Bushaltestellen, Ein- und Ausfahrten zu und von gewerblichen Anlagen sowie auf Straßen mit landwirtschaftlichem Verkehr verwendet werden. Auch sind Aufgrabungen zu vermeiden. Des Weiteren ist eine besondere betriebliche Erhaltung notwendig. 4 Reinigung und Winterdienst Damit die OPA dauerhaft pegelmindernd wirksam ist, muss ihre Offenporigkeit erhalten bleiben. Auf Autobahnen und Schnellstraßen ist dies in der Regel durch den sogenannten Selbstreinigungseffekt aufgrund der hohen Fahrgeschwindigkeiten der Kfz gewährleistet, d.h. beim Abrollen der Reifen entsteht ein Unterdruck (Sog) auf der Fahrbahn, der den Schmutz aus den Poren der OPA zieht und dadurch ein Zusetzen des Belags verhindert. Für innerörtliche Straßen mit niedrigeren Geschwindigkeiten, bei denen dieser Effekt nicht oder nur wenig auftritt, gibt es derzeit noch keine ausreichend gesicherten Erfahrungen. Bei Schmutzeinträgen größeren Ausmaßes, z.b. durch Laub, Fruchtfall, Tierexkremente und kadaver, Feststoffe, Chemikalien, Öle oder Kraftstoffe, wirkt der Selbstreinigungseffekt selbst bei höheren Geschwindigkeiten jedoch nicht mehr. In diesem Fall dürfen die OPA aber in keinem Fall mit einem konventionellen Kehrfahrzeug gereinigt werden, denn mit diesem würde der oberflächliche Straßenstaub verstärkt in die Poren verteilt. Darüber hinaus könnten die rotierenden Bürsten die Oberflächenstruktur (Textur) der Deckschicht zerstören. Bei Ölunfällen darf deshalb auch kein Ölbindemittel in Pulverform verwendet werden. Die Reinigung darf nur mit einem Druck-Spül-Saug-Gerät durchgeführt werden. Dabei sind die Einstellungen (z.b. Arbeitsdruck) am Reinigungsgerät so zu wählen, dass die Oberfläche nicht beschädigt wird. Der Reinigungsvorgang sollte auf der angrenzenden dichten Deckschicht beginnen und kontinuierlich durchgeführt werden. Bei Stillstand des Fahrzeugs ist er zu unterbrechen. Die Reinigungswirkung ist derzeit aber noch gering. Die Ursache hierfür ist vermutlich, dass große Bereiche der OPA nur mit sehr kleinen Geschwindigkeiten durchströmt werden [20]. Offenporige Asphaltdeckschichten kühlen schneller aus und erwärmen sich langsamer als andere Fahrbahnoberflächen. Der Winterdienst muss daher vorausschauend durchgeführt werden. Splitt darf grundsätzlich nicht verwendet werden, da dadurch die Hohlräume verstopft werden. Schneepflüge mit Metallschienen sowie falsch justierte oder defekte Schürfleisten können die Oberfläche beschädigen. 5 Zusammenfassung Ziel ist es, das Rollgeräusch als dominante Quelle des Verkehrslärms zu mindern. Dazu können die OPA mit Pegelminderungen von mehr als 5 db(a) über mindestens 8 Jahre im Vergleich zum Referenzbelag Gussasphalt in vielen Fällen beitragen [21]. Von Vorteil ist, dass sich die Pegelminderung beidseits des Straßenraums auswirkt und auch hohe Gebäude vor Verkehrslärm geschützt werden können. Voraussetzung ist, dass die Offenporigkeit der Deckschicht erhalten bleibt. Über den Einsatz von OPA muss im Einzelfall entschieden werden [22]. 6 Bayerisches Landesamt für Umwelt 2012

7 6 Literaturverzeichnis [1] Verkehrs- und Unfalldaten, Kurzzusammenstellung der Entwicklung in Deutschland, Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt), Oktober 2010 [2] Luis Antonio de la Fuente Layos: Mobilität im Personenverkehr in Europa; Statistik kurz gefasst, Europäische Gemeinschaften, [3] Positionspapier des Umweltbundesamtes zu Auslösekriterien für die Lärmaktionsplanung, März [4] Kuckartz, U. und Rheingans-Heintze, A; Umweltbewusstsein in Deutschland 2004; Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU), Bonn 2004, [5] Steven, H.: Ermittlung der Geräuschemissionen von Kfz in Straßenverkehr; Forschungsauftrag des UBA; Februar 2005 [6] Hübelt, J.: Modeling of Porous Asphalt as Extended Reacting Absorber using the Transmission- Line-Matrix-Method (TLM); euronoise, paper ID: SS IP /p.1, Neapel 2003 [7] Bayerisches Landesamt für Umweltschutz: Auto(mobil) und Umweltschutz, Technik und Fahrverhalten an welchen Rädern dreht der Fahrer?, ISBN , Augsburg 2005, [8] Bartolomaeus, W.: Lärmmindernde Straßenoberflächen innerorts eine Bestandsaufnahme; Lärmbekämpfung Bd. 4 (2009) Nr. 6 November, S. 250 [9] Vogel, M.: Flüstern statt dröhnen, Physik Journal 8 (2009) Nr. 11, Seite 50f [10] Hirsch, V und Ripke, O.: Lernen von der Straße Offenporige Asphalte; Straße und Autobahn 1 (2008), Seite [11] Hamet, J.: Modelisation acoustique d un enrobe drainant / INRETS. 159, Octobre 1992, Bron Cédex, Forschungsbericht [12] Beckenbauer, T. et al.: Pilotprojekt B 17 - Akustische Untersuchungen bei Bau und Betrieb eines hochwirksamen geräuschmindernden Fahrbahnbelags; DAGA 2005 [13] Richtlijn Tweelaags ZOAB; VBW-Asfalt (Vereinigung der niederländischen Asphalt Straßenbauer), 2002 [14] Attenberger, A. und Kühne, R.: Pilotprojekt: 2 OPA als innerstädtische Lärmschutzmaßnahme; DAGA 2005 [15] Stadt Ingolstadt: Westliche Ringstraße, Pilotprojekt zweischichtiger offenporiger Asphalt - Eine Handreichung, 2009 [16] Normentwurf ISO/CD : Acoustics: Measurement of the influence of road surfaceson traffic noise Part 2: The Close-Proximity Method. Entwurf, Arbeitsvorlage vom 13. Dezember 2000 [17] Beckenbauer, T. et al.: Langzeiterfahrungen mit zweischichtigem offenporigem Asphalt in innerörtlicher Situation; Lärmbekämpfung Bd. 3 (2008) Nr. 6 November, S. 25 [18] Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für den Bau von Verkehrsflächenbefestigungen aus Asphalt, ZTV Asphalt-StB 07, ISBN , 2007 Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen e.v., Köln [19] Allgemeines Rundschreiben Straßenbau Nr. 8/2004, Bundesministerium für Verkehr, Bau- und Wohnungswesen, S 13/ /22 Va 04, VkBl. Heft , S. 584 [20] Haselbauer, M. et al.: Strömungsvorgänge in porösen Asphaltdeckschichten; DAGA 2007 [21] Allgemeines Rundschreiben Straßenbau Nr. 3/2009, Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung, S 13/7144.2/02-09/ , VkBl. Heft , S. 260 Bayerisches Landesamt für Umwelt

8 [22] Holldorb, Ch.: Ökonomische Bewertung der lärmmindernden Wirkung offenporiger Asphaltdeckschichten; Durth Roos Consulting GmbH, Karlsruhe 2003 Impressum: Herausgeber: Bayerisches Landesamt für Umwelt (LfU) Bürgermeister-Ulrich-Straße Augsburg Telefon: Telefax: Internet: Postanschrift: Bayerisches Landesamt für Umwelt Augsburg Bearbeitung: Ref. 27 / Dr. Alexander Attenberger Bildnachweis: LfU Stand: Bayerisches Landesamt für Umwelt 2012