Simulation der Frosteindringungen unter Berücksichtigung klimatischer Veränderungen

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Laura Adler
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1 Fakultät Bauingenieurwesen - Institut für Stadtbauwesen und Straßenbau - Professur für Straßenbau Simulation der Frosteindringungen unter Berücksichtigung klimatischer Veränderungen Dresdner Asphalttage 2009

2 Munich Re warnt vor Kosten- Explosion durch Klimawandel Klimawandel führt zu massiven Umweltkatastrophen Quelle: Welt-online Allianz befürchtet nicht versicherbare Schäden durch Klimawandel Quelle: Spiegel-online Forscher berichten von massivem Eisschwund Quelle: Spiegel-online Mehr als Menschen sterben jährlich an den Folgen des Klimawandels Quelle: Bild-online Quelle: Zeit-online Forscher warnen vor Turbo-Klimawandel Quelle: SZ-online 16,8 Grad in Hamburg! So warm war s im November noch nie Quelle: Spiegel-online Folie 2

3 Gliederung Einführung: Klimawandel / Emissionsszenarien Ergebnisse der Untersuchungen Grundlagen der Berechnung Auswirkungen der klimatischen Veränderungen Straßenbautechnische Reaktionen Prognosen zur strukturellen Schädigung von Asphaltbefestigungen Zusammenfassung / Ausblick Folie 3

4 Emissionsszenarien: Prognosen der Temperaturänderungen Quelle: IPCC 2007: WG1-AR4 Folie 4

5 Ausgewähltes Emissionsszenario Quelle: IPCC 2007: WG1-AR4 Folie 5

6 Gliederung Einführung: Klimawandel / Emissionsszenarien Ergebnisse der Untersuchungen Grundlagen der Berechnung Auswirkungen der klimatischen Veränderungen Straßenbautechnische Reaktionen Prognosen zur strukturellen Schädigung von Asphaltbefestigungen Zusammenfassung / Ausblick Folie 6

7 Prinzip der thermischen Simulation gespeicherte Wärme Straßenbefestigung Klimaparameter Globalstrahlung Lufttemperatur Luftfeuchtigkeit Niederschlagsmenge Windgeschwindigkeit Bewölkungsgrad Zeitintervall = 1 h Folie 7

8 Datenbasis der simulationsrelevanten Klimaparameter Klimaparameter wurden prognostiziert von der Gruppe Modelle und Daten (M&D) des Max-Planck-Instituts für Meteorologie Hamburg Prognosezeitraum für das Szenario A1B: 2000 bis 2100 zwei Szenarioläufe (A1B-1 und A1B-2) mit unterschiedlichen Startbedingungen zusätzlicher Simulationsprozess für das Klima des 20 Jhd. C20 ( ) thermische Prognoserechnungen für den Zeitraum von (90 Jahre) Folie 8

9 Untersuchungsgebiet & Befestigungsaufbau ca. 320 km² Folie 9

10 Prognostizierte Änderungen der Oberflächentemperaturen Prognostizierte Häufigkeiten negativer Oberflächentemperaturen % Oberflächentemperaturänderung [K] 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0 von 2009 bis A1B - 1 A1B - 2 Trend A1B - 2 Trend A1B ,8 bis +4,9 K +1,1 bis +1,8 Jahrestiefstemperaturen K (30-jährige Mittelwerte) Zeitraum ca. +5,0 K Häufigkeit 12% 11% 10% 9% 8% 7% 6% 5% von 2009 bis 2038 A1B (Mittel aus A1B-1 abs.: -1,5 bis -2,5% und A1B-2) rel.: -11 bis -20 % Trend A1B abs.: -4,5 bis -6% rel.: -35 bis -45% abs.: -5,5 bis -6,5% rel.: -40 bis -50 % 30-jährige Mittelwerte Zeitraum Folie 10

11 Prognostizierte Veränderungen der jährlichen maximalen Frosteindringtiefen 60 Bezug auf Mittelwert des Zeitraums Bezug auf Maximum des Zeitraums Trend (Mittelwert) Trend (Maximum) 60 Bezug auf Mittelwert des Zeitraums Bezug auf Maximum des Zeitraums Trend (Mittelwert) Trend (Maximum) 40 A1B-1 40 A1B-2 Differenz der jährlichen Frosteindringung [cm] Jahr Differenz der jährlichen Frosteindringung [cm] Jahr Folie 11

12 Bemessungsrelevante Frosteindringtiefe RStO 01 bezieht sich auf die maximalen Frosteindringung des Winter 1962/63 strengster Winter seit Begin der Frostindexauswertung (1933) Dicke des frostsicheren Oberbaus = 60% der maximalen Frosteindringung Wiederkehrintervall wird auf mehr als 100 Jahre geschätzt (DWD) nachhaltiger Ressourcenumgang optimierte Frostdimensionierung maximale Frosteindringung eines 30-jährigen Wiederkehrintervalls Folie 12

13 Veränderungen der bemessungsrelevanten 60% - Frosteindringtiefe Änderung der 60%-Frosteindringtiefe [cm] von bis z (30-jähriges Wiederkehrintervall) t 2069 F,30-2 bis -8 cm = z A1B-1 A1B-2 Trend A1B-1 Trend A1B t 2069 F, z 1980 t F, Jahr Prognosezeitraum bis -20 cm bis -18 cm Folie 13

14 Minderungen der Dicke des frostsicheren Oberbaus aus thermischen Gesichtspunkten cm ab cm ab cm ab 2040 Welche Auswirkungen hat dies auf die strukturellen Schädigungen der gesamten Befestigung? Folie 14

15 Tast-Rechnungen gemäß RDO-Asphalt 09 Bauklasse SV (4 8 22) *) VAR1 VAR2 VAR3 Dicke des frostsicheren Oberbaus [cm] Dicke FSS [cm] E v2 auf FSS [N/mm²] E-Modul der FSS [N/mm²] E v2 auf Planum [N/mm²] 45 Bauklasse III (4 4 14) *) VAR1 VAR2 VAR3 11 Achslastklassen (2t, 4t,, 20t, 22t) der RDO-Asphalt 09 Dicke des frostsicheren Oberbaus [cm] Dicke Achslastkollektiv FSS [cm] BAB Fernverkehr der 33 RDO-Asphalt E v2 204 auf FSS Belastungssituationen [N/mm²] infolge Temperatur E-Modul (12 Temperaturverläufe der FSS [N/mm²] x 17 Oberflächentemperaturklassen) E v2 Steifigkeits-Temperaturfunktionen auf Planum [N/mm²] der Kalibrierasphalte 45 der RDO-Asphalt 09 Bauklasse Ermüdungsfunktion V (4 10) *) des Kalibrierasphalt VAR1 der Tragschicht VAR2 der RDO-Asphalt VAR3 09 Dicke des frostsicheren Oberbaus [cm] Dicke Gesamtlastwechselzahl: FSS [cm] N vorh = E v2 auf FSS [N/mm²] E-Modul Nachweise der FSS gemäß [N/mm²] RDO-Asphalt 09: E v2 auf Planum 1. Plastische [N/mm²] Verformung des Untergrundes Plastische Verformungen der ToB Nvorh,i SMINER si i i Nzul, i 3. Ermüdungsnachweis der ATS Folie 15

16 Tast-Rechnungen gemäß RDO-Asphalt 09 1,6 Bauklasse SV 1,4 1,2 MINER-Summe [-] 1,0 0,8 0,6 S(Asphalt) 0,4 S(FSS) S(Boden) 0,2 0,0 Schadenskriterium -15 cm Dicke der FSS [cm] Folie 16

17 Tast-Rechnungen gemäß RDO-Asphalt 09 2,5 Bauklasse SV MINER-Summe (Aspahlt) [-] 2,0 1,5 1,0 0,5 FSS=36 cm FSS=51 cm + 10% + 80% Schadenskriterium = Schadensumme FSS=51 cm ( ) + 80% Schadensumme FSS=36 cm ( ) 0,0 von bis Zeitraum Folie 17

18 Gliederung Einführung: Klimawandel / Emissionsszenarien Ergebnisse der Untersuchungen Grundlagen der Berechnung Auswirkungen der klimatischen Veränderungen Straßenbautechnische Reaktionen Prognosen zur strukturellen Schädigung von Asphaltbefestigungen Zusammenfassung / Ausblick Folie 18

19 Zusammenfassung teilweise gravierende Veränderungen der thermischen Zustände ist recht wahrscheinlich zukünftig geringere Frosteindringtiefen sind durchaus real aus thermischen Gesichtpunkten ist ein Minderung der Dicke des frostsicheren Oberbaues vorstellbar bezogen auf die strukturelle Schädigung der ungebundenen Schichten scheint dies durchaus vertretbar die zukünftigen klimatischen Veränderungen wirken sich recht wahrscheinlich gravierender auf die Ermüdung der Asphalttragschichten aus zur Kompensation negativer Auswirkungen auf die Ermüdung der ATS sind u. a. Schichtdickenerhöhungen denkbar Folie 19

20 Ausblick zusätzlich thermische Prognoserechnungen für - weiter Emissionsszenarien - andere Bauweisen - anderer thermophysikalischer Materialparameter Berücksichtigung bei Dimensionierungs- und Prognoserechnungen erforderlich Folie 20

21 Fakultät Bauingenieurwesen - Institut für Stadtbauwesen und Straßenbau - Professur für Straßenbau Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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