Fakultät Bauingenieurwesen - Institut für Stadtbauwesen und Straßenbau - Professur für Straßenbau Simulation der Frosteindringungen unter Berücksichtigung klimatischer Veränderungen Dresdner Asphalttage 2009
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 300.000 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
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
Emissionsszenarien: Prognosen der Temperaturänderungen Quelle: IPCC 2007: WG1-AR4 Folie 4
Ausgewähltes Emissionsszenario Quelle: IPCC 2007: WG1-AR4 Folie 5
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
Prinzip der thermischen Simulation gespeicherte Wärme Straßenbefestigung Klimaparameter Globalstrahlung Lufttemperatur Luftfeuchtigkeit Niederschlagsmenge Windgeschwindigkeit Bewölkungsgrad Zeitintervall = 1 h Folie 7
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 (1960 2000) thermische Prognoserechnungen für den Zeitraum von 1980 2069 (90 Jahre) Folie 8
Untersuchungsgebiet & Befestigungsaufbau ca. 320 km² Folie 9
Prognostizierte Änderungen der Oberflächentemperaturen Prognostizierte Häufigkeiten negativer Oberflächentemperaturen 1980 2009 13% Oberflächentemperaturänderung [K] 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0 von 2009 bis 2038 2014 2043 A1B - 1 A1B - 2 Trend A1B - 2 Trend A1B - 1 +3,8 bis +4,9 K +1,1 bis +1,8 Jahrestiefstemperaturen K (30-jährige Mittelwerte) 2019 2048 2024 2053 Zeitraum 2029 2058 ca. +5,0 K 2034 2063 2039 2068 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 2014 2043 2019 2048 2024 2053 Zeitraum 2029 2058 2034 2063 2039 2068 Folie 10
Prognostizierte Veränderungen der jährlichen maximalen Frosteindringtiefen 60 Bezug auf Mittelwert des Zeitraums 1980-2009 Bezug auf Maximum des Zeitraums 1980-2009 Trend (Mittelwert) Trend (Maximum) 60 Bezug auf Mittelwert des Zeitraums 1980-2009 Bezug auf Maximum des Zeitraums 1980-2009 Trend (Mittelwert) Trend (Maximum) 40 A1B-1 40 A1B-2 Differenz der jährlichen Frosteindringung [cm] 20 0-20 -40-60 -80-100 -120 2009 2019 2029 2039 2049 2059 2069 Jahr Differenz der jährlichen Frosteindringung [cm] 20 0-20 -40-60 -80-100 -120 2009 2019 2029 2039 2049 2059 2069 Jahr Folie 11
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
Veränderungen der bemessungsrelevanten 60% - Frosteindringtiefe Änderung der 60%-Frosteindringtiefe [cm] 0-5 -10-15 -20-25 -30-35 -40 von bis 2009 2069 z (30-jähriges Wiederkehrintervall) t 2069 F,30-2 bis -8 cm 2012 2069 = z A1B-1 A1B-2 Trend A1B-1 Trend A1B-2 2015 2069 t 2069 F,30 2018 2069 z 1980 t F,30 2021 2069 Jahr 2024 2069 2027 2069 Prognosezeitraum 2030 2069 2033 2069-8 bis -20 cm 2036 2069 2039 2069-15 bis -18 cm Folie 13
Minderungen der Dicke des frostsicheren Oberbaus aus thermischen Gesichtspunkten 2009 2069-5 cm ab 2020-10 cm ab 2035-15 cm ab 2040 Welche Auswirkungen hat dies auf die strukturellen Schädigungen der gesamten Befestigung? Folie 14
Tast-Rechnungen gemäß RDO-Asphalt 09 Bauklasse SV (4 8 22) *) VAR1 VAR2 VAR3 Dicke des frostsicheren Oberbaus [cm] 65 75 85 Dicke FSS [cm] 31 41 51 E v2 auf FSS [N/mm²] 120 120 120 E-Modul der FSS [N/mm²] 186 164 141 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] 55 65 75 Dicke Achslastkollektiv FSS [cm] BAB Fernverkehr der 33 RDO-Asphalt 43 09 53 E v2 204 auf FSS Belastungssituationen [N/mm²] infolge Temperatur 120 120 120 E-Modul (12 Temperaturverläufe der FSS [N/mm²] x 17 Oberflächentemperaturklassen) 182 159 136 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] 45 55 65 Dicke Gesamtlastwechselzahl: FSS [cm] N vorh = 38.800.000 31 41 51 E v2 auf FSS [N/mm²] 120 120 120 E-Modul Nachweise der FSS gemäß [N/mm²] RDO-Asphalt 09: 186 164 141 E v2 auf Planum 1. Plastische [N/mm²] Verformung des Untergrundes 45 2. Plastische Verformungen der ToB Nvorh,i SMINER si i i Nzul, i 3. Ermüdungsnachweis der ATS Folie 15
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 20 30 40 50 60 Dicke der FSS [cm] Folie 16
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 (1980-2009) + 80% Schadensumme FSS=36 cm (1980-2009) 0,0 von bis 2009 2038 2012 2041 2015 2044 2018 2047 2021 2050 2024 2053 2027 2056 2030 2059 2033 2062 2036 2065 2039 2068 Zeitraum Folie 17
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
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
Ausblick zusätzlich thermische Prognoserechnungen für - weiter Emissionsszenarien - andere Bauweisen - anderer thermophysikalischer Materialparameter Berücksichtigung bei Dimensionierungs- und Prognoserechnungen erforderlich Folie 20
Fakultät Bauingenieurwesen - Institut für Stadtbauwesen und Straßenbau - Professur für Straßenbau Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!