Adaptation der Straßenverkehrsinfrastruktur an den Klimawandel

Teilprojekt 7
Abgleich meteorologischer Messgrößen an Bundesfernstraßen mit Rasterdaten von Klimaprojektionen
Bildquelle: Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt)

Beschreibung

Der erwartete Klimawandel wird in den nächsten Dekaden in den unterschiedlichsten Lebensbereichen immer deutlicher zutage treten. In ungünstigen Fällen können damit auch Belastungsgrenzen im Straßenbau oder bei Ingenieurkonstruktionen erreicht oder überschritten werden. Um dazu nähere Erkenntnisse zu erlangen, befasst sich das Forschungsprojekt mit der Entwicklung von Algorithmen, um Werte aus regionalen Klimamodellen (Projektionen für den Klimawandel) auf die Verhältnisse am Straßenkörper bzw. an Verkehrsinfrastrukturen projizieren zu können. Dabei beschränkt sich das Projekt auf thermische Parameter (Temperaturänderungen) und den Niederschlag.

Ziel des Forschungsvorhabens ist zu klären, ob durch den Klimawandel Belastungsgrenzen im Straßenaufbau oder bei Ingenieurbauwerken überschritten werden. Dies wird für Bundesfernstraßen im gesamten Bundesgebiet betrachtet.

Für die Projektion der Klimadaten wird das dynamische Regionalmodell REMO (Regional Model) verwendet, das mit einer hohen räumlichen und zeitlichen Auflösung die Verteilung der verschiedeneren meteorologischen Parameter für die nächsten Dekaden berechnet.


Methodik

Für 30 ausgewählte Hotspots, also Flächen mit deutlichen Klimaänderungen in der Zukunft, liegen die Beobachtungsdaten von 62 Glättemeldeanlagen bzw. neu installierten KLIWA (Klimawandel)-Wetterstationen vor. Diese Messpunkte an Bundesfernstraßen werden grob nach ihrer Umgebung eingeteilt in:

  • Straßen in Freilage,
  • Straßen im Wald,
  • Straßen mit Randbauten oder mit Randbewuchs und
  • Straßen auf Brücken.

Zusätzlich liegen Informationen hinsichtlich des Belags der Straße (Beton oder Asphalt) sowie Streckenfotos vor. Als weitere Einflussgrößen auf thermische Komponenten werden Standorteigenschaften wie geografische Breite und Länge, Geländehöhe und Verlauf der Straße (Ost-West-Richtung oder Nord-Süd-Richtung) berücksichtigt.

Die Situation an der Straße wird mit den Verhältnissen an einer nahegelegenen Station des Deutschen Wetterdienstes (DWD) verglichen. Da die Anzahl der Daten an den Straßen für eine belastbare statistische Aussage oft zu gering ist, werden mit Hilfe eines numerischen Modells die Daten für thermische Kenngrößen nachgebildet.


Karte mit den betrachteten Hotspots mit Charakterisierung der Umgebung der Glättemeldeanlagen beziehungsweise der neuen KLIWA-Wetterstationen

Die Analysen werden für 62 benachbarte Messstationenpaare (Bundesfernstraße und DWD) und für folgende meteorologischen Parameter durchgeführt:

  • Anzahl der Sommertage (T≥25°C)
  • Anzahl der heißen Tage (T≥30°C)
  • Perioden mit Tagen T≥25°C
  • Perioden mit Tagen T≥30°C
  • jährliche Maximaltemperatur
  • Frost-Tau-Wechsel
  • Niederschläge > 10 mm/h oder > 20 mm/d.

Es wird ein linearer Zusammenhang zwischen der Straßenoberflächentemperatur und der Temperatur in 2 m Höhe unterstellt und Algorithmen zwischen den DWD-Stationen und den Belagstemperaturen an Bundesfernstraßen bestimmt.

Die gefundenen Regressionsbeziehungen (getrennt für Asphalt- und Betonfahrbahnen) werden genutzt, um mit Hilfe von REMO- Klimaprojektionsdaten die zukünftigen thermischen Verhältnisse und Starkniederschlagsbedingungen an den Bundesfernstraßen der 30 Hotspots zu simulieren.

Die berechneten Algorithmen sind unabhängig von den verwendeten regionalen Klimaprojektionen und können daher auch für andere Klimaprojektionsdaten genutzt werden.


Ergebnisse

Die mit REMO projizierten Temperaturdaten zeigen bis Ende des Jahrhunderts für die Belagstemperaturen bei Asphaltfahrbahnen in freier Lage maximale Werte von 74°C beim Hotspot Passau. Demgegenüber erreichen die Straßenoberflächentemperaturen in Hannover maximal 57°C (Asphalt). Betonfahrbahnen sind 3 – 4°C kälter. Auch sind Bundesfernstraßen mit Waldumgebung, auf Brücken oder mit Randhindernissen um ca. 1,5°C, 1,0°C bzw. 0,3°C kühler als vergleichbare Strecken in freier Lage.

Alle Kennwerte für die kalte Jahreszeit, wie Frost-Tau-Wechsel, Anzahl der Frosttage und Eistage nehmen betragsmäßig im 21. Jahrhundert nahezu linear ab, so dass diese Extremwerte nur bis zum Jahr 2035 Bedeutung haben.

Hinsichtlich des Niederschlags, ergeben sich für die zwei Projektionszeiträume 2021- 2050 und 2071- 2100 nur geringe Veränderungen, bei denen man zusätzlich noch die großen Unsicherheiten bei der Berechnung der Niederschläge mit einbeziehen muss.

Anhand dieser projizierten Daten und von Literaturquellen wurde innerhalb des Forschungsvorhabens beurteilt, ob durch den Klimawandel Belastungsgrenzen im Straßenaufbau oder bei Ingenieurbauwerken überschritten werden. Es zeigte sich, dass in der Regel durch die Klimaauswirkungen vorrangig mit Beeinträchtigungen der Verkehrssicherheit (u.a. Spurrinnen, Schlaglöcher) und der Dauerhaftigkeit (Materialalterung, Ermüdung, Rissbildung) zu rechnen ist. Insbesondere bei Asphaltdecken führt eine Erhöhung der Umgebungstemperatur im Sommer zu bleibenden Verformungen und Schäden.

Maximalwerte der Temperatur werden in Zukunft für einige Normen und Bemessungsgrundlagen Änderungsbedarf bedeuten, wobei bei einer Normenanpassung die Randbedingungen (z.B. Baujahr, planmäßige Nutzungsdauer) berücksichtigt werden müssen, um unwirtschaftlichen Bemessungen vorzubeugen.

Eine Möglichkeit der Normenanpassung besteht durch Berücksichtigung eines Klimaan-passungsfaktors in Abhängigkeit weiterer Randbedingungen. So ist bei Brücken − im Gegensatz zu Straßen − aufgrund der langen Bauwerksnutzungsdauer bereits zeitnah eine Intervention erforderlich.

Neben den Materialeigenschaften spielt auch das Mikroklima sowie die Exposition der Infrastrukturelemente eine bedeutende Rolle für die Bauteiltemperatur. So können an der Bauwerksoberfläche in Abhängigkeit der Oberflächenreflexionseigenschaften des Fahrbahnmaterials (hell, dunkel) Temperaturunterschiede von bis zu 22°C auftreten. Betonstraßen heizen sich nicht so stark auf wie Asphaltfahrbahnen. Dieser Effekt konnte anhand der vorliegenden Temperaturdaten bestätigt werden.

Bei der rechnerischen Dimensionierung von Asphaltbefestigungen werden maßgebende Temperaturverläufe mit der Verkehrsbelastung überlagert. Die Verkehrsbeanspruchungen werden zukünftig sowohl in der Stärke als auch hinsichtlich der transportierten Tonnage bzw. Achslasten weiter zunehmen. Dabei werden zukünftig verkehrsinduzierte Schädigungen über die vom Klimawandel hervorgerufenen Veränderungen dominieren.


Projektdaten

Projektdaten

Projektlaufzeit: 01.01.2012 – 30.11.2014

Auftragnehmer:
Büro für Umweltbewertung und Geoökologie, Gießen
Institut für Meteorologie und Klimatologie, Leibniz Universität Hannover
Institut für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz, TU Braunschweig

Ansprechpartner:
BASt Referat Z5
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