Aus Theorie und Praxis ist bekannt, dass die schalltechnischen Eigenschaften von Beton-fahrbahndecken in Plattenbauweise durch die akustische Wirksamkeit von Querscheinfugen beeinflusst werden können. Der Einfluss ist umso größer, je geringer der Pegel des Reifen-Fahrbahn-Geräusches zwischen den Fugen ist. Daraus resultiert, dass das theoretische Potenzial geräuschmindernder Texturen in der Praxis bei akustisch auffälligen Fugen nicht ausgeschöpft werden kann. Bei der gezielten Weiterentwicklung des systemrelevanten und sensitiven Konstruktionsdetails „Querscheinfuge“ besteht daher die Notwendigkeit, neben konstruktiven, materialtechnischen, herstellungsbezogenen und ökologischen Aspekten auch die akustische Wirkung zu beachten.

Zur Untersuchung des Einflusses verschiedener geometrischer und stofflicher Parameter von Fugensystemen wurde in einem ersten Schritt ein bestehendes Simulationsverfahren für Reifen-Fahrbahn-Geräusche weiterentwickelt und anhand ausgewählter Messungen auf Bundesautobahnen validiert. Hierfür war es zunächst erforderlich, die messtechnischen Voraussetzungen für eine getrennte akustische Ansprache von Fuge und reiner Oberflächen-textur zu schaffen. Eine anschließende rechnergestützte Parameterstudie identifizierte die Fugenbreite, die Höhenlage, Steifigkeit und Oberflächentextur des Füllmaterials, den Höhen-versatz der Fahrbahnplatten und die Ausrichtung der Fugen relativ zur Fahrbahn als schall-technisch maßgebende Einflussfaktoren. Auf dieser Grundlage fand eine umfassende Datenerhebung im BAB-Netz statt, um zum einen den Einfluss des durch die Fugen induzierten Schallpegels auf die geräuschmindernden Eigenschaften von Betonfahrbahn-decken anhand von Messdaten zu quantifizieren. Zum anderen galt es, die Sensitivität bezüglich einer Variation der detektierten Fugenparameter im praxisrelevanten Bereich zu analysieren.

In diesem Beitrag wird der aktuelle Wissensstand vorgestellt und der Einfluss von Querscheinfugen auf die schalltechnischen Eigenschaften von Fahrbahnoberflächen anhand von Praxisbeispielen erläutert. Im Ergebnis sollen nach Abschluss der Untersuchungen Empfehlungen für eine akustisch optimierte Ausführung von Fugenkonstruktionen ausge-sprochen werden. Besonderes Augenmerk liegt hierbei auf Parametern, mit denen in der Planung und Ausführung eine Steuerung der akustischen Performance effektiv möglich ist.

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1 Einleitung

Der Schutz von Mensch und Umwelt vor den Auswirkungen des Straßenverkehrs ist ein wichtiges Anliegen der Verkehrspolitik. Demnach setzt das BMVI bei der Umsetzung der deutschen Nachhaltigkeitsstrategie u. a. einen Schwerpunkt auf verbesserten Lärmschutz an bestehenden Bundesfernstraßen sowie innovative Bauweisen zur Reduktion der Umweltbelastungen durch Verkehrslärm (BMVI, 2020).

Die steigenden Anforderungen an die Geräuschminderungseigenschaften von Fahrbahndecken haben im Betonstraßenbau einen Impuls für die Entwicklung akustisch optimierter Texturen gesetzt. Diese reduzieren den Verkehrslärm direkt an der Quelle und wirken sich nicht nur auf das angrenzende Umfeld der Straßeninfrastruktur positiv aus, sondern auch auf den Fahrkomfort des Straßennutzers. Vor dem Hintergrund, dass bei Geschwindigkeiten ab ca. 50 km/h von Personenkraftwagen mit Verbrennungsmotor das Rollgeräusch bereits den maßgebenden Anteil an den entstehenden Schallemissionen hat, besitzt dieser Ansatz auch bei einer Zunahme der E-Mobilität auf deutschen Autobahnen eine hohe Relevanz.

Die Schallemission stellt folglich eine wichtige Gebrauchseigenschaft von Fahrbahnoberflächen dar, die anhand der Performance-Kenngröße „Reifen-Fahrbahn-Geräusch“ quantifiziert und bewertet werden kann.

2 Motivation/Zielsetzung

Für die derzeit als Regelbauweise ausgeführte Waschbetonoberfläche können gemäß RLS-19 Deckschichtkorrekturwerte D_SD von -1,4 dB bzw. -2,3 dB (Pkw bzw. Lkw) zur pauschalen Beschreibung der Geräuschminderung der Fahrbahnoberfläche herangezogen werden.

Ein darüber hinaus gehendes theoretisches Potenzial von bis zu -5 dB bieten längsgerichtete Texturen mittels Grinding (Bild 1) oder Grinding und Grooving, welches jedoch in der Praxis bisher nicht ausgeschöpft wird (LeiStra3, 2017), (Villaret; Beckenbauer et al., 2021). Das akustische Alterungsverhalten dieser Texturen führt dazu, dass nach einem Zeitraum von 6 Jahren unter Verkehr nur noch ein Teil dieses Potenzials vorhanden ist. Zu diesem nach den TP KoSD-19 maßgeblichen Zeitpunkt für die Feststellung von Straßendeckschichtkorrekturen D_SD ist derzeit von einer Pegelminderung von -2 dB bis -3 dB auszugehen (Beckenbauer, 2021). Des Weiteren können Diskontinuitäten in der Oberfläche die akustische Wirkung der

Bild 1: Betonfahrbahndecke mit Texturgrinding Typ S (links); Prinzipskizze Radüberrollung einer Fuge (rechts oben); 3D-Laserscan eines Querscheinfugenbereichs (rechts unten)

Fahrbahn negativ beeinflussen. Bei Fahrbahndecken in Plattenbauweise sind dies insbesondere Querscheinfugen, die regelmäßige Störstellen im Reifen-Fahrbahn-Kontakt bilden und zu einer impulsartigen Anregung von Reifenschwingungen führen können. Hierdurch ist eine fugenbedingte Pegelerhöhung des Reifen-Fahrbahn-Geräusches möglich. Die akustischen Auswirkungen der Querscheinfugen sind umso größer, je leiser das Reifen-Fahrbahn-Geräusch aufgrund einer akustisch günstigen Oberflächentextur zwischen diesen Fugen ist.

Für die zuverlässige Herstellung akustisch optimierter Betonfahrbahndecken ist demnach eine tiefgehende Kenntnis der physikalischen Zusammenhänge zwischen dem Reifen-Fahrbahn-Geräusch und der Ausprägung von Querscheinfugen im oberflächennahen Bereich essentiell.

In diesem Zusammenhang ergeben sich insbesondere folgende baupraktische Fragestellungen, die fundiert zu beantworten sind:

• Welchen Einfluss besitzen Fugen auf die erzielbare Geräuschminderung bzw. die schalltechnische Bewertung der Fahrbahnoberfläche?
• Ab welcher Breite werden Fugen akustisch wirksam?
• Welche weiteren Einflussparameter existieren?
• Wie sensitiv reagiert der Schalldruckpegel auf eine Variation der Einflussgrößen im praxisrelevanten Bereich?
• Kann eine gute akustische Performance von Fugen auch im zeitlichen Verlauf der Nutzungsdauer einer Betonfahrbahndecke sichergestellt werden?

Im Ergebnis sollen Handlungsempfehlungen für eine akustisch optimierte Ausführung von Querscheinfugen formuliert werden. Ein besonderes Augenmerk liegt hierbei auf Parametern, mit denen in den Prozessen Planung und Ausführung eine Steuerung der akustischen Performance von Fugen effektiv möglich ist. Zudem sind bei der Quantifizierung von Entwicklungszielen die herstellungs- und konstruktionsbedingten Möglichkeiten bzw. Grenzen zu eruieren und zu beachten.

In einem ersten Schritt galt es, die Mess- und Auswerteverfahren zur Ermittlung von Reifen-Fahrbahn-Geräuschen so weiterzuentwickeln, dass eine differenzierte akustische Ansprache und Analyse von Fugen und reiner Textur möglich werden. Damit einhergehend war es erforderlich, neue Begriffsdefinitionen einzuführen. Parallel hierzu erfolgte eine zielgerichtete Weiterentwicklung eines ganzheitlichen physikalischen Modells zur Simulation von Reifen-Fahrbahn-Geräuschen. Dieses wurde zum einen zur Durchführung einer umfassenden Parameterstudie herangezogen, um die maßgebenden geometrischen und stofflichen Einflussgrößen zu detektieren. Zum anderen diente das Modell dazu, die Auswirkungen von Fugen auf das Reifen-Fahrbahn-Geräusch zu quantifizieren und eine theoretische Potenzialabschätzung bezüglich einer Minimierung der akustischen Wirksamkeit vorzunehmen. Im Rahmen einer umfassenden Datenerhebung fand ein erster Praxisabgleich der gewonnenen Forschungsergebnisse statt. In diesem Beitrag wird neben der Zusammenfassung des aktuellen Wissenstandes die entwickelte Vorgehensweise zur Analyse der o. g. Fragestellungen anhand von zwei Praxisbeispielen erläutert und es werden erste Schlussfolgerungen abgeleitet.

3 Modifizierung Mess- und Auswerteverfahren

Die TP KoSD-19 erläutern das Verfahren zur Bestimmung der in den RLS-19 angegebenen Straßendeckschichtkorrekturwerten auf Basis von Messergebnissen. Zur messtechnischen Erfassung der Geräuschemissionen wird nun in der neuen Fassung neben dem Statistischen Vorbeifahrtverfahren (Statistical Pass-By SPB) auch das Nahfeldverfahren (Close Proximity CPX) herangezogen. Während bei der SPB-Messung die Geräuschemissionen im Fernfeld anhand der maximalen Vorbeifahrtpegel an einem Messquerschnitt bestimmt werden, ermöglicht die CPX-Messung die Erfassung des reinen Reifen-Fahrbahn-Geräusches im Nahfeld unbeeinflusst von speziellen Gegebenheiten der Messumgebung und unabhängig von Antriebsgeräuschen und Strömungsgeräuschen an der Karosserie. Aufgrund der kontinuierlichen Messung dient diese Messmethode auch zur Kennzeichnung der Homogenität der akustischen Eigenschaften von Fahrbahnoberflächen und ermöglicht eine repräsentative Bewertung eines gesamten Streckenabschnitts. Mögliche Unterschiede, die sich bei stationärer und kontinuierlicher Messung ergeben können, sind exemplarisch im Bild 2 dargestellt. Das Diagramm zeigt den Verlauf der aufeinanderfolgenden, über Fahrbahnabschnitte von jeweils 20 m Länge gemittelten Schalldruckpegel bei Messung mit dem Reifen P1 und einer Geschwindigkeit von 80 km/h. Die angegebene Standardabweichung von 0,4 spiegelt eine sehr gute Homogenität des Abschnitts wieder. Das Bild 2 zeigt auch, wie die Wahl des Messquerschnitts für SPB-Messungen aufgrund der durch das Messverfahren bedingten stichproben-artigen Beschränkung auf einen sehr kurzen Fahrbahnabschnitt das Messergebnis beeinflussen kann. Die angegebenen Einzelwerte beziehen sich auf den mittleren Vorbeifahrtpegel (maximaler A-bewerteter Schalldruckpegel bei Vorbeifahrt eines einzelnen Fahrzeugs) bei 120 km/h, der an drei Messquerschnitten innerhalb eines Bauloses desselben Fahrbahnbelags ermittelt wurde.

Bild 2: Exemplarischer Pegelverlauf einer CPX-Messung mit dem P1-Reifen bei 80 km/h (rote Linie) sowie mittlerer Vorbeifahrtpegel für 120 km/h von Pkw aus SPB-Messungen an drei Messquerschnitten in dB(A) (blaue Markierungen).

Im Hinblick auf die zuvor genannten Aspekte wird für die nachfolgenden Untersuchungen vorrangig das CPX-Verfahren weiterverfolgt. Eine differenzierte Ansprache der reinen Fahrbahntextur zwischen den Querscheinfugen und der Fugenbereiche ist jedoch, wie auch auf Bild 2 zu erkennen, mit der standardmäßigen Methode nicht möglich. Darüber hinaus können keine weiteren Oberflächenparameter erhoben werden, die Rückschlüsse auf die Ursachen der entstehenden Schallpegel in situ zulassen. Vor diesem Hintergrund war eine spezifische Weiterentwicklung des genormten Mess- und Auswerteverfahrens notwendig. Diese beinhaltete beispielsweise die Erhöhung der Abtastrate für den gemessenen Schalldruck sowie die Integration einer optischen Sensorik zur Fugendetektion. Des Weiteren wurden Algorithmen zur teilautomatisierten Detektion der Schallpegel im Fugenbereich geschaffen, um hinsichtlich einer statistischen Analyse die Vielzahl an Fugen eines oder mehrerer Streckenabschnitte mit vertretbarem Aufwand bestimmen zu können. Die Messtechnik wurde um ein schnellfahrendes Texturmesssystem ergänzt. Dieses ermittelt am Messreifen simultan zur Erfassung des Reifen-Fahrbahn-Geräusches mit großer Wiederholgenauigkeit die Oberflächentextur hochauflösend mittels Punkt-Laser, so dass auch die geometrische Ausprägung der Fugen abgebildet werden kann (Bild 3). Hieraus lassen sich Fugenparameter wie beispielsweise die akustisch wirksame Breite, die sich als Summe aus der Fugenkammerbreite sowie den Fasbreiten ergibt, sowie die Höhenlage des Fugenfüllsystems bestimmen. 

Bild 3: Exemplarische mittels Punkt-Laser schnellfahrend aufgenommene Verläufe des Textursignals und teilautomatisierte Detektion der Querscheinfugen (links) und Fugengeometrie aus zwei aufeinander folgenden Messfahrten (rechts)

Die Detaildarstellung im Bild 4 zeigt den Schallpegel-Zeitverlauf bei Überrollung einer akustisch wirksamen Fuge, der anhand des modifzierten CPX-Verfahrens verzögerungsfrei und hochaufgelöst erfasst werden kann. Die Unterbrechung bzw. Störung des Reifen-Fahrbahn-Kontaktes führt zu einer deutlichen Diskontinuität im Zeitverlauf und damit zu einer Anregung von Reifenschwingungen, die sich auch nach der Fugenüberrollung im Messsignal zeigen (Abklingkurve). Die Dauer des fugenbedingten Schallereignisses beträgt insgesamt nur wenige Millisekunden und kann zu einer vielfachen Überhöhung der Schalldruckamplitude gegenüber dem Reifen-Fahrbahn-Geräusch auf der Fahrbahnoberfläche zwischen den Querscheinfugen führen. Durch die regelmäßige Wiederholung der Störung des Reifen-Fahrbahn-Kontaktes bei Fahrt über die Betonfahrbahndecke baut sich in sehr kurzen Zeitintervallen eine zeitliche Serie solcher Fugengeräuschimpulse auf, wodurch der Effekt dann relevant wird für die Bewertung der akustischen Perfomance der Betonfahrbahndecke insgesamt. 

Bild 4: Hochaufgelöster Schalldruck-Zeitverlauf bei Überrollung einer akustisch wirksamen Fuge und Definition des Platten-, Fugen- und Fahrbahnpegels (Darstellung auf Basis (Beckenbauer; Altreuther et al., 2018))

Für die weitere Analyse werden die relevanten akustischen Kenngrößen wie folgt definiert:

• Plattenpegel L_Platte: Mittlerer Schalldruckpegel der reinen Textur im Bereich von 2,50 m vor der folgenden Querscheinfuge, das heißt ohne den Einfluss der abklingenden Reifenschwingungen nach der vorangegangenen Fuge,
• Fugenpegel L_Fuge: Maximaler Schalldruckpegel bei Fugenüberrollung,
• Fahrbahnpegel L_Fahrbahn: Mittlerer Schalldruckpegel über die gesamte Länge eines Messabschnittes inklusive Fugengeräuschereignis.

Im Ergebnis stehen nun erstmalig geeignete Mess- und Auswerteverfahren zur Verfügung, um die durch Querscheinfugen induzierten Schallpegel sicher zu quantifizieren sowie begleitend geometrische Parameter der Fugen zu bestimmen und den erfassten Schalldruckpegeln zuzuordnen. Darüber hinaus ist es möglich, anhand des modifizierten CPX-Verfahrens eine schalltechnische Bewertung der reinen Textur ohne Einfluss von Fugen (Plattenpegel) vorzunehmen sowie den Einfluss von Fugen auf den Fahrbahnpegel zu beschreiben.

4 Simulationsmodell

Zur Beschreibung der physikalischen Effekte bei der Rollgeräuschentstehung wird zwischen der Makro- und der Mikroebene unterschieden. Auf der Makroebene findet die Deformation der Reifenkontur statt, die maßgeblich die Geometrie der Reifenaufstandsfläche bestimmt und damit die Kraftverteilung im Reifen-Fahrbahn-Kontakt beeinflusst. Auf der Mikroebene kommt es zu lokalen Deformationen im Reifen-Fahrbahn-Kontakt mit entsprechenden lokalen Kontaktkräften, die sowohl zu mechanischen als auch aerodynamischen Effekten führen. Der bei dem Ereignis „Radüberrollung Fuge“ entstehende Schalldruckpegel ist von verschiedenen Parametern abhängig, die die geometrische und stoffliche Ausführung von Querscheinfugen im oberflächenwirksamen Bereich beschreiben. Insbesondere aufgrund der Vielzahl an Einflussfaktoren – fahrzeugtechnische Aspekte kommen noch hinzu – stellt sich eine umfassende und differenzierte Betrachtung sehr komplex dar und wird nur unter Nutzung moderner Simulationsmodelle ermöglicht.

4.1 Weiterentwicklung

Das Chalmers Tyre/RoadInteraction Model (CHATRIN) ist eine Weiterentwicklung des Modells Speron, welches in dem Verbundprojekt „Leiser Straßenverkehr 3“ (LeiStra3, 2017) entwickelt wurde. Es stellt den aktuellen Stand der Simulationsmodelle für Reifen-Fahrbahn-Geräusche dar und bildet durch Verknüpfung einzelner Teilmodelle ein vollständiges physikalisches Modell der mechanischen Reifen-Fahrbahn-Interaktion und der Abstrahlung der Reifenschwingungen in den Raum. Dies bedeutet, dass von der Bestimmung der einzelnen Kontaktpunkte zwischen Reifen und Fahrbahn und der resultierenden Anregung bis hin zur zeitlichen Entwicklung der Luftschallausbreitung im Raum eine geschlossene Lösung zur Verfügung steht, die mit bau- und reifentechnischen Eingangsdaten gespeist wird (Bild 5).

Bild 5: Darstellung der Teilmodelle des Simulationsmodells CHATRIN (Beckenbauer; Altreuther et al., 2018)

Eine realitätsnahe akustische Abbildung von Querscheinfugen zur Berechnung der fugenbedingten Schallemissionen war zunächst jedoch mit CHATRIN noch nicht möglich. Die Arbeitshypothese zur spezifischen Weiterentwicklung war insbesondere, dass der mechanische Impuls durch die Fugen zu einer starken Anregung der Moden (Eigenschwingungsformen) im Innenraum des Reifens führt. Der luftgefüllte Reifentorus stellt reifenmechanisch eine Feder dar. Außerdem findet im Reifentorus eine Schallausbreitung mit erheblichen Schalldrücken statt. Beides beeinflusst den nach außen abgestrahlten Schall. Das Reifenmodell wurde deshalb hinsichtlich der besseren Abbildung vibroakustischer Effekte um den Luftinnenraum des Reifens sowie die Felge ergänzt.

In einem nächsten Schritt fand eine Validierung des weiterentwickelten Simulationsmodells anhand umfangreicher Messkampagnen im Bundesautobahnnetz statt. Es wurde eine mittlere Abweichung zwischen Simulation und Messung von 0,3 dB festgestellt, wobei die Simulationsergebnisse in der Regel im Streubereich der CPX-Messungen lagen und als zusätzliche Messung betrachtet werden können. Insgesamt wird die Übereinstimmung zur Anwendung des Modells für eine umfassende Parameterstudie als hinreichend bewertet (Beckenbauer; Altreuther et al., 2018).

4.2 Parameterstudie

In der anhand des weiterentwickelten Modells CHATRIN in (Beckenbauer; Altreuther et al., 2018) durchgeführten Studie wurden nachfolgende bautechnische Parameter zur Bestimmung des Einflusses auf die Rollgeräuschentstehung variiert:

• Akustisch wirksame Breite der Querscheinfuge,
• Höhenlage des Fugenfüllsystems,
• Ausrichtung der Querscheinfuge relativ zur Fahrtrichtung,
• Höhenversatz zwischen beiden an die Fuge angrenzenden Fahrbahnplatten,
• Rauigkeit der an die Fuge angrenzenden Fahrbahnoberfläche,
• Steifigkeit und Oberflächentextur der Fugenfüllung.

Die akustische wirksame Breite w der Querscheinfuge, das heißt die Breite der Störstelle in der Fahrbahnoberfläche aus Fugenkammer und Fasen, wurde als einer der wichtigsten Parameter bestätigt. Die Änderung der Schallemissionen steigt nahezu linear mit Zunahme der Breite w an. Es ist anzumerken, dass eine Pegeländerung von mindestens 0,5 dB(A) signifikant im Kontext mit der Bewertung der Simulationsergebnisse ist. Auf Basis der Berechnungsergebnisse sollte aus akustischer Sicht w ≤ 10 mm betragen (Bild 6), um einen Einfluss auf das Reifen-Fahrbahn-Geräusch auszuschließen. Aus bautechnischen Gründen, vor allem im Hinblick auf die Beanspruchung der Fugenfüllsysteme, kann die Fugenkammerbreite jedoch nicht beliebig klein ausgeführt werden. In der Praxis liegt die akustisch wirksame Breite von Querscheinfugen gemäß ZTV Fug-StB 2015 nach der Herstellung und unter Beachtung von Ausführungstoleranzen zwischen 9 und 15 mm. Im Verlauf der Nutzungsdauer einer Fahrbahndecke kommt es zu horizontalen Verformungen der Fugen, die insbesondere durch thermische und hygrische Effekte bedingt sind. Gemäß ZTV Fug-StB 15 wird ein Richtwert für die Änderung der Fugenkammerbreite von ≤ 2 mm bei planmäßiger Rissbildung der Fahrbahnplatten angegeben. Legt man diesen Wert zugrunde, können Fugen eine Breite von bis zu 17 mm annehmen. Schließlich kann in Abhängigkeit des gewählten Fugenfüllsystems ein Nachschneiden der Betonflanken und der Fasen im Zuge einer Fugeninstandsetzung ein- oder mehrmals im Lebenszyklus einer Fahrbahndecke erforderlich sein. Dies geht mit einer Vergrößerung der Breite w bei einer Instandsetzungsmaßnahme von 1 – 3 mm einher. Zusammenfassend ist festzuhalten, dass die Sicherstellung einer akustisch wirksamen Breite w ≤10 mm bei der aktuellen Konstruktion nicht möglich ist. Es ist jedoch denkbar, durch Reduzierung der Ausführungstoleranzen sowie eine kleinere und/oder steilere Ausbildung der Fasen eine Optimierung herbeizuführen. Darüber hinaus würde sich eine mit kürzeren Fugenabständen einhergehende Verringerung der Fugenkammerbreite positiv auf die Schallemissionen aus-wirken.

Die Höhenlage der Fugenfüllung wurde als ein weiterer Einflussparameter detektiert, wobei sich die größte Pegelerhöhung bei einer aus der Fugenkammer über die Fahrbahnoberfläche hinaustretenden Fugenfüllung ergibt Bild 6. Liegt die Fugenfüllung tiefer als -0,5 mm verharrt der Schallpegel auf einem Wert von 1 dB(A), das heißt sobald der Reifen keinen Kontakt zur Fugenfüllung mehr aufweist, besitzt die Höhenlage des Füllsystems in dieser theoretischen Betrachtung keine Relevanz mehr. Insgesamt sollte die Höhenlage im Bereich - 0,5 mm ≤ h_F ≤ +0,5 mm liegen, damit sich die Fugen akustisch nicht auswirken.

Für die weiteren untersuchten Einflussparameter ergeben sich auf Basis der theoretischen Parameterstudie zusammenfassend nachfolgende Empfehlungen für eine akustisch optimierte Querscheinfuge. Die Ausrichtung der Fuge relativ zur Fahrtrichtung führt bei Winkeln von α > 20° zu einer Reduktion des Geräuschbeitrags der Fuge (Bild 6). Höhenversätze zwischen beiden an die Fuge angrenzenden Fahrbahnplatten sollten weniger als 1 mm betragen. Maßgebliche Plattenversätze sollten sich jedoch bei der aktuellen Konstruktion nicht ergeben, so dass bei neueren Decken in der Praxis kein Einfluss aus einem Höhenversatz zu erwarten ist. Darüber hinaus sollten Textur und Steifigkeit des Fugenfüllsystems möglichst so beschaffen sein, dass dessen mechanischer Widerstand ähnlich dem der Fahrbahnoberfläche bzw. deutlich höher als der des Reifens ist. Im Hinblick auf die notwendige Elastizität des Füllmaterials zur dauerhaften Abdichtung der Fugenkammer steht eine akustische Optimierung dieser Parameter im Zielkonflikt mit bautechnischen Aspekten.

Bild 6: Veränderung des A-bewerteten Schalldruckpegels als Funktion der akustisch wirksamen Breite w (links), Höhenlage des Fugenfüllsystems – positive Werte liegen oberhalb der Fahrbahnoberfläche (Mitte) und der Ausrichtung der Fugen (rechts) (Beckenbauer; Altreuther et al., 2018)

4.3 Potenzialanalyse

In dem Forschungsvorhaben (Villaret; Beckenbauer et al., 2020) wurde aufbauend auf den vorangegangenen Betrachtungen und im Zusammenhang mit Überlegungen zur ganzheitlichen Optimierung der Betonbauweise eine Potenzialabschätzung zur akustischen Wirkung von Fugen vorgenommen. In Simulationsrechnungen mittels CHATRIN erfolgte eine Kombination einer lauten und einer leisen Textur mit jeweils einer lauten oder leisen Fuge. Im (Bild 7) ist schematisch der zeitliche Verlauf des CPX_P-Pegels darstellt, welcher für alle Kombinationen eine deutliche wiederholte impulsartige Anregung sowie ein anschließendes Abklingen im Zuge der beiden Fugenüberrollungen zeigt.

Darüber hinaus ist ersichtlich, dass gleich ausgeführte Fugen bei leiseren Texturen zu einer höheren akustischen Wirkung führen. Eine Erhöhung des gesamten Fahrbahnpegels von +1,2 dB(A) ist demnach bei lauten Fugen möglich. Diese Differenz stellt einen maßgebenden Einfluss auf die akustische Bewertung der Fahrbahnoberfläche dar.

Bild 7: Schematische Darstellung des Einflusses unterschiedlich lauter Fugen auf das Reifen-Fahrbahn-Geräusch von Betonfahrbahndecken mit unterschiedlich lauten Oberflächentexturen (Beckenbauer (2019))

5 Erste Analyse von Praxisdaten

Die theoretischen Analysen anhand des Simulationsmodells haben eine umfassende Variation und isolierte Betrachtung von Einflussparametern auf das Reifen-Fahrbahn-Geräusch im Fugenbereich ermöglicht. Es ist evident, dass im Zuge der Modellbildung eine Reduktion der komplexen Wirklichkeit sowie das Treffen von Annahmen zur Vereinfachung notwendig sind. Vor diesem Hintergrund soll eine Validierung der Simulationen auf Basis einer umfangreichen Datenerhebung mittels modifiziertem CPX-Verfahren vorgenommen werden, die eine größere Grundgesamtheit des Bundesautobahnnetzes repräsentiert sowie den baupraktisch relevanten Bereich abdeckt. Der Praxisabgleich dient in erster Linie dazu zu überprüfen, ob die theoretisch bestimmten Potenziale auch in der Praxis messtechnisch nachweisbar sind und ob sich die Korrelationen der nun bekannten maßgebenden geometrischen Fugenparameter mit dem Reifen-Fahrbahn-Geräusch auch anhand empirischer Daten fundiert beschreiben lassen. Im Folgenden werden zwei Fallbeispiele vorgestellt, die exemplarisch die Vorgehensweise der noch fortlaufenden Analysen darstellen und erste Rückschlüsse zulassen.

5.1 Praxisbeispiel 1: Fugenparameter

Im Rahmen einer grundhaften Erneuerung wurden auf jeweils 200 m langen Teilabschnitten die verwendeten Fugenfüllsysteme variiert, wobei Fugenprofile u. a. mit unterschiedlicher Bauhöhe zum Einsatz kamen. Die Sollbreite der Fugenkammer betrug 8 mm und es kam eine Grindingoberfläche Typ S zur Ausführung (Bild 8).

Bild 8: Mittlere Profiltiefe über die Untersuchungsstrecke mit Kennzeichnung der betrachteten Teilabschnitte (links); Detail einer Fuge nach Herstellung (rechts)

Nach der Herstellung in 2017 wurden die initialen Fugen- und Texturpegel, die wirksamen Breiten der Fugen sowie die Höhen der Füllsysteme bestimmt. Entsprechende Kennwerte wurden darüber hinaus in einem jährlichen Monitoring bis 2020 ermittelt. Die Ergebnisse der ersten und der letzten Messung sind in Bild 9 dargestellt. Insgesamt wird ersichtlich, dass über den gesamten Streckenabschnitt sowohl die Textur- als auch die Fugenpegel signifikant zugenommen haben. Die Fugenpegel weisen insgesamt eine höhere Variationsbreite als die Texturpegel auf. Darüber hinaus fallen die wirksamen Fugenbreiten zum Messzeitpunkt in 2020 geringer aus und zeigen eine kleinere Streuung. Hingegen haben die Höhenlagen der Fugenfüllsysteme zugenommen, wobei im mittleren Abschnitt mit Fugensystem 2 eine deutlich geringere vertikale Lageveränderung im Vergleich zum Einbauzustand zu verzeichnen ist und hier signifikant geringere Pegel ermittelt wurden. Im Ergebnis sind die Fugen in den betrachteten Abschnitten akustisch wirksam. Die Zunahme des Fugenpegels ist hier primär auf die Lageveränderung der Fugenfüllung zurückzuführen.

Bild 9: Gegenüberstellung der Messergebnisse aus 2017 und 2020: Fugen- und Texturpegel (links); Höhenlage Füllsystem – Je größer der Ordinatenwert desto tiefer die Fugenfüllung (rechts oben); wirksame Fugenbreite (rechts unten)

Im Bild 10 sind die in 2017, 2018, 2019 und 2020 gemessenen Fugenpegel der drei Unter-suchungsabschnitte farbcodiert in Abhängigkeit der wirksamen Fugenbreite sowie der Höhenlage des Füllsystems dargestellt. Es ist zum einen ersichtlich, dass die Fugenbreiten deutlich > 10 mm betragen (vgl. Abschnitt 4.2), jedoch der Fugenpegel bei Vergrößerung der Fugenbreite nicht zwangsläufig zunimmt. Zudem wird deutlich, dass der Fugenpegel insgesamt mit zunehmender Tiefe des Füllsystems und bei gleicher Fugenbreite lauter wird. Die Höhenlage der Fugenfüllung stellt somit einen weiteren wesentlichen Einflussparameter dar – entgegen der Simulationsergebnisse auch in Tiefen unterhalb von 0,5 mm. Es liegt daher nahe, dass bei der Fugenüberrollung nicht nur spezifische mechanische Effekte, wie bei der Weiterentwicklung von CHATRIN berücksichtigt, sondern auch aerodynamische Effekte bei der Geräuschentstehung wirken.

Bild 10: Farbcodierte Darstellung der Fugenpegel der drei Untersuchungsabschnitte in Abhängigkeit der wirksamen Fugenbreite und der Höhenlage des Fugenfüllsystems

Aufgrund der großen Streuungen in den Praxisdaten lassen sich auf Basis erster Analysen nur qualitative Zusammenhänge identifizieren. Die Streuungen können ursächlich zum einen auf eine Überlagerung mit weiteren, nicht erhobenen Einflussparametern zurückzuführen sein. Darüber hinaus erfolgt die Texturmessung zufällig im Texturminimum oder im Texturmaximum, sodass es bei gleichem Fugenpegel zur einer gewissen Variation in den erfassten Fugen-parametern kommen kann. Dieser Fehler beträgt schätzungsweise jedoch maximal 1 mm. Eine quantitative Beschreibung der Korrelation zwischen Fugenpegel und Fugenparametern auf Basis von Praxisdaten ist zum aktuellen Stand der Untersuchung noch nicht möglich.

5.2 Praxisbeispiel 2: Fahrbahnbewertung

Eine weitere wesentliche Fragestellung ist der mögliche Einfluss von Fugen auf die Bewertung ganzer Fahrbahnabschnitte gemäß den TP KoSD-19. In einem weiteren Beispiel wurden daher sowohl die gesamten Fahrbahnpegel, d. h. unter Mitwirkung von Fugen, als auch die Plattenpegel, die das Reifen-Fahrbahn-Geräusch der reinen Textur wiedergeben, ausgewertet. Die Ergebnisse sind im Bild 11 dargestellt. In dem ersten Messabschnitt ist beispielsweise zu sehen, dass es infolge der Fugen zu einer Pegelerhöhung der Fahrbahn von 0,3 dB(A) kommt. Da sich die Fugenpegel über einen Messabschnitt sehr heterogen darstellen können, kann folglich auch die fugenbedingte Pegelerhöhung in einem Messabschnitt variieren. Betrachtet man nun kürzere Messabschnitte (Darstellung in grün und orange) kommt es zu einer Pegelerhöhung durch die Fugen von bis zu 0,6 dB(A). Hierbei ist anzumerken, dass es sich im vorliegenden Beispiel um eine eher lautere Oberfläche handelt und bei leiseren Texturen dieser Einfluss deutlich höher ausfallen würde.

Darüber hinaus lässt sich eine sehr gute Übereinstimmung mit den im Abschnitt 4.3 dargestellten und anhand der Simulationen festgestellten Potenzialen erkennen. Es ist daher davon auszugehen, dass bei sehr leisen Texturen der Fugeneinfluss auf die Gesamtbewertung der Strecke einen Einfluss von deutlich > 1 dB(A) ausmacht.

Bild 11: Zeitlicher Verlauf der Fahrbahn- und Plattenpegel von drei Messabschnitten sowie Angabe des Fahrbahn- und Plattenpegels kürzerer Teilabschnitte aus Messabschnitt 1 (links)

6 Zusammenfassung und Ausblick

Die Schallemission stellt eine relevante Gebrauchseigenschaft von Fahrbahnoberflächen dar, die anhand der Performance-Kenngröße „Reifen-Fahrbahn-Geräusch“ quantifiziert und bewertet werden kann. Bei Betonfahrbahndecken in Plattenbauweise kann das Reifen-Fahrbahn-Geräusch durch die akustische Wirksamkeit von Querscheinfugen beeinflusst werden. Der Einfluss ist umso größer, je geringer der Rollgeräuschpegel zwischen den Fugen ist. Daraus resultiert, dass das theoretische Potenzial geräuschmindernder Texturen in der Praxis bei akustisch auffälligen Fugen nicht ausgeschöpft wird. Für die zuverlässige Herstellung akustisch optimierter Texturen ist demnach auch eine Beachtung der akustischen Wirkung von Fugen notwendig. 

Zur Untersuchung der physikalischen Zusammenhänge zwischen dem Reifen-Fahrbahn-Geräusch und der Ausprägung von Querscheinfugen im oberflächennahen Bereich erfolgte in einem ersten Schritt eine Weiterentwicklung der Mess- und Auswerteverfahren zur Ermittlung von Reifen-Fahrbahn-Geräuschen. Anhand des modifizierten CPX-Verfahrens ist es nun erstmalig möglich, eine differenzierte akustische Ansprache und Analyse von Fugen und reiner Oberflächentextur vorzunehmen. Darüber hinaus wird am Messreifen simultan eine Texturmessung vorgenommen, die zuverlässig auch die geometrische Ausbildung von Fugen im oberflächenwirksamen Bereich abbildet. Teilautomatisierte Auswertealgorithmen schaffen zudem die Voraussetzung für eine umfangreiche statistische Analyse von Praxisdaten mit vertretbarem Aufwand.

Auf Basis von Simulationsrechnungen mit dem spezifisch weiterentwickelten Modell CHATRIN sowie erster Analysen einer umfassenden Datenerhebung im Bundesautobahnnetz wurde festgestellt, dass der Einfluss von Fugen auf den Fahrbahnpegel bei akustisch optimierten Texturen (D_SD-Wert ≤ -3 dB(A)) im Bereich von 1 dB(A) bis  2 dB(A) liegen kann. Fugen können folglich die Bewertung dieser Texturen gemäß (TP KoSD-19) signifikant verschlechtern. Die akustisch wirksame Breite, die sich als Summe aus der Fugenkammerbreite und den Fasbreiten ergibt, sowie die Höhenlage des Fugenfüllsystems wurden als die wichtigsten Einfluss-parameter identifiziert.

In einer weiterführenden systematischen Analyse der im Bundesautobahnnetz erhobenen Praxisdaten gilt es nun, die Zusammenhänge zwischen dem Fugenpegel sowie den zuvor genannten Fugenparametern eindeutig zu beschreiben und die Korrelationen aus den theoretischen Betrachtungen anhand einer größeren Grundgesamtheit zu validieren. Darüber hinaus erfolgte eine praktische Parameterstudie auf dem Demonstrations- und Referenzareal der BASt (duraBASt), bei der die akustische Wirkung verschiedenartig ausgeführter Querscheinfugen im Nah- und Fernfeld messtechnisch erfasst wurde. Im Ergebnis sollen aus den Untersuchungen fundierte Empfehlungen für die Ausbildung von Fugensystemen hervorgehen, die bei der Planung und Ausführung von akustisch optimierten Texturen Beachtung finden sollen.

Literaturverzeichnis

1. Beckenbauer, T.; Altreuther, B.; Ertsey, M.; Otto, T.; Schubert, S. (2018): Einfluss der Fugenöffnungsweite auf die akustischen Eigenschaften von Fahrbahndecken aus Beton, Schlussbericht zum FE 08.0232/2014/FRB im Auftrag der Bundesanstalt für Straßenwesen
2. Beckenbauer, T. (2019): Oberflächenperformance – Akustik. Fachvortrag „Forschungskolloquium Betonstraßenbau“, 14.2.2019, Stuttgart
3. Beckenbauer, T. (2021): Akustik und akustische Performanz von Grindingoberflächen. In Straße und Autobahn, Jahrgang 2021, Heft 5, Kirschbaum Verlag, Bonn
4. Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur (2020): Bericht des BMVI zur Nachhaltigkeit, Mai 2020
5. Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (2019): Richtlinien für den Lärmschutz an Straßen, Ausgabe 2019 (RLS-19), Köln (FGSV 052)
6. Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (2019): Technische Prüfvorschriften zur Korrekturwertbestimmung der Geräuschemission von Straßendeckschichten, Ausgabe 2019 (TP KoSD-19), Köln (FGSV 053)
7. Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (2015): Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für Fugen in Verkehrsflächen, Ausgabe 2015 (ZTV Fug-StB 19), Köln (FGSV 897/1)
8. Verbundprojekt Leiser Straßenverkehr 3 (2017): Teilprojekt SPERoN 2020 – 2, Entwicklung eines Rechenmodells zur Reduzierung des Rollgeräusches profilierter Reifen. Beitrag in Gemeinsamer Schlussbericht aus den Forschungsvorhaben FE86.077-86.080. Oktober 2017.
   https://bast.opus.hbz-nrw.de/frontdoor/index/index/docId/2056
9. Villaret, S.; Alte-Teigeler, R.; Altreuther, B.; Beckenbauer, T.; Frohböse, B.; Gehlen, C.; Oeser, M.; Skarabis, J.; Tulke, R.; Ueckermann, A.; Wang, D. (2021): Dauerhafte Betondecken – Optimierung der Fahrbahnoberfläche durch Texturierung mittels Grinding-Verfahren. Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen Heft S 159
10. Villaret, S.; Beckenbauer, T.; Frohböse, B.; Riwe, A.; Tschernack, T. (2020): Analyse der Auswirkungen von Witterungsextremen an bestehenden Straßenbefestigungen in Betonbauweise. Schlussbericht zum FE 08.0223/2012/IRB im Auftrag der Bundesanstalt für Straßenwesen