Die Berücksichtigung der Frostbeanspruchung war schon immer fester Bestandteil der Dimensionierung des Straßenoberbaus. Als bisherige Basis diente der Extremwinter 1962/63. Eine Untersuchung des Deutschen Wetterdienstes zeigt, dass bei Nutzung aller zur Verfügung stehenden Wetterdaten der Grenzverlauf der Frostzonen auch für das damalige Extremereignis korrekturbedürftig ist. Es wurde nachgewiesen, dass bei Auswertung von 50 Beobachtungsjahren und einer statistischen Auswertung für eine Wiederkehrwahrscheinlichkeit von 30 Jahren eine deutliche Verbesserung der Voraussagegenauigkeit erreicht werden kann. Da sich dadurch aber die Größenordnung der Zahlenwerte an den Grenzlinien änderte war auch eine Überprüfung der Frostdimensionierungsansätze erforderlich, die im Rahmen eines Forschungsthemas an der TU Dresden bearbeitet wurde. Dabei wurden die Ausgangswerte der RStO für die neue Frostzonenkarte bestätigt.

Weitere Veränderungen in den RStO im Zusammenhang mit Frostbeanspruchung sind die Festlegung von Mindestdicken für einen frostsicheren Unterbau/Untergrund und die Definition ungünstiger Wasserverhältnisse. Die Tabelle der Mehr- oder Minderdicken für den erforderlichen frostsicheren Straßenaufbau wurde redaktionell überarbeitet.

Der Fachvortrag zur Veranstaltung ist im Volltext verfügbar. Das PDF enthält alle Bilder und Formeln.

1 Historisches

Der Winter 2009/2010 hat sicherlich alle diejenigen überrascht, die davon ausgingen, dass die globale Klimaerwärmung eine Bemessung unserer Verkehrswege auf Frostbeanspruchung zum Schnee von gestern macht. Der vergangene Winter war für Potsdam der viertstrengste Winter der letzten 40 Jahre.

Der Arbeitskreis „Frost“ der FGSV hat es immer als seine Aufgabe betrachtet, die Frostdimensionierung fest in den RStO zu integrieren. Seit den 1950er Jahren ist in der BASt sehr viel Grundlagenforschung zur Frosteindringungsberechnung und -bewertung geleistet worden: Die Namen Kübler und Behr sind mit diesen Erkenntnissen eng verbunden.

Nach den früheren TGL-Vorschriften erfolgte die Dimensionierung flexibler Straßenkonstruktionen auf der Basis der geringsten Frühjahrstragfähigkeit nach dem Frostaufgang. Klimatische Einflüsse blieben dabei weitgehend unberücksichtigt. Bei der Dimensionierung wurde nicht unterschieden, ob die Straße an der Ostsee oder über den Kamm des Thüringer Waldes verlief. Im Zuständigkeitsbereich der Deutschen Reichsbahn existierten demgegenüber verschiedene Frosteinwirkungsgebiete, die von Göbel auf der Basis der Luftkältesummen definiert wurden.

Um den Zusammenhang zwischen den Frosttemperaturen und der Frosteindringung abschätzen zu können, wurde das Maß „Frostindex (FI)“ entwickelt, das auch für die aktuellen statistischen Auswertungen zugrunde gelegt wird. Der Frostindex wird dabei aus der täglichen mittleren Lufttemperatur und der Zeitdauer der Einwirkung definiert und hat die Einheit Gradlage [°C·d].

Bild 1: Beispiel für Temperatursummenkurve und Frostindex [1]

Mehrere Frostperioden werden zur maßgebenden Kälteperiode eines Winters zusammengefasst, wenn kein durchgreifendes Auftauen stattfindet. Das Abbruchkriterium liegt bei >2 Tage mit Tagesmitteltemperaturen über 0°C.

Dieses Kriterium ist sehr streng und ließe sich sicherlich noch etwas verfeinern. Bei bemessungsrelevanten Winterereignissen und einer statischen Auswertung spielt diese Definition aber eine untergeordnete Rolle und hat auf die Darstellung der Temperaturverteilung keine Auswirkungen.

2 Basis für die neue Frostzonenkarte

Die Frostzonenkarte (Bild 2) der Bundesrepublik wurde auf der Basis des Extremwinters 1962/1963 erstellt. Die Fülle der heute zur Verfügung stehenden Wetterdaten erlaubt inzwischen eine völlig neue Herangehensweise an die Zoneneinteilung. Aus Temperaturmessungen von 221 Wetterstationen wurde der maximale Frostindex der Winter 1955/1956 bis 2004/2005 ermittelt und für eine statistische Wiederkehrzeit von 30 Jahren ausgewertet. Die Karten des Wetterdienstes stellen bereits aufgrund ihrer statistisch abgesicherten Zuverlässigkeit und ihrer Auflösung (Raster: 1 km x 1 km) eine neue Qualität dar.

Für die Kartendarstellung wurden die Daten der Wetterstationen noch mit der Höhe über dem Meeresspiegel, der geografischen Lage, der Meeresnähe und der Landnutzung verknüpft. So entstanden durch den Deutschen Wetterdienst zunächst Karten (mit und ohne Bebauungseinfluss) auf denen die Verteilung des Fostindexes über die gesamte Bundesrepublik zu erkennen ist. Zu Vergleichszwecken wurde neben den Karten mit einer Wiederkehrwahrscheinlichkeit von 30 Jahren auch der höchste Frostindex aus dem kältesten Winter kartiert. Das Bild 3 zeigt die Frostzonenkarte für den im Zeitraum von 50 Jahren aufgetretenen maximalen Frostindex. Da dies an allen Messstationen der Winter 1962/1963 war, entspricht die Vorgehensweise prinzipiell der, die für die Karte der RStO 01 angewendet wurde.

Die mit diesem neuen Verfahren ermittelte Karte der Verteilung der maximalen Frostindizes zeigt insbesondere in der nördlichen Hälfte Deutschlands eine recht gute Übereinstimmung mit der Frostzonenkarte nach RStO (2001). Deutlich ausgedehnter sind jedoch die Bereiche der Frostzone III in der Karte von 2001, so dass auf ihrer Grundlage insbesondere in Süddeutschland in weiten Bereichen die Frostzonen bisher zu hoch eingeschätzt wurden. Es bleibt aber trotz eines größeren Detailreichtums der inhaltliche Nachteil, dass das Extremereignis (Winter 1962/1963, Wiederkehrwahrscheinlichkeit > 100 Jahre) mit ganz spezifischen Wetterlagen und Luftbewegungen die Basis für eine Dimensionierung wäre.

Bild 2: Frosteinwirkungszonen der RStO 01 [2]

Bild 3: Frostzonen mit bisherigen Grenzwerten für den maximalen Frostindex aus 50 Jahren ohne Berücksichtigung der Bebauung [3]

Bild 4: Maximaler Frostindex für einen 30-jährigen Wiederkehrzeitraum ohne Berücksichtigung der Bebauung [3]

Die beim Wetterdienst vorliegenden Daten und die Möglichkeiten der Datenaufbereitung erlauben es aber jetzt, die Kartenerstellung auf eine statistische Basis zu stellen. Als vertretbares Wiederkehrrisiko werden 30 Jahre festgelegt, für die der zu ermittelnde Frostindex und die damit im Zusammenhang stehende Frosteindringtiefe nicht überschritten werden sollen. Die Auswertung einer 30-jährigen Wiederkehrwahrscheinlichkeit auf der Basis von 50 ausgewerteten Jahren hat den Vorteil, dass die winterlichen Temperaturverteilungen typischer dargestellt werden, als dies bei alleiniger Betrachtung nur eines Winters der Fall wäre.

Die Klasseneinteilung im Bild 4 wurde dabei vom DWD zunächst willkürlich gewählt. Die Festlegung der Klassenbreiten folgt statistischen Gesichtspunkten und ist größer als der zweifache Betrag der Streuung.

Die Karte der 30-jährigen Wiederkehrzeiten des max. Frostindexes (FI₃₀) zeigt einen für deutsche Winter typischen West-Ost-Anstieg der Frostgefährdung. In den Mittelgebirgen von West-Südwest- und Süddeutschland und im Alpenraum wird diese Verteilung infolge der Höhenabhängigkeit regional unterbrochen. Insgesamt zeigte die Karte ein sehr detailliertes und plausibles Bild der regionalen Verteilung des Frostindexes und konnte als Basis für weitere Überlegungen dienen.

Bild 5: Aktualisierte Frostzonenkarte für die neue RStO

Auf Basis dieser Darstellung mussten nun die FI₃₀-Werte für die Begrenzung der drei Frostzonen festgelegt werden. Dabei war zu berücksichtigen, dass sich die regionale Verteilung der Frostzonen im Wesentlichen bewährt hat. Die Verteilung der Frostzonen in der neuen Frostzonenkarte sollte daher nicht wesentlich von der alten abweichen, die Gebiete jedoch detaillierter darstellen.

Dazu wurden folgende Festlegungen getroffen:

• Der Bebauungseinfluss wird nicht über die Karte, sondern durch Zu- und Abschläge gesondert berücksichtigt, das heißt, es wird die Karte ohne Bebauungseinfluss als Basis genommen.
• Die Einteilung hat so zu erfolgen, dass wieder drei Frostzonen entstehen, die ähnliche Flächengrößen wie bisher erreichen.
• Die Obergrenze des Frostindexes in den jeweiligen Zonen (Bemessungswert) soll den Dimensionierungsausgangswerten der RStO mit den Zuschlägen für die Frostzonen von +5 und +15 cm entsprechen.

In der Kartendarstellung mit den gewählten Grenzlinien (s. Bild 5) zeichnen sich die Höhenlagen der Mittelgebirge deutlich ab. Die Flächen der betroffenen Höhenlagen sind aber jeweils kleiner als nach der Frostzonenkarte der RStO 01.

Betrachtet man die Fläche Deutschland insgesamt, dominiert die Frostzone II etwas stärker als in der früheren Version. Das entsteht zum einen dadurch, dass in Norddeutschland die Grenze zwischen Zone I und II nicht über Hannover, Schwerin und Greifswald, sondern westlicher über Hannover, Hamburg und Kiel verläuft und zum anderen Randzonen von Höhenlagen aus der ehemaligen Frostzone III jetzt der Zone II zugeordnet werden.

Es ist vorgesehen, diese Karte im Internet auf der Homepage der BASt zu veröffentlichen. Dies ermöglicht eine digitale Vergrößerung der Karte und eine detaillierte Betrachtung einzelner Regionen.

3 Notwendige Dicke des frostsicheren Aufbaus

3.1 Ausgangswerte in den Frosteinwirkungszonen

Langjährige Erfahrungen im Straßenbau zeigen, dass keine Schäden im Winter oder Frühjahr beobachtet werden, wenn die Dicke der Konstruktionsschichten mindestens 60 % der maximalen Frosteindringtiefe beträgt. Eine besonders kritische Situation für den Befestigungsaufbau tritt immer dann auf, wenn der Auftauprozess von oben und von unten so verläuft, dass die letzte verbleibende gefrorene Zone unterhalb der Frostschutzschicht liegt und die darüberliegende wassergesättigte Zone des frostempfindlichen Bodens seine Tragfähigkeit verliert, da diese nach unten durch den gefrorenen Boden nicht entwässern kann.

Liegt diese letzte gefrorene Ebene noch im Bereich der Frostschutzschicht, kommt es dort nicht zu einem solchen Tragfähigkeitsversagen, da der Wassergehalt bei grobkörnigen Böden sich nur unwesentlich auf den E-Modul auswirkt. Es ist also bei der Betrachtung der notwendigen Frostsicherung nicht nur die maximale Tiefe der 0 °C-Linie von Interesse, sondern auch die Temperaturverteilung während des Auftauprozesses.

Die rechnerische Ermittlung der maximalen Frosteindringtiefe ist bereits schwierig, die Simulation des anschließenden Auftauprozesses ist es noch mehr. Sichere Berechnungen konnten dazu daher nicht durchgeführt werden.

In der RStO 86 wurde für die Frostzone I und F2-Boden eine frostsichere Oberbaudicke von 50 cm festgelegt. Von diesem Wert aus wurden Zuschläge für die empfindlicheren F3-Böden und Zu- und Abschläge für die Verkehrsstärken festgelegt. Unter Beachtung dieser Vorgehensweise wurden die Obergrenzen zwischen den Frostzonen gemäß der Tabelle 1 festgelegt.

Tabelle 1: Richtwerte der Dicke des frostsicheren Straßenaufbaus (RStO 86)

In der RStO 86 wurde für Bauklasse SV ein Zuschlag von 10 cm festgelegt, der dann später nach unten korrigiert wurde. Die Tabelle 2 zeigt die zurzeit gültigen Ausgangswerte.

Tabelle 2: Richtwerte der Dicke des frostsicheren Straßenaufbaus (RStO 01)

Die Zuschläge für die Frosteinwirkungszonen blieben unverändert (siehe Tabelle 3).

Tabelle 3: Zuschlag auf die Dicke des frostsicheren Straßenaufbaus entsprechend Frosteinwirkungszone (RStO 86 und RStO 01)

An der TU Dresden wurde 2009 ein Forschungsthema mit dem Titel „Überprüfung und Bewertung der Frostdimensionierung nach den RStO“ bearbeitet. Dabei wurden für unterschiedliche Bauklassen (SV, III, V) bei typischen Bauweisen in Asphalt mit ungebundener Tragschicht (Tafel 1, Zeile 3) und anstehendem F3-Boden umfangreiche Berechnungen durchgeführt.

Bild 6: Referenzregressionsfunktion und Quantilfunktionen für verschiedene Vertrauensbereiche aus [4]

In der Tabelle 4 ist das Ergebnis der rechnerischen Frosteindringung für die interessierenden Grenzwerte dargestellt.

Für die Bauklasse III wird damit der bisherige Ansatz mit 60 cm voll bestätigt.

Für die unterschiedlichen Bauklassen wurden auch unterschiedliche Frosteindringtiefen bei gleicher Frostbeanspruchung ermittelt. Diese Unterschiede entstehen dadurch, dass der Frost in ungebundenen Tragschichten mit geringer Feuchtigkeit schneller eindringt als in einen durchfeuchteten Untergrund, wobei sehr viel Energie zur Eisbildung verbraucht wird.

Diese Unterschiede wurden bereits schon immer durch die RStO abgedeckt; nur war man der Meinung, dass diese Zuschläge für eine größere Sicherheit bei den Straßen mit höheren Verkehrsbelastungen sorgen. Diese höhere Sicherheit besteht aus den vorgenannten Gründen aber nicht.

Da aber insbesondere von Straßen der Bauklasse SV keine Frostschäden bekannt sind, wird kein Handlungsbedarf für eine Änderung der Ausgangsdicken gesehen.

Tabelle 4: Berechnete 60%-ige Frosteindringtiefe für Referenzbauweisen der RStO 01 mit ToB auf F3-Boden [4]

3.2  Neuordnung der Mehr- oder Minderdicken

Die übrigen Mehr- oder Minderdicken infolge der örtlichen Standortbedingungen wurden zur eindeutigeren Zuordnung neu geordnet, ohne die Absicht zu verfolgen, das Niveau zu verändern. Der Begriff der „geschlossenen Ortslage“ war teilweise mit anderen Randbedingungen verknüpft, wodurch die Entscheidung für oder gegen einen Zu- oder Abschlag nicht immer klar nachzuvollziehen war.

Die Einteilung ist jetzt wie folgt gegliedert:

• Großräumige Frosteinwirkungszonen werden nach der vorgestellten Karte ermittelt.
• Kleinräumige Klimaunterschiede wie Nordhang, Kammlage können durch eine Mehrdicke, eine geschlossene seitliche Bebauung entlang der Straße als Kriterium mit einer Minderdicke berücksichtigt werden.
• In einem Forschungsvorhaben wurde an der Ruhr-Universität in Bochum 2005 versucht, den Einfluss von Kanalisationsleitungen auf die Frosteindringtiefe zu bestimmen. Mit Maß und Zahl ließ sich dieser Einfluss aber nicht beschreiben. Unstrittig war aber, dass in den Innerstadtbereichen mit einer geringeren Frosteindringung als in den Außenbereichen gerechnet werden kann.
• Hydrologische Standortbedingungen des Baugrundes in Bezug auf die Lage des Planums werden jetzt durch die neu definierten ungünstigen Wasserverhältnisse berücksichtigt.
• Die Lage der Straße im Gelände findet unabhängig von Ortslagen Berücksichtigung, da eine Dammlage für alle entwässerungstechnischen Aspekte Vorteile gegenüber einem Einschnitt besitzt, insbesondere auch im Fall des Versagens der Entwässerungseinrichtungen.
• Die Art der Oberflächenentwässerung bestimmt maßgeblich den möglichen Einfluss von Da auf der freien Strecke die offene Entwässerung mit straßenbegeleitenden Mulden der Regelfall ist, gibt es bei einer Fassung des Oberflächenwassers über Rinnen bzw. Abläufe in Rohrleitungen einen Abschlag auf die notwendige Dicke.

Die Zu- und Abschläge erlauben eine noch differenziertere Beurteilung des speziellen Standortes. Hierbei wird neben einer möglichen Frostbeanspruchung auch die für das Auftreten eines Schadens notwendigen hydrologischen Randbedingungen berücksichtigt, da Frost erst in Kombination mit Wasser zu Schäden führt.

Tabelle 5: Berücksichtigung Mehr- oder Minderdicken infolge örtlicher Verhältnisse in den RStO (Entwurf)

3.3  Ungünstige Wasserverhältnisse

Die Definition der ungünstigen Wasserverhältnisse ist in der ZTV E-StB 07 richtigerweise nicht mehr enthalten, da es sich dabei um ein Kriterium der Planung und nicht der Bauausführung handelt.

Die bisherige Definition ungünstiger Wasserverhältnisse

„Grundwasser während der Frostperiode dauernd oder auch nur zeitweise höher als 2 m unter Planum vorkommt oder Wasser von angrenzenden Bereichen seitlich oder durch den Oberbau dem frostempfindlichen Boden zusickern kann“ war so streng, dass jeder verantwortungsbewusste Planer, dem häufig nur Baugrundaufschlüsse bis in 2 m unter Planum zur Verfügung stehen, diesen Zuschlag mit herangezogen hat. Nun ist es nicht Sinn eines Zuschlages, dass er standardmäßig hinzugerechnet wird. Weiterhin ist es fraglich, ob die Betrachtung der Feuchtigkeitsverhältnisse in einer Tiefe von 2 m unter Planum entscheidende Bedeutung hat.

Aus diesen Gründen wurde die Beurteilungsebene auf 1,5 m angehoben. Bei den üblichen Erkundungstiefen ist hier auch eine verlässlichere Aussage möglich und der Einfluss des Wassers in dieser Höhe in jedem Fall von größerer Bedeutung als in 2 m Tiefe.

Durch die Veränderung der Definition werden die „ungünstigen Wasserverhältnisse“ wieder ein echtes Unterscheidungsmerkmal zwischen kritischen und unkritischen örtlichen Verhältnissen.

4 Bauweise auf F 1-Böden

In den RStO gibt es unter dem Punkt „Untergrund/Unterbau“ auch den Fall der vorhandenen F1-Böden. Dabei wird aber nicht zwischen anstehenden oder geschütteten F1-Böden unterschieden.

In Regionen, in denen F1-Böden in großer Menge vorhanden sind, wird oft die Frage gestellt, welche Mächtigkeiten als Frostsicherung als ausreichend angesehen werden können. Bei Schüttungen ist dies auch immer eine interessante Fragestellung.

Es muss dabei beachtet werden, dass F1-Boden nicht mit frostunempfindlichem Material oder einer Frostschutzschicht vergleichbar ist. F1-Boden kann deutlich mehr Feinkorn als Frostschutz oder frostunempfindliches Material besitzen. F1-Boden ist nicht güteüberwacht, sondern unterliegt den natürlichen Schwankungen eines anstehenden Bodens.

Unter dem F1-Boden gibt es keine sorgfältig hergestellte Planumsebene mit einer Querneigung, auf der das Wasser den Entwässerungseinrichtungen zufließen kann. Daher muss sicher verhindert werden, dass der Frost bis in diese Ebene gelangt, auf der auch Wassersäcke vorhanden sein könnten.

Die Erfahrungswerte für maximale Frosteindringtiefen werden sehr gut durch das 99 %-Quantil aus dem Bild 3 bestätigt. Für die festgelegten Frostindizes an den Obergrenzen der Frostzonen ergeben sich mögliche Frosteindringtiefen von 1,2 m, 1,3 m und 1,5 m. Dies ist die Basis für die Festlegung der Dicke von F1-Böden, wenn auf Frostschutzmaßnahmen verzichtet werden soll.

5 Zusammenfassung

Die neue Frostzonenkarte der RStO stellt aufgrund ihrer statistisch abgesicherten Zuverlässigkeit und der hohen Feingliedrigkeit eine neue Qualität dar. In einigen Regionen kommt es dadurch zu Veränderungen, die aber zur Erreichung eines einheitlichen Maßstabes unvermeidlich sind.

Das Niveau der Dimensionierung hat sich in der Vergangenheit bewährt und wird beibehalten. Umfangreiche Berechnungen haben die theoretischen Ansätze für die Ausgangsdicken des frostsicheren Oberbaus bei unterschiedlichen Frostzonen bestätigt.

Die Mehr- und Minderdicken für die Verhältnisse vor Ort werden klarer gegliedert und die „ungünstigen Wasserverhältnisse“ als variable Zustandsgröße definiert. Damit kann insgesamt die notwendige Dicke besser an unterschiedliche hydrologische Verhältnisse angepasst werden.

Nicht zuletzt wird genauer definiert, wann es sich um ein frostsicheres Planum handelt.

Meine Damen und Herren, ob wir uns nun weiter unter dem Einfluss einer globalen Erwärmung befinden oder doch auf eine kleine Eiszeit zugehen, die notwendige Mindestdicke für einen frostsicheren Straßenoberbau bleibt davon bis auf weiteres unberührt.

Literaturverzeichnis

1. Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Entstehung und Verhütung von Frostschäden an Straßen, Schriftenreihe Forschung im Straßenwesen, Köln, Heft 105/ 1992
2. Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Richtlinien für die Standardisierung des Oberbaues von Verkehrsflächen (RStO), Köln
3. Gerth; Roos; Augter (2008): Aktualisierung der Frostdimensionierung im Straßenbau. Forschung Straßenbau und Straßenverkehrstechnik, Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung, Bonn, Heft 1002
4. 05.148/2007/DRB „Überprüfung und Bewertung der Frostdimensionierung nach den RStO“– Abschlussbericht – 2009, TU Dresden, unveröffentlicht