Befestigungen von Verkehrsflächen sollen einerseits eine ausreichende Dauerhaftigkeit aufweisen, andererseits aber auch zu einer angemessenen Verkehrssicherheit und einer möglichst geringen Umweltbeeinflussung beitragen. Die Reduzierung des Verkehrslärms ist dabei eines der Ziele. Als eine Emissionsquelle wird das Reifen-Fahrbahn-Geräusch durch die Gestaltung der Oberfläche der Befestigung beeinflusst. Beim Prognoseverfahren der RLS-90 zur rechnerischen Bewertung der Emissionen anhand des Beurteilungspegels wird hierbei bisher zwischen Pflaster mit ebener Oberfläche und sonstigem Pflaster unterschieden. Regelgerechte Pflasterbefestigungen fallen dabei zumeist in die zweite Kategorie, da in diese gespaltenen Natursteine und Pflasterbefestigungen mit Fugenbreiten einschließlich Fase von mehr als 5 mm fallen. Aus Gründen der Dauerhaftigkeit weisen jedoch auch Betonsteine und Klinker zumeist eine entsprechende Fase auf. Der Korrekturwert der RLS-90 zur Beurteilung der Lärmemissionen liegt damit zwischen 3,0 und 6,0 dB(A). Neben der Ausbildung der Steinoberfläche und der Fuge können jedoch auch weitere Faktoren der Befestigung die Lärmemissionen und damit auch die Lärmimmissionen positiv oder negativ beeinflussen. Um zu klären, ob und welche Faktoren in welcher Größe die Lärmimmissionen im urbanen Bereich beeinflussen, wurden an der Fachhochschule Köln praxisnahe Untersuchungen mit dem Backing-Board-Verfahren auf der Grundlage des statistischen Vorbeifahrtverfahrens gemäß DIN EN ISO 11819-1 an verschiedenen Pflasterbefestigungen unter Berücksichtigung des Zustandes der Fahrbahnoberfläche durchgeführt. Die Untersuchungen haben in einem ersten Schritt gezeigt, dass eine Beurteilung von Pflasterbefestigungen mit diesem Messverfahren gut durchführbar ist. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die vereinfachte Einteilung der Pflasterbefestigungen der RLS-90 einer Überarbeitung bedarf und eine lärmtechnische Optimierung von Pflasterbefestigungen möglich ist, welche in aktuellen Untersuchungen erfolgt.

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

1 Einleitung

Fahrbahnen mit Pflasterbefestigungen weisen, begründet in den unterschiedlichen Bauweisen mit Pflastersteinen aus Beton, Klinker und Naturstein, die unterschiedlichsten Oberflächen auf. Resultierend daraus ergeben sich unterschiedliche Reifen-Fahrbahn-Geräusche, die zur Lärmentwicklung dieser Fahrbahnbeläge führen. Das Bild 1 stellt die einzelnen Einflussparameter auf das Reifen-Fahrbahngeräusch zusammen.

Die rechnerische Beurteilung des Lärmpegels von Fahrbahnen erfolgt nach dem Prognoseverfahren der „Richtlinien für den Lärmschutz an Straßen“ (RLS-90) [1]. Zur Bewertung der unterschiedlichen Oberflächeneigenschaften von Fahrbahnen auf die Lärmentwicklung wurde hierbei ein Korrekturwert D_Stro eingeführt. Bei Pflasterbefestigungen wird dabei zwischen Pflaster mit ebener Oberfläche und solchem mit sonstiger Oberfläche unterschieden. Diese Unterscheidung erfolgt gemäß dem Bild 2. Pflasterbefestigungen mit unebener gespaltener Oberfläche und solche mit Fugenbreiten einschließlich Fase von mehr als 5 mm fallen unter die Kategorie „Pflaster mit sonstiger Oberfläche“. Pflaster mit ebener Oberfläche wird dabei ein D_Stro-Wert zwischen 2,0 und 3,0 dB(A) und Pflaster mit sonstiger Oberfläche ein D_Stro-Wert zwischen 3,0 und 6,0 dB(A) zugewiesen, bezogen auf einen nicht geriffelten Gussasphalt oder Asphaltbeton. Da aus Gründen der Dauerhaftigkeit jedoch die meisten Betonsteine und Klinker zumeist eine Fase aufweisen, ist ein Großteil regelkonform hergestellter Pflasterbefestigungen als solches mit sonstiger Oberfläche einzustufen.

Bild 1: Einflussparameter auf das Reifen-Fahrbahn-Geräusch

Bild 2: Unterscheidung zwischen Pflaster mit ebener und solchem mit sonstiger Oberfläche gemäß [1]

Schon die Untersuchungen des FIGE-Institutes aus dem Jahr 1992 zeigten jedoch, dass eine solche pauschale Einteilung der Pflasterbefestigungen nicht die realen Verhältnisse widerspiegelt. So wurde bei den Versuchen, wie im Bild 3 dargestellt, festgestellt, dass Pflasterbefestigungen sowohl geringere als auch höhere Lärmemissionen aufweisen können als die der verschiedenen Asphaltbefestigungen. Im Ergebnis war festzustellen, dass sich Pflasterbefestigungen mit

• Diagonalverlegung,
• engen Fugen + Fasen-Breiten (scharfkantig),
• Fugenabstand > 150 mm,
• großen Steinen,
• ebener Verlegung,
• Oberflächentextur mit fein aufgerauter Oberfläche

positiv auf die Lärmemissionen auswirken. Schon 1992 folgte daraus, dass eine Überarbeitung der RLS-90 hinsichtlich einer Änderung der D_stro-Werte erforderlich gewesen wäre.

Bild 3: Übersichtliche Darstellung der Ergebnisse des FIGE-Institutes aus dem Jahr 1992 bei v = 50 km/h [2]

Zur versuchstechnischen Bestimmung der Lärmemissionen bestehender Verkehrsflächen werden verschiedene Nah- oder Fernfeldmessmethoden angewendet. Eine Nahfeldmethode ist das CPX-Verfahren (Close Proximity) gemäß EN ISO/CD 11819-2. Hierbei wird das Reifen-Fahrbahn-Geräusch unabhängig von Umgebungsbedingungen, Antriebs- und aerodynamischen Geräuschen mittels eines Messanhängers mit einem Mikrofon nahe der Belagsoberfläche ermittelt. Umgebungslärm und Reflexionen werden unterdrückt. Die Messung erfolgt mit vorgegebenem Reifen und konstanter Geschwindigkeit. Ziel der Methode ist nicht die Prognose des Beurteilungspegels gemäß RLS-90, sondern die Optimierung der Fahrbahnoberfläche.

Mit dieser Methode wurden im Jahr 2005 von der TU Dresden Messungen an bestehenden Asphalt- und Pflasterbefestigungen durchgeführt [3]. Während mit einem Reifen, der leichten Verkehr simuliert, noch Unterschiede des CPXL-Messwertes von Betonsteinpflaster von 3 bis 5 dB bei v = 30 und 50 km/h gemessen wurden, verringerte sich dieser Unterschied bei einem Reifen, der schweren Verkehr simuliert und bei einer Geschwindigkeit von v = 50 km/h auf 0 bis 5 dB, wie das Bild 4 zeigt.

Bild 4: CPXH-Werte (schwerer Verkehr, v = 50 km/h), Messungen der TU Desden 2005 [3]

Neben der Nahfeldmessmethode existieren auch Feldfeldmessmethoden. Diese sind geeignet, eine Grundlage der rechnerischen Prognose des Beurteilungspegels gemäß den RLS-90 zu bilden.

Das Statistische Vorbeifahrtverfahren nach DIN EN ISO11819-1 stellt eine solche Fernfeldmessmethode dar. Die Messungen erfolgen hierbei an vorbeifahrendem Verkehr unter vorgegebenen Randbedingungen durch seitliche Aufstellung eines Mikrofons. Dabei werden der Lärmpegel und die Geschwindigkeit des vorbeifahrenden Fahrzeuges jeweils gemessen. Anschließend werden die Ergebnisse statistisch ausgewertet und ein statistischer Vorbeifahrtindex SPBI bei v = 50 km/h ermittelt. Um einen repräsentativen Kennwert damit zu erhalten, ist es erforderlich nahezu Freifeldbedingungen einzuhalten. Dies bedeutet, dass nahezu keine Hindernisse oder Wände zu Abschirmungen oder Reflexionen führen. Diese Bedingungen können Außerorts einfach eingehalten werden. Innerorts ist es jedoch selten möglich, die nach oben genannter Norm erforderlichen Freifelsbedingungen einzuhalten.

Um jedoch auch innerhalb von Gemeinden eine Messung des Lärmpegels vornehmen zu können, wurde das Backing-Board-Verfahren im Rahmen eines vom BMVBS geförderten Forschungsprojektes entwickelt [4]. Dieses Verfahren basiert auf dem zuvor dargestellten statistischen Vorbeifahrtverfahren. Um rückwärtige Schallemissionen zu unterdrücken, wird jedoch das Messmikrofon an eine vorgegebene senkrechte Rückwand montiert (siehe Bild 5). Der Messpunktabstand zur Fahrstreifenachse beträgt 5,0 m, die Messhöhe 80 cm. Zur Messung sind mindestens 100 einzeln erfasste Vorbeifahrten erforderlich (Fahrzeuggeräusch LAF_max in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit v). Ergebnis ist der Fahrzeuggeräuschpegel L_veh für 30 km/h und 50 km/h. Beispielhaft ist das Ergebnis einer Messung im Bild 6 dargestellt. Die Untersuchungen [4] ergaben, dass im Vergleich zur Messung unter Freifeldbedingungen ein mittlerer Differenzpegel von – 9,5 dB entsteht.

Bild 5: Messabstand und Messaufbau des Backing-Board-Verfahrens

Bild 6: Beispielhafte Darstellung der Ergebnisse einer Messung mit dem Backing-Board-Verfahren [aus 5]

2 Untersuchungen mit dem Backing-Board-Verfahren an Pflasterbefestigungen

Um den Lärmpegel an bestehenden Straßen mit Pflasterbefestigungen zu bestimmen, wurden mit diesem Backing-Board-Verfahren verschiedene Messungen von Berghäuser und Manderla (Fachhochschule Köln) im Rahmen von Bachelorarbeiten durchgeführt [5]. Ziel war die Erfassung der Schallemissionen kommunaler Pflasterstraßen mit Betonsteinen in Abhängigkeit von ihrem bautechnischen Zustandswert. Hierzu wurden 18 Messungen an verschiedenen kommunalen Pflasterstraßen, verteilt über den west- und süddeutschen Raum, durchgeführt. Gleichzeitig wurde an den Messpunkten der bautechnische Zustand der Fahrbahnen in Anlehnung an die E EMI [6] erfasst. Die Zustandsbewertung wurde zusätzlich hinsichtlich der lärmtechnisch relevanten Werte gemäß der Tabelle 1 modifiziert. Ergebnis ist ein Gesamtwert gemäß E EMI und ein Gesamtwert hinsichtlich Lärm gemäß dem Bild 7.

Tabelle 1: Zustandsbewertung der untersuchten Pflasterbefestigungen [5]

Bild 7: Beispielhafte Berechnung der Zustands- und Zielwerte gemäß [5]

In der Tabelle 2 sind die Ergebnisse der Untersuchungen der Fachhochschule Köln aufgelistet. Die Fahrzeuggeräuschpegel für v = 30 km/h und v = 50 km/h sind hierbei den Gesamtwerten der Zustandserfassung gemäß E EMI und gemäß zuvor erläuterter Modifizierung gegenübergestellt. Zur Einordnung der ermittelten Geräuschpegel wurden die Messergebnisse des FE-Projektes [4] an Asphaltstraßen herangezogen. An acht verschiedenen kommunalen Fahrbahndecken aus Asphaltbeton wurde ein mittlerer Fahrgeräuschpegel von L_veh = 71,5 dB(A) für v = 30 km/h und L_veh = 78,8 dB(A) für v = 50 km/h ermittelt. Diese Mittelwerte wurden als Referenzwerte herangezogen, so dass ein mittlerer Vergleich zwischen Asphaltbeton und Betonsteinpflaster möglich wurde.

Tabelle 2: Fahrgeräuschpegel und Zustandswert (Gesamtwert) der untersuchten Pflasterbefestigungen aus Betonsteinen gemäß [5]

Zudem wurde eine Asphaltfahrbahn aus Asphaltbeton (Nr.1) als Vergleichsmessung durchgeführt. Mit Messwerten etwas oberhalb der Mittelwerte der Untersuchungen [4] ist eine Anbindung an diese Versuche gegeben. Die Differenz zwischen den Mittelwerten an Asphalt [4] und den gemessenen Werten an den untersuchten Pflasterflächen ist als ∆L_veh in der Tabelle 2 aufgeführt.

Wie im Bild 8 zu erkennen ist, ist eine direkte Korrelation zwischen Fahrgeräuschpegel und Gesamtwert des Fahrbahnzustandes nicht vorhanden, da verschiedene Faktoren der Fahrbahnoberfläche miteinander interagieren.

Bild 8: Fahrgeräuschpegel in Abhängigkeit vom Zustand der Fahrbahn [5]

Eine genauere Auswertung zeigt, dass eine gewisse Abhängigkeit des Fahrgeräuschpegels von der Allgemeinen Unebenheit vorliegt, jedoch weiterhin überdeckt von anderen Faktoren. Eine Abhängigkeit des Geräuschpegels von der Spurrinnentiefe wurde nicht festgestellt.

Bild 9: Fahrgeräuschpegel in Abhängigkeit von der allgemeinen Unebenheit der Fahrbahn [5]

Die Auswertung des Fahrgeräuschpegels in Abhängigkeit von der Fugenbreite im Bild 10 zeigt keine relevante Korrelation. Berücksichtigt man zudem die Breite der Fase der Pflastersteine (Bild 11), so ist eine gewisse Tendenz der Zunahme des Geräuschpegels mit zunehmender Summe aus Fugenbreite und Fasenbreite zu erkennen, jedoch weiterhin ohne ausreichende Korrelation. Positiv wirkt sich eine kleine Fase aus. Weitere Kennwerte, wie z. B. Pflasterverband und Steinform, beeinflussen zudem die Geräuschemissionen (siehe Bilder 12 und 13). Tendenziell wirkt sich die Diagonalverlegung und die Verwendung rechteckiger Formate statt von Verbundsteinpflaster positiv auf die Lärmemissionen aus.

Bild 10: Fahrgeräuschpegel in Abhängigkeit von der Fugenbreite des Pflasters [5]

Bild 11: Fahrgeräuschpegel in Abhängigkeit von der Summe aus Fugenbreite und Fase des Pflasters [5]

Bild 12: Fahrgeräuschpegel in Abhängigkeit vom Verband des Pflasters [5]

Bild 13: Fahrgeräuschpegel in Abhängigkeit von der Steinform des Pflasters [5]

Zusammenfassend zu den Untersuchungen mit dem Backing-Board-Verfahren hat sich gezeigt, dass dieses Verfahren eine einfache, kostengünstige und aussagekräftige Methode ist, um im innerstädtischen Bereich Messungen durchzuführen. Pflasterdecken haben einen niedrigeren Geräuschpegel, wenn eine ebene Lage vorhanden ist und die Steine keine Fase oder aber eine Mikrofase (≤ 2 mm) aufweisen. Es ist zu vermuten, dass auch die Fugenbreite relevant für die Lärmentwicklung ist. Keine der untersuchten Pflasterdecken ist als “ebenes Pflaster“ gemäß RLS-90 einzustufen (Fugen- und Fasenbreite > 5 mm). Trotzdem werden Geräuschemissionen in der Größenordnung derer einer Fahrbahn aus Asphaltbeton ermittelt. Das Vorgehen der RLS-90, in welcher die Summe aus Fuge- und Fasenbreite zur Festlegung des D_Stro-Wertes maßgebend ist, sollte daher überdacht werden.

3 Ausblick

Zur Weiterführung der Erkenntnisse und Erweiterung des Datenpools werden zurzeit CPX-Messungen an älteren Pflasterstraßen vom Betonverband Straße, Landschaft, Garten e. V. (SLG) durchgeführt. Die Erkenntnisse sollen nach Abschluss dieser Untersuchungen durch Messungen mit statistischer Vorbeifahrt bzw. Backing-Board-Verfahren bei v = 30 und 50 km/h ergänzt werden.

Parallel dazu wird ein vom BMVBS finanziertes Forschungsprojekt unter Projektleitung von Müller BBM (Projektdauer 2011 bis 2014) bearbeitet. Optimiert werden dabei die Oberflächentextur gefügedichter Betonsteine – z. B. durch Aufbringung eingeprägter Strukturen – von der Universität Kassel, die Porenstruktur und Dauerhaftigkeit offenporiger Betonsteine – auch bei höherer Verkehrsbelastung und Tausalznutzung – von der TU München, die Fugenform und -orientierung von Müller BBM und der Verlegeprozess sowie die Konstruktion der Pflasterfläche von der SF-Kooperation.

Weiterhin werden Untersuchungen zur Elastifizierung des Betons von der SF-Kooperation in Zusammenarbeit mit der TU München durchgeführt.

Die Untersuchungen erfolgen dabei einerseits durch Simulationsberechnungen und Laborversuche. Andererseits sollen die aus diesen Teilschritten resultierenden Erkenntnisse unter realistischen Praxisbedingungen gebauter Fahrbahnen erprobt und der Fahrgeräuschpegel messtechnisch ermittelt werden.

Die Erkenntnisse zum lärmarmen Pflaster werden in einer Bearbeitergruppe des Arbeitsausschuss 6.6 „Pflasterdecken und Plattenbeläge“ der FGSV zusammengeführt. Ziel dieser Bearbeitergruppe ist es zunächst, die Konstruktion lärmarmer konventioneller Pflasterbefestigungen zu definieren, so dass sie ins bau- und lärmtechnische Regelwerk aufgenommen werden können. In einem weiteren Schritt sollen aus den parallel stattfindenden Untersuchungen innovative Bauweisen abgeleitet werden, die dann zukünftig gegebenenfalls ebenfalls Eingang ins Regelwerk finden.

4 Literaturverzeichnis

1. Richtlinien für den Lärmschutz an Straßen (RLS-90), Bundesministerium für Verkehr, Köln, 1992, FGSV 334
2. Steven, Heinrich: Geräuschemissionen auf Betonsteinpflaster; Forschungsinstitut Geräusch und Erschütterungen (FiGE), Herzogenrath, 1992
3. TU Dresden, Straßenbaulabor: Beurteilung des Einflusses von Straßenoberflächen auf die Verkehrsgeräusche (2005), Prüfbericht im Auftrag des Deutschen Asphaltinstitutes, Asphalt 5/06, 2006
4. Gutbier, Mario; Schierz, Heiko: Verfahren zur Klassifizierung der Geräuschemission von Innerortsstraßen, Forschung Straßenbau und Straßenverkehrstechnik, Heft 1034, Schriftenreihe des Bundesministeriums für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung, 2010
5. Manderla, Linus; Berghäuser, Philipp: Schalltechnische Untersuchungen von Pflasterdecken mit Betonsteinen unter Berücksichtigung ihres bautechnischen Zustandes, Bachelorarbeit an der Fachhochschule Köln, 2012
6. Empfehlungen für das Erhaltungsmanagement von Innerortsstraßen (E EMI), Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen, Köln, 2012, FGSV 487