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Um genaue Abschätzungen für die lärmtechnische Bewertung von Straßenbauwerken zu erhalten und unnötige Kosten beim Bau zu vermeiden, sind möglichst genaue Modelle für die Schallemission und Schallausbreitung nötig. Zur lärmtechnischen Beurteilung von Lärmschutzwänden (Lsw) existieren verschiedene analytische Beschreibungen. Die akustische Wirkung von Aufsätzen, sogenannten Schirmkronen, lässt sich dabei bisher nicht allgemein berücksichtigen. Der messtechnische Nachweis der akustischen Wirksamkeit von Aufsätzen im Fernbereich einer Lärmschutzwand an einer realen Verkehrsschallquelle ist ein wichtiger Schritt für die zukünftige Vorhersage des maßgeblichen Immissionsschalldruckpegels unter Einsatz von Schirmkronen.
Ziel des vorliegenden Vorhabens war daher die messtechnische Bestimmung der akustischen Wirksamkeit einer Schirmkrone der Fa. CALMA-TEC, die auf bestehende Lärmschutzwände der Talbrücke Uttrichshausen installiert wurde. Dazu wurden Emissions- und Immissionsmessungen vor und nach der Baumaßnahme unter vergleichbaren Bedingungen durchgeführt und die gemessene Pegeldifferenz ausgewiesen. Zeitgleich erfolgte die Erfassung der Verkehrsdaten sowie der meteorologischen Bedingungen, um anschließend mithilfe eines geeigneten Schallausbreitungsmodells eine Korrektur der Immissionspegel bezüglich der zum Zeitpunkt der beiden Messungen vorliegenden Verkehrssituation (Schallleistung) sowie der meteorologischen Bedingungen durchzuführen.
Die daraus resultierende Einfügungsdämpfung der Schirmkrone nimmt an den untersuchten Immissionsorten Werte zwischen 0,4 dB und 1,7 dB an, bei einer Standardabweichung des gemessenen Immissionsschalldruckpegels von ca. 1 dB. Unter Berücksichtigung der Wanderhöhung, die durch die Schirmkrone erfolgt und des damit verbundenen Anstiegs des Abschirmmaßes kann angenommen werden, dass der angestrebte Einfluss der untersuchten Schirmkrone auf die Schallbeugung um die Oberkante der Lärmschutzwand vernachlässigbar ist.
Im Laufe des Lebenszyklus von Lärmschutzwänden (Lsw) können diverse Schadensbilder auftreten. Diese reichen von Löchern und Schlitzen zwischen abschirmenden Wandelementen durch Unfallschäden oder Montagemängel bis hin zu Witterungs- und Verschmutzungserscheinungen von Absorptionsmaterialien. Die Auswirkung dieser Schäden auf die akustischen Eigenschaften des Schallschirms ist bisher nicht detailliert untersucht. Das Vorhaben soll diese Lücke schließen und stellt einen Katalog bereit, auf dessen Basis konkrete Angaben zum Einfluss spezifischer Schäden insbesondere auf die Reduzierung der Schalldämmung und damit die Abschirmwirkung des Schallschirms gemacht werden können. Auf Basis dieser Angaben lassen sich ggf. gezielte und kosteneffiziente Maßnahmen ergreifen, um den Schallschutz von Immissionsorten dauerhaft zu gewährleisten. Zur Erstellung des Schadenskatalogs wird das bestehende nationale Schallausbreitungsmodell der RLS 90 um eine Beschreibung der Schalltransmission durch die Lsw sowie die geometrische Berücksichtigung von runden und schlitzförmigen Leckagen erweitert. Simulationen zeigen, dass hinter der Leckage in der Lsw ein akustisch kritischer Bereich entsteht. Die Grenze dieses Bereichs kann innerhalb des Schadenskatalogs für eine Vielzahl geometrisch abstrahierter Schäden abgelesen und mit einem Bebauungsplan abgeglichen werden. Katalogparameter sind insbesondere die Wirkfläche (Produkt aus Transmissionsgrad und Fläche runder Leckagen) und die Wirkbreite (Produkt aus Transmissionsgrad und Breite schlitzförmiger Leckagen). Es wird gezeigt, dass der Transmissionsgrad von Leckagen zuverlässig durch Berechnung nach MECHEL sowie durch Messung an Lsw in situ bestimmt werden kann. Letztere dienen zudem der erfolgreichen Validierung der verwendeten Modelle zur Beschreibung des Transmissionsgrads von Leckagen sowie der Schallausbreitung an Lsw mit Berücksichtigung der Transmission.
Gegenstand des Forschungsvorhabens ist die Etablierung des Elastizitätsmoduls als Parameter, der qualitative Aussagen über den Schädigungszustand des Baustoffes Straßenbeton ermöglicht. Zu diesem Zweck erfolgte eine systematische Ermüdung sowohl labor- als auch großmaßstäblicher Beton-Probekörper bei zeitgleicher Messung des Elastizitätsmoduls mithilfe von unterschiedlichen Verfahren.
Im ersten Schritt wurde ein Versuchsprogramm entwickelt, mit dem Straßenbeton-Probekörper mittels des Spaltzug-Schwellversuchs gezielt in einen definierten Ermüdungszustand versetzt werden können. Hierfür wurde der Parameter des Grenz-Elastizitätsmoduls definiert, welcher, wenn er unterschritten wird, zum Pausieren des Versuchs führt. In diesen systematisch eingehaltenen Lastpausen erfolgten begleitende Untersuchungen der Ultraschalllaufzeit und der Eigenfrequenz zur Bestimmung des Elastizitätsmoduls der untersuchten Probekörper während des Ermüdungsvorganges.
Im zweiten Schritt wurden die Untersuchungen auf eine Betonplatte und einen Betonplattenstreifen ausgeweitet.
Hierfür kam mit der Phase-Shift-Methode ein Verfahren zum Einsatz, das auf der Multichannel Analysis of Surface Waves (MASW) basiert und mithilfe dessen die Degradation großformatiger Straßenbetonelemente in Form der Verminderung des Elastizitätsmoduls messtechnisch nachgewiesen werden kann.
Anhand von FEM-Simulationen konnte gezeigt werden, dass eine Verminderung des Elastizitätsmoduls infolge der Ermüdung zu einer lokalen Konzentration der Beanspruchungen einer Betonplatte unter Last führt. Weiterhin ergab sich, dass die Verminderung der Beanspruchung der Betonplatte infolge eines ermüdungsbedingt verringerten Elastizitätsmoduls in einer Erhöhung der Beanspruchung der Beton-Unterlage resultiert. Dadurch bedingt kann es zu einer Verschlechterung der Auflagerungsbedingungen der Betonplatte kommen, was sich wiederum auf deren Beanspruchung und somit auf die Nutzungsdauer auswirken kann.
Es zeigt sich zwischen den Ergebnissen aller untersuchten Verfahren eine sehr gute Synchronität hinsichtlich des qualitativen ermüdungsbedingten Verlaufs des Elastizitätsmoduls. Die vier angewandten Verfahren, die sich voneinander unabhängiger physikalischer Phänomene bedienen, ermöglichen neben einer qualitativen Aussage über die Schädigung des Materials die Bestimmung von Absolutwerten des Elastizitätsmoduls. Je nach verwendetem Verfahren weichen die absoluten Werte des Elastizitätsmoduls leicht voneinander ab. Der Elastizitätsmodul bestätigt sich als geeigneter Parameter zur Beschreibung der Degradation des Baustoffs Straßenbeton im Zuge des Ermüdungsprozesses.
Die eingesetzte Phase-Shift-Methode kann in Kombination mit der Bestimmung charakteristischer Verläufe für die Verminderung des Elastizitätsmoduls im Zuge der Ermüdung potentiell die Basis für die zerstörungsfreie Bewertung der strukturellen Substanz von Betonfahrbahndecken in situ bilden. Perspektivisch kann dies die einfache und zielsichere Bewertung vorhandener Betonfahrbahndecken hinsichtlich ihrer Restnutzungsdauer und neuer Betonfahrbahndecken in Bezug auf ihre Dauerhaftigkeit ermöglichen
Gegenstand des Vorhabens ist die Durchführung dreidimensionaler Simulationen zur Bewertung der akustischen Wirksamkeit beliebig geformter bzw. mit unterschiedlicher Impedanz belegter Lärmschutzwände (Lsw) zum Schutz gegen Straßenverkehrslärm. Das Ziel ist die Erstellung von Berechnungsmodulen, die die dreidimensionalen Berechnungs-ergebnisse in analytische Beschreibungen für die 2½-dimensionale Berechnungsmethode überführt, die beispielsweise in einer überarbeiteten Version der „Richtlinien für den Lärmschutz an Straßen – RLS“ verwendet werden können.
Zu diesem Zweck wird zu Beginn der Stand der Technik durch eine Studie der einschlägigen Forschungsergebnisse der letzten Jahre auf dem Gebiet der Einfügungsdämpfung und der Reflexion von Lsw – vor allem solcher Schallschirme, die sich von der konventionellen ebenen, senkrecht stehenden Bauweise unterscheiden – zusammengefasst.
Anschließend erfolgt die Konzeption der angestrebten 3D-Simulationen der Schirmwirkung –insbesondere im Fernfeld der von der Quelle abgewandten Seite – verschiedener abge-knickter und gekrümmter bzw. unterschiedlich mit Impedanz belegter Lsw. Zusätzlich wird die quellseitige Reflexion dieser Lsw und die damit verbundene potenzielle Pegelerhöhung an Immissionsorten auf der Quellseite der Lsw betrachtet.
Im dritten Teil werden die geplanten numerischen Simulationen durch Anwendung der Finite-Elemente-Methode durchgeführt und ausgewertet. Bei der Auswertung wird der Fokus neben dem spektralen Schirmmaß insbesondere auf die Einfügungsdämpfung der jeweiligen komplexen Lsw gegenüber einer geraden, schallharten Lsw an der Position der ersten Beugungskante (Referenz) gelegt.
Abschließend erfolgt die Erstellung analytischer Beschreibungen zur Berücksichtigung der spektralen Wirksamkeit abgeknickter und gekrümmter bzw. unterschiedlich mit Impedanz belegter Lsw in Form von Zusatzdämpfungen gegenüber der Referenz für die Anwendung innerhalb der DIN ISO 96132 oder einer überarbeiteten Version der RLS.