620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Schäden an Betonfahrbahnen sind fast immer auf das Eindringen von Wasser unter die Betonplatte zurückzuführen. Für die Erprobung von Entwässerungseinrichtungen wurden Versuchsstrecken auf den Autobahnen A5 (Frankfurt -Mörfelden), A7 (bei Dorfmark und Soltau) sowie der A 29 (Bei Sage) eingerichtet, bei denen verschiedene Maßnahmen (Längsentwässerung, Punktentwässerung, Flachdrainage) auf ihr Verhalten beobachtet werden.
Während Betonfahrbahnen auch nach 10 Jahren unter Wetter- und Verkehrseinflüssen noch gute Oberflächeneigenschaften aufweisen, ist die Längsebenheit mancher schwerbelasteter Autobahnen weniger zufriedenstellend. Die Schäden sind fast immer auf das in die Straßenbefestigung eingedrungene Wasser zurückzuführen. Es wird über die Ergebnisse von Probestrecken zur Fernhaltung oder Ableitung des Wassers berichtet. Die Schäden entstehen durch das hydrodynamische Pumpen durch den Verkehr an undichten Fugen und Rissen mit der Folge von Erosion der Tragschicht. Verschiedentlich sind auch Schäden durch Frosthebungen entstanden, wenn die Durchlässigkeit der Frostschutzschicht geringer als 10 hoch -5 m/s ist. Für die Ableitung des Wassers gibt es drei Abflussebenen: Deckenoberfläche, Grenzschicht zwischen Decke und oberer Tragschicht und Erdplanum. Auch bei der einfachsten Lösung, Ableiten des Wassers über die Oberfläche, kann vollständiges Eindringen nicht verhindert werden. Bei wenig durchlässiger Tragschicht wird das Wasser durch eine flächige Drainage oder Längs- und Querdrainage abgeleitet. Vergleichende Versuche mit 50 m langen Probestrecken werden beschrieben. Hinsichtlich der Wirksamkeit ergibt sich folgende Reihenfolge: Längsentwässerung; Drainbeton, Dränasphalt und 10 mm dickes Geotextil; 3 bis 5 mm Geotextil, Punktdrainage mit Rohren; Flachdrain. Die Auswahl der aussichtsreichsten Maßnahme wird erörtert. Auf eine Dichtung der Fugen kann in keinem Fall verzichtet werden.
Im vorliegenden Forschungsbericht wurden Berechnungen zur Untersuchung der Wirksamkeit verschiedener Bauweisen zur technischen Sicherung von Böden und Baustoffen mit umweltrelevanten Inhaltsstoffen im Erdbau vorgestellt. Dabei wurden zunächst die im Merkblatt über Bauweisen für Technische Sicherungsmaßnahmen beim Einsatz von Böden und Baustoffen mit umweltrelevanten Inhaltsstoffen im Erdbau (M TS E) dargestellten Bauweisen vorgestellt. Zur Untersuchung der Wirksamkeit wurden numerische Berechnungen mit dem Strömungssimulator FEFLOW durchgeführt. Zur Erstellung der FE-Modelle mussten die in M TS E dargestellten Bauweisen unter Berücksichtigung des Straßenaufbaus zunächst mit Daten unterlegt werden. Anschließend konnten die FE-Modelle erstellt und Rand- und Anfangsbedingungen definiert werden. Anhand von Voruntersuchungen wurde zunächst der Einfluss unterschiedlicher Materialien im Bereich des Straßenaufbaus (Bankett und Oberboden) analysiert. Auf Grundlage der Voruntersuchungen wurde eine Situation des Straßenaufbaus definiert, mit der anschließend die weiteren Berechnungen zur Ermittlung der bei den verschiedenen Bauweisen zu erwartenden Sickerwassermengen durchgeführt wurden. Anhand einer Vielzahl von Berechnungen wurden dabei verschiedene Szenarien im Hinblick auf die auftretenden Niederschläge und die den verschiedenen Schichten zugrunde liegenden Bodenkennwerte untersucht. Zur Ermittlung der Wirksamkeit der verschiedenen Bauweisen wurden die in die Böden und Baustoffe mit umweltrelevanten Inhaltsstoffen ein- und ausströmenden Wassermengen für die einzelnen Modelle analysiert. Um die Vergleichbarkeit der Ergebnisse zu gewährleisten wurde dabei jeweils der stationäre Fließzustand betrachtet. Aufgrund des teilweise sehr hohen Berechnungsaufwandes konnte dieser nicht in allen Modellberechnungen erreicht werden. In diesem Fall wurden die im stationären Zustand zu erwartenden Sickerwassermengen aus den vorhandenen Daten extrapoliert. Durch einen Vergleich der bei den verschiedenen Bauweisen zu erwartenden Sickerwassermengen konnten die im Merkblatt über Technische Sicherungsmaßnahmen (M TS E) dargestellten Bauweisen bewertet werden. Die Ursachen für die bei einzelnen Bauweisen ermittelten vergleichsweise hohen Wassermengen wurden dabei diskutiert und mögliche konstruktive Maßnahmen dargestellt. Es konnten dabei jedoch nicht alle Bauweisen abschließend bewertet werden. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass die tatsächlichen Verhältnisse mit den in den Berechnungen definierten zeitlich konstanten Niederschlägen nur eingeschränkt wiedergegeben werden. Es wird vermutet, dass die in die Böden und Baustoffe mit umweltrelevanten Inhaltsstoffen infiltrierenden Sickerwassermengen damit zum Teil erheblich überschätzt werden. Aus diesem Grund wurde die Durchführung zusätzlicher Berechnungen mit zeitlich variablen Randbedingungen unter Berücksichtigung der Evapotranspiration empfohlen.
Ziel der Forschungsarbeiten zum Thema Durchsickerung von Straßenböschungen ist es, ausgewogene Beurteilungskriterien für einen umwelteffizienten und zugleich ökonomischen Einsatz von Ersatzbaustoffen und Bodenmaterial zu schaffen. Durch eine belastbare Datengrundlage zur Erfassung des Wasserhaushaltes des gesamten Bauwerkes können Instrumente entwickelt werden, um die Wirksamkeit der unterschiedlichen technischen Sicherungsmaßnahmen zu beurteilen. Um dieses Ziel zu erreichen, verfolgt die Bundesanstalt für Straßenwesen verschiedene Projektansätze zum Thema Durchsickerung von Straßenböschungen. Jeder Projektansatz hat seine Stärken und Schwächen. Durch großmaßstäbliche Versuche können die realen Verhältnisse gut wiedergegeben werden. Solche Versuche sind jedoch personalintensiv und langwierig. Schneller und preisgünstiger sind Modellrechnungen. Die Qualität der Berechnungen hängt aber stark von der Qualität der gewählten Parameter ab. Durch inverse Modellierung müssen die Eingabeparameter der Programme zur Modellrechnung an die Realität angepasst werden. Die realen Bedingungen werden am besten durch ein Pilotprojekt an einem realen Versuchsdamm wiedergegeben. Diese Versuche sind sehr aufwendig und sehr kostenintensiv, aber zur Validierung der Modellrechnung und der großmaßstäblichen Versuche erforderlich. In dem Betrag wird beschrieben, welche großmaßstäblichen Versuche durch die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) durchgeführt wurden und wie sie von Anfang an durch Simulationsrechnungen begleitet wurden.
Auftausalze werden zur Vermeidung von Schnee- und Eisglätte eingesetzt. Hierbei ist Natriumchlorid das meist verwendete Salz. Diese Salze sind in Wasser leicht löslich und können in den Wasser-kreislauf gelangen. Mögliche Eintragspfade sind direkter Abfluss aus dem Entwässerungssystem zu Oberflächengewässern und Versickerung ins Grundwasser. Da die Salze im Grundwasser mobil sind, gelangt die eingetragene Stoffmenge auch zu den Vorflutern. Sowohl im Grundwasser als auch in Oberflächengewässern können erhöhte Salzkonzentrationen zur Beeinträchtigung von Natur und Umwelt oder sonstiger Nutzung führen. In diesem Projekt wurde der Wissensstand zu gewässerschutzrelevanten Wirkungen von Chlorid durch eine Literaturauswertung zusammengefasst, insbesondere zu Konzentrationsbereichen und zugehörigen Wirkungszeiträumen, die akute und chronische Toxizität für Gewässerorganismen auslösen. Auch die Transportpfade und das Verhalten des auf Straßen ausgebrachten Tausalzes wurden beschrieben. Hauptziel des Projektes war herauszufinden, welche Versickerungs- und technische Entwässerungseinrichtungen und welche Betriebsweisen die Konzentrationen von Tausalz in Gewässern unterschiedlicher Größe auf ein verträgliches Maß reduzieren können. An ausgewählten Punkten, wie Grundwasser oder Fließgewässer, wurden die berechneten Salzfrachten und -konzentrationen immissionsbezogen bewertet. Als maßgebender Punkt im Fließgewässer wird i.d.R. der unterstromige Pegel eines Gewässerkörpers betrachtet. Das Endziel des Projektes war, die Verdünnung und den Rückhalt von Tausalz bei verschiedenen Entwässerungsmethoden, die nach den RAS Ew vorgegeben sind, unter Einsatz numerischer Modellierung zu untersuchen. Der Salztransport wurde nicht für reale Standorte modelliert. Vielmehr wurden Modellierungsberechnungen an mehreren repräsentativen Szenarien durchgeführt, die auf andere Fälle übertragen werden können. Dafür wurden unterschiedliche Kombinationen von Tausalzmengen, Straßenausbildung, Art der Entwässerung sowie hydrologischen und hydrogeologischen Ortseigenschaften ausgewählt und in den Modellen als Randbedingungen eingebaut. Die Ergebnisse zum Transportpfad Untergrund zeigten deutliche Vermischungs- und Dämpfungseffekte durch Dispersion und Verdünnung. Die Berechnungen zeigten, dass sich ein Jahresmittelwert der Chlorid-Konzentration, der auf Tausalzeinsatz und Transport im Untergrund zurückzuführen ist, gut mit einer Massenbilanz berechnen lässt. Die saisonalen Schwankungen in den berechneten Chlorid-Konzentrationen waren in der Regel sehr gering. Somit kann in vielen Fällen auf eine numerische Modellierung des Transportpfades Untergrund verzichtet und stattdessen eine vereinfachte Massenbilanzierung verwendet werden. Die Berechnungen zum Transportpfad der technischen Entwässerung können aus den Eingangsparametern sensitive und weniger sensitive Größen hinsichtlich des Transportverhaltens identifizieren. So hat z.B. die Regencharakteristik nur einen geringen Einfluss auf die Ergebnisse. Dagegen hatten die Streumengen und die betrachtete maximale Konzentration im Straßenablauf wie erwartet eine sehr starke Auswirkung. Auch wurden insbesondere die Möglichkeiten des Rückhaltes und der Verdünnung von Tausalz in unterschiedlichen Beckenanlagen der technischen Straßenentwässerung untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass die Ausgestaltung der Becken einen deutlichen Einfluss auf die Ergebnisse hatte. Die Berechnungsergebnisse der beiden Transportpfade lieferten jeweils einen Input (Wassermenge und Chloridkonzentration) zu einem Gewässer. Diese wurden dann an einem Auswertepunkt im Gewässer zusammengeführt. I.d.R. liegt dieser Auswertepunkt am unterstromigen Ende des Gewässerkörpers. Zur Überlagerung von Konzentrationen aus Sickerwasser, Grundwasser, technischen Einleitungen und Oberflächengewässer wurden in einer Mischungsrechnung jeweils die Stoffgehalte und die Wassermengen aufgenommen. Bei Betrachtung eines (Teil-)Einzugsgebiets eines Gewässers wurde dann zunächst der Zufluss im Gewässer und dessen Hintergrundkonzentration am Oberstromende zusammen mit dem Austausch über den Transportpfad Untergrund betrachtet. Die Berechnung lieferte dann einen Gewässerabfluss und eine Hintergrundkonzentration am unterstromigen Ende. Danach wurde die Mischungskonzentration am unterstromigen Ende des Gewässers mit der Einleitung aus dem technischen Entwässerungssystem berechnet. Neben den berechneten Komponenten (Wassermenge und Konzentration) aus den Transportpfaden Untergrund und technischem Entwässerungssystem gingen als Randbedingungen der Mischungsberechnung der Abfluss und die Hintergrundkonzentration des Gewässers in die Berechnung ein. Diese beiden Größen wurden in einer Matrix berücksichtigt, um ein breites Anwendungsspektrum zu erreichen. Hierbei wurden die berechneten Zuflüsse (Menge und Konzentration) zum Gewässer mit einer frei wählbaren Matrix aus Abfluss und die Hintergrundkonzentration des Gewässers in der Mischungsrechnung betrachtet.
As investigations by BASt have shown, a bond between concrete surfaces and bases may be a disadvantage when water penetrates via joints and from the sides if the bond becomes partially detached at an early stage. Free water may penetrate into the area between the concrete surface and the base and build up in areas where the bond is still intact. The high pressure caused by lorry wheels rolling over the pavement causes hydrodynamic pumping. This creates very high flow speeds with considerable corrosion power. This results in the base course surface being eroded in the areas where heavy vehicles drive over the road and may even lead to water and fine particles from the base courses being expelled through the longitudinal joints between the pavement slab and the lower hard shoulder or first overtaking lane. The erosion of the base leads unavoidably to the bearing conditions deteriorating and increased loading of the concrete surface. Cracks may occur and, later stepping-off and tilting of the plates components. This significantly deteriorates the evenness and consequently the service value of the road. This finally leads to a reduction in the service life of the concrete surface. To avoid such damage water which has penetrated must be able to lose pressure and to then seep away. A possible solution is: A nonwoven fabric substance between concrete suface and bound base course. This construction method has proved himselve on numerous test road sections and were rightly included in the new Codes of Practice for the Standardisation of the Upper Structure of Traffic-Bearing Surfaces (Richtlinien für die Standardisierung des Oberbaues von Verkehrsflächen- RStO).
Im Rahmen einer durch die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt} initiierten Studie wurde das geothermische Potenzial des anfallenden Bergwassers für 15 Portale von deutschen Straßentunneln abgeschätzt und mögliche Konzepte zur Nutzung der hydrogeothermischen Energie aufgezeigt. Das Institut für Geotechnik der Universität Stuttgart (IGS} hat im Anschluss für drei dieser Portale die Untersuchungen zum geothermischen Potenzial fortgeführt sowie Wärmenutzungskonzepte aufgestellt und detailliert geplant. Als Ergebnis liegt die Entwurfsplanung für eine geothermische Anlage am Nordportal des Grenztunnels Füssen vor. Es wird ein Überblick über die durchgeführten Untersuchungen, den Prozess der Portalauswahl und die relevanten Wärmenutzungen gegeben.
Die Länderarbeitsgemeinschaften Bodenschutz (LABO), Abfall (LAGA) und Wasser (LAWA) haben im September 2005 das Bundesumweltministerium gebeten, bundeseinheitliche, rechtsverbindliche Anforderungen an die Verwertung von mineralischen Abfällen in technischen Bauwerken und in bodenähnlichen Anwendungen zu regeln. Die Umweltministerien der Länder haben in ihren Stellungnahmen zum 2. Arbeitsentwurf der Mantelverordnung Forderungen gestellt, bei deren Umsetzung der Einsatz von mineralischen Ersatzbaustoffen im Verkehrswegebau stark eingeschränkt und unwirtschaftlich würde. Der Wille zur Schonung natürlicher Ressourcen ist nicht erkennbar. Anforderungen an Straßenbauwerke, an den Umweltschutz und an die Kreislaufwirtschaft konkurrieren in vielen Bereichen miteinander. Im Gesetzgebungsverfahren sind bisher trotz Gesprächen zwischen den Ressorts auf Arbeitsebene in grundlegenden Aspekten keine Einigung oder von Allen tragbare Kompromisse erzielt worden. Der Verkehrswegebau ist Hauptabnehmer der Ersatzbaustoffe, geht mit großen Mengen des Primärbaustoffs "Boden" um, ist aber auch "Abfallerzeuger". In der Mantelverordnung werden Regelungen getroffen, die stark in die Belange des Straßenbaus eingreifen. Aus diesem Grund ist die Beteiligung der Straßenbauverwaltung erforderlich, um die bautechnische und bauvertragliche Kompetenz sicher zu stellen, das Potenzial für Boden- und Grundwasserschutz auszuschöpfen und natürliche Ressourcen zu schonen. Die wichtigsten Aspekte zum umweltgerechten Einsatz von Boden und Ersatzbaustoffen aus der Sicht des Straßenbaus werden vorgestellt.
Die Länderarbeitsgemeinschaften Bodenschutz (LABO), Abfall (LAGA) und Wasser (LAWA) haben im September 2005 das Bundesumweltministerium gebeten, bundeseinheitliche, rechtsverbindliche Anforderungen an die Verwertung von mineralischen Abfällen in technischen Bauwerken und in bodenähnlichen Anwendungen zu regeln. Die Umweltministerien der Länder haben in ihren Stellungnahmen zum 2. Arbeitsentwurf der Mantelverordnung Forderungen gestellt, bei deren Umsetzung der Einsatz von mineralischen Ersatzbaustoffen im Verkehrswegebau stark eingeschränkt und unwirtschaftlich würde. Der Wille zur Schonung natürlicher Ressourcen ist nicht erkennbar. Anforderungen an Straßenbauwerke, an den Umweltschutz und an die Kreislaufwirtschaft konkurrieren in vielen Bereichen miteinander. Im Gesetzgebungsverfahren sind bisher trotz Gesprächen zwischen den Ressorts auf Arbeitsebene in grundlegenden Aspekten keine Einigung oder von Allen tragbare Kompromisse erzielt worden. Der Verkehrswegebau ist Hauptabnehmer der Ersatzbaustoffe, geht mit großen Mengen des Primärbaustoffs "Boden" um, ist aber auch "Abfallerzeuger". In der Mantelverordnung werden Regelungen getroffen, die stark in die Belange des Straßenbaus eingreifen. Aus diesem Grund ist die Beteiligung der Straßenbauverwaltung erforderlich, um die bautechnische und bauvertragliche Kompetenz sicher zu stellen, das Potenzial für Boden- und Grundwasserschutz auszuschöpfen und natürliche Ressourcen zu schonen. Die wichtigsten Aspekte zum umweltgerechten Einsatz von Boden und Ersatzbaustoffen aus der Sicht des Straßenbaus werden vorgestellt.
Anteile und zeitliche Verteilung von Oberflächenabfluss, Infiltration und Durchsickerung von Böschungen aus teilgesättigten Erddämmen infolge von Niederschlägen und Straßenabfluss sind bisher nur unzureichend bekannt. Für Straßenbauingenieure reicht das vorhandene Wissen über Wasser im Straßen-Erdbauwerk zur Beurteilung der Gebrauchstauglichkeit aus. Für die hydrologische Beurteilung der Durchsickerung im Hinblick auf den Boden- und Grundwasserschutz ist der heutige Wissensstand jedoch nicht ausreichend. Ziel des Projektes ist es, einen dringend benötigten Beitrag zur wirtschaftlichen und umweltverträglichen Verwertung von Ersatzbaustoffen im Erdbau zu leisten und bisher fehlende Beurteilungsmaßstäbe für den Boden- und Grundwasserschutz für die straßenbauspezifischen Gegebenheiten zu liefern. Zur Erreichung des Forschungsziels wurden in der Lysimeteranlage in Augsburg, Derchinger Straße, in acht Becken Böschungen eingebaut, die jeweils einen Ausschnitt aus einer Straßenböschung einschließlich eines Bankettstreifens darstellen. Zur Simulation von belastetem Bodenmaterial wurden dem Böschungsmaterial Schadstoffe zu dotiert. Zusätzlich wurden technische Sicherungsmaßnahmen eingebaut. Ergänzend zu den hydraulischen Größen Niederschlag, Menge von Sickerwasser und Oberflächenabfluss der Lysimeter wurden auch Konzentrationen der zu dotierten Schadstoffe (Cadmium, Kupfer und Cyanid} und weitere Parameter im Sickerwasser der Lysimeter und im Straßenabfluss bestimmt. Das dargestellte Projekt wurde gemeinsam durch die Hochschule Augsburg und die BASt von 2010 bis 2013 durchgeführt. Ein Anschlussprojekt ist derzeit in Bearbeitung.