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01.04.2016, 00:00 Uhr

Akustische Eigenschaften von Betonsteinpflasterstraßen

Nach RLS-90 ergibt sich für Pflasterbeläge je nach Ausführung und zulässiger Höchstgeschwindigkeit ein DStrO-Wert von +2 bis +6 dB. Pflasterbeläge sind damit die einzige Bauweise, der ein positiver DStrO-Wert zugewiesen ist. Die RLS-90 definiert lediglich zwei Kategorien für Pflasterbeläge. Dies gibt die vielfältigen Ausführungsformen von Pflasterstraßen nicht angemessen wieder. Vor diesem Hintergrund und anlässlich der anstehenden Überarbeitung der RLS-90 wurde eine Messreihe durchgeführt, um das tatsächliche schalltechnische Verhalten von Betonsteinpflaster zu erfassen. An 20 Strecken wurden CPX-Rollgeräuschmessungen und an einem Teilkollektiv Messungen nach der Methode der Statistischen Vorbeifahrt durchgeführt. In Bezug auf die Statistischen Vorbeifahrtmessungen waren die innerorts gelegenen Strecken sehr anspruchsvoll, da häufig allseitig um die Messstellen schallreflektierende Bebauung bestand, die DIN 11819-1 jedoch für SPB-Messungen in einem Radius von 25 m um die Messstelle Freifeldbedingungen fordert. Um dieses Problem zu umgehen, wurden zusätzlich zu den SPB-Messungen Schallausbreitungsberechnungen unter Berücksichtigung der umliegenden Bebauung durchgeführt. So konnte der Einfluss der Reflexionen auf das Schallfeld am SPB-Messpunkt quantifiziert und bei der Interpretation der Messergebnisse berücksichtigt werden.

Bild 1 CPX-Messsystem auf einer der untersuchten Messstrecken. 	Quelle: Müller BBM

Bild 1 CPX-Messsystem auf einer der untersuchten Messstrecken.

Foto: Müller BBM

Straßen aus Betonsteinpflaster sind im innerstädtischen Bereich eine sinnvolle Alternative zum Asphaltstraßenbau. Sie weisen Vorteile in der Gestaltung und im Betrieb der Straßen auf. Das Straßenbild kann durch den Einsatz von Betonsteinpflaster aufgelockert werden und Aufgrabungen können ohne „Narben“ wieder verschlossen werden. Dies führt dazu, dass diese beliebte Bauweise im kommunalen Bereich gerade auf weniger belasteten Straßen und Verkehrsflächen (d. h. Belastungsklasse Bk3,2 oder geringer gemäß den Richtlinien für die Standardisierung des Oberbaus von Verkehrsflächen (RStO)) eine hohe Bedeutung hat. Nach Angaben des Branchenverbandes SLG e. V.1) betrug das Marktvolumen in den Jahren 2010 und 2012 rund 88 bzw. rund 95 Mio. m² für Pflastersteine aus Beton, einschließlich haufwerksporiger Steine.

Die Einsatzmöglichkeiten für Betonsteinpflaster machen deren Anwendung insbesondere in Wohngebieten interessant. Dort ist zwar die Gesamtverkehrsmenge üblicherweise geringer als an stark befahrenen Straßen, jedoch liegen Wohngebäude sehr nah an den Verkehrswegen und somit an der Schallquelle.

In der schalltechnischen Bewertung muss derzeit noch auf die RLS-90 [1] zurückgegriffen werden, nach denen Betonsteinpflasterstraßen als „Pflasterbeläge mit ebener Oberfläche“ kategorisiert werden. Aus dieser Kategorisierung ergibt sich ein DStrO-Wert von DStrO = +2 dB bis DStrO = +3 dB, je nach Fahrgeschwindigkeit v zwischen 30 und 50 km/h.

Moderne Verfahren zur Herstellung von Betonsteinen und zum Einbau als Straßenbelag lassen vermuten, dass dieser o. g. Malus für den DStrO-Wert nicht mehr der Realität entspricht. Da die RLS-90 derzeit überarbeitet werden, ist es deshalb sinnvoll, die Geräuschemissionen von Pflasterstraßen im Sinne einer Bestandsaufnahme neu zu bewerten. Hierzu wurde in Zusammenarbeit des Betonverbands Straße, Landschaft, Garten e. V. (im Folgenden SLG), der Bundesanstalt für Straßenwesen und der Müller-BBM ein Messkonzept entwickelt.

Bestandsaufnahme

Messkonzept

In einem ersten Schritt wurden vom SLG ca. 70 Strecken mit Betonsteinpflaster für die Untersuchung vorgeschlagen. Die Streckenauswahl umfasste sowohl vermeintlich akustisch günstige Strecken (aufbauend auf den alten Ergebnissen aus [2]), die durch großformatige Steine mit schmalen Fugen charakterisiert sind, wie auch Strecken auf denen ein verhältnismäßig hohes Reifen-Fahrbahn-Geräusch zu erwarten ist (z. B. beim Einsatz gekollerter Steine). Die Strecken wurden von Müller-BBM hinsichtlich der Tauglichkeit für die Messdurchführung überprüft. Es sollten sowohl Nahfeldmessungen mit dem CPX-Verfahren [3], als auch Statistische Vorbeifahrtmessungen [4] durchgeführt werden.

Die CPX-Messungen wurden schließlich an 20 Strecken durchgeführt. Ähnlich wie die ursprüngliche Zusammenstellung von 70 Strecken enthielt auch diese Streckenauswahl sehr unterschiedliche Ausführungen (groß- und kleinformatiger Pflaster neuerer und älterer Baujahre). Die CPX-Messungen wurden mit einer Fahrgeschwindigkeit von 30 km/h durchgeführt, auf einzelnen Strecken fanden, je nach Streckenführung, auch Messungen mit 50 km/h statt (Bild 1). Auf allen Strecken wurde mit den beiden Norm-Messreifen P und H gemessen, die jeweils einen typischen Pkw-Reifen (P) bzw. Lkw-Reifen (H) repräsentieren.

Die Statistischen Vorbeifahrtmessungen wurden schließlich an fünf Strecken durchgeführt, die in Abstimmung mit der Bundesanstalt für Straßenwesen ausgewählt wurden (Bild 2).

Bild 2 SPB-Messsystem an einer der untersuchten Messstrecken.

Bild 2 SPB-Messsystem an einer der untersuchten Messstrecken.

 

Messergebnisse

In Bild 3 sind die Messergebnisse der CPX-Messungen darstellt. Auf der x-Achse sind die Streckennummern aufgetragen, auf der y-Achse die CPX-Indizes (arithmetischer Mittelwert der gemessenen Schalldruckpegel in dB(A)) für die beiden Mess­reifen P und H. Einige Strecken treten mehrfach auf, da die Messungen wenn möglich in beiden Fahrtrichtungen und auf allen Fahrsteifen durchgeführt wurden.

Bild 3 CPX-Indizes der untersuchten Messstrecken für 30 km/h.

Bild 3 CPX-Indizes der untersuchten Messstrecken für 30 km/h.

Wie aus Bild 3 ersichtlich, ist der Dynamikbereich für den textursensitiveren Pkw-Reifen deutlich größer als für den Lkw-Reifen. Für Pkw-Reifen beträgt der ermittelte Dyna­mik­bereich ca. 6 dB. Generell sind für die Betrachtung von Pflasterstraßen die mit Pkw-Reifen gemessenen Reifen-Fahrbahn-Geräusche relevanter, da sich die Pflasterbauweise insbesondere für Straßen geringer Belastungsklassen und somit geringem Schwerverkehrsaufkommen eignet.

Die Statistischen Vorbeifahrtmessungen wurden an den Strecken 14, 39, 62, 66 und 67 durchgeführt. Alle untersuchten Strecken liegen im innerörtlichen Bereich und sind durch annähernd allseitige Bebauung gekennzeichnet. Somit sind die normativen Anforderungen an Statistische Vorbeifahrtmessungen [4], bei denen in einem 10-m-Radius um die Messstelle keine reflektierenden Hindernisse vorhanden sein dürfen, nicht einzuhalten. Durch die entstehenden Reflexionen ergeben sich höhere Messergebnisse. Auch das in [5] beschriebene Backing-Board-Verfahren schafft hier keine ausreichende Abhilfe, da sich nicht nur hinter dem Messmikrofon, sondern auch gegenüber reflektierende Baukörper befinden. Um dennoch vergleichbare Messergebnisse zu erzielen, wurden die SPB-Messungen um eine Schallausbreitungsberechnung nach [6] ergänzt. In dieser Schallausbreitungsberechnung wurde die umgebende Bebauung digital realisiert und die Straße als Linienschallquelle eingearbeitet. Die Linienschallquelle wurde entsprechend dem standardisierten Verkehrslärmspektrum nach [7] modelliert. Die Ausbreitungsberechnungen wurden dann sowohl mit als auch ohne Bebauung durchgeführt und die sich durch Reflexionen ergebenden Unterschiede in Rasterlärmkarten dar­gestellt. In diesen konnte separat für jede Situation die an der jeweiligen Messposition durch die Reflexion hervorgerufene Er­höhung des Schalldruckpegels ermittelt werden.

In den Bildern 4 bis 6 ist eine Situation exemplarisch dar­gestellt.

Bild 4 Exemplarische Messstelle.

Bild 4 Exemplarische Messstelle.

Bild 5 Modell der umliegenden Bebauung und Differenzlärmkarte (mit/ohne Reflexionen) für die Situation in Bild 4.

Bild 5 Modell der umliegenden Bebauung und Differenzlärmkarte (mit/ohne Reflexionen) für die Situation in Bild 4.

Bild 6 Draufsicht auf die Situation aus den Bildern 4 und 5, einschließlich Mikrofonposition für die SPB-Messung.

Bild 6 Draufsicht auf die Situation aus den Bildern 4 und 5, einschließlich Mikrofonposition für die SPB-Messung.

 

Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse der SPB-Messungen.

Tabelle 1 Ergebnis der Regressionsanalyse für die jeweilige mittlere Geschwindigkeit vmean mit Reflexionsanteil Lp,ref und ohne Reflexionsanteil Lp,oref.

Tabelle 1 Ergebnis der Regressionsanalyse für die jeweilige mittlere Geschwindigkeit vmean mit Reflexionsanteil Lp,ref und ohne Reflexionsanteil Lp,oref.

 

Ein Vergleich von Lp,ref und Lp,oref zeigt, dass die Reflexionen an den umliegenden Gebäuden eine Pegelerhöhung von 0,4 bis 1,0 dB hervorrufen.

Zur Einordnung der Messergebnisse bzw. zur Ermittlung eines Vergleichswerts zum DStrO-Wert müssen die Messergebnisse mit einer Referenz verglichen werden. Eine festgelegte Referenz ist jedoch aktuell nur für eine mittlere Fahrgeschwindigkeit von 120 km/h vorhanden und liegt für Pkw gemäß [8] bei 85,2 dB(A). Für niedrigere Geschwindigkeiten muss dieser Referenzwert umgerechnet werden.

In Bild 7 sind der Referenzwert, die Messwerte aus Tabelle 1 ohne Reflexionsanteil Lp,oref und unterschied­liche Modelle für die Umrechnung hin zu niedrigeren Geschwindigkeiten dargestellt.

Bild 7 Referenzwert, Messergebnisse aus Tabelle 1 ohne Reflexionsanteil und unterschiedliche Modelle für die Umrechnung hin zu niedrigeren Geschwindigkeiten.

Bild 7 Referenzwert, Messergebnisse aus Tabelle 1 ohne Reflexionsanteil und unterschiedliche Modelle für die Umrechnung hin zu niedrigeren Geschwindigkeiten.

Die rote und die schwarze Linie zeigen die Umrechnungen des Referenzwerts auf niedrige Geschwindigkeiten unter der Annahme b = 2,5 (rot) bzw. b = 3,5 (schwarz) für den Geschwindigkeitsexponenten gemäß [3]. Die genannten Werte für b entsprechen dem dort genannten Minimal- bzw. Maximalwert. Auf diese Weise wird der Wertebereich für einen Vergleichswert zum DStrO bei niedrigen Geschwindigkeiten mit der größtmöglichen Bandbreite aufgebaut. Zusätzlich sind noch die Kurven gemäß RLS-90 [1] und nach dem IMAGINE-Emissionsmodell [10] für einen Abstand von 7,5 m und den maximalen Vorbeifahrtpegel einer Einzelvorbeifahrt eingezeichnet. Diese Kurven liegen für den hier betrachteten niedrigen Geschwindigkeitsbereich in der­selben Größenordnung wie die Umrechnung über die logarithmische Geschwindigkeitsbeziehung mit einem Geschwindigkeitsexponenten von b = 3,5. Auch das Modell nach Ullrich [9] (grüne Dreiecke in Bild 7) liefert für die modelleigenen Referenzgeschwindigkeiten Referenzwerte nahe dem Geschwindigkeitsexponenten von b = 3,5.

Grundsätzlich kann festgehalten werden, dass die Verwendung des Geschwindigkeitsexponenten b = 3,5 die Ergebnisse der anderen beschriebenen Modelle gut nachbildet und zudem auf der – für den Anwohner – sicheren Seite liegt. Dies bedeutet, dass die Verwendung von b = 3,5 zu einem konservativen Ergebnis führt. Die Referenzwerte für 30 und 40 km/h liegen dann bei Lref, 30 km/h = 64,1 dB(A) bzw. Lref, 40 km/h = 68,5 dB(A).

Interpretation der Messergebnisse

Aus den o. g. Messergebnissen können die in Tabelle 2 angegebenen Vergleichswerte zum DStrO-Wert abgeleitet werden.

Tabelle 2 Ermittelte Vergleichswerte zum DStrO-Wert.

Tabelle 2 Ermittelte Vergleichswerte zum DStrO-Wert.

 

Die Ergebnisse zeigen, dass sich bei den untersuchten Betonsteinpflasterstrecken Vergleichswerte zwischen DStrO = +1,5 dB und DStrO = -2,8 dB ergeben. Der Mittelwert der fünf untersuchten Strecken liegt bei -1,2 dB.

Dieses Ergebnis zeigt, dass es bei Beachtung einiger plane­rischen und bautechnischen Randbedingungen möglich ist, eine Straße aus Betonsteinpflaster herzustellen, bei der sich ein Vergleichswert zum DStrO-Wert von mindestens DStrO = –1 dB ergibt. Deshalb wird angeregt, eine neue Kategorie von Pflasterbauweisen in die überarbeitete Version der RLS-90 aufzunehmen, die dieser Tatsache Rechnung trägt.

Um die aus akustischer Sicht nötigen Parameter der neuen Kategorie von Pflasterstraßen festzuschreiben, wurden in Zusammenarbeit mit der Bundesanstalt für Straßenwesen und auf der Grundlage der Forschungsergebnisse des F&E-Projekts „Lärmarmes Betonsteinpflaster“ (siehe z. B. [11]) folgende Eigenschaften festgelegt:

 Mittlere Profiltiefe MPD [12] und Gestaltfaktor g [12]:

  •   0,4 mm  MPD  0,8 mm und 0,8  g, oder
  •   MPD  0,2.

  Hauptfugenausrichtung 45°  10° zur Fahrtrichtung.

 Steingröße (Länge L, Breite B), Fugenbreite f und Fase  der Steine:

  •  B  130 mm; 1,5  L/B  2,0; f + 2  7 mm, oder
  •  B  160 mm; 1,5  L/B  2,0; f + 2  10 mm.

 Maximaler Höhenversatz von Stein zu Stein: 1 mm (dauerhaft).

 Fugenfüllung dauerhaft vollständig, mindestens aber bis 20 mm unter Oberkante Pflasterdecke.

Offenporige Betonsteine

Wie schon beschrieben kann bei entsprechender Planung und zielgerichteter Materialauswahl bereits mit gefügedichtem Pflaster ein Fahrbahnbelag hergestellt werden, der vergleichbare akustische Eigenschaften zu konventionellen – nicht geräuschmindernden – Asphaltbauweisen aufweist. Im abgeschlossenen Forschungsprojekt „Lärmarmes Betonsteinpflaster“ wurde darüber hinaus untersucht, in wie weit es möglich ist, eine geräuschmindernde Pflasterbauweise für den praktischen Einsatz zu entwickeln.

Grundlage hierfür war die Optimierung eines offenporigen Betons, um die konkurrierenden Eigenschaften zur bautech­nischen Haltbarkeit und akustischen Leistungsfähigkeit möglichst optimal miteinander zu harmonisieren [13]. Es wurde ein offenporiger Beton mit erhöhtem Frost-Tausalz-Widerstand konzipiert, aus dem Betonpflastersteine hergestellt wurden (Bild 8).

Bild 8 Offenporiger Betonstein.

Bild 8 Offenporiger Betonstein.

Für den Einsatz bei niedrigen Geschwindigkeiten ist es nötig, eine möglichst geringe Makrotextur zu erzielen, sodass die schallabsorbierenden Eigenschaften nicht durch zu starke Reifenschwingungen – angeregt durch eine zu raue Ober­flächentextur – überkompensiert werden. Um dies zu erreichen, wurde ein zweilagiges Konzept gewählt, bei dem der Vorsatzbeton mit 3 mm Größtkorn und entsprechender Ausfallkörnung hergestellt wurde. Durch den erhöhten Hohlraumgehalt von ca. 22 % am Frisch­beton konnte ein Schallabsorptionsgrad  von bis zu 0,8 im Maximum erreicht werden.

Im Vergleich zur Ortbetonbauweise hat die Herstellung von Betonpflastersteinen den Vorteil eines hochgradig kontrollierten Herstellprozesses in einer industriellen Anlage und einer nachgeschalteten Qualitätssicherung. Dies bedeutet, dass einerseits die Umgebungsbedingungen bei der Herstellung besser kontrolliert werden können als beim klassischen Betonstraßenbau und dass die gewünschten akustischen Eigenschaften bereits vor dem Einbau durch eine Produktionskontrolle überprüft werden können.

Mit den im F&E-Projekt entwickelten offenporigen Beton­steinen wurde im Jahr 2014 eine Demonstratorfläche auf einer kommunalen Straße hergestellt. Messungen nach [4] führten bei der Einordnung der Messergebnisse gemäß dem Schema in Bild 7 zu einem Vergleichswert zum DStrO-Wert DStrO < –5 dB für den Geschwindigkeitsbereich zwischen 30 und 50 km/h. Dies bedeutet, dass die dort getestete offenporige Bauweise, zumindest im Neuzustand, eine erhebliche Minderung des Reifen-Fahrbahn-Geräuschs mit sich bringt.

Zusammenfassung

Durch das Projekt zur Bestimmung der akustischen Eigenschaften von Betonsteinpflasterstraßen konnte gezeigt werden, das diese Bauweise bei Einhaltung einiger Eigenschaften aus akustischer Sicht mit konventionellen, nicht geräuschmindernden Asphaltbauweisen konkurrieren kann. Es wurden konkrete Empfehlungen erarbeitet, welche Randbedingungen bei der Herstellung einer Pflasterstraße einzuhalten sind, sodass diese aus akustischer Sicht vergleichbar zu konventionellen Asphalt­straßen ist. Neben den hier genannten Parametern müssen zusätzlich einige bautechnische Besonderheiten beachtet werden, die aktuell in das Straßenbauregelwerk der FGSV eingearbeitet werden. Bis dies umgesetzt ist können die akustischen Eigenschaften einzelner Betonsteinpflasterstraßen nach sorgfältiger Planung und Umsetzung über akustische Messungen nachgewiesen werden.

Aktuelle Forschungsergebnisse zeigen zudem, dass die Möglichkeiten für den Bau geräuschmindernder Pflasterstraßen noch nicht ausgeschöpft sind.

1) Gesamtmarktgröße der Betonprodukte für den Straßen-, Landschafts- und Gartenbau in Deutschland, 2010 und 2012. Hrsg.: Betonverband Straße, Landschaft, Garten e. V. (SLG), Bonn 2013.

 

 

 

Literaturverzeichnis

[1]  Richtlinien für den Lärmschutz an Straßen (RLS-90). Hrsg.: Der Bundesminister für Verkehr. Bonn 1990.

[2]  Geräuschemissionen auf Betonsteinpflaster – Forschungsergebnisse und Planungsempfehlungen. Hrsg.: Betonverband Straße, Landschaft, Garten (SLV). Bonn 1992.

[3] DIN EN ISO 11819-2 (Entwurf): Akustik – Messung des Einflusses von Straßenoberflächen auf Verkehrsgeräusche – Teil 2: Nahfeldmessmethode. Berlin: Beuth Verlag 2015.

[4]  DIN EN ISO 11819-1: Akustik – Messung des Einflusses von Straßenoberflächen auf Verkehrsgeräusche – Teil 1: Statistisches Vorbeifahrtverfahren. Berlin: Beuth Verlag 2001.

[5] ISO/PAS 11819-4: Akustik – Messung des Einflusses von Straßenoberflächen auf Verkehrsgeräusche – Teil 4: Statistisches Vorbeifahrtverfahren unter Verwendung einer Abschirmplatte (backing board). Berlin: Beuth Verlag 2013.

[6]  DIN ISO 9613-2: Akustik – Dämpfung des Schalls bei der Ausbreitung im Freien – Teil 2: Allgemeines Berechnungsverfahren. Berlin: Beuth Verlag 1999.

[7] DIN EN 1793-3: Lärmschutzeinrichtungen an Straßen – Prüfverfahren zur Bestimmung der akustischen Eigenschaften – Teil 3: Standardisiertes Verkehrslärmspektrum. Berlin: Beuth Verlag 1997.

[8]  Allgemeines Rundschreiben Straßenbau Nr. 3/2009 vom 31. März 2009 (S 13/7144.2/02–09/1005908, Bundes­ministe­rium für Verkehr, Bau- und Stadtentwicklung) zu Richt­linien für den Lärmschutz an Straßen – RLS-90 und Fahrbahnoberflächen-Korrekturwerte DStrO für offenporige Asphalte; mit Anlage: Statuspapier Offenporige Asphaltdeckschichten (OPA) vom 10. Februar 2009.

[9]  Ullrich, S.: Annahmen zu den Fahrzeugemissionen in den Richtlinien für den Lärmschutz an Straßen (RLS-90). Straße und Autobahn (1991) Nr. 4, S. 189-191.

[10] IMAGINE (Improved Methods for the Assessment of the Generic Impact of Noise in the Environment). EU-Forschungsprojekt. http://cordis.europa.eu/result/rcn/47869_en.html

[11]  Männel, M: Characterisation of road surfaces by means of texture analysis. Reifen-Fahrwerk-Fahrbahn im Spannungsfeld Kosten Technologie und Umwelt. VDI Berichte 2014. Düsseldorf: VDI Verlag 2007.

[12]  DIN EN ISO 13473-1: Charakterisierung der Textur von Fahrbahnbelägen unter Verwendung von Oberflächenprofilen – Teil 1: Bestimmung der mittleren Profiltiefe. Berlin: Beuth Verlag 2004.

[13]  Duran, F.; Lowke, D.; Männel, M.: Optimal pore distribu­tion of concrete block pavers aggregate. 12th International Symposium on Concrete Roads. Prag 2014.

Von Manuel Männel, Dietmar Ulonska, Stephan Steffen

Manuel Männel, Müller-BBM GmbH, Planegg, Dietmar Ulonska, Betonverband Straße, Landschaft, Garten e. V., Bonn, Stephan Steffen, SF-Kooperation GmbH, Bremen.