Auf Brückenfahrbahnen kommt es schneller zur Bildung von Straßenglätte als auf Straßenabschnitten mit direktem Kontakt zum Erdboden. In einem Forschungsprojekt der Bundesanstalt für Straßenwesen wurden die Möglichkeiten zur Fahrbahntemperierung von Stahlbrücken unter Einsatz der Erdwärme untersucht und Grundlagen für ein Referenzprojekt erarbeitet.
Aufgabenstellung
Die Verhinderung und Beseitigung von Straßenglätte auf Brückenfahrbahnen erfordert für den Winterdienst einen überdurchschnittlich hohen Zeitaufwand und intensiven Personaleinsatz. Automatische Taumittelsprühanlagen können zu einer Entlastung führen, sind jedoch aufgrund ökologischer und ökonomischer Bedenken umstritten. Eine Alternative kann die Temperierung der Fahrbahn durch Nutzung von Geothermie (Erdwärme) sein.
Untersuchungsmethode
Mittels FEM-Berechnungen (Finite-Elemente-Methode) wurden geeignete Varianten für das Temperierungssystem erarbeitet. Basierend auf den Untersuchungsergebnissen zur thermischen Leistungsfähigkeit wurden Probekörper erstellt und in einer Klimakammer dynamischen Belagsprüfungen unterzogen. Zudem wurde eine Testbrücke gebaut, wobei ein Brückenmodul (orthotrope Platte) zum Einsatz kam, das mit schweren Baufahrzeugen befahren wurde. Die Messungen dienten der Bewertung der thermischen und mechanischen Eigenschaften. Parallel zu diesen Versuchen erfolgten komplexe numerische Simulationen, um die Temperaturentwicklung im Bauteil differenziert zu ermitteln und unter anderem das dynamische Verhalten im Jahresverlauf einschließlich der Speicher zu untersuchen. Den Abschluss bildete eine Wirtschaftlichkeitsuntersuchung, in der die Kosten für Taumittelsprühanlagen denen der geothermischen Fahrbahnbeheizung gegenübergestellt wurde.
Ergebnisse
Aufgrund der Versuchsergebnisse hinsichtlich thermischer Beanspruchung der unterschiedlichen Rohrmaterialien sowie der Biegeversuche werden für einen Einsatz in der Praxis Rohre aus vernetztem Polyethylen (PE-Xa) mit Aluminiumummantelung empfohlen. Mit diesen Rohren ist nicht nur eine gute thermische Beständigkeit ohne zusätzliche Wasserkühlung, sondern auch ein leichtes Biegen auf den gewünschten Rohrabstand ohne Hilfsmittel möglich.
Aufgrund der Untersuchungen in Form von Berechnungen und Messergebnissen aus den Laborversuchen erwies sich die Verlegung der Rohre mittig zwischen der Schutz- und der Deckschicht und einem Rohrabstand von 10 Zentimetern als die sinnvollste Variante. Um diese Lage zu erreichen, ist bei bestehenden Brücken eine Schutzschicht von 2,5 Zentimetern und eine Deckschicht von 4,5 Zentimetern erforderlich. Beim Neubau von Brücken ist ein dreischichtiger Aufbau des Fahrbahnbelags zu empfehlen.
Die Messungen an der Testbrücke zeigten, dass ein geringer Rohrabstand (10 Zentimeter) wichtig ist, um eine homogene Temperaturverteilung zu erzeugen. Es wird deutlich, dass das Temperaturgefälle vom Vorlauf zum Rücklauf zu beachten ist. Durch einen ausreichend hohen Volumenstrom kann dieser Einfluss reduziert werden. Ein weiteres Ergebnis ist, dass sich die Oberflächentemperatur mit einem relativ kleinen thermischen Speicher und Vorlauftemperaturen von 10 °C bis 15 °C um 4 K (und mehr) gegenüber dem nicht temperierten Modul anheben lässt. Die Untersuchungen zur Wirtschaftlichkeit zeigten, dass die Kosten für die Wärmequelle einen erheblichen Einfluss auf das Gesamtergebnis besitzen. Bei einer Brückenfläche von zum Beispiel 1.000 Quadratmetern wurde eine Bandbreite der Investitionskosten von 150 bis 350 Euro je Quadratmeter ermittelt.
Folgerungen
Bei günstigen Bedingungen ist die geothermische Brückentemperierung mit der Taumittelsprühanlage wirtschaftlich konkurrenzfähig, wobei die ökologischen Vorteile durch den reduzierten Taumitteleinsatz sowie die Option der sommerlichen Fahrbahnkühlung zur Verminderung von Spurrinnen in der Bewertung nicht berücksichtigt wurden. Die wesentlichen Aufgaben liegen in der Untersuchung der mechanischen Eigenschaften. Eine weitere Option für die Zukunft besteht darin, die solaren Energiegewinne, die mit diesem Temperierungssystem erzielt werden können, für andere Anwendungen zu nutzen und so erhebliche Flächen zur nachhaltigen Energieerzeugung aktivieren zu können. Hier sind weitergehende Laboruntersuchungen und Messungen an Testfeldern unter Verkehr erforderlich.
Aufgabenstellung
Die Verhinderung und Beseitigung von Straßenglätte auf Brückenfahrbahnen erfordert für den Winterdienst einen überdurchschnittlich hohen Zeitaufwand und intensiven Personaleinsatz. Automatische Taumittelsprühanlagen können zu einer Entlastung führen, sind jedoch aufgrund ökologischer und ökonomischer Bedenken umstritten. Eine Alternative kann die Temperierung der Fahrbahn durch Nutzung von Geothermie (Erdwärme) sein.
Untersuchungsmethode
Mittels FEM-Berechnungen (Finite-Elemente-Methode) wurden geeignete Varianten für das Temperierungssystem erarbeitet. Basierend auf den Untersuchungsergebnissen zur thermischen Leistungsfähigkeit wurden Probekörper erstellt und in einer Klimakammer dynamischen Belagsprüfungen unterzogen. Zudem wurde eine Testbrücke gebaut, wobei ein Brückenmodul (orthotrope Platte) zum Einsatz kam, das mit schweren Baufahrzeugen befahren wurde. Die Messungen dienten der Bewertung der thermischen und mechanischen Eigenschaften. Parallel zu diesen Versuchen erfolgten komplexe numerische Simulationen, um die Temperaturentwicklung im Bauteil differenziert zu ermitteln und unter anderem das dynamische Verhalten im Jahresverlauf einschließlich der Speicher zu untersuchen. Den Abschluss bildete eine Wirtschaftlichkeitsuntersuchung, in der die Kosten für Taumittelsprühanlagen denen der geothermischen Fahrbahnbeheizung gegenübergestellt wurde.
Ergebnisse
Aufgrund der Versuchsergebnisse hinsichtlich thermischer Beanspruchung der unterschiedlichen Rohrmaterialien sowie der Biegeversuche werden für einen Einsatz in der Praxis Rohre aus vernetztem Polyethylen (PE-Xa) mit Aluminiumummantelung empfohlen. Mit diesen Rohren ist nicht nur eine gute thermische Beständigkeit ohne zusätzliche Wasserkühlung, sondern auch ein leichtes Biegen auf den gewünschten Rohrabstand ohne Hilfsmittel möglich.
Aufgrund der Untersuchungen in Form von Berechnungen und Messergebnissen aus den Laborversuchen erwies sich die Verlegung der Rohre mittig zwischen der Schutz- und der Deckschicht und einem Rohrabstand von 10 Zentimetern als die sinnvollste Variante. Um diese Lage zu erreichen, ist bei bestehenden Brücken eine Schutzschicht von 2,5 Zentimetern und eine Deckschicht von 4,5 Zentimetern erforderlich. Beim Neubau von Brücken ist ein dreischichtiger Aufbau des Fahrbahnbelags zu empfehlen.
Die Messungen an der Testbrücke zeigten, dass ein geringer Rohrabstand (10 Zentimeter) wichtig ist, um eine homogene Temperaturverteilung zu erzeugen. Es wird deutlich, dass das Temperaturgefälle vom Vorlauf zum Rücklauf zu beachten ist. Durch einen ausreichend hohen Volumenstrom kann dieser Einfluss reduziert werden. Ein weiteres Ergebnis ist, dass sich die Oberflächentemperatur mit einem relativ kleinen thermischen Speicher und Vorlauftemperaturen von 10 °C bis 15 °C um 4 K (und mehr) gegenüber dem nicht temperierten Modul anheben lässt. Die Untersuchungen zur Wirtschaftlichkeit zeigten, dass die Kosten für die Wärmequelle einen erheblichen Einfluss auf das Gesamtergebnis besitzen. Bei einer Brückenfläche von zum Beispiel 1.000 Quadratmetern wurde eine Bandbreite der Investitionskosten von 150 bis 350 Euro je Quadratmeter ermittelt.
Folgerungen
Bei günstigen Bedingungen ist die geothermische Brückentemperierung mit der Taumittelsprühanlage wirtschaftlich konkurrenzfähig, wobei die ökologischen Vorteile durch den reduzierten Taumitteleinsatz sowie die Option der sommerlichen Fahrbahnkühlung zur Verminderung von Spurrinnen in der Bewertung nicht berücksichtigt wurden. Die wesentlichen Aufgaben liegen in der Untersuchung der mechanischen Eigenschaften. Eine weitere Option für die Zukunft besteht darin, die solaren Energiegewinne, die mit diesem Temperierungssystem erzielt werden können, für andere Anwendungen zu nutzen und so erhebliche Flächen zur nachhaltigen Energieerzeugung aktivieren zu können. Hier sind weitergehende Laboruntersuchungen und Messungen an Testfeldern unter Verkehr erforderlich.
