Basis for determination of network-wide traffic flow-related impacts from planned maintenance projects

Dr. sc. ETH, Dipl.-Ing. F. Schiffmann; Univ.-Prof. Dr. sc. techn. ETH R. Hajdin; Dr.-Ing. T. Blumenfeld, Mannheim
Dr. sc. ETH, dipl. Bauing. ETH C. Weis; Dr.-Ing. M. Vrtic; J. von Sury, CH-Zürich

Mit einem wachsenden Schwerverkehr wird in Zukunft der Erhaltungsbedarf zur Gewährleistung einer sicheren und zuverlässigen Nutzung vor allem bei Bundesfern- aber auch bei Landesstraßen merklich ansteigen. Gleichzeitig werden diese Straßen in Ballungsräumen schon heute bis an die Leistungsfähigkeitsgrenze betrieben. Aus diesem Grund sollen negative Verkehrsbeeinflussungen während der Bauausführung von Erhaltungsmaßnahmen möglichst vermieden werden. Bisher können die zu erwartenden Auswirkungen von erhaltungsbedingten Baustellen auf die Straßennutzer nur unzureichend genau ermittelt werden. Dies ist mit Blick auf einen Nutzen-Kosten-Vergleich der unterschiedlichen technisch möglichen Erhaltungsmaßnahmen für Straßen und Ingenieurbauwerke sowie die anlagenübergreifende Entscheidungsfindung jedoch zwingend. Der vorliegende Beitrag zeigt die erarbeiteten Grundlagen für den Einsatz der makroskopischen Verkehrssimulation im Bereich des Erhaltungsmanagements. Der Einfluss von erhaltungsbedingten Baustellen auf die Reisezeiten kann dadurch abgeschätzt und bei der Entscheidungsfindung in einem gesamtwirtschaftlichen Ansatz berücksichtigt werden. Schließlich werden wichtige Empfehlungen für die Praxis und weiterer Forschungsbedarf diskutiert.

With increasing heavy traffic, the maintenance needs to ensure safe and reliable utilization in particular on federal highways, but also on state roads will substantially increase in the future. At the same time, these roads in urban areas are already reaching the limits of their capacity. Therefore, the negative impacts of work zones on traffic flow caused by maintenance interventions should be avoided as far as possible. So far, the effects of maintenance-related road work on road users can only be determined with insufficient accuracy. However, this is indispensable to perform a benefit-cost comparison of the different technically possible maintenance measures for roads and road structures as well as the cross-asset decision-making. The present article describes the developed framework for the application of macroscopic traffic simulation in the field of maintenance management. In this way, the influence of maintenance-related work zones on travel times can be estimated and taken into account in decision-making in a macroeconomic approach. Finally, recommendations for practice and further research needs are discussed.

Pilot project series on sustainable asphalt road construction. – A contribution to climate protection and resource conservation (Part 1)

Dr.-Ing. A. Buttgereit; M. Koordt, M. Sc., Münster
Dr.-Ing. D. Gogolin, Dortmund-Wickede

Klimaveränderungen und deren Auswirkungen sind immer stärker wahrzunehmen. Um den Auswirkungen entgegenzuwirken, können mögliche Handlungsfelder danach  unterschieden werden, in wieweit man einerseits die Folgen auf die Infrastruktur verringern bzw. die Infrastruktur an die neuen Randbedingungen anpassen kann. Andererseits soll durch geeignete Maßnahmen versucht werden, die Treibhausgasemissionen deutlich zu verringern. Öffentliche Infrastruktur spielt die zentrale Rolle in der Funktionsweise und Organisation unseres täglichen Lebens und wird sie auch zukünftig spielen. Sicherlich werden die Randbedingungen und Anforderungen an Infrastruktur teilweise andere sein als heute. Ein wenig überraschend ist es aus Sicht der Autoren, dass bei den Handlungsfeldern zur Verringerung der CO₂-Emissionen zwar dem Hochbau eine wichtige Rolle zugeordnet wird, die öffentliche Verkehrsinfrastruktur jedoch so gut wie keine Erwähnung findet. Dabei sind viele Verkehrsanlagen in die Jahre gekommen und müssen in den nächsten Jahren erneuert werden. Gleichzeitig gilt es die jüngeren Verkehrsanlagen so zu erhalten, dass sie ihre zugedachte Lebensdauer auch erreichen werden. Folglich besteht hier ein sehr großes Potenzial zur Reduzierung des CO₂-Ausstoßes. Da die Entwicklung und Einführung von Innovationen viele Jahre in Anspruch nehmen kann und folglich die Wirksamkeit von Innovation erst verzögert wirksam würde, sind die Autoren der Frage nachgegangen, was bereits heute mit vorhandenen Technologien bei der Verringerung des CO₂-Ausstoßes im Asphaltstraßenbau erreicht werden kann. Dazu sind, angefangen von Laboruntersuchungen an bitumenhaltigen Bindemitteln und unterschiedlichen Asphaltvarianten bis hin zu umgesetzten Straßenbauprojekten, verschiedene Versuchsprogramme umgesetzt worden, über deren Ergebnisse in zwei Teilen hier berichtet werden soll. Im ersten Teil steht hierbei insbesondere die Pilotstrecke Osthofstraße aus dem Jahr 2021 im Vordergrund, die hinsichtlich der Umsetzung von unterschiedlichen Warmasphalt-Bauweisen mit Asphaltgranulat von den vorbereitenden Maßnahmen bis zur Auswertung der Kontrollprüfungen beschrieben wird.

Climate changes and their effects are becoming increasingly recognizable. In order to counteract the effects, possible fields of action can be differentiated according to the extent to which, on the one hand, the consequences for the infrastructure can be reduced or the infrastructure can be adapted to the new boundary conditions. On the other hand, suitable measures should be taken to try to significantly reduce greenhouse gas emissions. Public infrastructure plays the central role in the functioning and organization of our daily lives and will continue to do so in the future. Certainly, some of the boundary conditions and requirements for infrastructure will be different than they are today. From the authors' point of view, it is a little surprising that, while building construction is assigned an important role in the fields of action for reducing CO₂ emissions, public transport infrastructure receives hardly any mention. Yet many traffic facilities are getting on in years and will have to be renewed in the next few years. At the same time, the younger traffic facilities must be maintained in such a way that they will reach their intended service life. Consequently, there is a very large potential here for reducing CO2 emissions. Since the development and introduction of innovations can take many years and, consequently, the effectiveness of innovation would only be effective with a delay, the authors have investigated the question of what can already be achieved today with existing technologies in the reduction of CO₂ emissions in asphalt road construction. To this end, starting with laboratory tests on bituminous binders and different asphalt variants through to implemented road construction projects, various test programms have been implemented, the results of which will be reported here in two parts. The first part focuses in particular on the Osthofstraße pilot road from 2021, which is described with regard to the implementation of different warm asphalt construction methods with granulated asphalt, from the preparation measures to the evaluation of the control tests.

Asphalt in the climate change – Experiences and challenges

Dipl.-Ing. V. Schäfer, Oldenburg

Der Klimawandel bedingte in den letzten Jahren eine steigende Anzahl der Sommertage (Tage mit einem Tagesmaximum der Lufttemperatur ≥ 25 °C) und insbesondere eine steigende Anzahl heißer Tage (Tage mit einem Tagesmaximum der Lufttemperatur ≥ 30 °C), welche zum Teil hintereinander in unterschiedlich langen Hitzewellen auftraten und während denen auch in der Nacht keine deutliche Abkühlung stattfand. Auf der Straße haben die sehr heißen Sommerperioden der vergangenen Jahre und hier insbesondere in den Sommern 2019 und 2020 bundesweit teilweise zu nicht unerheblichen Verformungen in Asphaltbefestigungen in Form von Spurrinnenbildung sowohl an Brückenbelägen als auch auf der freien Strecke geführt. Aus diesem Grund gab die Bundesanstalt für Straßenwesen in Abstimmung mit dem BMVI eine projektvorbereitende Studie in Auftrag, in der Erkenntnisse und Erfahrungen von verschiedenen Baumaßnahmen ausgewertet wurden. Als besonders anfällig für Spurrinnenbildungen haben sich dabei Bereiche mit einer baustellenbedingten, eingeengten Verkehrsführung und aufkommensbedingt ausgeprägtem Rückstau von Lkw auf den Hauptfahrstreifen vor den Baustellen erwiesen, wenn die Fahrbahn auch noch bei einer Ost-West-Ausrichtung aus südlicher Richtung bei Sonnenschein über den gesamten Tag nahezu ungehindert erwärmt werden kann. Sofern sich im Bereich von baustellenbedingten Verkehrsführungen auch noch Anschlussstellen befinden, sind infolge der Aus- und Einfädelungsvorgänge vermehrt weitere Brems- und Beschleunigungsvorgänge zu beobachten, welche sich bei einem bereits beeinträchtigten Verkehr nach Beobachtungen in der Praxis zum Teil noch ausgeprägter negativ auf den Verkehrsfluss auswirken. Aus diesen Rahmenbedingungen lässt sich der bisher im Technischen Regelwerk noch nicht bekannte neue Lastfall „besonders hohe Beanspruchungen“ ableiten. In Kenntnis dieser neuen Grundlage werden auf Basis der Ergebnisse von auf zwei Brückenbauwerken im Sommer 2020 und im Winter 2020/21 durchgeführten Temperaturmessungen und Bitumen- sowie Asphaltuntersuchungen Empfehlungen für vorläufige Maßnahmen zur Vermeidung von Verformungen im Asphalt in Verkehrsflächen mit besonders hohen Beanspruchungen vorgestellt. Diese Empfehlungen betreffen nicht nur den Walzasphalt, sondern insbesondere auch den Gussasphalt, und zwar sowohl im Hinblick auf die Auswahl zweckmäßiger Bauweisen in Verbindung mit geeigneten Maßnahmen vor, während und nach der Ausführung als auch in Bezug auf die künftig im Rahmen des Nachweises der Eignung einer Asphaltzusammensetzung durchzuführenden Untersuchungen. Hierzu zählen Untersuchungen zum rheologischen Verhalten des zur Verwendung kommenden Bitumens und am Füller-Bitumen-Gemisch (Mastix) im Dynamischen Scherrheometer mit Blick auf den gesamten Lebenszyklus und eine Erhöhung der Temperatur für die Durchführung von Prüfungen zur Bestimmung der Verformungsbeständigkeit des Asphalts. Ferner werden natürlich auch erste erfahrungsbasierte Vorschläge für Anforderungen an die Ergebnisse dieser Versuche gegeben.

Due to the last years‘ climate change the number of summer days (days with a maximum air temperature ≥ 25 °C) and especially hot summer days (days with a maximum air temperature ≥ 30 °C) increased.  As a result, such hot summer periods partially led to nationwide significant asphalt rutting both on bridge decks and on open roads.  Therefore the Federal Highway Research Institute (BASt) commissioned in coordination with the BMVI a preparatory study including the evaluation of findings and experiences of various road projects. It emerged that sections of main lanes in front of construction sites with site-specific narrowed traffic management and distinct backlog caused by a high number of lorries are particularly susceptible to rutting, even more if the lane can be heated almost unhindered by direct sunlight throughout the day because of its East-West orientation. Provided that junctions also are in the section of site-specific traffic management, additional braking and acceleration processes partly contribute to an even worse traffic flow. From these frame conditions a new load case called “Particularly high stresses (besonders hohe Beanspruchungen” can be deduced. Based on this recent knowledge and on temperature measurements on two bridge constructions as well as bitumen and asphalt tests some recommendations for the prevention of deformations of hot-mix and of mastic asphalt in particularly highly stressed traffic sections are presented. Suggestions will not only be made for the appropriate choice of pavements together with suitable measures before, during and after construction but also for mandatory laboratory tests that must be performed within the proof of suitability of the asphalt mixtures (e.g.). Moreover initial experience-based proposals for the requirements for the test results are given.