Simulationsmodell zum Wasserabfluss- und Aquaplaning-Verhalten auf Fahrbahnoberflächen

Abstract

Die Verkehrssicherheit wird zum großen Teil durch Geometrie und Textur einer Straße mitbestimmt. Vor allem bei Nässe erhöht sich das Unfallrisiko durch eine schlechtere Griffigkeit zwischen Reifen und Fahrbahn. Fahrbahnunebenheiten, die durch Verkehr (Spurrinnen), Witterung (Frostschäden) oder Abweichungen in der Fertigung entstehen können, beeinträchtigen den Abfluss des Regenwassers zudem. Wenn ein geschlossener Wasserfilm entsteht, kann es zum Aquaplaning, dem Aufschwimmen der Reifen, kommen.

Besonders gefährlich ist das Befahren von Verwindungsbereichen. Dies sind Stellen, in denen die Straße von einer Krümmungsrichtung (z.B. Rechtskurve) in die entgegengesetzte Richtung wechselt. Gleichzeitig wechselt die im Regelfall zur Kurveninnenseite gerichtete Querneigung. Hierdurch verlängern sich die Fließwege des Wassers deutlich gegenüber der ansonsten anzutreffenden Situation und führen so zu höheren Wasserfilmen. Verstärkt wird die Situation durch breite, 3- oder mehrstreifige Fahrbahnen, wodurch die versiegelte Fläche und damit die Fließwege weiter erhöht werden. Geringe Längsneigungen oder ein Wannentiefpunkt in einem Verwindungsbereich verlangsamen den Abfluss und vergrößern die Wasserfilmdicken.

Für die Neuplanung und zur Kontrolle bestehender entwässerungskritischer Straßenabschnitte wurde das Rechenprogramm PLANUS zur Simulation von Wasserabfluss und Aquaplaning auf Fahrbahnoberflächen entwickelt. Das Programm rechnet mit diskretisierten Oberflächendaten, d.h. sämtliche Informationen zur untersuchten Fahrbahn, wie Höhe, Textureigenschaften, Randbedingungen etc. liegen als Punktwerte für ein Raumgitter vor. Um die Rasterdaten einer Berechnung zugänglich zu machen, wurde das vom Verfasser im Rahmen des F+E-Vorhabens „Aquaplaning und Wasserfilmdicken – Aquaplaning und Verkehrssicherheit in Verwindungsbereichen dreistreifiger Richtungsfahrbahnen; Berechnung der Wasserfilmdicke“ (im Auftrag des Bundesministeriums für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung) entwickelte Simulationsmodell im Funktionsumfang deutlich erweitert.

Die Funktionen des erweiterten Modells wurden an einem mit Laservermessung aufgenommenen, 1 km langen Autobahn-Streckenabschnitt aufgezeigt. Anhand der Rasterdaten wurde mit PLANUS eine vollständige Untersuchung von Wasserabfluss und Aquaplaning vorgenommen und Lösungen zur Verbesserung der Verkehrssicherheit aufgezeigt.

Die untersuchten Maßnahmen waren: 1. Vorgabe einer maximal zulässigen Fahrgeschwindigkeit 2. Einbau von Querrinnen in die Fahrbahn. 3. Einfräsen von Rillen in den Belag (Grooving). 4. Änderung der Entwurfsparameter / des Querneigungsbands.

Zur Bewertung der Maßnahmen wurden Indikatoren entwickelt, über die die Effektivität einer Maßnahme aus Vorher- und Nachher-Vergleichen nachgewiesen werden kann.

Die Lösungen mit „Änderung der Entwurfsparameter“ stellten sich als effektivste Gruppe heraus. Unter ihnen konnte die Schrägverwindung die höchste Effektivität erzielen, gefolgt von der negativen Querneigung und der Verkürzung des zentrischen Verwindungsbereichs von 50 m (Regelfall nach RAS-L 95) auf 25 m Länge. All diese Lösungen gehen jedoch mit fahrdynamischen Nachteilen einher. Die untersuchte Verschiebung der Gradientenlage im Querschnitt bzw. Veränderung der Längsneigung um +/- 1,8% hatte quasi keine Auswirkungen auf den Aquaplaning-Effekt.

Eine großflächige Wirkung kann durch Grooving erreicht werden. Das Potenzial ist jedoch durch die schnell erschöpften Aufnahmekapazitäten der Rillen bei starken Regenereignissen (z.B. 1-mal pro Jahr oder seltener) nicht besonders hoch. Gleichzeitig ist aber eine gute Wirksamkeit bei schwächeren, 5- bis 10-mal pro Jahr eintretenden Ereignissen vorhanden. Da bereits solche Regenfälle kritisch in Bezug auf Aquaplaning sind, stellt Grooving eine gut geeignete Ad hoc- bzw. Komplementärmaßnahme dar.

Quer zur Fahrbahnachse eingebaute, kastenartige Betonrinnen (Querrinnen) wirken meist in einem kleinen Bereich. Durch die annähernd komplette Aufnahme des zufließenden Wassers sind die Abminderungen im direkten Umfeld der Rinne sehr hoch. Damit können Rinnen (z.B. bei Sanierungen) in einem engeren Bereich die Situation verbessern.Trotz der direkten Entnahme des Wassers von der Oberfläche konnten die Rinnen nicht die großflächige Effektivität erreichen, die mit Änderungen der Entwurfsparameter einhergeht. Um eine ähnlich flächige Wirkung mit Rinnen zu erzielen, müssten in dichten Abständen (ca. 10-15 m) über einen relativ langen Streckenabschnitt (ca. 150 m) Rinnen gesetzt werden, was einen immens hohen Aufwand bedeuten würde. Da Rinnen punktuell sehr effektiv wirken, ist diese Maßnahme als sehr vorteilhaft einzustufen, vorausgesetzt der Einbau der Rinnen erfolgt an der richtigen Position. Diese Position maximaler Wirkung kann von PLANUS durch automatische Optimierungsroutinen gefunden werden.

Road safety is mainly influenced by the conditions of the road (concerning roadway geometry and pavement texture). Predominantly in cases of occuring wetness, the risk of hazard is remarkably increased due to a lack of wet traction between tire and pavement. Pavement uneveness, which may be caused by traffic (rutting), weather factors (frost heaves) or already during construction, is responsible to obstruct the rainwater runoff considerably. If the pavement asperities are completely below the water surface, a separation of the vehicle’s tires from the pavement surface may occur (hydroplaning).

Passing over on transition curves is particularly critical because the slope of the flow path becomes critically low due to the necessary cross slope change. The drainage problems of transition curves are further increased, e.g. by wide, multi-laned (3 or more) roadways, by interference with low grades or with a vertical sag curve bottom low point in proximity to the cross slope change, by long cross slope transitions, or by pavement unevenesses as mentioned above. Finally, the velocity of the surface sheet flow is determined by the pavement texture, as well as the drainage space during runoff and the efficiency of the pavement as a temporary storage space for the water being displaced by the tire.

Intended to be used by highway engineers for the geometric design process of new roads just as for the assessment of existing roads, a software application, coined PLANUS, was developed by the author. It will calculate the water runoff and hydroplaning performances on pavements by the use of discretized surface data (altitude, texture properties, boundary conditions etc. In order to allow these calculations, the previously developed model and computer program (research and development project “Hydroplaning and Water Film Thicknesses – Hydroplaning and Driving Safety in Roadway Curve Transitions on Wide Pavements; Calculation of the Water Film Thickness” (by order of the German Federal Ministry of Transport, Buidling and Urban Affairs) had to be extended.

The new features have been exemplarily applied and analyzed with the surface topology data of a 1-km road section. A complete study of the surface water flow and hydroplaning-performances of that stretch of road has been conducted. A set of proposed solutions for the improvement of the driving safety was acquired and evaluated. In particular, the proposed solutions were 1. determination and establishing of a maximum allowed driving speed 2. installation of slotted drains 3. grooving measures 4. modification of design parameters

The effective performances of the different measures have been analyzed and specified by valuating the weight differences of sums of the reduced point values (reduction performance) between base case and a specific planning case.

The suggested solutions of the type “modification of the cross slope properties” appeared to be the most effective. Among them, the transition curve would achieve the highest performance, followed by negative cross slopes and a reduced centric transition area of 25 m instead of 50 m length (normal case in German guidelines). Then again, the disadvantages in driving dynamics of this transition type must be taken into consideration. A shifting of the gradient position in the cross section had virtually no effects on hydroplaning. A variation of the gradient slope of +/- 1.8% seemed to have relatively low effects too.

Taking a rainfall frequency of n=1 (once per year) as a basis, it emerged that grooving measures seem to have no appreciable implications on the performance examinations. However, in cases of less heavy rainfall events (n=5 or n=10 times a year for instance), grooving measures caused equally remarkable improvements in performance ratings and reduced hydroplaning speeds of up to 25 km/h.

Slotted drains usually influence a relative confined watershed area. On grounds of their immense efficiency of water absorption, the sums of their performance criterions are obviously high, though. Therefore slotted drains are regardable as appropriate means to improve the surface drainage of pavements in the case of eliminination of drainage weak points, in particular on transition curves. Although their overall efficiency is lower as for the “modification of the cross slope properties”-types, their use is to be recommended as their efficiency does not spread but is well-aimed to the intended specific area.