Heft 20 - Untersuchungen zur Frosteinwirkung in Innerortsstraßen anhand numerischer Simulationen

Heft 20 - Untersuchungen zur Frosteinwirkung in Innerortsstraßen anhand numerischer Simulationen

Jahr: 2007
Autor: Michael Brüggemann

Kurzfassung

Untersuchungen zur Frosteinwirkung in Innerortsstraßen anhand numerischer Simulationen
In Straßen in geschlossener Ortslage wird mit einer geringeren Frostgefährdung gerechnet. Inwieweit die Frostgefährdung tatsächlich vermindert wird, ist aber bisher nicht geprüft worden. In dieser Arbeit wurden mit Hilfe einer Messeinheit für einen Straßenquerschnitt in München und in Bad Frede¬burg/Sauerland die wahren Temperaturverhältnisse im Aufbau von innerörtlichen Straßen für die Winter 2004 bis 2006 ermittelt. Die Ergebnisse zeigen, dass gegenüber dem Umland teilweise eine beträchtlich geringere Frosteindringung zu verzeichnen ist. Diese Abminderung hängt stark vom Grad der Bebauung ab, da dicht bebaute Stadtbereiche harte Frostphasen durch veränderte Strahlungsbe¬dingungen sowie interne Wärmequellen erheblich abmildern. Des Weiteren ist unter bestimmten Umständen ein positiver Einfluss der Ver- und Entsorgungsleitungen auf die Frosteindringung fest¬stellbar. Die gemessenen Bodentemperaturen konnten insgesamt gut anhand einer Simulationsrech¬nung abgebildet werden. Allerdings traten stellenweise Abweichungen auf, da das ausgewählte Pro¬gramm Veränderungen bodenphysikalischer Kennwerte nicht ausreichend berücksichtigen konnte. Aus diesem Grund wurde auf der Basis des Differenzenverfahrens eine eigene computerunterstützte numerische Simulation entwickelt, die eine zweidimensionale Betrachtung des Temperaturhaushaltes des Straßenkörpers ermöglicht. Mit dieser Simulation wurden theoretische Untersuchungen durch¬geführt, um Möglichkeiten für eine Beeinflussung der Frosteindringung herauszuarbeiten.

Summary

Research for the frost penetration in urban streets with numerical simulations
Streets must be built while considering the load carrying capacity and the frost influence. It is expected that the frost penetration in urban streets is lower than in the countryside but this thesis cannot be proved by any measurement in Germany. In this report the temperatures in the street and of the air have been measured in two cities, Munich and Bad Fredeburg/Sauerland, during winter 2004 to 2006. The results reveal that the frost penetration in cities can be lower than in the countryside in an extreme way. This fact depends on the surrounding property, because high-density areas create a changed radiation situation and have internal heat sources. In addition to that, the pipes under the surface may have a furthermore positive effect. The measured temperatures can easily be generated by simula¬tions. But differences between reality and simulation partly occur because the used simulation program is not able to consider the changing of specific soil properties. For that reason, a new simulation program on the base of the difference method has been developed which calculates the two-dimen¬sional distribution of the temperatures in road construction. With this program theoretical investigations have been made in order to show possibilities influencing the frost penetration in streets.

Résumé

Investigations des effets de gel sur les routes en agglomérations à l’aide des simulations nu¬mériques
En agglomérations on attend un risque de gel réduit sur les routes. Au passé on n’avait pas encore évalué à quel point le danger de gel est réduit en réalité. Pour ce rapport les véritables conditions de température d’une construction de route ont été recherchées à l’aide d’une unité de mesure dans les urbanisations Munic et Bad Fredeburg/Sauerland en hivers 2004 à 2006. Les résultats montrent, qu’il y avait une pénétration de gel considérablement réduit en comparaison avec les routes périphériques. Cette réduction dépend du dégrée de l’urbanisation. Une accumulation de maisons en ville peut adou¬cir fortement des temps gelés en changer les conditions de radiation et par des sources thermique internes. En plus on peut constater une influence des circuits d’alimentation et des déchets sur la pé¬nétration du gel. Selon une simulation de calcul on pouvait facilement reproduire les températures mesurées du sol. Toutefois on constatait des aberrances partielles, comme le programme choisi ne pouvait pas considérer suffisamment les changements des paramètres physiques caractéristiques pour les sols. Pour cette raison on a développé un programme de simulation à base de la méthode différentielle qui permet l’observation bidimensionnelle de la situation thermique. A l’aide de cette simulation des investigations théorétiques ont été effectué pour développer des possibilités d’influencer la pénétration du gel.