Bestimmung des Griffigkeitsniveaus auf Basis von Fahrbahntextur und Optimierung der Textur hinsichtlich der Griffigkeit

  • Determination of the skid resistance level on basis of pavement texture and optimisation of the texture in regard to the skid resistance

Yin, Chaoen; Steinauer, Bernhard (Thesis advisor); Bald, Stefan (Thesis advisor); Oeser, Markus (Thesis advisor)

Aachen (2016)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen, 2016

Kurzfassung

Die Griffigkeit ist eine der wichtigsten Nutzungseigenschaften von Straßenoberflächen. Auf Basis von Gummireibungstheorien wurde in dieser Arbeit eine theoretische Methode, mit der die Beiträge der Rauheitselemente zur Gummireibung in verschiedenen Wellenlängenbereichen bewertet werden können, geschafft. Die für die Griffigkeit optimale Textur wurde nach diesem Bewertungsprinzip ermittelt. Die äußerliche Erscheinung mit der optimalen Textur wurde in Anlehnung an den gemessenen Texturen der für die Straßendeckschichten häufig eingesetzten Materialien numerisch generiert. Die potenziellen Rauheitseigenschaften solcher optimalen Texturen wurden herausgefunden. Damit wurde darauf hingewiesen, welche Textureigenschaften der typischen Materialien in Straßendeckschichten für die Fahrbahngriffigkeit optimal sein können.Griffigkeit bedeutet die Einflüsse der stofflichen Beschaffenheit sowie der geometrischen Gestalt von Fahrbahn auf den Kraftschluss im Zusammenspiel mit dem Fahrzeugreifen. Eine Griffigkeitsmessung betrifft nur eine einzelne Kombination der Testbedingungen. Eine theoretische Methode bietet die Möglichkeit, aus einfacher Texturmessung die Reibungskoeffizienten bei willkürlichen Kombinationen von Bedingungen zu ermitteln. Eine einzelne Griffigkeitsmessung tastet sozusagen einen Punkt in dem gesamten Bild des Griffigkeitsverhaltens, während die theoretische Methode das Reibungsverhalten flächenhaft abbilden kann. Hierfür stehen zwei physikalische Modelle im Mittepunkt. In beiden Modellen handelt es sich um eine gleichförmige Bewegung eines Gummigleitkörpers auf einer starren Unterlage. Im ersten Modell (Klüppel und Heinrich, 2000) wird rein trockener Kontakt berücksichtigt. Um den richtigen Reibwert zu erhalten, ist ein Vorfaktor erforderlich, jedoch lässt sich nicht explizit bestimmen. Das zweite Modell (Persson 2001) ergibt den Reibungskoeffizienten sowohl bei Nässe als auch auf trockener Fahrbahn in der richtigen Größenordnung. Das zweite Modell ist mehr von Bedeutung und wurde für diese Arbeit eingesetzt und erweitert. Das erste Modell wurde zum Vergleich benutzt.Das erweiterte Modell wurde an die Bedingungen von verschiedenen Griffigkeitsversuchen angepasst und für die Griffigkeitsbestimmung verwendet. Mit den viskoelastischen Eigenschaften von zwei Reifengummis sowie den jeweiligen Versuchsbedingungen wurden die Reibwerte aus den Texturdaten verschiedenen Oberflächen berechnet. Die berechneten Ergebnisse wurden den entsprechenden Messergebnissen gegenübergestellt. Die Korrelationen waren zwar nicht sehr stark, aber für alle Versuche ergab das Modell immer die richtige Größenordnung des Reibungskoeffizienten. Außer dem Fall der ViaFriction-Messung gab es immer positive Korrelation. Tendenziell beschreibt dieses Modell die Reibungsprozesse in den Griffigkeitsversuchen. Die schwachen Korrelationen können auf die mangelnden Daten hinsichtlich der genauen viskoelastischen Eigenschaften des Testgummis, der genauen Bedingungen der Versuche und teilweise auch auf die schwache Datenqualität mancher dunkelfarbiger und spitzer Textur zurückgeführt werden.Mit dem physikalischen Modell ist es möglich, die Beiträge der Texturelemente in verschiedenen Wellenlängenbereichen zur Griffigkeit zu analysieren. In erstem Prinzip wird keine Wellenlänge in dem Integrationsintervall ausgeschlossen. Die unterschiedliche Wellenlänge wird gleich betrachtet. Jedoch wird das Texturspektrum durch den frequenzabhängigen Verlustmodul sowie die Kontaktfunktion unterschiedlich gewichtet. Durch ein Rechenbeispiel wurde gezeigt, dass die Texturelemente mit Wellenlänge unter 0,1 mm ein Viertel zur gesamten Reibung beitragen. Mit zunehmender Wellenlänge fällt der Beitrag zuerst ab. Nach dem Modell von Klüppel und Heinrich fällt der Beitrag monoton ab. Nach dem Modell von Persson steigt der Beitrag in dem Millimeterbereich wieder auf. Dieser Aufstieg wird von der skalenabhängigen Kontaktfunktion bedingt. Zusammenfassend sind alle Texturelemente wichtig, während diese unter der Wellenlänge von 0,1 mm sowie in der Größenordnung von ca. 1 mm besonders wichtig sind.Auf Basis der Texturdatenanalyse der untersuchten Oberflächen wurde eine Regel hinsichtlich des Texturspektrums herausgefunden. Mit Hilfe eines Algorithmus wurden zufällige Oberflächen mit gegebenen Spektren gemäß dieser Regel numerisch generiert. Die Griffigkeit solcher zufälligen Oberflächen unter den Standardbedingungen wurde mit dem erweiterten Reibungsmodell geschätzt. Die höchstgriffige Textur stammt aus der Gruppe gestreuter Körner und Schleifpapier. Sie hat eine maximale Rauhtiefe von 2,85 mm, eine quadratische Rauheit von 0,36 mm und einen Reibungskoeffizienten von 2,27 unter den Standardbedingungen. Die geschätzte äquivalente Korngröße beträgt ca. 150 µm. Die höchstgriffige Textur, die den konventionellen Waschbeton und Asphaltoberflächen ähnlich sind, hat eine maximale Rauhtiefe von 2,31 mm, eine quadratische Rauheit von 0,30 mm und einen Reibungskoeffizienten von 0,54 unter den Standardbedingungen.Es muss erwähnt werden, dass allein die mittlere Korngröße oder Rauhtiefe keine hohe Griffigkeit gewährt. Eine Realisierung genau dieser Textur wäre hilfreich zur Überprüfung der Aussage. Ferne kann man die Oberflächen, die die optimale Textur zeigen, mit neuartiger Technik unmittelbar herstellen. Es muss auch darauf beachtet werden, dass die Optimierung der Textur hinsichtlich der Griffigkeit die weiteren Oberflächeneigenschaften wie z. B. Reflexion, Lärmemission, Rollwiderstand usw. nicht beeinträchtigen soll. Im Rahmen dieser Arbeit blieben sie nicht berücksichtigt.

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