Zusammenhang zwischen Rutschkoeffizient und Griffigkeitsverhalten von Fahrbahnbelägen

I. Einleitung

Meteorologische Bedingungen haben einen erheblichen Einfluss auf die Verkehrssicherheit. Ungünstige Wetterbedingungen wie Regen, Schnee und Frost können den Reibungskoeffizienten von Fahrbahnen verringern und dadurch den Straßenverkehr und die Fahrsicherheit negativ beeinflussen. Hauptursachen für die Verringerung des Reibungskoeffizienten sind stehendes Wasser infolge von Regen und Straßenvereisung durch Regen und Schnee. Daher ermöglicht die schnelle Erfassung der Griffigkeit von Fahrbahnoberflächen bei extremen Wetterbedingungen und die umgehende Weitergabe dieser Information an die Fahrer, dass Fahrzeuge ihre Geschwindigkeit rechtzeitig anpassen, einen ausreichenden Bremsweg und die Fahrzeugstabilität gewährleisten oder alternative Routen wählen können. Dies trägt effektiv zur Vermeidung und Reduzierung von Verkehrsunfällen bei.

Gängige Prüfverfahren zur Messung des Fahrbahnreibungskoeffizienten umfassen Pendelreibungsmessgeräte, Systeme zur Messung des Querkraftkoeffizienten und dynamische Rotationsreibungsmessgeräte. Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Straßenüberwachungstechnologie werden berührungslose Sensoren zur Erfassung des Fahrbahnoberflächenzustands eingesetzt, was zur Einführung des Konzepts des Fahrbahnrutschigkeitskoeffizienten führte. Dieser Koeffizient nutzt die Infrarotspektroskopie. Basierend auf den Unterschieden in der Lichtabsorption verschiedener Fahrbahnbereiche wird der Zustand der Fahrbahnoberfläche – beispielsweise trocken, nass, schneebedeckt oder vereist – bestimmt. Durch eine umfassende Analyse des Fahrbahnoberflächenzustands und der Messtiefe wird ein Bewertungsindex abgeleitet, der den Grad der Fahrbahnrutschigkeit repräsentiert. Dieser Bewertungsindex wird als Rutschigkeitskoeffizient (G) bezeichnet. Er dient zur Charakterisierung der Griffigkeit der Fahrbahn und hat die gleiche Bedeutung wie der Reibungskoeffizient.

Der Infrarot-Fernerkundungsdetektor für den Straßenzustand basiert auf Spektroskopie zur Nahbereichsfernerkundung der Straßenoberfläche. Er verfügt über einen integrierten Infrarotsender, der auf eine ausgewählte Position auf der Fahrbahn gerichtet ist. Das ausgesendete Licht wird vom Messpunkt zurück zum Empfänger reflektiert und dort integriert. Dabei werden die spezifischen Wellenlängenreflexionen von Wasser, Schnee und Eis auf der Fahrbahnoberfläche unterschieden und der Rutschkoeffizient der Fahrbahn ermittelt.

II. Rutschkoeffizienten unter verschiedenen Fahrbahnbedingungen

2.1 Einfluss von stehendem Wasser auf den Gleitreibungskoeffizienten

Wie in Abbildung 1 dargestellt, nimmt der Gleitreibungskoeffizient der Fahrbahn mit zunehmender Wassertiefe allmählich ab. Im Bereich von 1 bis 5 mm Wassertiefe sinkt der Gleitreibungskoeffizient deutlich von 0,80 auf etwa 0,50. Mit weiter steigender Wassertiefe flacht die Abnahme des Gleitreibungskoeffizienten ab und erreicht schließlich ein Plateau. Messungen mit einem Pendelreibungsmessgerät auf der Fahrbahn zeigen, dass der Pendelwert bei einer Wassertiefe von unter 1 mm zwischen 60 und 70 liegt, was auf eine gute Griffigkeit hinweist. Bei einer Wassertiefe zwischen 1 und 6 mm sinkt der Reibungskoeffizient zwischen 60 und 50, was eine Verschlechterung der Griffigkeit der Fahrbahn anzeigt. Die Übermittlung des entsprechenden Gleitreibungskoeffizienten an Fahrzeuge im Straßenverkehr kann die Fahrer in diesem Fall warnen und sie dazu veranlassen, Maßnahmen wie Geschwindigkeitsreduzierung und Einhaltung eines Sicherheitsabstands zu ergreifen, um die Fahrsicherheit zu erhöhen.

2.2 Einfluss der Schneedecke auf den Rutschkoeffizienten

Wie Abbildung 2 zeigt, nimmt der Gleitreibungskoeffizient mit zunehmender Schneehöhe kontinuierlich ab, und zwar deutlich von 0,80 auf 0,10. Die Datenanalyse ergibt: Bei einer Schneehöhe unter 0,40 mm liegt der Gleitreibungskoeffizient über 0,60; zwischen 0,40 und 1,00 mm bleibt er bei etwa 0,40; ab einer Schneehöhe von 1,00 mm sinkt er rapide auf etwa 0,10 und schwankt anschließend bei weiterer Zunahme der Schneehöhe in einem engen Bereich um 0,10.

Bei einer Schneehöhe von weniger als 1,00 mm liegt der gemessene Pendelwert zwischen 40 und 60. Bei einer Schneehöhe von mehr als 1,00 mm liegt der gemessene Pendelwert zwischen 20 und 40.

2.3 Einfluss der Eisbildung auf den Gleitreibungskoeffizienten

Wie in Abbildung 3 dargestellt, nimmt der Gleitreibungskoeffizient mit zunehmender Eisdicke stark ab. Dieser abnehmende Trend ist im Vergleich zu stehendem Wasser und Schnee deutlich ausgeprägter. Bei einer Eisdicke von 0,10 mm ist der Gleitreibungskoeffizient bereits auf etwa 0,50 gesunken. Bei einer Eisdicke von 0,40 mm fällt er auf etwa 0,30. Ab einer Eisdicke von 0,80 mm sinkt der Gleitreibungskoeffizient auf etwa 0,1. Ähnlich wie unter einer Schneedecke bleibt der Gleitreibungskoeffizient bei einer Eisdicke von über 0,80 mm und weiterem Wachstum im Wesentlichen stabil und schwankt in einem engen Bereich um 0,10. Die mit dem Pendelmessgerät auf der vereisten Fahrbahn gemessenen entsprechenden Pendelwerte liegen überwiegend unter 30, der niedrigste Wert liegt bei etwa 20. Der Gleitreibungskoeffizient beträgt in diesem Bereich in der Regel etwa 0,10, was darauf hindeutet, dass die Fahrbahn sehr rutschig geworden ist und ihre Griffigkeit praktisch verloren gegangen ist. Es sollten rechtzeitig Warnungen ausgesprochen und Maßnahmen wie Straßensperrungen oder das Ausbringen von Streusalz ergriffen werden, um die Verkehrssicherheit zu gewährleisten.

III. Zusammenhang zwischen Gleitreibungskoeffizient und Reibungskoeffizient (Pendelwert)

Wie in Abbildung 4 dargestellt, führt ein kleinerer Gleitreibungskoeffizient des Straßenbelags zu einem kleineren Pendelwert und damit zu einer geringeren Griffigkeit. Umgekehrt deutet ein größerer Pendelwert auf einen höheren Gleitreibungskoeffizienten und eine bessere Griffigkeit hin. Daher eignet sich der Gleitreibungskoeffizient zur Charakterisierung der Griffigkeit des Straßenbelags.

IV. Schlussfolgerungen und Empfehlungen

4.1 Schlussfolgerungen

(1) Der Gleitreibungskoeffizient nimmt mit zunehmender Wassertiefe allmählich ab. Die Reduzierung des Gleitreibungskoeffizienten durch stehendes Wasser ist jedoch auf einen bestimmten Bereich begrenzt. Ab einer Wassertiefe von 5,00 mm sinkt der Gleitreibungskoeffizient auf etwa 0,50 und bleibt dann konstant.

(2) Der Gleitreibungskoeffizient nimmt mit zunehmender Schneehöhe kontinuierlich ab und sinkt von 0,80 auf 0,10. Sobald die Schneehöhe 1,00 mm oder mehr erreicht, sinkt der Gleitreibungskoeffizient auf 0,10 und schwankt dann nur noch geringfügig.

(3) Der Gleitreibungskoeffizient nimmt mit zunehmender Eisdicke rapide ab. Bei einer Eisdicke von 0,10 mm ist der Gleitreibungskoeffizient bereits auf etwa 0,50 gesunken. Ab einer Eisdicke von 0,80 mm fällt der Gleitreibungskoeffizient auf etwa 0,10 und schwankt anschließend nur noch geringfügig.

(4) Der zulässige Bereich des Rutschfestigkeitskoeffizienten G der Fahrbahn wird auf 0,10 bis 0,80 festgelegt. Auf der Grundlage dieses Koeffizienten kann die Griffigkeit der Fahrbahn in vier Stufen eingeteilt werden.

4.2 Empfehlungen

In der Praxis kann der Rutschkoeffizient von Fahrbahnen mithilfe einer Kombination aus fest installierten Straßenzustandssensoren an bestimmten Straßenabschnitten und fahrzeugmontierten Sensoren zur flächendeckenden Überwachung erfasst werden. Bei extremen Wetterbedingungen ermöglicht dies eine zeitnahe Messung des Rutschkoeffizienten. Die erfassten Daten können drahtlos über das Internet übertragen werden. Nach Analyse und Verarbeitung wird der Fahrbahnwiderstand umgehend an die Fahrer weitergeleitet. So können diese je nach Rutschfestigkeit die notwendigen Maßnahmen ergreifen, was die Fahrsicherheit bei widrigen Wetterbedingungen erhöht und die Zahl der Verkehrsunfälle reduziert.