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Klimawandel und Straßenverkehrsinfrastruktur

Das Bild zeigt eine Windrose mit Baum.(Foto: Deutscher Wetterdienst)

Im Gegensatz zur Vorstellung vieler Menschen war das Klima unseres Planten nie stabil. In den letzten Jahren sind jedoch die mittleren Temperaturen global recht stark gestiegen und da sich die Zunahme des CO2-Gehaltes in der Atmosphäre fortsetzt, ist mit einem weiteren Temperaturanstieg zu rechnen. Die wesentliche Frage lautet also: Wie wird sich das Klima ändern?

Die Beantwortung dieser Frage kann nur mithilfe von Emissionsszenarien und Klimamodellen gelöst werden. Emissionsszenarien stellen dabei unterschiedliche Annahmen bezüglich der künftigen ökonomischen Entwicklung der Welt dar, die in die globalen Klimamodelle einfließen. Mittels Klimamodellen wird versucht die Auswirkungen der Szenarios zu quantifizieren. Die so erstellten Klimaprojektionen sind also mit Unsicherheiten behaftet, dennoch sind sich Klimaforscher einig, dass in Deutschland die Zahl der Extremwetterereignisse wie Hitzeperioden oder Starkniederschläge zunehmen wird.

In der BASt wurde eine interdisziplinäre Arbeitsgruppe eingerichtet, um den Auswirkungen des Klimawandels auf die Straßeninfrastruktur und den -verkehr zu begegnen.

Zunächst wurden vier Pilotprojekte initiiert, um die Einflüsse der zu erwartenden Änderungen auf Bauwerke, Untergrund, Böschungen, Straßenoberflächen, Verkehrszeichenanlagen und Entwässerungseinrichtungen in einem ersten Ansatz zu beschreiben.

Pilotprojekte

Brückenbau

Bei Kurvenwechseln schwenkt die Straßenneigung von der einen auf die andere Seite. An solchen "Querneigungswechseln" können bei Starkregenereignissen die Wasserfilmdicken kritische Werte überschreiten. Insbesondere in Kurvenbereichen breiter Fahrbahnen - beispielsweise auf Autobahnen - ist das Unfallrisiko bei Nässe bis zu fünf Mal höher als bei Trockenheit. Es ist zu klären, ob es zukünftig durch Starkregen mehr Streckenabschnitte und kritische Stellen mit Aquaplaninggefahr geben wird als heute.

Aquaplaning

Bei Kurvenwechseln schwenkt die Straßenneigung von der einen auf die andere Seite. An solchen "Querneigungswechseln" können bei Starkregenereignissen die Wasserfilmdicken kritische Werte überschreiten. Insbesondere in Kurvenbereichen breiter Fahrbahnen - beispielsweise auf Autobahnen - ist das Unfallrisiko bei Nässe bis zu fünf Mal höher als bei Trockenheit. Es ist zu klären, ob es zukünftig durch Starkregen mehr Streckenabschnitte und kritische Stellen mit Aquaplaninggefahr geben wird als heute.

Rutschungen

Im Winter werden aufgrund der Klimaprojektionen 30 Prozent höhere Niederschlagsmengen erwartet - im Sommer soll es längere Trockenperioden geben. Beide Faktoren können zu Instabilitäten in Böschungen und Hängen führen. In einer Beispielregion soll untersucht werden, ob es unter den zu erwartenden Niederschlagsverhältnissen vermehrt zu Erdrutschen an Straßen kommen kann.

Netzbezug

Regionalisierte Klimaprojektionen müssen auf das Straßennetz abgebildet werden. Dazu sind Datenbanken mit unterschiedlichen Datenformaten abzufragen und über ein geografisches Informationssystem zu verknüpfen. Dieses Projekt liefert ein erstes Modell, um technische Daten aus Straßeninformationssystemen mit Rasterdaten aus regionalen Klimadaten zu verknüpfen. Es erlaubt erste Abfragen zur Straßenausstattung an bestimmten Lokalitäten unter Berücksichtigung der dort projizierten klimatischen Veränderungen als Basis für entsprechende Risikoanalysen.

Die Ergebnisse dieser vier Pilotprojekte zeigten, dass weiterer Forschungsbedarf bezüglich der erforderlichen Anpassungsmaßnahmen von Straßen und Ingenieurbauwerke an die Folgen des Klimawandels besteht. Daher wurde in der Bundesanstalt für Straßenwesen eine mehrstufige Vorgehensweise mit definierten Zielen über einem Zeitraum von 20 Jahren entwickelt.

Die Grafik zeigt die BASt Roadmap zur Anpassung der StraßenverkehrsinfrastrukturMeilensteine der BASt-Roadmap zur Anpassung der Straßenverkehrsinfrastruktur an den Klimawandel


Die vollständige Umsetzung dieser Roadmap stellt eine sehr komplexe Aufgabe dar, die im übergeordneten Forschungsprogramm „Adaptation der Straßenverkehrsinfrastruktur an den Klimawandel“, kurz „AdSVIS“ genannt, bearbeitet wird. Das AdSVIS-Forschungsprogramm besteht derzeit aus 15 Teilprojekten, die darauf abzielen, den ersten Meilenstein im Jahr 2014 zu erreichen.

Forschungsprogramm AdSVIS

RIVA

Das Projekt „Risikoanalyse wichtiger Güter- und Transitverkehrsachsen unter Einbeziehung von Seehäfen (RIVA)“ ist das zentrale Projekt in AdSVIS. Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung der Werkzeuge für Identifikation, Analyse und Beurteilung der Risiken infolge projizierter Klimaänderungen.

Das Projekt knüpft an das ERA-NET ROAD Projekt RIMAROCC (Risk Management for Roads in a Changing Climate) an, in welchem konzeptionelle Grundlagen für eine Betrachtung derartiger Risiken in Bezug auf die Straßeninfrastruktur erarbeitet wurden. Diese Methodik musste für das komplexe deutsche Straßennetz jedoch weiter entwickelt werden. Dazu wurde ein MS-Excel-basiertes Tool entwickelt, in welches standardisiert erhobenen Daten (zum Beispiel Zustandsdaten) und Daten von Klimaprojektionen einfließen. Dieses Tool wurde beispielhaft auf etwa 10 Prozent des deutschen Teils des Transeuropäischen Transportnetzes (TEN-T) angewendet.

Die mit Hilfe der RIVA-Methodik generierten Bewertungsergebnisse ermöglichen zunächst eine Priorisierung der klimabedingten Risiken. Sie können aber auch für einen Vergleich mit anderen Risiken für die Straßeninfrastruktur herangezogen werden. Das RIVA-Projekt liefert damit einen wichtigen Beitrag für die Diskussion von Risikobehandlungsstrategien und die Entscheidungsfindung über notwendige Maßnahmen.

Die Grafik zeigt die Phasen des RisikomanagementUntersuchungsgegenstand des RIVA-Projektes (Quelle: Alfen Consult)

Vernetzung und Kommunikation der AdSVIS-Projekte

Alle AdSVIS-Projekte sollen untereinander vernetzt werden, um so die Ergebnisse und Zwischenergebnisse bereits während der Laufzeit der einzelnen Projekte auszutauschen, so dass diese in die anderen Projekte mit einfließen können. Beispielsweise fließen Gebiete, in denen in der Zukunft mit Böschungsrutschungen zu rechnen ist (Projekt: Abschätzung von Böschungsrutschungen und Erstellung einer Gefahrenhinweiskarte), bereits in die Risikoanalyse des RIVA-Projektes ein. Alle Ergebnisse der AdSVIS-Projekte sollen projektübergreifend auf nationalen und internationalen Veranstaltungen präsentiert werden.

AdSVIS - Server

Fast alle AdSVIS-Projekte benötigen Netzdaten der Straßeninfrastruktur und Klimaprojektionsdaten. Die Netzdaten sowie die Daten für Ingenieurbauwerke sind in verschiedenen Datenbanken enthalten. Damit sich nicht alle Forschungsnehmer in verschiedene Datenbanken einarbeiten müssen, aber dennoch alle die gleichen für die Projekte relevanten Daten erhalten, wird eine zentrale Datenbank eingerichtet werden, die alle diese Daten umfasst. Hier werden auch die Klimaprojektionsdaten verschiedener Klimaszenarien eingepflegt. Dadurch können alle Projekte auf eine einheitliche Datengrundlage zugreifen und die Ergebnisse untereinander verglichen werden. In einem weiteren Schritt wird ein digitales Geländemodell integriert. Durch die Einbindung des digitalen Geländemodells soll eine Verknüpfung mit Daten von projizierten Niederschlagsereignissen ermöglicht werden. Aus dieser Verschneidung werden die Abflüsse aus den projizierten Niederschlagsereignissen durch das digitale Geländemodell erfasst und gefährdete Infrastruktur identifiziert.

Abgleich meteorologischer Messgrößen mit Rasterdaten von Klimaprojektionen

Wetterstationen liegen selten in der Nähe von Straßen und auch Klimaprojektionen liefern nur Mittelwerte für bestimmte Raster, die unabhängig von der Topographie, der Landnutzung oder der Bebauung sind. In diesem Projekt sollen Algorithmen erstellt werden, die die Daten der Wetterstationen (Temperatur, Niederschlag) mit den Daten an der Straße abgleichen, wobei die Bauart und Lage der Straße ebenfalls berücksichtigt wird. In einem weiteren Schritt werden die Algorithmen verwendet, um aus den rasterbezogenen Klimaprojektionsdaten die klimatischen Einwirkungsgrößen für die Elemente der Straßenverkehrsinfrastruktur zu ermitteln. So werden die Auswirkungen abgeschätzt, die beispielsweise eine projizierte steigende Jahresdurchschnittstemperatur auf das Temperaturverhalten der Straße hat.

Entwicklung von Einwirkungsmodellen und Bemessungsgrößen für Brücken und Tunnelbauwerke

Im Pilotprojekt „Auswirkungen des Klimawandels auf bestehende Spannbetonbrückenbauwerke“ wurde festgestellt, dass sich insbesondere für Rahmenbrücken aus Spannbeton, die vor 1981 gebaut wurden, Anpassungsbedarf ergibt. Das Projekt „Entwicklung von Einwirkungsmodellen und Bemessungsgrößen für Brücken und Tunnelbauwerke“ hat die Ermittlung von standortbezogenen und bemessungsrelevanten Klimaparametern zum Ziel, um somit eine möglichst reale Abbildung der Klimabelastung für Bauwerke in besonders stark vom Klimawandel betroffenen Regionen zu ermöglichen.

Verwundbarkeitsanalyse der Brücken- und Tunnelbauwerke

Im diesem Projekt wird eine Verwundbarkeitsanalyse für Brücken- und Tunnelbauwerke erstellt werden, in welche die verschiedenen Bauweisen und -konstruktionen sowie die jeweils typischen Ausstattungselemente einbezogen werden. Ebenfalls sollen betriebsbedingte Situationen beispielsweise an Tunnelbauwerken in Betracht gezogen werden, die aufgrund von extremen Wetterereignissen zu kritischen Betriebszuständen führen können. Die Untersuchung soll ermöglichen kritische Bauwerke zu identifizieren, so dass entsprechende Maßnahmen zur Verringerung der Verwundbarkeit am Bauwerk durchgeführt werden können. Hierdurch können Kosten für Instandsetzung oder Neubau eines geschädigten oder zerstörten Bauwerks gemindert werden.

Maßnahmenanalyse zur Verringerung der Verwundbarkeit von Brücken- und Tunnelbauwerken

Für die im Projekt „Verwundbarkeitsanalyse der Brücken- und Tunnelbauwerke“ identifizierten Bauwerke soll ein Maßnahmenkatalog zur Verringerung der Verwundbarkeit von Brücken- und Tunnelbauwerken erstellt werden. Die Analyse soll sowohl Maßnahmen für Bauwerke im Bestand, als auch für künftige Bauwerke berücksichtigen (bauliche und organisatorische Maßnahmen) und der Maßnahmenkatalog den Straßenbauverwaltungen der Länder als Entscheidungshilfe für Neubau-, Instandsetzungs- oder Anpassungsmaßnahmen dienen.

Abschätzung von Böschungsrutschungen und Erstellung einer Gefahrenhinweiskarte

Im Pilotprojekt „Abschätzung der Risiken von Hang- und Böschungsrutschungen durch die Zunahme von Extremwetterereignissen“ wurden an drei regionaltypischen Fallbeispielen bereits eingetretene Rutschungsereignisse untersucht und exemplarisch eine Bewertung der Ursachen unter Berücksichtigung der klimatischen Einwirkungen durchgeführt. Im aktuellen Projekt werden Rutschungsereignisse für ganz Deutschland untersucht und neben der Böschungsneigung auch andere rutschungsrelevante Faktoren wie Geologie, Geomorphologie, Grundwasser, Exposition und Vegetation mit einbezogen. Zusammen mit den klimatischen Parametern wird ein klimatisch-ingenieurgeologisches Modell zur Abschätzung potentiell rutschungsgefährdeter Gebiete bis zum Jahr 2100 entwickelt und eine bundesweite Gefahrenhinweiskarte (Risikokarte) mit Ausweisung besonders rutschungsgefährdeter Gebiete entlang des Bundesfernstraßennetzes erstellt.

Beurteilung der Bemessung von Straßenentwässerungseinrichtungen

In diesem Projekt werden die derzeitigen Dimensionierungsansätze von Entwässerungseinrichtungen nach den „Richtlinien für die Anlage von Straßen – Teil: Entwässerung“ (RAS-Ew) und nach den „Richtlinien für bautechnische Maßnahmen an Straßen in Wasserschutzgebieten“ (RiStWag) im Hinblick auf die hydraulische Leistungsfähigkeit bei Wahrung des Boden- und Gewässerschutzes und auf die konstruktiven Ausführungen überprüft. Die Ergebnisse dieses Forschungsprojektes dienen als Grundlage für die Überarbeitung der Regelwerke.

Bestandsaufnahme von Entwässerungseinrichtungen an ausgewählten Streckenabschnitten des TEN-T

Im Rahmen dieses Projektes werden Informationen zur Entwässerung (offen/geschlossen), Behandlungs- und Rückhaltesysteme sowie Pumpanlagen zusammengetragen und so aufbereitet, dass sie in den AdSVIS-Server implementiert werden können und somit auch als Datengrundlage für andere Projekte dienen, wie beispielsweise für das RIVA-Projekt. Für die Durchführung der Risikoanalyse ist es erforderlich, dass die Informationen über die Entwässerungssysteme entlang der ausgewählten Streckenabschnitte des TEN-T berücksichtigt werden.

Anpassung der Dimensionierung von Straßenbefestigungen aus Asphalt und Beton

Heute angewandte Methoden zur Berücksichtigung von Witterungseinflüssen bei der Dimensionierung von Straßenbefestigungen (im Neubau- wie Erhaltungsfall) basieren auf langjährigen meteorologischen Beobachtungsreihen. In diesem Projekt wird untersucht, inwieweit der Klimawandel die witterungsabhängigen Eingangsparameter verändert. Hierbei geht es um die Parameter, die sowohl in die „Richtlinien für die Standardisierung des Oberbaues von Verkehrsflächen“ (RStO) als auch in die rechnerische Dimensionierung (RDO Asphalt und RDO Beton) eingehen. Es sollen entsprechende Anpassungsvorschläge für die Dimensionierung (in der Regel 30 Jahre) formuliert werden.

Überprüfung standardisierter Asphaltbefestigungen unter geänderten Temperatur-Randbedingungen

Asphalt zeigt ein stark temperaturabhängiges elastisch-plastisch-viskoses Verhalten mit einer möglichen Rissbildung im Winter und bleibenden Spurrinnen im Sommer. In diesem Projekt soll mittels der „Richtlinien für die rechnerische Dimensionierung des Oberbaus von Verkehrsflächen mit Asphaltdeckschicht“ (RDO Asphalt) untersucht werden, bis zu welchem Anstieg der Jahresmitteltemperatur und Verkehrseinwirkungen ein Einsatz von Standard-Asphaltbauweisen/Dimensionierung zum Erreichen üblicher Nutzungszeiträume möglich ist. Bei Unterschreitung der Nutzungszeiträume müssen Vorgaben zur Materialanpassung gegeben werden oder alternative Bindemittelkonzepte entwickelt werden.

Asphaltoberbau und extreme Temperaturen

Mit Einführung der Richtlinien für die rechnerische Dimensionierung von Asphaltbefestigungen (RDO Asphalt) ist erstmalig eine Verfahrensweise in das Regelwerk aufgenommen worden, mit der die Schichtdicken von Asphaltbefestigungen entsprechend individueller Belastungssituationen (Temperatur und Verkehrslasten) und unter der Zugrundlegung von mechanischen Materialeigenschaften festgelegt wurden. Im Zuge des Dimensionierungsprozesses erfolgt eine Optimierung der Konstruktion durch Schichtdickenanpassung und/oder eine Steuerung der Materialeigenschaften. Letztere Variante vernachlässigt zurzeit die thermophysikalischen Materialeigenschaften des Asphaltes. Das sich aus einer Anpassung des Dimensionierungsprozesses möglicherweise ergebende Optimierungspotenzial soll identifiziert und näher untersucht werden. In einer gezielten Optimierung der Mischgutzusammensetzung/Mischrezeptur mit dem Ziel einer systematischen Veränderung der thermophysikalischen Materialeigenschaften und somit der in der Konstruktion auftretenden thermischen Zustände wird eine nachhaltige Möglichkeit zur Anpassung der Asphaltstraßenkonstruktionen an den projizierten Klimawandel gesehen.

Auswirkungen von Witterungsextremen auf Betonfahrbahnen

Ziel des Projektes ist es, die möglichen Auswirkungen verschiedener Klimaszenarien an Betonfahrbahndecken im Bundesfernstraßennetz zu untersuchen und zu ermitteln, ob die üblicherweise angesetzten Nutzungszeiträume erreicht werden. Mit der Untersuchung sollen kritische Bauweisen oder gefährdete Bereiche im Streckennetz identifiziert und entsprechende Maßnahmen zur Verringerung der Verwundbarkeit am Bauwerk durchgeführt werden. Die Untersuchungen sind notwendig, da ein plötzliches Versagen der Straßenkonstruktion, wie zum Beispiel durch das plötzliche Aufwölben der Fahrbahn („blow up“), zu einer starken Gefährdung der Verkehrssicherheit führen kann.

Auswirkungen des Klimawandels auf den Betriebsdienst

Um auf zukünftige zu erwartende Klimaereignisse reagieren zu können, müssen diese bekannt sein und die Auswirkungen auf den Straßenbetriebsdienst anhand von Klimaszenarien ermittelt werden. Dabei wird auf alle Leistungen gemäß dem Leistungsheft des Straßenbetriebsdienstes wie beispielsweise Schneeräumen, Glättebekämpfung, Grasmahd, Gehölz- und Baumpflege, Reinigung von Fahrbahnen, Reinigung und Unterhalt von Entwässerungseinrichtungen, Beseitigung von Sturmschäden geachtet. Umgekehrt trägt aber auch der Straßenverkehr selbst zu einem nicht unbedeutenden Anteil zum Klimawandel bei. Stockender Verkehr oder Staus bedeuten eine Erhöhung des Schadstoffausstoßes. Dabei ist unbekannt, in welchem Maße durch gesteigerte Betriebsdienstleistungen der Schadstoffausstoß verringert werden kann. Dieses Projekt soll Erkenntnisse liefern, die die Grundlage für eine zielgerichtete Weiterentwicklung des Straßenbetriebsdienstes sind, um zukünftig die Folgen und Wirkungen durch und auf den Klimawandel zu reduzieren.

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