Griffigkeit und Verkehrssicherheit auf nasser Strasse

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Griffigkeit und Verkehrssicherheit auf nasser Strasse

Author(s):

Huschek, Siegfried Publication Date:

1975-06

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https://doi.org/10.3929/ethz-b-000267885

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Vorsteher: Prof. H. Grob

Griffigkeit und Verkehrssicherheit auf nasser Strasse

S. Huschek, dipl. lng.

Mitteilung Nr. 31

Forschungsaufträge Nr. 21/70 und 14/72 Zwischenbericht

Zürich, Juni 1975

VORWORT

Die vorliegende Arbeit berichtet über die Erfahrungen und Forschungsergebnisse des ISETH, die in den vergangenen fünf Jahren auf dem Gebiet der Strassengriffig- keit und Verkehrssicherheit erzielt wurden. Der bestehenden Literatur und den aus- ländischen Erfahrungen wurde ein entsprechend breiter Raum zugebilligt, da vieles auf schweizerische Verhältnisse übertragbar ist.

Den heutigen Erkenntnissen entsprechend kommt den Griffigkeitsverhältnissen wie auch den Problemen der Entwässerung von Strassenoberflächen im Hinblick auf die Verkehrssicherheit eine grosse Bedeutung zu.

Wir sind aufgrund der vorliegenden Forschungsergebnisse davon überzeugt, dass das Schlepprad dem SRT-Pendel bezüglich Aussagewert der Ergebnisse überlegen ist und empfehlen deshalb die Griffigkeitsmessungen mittels Schlepprad in die SNV-Normen aufzunehmen. Da aber auf das SRT-Pendel als sehr praktisches ¹¹Handgerät¹¹ auch künftig nicht verzichtet werden soll, schlagen wir ausserdem vor, die Normen SNV 640 510 und SNV 640 511 durch eine kombinierte Messmethode SRT-Pendel/Ausfluss- messer zu ersetzen, da die alleinige Anwendung des Pendelgerätes bei bestimmten Oberflächen zu Fehlbeurteilungen führen kann.

Die in Kapitel E III behandelten Bremswegmessungen wurden in Zusammenarbeit mit Herrn dipl.-Ing. Komminoth vom Kantonalen Technikum Biel durchgeführt. Ihm und seinem Mitarbeiter Herrn Krähenbühl sei dafür bestens gedankt.

Besonderer Dank gilt Herrn Dr.-Ing. K.-H. Schulze von der TU Berlin, der im Rahmen seines Aufenthaltes als Akademischer Gast an unserem Institut durch seine reichen

Erfahrungen zum vorliegenden Bericht mit wertvollen Anregungen beigetragen hat.

An der Organisation, Durchführung und Auswertung der grossen Anzahl Messungen des ISETH war Frl. R. Pelloli, dipl.-Ing. wesentlich beteiligt.

Wir hoffen, mit diesem Bericht der Vereinigung Schweizerischer Strassenfachleute eine ausreichende wissenschaftliche Grundlage für die fällige Normenrevision zu 1 i efern.

Der Vorsteher:

Prof. H. Grob

Zürich, Juni 1975

Die Messung der Griffigkeit von Strassenbelägen ist in den Normen SNV 640 510/

511 gerätemässig und hinsichtlich der zulässigen Messwerte festgelegt. Es ist bekannt und auch in der Norm ausdrücklich erwähnt, dass die Ergebnisse des SRT- Pendels nur die Griffigkeitsverhältnisse bei niedrigen Geschwindigkeiten wieder- geben. Zwischen den Messergebnissen des SRT-Pendelsund der Griffigkeit bei höhe- ren Geschwindigkeiten besteht keine eindeutige Relation. Um diesen bekannten Sachverhalt nochmals zu verdeutlichen, wurden die Ergebnisse des SRT-Pendels und des Schlepprades mit den Bremswegen eines PW (PW des Kant. Technikums, Biel, der speziell für Bremswegmessungen eingerichtet ist) verglichen. Wie zu erwarten, stehen die PW-Bremswege zu den Messergebnissen des Schlepprades in strafferer Korrelation als zu denen des SRT-Pendels.

Es wird über di~ Erfahrungen des ISETH mit dem Schlepprad nach Bauart ''Skiddo- meter" berichtet. Anhand der Häufigkeitsverteilung von Messergebni ssen auf 220 verschiedenen Strassenbelägen werden ein Beurteilungsmassstab sowie Mindestwerte und Richtwerte abgeleitet.

Da auf das weitverbreitete und handliche SRT-Pendel auch künftig nicht verzich- tet werden sollte, wurden mehrere Texturmessmethoden auf ihre Eignung für eine kombinierte Messmethode SRT-Pendel/Texturmessung untersucht. Unter Berücksichti- gung der Einfachheit eignet sich der Ausflussmesser hierfür am besten. Zur Beur- teilung gröberer Texturen sind der Sandfleck und die mechanische Abtastung bes- ser geeignet. Es wird ein Beurteilungsmassstab für die mittlere Texturtiefe an- gegeben. Der Einfluss der Makrotextur auf die Abnahme des Griffigkeitswertes mit zunehmender Geschwindigkeit konnte nachgewiesen werden. Für eine formelmässige Verknüpfung der Werte ist jedoch die Streuung zu gross.

Vielversprechend erschienen die ersten Messungen mit einem am ISETH entwickelten Tastschnittgerät, da beabsichtigt wird, auf diese Weise Begriffe wie "Verzahnungs- tiefe" "Tragflächenanteil" "Drainageräume" zu definieren und quantitativ zu er- fassen.

RESUME

Les normes 640 510/511 definissent la qualite antiderapante d¹une route par la description et le mode operatoire de 1 ¹appareil de mesure (pendule SRT) et par la preconisation de valeurs admissibles. Ces normes precisent que les resultats obtenus avec le pendule SRT traduisent la qualite antiderapante

a

faible vites- se; il n¹y a pas de relation satisfaisante entre ces mesures et 1 ¹adherence pneumatique-chaussee

a

vitesse elevee. Pour souligner ce fait connu~ nous avons compare les resultats au pendule SRT et au Skiddometer avec les distances de freinage reelles d¹une voiture (voiture du Technicum cantanal de Bienne speci- alement equipee pour ces mesures). Comme presume~ la correlation entre les di- stances de freinage de la voiture et les resultats du Skiddometer est mieux que celle avec les resultats du pendule SRT.

En plus~ ce rapport donne des informations concernant les experiences de 1 ¹ISETH avec le remorque de mesure type ¹¹Skiddometer^11• La distribution statistique des mesures executees sur 220 revetements routiers permettent 1 ¹etablissement d¹une echelle d¹appreciation~ de valeurs limites admissibles et de valeurs indicatives.

Etant donne qu¹on ne peut pas renoncerau pendule SRT~ plusieurs methodes desti- nees

a

mesurer la texture Superficielle des revetements ont ete essayees pour examiner leur aptitude

a

se combiner avec le pendule SRT. Dans ce domaine, le

11drainometre¹¹ semble le mieux ^qualifie~ compte tenu de sa simplicite. Il faut neanmoins relever que 1 ¹appreciation de textures grenues necessite 1 ¹application d¹essais tels que la mesure de la hauteur de sable ou des mesures mecaniques~

essais qui sont mieux adaptes

a

ce genrede structure. Une echelle d¹apprecia- tion de la texture Superficielle des revetements est proposee dans ce rapport.

L¹influence de la macrotexture sur la diminution du coefficient de frottement

a

vitesse croissante est demontree~ mais la dispersion des resultats est trop grande pour en formuler la relation exacte.

Les premieres mesures executees avec un ¹¹micropalpeur¹¹ mecanique developpe

a

l¹ISETH sont prometteuses. Il est envisager de mesurer et definir des notions telles que ¹¹Volume de drainage¹¹~ ¹¹Surface portante¹¹ ou ¹¹profondeur d¹indentation^11•

The Swiss Standards SNV 640 510/511 related to the skid-resisting properties of roads, describe the measuring apparatus (SRT pendulum), its mode of appli- cation, and specify admissible values. As known and emphasised in the above standards, the test results of the SRT pendulum relate to the skid-resisting properties of roads at low speeds only. There is no clear-cut correlation bet- ween SRT values and friction coefficients measured at higher speeds. To verify this, tests have been carried out comparing the results obtained by the SRT pendulum and the braking force trailer apparatus (Skiddometer) with vehicle braking distances (using a passenger car specially instrumented for this pur- pose by the Technicum of Biel). As expected, the vehicle braking distances did correlate with trailer values much closer than with pendulum values.

The present report gives detailed information on ISETH experience with the use of the Skiddometer. The frequency distribution of braking force coefficients as obtained from testing 220 road surfacings of different types, serves as a repre- sentative background with which subsequent test results can be compared and ranked. Based on the same distribution, minimum and guide values of skid resi- stance have been derived.

Since it is widely introduced and easily applicable, the pendulum instrument will continue to play a role. Therefore, several methods of measuring road sur-

face texture have been tried on whether or not they can serve as a supplement to the SRT results. A useful and at the same time sufficiently simple instrument for this purpose has proved to be the outflow meter. To evaluate the more coarse- textured types of surfacings, however, the sand patch method or any mechanical profile recording are to be preferred. Background data are given for the classi- fication of mean texture depths. The influence of the macro-texture on friction coefficient drop with increasing speed could be substantiated. However, the re- sidual variance is too large as to establish a close relationship.

First applications of a profile recorder developed by ISETH have shown to give encouraging results. It is envisaged to define and measure, by using this in- strument, surface texturein terms of ¹¹Supporting area^{11, 11}indentation depth^11, and ¹¹drainage volume^11•

I N H A L T S V E R Z E I C H N I S

Seite A. E I N L E I T U N G

B. Z U R M E C H A N I K D E R G U M M I R E I B U N G 2

I. ADHAESIONS- UND HYSTERESEKOMPONENTE 2

II. DYNAMISCHE DRAINAGE DER REIFENKONTAKTFLAECHE 4 C. G R I F F I G K E I T S M E S S U N G E N M I T D E M

S C H L E P P R A D

5

I. VORAUSSETZUNGEN 5

5 5 6 1. Prinzip der Griffigkeitsmessungen

2. Wahlmöglichkeiten bei den Versuchsbedingungen 3. Konstanthaltung der Versuchsbedingungen

II. DER SKIDDOMETER-MESSZUG 7

1. Messanhänger 8

2. Zugfahrzeug 1 0

3. Benetzungsanlage 10

4. Kalibrierungen 11

5. Messvorgang 12

6. Vertrauensgrenzen der Messergebnisse 12

111. ERFAHRUNGEN 15

1. Aenderung der Griffigkeit mit der Zeit 15 2. Folgerungen für den Bau griffiger Beläge 18 3. Vergleich Gleitbeiwert/Reibungsbeiwert bei optimalem 19

Schlupf

D. T E X T U R M E S S U N G E N 22

I. BEDEUTUNG UND BISHERIGE ARBEITEN 1. Ausländische Untersuchungen 2. Erfahrungen des ISETH

22 23 26

II. ABTASTVERFAHREN 29

1. Kenngrössen für Metalloberflächen 29

2. Brauchbarkeit der Kenngrössen für Strassenoberflächen 32

3. Entwicklungen des ISETH 33

Seite

III. ERFAHRUNGEN 42

1. Jahreszeitliche Aenderung der Makrotextur 42 2. Vergleich der Ergebnisse verschiedener Texturmessmethoden 43 3. Textur und Verlauf der Griffigkeitswerte in Funktion der 43

Geschwindigkeit

4. Folgerungen 44

E. S R T - P E N D E L , S K I D D 0 M E T E R U N D

F A H R Z E U G B R E M S W E G E 45

I. DIE UNZULAENGLICHKEIT DES SRT-PENDELS BEZUEGLICH 45 GRIFFIGKElT BEI HOEHEREN GESCHWINDIGKEITEN

II. DER AUSFLUSSMESSER ALS ERGAENZUNG ZUM PENDELGERAET 46 1. Entscheidung über das Vorhandensein von Makrotextur 46 2. Ergebnisse einer Versuchsreihe

111. BREMSWEGMESSUNGEN ALS VERGLEICHSBASIS 1. Ziel und Zweck

2. Durchführung 3. Auswertung 4. Interpretation

46

49 49 52 52 53

F. V E R K E H R S S I C H E R H E I T I N A B H A E N G I G - 57 K E I T V 0 N G R I F F I G K E I T U N D 0 B E R-

F L A E C H E N E N T W A E S S E R U N G

I. BEDEUTUNG DER NAESSE AUF STRASSENOBERFLAECHEN 1. Wasserfilmdicke und Makrotextur

2. Drainagevermögen der Oberfläche 3. Folge dicker Wasserfilme

57 57 60 60

II. ERGEBNISSE VON GRIFFIGKElTSMESSUNGEN UND UNFALLSTATISTIK 63 1. Reibungsbedarf und aktivierbare Reibung 63

2. Auswertungen der Unfallstatistik 64

III. BEURTEILUNG DER GRIFFIGKElT NACH DEN MESSERGEBNISSEN DES 68 SKIDDOMETERS

1. Beurteilungsgrundlage 68

2. Ableitung von Mindestwerten aus der Häufigkeitsverteilung 69 der Griffigkeitswerte

- 3 -

3. Vergleich mit ausländischen Mindestwerten

4. Auswertung der Unfallstatistik und systematische Routinemessungen

Seite 71 72

G. V 0 R S C H L A G F U E R N E U E G R I F F I G K E I T S - 73

N 0 R M E N

I. BEGRUENDUNG

I I. RICHTWERTE UND MINDESTWERTE

1. Strassen mit langsamem Verkehr 2. Strassen mit schnellem Verkehr III. PRAKTISCHE BEDEUTUNG DER MINDESTWERTE H. L I T E R A T U R N A C H W E I S

I. T A B E L L E N U N D A N H A N G

73 74 75 75 76

A. E I N L E I T U N G :

Der letzte Zwischenbericht des ISETH über die Forschungsarbeiten auf dem Gebiet der Griffigkeitsmessungen erschien im Februar 1970. Dieser Bericht gab den Stand der Arbeiten Ende 1969 wieder und ist als unmittelbarer Vorläufer zu den Norm- blättern SNV 640 510 und SNV 640 511 zu betrachten. Diese beiden im Jahre 1970 erschienenen Normblätter behandeln die Griffigkeitsmessungen mit dem SRT-Pendel.

Der Inhalt des Zwischenberichtes von 1970 sei hier kurz zusammengefasst: Es wird über die Erfahrungen mit dem SRT-Pendel berichtet, und es werden "Richtwerte",

"Abnahmewerte" und "Grenzwerte" vorgeschlagen. Da man sich bereits vor Veröffent- lichung der Blätter SNV 640 510 und SNV 640 511 darüber im Klaren war, dass die SRT-Werte lediglich einen gewissen Hinweis auf die Griffigkeitsverhältnisse auf Strassen geben können, wird auf die Notwendigkeit von Vergleichsmessungen mit dem

"Skiddometer" hingewiesen. Des weiteren wurde über Vergleichsmessungen zwischen dem Skiddometer und dem ehemaligen Messwagen des Kant. Technikums Biel sowie über das Verhalten verschiedener gebräuchlicher Reifen im Vergleich zum normierten ASTM-Reifen berichtet.

In der Zwischenzeit (1971-1975) sind vom ISETH eine grosse Anzahl Griffigkeits- messungen mit dem SRT-Pendel als auch mit dem Skiddometer gemacht worden. In Ver- bindung mit diesen Griffigkeitsmessungen sind auch mehrere Texturmessmethoden er- probt worden. Dabei waren die folgenden Forschungsziele massgebend:

- technische Verbesserungen der dynamischen Messmethode mit dem Skiddometer, der nun als Routinemessgerät voll einsatzbereit ist

- Erstellung eines Beurteilungsmassstabes in Form einer Häufigkeitsverteilung für die Messergebnisse des Skiddometers; Vorschlag für Mindestgrenzwerte im Sinne von Richtlinien.

- Bremswegmessungen als Vergleichsbasis für den Aussagewert der Messergebnisse von SRT-Pendel und Skiddometer.

Anwendung mehrerer Texturverfahren, um zu prüfen wie gut sie in Verbindung mit dem SRT-Pendel Aussagen über die Griffigkeitsverhältnisse bei hohen Geschwindig- keiten ermöglichen.

Da auf dem Gebiet der Strassengriffigkeit im Ausland in den letzten Jahren viele, zum Teil recht umfangreiche und gründliche Untersuchungen gemacht worden sind, werden die darin gewonnenen Erkenntnisse für den vorliegenden Bericht mitverwer- tet. Die ausländischen Forschungsergebnisse sind, soweit es sich um Grundlagen-

- 2 -

forschung oder um Ergebnisse handelt, die nicht im Besonderen geräteabhängig sind, auf schweizerische Verhältnisse durchaus übertragbar.

B. Z U R M E C H A N I K D E R G U M M I R E I B U N G I. ADHAESIONS- UND HYSTERESEKOMPONENTE

Die mechanischen Vorgänge in der Kontaktfläche Pneu-Strasse sind ausserordent- lich komplex. Wie wir wissen, entzieht sich der Mechanismus der Gummireibung weitgehend den Coulomb-Morinschen Reibungsgesetzen, denen zufolge der Gleitrei- bungskoeffizient w = R/N (R = Reibungskraft, N =Normalkraft) von der Gleit- geschwindigkeit, vom Normaldruck und von der Grösse der Kontaktfläche unabhängig ist. Nach den Forschungsergebnissen der Nachkriegszeit - zu erwähnen sind insbe- sondere die Arbeiten von K. A. GRüSCH [1] sowie von KUMMER und MEYER [2 bis 5] - setzt sich die Gummireibung auf der Strassenoberfläche aus zwei Komponenten zu- sammen, nämlich

- aus der Adhäsionskomponente und - aus der Hysteresekomponente,

von denen jede in anderer Weise von der Gleitgeschwindigkeit und vom Oberflächen- zustand (trocken, verschmutzt, nass) abhängt, siehe Abbildung la und lb.

Gleitgeschwindigkeit vg

Abb. la: Adhäsions- und Hysterese- komponente des Reibungsbeiwertes in Funktion der Gleitgeschwindigkeit.

Quelle [6]

Abb. lb: Anteile am Reibungsbei- wert bei verschiedenen Fahrbahn- zuständen.

Quelle [6]

Adhäsionskräfte entstehen überall dort, wo der Gummi mit den Partikeln der Stras- senoberfläche in so engen Kontakt kommt, dass molekulare Anziehungskräfte wirksam werden können. Es entstehen also zwischen den Molekülen an der Oberfläche des Gum- mis und der Oberfläche der Strasse Verbindungen, die durch die Weiterbewegung des Gummis (Gleitgeschwindigkeit) wieder auseinandergerissen werden. Die auf diese Weise hervorgerufenen Dehnungen und Entspannungen der Molekülketten des Gummis be- wirken Energieverluste. Die Adhäsionskomponente der Reibung ist temperatur- und frequenzabhängig. Die Frequenz ist wiederum eine Folge der Gleitgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der vorherrschenden Dichte der molekularen Verbindungen. Das Maximum der Adhäsionsreibung ergibt sich bei sehr kleinen Gleitgeschwindigkeiten, Grössenordnung 1 km/h (vgl. Abbildung la). Derartig kleine Gleitgeschwindigkeiten treten am rollenden Rad unter Schlupf auf. Mit zunehmender Gleitgeschwindigkeit sinkt die Adhäsionskomponente.

Die Voraussetzung der Adhäsionsreibung, der enge Kontakt der Moleküle von Reifen- lauffläche und Strassenoberfläche, ist aufgehoben, wenn ein Zwischenmedium - Schmutz oder Wasser- den Gummi von der Strassenoberfläche trennt (vgl. Abbil- dung lb). Bei völliger Trennung, z.B. durch ein Schmieröl - verbleibt im wesent- lichen nur noch die Hysteresekomponente der Reibung.

Energieverluste infolge Hysterese des Gummis spielen sich im Gegensatz zur Ad- häsion nicht im molekularen Bereich ab, sondern im Grössenordnungsbereich der Mikro- und insbesondere der Makrotexturen der Strassenoberfläche. Durch hervor- stehende Minearalteilchen im Belag wird die Gummioberfläche beim Darübergleiten verformt. Die in den Gummi investierte Verformungsenergie wird aber eben aus Grün- den der Hysterese bei der Rückformung nur zu einem Teil wieder frei. Dies erklärt die unsymmetrische Druckverteilung zwischen dem verformten Gummi und dem hervor- stehenden Mineralteilchen, siehe Abbildung 2. Auch die Hysteresekomponente ist von der Temperatur und der Frequenz abhängig, wobei die Frequenz durch die Gleit- geschwindigkeit und die vorherrschende Wellenlänge der Makrotextur bestimmt wird.

Die Hysteresekomponente der Reibung wächst mit zunehmender Gleitgeschwindigkeit und erreicht nennenswerte Beträge erst bei höherer Gleitgeschwindigkeit (vgl. Ab- bildung lb), wie sie vorzugsweise an einem blockierten Rad auftritt. Die Hyste- resekomponente wird durch ein trennendes Medium (Schmutz, Wasser, Oel) in keiner Weise beeinträchtigt, weil sie im Gegensatz zur Adhäsionskomponente nicht auf Molekulareffekten in der Kontaktfläche, sondern auf der Verformung der beteilig- ten Gesamtmasse des Gummis beruht.

KUMMER [4] hat nachgewiesen, dass die Energieverluste sowohl durch Adhäsion als auch durch Hysterese Folgen der viskoelastischen Eigenschaften des Gummis sind.

- 4 -

VERFORMUNG

- - - - GLEITGESCHWINDIGKEIT RÜCKFORMUNG

REIBUNGSKRAFT MINERALTEILCHEN

Abbildung 2: Reibungskraft infolge Hysterese, Quelle [3]

II. DYNAMISCHE DRAENAGE DER REIFENKONTAKTFLAECHE

Während Schmutz und Oel auf der Strassenoberfläche Sonderfälle darstellen, ist Wasser auf der Strasse ein Zustand, mit dem stets gerechnet werden muss. Nur wenn es dem Reifen gelingt, in genügendem Masse Punkte trockenen Kontaktes mit der Strassenoberfläche herzustellen, kann die Adhäsionskomponente der Reibung wirksam werden. Das entscheidende Problem ist daher die weitgehende Beseitigung des Was- sers aus der Kontaktfläche. Sie gelingt fast immer nur unvollständig, und aus die- sem Grunde ist die verfügbare Reibung auf nasser Oberfläche nahezu ausnahmslos wesentlich niedriger als die auf trockener Oberfläche.

Nach heutiger Auffassung umfasst die Wasserbeseitigung aus der Reifenkontakt- fläche - auch dynamische Dränage genannt - zwei Phasen:

1. das Ausquetschen der Hauptmenge des Wassers

2. das Durchbrechen des letzten dünnen Wasserfilmes.

Zu dem ersten Vorgang trägt das Reifenprofil sehr stark bei, es bedarf aber der Unterstützung durch eine günstige Makrotextur der Strassenoberfläche. Das Durch- brechen des letzten dünnen Filmes gelingt nur, wenn die einzelnen Gesteinskörner, die die Strassenoberfläche bilden, eine günstige Mikrotextur aufweisen.

Da die beiden Phasen der Wasserbeseitigung aus der Reifenkontaktfläche zeitab- hängig sind, spielt die Berührungsdauer der Elemente der Reifenlauffläche auf der Strassenoberfläche eine grosse Rolle. Die Berührungsdauer nimmt mit steigender Fahrgeschwindigkeit linear ab, so dass immer weniger Zeit für die Wasserbeseiti- gung zur Verfügung steht, und sie gelingt infolgedessen immer unvollständiger.

Aus diesem Grunde sinkt die Reibung mit zunehmender Fahrgeschwindigkeit fast im- mer ganz erheblich ab.

C. G R I F F I G K E I T S M E S S U N G E N M I T D E M S C H L E P P - R A D (SKIDDOMETER)

I. VORAUSSETZUNGEN

1. Prinzip der Griffigkeitsmessungen

Bei der Einführung eines Verfahrens zur Prüfung der Griffigkeit von Strassenober- flächen ist man gezwungen, aus der Vielzahl der möglichen Bedingungen für die Rei- bung zwischen Reifen und Fahrbahn, eine representative Kombination von Bedingungen zu definieren. Nur dadurch erhält man die Möglichkeit, Strassenbeläge hinsichtlich ihrer Griffigkeitseigenschaften zu beurteilen, das heisst r a n g m ä s s i g e i n z u s t u f e n , sofern es gelingt, die gewählten Versuchsbedingungen bei jeder Messung weitestgehend konstant zu halten [7].

Zur Wahl der Versuchsbedingungen haben die zu Beginn der sechziger Jahre durchge- führten internationalen Vergleichsmessungen mit Griffigkeitsmessapparaten verschie- denen Messprinzips (Blockiertes Rad, Rad unter konstantem Bremsschlupf, Rad unter konstantem Schräglaufwinkel) gezeigt, dass alle diese Messprinzipien und alle üb- lichen Versuchsbedingungen angewendet werden können, wenn nur zwei Voraussetzungen erfüllt werden ^[7~8~9]:

l. es muss unter stärkerer Benetzung der Strasse gemessen werden

(prinzipiell werden Griffigkeitsmessungen nur auf benetzter Strasse vorgenommen, weil die Reibung auf nasser Strasse fast immer wesent- lich niedriger ist als auf trockener Strasse).

2. es muss bei wenigstens mittlerer Fahrgeschwindigkeit, z.B. 50 oder 60 km/h, gemessen werden.

2. Wahlmöglichkeiten bei den Versuchsbedingungen

Im Rahmen der technischen Gegebenheiten des Skiddometer-Messzuges, der im Ab- schnitt II ausführlich beschrieben wird, bestehen folgende Variationsmöglichkei- ten der Versuchsbedingungen bei Griffigkeitsmessungen:

a) Reibungszustand des Messrades:

- blockiertes Messrad (100 % Bremsschlupf)

- Messrad unter (näherungsweise) optimalem Bremsschlupf (Grössenordnung 15 %)

- 6 -

b) Benetzungsgrad der Belagsoberfläche:

Es lässt sich eine stufenlos veränderbare Wasserfilmdicke von bis zu etwa 1.0 mm vor dem Mes~rad aufbringen (berechnet aus der Ausflussmenge je Flächen- einheit).

c) Reifentyp und Radlast:

Der Skiddometer ist vom Hersteller mit einem ASTM-Standardreifen der Grösse 7.50-14 gernäss Spezifikation ASTM E 249-66 ausgestattet. Der Reifen besitzt ein Profil aus vier 5~5 mm breiten einfachen Längsrillen in der insgesamt 11.5 cm breiten Lauffläche. Die zugeordnete Radlast beträgt 493 kg. Ein Ueber- gang auf einen anderen Reifentyp wäre möglich.

d) Messgeschwindigkeit:

Der Skiddometer-Messzug ermöglicht Messgeschwindigkeiten zwischen 20 und 120 km/h.

Im Zuge der im Abschnitt II behandelten Untersuchungen mit dem Skiddometer- Messzug werden aufgrund dieser Wahlmöglichkeiten die für routinemässige Mes- sungen anzuwendenden Versuchsbedingungen festgelegt.

3. Konstanthaltung der Versuchsbedingungen

Folgende Bedingungen sind bei einiger Sorgfalt verhältnismässig leicht zu über-

wachen~ zu regulieren und konstant zu halten:

- Reifenqualität und Profil - Reifendruck

- Radlast

- Wasserfilmdicke

Die Temperaturen der am Reibungsvorgang beteiligten Medien können nicht oder nur bedingt konstant gehalten werden:

- Luft

- Reifenlauffläche - Wasser

- Belagsoberfläche

Ueber den Temperatureinfluss auf die Ergebnisse von Griffigkeitsmessungen mit dem Schlepprad sind umfangreiche Untersuchungen am Institut für Strassen- und Verkehrswesen der TU Berlin durchgeführt worden [10]. Danach machen sich Schwan- kungen der Lufttemperatur kaum bemerkbar. Auch die Temperatur des mitgeführten

Benetzungswassers, die im Bereich von go C bis 180 C schwankt, hat praktisch kei- nen Einfluss auf die Messergebnisse. Zudem treten während der Messung (besonders bei blockiertem Rad) in der Kontaktfläche Erwärmungen auf, die von leichten Schwan- kungen der Umgebungstemperatur nur geringfügig beeinflusst werden. Die Temperatur der Lauffläche des Messreifens ist jedoch wegen der temperaturabhängigen visko-ela- stischen Eigenschaften des Gummis für die Messung von Bedeutung. Die Temperatur- schwankungen können jedoch gering gehalten werden, wenn der Messpneu vor Beginn ei- ner jeden Messung bereits ¹¹Warmgelaufen¹¹ ist. Dennoch sollten, nach unseren Erfah- rungen, unterhalb 60C und oberhalb 25° C Lufttemperatur, aus Gründen des Tempera- tureinflusses, keine Messungen mehr durchgeführt werden. Dann kann der Einfluss unterschiedlicher Temperaturen vernachlässigt und bei Messungen mit dem Schlepp- rad, im Gegensatz zu solchen mit dem SRT-Pendel, auf eine Temperaturkorrektur ver- zichtet werden.

II. DER SKIDDOMETER MESSZUG:

Das ISETH besitzt seit mehreren Jahren einen Griffigkeitsmesszug (Abb. 3 und 4), bestehend aus dem ¹¹Skiddometer^{11 ,} einem vom schwedischen Statens Väginstitut ent- wickelten schweren dreirädrigen Messanhänger und einem Cadillac als Zugfahrzeug.

Die Konzeption dieses Messzuges soll im folgenden näher beschrieben werden.

Abbildung 3: Skiddometer-Messzug

- 8 -

Abbildung 4: Skiddometer-Messzug 1. Messanhänger

Der Skiddometer (Abb. 5) ist ein einachsiger Anhänger mit drei Rädern, aussen die beiden Laufräder, die dem System die seitliche Stabilität geben und in der Mitte das Messrad, das kleiner ist als die Laufräder. Das Gesamtgewicht beträgt etwa 1670 kg, wobei das Messrad im statischen Zustand mit 493 kg belastet wird.

Abbildung 5: Messanhänger

Das Messrad kann über ein System von elektromagnetischen Bremsen und Kupplungen in drei unterschiedliche Bewegungszustände gebracht werden:

-während des Transports rollt das Messrad frei auf der Strassenoberfläche ab;

-das Messrad kann vollständig blockiert werden (entspricht 100% Bremsschlupf);

- das Messrad wird mit den Laufrädern durch Kardanwellen verbunden, wodurch sich aus den unterschiedlichen Umfängen bei gleichen Umdrehungszahlen das Messrad mit etwa 15 % Bremsschlupf gegenüber der Strassenoberfläche bewegt.

Die in der Kontaktfläche entstehende Reibungskraft wird nach dem Prinzip einer Drehmomentenmessung durch Dehnmessstreifen in Brückenschaltung gemessen. Das elektrische Messsignal wird mittels Schleifringen vom rotierenden Messrad ab- gegriffen und auf einem im Zugfahrzeug befindlichen Kompensationsschreiber gra- phisch sichtbar gemacht (Abb. 6).

f- 6 cm ~ V = 60 km/h

+

^{6 cm ~ V = 60 km/h}

+ ..._____

^{ZEITMARKE /1} BEZUGSPUNKT / BEWEGUNGSRICHTUNG

ERGEBNIS

u=0,44,___""_.,...,.v

EFFEKTIVE

14ESSLAENGE EFFEKTIVE

MESSLAENGE

-1

^{CA. 25m}

1--

2 MESSUNGEN MIT BLOCKIERTEM RAD

J

MESSUNG MIT CA. 15 % BREMSSCHLUPF

Abbildung 6: Beispiel eines Messschriebes (Messgeschwindigkeit 60 km/h;

Längenmassstab 1:1000)

Das Verhältnis der gemessenen Reibungskraft T (Tangentialkraft) zur statischen Radlast V wird als Reibungsbeiwert w bezeichnet:

w = T/V

L

Der Bezug auf die statische Radlast beruht auf der Annahme, dass die tatsächlich während der Messung auftretende Radlast (= statische Radlast + dynamische Zusatz-

- 10 -

last) über die Messstrecke im Mittel der statischen Radlast gleicht. Da mithin w proportional T ist, wird die Skala des Messschriebes unmittelbar in Einhei- ten von w kalibriert.

Der Papiervorschub des Schreibers erfolgt über eine elektrische Welle wepro-

portional so, dass die Aufzeichnung in wählbarem festem Verhältnis zum Weg steht.

Um eine ganz genaue Information über die jeweilige Fahrgeschwindigkeit des Mess- zuges zu erhalten, werden während der Messung von einem Taktgeber Zeitmarken auf dem Papier markiert (vgl. Abb. 6).

Somit können die Informationen über den gemessenen Reibungsbeiwert, die Messge- schwindigkeit, Bezugspunkte und damit Ort der Messung unmittelbar vom Papier- schrieb abgelesen werden.

2. Zugfahrzeug

Bei der Wahl des Zugfahrzeuges waren folgende Anforderungen zu erfüllen:

a) Es sollte stark genug sein, um den Skiddometer während der Messung mit blok- kiertem Rad auf hoher konstanter Geschwindigkeit zu halten. Auf ebener Strecke sollte mindestens eine Geschwindigkeit von 120 km/h gehalten werden.

b) Zum Annässen der Fahrbahn sollte ein Wassertank im Zugfahrzeug untergebracht werden.

Es wurde uns schliesslich vom EDI ein Cadillac zur Verfügung gestellt, der mit 313 PS SAE und einer Höchstgeschwindigkeit von 140 km/h diese Anforderungen er- füllt.

3. Benetzungsanlage

Um eine definierte Wasserfilmdicke vor dem Messrad zu erzielen, bedarf es nach allen Erfahrungen einer Benetzung der Belagsoberfläche unmittelbar vor dem Mess- rad. Aus diesem Grunde wurde der Skiddometer-Messzug mit einer Benetzungsanlage ausgerüstet. Im Zugfahrzeug befindet sich ein Wassertank mit einem Fassungsver- mögen von etwa 500 1. Bei einer theoretischen Wasserfilmdicke von 0,5 mm auf 20 cm Breite reicht diese Wassermenge für etwa 5 km Messung aus. Von einer Hon- da-Pumpe wird die jeweils erforderliche Wassermenge zur Ausflussdüse (siehe Abb. 7) und auf die Strassenoberfläche gebracht, wobei ein Schieber die Dosie- rung in Funktion der Messgeschwindigkeit gestattet. Die Ausflussdüse wurde so kon- struiert, dass ein möglichst gleichförmiger Wasserstrahl entsteht. Der Ausfluss-

querschnitt ist wegen der federnden Verschlussklappe variabel. Damit werden bei grösseren Wassermengen hohe Ausflussgeschwindigkeiten und somit ein Zurücksprit- zen des Strahles von der Fahrbahn weitgehend vermieden. Die Ausflussdüse befin- det sich 65 cm vor der Auflagefläche des Messrades und 10 cm über der Fahrbahn.

Abbildung 7: Ausflussdüse

4. Kalibrierungen

Die Skala für den mit dem Skiddometer gemessenen Reibungsbeiwert bedarf im Zeit- abstand von mehreren Monaten einer Ueberprüfung und Kalibrierung. Sie besteht darin, dass als Ersatz für die bei der Messung an der Lauffläche des Messrades auftretende ReibungskraftTeine wählbare Tangentialkraft T¹ = T an einem Hebel- arm r¹ angebracht wird, der gleich dem Rollradius r des Messreifens ist. Wird ein anderer Hebelarm (r¹ I r) verwendet, muss, um den gleichen Reibungsbeiwert w = ~ zu erhalten, T¹ = f~

·

T als Ersatzkraft aufgebracht werden.

Für T¹ werden verschiedene Laststufen aufgebracht, die einem Reibungsbeiwert von 0,1, 0,2, ... entsprechen. Der Kompensationsschreiber muss dann den jeweils entsprechenden Reibungsbeiwert anzeigen oder auf ihn korrigiert werden.

Des weiteren sind folgende Ueberprüfungen erforderlich:

- Zustand, Luftdruck und Abnutzungsgrad des Messpneus;

- statische Belastung des Messrades;

- Massstab des Papiertransportes;

- Bentzungsanlage und Wasserfilmdicke.

- 12 -

5. Messvorgang

Der gesamte Messvorgang wird vom Beifahrer im Zugfahrzeug gesteuert und über- wacht (siehe Abb. 8 und 9). Er verläuft in folgenden Schritten:

- Beschleunigung auf die gewünschte Messgeschwindigkeit (Sache des Fahrers);

- Wahl des Längenmassstabes (Papierlänge/Weglänge) und Einschalten des Papier- vorschubes;

- Einschalten der Benetzungsanlage und Kontrolle~ ob Wasserdruck vorhanden;

- Messrad blockieren und Kontrolle;

oder Messrad mit den beiden Laufrädern kuppeln~ um eine Messung mit 15 % Schlupf einzuleiten;

- zusätzlich während der Messung Bezugspunkte von Hand registrieren.

Abbildung 8: Kommandopult und Schreiber 6. Vertrauensgrenzen der Messergebnisse

Wie jedes Messproblem ist auch die Griffigkeitsmessung mit einer gewissen Un- sicherheit belastet. Zur Ermittlung der Messunsicherheit des Skiddometers wur- den mehrere Messreihen zu je N = 8 Einzelmessungen

X;

auf Strassen mit mög- lichst gleichmässiger Griffigkeit durchgeführt. Daraus wurden berechnet:

- der Mittelwert X =

- die Standardabweichung

2 X·

1

N

--~l.l<.!!!ill..>l-~1-l

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I

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I

I I I lli_

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Ci

i3

Abbildung 9: Blockschema des Skiddometer-Messzuges, System und Umbauten: ISETH

Zugfahrzeug 1 Batterie 12 V

2 Umwandler (220 V, 50 Hz, 1 00 W) 3 Kompensationsschreiber

4 Amperemeter zur Lade- und Verbrauchskontrolle 5 Hauptschalter

6 Öffnung des elektrischen Schiebers 7 Schalter zum Blockieren des Messrades 8 Schalter für Bremsschlupf

9 Markierung (Bezugspunkte) 1 0 Eichsignal

11 Taktgeber zur Geschwindigkeitskontrolle 12 Steuerung des Papiervorschubs

Skiddometer

13 Wasserpumpe 2,5 PS/max. 400 1/min 14 Ferngesteuerter elektrischer Schieber

15 Schieber zur Regulierung der Wassermenge in Funktion der Geschwindigkeit

16 Wasserdüse 17 Laufräder 18 Messrad

19 Fahr-Sicherheitsbremse 20 Elektrokupplung

21 Prüfradbremse (zum Blockieren des Messrades) 22 Kardangelenke

23 Skiddometerbatterie (liefert Strom über die Relais zur Bedienung der Kupplungen und Bremsen) 24 Relaiskasten; enthält die vom Schaltbrett aus

steuerbaren Relais

25 4 Dehnungsmessstreifen in Brückenschaltung 26 Schleifringe und Bürsten

- 14 -

- der Vertrauensbereich des Mittelwertes ^{d - + t . s}

lfN

mit t = Schwellenwert der t-Verteilung für zweiseitige Abgenzung und die gewählte statistische Sicherheit.

Je nach der (wenn auch geringen) Ungleichmässigkeit der Messstrecke lag s zwischen 0,014 und 0,020 und somit d für eine statistische Sicherheit von 95 % zwischen

~ 0,012 und 0,017.

Diese Angaben kennzeichnet in erster Näherung die Messunsicherheit des Verfahrens, die bedingt ist durch

- kleine unvermeidbare Abweichungen von der vorgesehenen Messgeschwindigkeit - kleine unvermeidbare Ungenauigkeiten in der Wasserdosierung

- Einflüsse unterschiedlicher Temperaturen (Luft, Wasser, Reifenlauffläche) - dem Messsystem in seinen elektrischen und mechanischen Teilen innewohnende

kleine Störungen

- unvermeidbare geringe subjektive Einflüsse beim Ablesen des Messergebnisses.

Die obige Angabe schliesst noch nicht die Streuungen ein, die durch den von Zeit zu Zeit erforderlichen Wechsel des Messpneus bedingt sind. Die Messpneus sind zwar theoretisch alle gleich, können aber in Wirklichkeit in ihren Reibungseigen- schaften doch in geringem Masse voneinander abweichen.

Zur Messunsicherheit kommen die Streuungen der Einzelwerte hinzu, die aus der Heterogenität der Strassenoberfläche herrühren. Aus diesem Grunde wird auf Stras- senoberflächen, die weniger gleichmässig sind als d1e oben genannten ausgesuchten Teststrecken, die Standardabweichung der Einzelwerte den Betrag von 0,02 erheb- lich übersteigen. Es ist daher erforderlich, bei routinemässigen Griffigkeitsmes- sungen auf Strassen wenigstens 6 Einzelmessungen über je 25 m Länge durchzuführen und aus ihnen neben dem Mittelwert auch die Standardabweichung zu berechnen oder zumindest aus der Spannweite der Einzelwerte (= Unterschied zwischen dem grössten und dem kleinsten Wert)die Standardabweichung zu schätzen. Im Normalfall gilt der Mittelwert aus den 6 Einzelwerten als das eigentliche Messergebnis. Ist aber die Standardabweichung aussergewöhnlich gross (der Grenzwert wäre noch festzulegen), so muss die Messstrecke, gegebenenfalls durch weitere Messungen, in Teilstrecken unterschiedlicher Griffigkeit zerlegt werden.

Streng zu unterscheiden von den Einflüssen der Messunsicherheit des Verfahrens und der Heterogenität der Strassenoberfläche sind die Veränderungen, die eine Strassenoberfläche unter den Einflüssen der Witterung und des Verkehrs erfahren kann. So kommt es sehr häufig vor, dass bei einer erneuten Messung, etwa einen

Tag, eine Woche oder einen Monat später, dieselbe Strassenoberfläche erheblich andere Griffigkeitswerte ergibt. Hier handelt es sich also nicht um einen Mangel des Messverfahrens, sondern darum, dass sich das Messobjekt in der Zwischenzeit verändert hat. Nähere Angaben hierzu enthält der folgende Abschnitt:

III. ERFAHRUNGEN

1. Aenderung der Griffigkeit mit der Zeit

Betrachtet man die Griffigkeitsänderung eines Strassenbelages in Funktion der Zeit, so stellt man fest, dass diese durch Ueberlagerung mehrerer Einflüsse zustande kommt. Die Einflüsse können in iwei Gruppen aufgeteilt werden:

a) Einflüsse, die kurz-oder mittelfristige Griffigkeitsschwankungen in einem ge- wissen Bereich bedingen:

- Regen

- anhaltende Trockenheit

-jahreszeitlich durch Temperatureinflüsse bedingte Texturänderungen bei Asphalt- belägen (Beispiel siehe Kapitel D III).

So wurde mehrfach von uns beobachtet, dass nach intensivem Regen die Griffigkeits- werte deutlich anstiegen. Hierzu sei folgendes Beispiel angeführt:

Auf einem Betonbelag wurden am 16.8.1972 vor und nach einem starken Gewitterregen mit dem Skiddometer bei einer Geschwindigkeit von 40 km/h die folgenden Werte ge- messen (Mittelwert aus 8 Einzelmessungen):

Beispiel: Griffigkeitsmessungen vor und nach einem starken Regen auf einer Beton- decke

vorher nachher Griffigkeitszunahme

Schlupf 0,51 0,66 0,15 30 %

Block 0,31 0,37 0,06 20 %

Der Unterschied der Messergebnisse ist deutlich grösser als dies nach der Messun- sicherheit des Verfahrens zu erwarten wäre. Es kann also mit Sicherheit gesagt werden, dass der Regen die Griffigkeitseigenschaften dieser Strassenoberfläche kurzfristig, und zwar innerhalb weniger Stunden, spürbar verbessert hat. Drei Gründe können zur Erklärung dieser Erscheinung angeführt werden:

- 16 -

- das im Regenwasser enthaltene Kohlendioxyd bedingt durch chemische Einwirkung eine Verbesserung der Mikrotextur, insbesondere bei polierten Oberflächen von kalksteinhaltigen Zuschlagstoffen [10]

- der Regen bewirkt meist eine erhebliche Abkühlung der Strassenoberfläche. Es ist bekannt, dass die Reibung zwischen Pneu und nasser Strassenoberfläche in geringem Masse temperaturabhängig ist.

-der Regen reinigt die Oberfläche von Staub, Schmutz und Oel.

Am Institut für Strassen- und Verkehrswesen der TU Berlin sind gründliche Unter- suchungen über Ursache und Umfang der Schwankungen der Strassengriffigkeit durch- geführt worden [10]. Die Ergebnisse dieser Forschungsarbeit sowie die Angaben in [7] decken sich gut mit unseren Erfahrungen, sind also auf schweizerische Verhält- nisse übertragbar. Messungen über eine Dauer von l bis 2 Jahren ergaben folgende Griffigkeitsschwankungen:

Abweichungen der Mittelwerte vom Durchschnitt: + 0,03 Abweichung der Einzelwerte vom Durchschnitt + 0,06

Damit im Zusammenhang steht zweifellos auch unsere Feststellung, dass die Grif- figkeitswerte in Tunneln und auf überdachten Abschnitten in der Regel deutlich niedriger liegen als auf den anschliessenden freien Strecken. Die Erklärung liegt wahrscheinlich darin, dass in diesen Strecken die griffigkeitserhöhende Wirkung

von Regen weitgehend fehlt. Hierzu wären noch weitere Untersuchungen anzustellen.

Die kurz- und mittelfristigen Griffigkeitsschwankungen erschweren oder verunmög- lichen bei Grenzfällen eindeutige Entscheidungen darüber, ob Massnahmen zur Ver- besserung der Griffigkeit erforderlich sind, da einer Strassenoberfläche nicht ein einziger Griffigkeitswert, sondern ein Schwankungsbereich von Griffigkeits- werten zugeordnet werden muss. So unangenehm dies auch bei der Beurteilung von Messergebnissen sein mag, man muss diesen Sachverhalt akzeptieren und nicht etwa als Mangel der Messmethode interpretieren.

b) Einflüsse, die langfristige Griffigkeitsänderungen bedingen:

- Verkehr

- Witterung (Alterung, Verwitterung).

Da sich in dieser Hinsicht Asphalt- und Betonbeläge deutlich unterscheiden, müs- sen sie getrennt betrachtet werden.

Bei Asphaltbelägen wird als Folge des Abfahrens der Bindemittelhaut in der Regel in der ersten Zeit der Verkehrsbeanspruchung eine Zunahme der Griffigkeit beo-

bachtet. Dies muss aber nicht immer so sein. Ist ein Belag längere Zeit unbefah- ren der Witterung ausgesetzt~ so verwittert die oberste Bindemittelhaut und die Griffigkeit wird vom Zeitpunkt der Verkehrsübergabe an sinkende Tendenz zeigen, falls es sich um verhältnismässig starken Verkehr handelt. Grundsätzlich spielen sich infolge Witterung und Verkehr gegenläufige Vorgänge ab:

- Die Witterung wirkt im Sinne einer Erhöhung der Griffigk'eit. Durch Oxydation und Alterung versprödet das Bindemittel. Die Folge davon ist erhöhter Ver- schleiss und das ¹¹Absanden^11, das auf sehr wenig befahrenen Asphaltbelägen (Ab- stellplätze, Flugplätze) beobachtet werden kann.

Intensiver Verkehr bewirkt im Sommer bei hohen Temperaturen ein gewisses Ein- drücken der Gesteinskörner, ein Schliessen der Poren, also eine Verminderung der Texturtiefe (Walzwirkung).

- Intensiver Verkehr übt eine Polierwirkung aus die je nach Eigenschaft des Gesteinsmaterials eine Verminderung der Griffigkeit bewirkt.

Dass die Griffigkeitswerte auf Ueberholspuren von Autobahnen normalerweise höher sind als auf Fahrspuren rührt daher, dass auf Ueberholspuren bei gleichem Wit- terungseinfluss die polierende und walzende Einwirkung des Verkehrs wesentlich geringer ist, weil weniger Fahrzeuge die Ueberholspur befahren.

Die langfristige Veränderung der Griffigkeit ist in Abb. 10 schematisch darge- stellt. Auf Anhang 1 sind einige Beispiele angeführt, die obige Aussagen veran- schaulichen sollen.

)J

sehr wenig Verkehr

- - - sehr starker . Verkehr

Zeit/Jahre Abbildung 10: Langfristige Veränderung der Griffigkeit von Asphaltbelägen

(Prinzipdarstellung)

- 18 -

Auch bei Betonbelägen spielen sich die oben geschilderten gegenläufigen Vorgänge infolge Verkehr und Witterung ab, allerdings mit dem Unterschied, dass hier der griffigkeitserhöhende Einfluss der Verwitterung wesentlich geringer ist und, dass andererseits die Polierwirkung des Verkehrs grösser ist, da sie nicht nur das Korn betrifft, sondern auch in einem gewissen Masse den Zementstein. Aus diesem Grunde weisen viele unserer stark befahrenen Betondecken mit längerer Liegedauer verhält- nismässig niedrige Griffigkeitswerte auf (Abb. ll).

sehr wenig Verkehr

--... ...._ sehr starker Verkehr

Zeit (Jahre)

Abbildung ll: Langfristige Veränderung der Griffigkeit von Betonbelägen (Prizipdarstellung)

2. Folgerungen für den Bau griffiger Beläge a) Bituminöse Beläge

Für die Belagsrezepturen können die bekannten Regeln für möglichst griffige Be- läge bestätigt werden, soweit und in dem Masse wie sie sich in Abstimmung mit den übrigen Anforderungen an die Beläge (insbes. Verschleisswiderstand, Haltbarkeit, Dichtigkeit) anwenden lassen:

Die Mischung soll möglichst bindemittelarm sein

- es ist ein möglichst grosser Hohlraumgehalt anzustreben - günstig wirken sich scharfkantige Sande, also Brechsand aus

- grosses Korn ist in zweierlei Hinsicht ungünstig: es ist stärker polierbar und es vermindert die Verzahnungstiefe Pneu/Belagsoberfläche. Das heute bei Asphalt- belägen übliche Grösstkorn von 16 mm scheint optimal zu sein.

b) Zementbetonbeläge

Das bei Betonbelägen bisher übliche Grösstkorn von 25 mm (manchmal auch mehr) ist - jedenfalls für die gebräuchlichen schweizerischen Gesteinsqualitäten - zu gross. Es sollten Ueberlegungen angestellt werden, wie bei Betonbelägen das Er- scheinen grosser Gesteinsflächen an der Oberfläche verhindert werden kann.

3. Vergleich Gleitbeiwert/Reibungsbeiwert bei optimalem Schlupf

Wie bereits erklärt, gestattet der Skiddometer, Griffigkeitswerte bei zwei ver- schiedenen Bewegungszuständen des Messrades zu messen, nämlich:

- mit blockiertem Messrad (100 % Schlupf)

- mit dem Messrad unter (näherungsweise) optimalem Schlupf (ca. 15 %)

Der Vorteil der Messung unter Schlupf besteht darin, dass kontinuierlich über eine längere Strecke gemessen werden kann, wogegen eine Blockmessung wegen Rei- fenabnutzung nur auf maximal 50 m erfolgen soll. Es müssen daher in der Regel mehrere Blockmessungen hintereinander ausgeführt werden; sie ergeben eine Folge von Einzeldiagrammen (vgl. Abb. 6).

Für eine Gruppe von rund 40 Strassenoberflächen wurden beide Werte - Gleitbei- werte am blockierten Rad und maximale Reibungsbeiwerte unter optimalem Schlupf - gemessen. Die Beziehung zwischen ihnen ist in Abb. 12 dargestellt. Es handelt sich um eine lineare Beziehung, wie dies auch schon in [11] gezeigt worden ist.

Die Beziehung ist mit einer Streuung behaftet. Infolgedessen variiert das Ver- hältnis Gleitbeiwert/Maximalwert der Reibung in bestimmten Schranken. Dieses Ver- hältnis wurde im Jahre 1944 von ZIPKES als

Reibungskennziffer ⁼ Beiwert der gleitenden Reibung Beiwert der rollenden Reibung

bezeichnet und als Kenngrösse für die Beurteilung von Strassenbelägen vorgeschla- schlagen [12], wobei die Bezeichnung ¹¹Beiwert der rollenden Reibung¹¹ dem maxima- len Reibungsbeiwert, der unter optimalem Schlupf erhalten wird, entspricht.

Man erhält also auf der Basis der Gleitbeiwerte am blockierten Rad nicht genau die gleiche, aber doch eine sehr ähnliche Einstufung der Strassenoberflächen be- züglich Griffigkeit wie bei einer Bewertung durch den maximalen Reibungsbeiwert unter optimalem Schlupf.

Wir schlagen nun vor, die Griffigkeitseigenschaften der Beläge zunächst nur auf der Grundlage der mit dem blockierten Rad gemessenen Gleitbeiwerte zu beurteilen

1,00

0,90

0,80

0,70

0,60

0,50

0,40

0,30

0,20

0,10

0

w MESSGESCHWINDIGKEIT 60 km/h w MESSGESCHWINDIGKEIT 100 km/h

ca. 16 % Schlupf _;_

-

• V

•/ . ^{- •}

• lf"

oy. • • ^• _V

.j V· V

• ,-, _V

oP

[7

V ^•

^{0 ASPHALT BETON}

V V

^{w WBLOCK SCHLUPF = 1, 60}

V

1,00 ca. 16 % Schlupf

• • j

⁰

• •

_01/

I ^{• • •}

V

~- .~ IV

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·jJ. V

Ap L

L V

^{w WB LOCK SCHLUPF = 1' 95}

~

0,90

0,80

0,70

0,60

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0,40

o·,3o

0,20

0,10

0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 w 0 0 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 w

100 % Schlupf = blockiertes Rad

100 % Sch 1 upf = b 1 ock i ertes Rad

Abbildung 12: Beziehung zwischen dem Gleitbeiwert am blockierten Rad und dem maximalen Reibungsbeiwert unter optimalem Schlupf

N 0

und die Hinzunahme der Werte unter optimalem Schlupf auf Sonderfälle, Spezial- untersuchungen, verfeinerte Betrachtungen usw. zu beschränken. Die Begründung liegt darin, dass bei Gefahrenbremsungen zumeist das blockierte Rad massgebend ist. Der optimale Schlupf ist ein zwar theoretisch genau definierter, aber in der Fahrpraxis mit den heute üblichen Bremssystemen nicht stabil erreichbarer Bewegungszustand. Sollte einmal das ¹¹Anti -Bl ock-System¹¹ bei Automobilen generell eingeführt sein, so könnte man das Beurteilungskriterium der Strassengriffigkeit neu überdenken und eventuell dem bei optimalem Schlupf gemessenen Griffigkeits- wert den Vorzug geben. Das auf Abb. 13 (aufgrund der Korrelation von Abb. 12) dargestellte Verhältnis der Griffigkeitswerte gemessen unter Schlupf und gemes- sen am blockierten Rad zeigt quantitativ die Bedeutung des ¹¹0ptima l en¹¹ Schlupfes und insbesondere, dass der Gewinn im Bereich der hohen Geschwindigkeiten liegt.

!, 95 1,85

!,60 1,50

1,00

0

J1 Schlupf Palock

15% 50% 100% Schlupf

Abbildung 13: Verhältnis des Griffigkeitswertes gemessen unter Schlupf zum Gleitbeiwert (blockiertes Rad)

- 22 -

Aufgrund der Korrelation (vgl. Abb. 12) kommt dem Gleitbeiwert am blockierten Rad auch eine Aussagekraft in Bezug auf den Seitenkraftbeiwert zu, der bei Schleuderunfällen massgebend ist. Dies ergibt sich daraus, dass die maximalen Reibungsbeiwerte in Umfangsrichtung und die Seitenkraftbeiwerte, die am schräg- laufenden Rad auftreten, ihrer Natur nach gleichartig sind (beide beruhen auf Schlupf des Reifens, in Umfangsrichtung bzw. in seitlicher Richtung). Im Gefah- renfalle massgebend ist die Resultierende aus Umfangs- und Seitenschlupf. Hat man also gernäss Abb. 12 die Korrelation des Gleitbeiwertes zum maximalen Rei- bungsbeiwert in Umfangsrichtung, so besitzt man damit zugleich einen Hinweis auf die Grössenordnung der maximal möglichen resultierenden Reibung aus gleich- zeitiger Reibungsbeanspruchung in Umfangs- und in Seitenrichtung (Schleudervor- gang).

D. T E X T U R M E S S U N G E N I. BEDEUTUNG UND BISHERIGE ARBEITEN

Die Griffigkeit - immer bezogen auf den nassen Oberflächenzustand - ist eine Aus- wirkung der Textur (der geometrischen Feingestalt) der Strassenoberfläche. Wei- tere Auswirkungen der Textur, ebenfalls von verkehrstechnischer Bedeutung, sind die Dispersion des reflektierten Lichtes und die Beeinflussung der Oberflächen- entwässerung und somit der sich bei Regen bildenden Wasserfilmdicke.

Man unterscheidet zwischen der Makrotextur (Grobrauheit) und der Mikrotextur (Feinrauheit), wobei die Grenze zwischen beiden etwa in der Grössenordnung von 0,1 bis 0,2 mm gesehen wird [13].Dies sollte aber nicht den Eindruck erwecken, dass man Makro- und Mikrotextur hinsichtlich ihrer Wirkung streng getrennt von- einander betrachten könnte; in Wirklichkeit sind doch immer beide in komplexer Weise am Zustandekommen der Reibungskraft beteiligt. Im unteren Geschwindigkeits- bereich (bis etwa 40 km/h) ist Makrotextur praktisch nicht erforderlich. Eine gute Mikrotextur (flächenhafte Schärfe) allein reicht aus, um bei Nässe ausrei- chend grosse Reibungskräfte zu erzielen. Bei höheren Geschwindigkeiten (ab 60 km/h) sind jedoch für das möglichst schnelle Ausquetschen des auf der Strassen- oberfläche vorhandenen Wassers Fluchtwege und Drainageräume erforderlich; es bedarf also einer guten Makrotextur. Auf die Mikrotextur (Schärfe) kann jedoch nicht verzichtet werden. Die durch die Schärfe der Oberflächen der einzelnen Gesteinskörner hervorgerufenen hohen Drücke sind erforderlich, um den letzten dünnen Wasserfilm zu durchbrechen. Kommt der Pneu dagegen nur mit polierten,

glasigen Kuppen von Gesteinskörnern in Berührung, wird der letzte dünne Wasser- film nicht durchbrachen, und die Reibung ist trotz guter Makrotextur niedrig.

Man ist deshalb schon seit langem bestrebt, die Textur einer Strassenoberfläche - losgelöst von den Auswirkungen, bei denen dann ja immer eine Vielzahl weiterer Einflüsse mitspielen - als ein geometrisches Problem zu betrachten. Dabei wird versucht, aus der geometrischen Feingestalt Kenngrössen abzuleiten, "die zu dem gewünschten Gebrauchsverhalten (Griffigkeit, Lichtdispersion, optimaler Ablauf des Regenwassers) in einer möglichst engen Beziehung stehen'' [14]. Ein zweiter wichtiger Beweggrund für Texturmessungen rührt daher, dass als Ergänzung zum SRT-Pendel ein einfacher Versuch erwünscht wäre, der einen Schluss von dem Pen- delmessergebnis auf die bei höheren Geschwindigkeiten (>60 km/h) zu erwartende Griffigkeit eines Belages zulässt.

1. Ausländische Untersuchungen

An Bemühungen und Versuchen dieser Art hat es bisher nicht gefehlt. In der Dis- sertation von K.-H. SCHULZE [15] sowie in [16] wird ein ausführlicher Ueberblick über die wichtigsten Methoden zur Messung und Kennzeichnung der Textur gegeben.

Es seien nur einige Methoden hier kurz angedeutet:

- Der S a n d f 1 e c k ist zweifellos die einfachste Methode zur Bestimmung ei- ner "mittleren Texturtiefe" und ist wohl aus diesem Grunde auch sehr weit ver- breitet [17 bis19].

- Herstellen von A b d r ü c k e n und P r o f i 1 s c h n i t t e n : Es seien hier insbesondere die Arbeiten von V. WEINGRABER genannt, der einer- seits zur Herstellung von Abgüssen eine Mischung von Schwefelblüte und Graphit vorschlug [20], zudem aber auch Profilaufnahmen mittels Nadelkamm durchführte [ 21].

Herstellung von T r a g f 1 ä c h e n b 1 d e r zur Bestimmung des Tragan te i ¹ s [ 21 bis 2 3 J •

- In der Dissertation von P. KRAEMER [24] werden aus Profiischnitten entnommene m i t t 1 er e Rau h t i e f e n in Funktion der Bezugslänge (1 ,2,5,10cm) aufgetragen.

- P h o t o g r a m m e t r i s c h e Aufnahmen:

In [25] berichtet K.-H. SCHULZE über die Bestimmung mittlerer Oeffnungsweiten der Drainageräume von Strassenoberflächen mit Hilfe von Stereophotos. Es ergibt

- 24 -

sich ein verhältnismässig guter Zusammenhang zwischen dieser mittleren Oeff- nungsweite und der Neigung der Gleitbeiwertkurve im Bereich von 20 km/h bis 60 km/h.

- B. E. SABEY benutzt ebenfalls Stereophotos, um Höhenschichtlinien zu bestim- men (kleinster noch auswertbarer Höhenunterschied ^!\ s ⁼ 0,25 mm). Die Textur wird durch das P r o f i 1 v e r h ä 1 t n i s als Verhältnis der Gesamt- länge des Profils zur Länge der Grundlinie des Ausschnittes charakterisiert In [26] wird gezeigt, dass das ¹¹Profilverhältnis¹¹ besser als die ¹¹mittlere Texturtiefeil (aus dem Sandfleck) geeignet ist, die Neigung der Gleitbeiwert- kurve im Bereich von 50 km/h bis 130 km/h vorherzusagen.

- In [15] wird ein von K.-H. SCHULZE konzipiertes Oberflächentastgerät (Labor- gerät) ausführlich behandelt, das sich dadurch auszeichnet, dass der enorme Grössenbereich der Textur (mehrere Millimeter bis zu etwa VlOO mm) in zwei Bereiche aufgeteilt wird. Das ¹¹Grobprofil¹¹ wird von einem Taster (Ausrundungs- halbmesser etwa 1,5 mm) geometrisch aufgenommen, wogegen die Mikrotextur indi- rekt in ihrer Wirkung als ¹¹Kriechreibungsspur¹¹ (Messung der Reibungskraft unter Annässung der Oberfläche mit einer höherviskosen Flüssigkeit als Wasser) aufgenommen wird. Aus Grobprofil und Kriechreibungsspur wird der ¹¹0berflächen- index K bzw. K* ¹¹ als eine Kenngrösse für die Rauheit von Strassenoberflächen definiert. Es wurde nachgewiesen, dass der Oberflächenindex K bzw. K* in deut- lichem Zusammenhang mit dem Gleitbeiwert gemessen bei 80 km/h steht. Diese Methode zeigt, dass es auf eine möglichst präzise Aufnahme der geometrischen Gestalt der Textur in der Verzahnungstiefe des Reifens mit der Strassenober- fläche, also der obersten 0,3 mm ankommt, und dass grundsätzlich die Möglich- keit besteht, aussagekräftige Kennwerte zu definieren, die mit guter sta- tischer Sicherheit auf Gleitbeiwerte bei hohen Geschwindigkeiten schliessen lassen.

- Eine weitere Methode, die jedoch bereits von der Messung der Geometrie der Makrotextur absieht und nur deren Wirkung erfasst, ist die von D. F. MOORE

[27] vorgeschlagene Ausflussmessung. Diese Methode zielt darauf ab, die Lei- stungsfähigkeit des Drainagesystems in der Kontaktfläche zwischen Reifen und Fahrbahn zu messen. Der entscheidende Parameter der Oberflächenrauheit ist der m t t 1 e r e h y d r a u 1 i s c h e R a d i u s der an der Ober- fläche dargebotenen Kanäle. Dieser wird definiert als das Verhältnis zwischen durchflossener Fläche und dem benetzten Umfang und wird nach folgender Glei- chung berechnet:

~ ,,____,

_

^_,_

MH RE = M V t ~ N 1/2

MHRE

=

experimentell bestimmter mittlerer hyraulischer Radius w ⁼ absolute Viskosität des Wassers

t = Zeit, die der Wasserspiegel benötigt um einen bestimmten Betrag abzusinken N

=

Anzahl der Rauheitselemente je Einheitslänge der Oberflächenrauheit

(Flächendichte)

M = Instrumentenkonstante

- Die Idee der Ausflussmessung wurde in den letzten Jahren in Deutschland aufge- griffen [13] und ein Ausflussmesser mit geänderten Abmessungen (Abb. 14) als Ergänzung zum SRT-Pendel vorgesehen.

Abbildung 14:

Ausflussmesser