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Numerische Bestimmung der akustischen Eigenschaften offenporiger Fahrbahnbeläge auf Basis ihrer rekonstruierten Geometrie
Die Anforderungen an moderne Ingenieurbauwerke sind vielfältig und unterliegen einem stetigen Wandel. Während noch vor 40 Jahren der Umweltschutz und die Umweltwirkung von Bauwerken lediglich eine untergeordnete Rolle gespielt haben, sind diese Anforderungen bis heute deutlich gestiegen. Im Straßenbau sind die Anforderungen des Umweltschutzes heute sogar häufig das entscheidende Kriterium bei der Entscheidung über den Bau einer Straße. Die Umweltwirkung mit dem stärksten Einfluss auf Anwohner in der Umgebung von Straßen ist der Lärm aus Straßenverkehr. Deshalb sollte die Anforderungen an den Lärmschutz idealerweise schon sehr früh in die Planung neuer Straßen oder besser schon in die Entwicklung neuer Baumaterialien einfließen. Da die Vermeidung des Straßenverkehrslärms an der Quelle die effektivste Maßnahme darstellt, zählt offenporiger Asphalt seit Jahren zu den wichtigsten bautechnischen Lärmschutzmaßnahmen. Die Erfahrungen mit offenporigem Asphalt zeigen aber auch, dass das ausgezeichnete Schallabsorptionsvermögen offenporiger Asphalte im Neuzustand über die Jahre deutlich vermindert wird. Hauptursache ist die Verschmutzung der hohlraumreichen Struktur. Die Weiterentwicklung offenporiger Asphalte ist deshalb von großer Bedeutung. Varianten klassischer offenporiger Asphalte oder auch grundlegend neue Ideen zu schallaborbierenden Asphalten werden bis heute in aufwändigen Großversuchen über lange Zeiträume untersucht. Eine Ergänzung zu klassischen Labor- oder in-situ-Versuchen ist die Computersimulation. Die vorliegende Arbeit zeigt auf, wie die akustischen Eigenschaften offenporiger Fahrbahnbeläge mit einem Akustik-Modell erfasst werden und wie auf Basis ihrer rekonstruierten Geometrie die dafür notwendigen Modellparameter vollständig numerisch bestimmt werden können. Damit wird die Grundlage für eine computergestützte Entwicklung von offenporigen Asphalten gelegt. Das akustische Verhalten poröser Materialien kann über die Theorie der homogenisierten porösen Absorber beschrieben werden. Während bei der freien Schallausbreitung in Gasen die Dämpfungseffekte aus Reibung und Wärmeleitung vernachlässigt werden können, ist die Schallausbreitung in porösen Medien sehr stark von Reibungs- und Wärmeleitungseffekten geprägt. Will man sich verändernde oder gar neue Strukturen untersuchen, so muss die Physik der Schallausbreitung möglichst genau formuliert werden. Deshalb kommen nur Modellansätze in Betracht, die grundsätzlich ohne Anpassungsfaktoren auskommen. Da die Anpassungsfaktoren in Akustikmodellen zu einem großen Teil aus den variierenden Porendurchmessern resultieren, greift diese Arbeit für die Beschreibung des akustischen Verhaltens von offenporigem Asphalt auf einen Ansatz zurück, der die Größenverteilung der Poren berücksichtigt und so auf Anpassungfaktoren verzichtet. Die notwendigen Modellparameter werden auf Basis der rekonstruierten Geometrie bestimmt. Ausgangspunkt der Geometrierekonstruktion sind Rohdaten einer Röntgen-Computertomographie. Hierzu wird ein Verfahren vorgestellt, das die klassischen Punkte der Bildverarbeitung umfasst (Bildverbesserung, Segmentierung, Klassifizierung und Rekonstruktion) und speziell auf offenporigen Asphalt adaptiert ist. Eine Besonderheit bei der Rekonstruktion von offenporigem Asphalt ist, dass in der Regel die Zusammensetzung des Asphalts bekannt ist. Dies wird in dem in dieser Arbeit beschriebenen Verfahren zur Schwellwertsuche mit a-priori-Informationen berücksichtigt. In dieser Arbeit wird gezeigt, wie das klassische Vorgehen zur Bestimmung der akustischen Parameter über in-situ- oder Labor-Messungen vollständig durch eine numerische Bestimmung der Modellparameter ersetzt werden kann. Die fünf Modellparameter akustisch wirksame Schichtdicke, akustisch wirksame Porosität, Porengrößenverteilung, Strömungswiderstand und die Tortuosität werden alleine auf Basis der rekonstruierten Geometrie bestimmt. Hierfür kommen verschiedene numerischen Methoden vor allem aus der Bildverarbeitung und aus der Strömungssimulation zum Einsatz. Die wesentlichen Neuerungen aus dieser Arbeit sind, dass durch das verwendete Akustik-Modell keine Anpassungsfaktoren für die Besonderheiten von offenporigen Fahrbahnbelägen mehr notwendig sind und dass sämtliche Parameter aus der rekonstruierten Geometrie numerisch bestimmt werden können. Damit eröffnet sich neues Potential bei der Beurteilung und Entwicklung neuer offenporiger Asphalte.
Numerische Bestimmung der akustischen Eigenschaften offenporiger Fahrbahnbeläge auf Basis ihrer rekonstruierten Geometrie
Die Anforderungen an moderne Ingenieurbauwerke sind vielfältig und unterliegen einem stetigen Wandel. Während noch vor 40 Jahren der Umweltschutz und die Umweltwirkung von Bauwerken lediglich eine untergeordnete Rolle gespielt haben, sind diese Anforderungen bis heute deutlich gestiegen. Im Straßenbau sind die Anforderungen des Umweltschutzes heute sogar häufig das entscheidende Kriterium bei der Entscheidung über den Bau einer Straße. Die Umweltwirkung mit dem stärksten Einfluss auf Anwohner in der Umgebung von Straßen ist der Lärm aus Straßenverkehr. Deshalb sollte die Anforderungen an den Lärmschutz idealerweise schon sehr früh in die Planung neuer Straßen oder besser schon in die Entwicklung neuer Baumaterialien einfließen. Da die Vermeidung des Straßenverkehrslärms an der Quelle die effektivste Maßnahme darstellt, zählt offenporiger Asphalt seit Jahren zu den wichtigsten bautechnischen Lärmschutzmaßnahmen. Die Erfahrungen mit offenporigem Asphalt zeigen aber auch, dass das ausgezeichnete Schallabsorptionsvermögen offenporiger Asphalte im Neuzustand über die Jahre deutlich vermindert wird. Hauptursache ist die Verschmutzung der hohlraumreichen Struktur. Die Weiterentwicklung offenporiger Asphalte ist deshalb von großer Bedeutung. Varianten klassischer offenporiger Asphalte oder auch grundlegend neue Ideen zu schallaborbierenden Asphalten werden bis heute in aufwändigen Großversuchen über lange Zeiträume untersucht. Eine Ergänzung zu klassischen Labor- oder in-situ-Versuchen ist die Computersimulation. Die vorliegende Arbeit zeigt auf, wie die akustischen Eigenschaften offenporiger Fahrbahnbeläge mit einem Akustik-Modell erfasst werden und wie auf Basis ihrer rekonstruierten Geometrie die dafür notwendigen Modellparameter vollständig numerisch bestimmt werden können. Damit wird die Grundlage für eine computergestützte Entwicklung von offenporigen Asphalten gelegt. Das akustische Verhalten poröser Materialien kann über die Theorie der homogenisierten porösen Absorber beschrieben werden. Während bei der freien Schallausbreitung in Gasen die Dämpfungseffekte aus Reibung und Wärmeleitung vernachlässigt werden können, ist die Schallausbreitung in porösen Medien sehr stark von Reibungs- und Wärmeleitungseffekten geprägt. Will man sich verändernde oder gar neue Strukturen untersuchen, so muss die Physik der Schallausbreitung möglichst genau formuliert werden. Deshalb kommen nur Modellansätze in Betracht, die grundsätzlich ohne Anpassungsfaktoren auskommen. Da die Anpassungsfaktoren in Akustikmodellen zu einem großen Teil aus den variierenden Porendurchmessern resultieren, greift diese Arbeit für die Beschreibung des akustischen Verhaltens von offenporigem Asphalt auf einen Ansatz zurück, der die Größenverteilung der Poren berücksichtigt und so auf Anpassungfaktoren verzichtet. Die notwendigen Modellparameter werden auf Basis der rekonstruierten Geometrie bestimmt. Ausgangspunkt der Geometrierekonstruktion sind Rohdaten einer Röntgen-Computertomographie. Hierzu wird ein Verfahren vorgestellt, das die klassischen Punkte der Bildverarbeitung umfasst (Bildverbesserung, Segmentierung, Klassifizierung und Rekonstruktion) und speziell auf offenporigen Asphalt adaptiert ist. Eine Besonderheit bei der Rekonstruktion von offenporigem Asphalt ist, dass in der Regel die Zusammensetzung des Asphalts bekannt ist. Dies wird in dem in dieser Arbeit beschriebenen Verfahren zur Schwellwertsuche mit a-priori-Informationen berücksichtigt. In dieser Arbeit wird gezeigt, wie das klassische Vorgehen zur Bestimmung der akustischen Parameter über in-situ- oder Labor-Messungen vollständig durch eine numerische Bestimmung der Modellparameter ersetzt werden kann. Die fünf Modellparameter akustisch wirksame Schichtdicke, akustisch wirksame Porosität, Porengrößenverteilung, Strömungswiderstand und die Tortuosität werden alleine auf Basis der rekonstruierten Geometrie bestimmt. Hierfür kommen verschiedene numerischen Methoden vor allem aus der Bildverarbeitung und aus der Strömungssimulation zum Einsatz. Die wesentlichen Neuerungen aus dieser Arbeit sind, dass durch das verwendete Akustik-Modell keine Anpassungsfaktoren für die Besonderheiten von offenporigen Fahrbahnbelägen mehr notwendig sind und dass sämtliche Parameter aus der rekonstruierten Geometrie numerisch bestimmt werden können. Damit eröffnet sich neues Potential bei der Beurteilung und Entwicklung neuer offenporiger Asphalte.
Numerische Bestimmung der akustischen Eigenschaften offenporiger Fahrbahnbeläge auf Basis ihrer rekonstruierten Geometrie
Numerical determination of the acoustic properties of porous road surfaces based on their reconstructed geometry
Arbter, Bruno (author) / Universität Stuttgart (host institution)
2014
Miscellaneous
Electronic Resource
German
DDC:
624
Charakterisierung der akustischen Eigenschaften offenporiger Straßenbeläge
UB Braunschweig | 2006
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TIBKAT | 2006
|Zur Vorhersage der akustischen Eigenschaften offenporiger Asphalte
British Library Conference Proceedings | 2006
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