Wissenschaft & Forschung
Licht 8 | 2021

Licht- und oberflächentechnische Gestaltung von Tunnelanlagen

Teil 2: Oberflächengestaltung und Verschmutzung von Tunnelanlagen

Bartenbach hat zusammen mit der ASFINAG wahrnehmungspsychologische Untersuchungen zu unterschiedlichen Tunnelgestaltungen in Modellen und an realen Tunnelanlagen durchgeführt. In der Studie »Licht- und Oberflächentechnische Gestaltung von Tunnelanlagen« wurde aus wahrnehmungspsychologischer, lichttechnischer und wirtschaftlicher Sicht untersucht, welche Verbesserungsmöglichkeiten bei den Tunnel-Oberflächen möglich sind, insbesondere im Hinblick auf die Verschmutzung. Im ersten Teil dieses Artikels (Ausgabe LICHT 6 | 2021) wurde der allgemeine Stand erläutert. In diesem Teil soll nun näher auf die aktuell durchgeführte Studie eingegangen werden.

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1. Ist-Analyse von 5 Tunnelanlagen

Im Auftrag der ASFINAG wurden fünf verschiedene Tunnelanlagen ausgewählt (Tabelle 1), die ein hohes Verkehrsaufkommen (PKW und vor allem LKW) aufweisen, über eine LED-Beleuchtung verfügen und die mindestens 750 m lang sind. In diesen fünf Tunnelanlagen wurden anschließend über einen Zeitraum von zwei Jahren jeweils vor und nach den halbjährlichen Tunnelwaschungen (jeweils im Frühjahr und Herbst) lichttechnische Messungen und Auswertungen durchgeführt, um gesicherte Daten zur Auswirkung der Verschmutzung zu bekommen (siehe beispielhaft eine Tunnelanlage in Abb. 1). Um verschiedene Wandbeschichtungen vergleichen zu können, wurden in jedem Tunnel im Einfahrts-, Mittel- und Ausfahrtsbereich jeweils identische Musterplatten eingebaut. Diese Musterplatten wurden mit vier verschiedenen Beschichtungsmaterialien versehen (siehe Abschnitt 4 zur Verschmutzung) und anschließend auf ihren Verschmutzungsgrad hin untersucht.

Abb. 1: Beispielabbildung für eine der fünf Tunnel-Anlagen Bartenbach

Tunnel

Länge

Ausführung

Lieferant

Materialbezeichnung

Beschichtung

Reflexionsgrad ρ

RAL-Ton

Tunnel PF

6.750 m

2011

Firma B

Produkt B2

Wasserdispergiertes Epoxidharz

0,70

1015

Tunnel L

2.350 m

2018 / 2019

Firma A

Produkt A2

Epoxidharz

0,60

1015

Tunnel Q

750 m

2018

Firma A

Produkt A1

Polyasparticharz

0,73

1015

Tunnel PE

2.950 m

2017 / 2018

Firma B

Produkt B1

Rein-Epoxidharz

0,50

1015

Tunnel PL

10.000 m

2017 / 2018

Firma B

Produkt B2

Polyurethan – Lack

0,69

1015

2. Photometrische Vermessung

Im Anschluss an eine gründliche Reinigung seitens der ASFINAG (Abb. 3) wurden die fünf Tunnelanlagen photometrisch dokumentiert. Dazu wurden Beleuchtungsstärke- und Leuchtdichte-verteilungen gemessen (Abb. 2), und die Lichtstärken und Spektren der Leuchten erfasst. Die Leuchtdichtemessungen ergaben in allen Anlagen einen durchschnittlichen Leuchtdichtewert auf der Fahrbahn von ca. 6 cd/m², was den Vorgaben lt. RVS [1] und auch dem Stand der Wissenschaft (siehe Teil 1 des Artikels) entspricht.

Die folgenden gerundeten Eckdaten (Größenordnungen) gelten mehr oder weniger für alle in Tabelle 1 genannten fünf Tunnelanlagen:

  • Decke: 25 lx und 1 cd/m²
  • Wände: 50 lx und 10 cd/m²
  • Straße: 100 lx und 6 cd/m²
Abb. 2: Tunnel PF Falschfarbenbild der Leuchtdichten (Decke / Wände / Straße = 1 / 10 / 6 cd/m²) Bartenbach
Abb. 3: Foto Tunnel PF Bartenbach

Das gemessene Lichtspektrum je Tunnelanlage ist in Abb. 4 zu sehen. In drei von fünf Tunnelanlagen wurde eine Farbtemperatur von annähernd 5.100 K gemessen, im Tunnel Q lag diese bei ca. 4.600 K und im Tunnel PL bei ca. 3.900 K. Der allgemeine Farbwiedergabeindex Ra schwankte zwischen 70 und 80.

Abb. 4: Spektrum der LED-Tunnelleuchten Bartenbach

3. Analyse Tunnelbeschichtungen

Zusätzlich zu der Analyse der bestehenden Tunnelbeleuchtungen und Wandoberflächen wurden die vier derzeit gebräuchlichsten Wandbeschichtungen mit Hilfe von Musterplatten untersucht:

Hersteller

Bezeichnung

Beschichtung

Schichtdicke

Oberflächenbeschaffenheit

Glanzgrad

Diffuser Reflexionsgrad

Firma A

Produkt A1

Polyaspartic- Harz

0,4 mm

Robuste Oberfläche (gespritzt und nachgerollt)

Sehr glänzend

0,72

Firma A

Produkt A2

Epoxidharz

0,3 mm

Oberfläche kreidet und vergilbt (gespritzt und nachgerollt)

Glänzend

0,71

Firma B

Produkt B1

Rein-Epoxidharz

0,3 mm

Oberfläche kreidet und vergilbt (gespritzt und nachgerollt)

Relativ matt

0,72

Firma B

Produkt B2

Polyurethan-Lack

0,15 mm

Robuste Oberfläche (gespritzt und nachgerollt)

Matt

0,66

Die vier verschiedenen Beschichtungen wurden auf die Musterplatten (Abb. 5 und 6) aufgetragen und dann im Labor, sowie vor Ort in den fünf Tunnelanlagen untersucht. Dazu wurden der spektrale Reflexionsgrad, der Glanzgrad und der Remissionsverlauf der Beschichtungen in verschmutzten und gereinigten Zustand gemessen.

Abb. 5: Musterplatte im Tunnel PF Bartenbach
Abb. 6: Musterplatte im Bartenbach-Labor Bartenbach

3.1 Oberflächentopografie (Rauigkeit)

Eine Tunnelbeschichtung besteht aus verschiedenen Bestandteilen (Abb. 7). Man unterscheidet in Bezug auf die Verschmutzung von Oberflächen hydrophile (wasserliebende), hydrophobe (wassermeidende) und superhydrophobe (mit Lotuseffekt) Oberflächen. Damit eine Oberfläche hydrophob ist, muss sie über eine sehr feine Rauheit verfügen (Abb. 8 und 9 unten). Um Schmutzablagerungen möglichst gering zu halten, und die Reinigung zu erleichtern, muss die Rauheit kleiner als die Schmutzpartikel sein.

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Abb. 8: Mikroskopische Ansicht eines Lotusblattes Bartenbach
Abb. 9: Symboldarstellung der Ablagerung von kleinen Schmutzpartikeln Bartenbach

Eine Tunnelbeschichtung besteht aus verschiedenen Bestandteilen (Abb. 7). Man unterscheidet in Bezug auf die Verschmutzung von Oberflächen hydrophile (wasserliebende), hydrophobe (wassermeidende) und superhydrophobe (mit Lotuseffekt) Oberflächen. Damit eine Oberfläche hydrophob ist, muss sie über eine sehr feine Rauheit verfügen (Abb. 8 und 9 unten). Um Schmutzablagerungen möglichst gering zu halten, und die Reinigung zu erleichtern, muss die Rauheit kleiner als die Schmutzpartikel sein. Eine Analyse der Oberflächenrauheit der jeweiligen Materialien mittels Mikroskopie ergab eine Rauigkeit von 2 bis 6 mm. Im Vergleich dazu beträgt die Partikelgröße des Feinstaubs im Tunnel ca. 0,1 bis 1 mm, d. h. die Oberflächenrauigkeit ist noch zu groß, um die Anlagerung dieser Staubpartikel zu unterbinden. Wie die Messungen ergaben, unterscheiden sich die verwendeten Oberflächen bezüglich ihres Verschmutzungsverhaltens nur unwesentlich.

3.2 Glanz

Ein wesentlicher Faktor für die Erkennung von Hindernissen und Fahrzeugen (Sehleistung) und für die Raumwahrnehmung im Tunnel ist der Glanz der Tunneloberflächen. Glanz erschwert generell die Wahrnehmung einer Oberfläche, indem sie von Spiegelungen überlagert wird, und kann Blendungserscheinungen hervorrufen. Die Verwendung möglichst gering spiegelnder Materialien für die Wandbeschichtung ist eine Möglichkeit, um Autofahrern in Tunnelanlagen möglichst wenig Ablenkung und ein hohes Sicherheitsgefühl zu bieten.

Die in Tabelle 2 genannten Materialien wurden im Zuge der Studie deshalb ebenfalls auf ihre Eigenschaften hinsichtlich der Spiegelung untersucht. Hierfür wurden im Labor mit Hilfe einer realen linienförmigen Tunnelleuchte Leuchtdichtebilder erstellt, um praxisnah das Verhältnis der mittleren Leuchtdichte zwischen den Bereichen mit maximalem Glanz (direkte Reflexion im Material) und Bereichen ohne Glanz (außerhalb der Reflexion) zu ermitteln. Die durch die linienförmigen Tunnelleuchten hervorgerufenen Spiegelbilder in den Tunnelwänden bilden sich bei den Musterplatten der vier verschiedenen Beschichtungs-Materialien der Firma A bzw. der Firma B wie in Abb. 10 ab. Das passende Leuchtdichtebild ist in Abb. 11 zu sehen. Deutlich zu erkennen ist, dass Probe 4 die geringste Spiegelung aufweist, am schlechtesten schneidet bei dieser Untersuchung die erste Probe ab, bei der eine deutliche Spiegelung der Leuchte zu sehen ist.

Abb. 10: Reales Spiegelbild einer linienförmigen Tunnel-Leuchte (Messanordnung im Labor) Bartenbach
Abb. 11: Falschfarben Spiegelbild einer linienförmigen Tunnel-Leuchte (Messanordnung im Labor) Bartenbach

3.3 Remission

Alle vier ausgewählten Oberflächenmuster unterscheiden sich nur geringfügig in ihrem Remissionsverlauf (wellenlängenabhängiger Reflexionsgrad, Abb. 11). Das auftreffende Spektrum der Lichtquelle hat sehr wenig Einfluss auf die erzielbaren Reflexionsgrade, da Hellelfenbein (RAL1015) relativ neutral reagiert. Der Reflexionsgrad ist daher praktisch unabhängig von der Farbtemperatur der verwendeten Lichtquelle, eine spektrale Optimierung der Lichtquellen (spektrales Tuning) auf die Oberfläche hin bringt daher keine Vorteile.

Abb. 12: Remissionsverlauf von Produkt A1 Bartenbach

4. Verschmutzung

Wie bereits beschrieben, ist das Reflexionsverhalten der Tunnelbeschichtung ein wichtiger Faktor für die Wahrnehmung des Tunnelraumes und für die Energieeffizienz der Beleuchtung. Diese Beschichtung ist unterschiedlichsten Einflüssen wie zum Beispiel Wasser, Tausalze und Abgase, UV-Strahlung, etc. ausgesetzt, der vorherrschende Einflussfaktor ist dabei die Abgasbelastung. Die vorhandene Menge an Abgasen wird in erster Linie durch die Anzahl und Art der Fahrzeuge bestimmt, welche den Tunnel passieren (hohes oder niedriges Verkehrsaufkommen mit LKW oder PKW). In zweiter Linie sind etwaige Steigungen bzw. Gefälle der Fahrbahn der jeweiligen Tunnelanlage entscheidend (hoher bzw. niedriger Schadstoffausstoß). Während die Verschmutzung durch Reinigung wieder rückgängig gemacht werden kann, ist die einhergehende Alterung langfristig und irreversibel (z. B. Kreidung, Abb. 13 und 14).

Abb. 13: Alter Lack mit Kreidung durch Abrieb (Farbpigmente lösen sich) Bartenbach
Abb. 14: links: neuer Lack (Farbpigmente im Bindemittel); rechts: alter Lack (Farbpigmente teilweise gelöst) Bartenbach

In Abb. 15 ist der Einfluss der Verschmutzung auf den Reflexionsgrad schematisch dargestellt: der ursprüngliche Reflexionsgrad (Neuwert) der Beschichtung nimmt durch Verschmutzung exponentiell ab, und wird durch eine maschinelle Waschung wieder in die Nähe des Neuwertes angehoben. Die Differenz zum Neuwert ergibt sich durch eine Restverschmutzung, die noch nachträglich durch eine händische Reinigung entfernt werden kann. Überlagert wird dieser periodische Verschmutzungs- und Reinigungsvorgang von einer langfristigen Alterung der Beschichtung, hervor-gerufen vor allem durch Vergilbung, Kreidung, Absonderung von Farbpigmenten bei der Reinigung, und Aufrauhung der Oberfläche.

Abb. 15: Zeitliche Veränderung des Reflexionsgrades ρ durch Verschmutzung und Reinigung Bartenbach

Der Reflexionsgrad ρverschmutzt kann demzufolge bestimmt werden über:

ρverschmutzt= ρgereinigt ⋅ vm Gl. (1)

ρverschmutzt Reflexionsgrad der Tunnelwandbeschichtung im verschmutzten Zustand

ρgereinigt Reflexionsgrad nach maschineller Waschung

ρneu Reflexionsgrad im vollkommen neuen Zustand

vm Verschmutzungsfaktor pro Monat (gemessen 0,89-0,94)

m Anzahl Monate seit letzter maschineller Waschung

vm Verschmutzungsfaktor nach m Monaten

vRestverschmutzung Faktor für restliche Verschmutzung nach maschineller Waschung, die noch händisch entfernt werden kann (gemessen 0,42 – 0,95)

vAlterung Alterungsfaktor je Monat (Faktor 1, weil Messzeitraum zu kurz)

Mit diesen Größen lässt sich der Reflexionsgrad in Abhängigkeit von der Betriebszeit seit der letzten Waschung, der Restverschmutzung und der Alterung rechnerisch bestimmen. In den fünf ausgewählten Tunnelanlagen wurden in halbjährlichen Abständen (Herbst 2019 bis Frühjahr 2021) jeweils vor und nach der maschinellen Waschung in der Nacht lichttechnische Referenzwerte gemessen, um den Einfluss der Verschmutzung auf die Oberflächen und auf die Leuchten zu quantifizieren.

Abb. 16: Anstriche der Tunnel-Wände nach maschineller Waschung (kleine Flächen zusätzlich manuell mit Lappen geputzt) – v.l.n.r Tunnel L, Tunnel PE, Tunnel PF, Tunnel PL, Tunnel Q Bartenbach

Durch diese maschinellen Waschungen ist eine deutliche Verbesserung der Reflexionsgrade und der Leuchtdichten zu erkennen, allerdings wurden nur zwischen 42 und 95 % des ursprünglichen Reflexionsgrades der Tunnelwände und der Musterplatten wieder erreicht. Mittels einer zusätzlichen, händischen Reinigung konnte der ursprüngliche Zustand der Tunnelwände wieder hergestellt werden (Abb. 16). Ein irreversible Alterungsprozess, der erwartungsgemäß nur über längere Zeiträume messtechnisch erfassbar ist und stark vom Aufbau der Beschichtung und den Umweltbedingungen abhängt, konnte nicht festgestellt werden. Je nach Wasch- und Oberflächenqualität ergaben die Messungen in den verschiedenen Tunnel stark abweichende Werte. Die Messergebnisse zeigen, dass

  • die Verschmutzung der vier Oberflächenmuster (Musterplatten) gleich stark erfolgte wie die der Tunnelwand,
  • bei den Musterplatten nur geringe Unterschiede zwischen den verschiedenen Oberflächentypen auftraten,
  • beim Verschmutzungsgrad kein systematischer Zusammenhang mit dem Ort der Anbringung im Tunnel (Einfahrts-, Mittel- und Ausfahrtsbereich) gefunden werden konnte,
  • die monatlichen Reflexionsgradverluste durch Verschmutzung Werte zwischen 6 und 11 % annehmen, d. h. die monatlichen Verschmutzungsfaktoren zwischen 0,89 und 0,94 liegen,
  • die verbleibende Restverschmutzung sehr stark von der Qualität der maschinellen Waschung abhängt, die gemessenen Faktoren schwanken zwischen 0,42 und 0,95, und
  • aufgrund des kurzen Messzeitraums (zwei Jahre) kein Alterungsprozess messbar ist.

Zusammen mit den Oberflächenmessungen wurden auch die Lichtstärken der Leuchten vor und nach den maschinellen Waschungen gemessen, die bei den Leuchten nur in Jahresabständen erfolgte. Die gemessenen Verminderungsfaktoren bezogen auf diesen Jahresabstand schwankten sehr stark zwischen den Werten 0,67-0,91 (entspricht 0,8 bis 3 % Abminderung pro Monat bzw. 5 bis 17 % pro Halbjahr), es lassen sich aber keine systematischen Zusammenhänge mit Jahreszeiten, Anbringungsorten, etc. daraus ableiten. In Tabelle 3 sind die Auswirkungen der Verschmutzung von Tunnelleuchten und Wänden über einen Messzeitraum von zwei Jahren noch einmal zusammengefasst. Über den gesamten Zeitraum gemessen beträgt die durch Verschmutzung verursachte halbjährliche Abnahme der Lichtstärke im Mittel ca. 11 %, die halbjährliche Abnahme des Reflexionsgrades der Tunnelwände im Mittel ca. 35 %.

Tunnelleuchten

Tunnelwände

Verschmutzung

Abnahme der Lichtstärke

Abnahme des Reflexionsgrads

Ca. 11 % halbjährlich

Ca. 35 % halbjährlich

Tunnelbeleuchtung

Verstärkte Tunnelbeleuchtung zur Kompensation der Verluste infolge der Verschmutzung

0,11

0,35

Tunnelreinigung

Leuchtenreinigung

Wandreinigung

5. Zusammenfassung

Eine helle Tunnelwand ist für die Wahrnehmung des Tunnelraumes sehr wichtig, und kann durch Randmarkierungen nicht ersetzt werden. Mit zunehmender Helligkeit der Tunneloberflächen erfolgt die Orientierung im Zuge einer gesamthaften Raumwahrnehmungund nicht mehrhauptsächlich über Bodenmarkierungen und Bordsteinreflektoren,die nur eineFührungshilfe bei fehlender Raumorientierung sein können. Sie erhöht nachweislich das Sicherheitsgefühl und vermindert den Stress, den 1/3 der Männer und 2/3 der Frauen bei einer Tunneldurchfahrt erfahren [3]. Zusätzlich wird dadurch die Sichtbarkeit von Gefahrensituationen erhöht. Die Tunneloberflächen sollten dabei möglichst glanzfrei sein (ohne Spiegelungen), um eine stabile Wahrnehmung der Oberflächen zu gewährleisten. Die Untersuchungen zeigen, dass der Reflexionsgrad der Tunnelwände stark mit zunehmender Verschmutzung abnimmt: Zusammen mit der Leuchtenverschmutzung verringert sich die Helligkeit der Tunnelwand um fast 50 % in einem halben Jahr. Nach der maschinellen Waschung kann noch eine erhebliche Restverschmutzung verbleiben. Ein halbjährlicher Waschzyklus erscheint daher sinnvoll, wobei besonders auf die Qualität der Reinigung zu achten ist.

Die verfügbaren Oberflächenbeschichtungen weisen bereits ausreichend hohe Reflexionsgrade auf, und sind sehr beständig in Bezug auf Verschmutzung und Reinigung. Probe 4 hat den geringsten Glanzgrad und kreidet am wenigsten. Potenzielle zukünftige Verbesserungen bei den Beschichtungen liegen im Verschmutzungsgrad (geringere Rauheit), in der Reinigungsfähigkeit und im Glanzgrad (weniger Glanz).

6. Anerkennung

Diese Studie wurde im Auftrag und in Zusammenarbeit mit dem österreichischen Bundesministerium für Klimaschutz, Umwelt, Energie, Mobilität, Innovation und Technologie (BMK) und der österreichischen Autobahnen- und Schnellstraßen-Finanzierungs-Aktiengesellschaft (ASFINAG) durchgeführt.

7. Literaturverzeichnis

[1] Österreichische Forschungsgesellschaft Straße – Schiene – Verkehr. RVS 09.02.41: Tunnel, Tunnelausrüstung, Lichttechnik, Tunnelbeleuchtung. Wien: Bundesministerium für Klimaschutz, Umwelt, Energie, Mobilität, Innovation und Technologie, 2020.

[2] ÖBV-Merkblatt »Tunnelbeschichtungen«

[3] Zitat wird noch nachträglich eingefügt!

Weitere Informationen:

Autoren: Wilfried Pohl, Isabel Arnst, Bartenbach research & development, Aldrans (A)

Abbildungen: Bartenbach GmbH, www.bartenbach.com

Dieser Artikel ist erschienen in

Licht 8 | 2021

Erschienen am 26. Oktober 2021