Shirin Kriklava - Stiftung Altes Neuland Frankfurt GNU

Die Auswirkungen der Frankfurter Brücken auf das Stadtklima

Ersten Modellierungen zufolge weisen die Frankfurter Brücken eine positive Bilanz für das Stadtklima auf: Durch den Schattenwurf des Brückenkorpus wird die gefühlte Temperatur im darunter liegenden Straßenraum spürbar abgesenkt, sodass es dort an heißen Sommertagen angenehm kühl ist. Auch auf dem Brückenkorpus spenden die Brückengebäude und mittelhohe Bepflanzung angenehmen Schatten. Gleichzeitig stellen die Frankfurter Brücken aufgrund ihres Säulencharakters ein nur geringfügiges Strömungshindernis dar, womit die Durchlüftung des Straßenraums gewahrt bleibt. Ferner ist davon auszugehen, dass die Brücken keine signifikante Verschärfung der Immissionsbelastung hervorrufen: Hierbei kommt der prognostizierte Rückgang von verkehrsbedingten Luftschadstoffen bis zur Fertigstellung des Projektes den Frankfurter Brücken zupass. Denn die Zahl der E-Autos und Wasserstoff-Lastwagen dürfte in den nächsten Jahrzehnten signifikant zunehmen und die schadstoff-emittierenden Verbrennungsmotoren verdrängen.

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Kapitelinhalt: Die thermischen und dynamischen Auswirkungen der Frankfurter Brücken wurden beispielhaft an einem Untersuchungsgebiet in der Innenstadt mithilfe von Computersimulationen analysiert

Als Untersuchungsgebiet wurde der Abschnitt der Mainzer Landstraße, ausgehend vom Platz der Republik gewählt, da dieser als potentielle „Worst-Case-Passage“ der Frankfurter Brücken identifiziert wurde.

Analysiert wurde die Einflussnahme der Frankfurter Brücken auf die thermischen Verhältnisse an einem heißen Sommertag, indem die Temperatur und das lokale Strömungsverhalten für den IST- und den PLAN-Zustand des Straßenabschnitts simuliert und beide Fälle miteinander verglichen wurden. Ferner wurden die winddynamischen Effekte der Frankfurter Brücken unter den meteorologischen Voraussetzungen eines windigen und bewölkten Tages untersucht. Dabei wurden mehrere Anströmrichtungen berücksichtigt.

Die Auswirkungen der Frankfurter Brücken auf eventuelle Schadstoffakkumulation unter dem Brückenbauwerk wurden ganz bewusst nicht analysiert, da bis zur Vollendung des Brückenbaus durch die erwartbar rapide Zunahme von emissionsfreien E-Autos und Wasserstoff-LKWs ohnehin von einer signifikanten Verminderung der Schadstoffbelastung im Straßenraum auszugehen ist.

Wegen ihrer Gesamtoberfläche von lediglich zwei Quadratkilometern werden die Frankfurter Brücken ausschließlich auf mikroskaliger Ebene für das Klima der 250 Quadratkilometer großen Stadt Frankfurt relevant

Da die Frankfurter Brücken nur wie ein feines Netz die Stadt durchziehen, haben sie großräumig keinen Einfluss auf das Stadtklima.

In bestimmten Straßenabschnitten hingegen ist ihre Auswirkung auf die Umgebung jedoch durch Simulationen prognostizierbar.

Wie bei jedem Bauwerk sind thermisch vor allem der Schattenwurf und außerdem die Beeinflussung von Luftströmungen relevant.

Im Hinblick auf die Schadstoff-Belastung schränken die Brücken wie jedes Bauwerk zwar den großräumigen Luftaustausch ein; da sie jedoch eine zweite Verkehrsebene anbieten, die die Straßen unter ihnen entlastet, ist auch dies bei der endgültigen Bewertung zu berücksichtigen.

Stiftung Altes Neuland Frankfurt GNU / Stadt Frankfurt am Main

Der lokalklimatische Effekt der Brücken ist allerdings durchaus spürbar, wie ein Blick auf die Flächenangaben zeigt

Fläche Stadt Frankfurt: 250 km²

• davon voll versiegelte Verkehrsflächen: 52 km² und

• Vegetationsflächen: 98 km²

Vegetationsflächen im Brückenkontext: : ̴ 1,5 km²

• auf den Brücken entstehende Grünfläche: 1 km²

• zusätzlich Aufwertung von 0,2 km² direkt neben den Brücke

• zusätzlich entsiegelte Grünfläche: 0,04 km² im Stadtgebiet FFM

• zusätzlich vitalisierte Grünflächen und Parkanlagen im Stadtgebiet durch Brücken-Bewässerung: 0,2 km²

• zusätzlich im Innenstadt-Gebiet gepflanzte Bäume: 1.000 Stück

Entsprechend bewirken die Frankfurter Brücken für das Stadtklima indirekt lokal viel Gutes: durch Reduktion des Straßenverkehrs, Bewässerung von Grünflächen und Bäumen im gesamten Innenstadtgebiet und als Alternative zur üblichen Versiegelung von Freiflächen infolge des steigenden Wohnraumbedarfs

Um die neuralgischen Punkte zu identifizieren, an denen die Brücken in Frankfurt vorbeiführen, wurden der Klimaplanatlas Frankfurt sowie der Luftreinhalteplan Rhein-Main zugrunde gelegt

Lucas Lindau - Stiftung Altes Neuland Frankfurt GNU

Die thermische Situation einer Stadt wird üblicherweise in sogenannten „Klimafunktionskarten“ dargestellt. Für Frankfurt findet sich eine solche Karte im „Klimaplanatlas Frankfurt“, den die Stadt 2016 hat erstellen lassen.

Die Immissionsbelastung der Luft durch Stickoxide und Feinstaub lässt sich für deutsche Städteregionen im sogenannten „Luftreinhalteplan“ feststellen. Frankfurts Situation ist im Luftreinhalteplan Rhein-Main 2020 aktuell festgehalten.

Entlang des Brückenverlaufs kann diesen Karten entnommen werden, welche Straßenabschnitte möglicherweise zu einer Verschärfung der Belastungssituation tendieren und daher im Fokus von Simulationen stehen sollten, die den Einfluss der Brücken auf das Stadtklima aufzeigen bzw. prognostizieren; umgekehrt lässt sich bei diesen Abschnitten ggf. auch ein Potential zur Verbesserung identifizieren.

Thermische Belastung und Schadstoffbelastung sind in der Innenstadt am höchsten – (1) thermische Belastung

Der Klimaplanatlas zeigt, welche Stadtgebiete im Sommer zur Überwärmung neigen, sodass es für die Menschen dort zu heiß und/oder zu drückend wird. Ausschnitt aus dem Klimaplanatlas Frankfurt: Je dunkler das Rot, desto größer ist die Überwärmungsgefahr.

Thermische Belastung und Schadstoffbelastung sind in der Innenstadt am höchsten – (2) Schadstoffbelastung

Die Stickstoffdioxid-Belastung entlang der großen Verkehrsachsen Frankfurts ist ein guter Indikator für die verkehrsbedingte Schadstoff-Gesamtbelastung in den jeweiligen Stadtbereichen.

Der Kartenausschnitt aus den Screening-Berechnungen des Luftreinhalteplans (LRP) Frankfurt zeigt für das Bezugsjahr 2019 an welchen Straßenabschnitten der NO₂-Grenzwert für das Jahresmittel von 40 µg/m³ eingehalten (dunkelgrün bis gelb) oder überschritten wurde (orange bis dunkelrot).

Stiftung Altes Neuland Frankfurt GNU / Hessisches Ministerium für Umwelt, Klimaschutz, Landwirtschaft und Verbraucherschutz

Vergleicht man die thermischen und lufthygienischen Lasträume der beiden Karten, so findet sich mit der Mainzer Landstraße ein exemplarischer Abschnitt, der auf beiden Plänen als kritisch anzusehen ist

Die Charakteristika des Untersuchungsgebietes lassen bereits vermuten, dass es stadtklimatisch problematisch ist

Charakteristika der Mainzer Landstraße

• Beim Platz der Republik handelt es sich um eine große Verkehrsfläche

• Die hinführende Mainzer Landstraße verläuft zum Teil inmitten einer breit angelegten Hochhausschlucht mit beidseitigen Parkmöglichkeiten

• Der Versiegelungsgrad durch Asphalt und Pflastersteine ist hoch, Vegetation und Freiflächen sind kaum vorhanden

• Die Bebauungsstruktur besteht vornehmlich aus Bürogebäuden und geschlossenen, teils sehr hohen Gebäudekomplexen

• Es handelt sich um eine vierspurige Hauptverkehrsstraße mit hohem Verkehrsaufkommen (39.000 Fahrzeuge/24h)

• Dementsprechend hoch sind Schadstoff- und Wärmeemissionen; die NO₂-Konzentration liegt im Jahresmittelwert bei 46 µg/m³ (Prognose aus LRP für 2021)

Es sind noch weitere neuralgische Stellen in Frankfurt identifiziert worden, die entlang des Brückenverlaufes bereits heute kritisch sein dürften - sowohl im Hinblick auf die Lufthygiene als auch im Hinblick auf stadtklimatische Veränderungen. Da im Rahmen der vorliegenden Machbarkeitsstudie jedoch nicht alle kritischen Stellen umfassend untersucht werden können, wurden nur exemplarische Analysen durchgeführt.

Ingenieurbüro Matthias Rau / Google Earth

Entsprechend wurde in einem ersten Schritt der Abschnitt vom Platz der Republik bis zur Mainzer Landstraße als „Worst-Case“-Beispiel ins Visier genommen, um grundsätzlich zu prüfen, ob sich das strukturelle Konzept der Brücken mit ihren Ausmaßen, Oberflächen, Bepflanzungen etc. tendenziell positiv oder negativ auswirkt.

An allen weniger kritischen Stellen in Frankfurt dürften die Effekte entsprechend geringer sein.

Inhalt der stadtklimatischen Analyse: Wie ändern sich die thermischen und winddynamischen Bedingungen entlang der Mainzer Landstraße hin zum Platz der Republik durch den Bau der Frankfurter Brücken?

Die Wirkung des Brückenkorpus einschließlich der Gebäude sowie der neuen Begrünung (auf und neben den Brücken) ist im Hinblick auf die Wärmebelastung und das bodennahe Strömungsfeld untersucht worden. Folgende Fragestellungen lagen dabei zugrunde:

Welchen Benefit bezüglich der thermischen Verhältnisse bringt eine Brücke gegenüber der jetzigen Situation?
Wie ändern sich die Parameter PET (physiologisch äquivalente Temperatur) und Windgeschwindigkeit im Straßenraum bzw. im Bereich der nächstgelegenen Gebäude?
Welche strömungsdynamischen Effekte und Modifikationen des Windfeldes werden durch die Brücke hervorgerufen?
Wie weit reicht der thermische und winddynamische Einfluss der Brücke seitlich in die vorhandene Bebauung?

Bei der Abgrenzung des Untersuchungsgebietes zu den Auswirkungen des Brückenbauwerks müssen auch die angrenzenden Areale mitberücksichtigt werden

Stiftung Altes Neuland Frankfurt GNU / Ingenieurbüro Matthias Rau / Google

Aufgrund des räumlich begrenzten Einflusses der Frankfurter Brücken wurde das Modellgebiet so gewählt, dass es den neuralgischen Abschnitt der Mainzer Landstraße von der Taunusanlage bis zum Platz der Republik umfasst.

Zusätzlich reicht das Gebiet etwa 100 Meter in die randliche Bebauung hinein, um alle klimatischen Effekte der Frankfurter Brücken auf ihren Nahbereich erfassen zu können.

Für jede der beiden modellbasierten Analysen wurden zwei Simulationsläufe vorgenommen

Um die Auswirkungen der Frankfurter Brücken auf das Stadtklima zu eruieren, wurden sowohl für die thermische als auch die dynamische Analyse je zwei Simulationsläufe durchgeführt.

Im ersten Durchgang wurde der jeweils gegenwärtige Atmosphärenzustand entlang der Mainzer Landstraße ohne das geplante Brückenbauwerk simuliert (Istfall, s. Abb. links).

Beim zweiten Modelllauf wurde der Datensatz um die Konstruktion des entsprechenden Brückenabschnittes ergänzt (Planfall, s. Abb. rechts).

Grundlage für die Simulation war ein detailliertes Modell des Brückenabschnittes und des Straßenzuges mit den bereits vorhandenen Gebäuden

Stiftung Altes Neuland Frankfurt GNU / Dr. Dütemeyer Umweltmeteorologie

Durch die gewählte Auflösung von 1 m bis 1,5 m können die Kubaturen der Frankfurter Brücken, der Gebäude sowie der Vegetation sehr genau durch das Modell wiedergegeben werden, wie hier am Beispiel des für die thermische Analyse verwendeten Modells „ENVI-met“ erkennbar ist.

Für die Ergebnisse ist dieses hohe Genauigkeitsmaß von entscheidender Bedeutung, denn je besser die räumliche Auflösung des Modells ist, umso realistischer fallen auch die Resultate aus.

Thermische Analyse: Die thermische Situation wurde unter den meteorologischen Rahmenbedingungen eines heißen Sommertages mit vorausgegangener Tropennacht simuliert

Bei diesem Witterungsszenarium überschreiten die Tageshöchsttemperaturen die Marke von 30 °C, während der Himmel wolkenlos und die übergeordnete Luftbewegung nur schwach ausgebildet ist. Nachts sinken die Temperaturen nicht unter 20 °C.

In den gemäßigten Breiten kommen solche heißen Tage besonders im Juli und August gehäuft vor und Schattenzonen werden von den Menschen in der Stadt vermehrt aufgesucht.

Um darzulegen, wie das thermische Befinden des Menschen bei solchen Witterungsbedingungen – ohne bzw. mit den Frankfurter Brücken – ausfällt, wird auf die „physiologisch äquivalente Temperatur“ (PET) zurückgegriffen

Die PET ist ein Wärmebehaglichkeitsmaß, das – anders als z.B. die gemessene Lufttemperatur – Auskunft darüber gibt, wie komfortabel oder auch unangenehm sich bestimmte Wetterlagen für den menschlichen Körper anfühlen.

Ähnlich wie bei der sogenannten „gefühlten Lufttemperatur“ werden dazu Einflussfaktoren wie die Luftfeuchtigkeit (Schwüle), die Windgeschwindigkeit (Schweißverdunstung), die Wärmestrahlung der Umgebung (Gebäude, Straßenoberflächen) und die Sonnenstrahlung (Albedo-Effekt, Sonnenstich) berücksichtigt.

Die Effekte, welche die Frankfurter Brücken auf die Ausprägung der PET haben, lassen sich prinzipiell aus einer direkten Gegenüberstellung der Modellergebnisse von Ist- und Planfall entnehmen

Die Gegenüberstellung zeigt: Ohne die schattenspendende Brücke steigt die PET an einem heißen Sommertag auf bis zu 37 °C – mit Brücke hingegen liegt sie nur bei 27 bis 29 °C

Die PET-Unterschiede zwischen dem Ist- und dem Plan-Zustand lassen sich am besten anhand von sogenannten „Differenzkarten“ aufzeigen

Da die Veränderungen der PET räumlich begrenzt und besonders auf der Brückenplatte in eher geringem Maße auftreten, lassen sie sich am besten mithilfe von Differenzkarten aufzeigen, in denen die Unterschiede zwischen den Simulationsläufen von Ist- und Planfall farblich hervorgehoben sind.

Der Einfluss der Frankfurter Brücken auf die PET tritt besonders deutlich in 2 m ü. Grund, d.h. im Fußgängerniveau der Mainzer Landstraße, in Erscheinung: Durch die Verschattung der Unterebene kommt es zu einer Absenkung der PET um 5 bis 7 °C. Da bei einer Abweichung von mehr als 6 °C prinzipiell eine neue Behaglichkeitsstufe erreicht wird, ist der Abkühlung durch den Schattenwurf des Brückenbauwerks eine hohe Bedeutung beizumessen. Im Nahbereich der Frankfurter Brücken sind dagegen vereinzelte Erhöhungen der PET (rötliche Färbungen) erkennbar. Da die Temperaturdifferenzen jedoch nur geringfügig ausgeprägt sind, besitzen sie für den thermische Komfort keine besondere Relevanz.

In 10 m ü. Grund, d.h. in 2 m über der Brückenplatte, ergeben sich durch die Aufbauten über dem Platz der Republik und dem Francois-Mitterand-Platz zahlreiche Schattenzonen (grün). Auch hier verbessert sich die Behaglichkeit um eine ganze Stufe.

Betrachtet man die PET im Querschnitt der Mainzer Landstraße, so treten die durch Schattenwurf hervorgerufenen Absenkungen der PET unter der Brücke sichtbar hervor. Das Maß, um das es dort im Sommer erträglicher wird, ist enorm

Durch die Frankfurter Brücken kommt es zu einer geringfügigen Modifikation des thermisch bedingten Windfeldes

Bedingt durch die dichte Bebauungsstruktur der Frankfurter Innenstadt ist die Windgeschwindigkeit im Bereich der Mainzer Landstraße schon im gegenwärtigen Zustand sehr schwach ausgeprägt. So weht der Wind zur heißesten Tageszeit (15 Uhr) im Straßenraum in 2 wie auch 10 m ü. Grund selten stärker als 0,8 m/s – ein leiser Luftzug, der auf der 13-stufigen Beaufort-Skala gerade einmal Windstärke 1 entspricht und für den Menschen kaum wahrnehmbar ist. In den Innenhöfen der Randbebauung sowie den einmündenden Querstraßen herrscht sogar praktisch Windstille.

Im Planzustand sieht die Situation sowohl in der Unterebene als auch auf den Frankfurter Brücken nicht grundlegend anders aus. Zwar zeigen die Windgeschwindigkeiten im Verlauf der Mainzer Landstraße eine tendenzielle Abnahme der Durchlüftung im Vergleich zum Istfall – was angesichts der Tatsache, dass die Frankfurter Brücken und die zusätzlichen Gebäude am Platz der Republik als Strömungshindernis wirken, auch nicht verwundert. Entscheidend dabei ist jedoch, dass sich sowohl die absoluten Geschwindigkeiten als auch die Reduktionsbeträge (von i.d.R. weniger als 0,5 m/s) auf einem derart niedrigen Niveau bewegen, dass in keinem Falle von einer merklichen oder physiologisch relevanten Verschlechterung des Luftaustausches auszugehen ist. Für die nachgeordneten Straßenzüge im nahen Umfeld der Mainzer Landstraße, in denen die thermisch-dynamischen Verhältnisse noch weniger beeinflusst sind, gilt das natürlich erst recht.

Die Veränderung der Windgeschwindigkeit durch den Bau der Brücken ist im Untersuchungsgebiet so gering, dass sie für den Menschen kaum wahrnehmbar ist

Zwischenfazit: Unter thermischen Gesichtspunkten stellen die Frankfurter Brücken eine Bereicherung für das Stadtklima Frankfurts dar

In thermischer Hinsicht führen die Frankfurter Brücken zu keiner Verschlechterung der jetzigen Situation. Vielmehr findet durch ihren Schattenwurf, ihre dezente Struktur und ihre intensive Begrünung eine klimatische Inwertsetzung im Bereich der Mainzer Landstraße statt, die sich auf andere neuralgische Streckenabschnitte übertragen lässt.

Für die thermisch induzierten Windsysteme bedeuten die Frankfurter Brücken außerdem ein nur geringfügiges Strömungshindernis, sodass auch bei sonnigem Wetter keine wahrnehmbaren Beeinträchtigungen des Luftaustausches zu erwarten sind.

In heißen Sommern schaffen die Frankfurter Brücken somit angenehm kühle Komfortzonen, in denen durch Verschattungseffekte sowohl unter als auch auf den Brücken der thermischen Belastung der Bürger effektiv entgegengewirkt wird.

Dynamische Analyse: Die dynamische Situation wurde unter den meteorologischen Rahmenbedingungen eines bewölkten Tages mit stärker ausgeprägten, übergeordneten Winden simuliert

Für die Simulation der Effekte, welche die Frankfurter Brücken auf das bodennahe Strömungsfeld als Indikator für die Durchlüftung ausüben, wurden atmosphärische Randbedingungen gewählt, die denen eines gewöhnlichen Tages mit stärkeren äußeren Witterungseinflüssen entsprechen. Der Himmel ist wolkenbedeckt und das übergeordnete Windfeld stärker ausgeprägt, sodass thermische Effekte eine untergeordnete Rolle spielen.

Um die große Bandbreite der theoretisch auftretenden Strömungseffekte abzudecken, wurden drei unterschiedliche Anströmrichtungen gewählt (rötliche Ovale), von denen zwei annähernd parallel und eine quer zur Achse der Mainzer Landstraße orientiert sind. Damit werden gleichzeitig die besonders häufig vorkommenden Winde aus NO und SW berücksichtigt, wie die langjährige Windrose für das Untersuchungsgebiet zu erkennen gibt.

Die strömungsdynamischen Effekte der Frankfurter Brücken variieren je nach Windrichtung

Die strömungsdynamischen Einflüsse der Frankfurter Brücken lassen sich am besten hervorheben, indem die simulierten Windgeschwindigkeiten des Planfalls zu denen des Istzustands ins Verhältnis gesetzt werden. Ein Wert von 1,5 bedeutet somit eine Zunahme der Geschwindigkeit um 50 %, ein Wert von 0,75 dagegen eine Abnahme um 25 %, wobei sehr niedrige Änderungen der Windgeschwindigkeit von weniger als 0,2 m/s von vornherein ausgeblendet sind.

Die dargestellten Verhältniswerte sind – unter der gegebenen Prämisse dynamischer Windverhältnisse – nicht an bestimmte Windgeschwindigkeiten gebunden, sondern unterliegen – wie auch die entsprechenden Prozesse in der Natur – der sog. „Reynoldsunabhängigkeit“: Bildet man das Verhältnis zwischen zwei Zuständen, so ist dieses auf unterschiedlichste Geschwindigkeitsniveaus anwendbar. Erst wenn das übergeordnete Windfeld (mit deutlich unter 1,5 m/s) so schwach ausgeprägt ist, dass es sich im Straßenraum kaum noch feststellen lässt, gewinnen die thermischen Effekte die Oberhand über das Strömungsgeschehen.

Ergänzend dazu lassen sich die simulierten Strömungsmuster von Ist- und Planfall auch in der Querschnittsansicht vergleichen. Daraus geht hervor, ob und inwiefern die auftretenden Verwirbelungen durch die Frankfurter Brücken modifiziert werden. Als Querschnitte wurden hierzu die Mainzer Landstraße südwestlich des Francois-Mitterand-Platzes sowie der Platz der Republik ausgewählt, da es sich dabei um besonders repräsentative Brückenabschnitte handelt.

Modifikation der Strömungsdynamik für Ist- und Planfall (I) Bei Anströmung aus Nordosten

Stiftung Altes Neuland Frankfurt GNU / Ingenieurbüro Matthias Rau

Bei nordöstlicher Anströmung (50°) bläst der Wind längs durch die Mainzer Landstraße. In diesem Falle kanalisieren die Frankfurter Brücken die Luft und bewirken stellenweise eine Beschleunigung der Strömung in der Unterebene. Man spricht hierbei auch vom sogenannten Venturi-Effekt. Der Straßenraum wird also besser durchlüftet.

Auf den Brücken bleibt das Strömungsgeschehen dagegen weitgehend unverändert; nur am Platz der Republik bremsen die geplanten Gebäude auf der Brücke den Wind lokal aus.

In der vertikalen Querschnittsbetrachtung wird deutlich, dass die Beeinflussung der Strömungsdynamik auf den Bereich der Mainzer Landstraße beschränkt bleibt: Im Straßenzug nordwestlich der Mainzer Landstraße sowie in der südöstlich angrenzenden Blockbebauung bilden sich im Istzustand Wirbelsysteme aus, die in der Straßenschlucht der Mainzer Landstraße eine aufwärts gerichtete Vertikalbewegung erzeugen. Dieses Strömungsbild bleibt auch im Planfall mit dem Brückenbauwerk weitestgehend erhalten, da sich das seitliche Auslenken des Windes unterhalb der Brücke nicht in den darüber liegenden Luftraum fortpflanzt.

Mainzer Landstraße – Schnittdarstellung der Windvektoren – Hier Schnitt B: Anströmung aus 50°

Oben: Istfall ohne Brückenbauwerk – Unten: Planfall mit Brückenbauwerk

Auch für den Platz der Republik offenbaren die Querschnitte, dass die Auswirkungen durch das Brückenbauwerk auf das lokale Umfeld begrenzt sind: So kennzeichnet sich das Strömungsbild im Istzustand durch einen deutlich ausgeprägten Spiralwirbel im nordwestlichen Bereich der Kreuzung, der auch im Planfall nahezu unverändert entsteht. Modifiziert wird das Strömungsmuster lediglich im Nahbereich des Brückenbauwerks mit den darauf stehenden Gebäuden, wo sich aufgrund von Verdrängungseffekten südöstlich des Gebäudeensembles ein drehender Wirbel ausbildet.

Mainzer Landstraße – Schnittdarstellung der Windvektoren – Hier Schnitt C: Anströmung aus 50°

Oben: Istfall ohne Brückenbauwerk – Unten: Planfall mit Brückenbauwerk

Modifikation der Strömungsdynamik für Ist- und Planfall (II) Bei Anströmung aus Südosten

Weht der Wind quer zur Mainzer Landstraße (150° Anströmung), verändert sich das Strömungsbild nur sehr geringfügig. Es bilden sich vereinzelte Leewirbel an Gebäuden und Nachlaufzonen unter der Brücke. Dort wechseln sich Bereiche verstärkter und verlangsamter Strömung ab. Nur über dem Platz der Republik kommt es tendenziell zu einer Beruhigung des Windfeldes.

Zwar ist die hier betrachtete südöstliche Anströmung in Frankfurt vergleichsweise selten vertreten und daher als Queranströmung für den NO-SW-orientierten Abschnitt der Mainzer Landstraße weniger relevant. Da die Brücken jedoch eine Ring- bzw. Netzstruktur besitzen, trifft der Wind an anderen Passagen häufig quer auf das Brückenbauwerk, wodurch die hier simulierten Effekte dort vermehrt auftreten können.

Innerhalb der Straßenschlucht der Mainzer Landstraße üben die Frankfurter Brücken bei gegebener Anströmung aus Südosten, wie sich aus der Querschnittsansicht entnehmen lässt, keinen Einfluss auf die Zirkulationsmuster aus: Der idealtypische Wirbel, der sich zwischen den hochaufragenden Gebäuden im Istzustand einstellt, kommt auch im Planfall uneingeschränkt zustande. Ausschlaggebend dafür ist die säulenbasierte Aufständerung der Frankfurter Brücken, wodurch dem Wind kaum Widerstand entgegengesetzt wird und das Bauwerk unterströmt werden kann. Veränderungen bezüglich der Durchlüftungsverhältnisse sind daher nicht zu erwarten.

Mainzer Landstraße – Schnittdarstellung der Windvektoren – Hier Schnitt B: Anströmung aus 150°

Oben: Istfall ohne Brückenbauwerk – Unten: Planfall mit Brückenbauwerk

Am Platz der Republik findet bei Queranströmung hingegen eine größere Modifikation der winddynamischen Verhältnisse statt: Während die Strömung im Istzustand nahezu ungestört in den offenen Kreuzungsbereich vordringt und erst am Nordwestrand durch das Auftreffen auf einen hohen Gebäudekomplex in einen Frontwirbel übergeht, wird das Strömungsfeld durch die Gebäude auf der Brücke im Planzustand gewissermaßen "gestört". Es treten kleinere Verwirbelungen zwischen den Gebäuden auf und ein Nachlaufwirbel im Lee des Gebäudeensembles führt zu einer Strömungsumkehr unter der Brückenebene. Dadurch kann es im Kreuzungsbereich zu einer verminderten Durchlüftung kommen.

Mainzer Landstraße – Schnittdarstellung der Windvektoren – Hier Schnitt C: Anströmung aus 150°

Oben: Istfall ohne Brückenbauwerk – Unten: Planfall mit Brückenbauwerk

Modifikation der Strömungsdynamik für Ist- und Planfall (III) Bei Anströmung aus Südwesten

Bei Anströmung aus Südwesten (240°) entsteht ein komplexes Nebeneinander aus Bereichen erhöhter und reduzierter Windgeschwindigkeit, die sich letztendlich aufheben. Analog zur Anströmung aus Nordosten können auch hier Beschleunigungseffekte unter dem Brückenbauwerk auftreten, wohingegen die Windgeschwindigkeit auf den Frankfurter Brücken abnimmt.

Genau wie bei den beiden anderen Fällen konzentrieren sich die Effekte jedoch ausschließlich auf den unmittelbaren Bereich der Mainzer Landstraße, sodass sich keine Fernwirkungen auf die angrenzende Bebauung ergeben.

Vergleicht man die Vertikalschnitte von Istzustand und Planzustand bei straßenparalleler Anströmung aus Südwesten, dann sind nur für den Bereich der Mainzer Landstraße Unterschiede im Strömungsmuster erkennbar: Aufgrund der Hinderniswirkung, die von dem Brückenbauwerk ausgeht, treten im Planfall oberhalb der Brücke niedrigere und im tieferen Bereich höhere Geschwindigkeiten auf. Unterhalb der Brückenebene ist somit nicht von einer verminderten Durchlüftungswirkung auszugehen.

Mainzer Landstraße – Schnittdarstellung der Windvektoren – Hier Schnitt B: Anströmung aus 240°

Oben: Istfall ohne Brückenbauwerk – Unten: Planfall mit Brückenbauwerk

Komplizierter stellt sich die Situation am Platz der Republik dar: Dort führt der in Luv stehende Gebäudekomplex im Nordwesten dazu, dass sich ein komplexes Wirbelsystem ausbildet, welches allerdings im Ist- und Planzustand nahezu unverändert ist. In beiden Fällen wird eine Querströmung in Richtung Südosten induziert, die durch das Brückenbauwerk wiederum lokal modifiziert wird. Daraus folgt, dass das Geschwindigkeitsniveau unterhalb und oberhalb der Brückenebene in geringem Maße lokal vermindert wird.

Mainzer Landstraße – Schnittdarstellung der Windvektoren – Hier Schnitt C: Anströmung aus 240°

Oben: Istfall ohne Brückenbauwerk – Unten: Planfall mit Brückenbauwerk

Zwischenfazit: Für die Durchlüftung und die lufthygienische Situation sind die Frankfurter Brücken als unproblematisch zu erachten

Entsprechend den Erwartungen führen die Frankfurter Brücken als Strömungshindernis zu lokalen Modifikationen des Windfeldes, das durch die hohe Bebauung der Mainzer Landstraße vorgeprägt ist. Es treten kleinräumige, hochkomplexe Effekte im dynamischen Strömungsgeschehen auf, wobei sich Zonen mit verminderter und solche mit verstärkter Windgeschwindigkeit ausgleichen.

Unter den Frankfurter Brücken kann es an manchen Stellen zur Beschleunigung des Windes kommen, wodurch der Straßenraum besser durchlüftet wird. Tendenziell werden allerdings viele Strömungsmuster, die bereits im jetzigen Zustand der Mainzer Landstraße auftreten, nicht maßgeblich beeinflusst, was auf den Säulencharakter und die damit verbundene Winddurchlässigkeit der Frankfurter Brücken zurückzuführen ist.

In jedem Falle sind die dynamischen Effekte der Brücken stets auf den direkten Nahbereich begrenzt, weshalb von keinen weitreichenden Auswirkungen auszugehen ist.

Da die Mainzer Landstraße durch ihre außergewöhnlich hohe und dichte Randbebauung als „Worst-Case“-Beispiel für den Streckenverlauf der Frankfurter Brücken gilt, dürften andere – weniger kritische – Streckenabschnitte allenfalls ähnliche Strömungsmuster aufweisen und voraussichtlich keine Verschlechterung der dynamischen Effekte hervorrufen.

Sollten sich wider Erwarten bei der stadtklimatischen Untersuchung anderer kritischer Stellen im Brückenverlauf im Vorfeld negative Auswirkungen abzeichnen, gibt es zudem die Möglichkeit, den Brückenkorpus mit durch Geländer geschützten Luftlöchern zu versehen, um die Durchlüftung zu verbessern.

Profis zu dem Thema

Universität Duisburg Essen - Lehrstuhl für Angewandte Klimatologie und Landschaftsökologie — Universität Augsburg - Institut für Geographie - Stadt- und Geländeklimatologie — HU Berlin - Geographisches Institut - Klimageographie — TU Berlin - Institut für Ökologie - Fachgebiet Klimatologie (Stadtklimatologie) — TU Braunschweig - Institut für Geoökologie - Abteilung Klimatologie und Umweltmeteorologie — TU Dresden - Institut für Hydrologie und Meteorologie - AG Stadtklima — Universität Freiburg - Institut für Geo- und Umweltnaturwissenschaften - Professur für Umweltmeteorologie — Universität Hamburg - Meteorologisches Institut - AG mesoskalige und mikroskalige Modellierungen / AG Windkanallabor — Universität Hannover - Institut für Meteorologie und Klimatologie - AG Grenzschichtmeteorologie — TU Kaiserslautern - Professur für Physische Geographie und Fachdidaktik - Angewandte Stadtklimatologie — Universität Kassel - Institut für Landschaftsarchitektur und -planung - Fachgebiet Umweltmeteorologie — Karlsruher Institut für Technologie - Institut für Meteorologie und Klimaforschung - Atmosphärische Umweltforschung (IMK-IFU) - AG Urbane und Öko-Klimatologie — Deutscher Wetterdienst - Lokalklimamodelle

Neben den betrachteten thermischen und dynamischen Analysen sind Untersuchungen der Immissionsbelastung ebenfalls gängige stadtklimatische Vorplanungskriterien – die bei dem langen Planungshorizont hier entfallen konnten

Das Bauvorhaben „Frankfurter Brücken“ wird voraussichtlich eine Planungsphase von 5 Jahren und eine Bauzeit von 10 Jahren benötigen. In diesem Zeithorizont ist eine drastische Wandlung der Immissionslandschaft durch die Veränderung der Fahrzeugmotoren in Deutschland zu erwarten. Da die Emissionen der Fahrzeuge zwar nicht 100 %, aber dennoch einen signifikanten Großteil der Schadstoffbelastung auf den Straßen verursachen, lassen sich zum heutigen Zeitpunkt auf der aktuellen Datenbasis keine validen Plananalysen für die Auswirkungen der Frankfurter Brücken in der Zukunft machen.

Sollte die Einführung der E-Autos und Wasserstoff-Fahrzeuge jedoch im geplanten Umfang fortschreiten, ist eine so signifikante Verbesserung der Luft in unseren Städten zu erwarten, dass das Brückenbauwerk für heutige Verhältnisse extrem geringe Auswirkungen in einem derart „reinen“ Umfeld haben dürfte.

Die Immissionsbelastung sinkt in Hessen seit Jahren. Bis zur Fertigstellung der Frankfurter Brücken (frühestens 2037) dürfte sich die Situation weiter entschärfen – zumindest wenn auch der Bremsabrieb von E-Autos gesenkt werden kann

Die Immissionsbelastung durch den Innenstadtverkehr ist in den letzten Jahrzehnten kontinuierlich gesunken. So sind die EU-Grenzwerte in Hessen – ebenso wie im Rest Deutschlands – bereits unterschritten. Das liegt u.a. an der Verbesserung der Emissionswerte von Verbrennungsmotoren, die immer strengeren Auflagen genügen müssen. Von einer stärkeren Reduktion ist allerdings erst dann auszugehen, wenn die Verbrennungsmotoren gänzlich aus den Städten verschwinden.

Elektroautos werden als emissionsfreie Alternative der Zukunft angepriesen, doch auch sie können sich der Verantwortung für die Feinstaubbelastung nicht vollständig entziehen: Der Grund dafür besteht im generellen Bremsabrieb von Fahrzeugen – und E-Autos sind aufgrund ihrer großen Akkus laut Studien ca. 300 kg schwerer als herkömmliche Benziner, sodass beim Bremsen mehr Abrieb durch Reifengummi und Bremsbeläge entsteht. Dieser Problematik wirken allerdings verstärkte Leichtbauweise, Rekuperationstechnologie und auch Forschung an Lamellenbremsen entgegen, sodass bis 2035 wiederum ein gewisser Ausgleich des Trends zu erwarten ist.

Auch in Frankfurt weist die Schadstoffbelastung der vergangenen Jahre einen rückläufigen Trend auf

Die langjährige Unterschreitung der EU-Grenzwerte für die Jahresmittelwerte von PM10 und PM2,5 ist ein Indiz dafür, dass auch die Stadtluft Frankfurts in den letzten Jahren zunehmend sauberer geworden ist. Gleichzeitig verdeutlichen die nur vereinzelt eingehaltenen und im Jahr 2020 nochmals verschärften WHO-Richtwerte, dass es für eine gesunde Luftqualität in Frankfurt weiterhin großen Handlungsbedarf gibt.

Bis zur Fertigstellung der Frankfurter Brücken 2035 – 2040 wird der Anteil an Verbrenner-Motoren durch die stetige Modernisierung der Verkehrsflotten drastisch gesunken sein – und mit ihm die Schadstoffbelastung auf den Straßen der Stadt

Für jede Stadt ist allerdings gesondert zu prüfen, ob das Konzept der Frankfurter Brücken auch dort eine stadtklimatisch positive – oder zumindest neutrale – Wirkung hervorruft

Viele Städte leiden an Wohnungsnot, Wassermangel für ihre Grünflächen und an Platzmangel für ihre sehr ehrgeizigen Ziele zur Ausweitung erneuerbarer Energien. Das Konzept der Frankfurter Brücken könnte hier Abhilfe schaffen – aber um zu dessen stadtklimatischer Verträglichkeit endgültige Aussagen treffen zu können, ist für jede weitere andere Stadt eine eigene mikroklimatische Simulation der potenziellen Auswirkungen durch die Brückenbauwerke unabdingbar. Denn nicht nur die Bebauungsstruktur einer Stadt, sondern auch viele weitere Faktoren wie das regionale Klima, die Lage der Stadt im Relief etc. sind für die Beurteilung eines solchen infrastrukturellen Bauvorhabens von zentraler Bedeutung.

Fazit: Unter thermischen Gesichtspunkten tragen die Frankfurter Brücken zur Verbesserung des Stadtklimas bei – auch in Bezug auf Durchlüftung und Lufthygiene sind sie unproblematisch

Hinsichtlich der thermischen Verhältnisse findet durch den Schattenwurf der Frankfurter Brücken, ihre dezente Struktur sowie ihre intensive Begrünung eine klimatische Aufwertung der Mainzer Landstraße statt. Die sommerliche Wärmebelastung wird erheblich reduziert.

Bei windigem Wetter können unter den Frankfurter Brücken Beschleunigungseffekte auftreten, sodass der Straßenraum besser durchlüftet wird – nur an einigen wenigen Stellen wird die Windgeschwindigkeit in vergleichsweise geringem Maße herabgesenkt. Darüber hinaus werden die bestehenden Strömungsphänomene in der Mainzer Landstraße kaum modifiziert, da die Säulenstruktur der Brücken für eine hohe Winddurchlässigkeit sorgt.

Sowohl die thermischen Auswirkungen als auch die dynamischen Effekte sind stets auf den Nahbereich des Brückenbauwerks beschränkt. Da das gewählte Untersuchungsgebiet zu den stadtklimatisch kritischsten Stellen im gesamten Brückenverlauf zählt, erlaubt die modellbasierte Analyse gewissermaßen eine Übertragbarkeit der Ergebnisse auf andere Brückenabschnitte.

Verbesserung des Stadtklimas

Frankfurt: Stadtklima aktuell

Maßnahmen neben den Brücken

Die CO2-Bilanz der Brücken

Stadtklima – Weltklima

Das Ziel: Die Stadt gegen Trockenheit und Flut wappnen

Die grüne Zukunftsmetropole

Vitalisierung des Stadtgrüns