Bei der Erstellung von Oberbauten in Betonbauweise wird die Dicke der einzelnen Oberbauschichten in der Regel mit Hilfe der ,,Richtlinien für die Standardisierung des Oberbaus von Verkehrsflächen" (RStO) festgelegt. Insbesondere bei höheren Verkehrsbelastungen sollte zugeschnitten auf den Einzelfall rechnerisch dimensioniert werden. Auch die Anwendung einer semiprobabilistischen bzw. probabilistischen Sicherheitsbetrachtung ist sinnvoll, weil Belastung und Materialkennwerte streuen. Um diese Punkte zu berücksichtigen, wurden Rechenverfahren entwickelt und entsprechende Regelwerke für Beton und Asphalt veröffentlicht (RDO Beton und RDO Asphalt). Mit den ,,Empfehlungen für die Abwicklung von Bauverträgen bei Anwendung der RDO Beton" wurde die Grundlage geschaffen, die RDO Beton auch in normalen VOB-Verträgen anwenden zu können. Ein derartiger Bauvertrag wurde von der Autobahndirektion Südbayern für die grundhafte Erneuerung eines Teilabschnittes der Betondecke auf der Bundesautobahn A 93 zwischen Rosenheim und Kiefersfelden abgewickelt. Aufgrund der Ergebnisse werden vom Autor geänderte Anforderungen im Regelwerk der Zukunft als sinnvoll erachtet.

Der Fachvortrag zur Veranstaltung ist im Volltext verfügbar. Das PDF enthält alle Bilder und Formeln.

1 Einleitung

Bei der Erstellung von Oberbauten in Betonbauweise wird die Dicke der einzelnen Oberbauschichten in der Regel mit Hilfe der ,,Richtlinien für die Standardisierung des Oberbaus von Verkehrsflächen" (RStO) festgelegt. Dabei wird die Tafel 2 der RStO angewendet (Bild 1). Da sie einfach in der Anwendung ist, wird sie gerne genommen, frei nach dem Motto ,,So haben wir das schon immer gemacht". Wie hoch die darin liegenden Sicherheiten sind, ist nicht erkennbar und in der Regel nicht bekannt. Dies gilt insbesondere bei höheren Verkehrsbelastungen. Die Sicherheiten hängen davon ab, dass die Vorgaben der RStO bezüglich der Plattenabmessungen eingehalten werden und der Beton den TL Beton-StB entspricht. Was nicht bekannt ist, dass der Beton bei einer Belastungszahl von ca. 100 Mio. 10-t-Achsen eine Spaltzugfestigkeit von etwa 4,0 MPa aufweisen sollte, damit es nicht zu einem vorzeitigen Versagen der Betondecke kommt.

Daher sollte spätestens ab einer B-Zahl von 100 Mio. zugeschnitten auf den Einzelfall rechnerisch dimensioniert werden.

Bild 1: Tafel 2 der RStO 12 (Auszug)

Auch die Anwendung einer semiprobabilistischen bzw. probabilistischen Sicherheitsbetrachtung ist sinnvoll. Die gebräuchliche deterministische Betrachtung (einwirkendes Moment ist kleiner als aufnehmbares Moment) funktioniert nur, wenn weder in der Belastung, noch in den Materialkennwerten eine Streuung vorhanden ist (Bild 2).

Bild 2: Deterministische System

In der Praxis streuen Belastung, Materialkennwerte und Deckendicke jedoch. Wenn eine besonders hohe Einzelbelastung mit einer niedrigen Festigkeit und/oder einer geringen Deckendicke zusammentreffen ist ein punktuelles Versagen der Decke vorprogrammiert. Um das zu berücksichtigen wurden Sicherheitsfaktoren verwendet. Diese berücksichtigen aber nicht die Streuweiten der Eingangswerte in die Dimensionierung. Insofern gaukelt die übliche deterministische Betrachtung eine Sicherheit vor, die in diesem Ausmaß nicht existiert (Bild 3).

Bild 3: Probabilistisches System

2 Bestehendes Regelwerk

Um diese Punkte zu berücksichtigen, wurden Rechenverfahren entwickelt und entsprechende Regelwerke für Beton und Asphalt veröffentlicht (RDO Beton und RDO Asphalt). Die RDO Beton wurde dann insbesondere zur Anwendung in Funktionsbauverträgen und PPP-Modellen eingeführt (ARS Nr. 21/2010). Bei konventionellen Verträgen sollten sie ,,nur im Rahmen von Nebenangeboten außerhalb des Wettbewerbes zur Erfahrungssammlung" herangezogen werden. Mit den "Empfehlungen für die Abwicklung von Bauverträgen bei Anwendung der RDO Beton", Ausgabe 2011, wurde die Grundlage geschaffen, die RDO Beton auch in normalen VOBVerträgen anwenden zu können. Dabei wird vom Bieter gefordert, im Rahmen der Angebotsbearbeitung eine rechnerische Dimensionierung bei Vorgabe eine Nutzungsdauer durch den Auftraggeber (i. d. R. 30 Jahre) durchzuführen und im Angebot anzugeben, mit welchen charakteristischen Werten der Betondeckendicke und der Spaltzugfestigkeit er die Betondecke herstellen will. Diese Werte werden Vertragsbestandteil und im Rahmen der Kontrollprüfungen überprüft und bilden somit die Grundlage für die Abnahme, Abnahme mit Minderung oder Ablehnung der Leistung.

Da hierbei die Deckendicke eine der Variablen ist, muss diese Variabilität im Rahmen der frostsicheren Gesamtdicke des Oberbaus ausgeglichen werden. In der Regel erfolgt das durch eine Anpassung der Dicke der Frostschutzschicht. Dies ist bei der Erstellung der Vergabeunterlagen und bei der Bearbeitung des Angebotes durch die Bieter in der Position ,,Frostschutzschicht" zu berücksichtigen.

Die Anforderung in einem derartigen Vertrag wird an der damit erreichten rechnerischen Nutzungsdauer beurteilt. Dazu werden im Rahmen der Kontrollprüfungen die charakterische Spaltzugfestigkeit (5 %-Quantil) und die charakteristische Deckendicke (10 %-Quantil) ermittelt. Die Abnahme erfolgt dann üblicherweise in bis zu drei Stufen.

2.1 Stufe 1

Die charakteristischen Werte, die im Rahmen der Kontrollprüfungen ermittelt wurden sind beide größer oder zumindest gleich groß wie die angebotenen charakteristischen Werte. Damit ist automatisch die geforderte Nutzungsdauer erreicht. Die Maßnahmen können abgenommen werden.

2.2 Stufe 2

Einer der charakteristischen Werte unterschreitet die angebotenen charakteristischen Werte.

Dann wird nachgerechnet, welche Nutzungsdauer mit den charakteristischen Werten erreicht wird. Liegt diese mindestens gleich hoch, wie die geforderte Nutzungsdauer, gilt der Vertrag als erfüllt und die Maßnahme kann abgenommen werden. Eine zu niedrige charakteristische Dicke kann also durch eine höhere charakteristische Festigkeit ausgeglichen werden.

Im Bild 4 ist dieser Zusammenhang beispielhaft für eine Betondecke mit folgenden Eingangswerten in die Dimensionierung bestimmt: ­ ­ ­
- B = 76,0 Mio. Plattenabmessungen 5,00 m x 4,25 m,

- Unterlage: Vlies und HGT, verdübelt,

- Nachweis an Querfuge (Ermüdung).

Wenn der Auftragnehmer z. B. eine charakteristische Dicke von 280 mm und eine charakteristische Festigkeit fctk von 3,3 N/mm² angeboten hat (durchgezogene rote Linie), wären die Anforderungen auch erfüllt bei einer charakteristischen Dicke von 260 mm und eine charakteristischen Festigkeit fctk von 3,8 N/mm² (gestrichelte rote Linie) bzw. einer beliebigen anderen Kombination der Werte, solange diese auf oder über der blauen Linie liegt.

Bild 4: Ausgleich Dicke - ­ Festigkeit

2.3 Stufe 3

Falls die Nachrechnung eine nicht anforderungsgerechte Nutzungsdauer ergibt, wird in Abhängigkeit von der errechneten Nutzungsdauer zunächst ein Abzug getätigt. Wenn allerdings die errechnete Nutzungsdauer um mehr als 1/3 unter der Anforderung liegt, ist die Decke komplett zu erneuern. Das Bild 5 zeigt den Zusammenhang zwischen Abzug [%] und Nutzungsdauer [%]. Bei einer geforderten Nutzungsdauer von 30 Jahren, würde es bei einer rechnerischen Nutzungsdauer von nur noch 10 Jahren einen Abzug von 70 % geben.

Bild 5: Abzüge gemäß "Empfehlungen für die Abwicklung von Bauverträgen bei Anwendung der RDO Beton"

3 Deckenerhaltungsmaßnahme A 93 Rosenheim - ­ Kiefersfelden

Um zu prüfen, ob auch konventionelle Bauverträge bei Anwendung der RDO Beton abgewickelt werden können, wurde eine Strecke mit Neubau bzw. grundhafte Erneuerung gesucht.

Auf der A 93 Süd Rosenheim ­ Kiefersfelden wurde seit 2013 die Richtungsfahrbahn Rosenheim grundhaft erneuert und gleichzeitig auf
12 m verbreitert.

Die Autobahndirektion Südbayern war bereit, das letzte Teilstück als derartige vertragliche Teststrecke durchzuführen.

Bild 6: Übersichtlageplan Deckenerneuerung A 93

Da die Empfehlungen für die Abwicklung von Bauverträgen bei Anwendung der RDO Beton nicht direkt als Vertragsgrundlage geeignet sind, mussten die vertragsrechtlich wirksamen Angaben in die Leistungsbeschreibung einschließlich deren Anlagen aufgenommen werden.

Die Bieter hatten im Rahmen der Angebotsbearbeitung die Betondecke rechnerisch zu dimensionieren und die charakteristische Deckendicke hd und die charakteristische Spaltzugfestigkeit fctk mit dem Angebot abzuzgeben.

Grundlage für die Dimensionierung waren die Angaben der Tabelle 1.

Tabelle 1: Eingangswerte für die rechnerische Dimensionierung nach den RDO Beton

Zusätzlich wurden noch Angaben zur geforderten Plattengeometrie mit gegeben.

Zur Submission lagen die Angebote von fünf Bietern vor. Bei der Überprüfung durch die von der Autobahndirektion Südbayern beauftragte Villaret Ingenieurgesellschaft GmbH zeigte sich, dass die rechnerische Dimensionierung bei allen Bietern den Anforderungen der RDO Beton, und damit der Ausschreibung entsprachen.

Den Auftrag erhielt die HABAU Hoch- und Tiefbaugesellschaft m.b.H. Sie reichte ein Angebot mit einer charakteristischen Dicke von 28,0 cm und einer charakteristischen Spaltzugfestigkeit von 3,3 MPa ein.

Bild 7: Deckeneinbau auf der A 93 Süd

Im Rahmen der Kontrollprüfungen wurden die Deckendicke und die Spaltzugfestigkeit an Ober- und Unterbeton geprüft und gemäß der ,,Arbeitsanleitung zur statistischen Dickenauswertung von Asphalt- und Betonschichten für rechnerisch dimensionierte Verkehrsflächen" (AL DA), Ausgabe 2011 bzw. der ,,Arbeitsanleitung zur Bestimmung der charakteristischen Spaltzugfestigkeit an Zylinderscheiben als Eingangsgröße in die Bemessung von Betondecken für Straßenverkehrsflächen" (AL Sp-Beton), Ausgabe 2006, statistisch ausgewertet.

Bei diesen Auswertungen ist es erforderlich, zunächst die Daten daraufhin zu überprüfen, ob eine Normalverteilung vorliegt.

Dafür gibt es mehrere Möglichkeiten. Die erste ist die Darstellung der Daten in einem Histogramm (Beispiel Bild 8).

Bild 8: Histogramm der Spaltzugfestigkeiten (Oberbeton)

Wenn eine Normalverteilung vorliegt müssen die Werte einer Gauß'schen Glockenkurve ähneln.

Eine bessere Alternative stellt das so genannte Wahrscheinlichkeitsnetz dar (Beispiel Bild 9).

Bild 9: Wahrscheinlichkeitsnetz der Spaltzugfestigkeit (Oberbeton)

Wenn die Werte normalverteilt sind, müssen alle Punkte auf der Geraden liegen. Zwei der Punkte liegen jedoch weit weg davon und sind damit als potenzielle Ausreißer zu betrachten.

Ausreißer dürfen jedoch nur dann in der Quantilauswertung nicht berücksichtigt werden, wenn es sachlich zu begründen ist (siehe ,,Merkblatt über die statistische Auswertung von Prüfergebnissen, Teil 2: Erkennen und Behandeln von Ausreißern", Ausgabe 2003). Hier wurden sie für die Auswertung nicht herangezogen, weil die entsprechenden Spaltzugfestigkeiten sehr hoch lagen.

Weiterhin gibt es auch rechnerische Möglichkeiten der Prüfung auf Normalverteilung (z. B. Anderson-Darling-Test, Kolmogorow-Smirnow-Lilliefors-Test).

Nach Elimination der Ausreißer zeigte sich, dass alle Kontrollprüfungsergebnisse normalverteilt sind.

Daraufhin wurden die charakteristischen Festigkeiten und die charakteristische Dicke ermittelt. Die Ergebnisse können den Tabellen 2 bzw. 3 entnommen werden.

Tabelle 2: Statistische Auswertung der Spaltzugfestigkeit

Tabelle 3: Statistische Auswertung der Deckendicke

Die Werte liegen alle über den angebotenen charakteristischen Werten. Das Baulos war damit bereits in der ersten Stufe abnahmefähig.

4 Rechnerische Betrachtung bei Unterschreitungen

Das sehr positive Ergebnis der Baumaßnahme darf nicht darüber hinwegtäuschen, dass die eigentlichen vertragsrechtlichen Probleme erst auftauchen würden, wenn die Dicke und/oder die Spaltzugfestigkeiten unterschritten wurden.

In den Bildern 10 und 11 ist zu sehen, dass bereits relativ geringe Unterschreitungen der Quantilwerte zu einer starken Verminderung der rechnerischen Nutzungsdauer und damit zu Abzügen oder Ersatz führen würden.

Bild 10: Abhängigkeit Nutzungsdauer - ­ Spaltzugfestigkeit

Bild 11: Abhängigkeit Nutzungsdauer - ­ Deckendicke

Daher wurden versuchsweise die Kontrollprüfungsergebnisse einer Vielzahl von Baumaßnahmen aus der gesamten Bundesrepublik statistisch ausgewertet. Die Ergebnisse sind in den Tabellen 4 bis 6 getrennt nach der jeweiligen Unterlage dargestellt. Jede Zeile ist dabei die Auswertung eines kompletten Bauloses. Folgende Werte grün markiert:

- für das 10 %-Quantil alle Werte, die mindestens der ausgeschriebenen Solldicke entsprechen,

- ­ für den Mittelwert alle Werte, die mindestens der ausgeschriebenen Solldicke entsprechen und ­

- für den kleinsten Einzelwert alle Werte, die um höchstens 5 mm unter der ausgeschrieben Solldicke liegen.

Die orange markierten Werte bedeuten damit die Nichterfüllung der vertraglichen Anforderungen der RDO Beton-StB (10 %-Quantil) bzw. der ZTV Beton-StB (Mittelwert und kleinster Einzelwert).

Tabelle 4: Dickenauswertung ­ Unterlage Asphalttragschicht unter Betondecke (ATSuB)

Tabelle 5: Dickenauswertung ­ Unterlage Schottertragschicht unter Betondecke (STSuB)

Tabelle 6: Dickenauswertung ­ Unterlage Vlies & HGT/Verfestigung

Zwei Sachlagen sind sehr deutlich erkennbar:

- Baulose, die bei einer Quantilenauswertung die Anforderung der RDO Beton-StB nicht erfüllen (3. Spalte), erfüllen in fast allen Fällen auch nicht die gültigen Anforderungen der ZTV Beton-StB (5. Spalte).

- Der Anteil an nicht erfüllten Anforderungen ist je nach Unterlage unterschiedlich. Die beste Einhaltung ist bei einer ATSuB zu finden. Am schlechtesten schneidet in dieser Hinsicht die STSuB ab.

­Zur Einhaltung der Betondeckendicke ist ein ausreichend hohes Vorhaltemaß erforderlich.

Unter der Annahme, dass im jeweiligen Bauvertrag gewählte Vorhaltemaß in der Nähe des Mittelwertes der Kontrollprüfung liegt, lassen sich aus den Tabellen zur Einhaltung des Vertrags erforderliche Vorhaltemaße erkennen, die je nach Unterlage verschieden hoch sind.

In der aktuellen ZTV Beton-StB werden jedoch unabhängig von der Unterlage maximal 15 mm Mehreinbau vergütet.

5 Ausblick

Voraussichtlich nächstes Jahr werden die ,,Empfehlungen für die Abwicklung von Bauverträgen bei Anwendung der RDO Beton" ­ durch die ,,Zusätzlichen Technischen Vertragsbedingungen und Richtlinien für den Bau von Betondecken im Oberbau von Verkehrsflächen bei Anwendung der RDO Beton (ZTV RDO Beton-StB) ersetzt werden.

Dieses Regelwerk wird die Anwendung der RDO Beton im VOB-Vertrag erleichtern. Eine vermehrte Anwendung ­ insbesondere auf hochbelasteten Verkehrsflächen ­ wäre wünschenswert.

Im Rahmen dieses Bauvertrages habe ich verschiedene Erkenntnisse gewonnen, die für das Regelwerk der Zukunft den Wunsch nach einigen Änderungen wecken.

- Im Regelwerk sollten keine vertraglichen Anforderungen an die Druckfestigkeit, sondern an die Zugfestigkeit gestellt werden.

Betondecken versagen auf Zug, nicht auf Druck.

Die Feststellung der Druckfestigkeit ist nur noch erforderlich, um die Einhaltung der Expositionsklasse zu gewährleisten. ­

- Die Anforderungen für Zugfestigkeit und Deckendicke sollten an charakterische Werte (Quantile) geknüpft werden. Das bisherige System mit Anforderungen an Einzel- und Mittelwert hat bei großen Losen nur eine geringe Aussagekraft zur Gesamtqualität des Gewerkes, da hierbei die Streubreite der Verteilung nicht berücksichtigt wird, und somit eventuell eine Qualität vorgetäuscht wird, die nicht vorhanden ist.

Wichtig ist bei derartigen Änderungen des Regelwerks auch für kleine Flächen eine Regelung zu finden, da diese Flächen unter anderem auch durch die Einführung der ,,Merkblätter für Planung, Konstruktion und Bau von Verkehrsflächen aus Beton" (M VaB) an Bedeutung gewinnen werden.

Die Größengrenze sollte sich hier an der für eine statistische Auswertung erforderlichen Anzahl von Werten orientieren. ­

- Wenn man die Folgen der Unterschreitung von Deckendicke und/oder Zugfestigkeit in Bezug auf die Nutzungsdauer betrachtet, erscheint die Abzugsregelung der ZTV Beton-StB sehr gering. Es sollte ein Vergleich gemacht werden zwischen den Abzugsregelungen der ZTV Beton-StB und den ,,Empfehlungen für die Abwicklung von Bauverträgen bei Anwendung der RDO Beton".

Die Abzugsregelungen sollten sich in Zukunft eher an der erzielten Nutzungsdauer statt an einer Dicke ­ egal ob Einzelwert oder Quantil ­ orientieren.

Auf der anderen Seite wäre es dann aber auch nur fair, die Mehrvergütung gleichfalls an der erzielten Nutzungsdauer zu orientieren.

Auf dieser Grundlage würde es sich auch für die Bauindustrie rechnen, Betondecken mit einer hohen Nutzungsdauer auf der Gesamtfläche herzustellen, einem Ziel, dem auch die Straßenbauverwaltung im Sinne der Straßennutzer verpflichtet ist.

Literaturverzeichnis

Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (2012): Richtlinien für die Standardisierung des Oberbaus von Verkehrsflächen (RStO), Ausgabe 2012, Köln FGSV 499

Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (2009): Richtlinien für die rechnerische Dimensionierung von Betondecken im Oberbau von Verkehrsflächen, (RDO Beton), Ausgabe 2009, Köln FGSV 497

Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (2011): Empfehlungen für die Abwicklung von Bauverträgen bei Anwendung der RDO Beton, Ausgabe 2011, Köln FGSV 867

Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (2011): Arbeitsanleitung zur statistischen Dickenauswertung von Asphalt- und Betonschichten für rechnerisch dimensionierte Verkehrsflächen (AL DA), Ausgabe 2011, Köln FGSV 429

Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (2006): Arbeitsanleitung zur Bestimmung der charakteristischen Spaltzugfestigkeit an Zylinderscheiben als Eingangsgröße in die Bemessung von Betondecken für Straßenverkehrsflächen (AL Sp-Beton), Ausgabe 2006 FGSV 410

Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (2003): Merkblatt über die statistische Auswertung von Prüfergebnissen, Teil 2: Erkennen und Behandeln von Ausreißern, Ausgabe 2003, Köln FGSV 926/2

Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (2013): Merkblat für Planung, Konstruktion und Bau von Verkehrsflächen aus Beton (M VaB), Teil 1: Kreisverkehre, Busverkehrsflächen, Rastanlagen, Ausgabe 2013, Köln FGSV 821/1

Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (2015): Merkblatt für Planung, Konstruktion und Bau von Verkehrsflächen aus Beton (M VaB), Teil 2: Stadt- und Landstraßen sowie plangleiche Knotenpunkte mit Hinweisen zur Baulichen Erhaltung, Ausgabe 2015, Köln FGSV 821/2