Die Öffentlich Private Partnerschaft (ÖPP) ist eine Beschaffungsvariante der öffentlichen Hand, welche auf den Lebenszyklus des Projektes abstellt, unterschiedliche Elemente für den Bau, die Erhaltung und den Betrieb einer Infrastruktur beinhaltet und die Finanzierung außerhalb der öffentlichen Haushalte über einen bestimmten Zeitraum regelt. Die Vertragsinhalte sind die Planung, die Finanzierung, der Neubau und Ausbau sowie Betrieb und Erhaltung einer Infrastruktur. Die Vertragslaufzeit beträgt bis zu 30 Jahren. Die Vergütung erfolgt aus Mauteinnahmen über gesamte Vertragslaufzeit. Bei der Wahl der Oberbauvariante bei ÖPPProjekten steht vor allem die normative Nutzungsdauer des Straßenbelages im Vordergrund. Gleichzeitig sind die Herstellkosten sowie der wirtschaftliche Aufwand über den Lebenszyklus von Bedeutung. Die Betonfahrbahn wird allen diesen Anforderungen gerecht. Zum einen besitzt sie ein exzellentes Gebrauchsverhalten, welches sich durch die sogenannten Gebrauchsund Substanzvorteile ausdrückt, zum anderen hat sie eine hohe Wirtschaftlichkeit. Im Rahmen des Beitrages wird der Einsatz von Betonfahrbahnendecken in den Projektphasen Planung, Bau und Betrieb am Beispiel des A-Modell BAB A 5 Malsch-Offenburg betrachtet.

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

1 Öffentlich Private Partnerschaft ­ ÖPP

Das BMVBS geht im Bundesfernstraßenbau mit sogenannten Betreibermodellen Partnerschaften zwischen Bund und Privaten ein. Die Betrachtungsweise bei Betreibermodellen umfasst den ganzen Lebenszyklus eines Projektes. Dies beinhaltet die Finanzierung, die Planung und den Neubau sowie den Betrieb und die Erhaltung des Projektes. Durch die Partnerschaft werden eine haushaltsmittelunabhängige Umsetzung von Infrastrukturprojekten, Effizienzgewinne und Neuerungen im Verkehrswegeausbau ermöglicht. Derzeit werden zwei Betreibermodelle angewendet. Zum einen das A-Modell, zum mehrspurigen Ausbau von Bundesautobahnen, zum anderen das F-Modell, für den Bau von Brücken, Tunneln, Bergpässen und mehrspurigen Bundesstraßen. Bei den A-Modellen erfolgt die Vergütung indirekt, aus der Lkw Maut. Bei den F-Modellen erfolgt die Vergütung direkt, aus einer eigens erhobenen Maut.

Im Rahmen eines A-Modells erhält ein privates Konsortium, in Form einer Projektgesellschaft (Konzessionsnehmer), eine Konzession mit der Aufgabe an einer bestehenden Bundesautobahn Fahrspuren auf eigene Kosten anzubauen (Konzessionsstrecke). Während der Konzessionslaufzeit (in der Regel 30 Jahre) muss der Konzessionsnehmer die Konzessionsstrecke betreiben und erhalten. Am Ende des Konzessionsvertrages wird die Konzessionsstrecke, in einem vertraglich festgelegten Zustand, an den Konzessionsgeber (Bund) zurückgegeben.

Somit beträgt die ,,Gewährleistung" bei ÖPP-Projekten 30 Jahre, im Vergleich zu 5 Jahren bei konventionellen Bauverträgen.

Bei ÖPP-Projekten kommt sozusagen alles aus einer Hand. Durch die Steuerung von Planung und Ausführung durch den Konzessionsnehmer während der Ausbauphase, kann die Bauzeit optimiert und dadurch verkürzt werden. Dies stellt einen Zugewinn für den Bund, den Autobahnnutzer und den Konzessionsnehmer dar. Die baustellenbedingten Verkehrsbeeinträchtigungen und die dadurch bedingten Staubildungen werden reduziert. Gleichzeitig kann der bauzeitliche Mautausfall optimiert werden. Beides zum volkswirtschaftlichen Vorteil.

Beim A-Modell BAB A 5 Malsch-Offenburg, wird die vertragliche Bauzeit um bis zu einem Jahr unterschritten.

2 Grundsatzüberlegungen

Bevor ein Großprojekt in Angriff genommen wird, müssen einige grundsätzliche Überlegungen angestellt werden. Das Bild 1 verdeutlicht die Vorgehensweise bei der technischen Lösung der Aufgabe.

Der vertraglich vereinbarte Nutzungszeitraum entspricht in den meisten Fällen der normativen Nutzungsdauer und somit dem angestrebten Zeitraum der Nutzung, welcher einer rechnerischen Dimensionierung zugrunde gelegt wird.

Belastung aus Witterung und Verkehr müssen prognostiziert werden. Die Ausfallrate der Betonfahrbahnplatten ist rechnerisch prozentual abzuschätzen, was nur mit einer rechnerischen Dimensionierung unter Beachtung der statistischen Verteilung ermöglicht wird. Der rechnerisch erreichte Zustand am Ende der normativen Nutzungsdauer wird daher als Grenzzustand bezeichnet.

Diesen Grenzzustand vorab zu bestimmen, ist eine Aufgabe der Planungs- und Dimensionierungsphase. Um diesen Wert in der Praxis zu erreichen, ja sogar noch zu unterbieten, ist einerseits die strikte Durchsetzung des Qualitätsmanagementsystems und anderseits ein engagiertes Management für den Betrieb und die Erhaltung notwendig.

Der Grenzzustand entspricht den Anforderungen nach Konzessionsvertrag.

Bild 1: Lebensdauer einer Betonstraße

2.1 Auslegung auf die Nutzungsdauer

Voraussetzung für eine Lebensdauer von 30 Jahren ist generell die fachgerechte Planung und die sachgerechte Ausführung. Bei Betrachtung der Herstellkosten, kann die Vergleichbarkeit zwischen Beton und Asphalt festgestellt werden. Die Lebenszykluskosten, werden maßgeblich durch den Aufwand der Erhaltung bestimmt. Beim Betonoberbau ist hier die Fugenpflege und gegebenenfalls der Plattenersatz im Erhaltungskonzept zu berücksichtigen. Für die Asphaltbauweise ist das Erhaltungskonzept, an der Deck- und Binderschicht zu orientieren. Hierbei ist jedoch zu berücksichtigen, dass Bitumen nicht im Preisindex dargestellt wird, was eine entsprechende Kostenprognose erschwert. Infolge der vorgenannten Parameter, wird bei ÖPP-Projekten die Betonbauweise aus wirtschaftlichen Gründen bevorzugt.

2.2 Lebensdauer einer Straße

Im Bild 2 sind die drei Stufen der Steuerungs- bzw. Einflussgrößen auf die Lebensdauer einer Straße zusammengefasst.

Für den Erfolg ist die Qualitätssicherung in allen Projektphasen entscheidend. Diese kann jedoch nachhaltig gesichert werden, wenn die betreffenden Leistungen ,,aus einer Hand" erbracht werden. Die trifft bei ÖPP-Projekten zu.

Nicht beeinflussbar sind die äußeren Einwirkungen aus Verkehr und Witterung.

Bild 2: Steuerungsgrößen für die Lebensdauer einer Straße

2.3 Vorteile des Fahrbahndeckenbetons

Die Vorteile des Betonoberbaus sind nachfolgend dargestellt.

2.3.1 Gebrauchsvorteile

- Helligkeit und dadurch eine gute Nachtsicht ­

- Lärmminderung, durch die Herstellung einer Waschbetonoberfläche ­

- Griffigkeit, als dauerhafte Eigenschaft durch die Waschbetonoberfläche ­

- keine Spurrinnen durch den hohen Verformungswiderstand ­

- lange Instandhaltungsintervalle ­

- geringe Sperrzeiten bei Instandhaltungsarbeiten ­

- geringe Verkehrsbeeinträchtigung

Die Betonfahrbahn hat insgesamt ein exzellentes Gebrauchsverhalten.

2.3.2 Substanzvorteile

- Festigkeit, wird verifiziert durch die Prüfung der Druckfestigkeit und zusätzlich bei Anwendung der RDO, ergänzt durch die Spaltzugfestigkeit,

-­ große Dauerhaftigkeit,

-­ gleichmäßige Lasteinleitung in die Tragschichten und somit in den Unterbau, ­

- hoher Verschleißwiderstand, ­

- Wiederverwendbarkeit im Sinne des Materialkreislaufes, ­

- Wirtschaftlichkeit durch die Instandhaltungsarmut, ermöglicht sicher kalkulierbare Kosten über 30 Jahre, ­

- Treib- und Schmierstoffresistenz, ­

- Nacherhärtung, ­

- kaum Alterung und keine Versprödung des Bindemittels.

3 Angaben zum Projekt

Die Via Solutions Südwest GmbH & Co. KG ist die Konzessionsnehmerin für das ÖPP-Projekt, A-Modell BAB A 5 Malsch-Offenburg. Im Bild 3 ist die Konzessionsstrecke dargestellt.

Der Konzessionsbereich befindet sich südlich von Karlsruhe und erstreckt sich von km 641+200 bis km 700+910. Die Länge beträgt 59,71 km. Im nördlichen Teilstück befindet sich eine 6-spurige Bestandsstrecke von ca. 19 km. Daran schließt sich südlich die Ausbaustrecke an. Hier wird zwischen Baden-Baden und Offenburg der 6-streifige Neubau über 41,5 km realisiert.

Bild 3: Konzessionsstrecke

Für die Planung und Ausführung des Ausbaus wurde die ARGE VCS A5, bestehend aus den Firmen EUROVIA, F. Kirchhoff und Reif, beauftragt.

Für die Betonfahrbahndecke werden durch eine Unter-ARGE, 1,17 Mio. m² Betondecke in Waschbetonbauweise, 242 km Querscheinfugen, 248 km Längsscheinfugen, 1,24 Mio. m² hydraulisch verfestigte Tragschicht und 80 km Betonschutzwand im Mittelstreifen hergestellt.

4 Aufbau und Anforderungen Fahrbahn

4.1 Oberbau

Die durchgehende Strecke sowie die Lkw-Stellflächen auf den PWC-Anlagen werden in Betonbauweise ausgeführt. Die Betondecke wird rechnerisch dimensioniert, nach RDO Beton 09. Die Herstellung der Betonfahrbahn erfolgt in zweischichtiger Gleitschalungsbauweise, mit einer Lage Unterbeton (0/22) und einer Lage Oberbeton (0/8). Die Oberfläche wird als Waschbetonoberfläche ausgeführt und entspricht somit einem lärmmindernden Belag, mit einem Korrekturwert nach DStrO = -2 db (A) gemäß RLS-90. Die Betonendfelder werden als doppelte Platte gebaut.

Brückenvorfelder, B+V-Spuren, Anschlussstellen und PWC-Anlagen werden in Asphaltbauweise hergestellt. Die Standspur und die B+V-Spuren werden nach der Bauklasse SV mit besonderer Beanspruchung nach RStO 01 dimensioniert.

4.2 Schichtenaufbau und Belastung

Im Bild 4 ist gewählte Schichtenfolge dargestellt. Dies entspricht der RDO Beton 09.

Maßgebend für eine rechnerische Dimensionierung ist die Plattengeometrie im Hauptfahrsteifen. Diese wurde mit 4,00 m Breite und 5,00 m Länge festgelegt. Die Platten sind in den Querfugen verdübelt und in den Längsfugen verankert. Es kommt keine Sparverdübelung zum Einsatz. Für die rechnerische Dimensionierung wird ein Nutzungszeitraum von 30 Jahren angesetzt. Dies entspricht den sich ändernden Konstruktions- und Materialparametern wie Betonzugfestigkeit, Auflagerbedingungen und Bedingungen der Querkraftübertragung. Der rechnerischen Dimensionierung liegt eine charakteristischen Deckendicke von 25 cm beim 10 % Quantilwert und eine charakteristische Spaltzugfestigkeit von 3,9 N/mm² beim 5 % Quantilwert zu Grunde.

Bild 4: Prinzipieller Schichtenaufbau

4.3 Qualitätskriterien

Zur Sicherstellung der Qualitätskriterien wurden in den maßgeblichen Herstellungsphasen QM-Prozesse und Prüfpläne aufgestellt sowie Versuche durchgeführt.

Im Rahmen der Arbeitsvorbereitung wurden die Baustoffe ausgewählt. Unter Einsatz verschiedener Rezepturen und Gesteinskörnungen, unter Berücksichtigung der regionalen Gesteinsvorkommen, wurden die Erstprüfungen zur Ermittlung der dimensionierungsrelevanten Spaltzugfestigkeit durchgeführt. Nach Abschluss des Performance-Tests wurden die endgültigen Rezepturen für den Baustelleneinsatz gewählt.

Zur Qualitätssicherung wurde vor dem Betonierbeginn ein Probefeld hergestellt, unter Einsatz verschiedener Oberbeton- und Unterbetonrezepturen. An den hier gewonnen Bohrkernen wurde ein sogenannter Ringversuch mit allen Baustoffprüflaboren der ARGE VCS A5 und des Konzessionsnehmers durchgeführt. Dieser gewährleistet die Übereinstimmung der Prüfprozedur für die Ermittlung der Spaltzugfestigkeit.

Während des Betoneinbaus werden die Eigenüberwachungsprüfungen durch den Auftragnehmer nach eigenen Prüfplänen und den ZTV Beton-StB 09 durchgeführt. Seiten des Auftraggebers erfolgen die Kontrollprüfungen auf Grundlage der ZTV Beton-StB 09 in Kombination mit den Übereinstimmungsprüfungen nach der AL Sp-Beton 06.

Für die fertiggestellte Leistung, wurde ein sogenanntes Konzept zum Schutz der Betondecke erstellt, in dem unter anderem der Zeitpunkt der Befahrbarkeit, Reinigungsmaßnahmen und ähnliches für den Schutz der Flächen, Fugen und Kanten geregelt ist.

Zur Standardisierung der Reparatur von herstellungsbedingten Imperfektionen wurde ein Imperfektionskatalog vereinbart, wie im Bild 5 dargestellt.

Vor der Abnahme werden gemeinsame Vorbegehungen durchgeführt, mit dem Ziel der Identifikation und Beseitigung von Mängeln bis zur Abnahme. Die Abnahme erfolgt nach den vertraglich vereinbarten Regelwerken.

Bild 5: Imperfektionskatalog

5 Bauphase

5.1 Ausbaukonzept und Bauphasen

Das Bild 6 zeigt das Ausbaukonzept für den Neubaubereich.

Der sechstreifige Ausbau erfolgt generell unter Verkehr und unter Aufrechterhaltung aller Fahrbeziehungen an den vier betroffenen Anschlussstellen. Während vier Bauphasen, von 2010 bis 2013, wird aufgeteilt auf neun Baulose, der Streckenausbau zwischen Baden-Baden und Offenburg realisiert. Die durchschnittliche Länge eines Bauloses beträgt ca. 5 km.

Pro Bauphase bzw. Jahr wird jeweils in vier Baulosen, eine Richtungsfahrbahn dreispurig neu hergestellt. Hierfür steht die Farbe Rot. An jedes Baulos schließt sich eine sogenannte Beruhigungsstrecke an, in welcher die zwei Fahrspuren wieder auf getrennten Richtungsfahrbahnen geführt werden. Hellgrau dargestellt ist der zweispurige Bestand, welcher in den Baulosen den 4+0-Verkehr aufnehmen muss. Die Farbe Dunkelgrau zeigt die bereits fertigen dreispurigen Richtungsfahrbahnen, welche in den Losen den 4+0-Verkehr aufnehmen.

Bild 6: Ausbaukonzept Neubau

5.2 SOLL-IST-Vergleich Dimensionierung

Nach der ersten Dimensionierung, vor Beginn der Bauausführung, waren die charakteristischen SOLL-Werte für Spaltzug mit 3,7 N/mm² und für die Deckendicke mit 26 cm festgelegt. Die Ergebnisse aus der ersten Bauphase 2010, haben gezeigt, dass die charakteristischen IST-Werte, die SOLL-Vorgaben für Spaltzug und Deckendicke sehr deutlich übertroffen haben. Dies ist durch die gleichmäßige Herstellungsqualität und die geringen Abweichungen begründet. Durch diese Qualitätssteigerung konnte die Betondecke für die folgenden Bauphasen optimiert werden. Für die Bauphase 2011 und folgende wurde die Betondecke neu dimensioniert, mit dem charakteristischen SOLL-Wert von 3,9 N/mm² für die Spaltzugfestigkeit. Hieraus ergab sich eine charakteristische Deckendicke von 25 cm als SOLL-Wert.

Im Bild 7 sehen wir eine Auswahl von Ergebnissen aus der Bauphase 2012. Die charakteristische Deckendicke in situ ist mit 25,2 cm eingehalten, die charakteristische Spaltzugfestigkeit des Oberbetons liegt bei 4,1 N/mm², die des Unterbetons bei 4,6 N/mm².

Die Werte 2012 sind mit den bis dato (Herbst 2013) vorliegenden Ergebnissen aus 2013 bestätigt.

Bild 7: Spaltzugfestigkeit und Deckendicke 2012

6 Betriebs- und Erhaltungsphase

Die gewählte Oberbauvariante erfordert über die Vertragslaufzeit keine griffigkeitsverbessernden Maßnahmen, da durch die Herstellung der Waschbetonoberfläche eine Griffigkeitsreserve vorliegt. Durch die Entscheidung für die Betonbauweise werden keine Maßnahmen zur Einhaltung der Anforderungen bezüglich Querebenheit sowie der lärmmindernden Wirkung -2dB(A) erforderlich.

Das Erhaltungskonzept basiert auf einem Plattenausfall bzw. Plattenersatz in Relation zur rechnerischen Dimensionierung. Des Weiteren sieht die Erhaltungsplanung einen regelmäßigen Austausch des Fugenverschlusses bei gleichzeitiger Kantensanierung vor. Neben der Tatsache, dass die Fugenpflege die wichtigste Maßnahme zur Funktionserhaltung einer Betonfahrbahn darstellt, ist diese auch proaktiv zu betreiben, zur Vermeidung von gravierenden Verkehrsbeeinträchtigungen infolge umfangreicher Reparaturarbeiten.

7 Fotos

Bild 8: Verkehrsaufkommen (am Tage), Anforderung für das Bauen unter Betrieb

Bild 9: PWC-Anlage ,,Achern West", Lkw-Stellflächen aus Beton

Bild 10: Waschbetonoberfläche

Bild 11: Das Ei des Projektes, das ,,Offenburger-Ei"

Bild 12: Schichtbeginn, Tagesansatz, geschnitten, verdübelt und neu angesetzt, keine Lückenfelder

Bild 13: Nachteinbau, kein Staurisiko beim Transport, geringere Temperaturen, keine unmittelbare Sonneneinstrahlung nach Herstellung

Bild 14: Oberflächenschluss und Plattennummern

Bild 15: Fertige Betondecke

Bild 16: Schichtende, aufgetragenes Kombinationsmittel (Nachbehandlung und Oberflächenverzögerer)

Bild 17: ,,Kontrollprüfungen in situ" (links) Druckfestigkeit Frischbeton (rechts) Druckfestigkeit Festbeton

8 Ergebnisse und Diskussion

Die infolge der rechnerischen Dimensionierung erforderliche Ermittlung der Spaltzugfestigkeit gibt mehr Sicherheit zur Abschätzung des Langzeitverhaltens der Betonfahrbahn.

Der hohe Labor- und Prüfaufwand sowie die Durchsetzung einer gleichbleibenden, hohen Ausführungsqualität wirken sich positiv auf das Endprodukt ,,Betonfahrbahndecke" aus.

Eventuell höhere Kosten in der Bauphase werden durch das Erreichen der geforderten Parameter über die Laufzeit der Konzession wieder ausgeglichen.

Die erforderlichen Deckendicken sowie Festigkeiten werden in allen Baulosen erreicht bzw. übertroffen. Die zusätzlichen Tragreserven infolge der Nacherhärtung des Festbetons, sind dabei noch nicht berücksichtigt.

Bild 18: Vorher und nachher

Bedingt dadurch, dass die Fertigstellung und Inbetriebnahme der gesamten Betonfahrbahn erst Ende 2013 erfolgt, liegen derzeit (Herbst 2013) noch keine Erfahrungswerte vor. Über diesen kann in drei bis vier Jahren im Rahmen einer Folgeveranstaltung berichtet werden.

ÖPP-Modelle haben durch die Vereinigung von Planung, Bau, Betrieb und Erhaltung einen automatischen Qualitätssicherungsmechanismus.

Literaturverzeichnis

K r a u s e, J.: Betondeckenbau bei Betreibermodellen, Vortrag VSVI Niedersachsen, Seminar Betondeckenbau 2013

V i l l a r e t, S.; K r a u s e, J.: Dauerhafte Betondecken für hohe Verkehrsbelastungen, Vortrag zum Deutschen Straßen- und Verkehrskongress 2012 in Leipzig