Die aktuell geführten Diskussionen über den Zustand unserer Infrastruktur und insbesondere der Straßeninfrastruktur zielen auf Fragen der Erhaltung dieses enormen Anlagevermögens. Diese Fragestellungen sind wesentlicher Inhalt der Arbeitsgruppe „Infrastrukturmanagement“ und damit Gegenstand des Managements der Straßenerhaltung und Thema des gleichnamigen Arbeitsausschusses. Schon Anfang der 1980er Jahre wurde erkannt, dass sich der Zustand, der bis dahin unter Verkehr genommenen Straßen und Brücken dramatisch verschlechtern könnte, sollte nicht rechtzeitig eingegriffen werden. Nach dem umfangreichen und schnellen Ausbau der Straßennetze in Westdeutschland sollte das Augenmerk daher zunehmend auf die Straßenerhaltung gelegt werden. In der Folge wurde im Rahmen des Schwerpunktprogramms der FGSV von Prof. Schmuck das Konzept zur „Systematischen Straßenerhaltung“ entwickelt. Das Infrastrukturmanagement Straße umfasst alle Anlagenteile der Straße, das heißt Fahrbahnen, Ingenieurbauwerke und die sonstigen Anlagenteile sind gleichermaßen Gegenstand der systematischen Erhaltungsplanung. Wesentliche Voraussetzung für die Erhaltungsplanung sind aktuelle Informationen über den Zustand der Anlagenteile. Nach einer Piloterfassung konnte bereits 1992 mit der systematischen messtechnischen Zustandserfassung und der Zustandsbewertung gestartet werden, die sich in dieser Form schnell als ZEB institutionalisierte und nunmehr im Vier-Jahres-Intervall durchgeführt wird. Durch die regelmäßigen Erfassungen unterliegt das Verfahren einem kontinuierlichen Verbesserungsprozess. Entwicklungsschwerpunkte werden die Arbeitsfelder der erweiterten Beschreibung von Substanzmängeln und die Einbeziehung von Elementen des Monitoring zur Verbesserung der Grundlagen zur Ableitung von Verhaltensfunktionen sein.

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

1 Einleitung

Zahlreiche Meldungen in den Medien, viele Fachbeiträge und nicht zuletzt jüngste Reaktionen auf politischer Seite haben den Zustand unserer Infrastruktur – insbesondere der Fahrbahnen und Brücken – in den Fokus der Öffentlichkeit gerückt. Die Frage des Erhaltungszustandes hat für die Leistungsfähigkeit der Straßeninfrastruktur und damit für den Wirtschaftsstandort Deutschland eine immense Bedeutung.

Die dauerhafte und nachhaltige Sicherung der Mobilität auf unserem bestehenden Straßennetz mit dem Schwerpunkt auf den Bundesfernstraßen ist Herausforderung und permanente Aufgabe.

Schon Anfang der 1980er Jahre wurde – alarmiert durch Meldungen aus Amerika über den Zustand der Straßen und Brücken, die dramatisch mit „our broken roads“ umschrieben waren – erkannt, dass nach dem Bauboom der 1960er und 1970er Jahre das geschaffene Anlagevermögen eine systematische Erhaltung erfordert.

Bereits 1982 wurde dann der Arbeitsausschuss „Systematik der Straßenerhaltung“ in der FGSV etabliert. Mit großem Engagement wurden sukzessive die Grundlagen für das Erhaltungsmanagement des Straßennetzes der Bundesrepublik entwickelt und in der Praxis erprobt.

Die grundsätzlichen Prozessschritte eines Erhaltungsmanagementsystems sind in dem angepassten Managementkreis wiedergegeben (Bild 1).

Bei ganzheitlicher Betrachtung, das heißt unter Einbeziehung aller Anlagenteile, dem sogenannten Asset Management, müssen wir uns heute die Frage stellen, was haben wir bisher erreicht auf dem Weg zur systematischen Erhaltung der Straßeninfrastruktur, wo stehen wir und wo wollen, müssen wir hin?

Welche Werkzeuge, Methoden, Verfahren stehen zur Verfügung um die Fragen wo, wann, was und auch wie für alle Anlagenteile der Straßeninfrastruktur im Sinne der Nachhaltigkeit zu beantworten?

Für die Standortbestimmung ist es wichtig, die Entwicklungsphasen auf dem Weg zum Asset Management mit den wichtigsten Meilensteinen näher zu beleuchten und die Weiterentwicklungspotenziale aufzuzeigen.

Bild 1: Management-Kreis

2 Auf dem Weg zu einem effizienten Erhaltungsmanagement

Das Konzept der Systematik der Straßenerhaltung in der Bundesrepublik Deutschland wurde in seinen Grundzügen bereits Anfang der 1980er Jahre von Prof. Schmuck entwickelt und seitdem durch umfangreiche Forschungen wissenschaftlich begleitet. Wichtige Entwicklungsschritte und die entsprechenden technischen Regelwerke sind im Bild 2 dargestellt.

Maßgebliche Voraussetzung für die Entwicklung der Erhaltungsstrategien ist die aktuelle Kenntnis über den Zustand insbesondere der Brücken und Fahrbahnen.

Der FGSV-Arbeitsausschuss 9.15 „Systematik der Straßenerhaltung“ hat es daher als vordringliche Aufgabe angesehen neben den Erhaltungsmanagementmodulen die Grundlagen für die Zustandserfassung und -bewertung der Fahrbahnen aufzustellen und in die praktische Anwendung umzusetzen. Neben der anfänglich betont visuellen Erfassung der Zustandsindikatoren wurden auch die Möglichkeiten der messtechnischen Zustandserfassung statisch und dynamisch recherchiert.

So waren zum Zeitpunkt des Beschlusses 1988 in Oberreifenberg, mit der Zustandserfassung auf den Autobahnen zu beginnen, bereits wesentliche Informationen zu Messsystemen verfügbar. Somit konnten 1990 mit der Teilersterfassung auf ca. 3.000 km ausgewählter Autobahnabschnitte erste Erfahrungen mit schnell fahrenden Messsystemen gemacht werden.

Die 1992 durchgeführte und im gleichen Jahr auch abgeschlossene Ersterfassung der Bundesautobahnen war erfolgreich und überzeugend, so dass ab 1993 die messtechnische Zustandserfassung auf den Bundesstraßen fortgesetzt werden konnte. Die Erfassungs- und Bewertungsmethode und die Verfahrenstechnik haben sich in der Folge als ZEB – Zustandserfassung und -bewertung von Straßen – etabliert.

Bild 2: Meilensteine zum Erhaltungsmangement

Seit 1997 wird die ZEB im Vier-Jahres-Intervall durchgeführt. Damit steht ein umfangreiches, standardisiert erfasstes und aufbereitetes Datenmaterial aller Bundesfernstraßen über einen Zeitraum von 16 Jahren, das sind vier komplette Messkampagnen unmittelbar für die Überführung in die Erhaltungsmanagementsysteme aber auch für weitergehende, aufgabenorientierte Nutzanwendungen zur Verfügung.

Die Erhaltung der Straßeninfrastruktur ist ein Planungsprozess. Eine wesentliche Grundlage für die Prozesssteuerung und das Verwaltungshandeln war die Herausgabe der „Richtlinien für die Planung von Erhaltungsmaßnahmen an Straßenbefestigungen“ (RPE-Stra 01) im Jahr 2001. Für den kommunalen Bereich folgten 2003 die „Empfehlungen für das Erhaltungsmanagement von Innerortsstraßen“ und deren erste Fortschreibung 2012.

Mit den ZTV ZEB-StB wurde auf der Grundlage der vielseitigen Erfahrungen seit 1992 einerseits ein Vertragswerk für die Zustandserfassung und -bewertung von Straßen geschaffen und gleichzeitig der gesamte Prozess und die Verfahrenstechnik als Technisches Regelwerk herausgegeben.

Mit den kontinuierlich durchgeführten Jahresmessungen ist ein fortlaufender Verbesserungsprozess verbunden. Heute verfügen wir über ein ausgereiftes und ständig weiterentwickeltes, nutzerorientiertes Verfahren ZEB für die messtechnische Zustandserfassung mit schnell fahrenden Messsystemen.

3 Das Management der Straßenerhaltung

3.1 Pavement-Management-System (PMS)

In Deutschland wurden für das Erhaltungsmanagement in den 1990er Jahren die Grundlagen für die rechnergestützte Erhaltungsplanung geschaffen. Die in der FGSV entwickelten Standards eines Pavement-Management-Systems (PMS) (s. Bild 3) wurden in eine Software kanadischen Ursprungs implementiert. In den letzten zwei Jahrzehnten initiierte der FGSV-Arbeitsausschuss 9.15 (ab 2003 AA 4.1) eine sehr intensive Forschung und es wurden weitere Module des PMS entwickelt, die bei der bevorstehenden Neuprogrammierung umsetzungsreif eingebunden werden.

Bild 3: Das Pavement-Management-System

Der Baustein PMS-I/O steht in erweiterter Version jetzt schon zur Verfügung. Dies ist ein maßgeblicher Schritt für eine effiziente Nutzung des PMS.

Weiterentwicklungsbedarf gab es für das Modul „Substanzwert (Bestand)“ (AP 9, Reihe S). Das laufende Forschungsprojekt „Weiterentwicklung des Substanzwertes Gesamt im PMS“ wird die identifizierten Schwächen beheben und mit den jüngsten Erkenntnissen zum Substanzwertverzehr einen modifizierten Gesamtwert Substanz vorschlagen.

3.2 Erhaltungsplanung

Das Vorgehen und die Grundlagen bei der systematischen Erhaltungsplanung sind in den

– RPE-Stra 01 – „Richtlinien für die Planung von Erhaltungsmaßnahmen an Straßenbefestigungen“ und den

– E EMI – „Empfehlungen für das Erhaltungsmanagement von Innerortsstraßen“

aufgezeigt und an Beispielen verdeutlicht.

Die Prozessschritte einer systematischen Erhaltungsplanung nach den RPE-Stra (Bild 4) finden ihren Startpunkt in der Beurteilung der Netzqualität. Zukünftig ist dieses Situationsbild von noch größerer Bedeutung durch die politische Forderung der zweijährigen Zustandsberichte. Inhalt ist der Oberflächenzustand (ZEB), der Befestigungszustand, sonstige Netz- und Anlagenteile und die Bildung homogener Abschnitte.

Über die Stufen: Entwicklung der Erhaltungsstrategie, Ermittlung des Erhaltungsbedarfs und schließlich Ableitung von Maßnahmenbereichen ergibt sich ein Erhaltungsprogramm. Danach gilt es die identifizierten Erhaltungsmaßnahmen konkret zu analysieren und schließlich objektscharf ein Bauprogramm aufzustellen. Den Abschluss bildet die Dokumentation der Zustands- und Bestandsveränderungen.

Bild 4: Prozessschritte einer systematischen Erhaltungsplanung

Bei ganzheitlicher Betrachtung ist die Planung der Erhaltung der Straßenbefestigungen nur ein Teil der systematischen Erhaltungsplanung der Straßeninfrastruktur. Die nachfolgende Darstellung (Bild 5) zeigt die für die Weiterentwicklung und Fortschreibung der bestehenden Regelwerke erarbeitete erweiterte Systematik der Erhaltungsplanung für das Infrastrukturmanagement.

Übergeordnet handelt es sich um die Erhaltungsplanung der Straßeninfrastruktur mit den Anlagenteilen Fahrbahn, Ingenieurbauwerke und Sonstige Anlagenteile (RPE FB, ING, SAT). In der heutigen Struktur des Technischen Regelwerkes sind es Richtlinien für die Planung der Erhaltungsmaßnahmen. Zukünftig könnten diese auch Teil eines Handbuches „Asset-Management“ oder besser „Management der Straßenerhaltung“ sein.

Zur Verbesserung der Planungsinstrumentarien sind aktuell folgende Forschungen und Aktivitäten zu nennen:

– FE: Abschätzung der Erhaltungsintervalle von Fahrbahnbefestigungen für ein nachhaltiges Erhaltungsmanagement

– FE: Verfahren zur Bildung und Beschreibung zustandshomogener Abschnitte und repräsentativer Kennzahlen

– FE: Einflussgrößen des Erhaltungszustandes von Fahrbahnbefestigungen auf den Verkehrsablauf und den Straßenbetriebsdienst

– FE: Klimawandelstabile Erhaltungsstrategien für eine nachhaltige Gewährleistung der Verkehrssicherheit

– Die Einrichtung der Dauermessstrecke seit 2011.

Bei allen Themen tritt der Aspekt der Nachhaltigkeit auf. Die Frage der Einbeziehung der Nachhaltigkeit bei der Straßenerhaltungsplanung hat sich der Arbeitsausschuss gestellt und ein Konzept für das weitere Vorgehen entwickelt.

Bild 5: Ganzheitliches Konzept der Erhaltungsplanung

3.3 Nachhaltigkeit im Erhaltungsmanagement

Eine erste Orientierung zur Einbeziehung der Aspekte der Nachhaltigkeit im Erhaltungsmanagement bot sich über die in anderen Fachgebieten des Bauwesens bereits aufgestellten Modellen an:

– Die drei Säulen der Nachhaltigkeit: Ökonomie – Ökologie – Soziales

– Die Bewertung nach den Kritieren: Ökonomische Qualität – Ökologische Qualität – Soziokulturelle- und funktionale Qualität und erweitert Technische Qualität und Prozessqualität.

Im Konzept soll die Nachhaltigkeit bei der Erhaltungsplanung inhaltlich nach

– strategischer Nachhaltigkeit und

– operativer Nachhaltigkeit unterschieden werden.

Danach werden unter strategischer Nachhaltigkeit die Aufgaben

– Mittelfristige Erhaltungsplanung aller Anlagenteile der Straßeninfrastruktur und

– nachhaltige Bereitstellung eines gebrauchsfähigen, sicheren und anforderungsgerechten Straßennetzes als Beitrag zur Sicherstellung der Mobilität

einzuordnen sein.

Die operative Nachhaltigkeit umfasst

– Maßnahmenplanung nach ökologischen, ökonomischen und soziokulturellen Aspekten von der Bauvorbereitung bis zur Bauabnahme

– Berücksichtigung unter anderem folgender Aspekte

• Koordinierung der Maßnahmen der betroffenen Anlagenteile

• Einsatz erhaltungsfreundlicher Bauweisen

• Ressourcenschonende Bauverfahren

• Optimierung der Oberflächeneigenschaften hinsichtlich Griffigkeit und Lärmemissionen

• Optimierung der Einbaubedingungen

• Optimierung der Verkehrsführung während der Bauphase.

Diese Überlegungen werden zurzeit in einem Positionspapier für die Fortschreibung der RPE-Stra, der zukünftigen RPE-FB ausgearbeitet.

3.4 Zustandserfassung und -bewertung – ZEB

In der Bund/Länderveranstaltung 1988 in Oberreifenberg wurden die maßgeblichen Entscheidungen für das Erhaltungsmanagement in der Bundesrepublik getroffen. Die für das weitere Vorgehen wichtigste Entscheidung war der Beschluss mit der Zustandserfassung auf den Autobahnen zu beginnen. Mit diesem Startjahr sind es jetzt 25 Jahre Zustandserfassung und -bewertung auf den Bundesfernstraßen. Damit verbunden sind vielseitige Entwicklungen und Innovationen in der messtechnischen, netzweiten Zustandserfassung. Aber auch der Bereich der Bewertung und Auswertung des umfangreichen Daten- und Bildmaterials hat die Effizienz der Erfassung und auch die Nutzanwendung stark beeinflusst. Ein besonderer Schwerpunkt lag hier von Beginn der Erfassungen an auf der Visualisierung der Messdaten und Ergebnisse. Wir verfügen heute über einen sehr hohen Standard und haben über Online-Zugriffe eine zeitnahe Bereitstellung der erfassten Zustandsinformationen.

Im ZEB-Verfahren erfolgt die Zustandserfassung und Zustandsbewertung in vier Teilprojekten:

– Teilprojekt 1: Ebenheit im Längs- und Querprofil

– Teilprojekt 2: Griffigkeit

– Teilprojekt 3: Substanzwert (Oberfläche)

– Teilprojekt 4: Prüfungen, Bewertung und Auswertung.

Messtechnisch wurden über die Jahre enorme Weiterentwicklungen vollzogen. Die ursprünglichen Geräteausstattungen und Verfahrenstechniken zeigt das Bild 6.

Bild 6: ZEB – Teilprojekte und Erfassungssysteme der Ersterfassung

Im Teilprojekt 2 – netzweite Erfassung der Griffigkeit hat sich das Seitenkraftmessverfahren für große Straßennetze durchgesetzt. Außer der Namensänderung von SCRIM zu SKM sind in der Erfassungstechnik und der zeitlich befristeten Betriebszulassung keine Veränderungen bzw. Weiterentwicklungen zu verzeichnen.

Eine wesentliche Weiterentwicklung wurde mit der gemeinsamen Erfassung der Teilprojekte TP 1 und TP 3 (Bild 7) erreicht. Der entscheidende Vorteil liegt in der Gleichzeitigkeit und damit der eindeutigen zeitlichen und örtlichen Zuordnung.

Bild 7: Messfahrzeug für TP 1 und 3

Inzwischen wurde bereits bei der letzten Bundesstraßenerfassung ein Messfahrzeug mit einem Laserscanner eingesetzt. Hiermit wird ein 3-D-Modell der Fahrbahnoberfläche (Digitales Fahrbahnoberflächen-Modell) erzeugt. Damit ist eine Grundlage für vielfältigste Auswertungen geschaffen. Die Erwartungen für erweiterte Auswertungen der Oberflächeneigenschaften sind sehr groß und schließen verbesserte Indikatoren zur Beurteilung der strukturellen Substanz ein.

Bild 8: Erfassungsfahrzeug für TP 1+3 mit Laserscanner

Das Thema Substanzbewertung ist seit Jahren von vielseitigem Interesse und zahlreiche Forschungen haben zum Ziel den Substanzwert zu beschreiben, die Prognose des mechanischen Verhaltens der Fahrbahnbefestigungen zu ermöglichen und den sogenannten Restwert zu ermitteln. Flächendeckende Aussagen sind bisher nur bedingt möglich.

Bei der netzweiten Erfassung werden über das Oberflächenbild gewisse Indikatoren für den strukturellen Zustand aufgezeichnet. Hier besteht ein erheblicher Bedarf, diese Aussagen zu verbessern und den Zustand konkreter zu lokalisieren und zu beschreiben.

Mit den heute verfügbaren messtechnischen Möglichkeiten einerseits im Fahrzeug mitgeführt und andererseits bei Baumaßnahmen installiert dürften in naher Zukunft wesentlich verbesserte Aussagen zur strukturellen Substanz möglich sein. Die Einbeziehung der erweiterten messtechnischen Möglichkeiten, Einbeziehung der Sensortechnik in Kombination mit einer dezidierteren Erfassung des Oberflächenbildes wird zu einem aussagefähigen Gesamtwert Substanz führen.

Schon bei der Konzeption der Zustandserfassung und bei der Auswahl der zu erfassenden Zustandsindikatoren waren Texturmessungen einbezogen. Gesteigerte Anforderungen an die Oberflächeneigenschaften der Fahrbahnen haben netzweite Texturmessungen wieder in die Diskussion gebracht.

Die Themen berührungslose Griffigkeitsmessungen und Rollgeräuschmessungen sowie die Erfassung des Rollwiderstands und der Rautiefen (Mean Profile Depth) sind Anlass zu prüfen, in welcher Weise derartige Messungen in das ZEB-Verfahren eingebunden werden können/sollen.

In der Zustandsbewertung wird es grundsätzliche Veränderungen geben. Die Umsetzung der Forschungsergebnisse aus FE 4.212 „Aktualisierung der Zustandserfassung und -bewertung“ betrifft im Wesentlichen

– Normierung und Wertsynthese

– Zustandsklassen

– Bewertungsrelevante Zustandsgrößen im TP 3

– Bewertetes Längsprofil.

Noch fehlen entscheidungsfähige Grundlagen für die Bestimmung merkmalsspezifischer Abschnittslängen.

3.5 Auswertungen, erweiterte Nutzanwendung der ZEB Ergebnisse

Die Aufnahmen der Makro- und Frontbildkameras haben heute eine hohe Qualität, die es ermöglicht, die Schadensbilder der Fahrbahnoberfläche präziser zu erfassen und zuzuordnen. Damit lassen sich auch bei der netzweiten Zustandsaufnahme der Oberflächenbilder deutliche Verbesserungen bei der Auswertung erzielen.

Darüber hinaus sollten zukünftig erweiterte Auswertungen vorgesehen werden für

– Zustandsindikatoren der Substanzmerkmale (Oberfläche) nach Typ, Lage, Ausprägung

– Charakteristische Unebenheiten

– Zweistufige Auswertung: ZEB-Standard und danach die identifizierten Schadensabschnitte umfassender

– Aufgabenorientierte Zustandsanalysen, netz- und objektbezogen auf Basis der Rohdaten (wird heute schon vielfach genutzt)

– Zustandshomogene Abschnittsbildung

– Kennzahlen zur Netzqualität und Zustandsveränderungen.

Erweiterte Auswertungen stehen unter dem Stichwort „2-jähriger Zustandsbericht“ schon in nächster Zeit im Fokus der Verantwortlichen. Die aufgezeigten Möglichkeiten sind jetzt für die gezielten Fragen aufzubereiten und für einzelne Themenfelder Standardauswertungen zu konzipieren.

4 Ausblick

In der Arbeitsgruppe Infrastrukturmanagement ist die Weiterentwicklung eines umfassenden Erhaltungsmanagements unserer Straßennetze weiterhin oberstes Ziel. Die dafür notwendige ganzheitliche Betrachtung unter Einbeziehung aller Anlagenteile der Straße, das sind Brücken- und Ingenieurbauwerke, Fahrbahnbefestigungen und die Sonstigen Anlagenteile, hat in Teilbereichen des Infrastrukturmanagements inzwischen Eingang gefunden.

Die Erhaltungsbedarfsprognosen, z. B. im Rahmen des BVWP, werden unter Einbeziehung aller Teile der Straßenanlage durchgeführt. Bei der Fortschreibung der „Richtlinien für die Planung von Erhaltungsmaßnahmen an Straßenbefestigungen“ (RPE-Stra) wird unter diesem Titel die Erhaltungsplanung der Straßeninfrastruktur verstanden und auch konzeptionell umgesetzt. In gleichem Sinne wird die zukünftig zu berücksichtigende Nachhaltigkeitsbewertung in der Erhaltungsplanung ausgerichtet werden.

Aufgezeigt wurden die Verbesserungs- und Weiterentwicklungspotenziale in den Aufgabenfeldern PMS, Erhaltungsplanung, ZEB und nicht zuletzt erweiterte Auswertungen aller verfügbaren Informationen aus der Zustandserfassung.

Vorrangig gilt es die Substanzbewertung zu verbessern und flächendeckende Beurteilungsmöglichkeiten zu schaffen. Einen wesentlichen Beitrag kann hier die ZEB liefern, einerseits durch die bereits eingesetzte Laserscanner-Technik und andererseits durch verbesserte und erweiterte Auswertungen der Oberflächenbilder. Über das digitale Fahrbahnoberflächenbild dürften schon in naher Zukunft charakteristische Unebenheiten als möglicher Indikator struktureller Schädigungen zu beschreiben sein. Wichtig ist auch die Zustandsveränderungen aufgabenorientiert zu erfassen.

Im Sinne der „Innovativen und intelligenten Straße“ (Forschungsprogramm Straße des 21. Jahrhunderts) gilt es unter anderem die Möglichkeiten, die die Sensortechnik bietet, zu nutzen und bei der Zustands- und Bestandsdatenerfassung einzusetzen. Einen weiteren Beitrag könnten monitoring basierte Überwachungen repräsentativer Streckenabschnitte zum mechanischen Verhalten der Straßenkonstruktion und zu den Schadensentwicklungen liefern.

Die aufgezeigten Weiterentwicklungspotenziale und Verbesserungen auf dem Weg zu einem effizienten Erhaltungsmanagement aller Anlagenteile der Straßeninfrastruktur sind vielversprechend und einige könnten schon in naher Zukunft umgesetzt werden.

Der Arbeitsausschuss 4.1 „Management der Straßenerhaltung“ wird die hier entwickelten Konzepte und Überlegungen konkret angehen und für die praktische Umsetzung aufbereiten.