Der Fachvortrag zur Veranstaltung ist im Volltext verfügbar. Das PDF enthält alle Bilder und Formeln.
1 Einführung
Das Ziel des Erhaltungsmanagements lässt sich relativ einfach beschreiben: „langfristige Sicherung der Mobilität von Wirtschaft und Gesellschaft“. Mit diesen Worten aus dem Allgemeinen Rundschreiben (ARS) 26/2001 [1] wurden die anzustrebenden Ziele zukünftiger Erhaltungsstrategien „eindeutig“ aufgezeigt. „Mobilität von Wirtschaft und Gesellschaft“ bedeutet gleichzeitig „...auch zukünftig den Verkehrsteilnehmern eine ausreichende Qualität der Verkehrswege zu sichern...“. Um insbesondere der Bedeutung der Erhaltung der Bundesfernstraßen noch einmal zusätzlich Nachdruck zu verleihen, wurden daher im Bundesverkehrswegeplan 2003 [2] die finanziellen Mittel für die Erhaltung deutlich erhöht.
Obwohl das im Bundesverkehrswegeplan (BVWP) angestrebte Ziel, im Jahr 2015 die Bundesautobahnen lediglich wieder auf das Qualitätsniveau der alten Bundesländer von 1990, die Bundesstraßen auf das Qualitätsniveau von 2000 zu bringen und insgesamt bis 2015 ein einheitliches stabiles Substanzniveau zu erreichen, im ersten Moment eher bescheiden zu sein scheint, stellt dieses Ziel in der Realität eine nicht ganz einfache Aufgabe dar.
2 Ausgangssituation
Das Straßennetz in Deutschland umfasst ca. 12 000 km Bundesautobahnen, über 41 000 km Bundesstraßen, 87 000 km Landesstraßen, 91 000 km Kreisstraßen und 395 000 km Gemeindestraßen. Insgesamt entspricht das deutsche Straßennetz von ca. 626 000 km einem Bruttoanlagevermögen von über 470 Mrd. Euro. Allein auf die Bundesfernstraßen, d. h. Bundesautobahnen und Bundesstraßen, mit insgesamt 53 000 km entfallen davon bereits über 175 Mrd. Euro.
Die Altersstruktur des deutschen Straßennetzes kann am einfachsten am Beispiel der Entwicklung des Autobahnnetzes in den alten Bundesländern veranschaulicht werden. In den Jahren 1965 bis 1985 wurden verstärkt Bundesautobahnen neu gebaut (Bild 1). In Anbetracht der durchschnittlichen Lebensdauer üblicher Bauweisen sind 30 Jahre sehr viel. Nach bisherigen Erfahrungen muss davon ausgegangen werden, dass bei diesem Teil des Bestandes in den nächsten Jahren eine Grunderneuerung erforderlich ist. Das heißt, die Deck-, Binder- und zum Teil auch Tragschichten müssen erneuert werden. Die verstärkte Neubautätigkeit fordert heute ihren Tribut: verstärkte Instandsetzungs- und Erhaltungsmaßnahmen entsprechend der verstärkten Neubautätigkeit vor über 30 Jahren.
Bild 1: Entwicklung des Autobahnnetzes
Erschwerend kommt hinzu, dass heute viele dieser Strecken unter einer sehr hohen Verkehrsbelastung liegen, einer Verkehrsbelastung, welche in diesem Ausmaß nicht vorhersehbar war. Einerseits hat die Verkehrsleistung von Personen- und Güterverkehr erheblich zugenommen, andererseits haben aber auch politische Veränderungen und Entscheidungen – wie zum Beispiel deutsche Einheit, Erweiterung des europäischen Binnenmarktes oder Erhöhung der zulässigen Achslasten – zu drastischen Belastungsänderungen von Straßen und Brücken im „Transitland Deutschland“ geführt.
Trotz intensiver Anstrengungen im Rahmen von integrierten Verkehrskonzepten mehr Verkehr auf die Schiene bzw. die Wasserstraßen zu verlagern, werden momentan immer noch über 65% des gesamten Güterverkehrs und 82% des gesamten Personenverkehrs auf der Straße abgewickelt. Allein die Bundesautobahnen übernehmen 30% der gesamten Verkehrsleistung; obwohl ihr Anteil am Straßennetz lediglich 2% beträgt. Und die Verkehrsprognosen verheißen für die nächsten Jahre nichts Gutes. Durch den erweiterten europäischen Binnenmarkt werden besonders die Verkehrsleistungen im Güterverkehr weiter stark zunehmen.
Bild 2: Straßenschäden
Zusammenfassend lässt sich die momentane Situation auf den deutschen Straßen - ebenso wie das Ziel des Erhaltungsmanagements - mit wenigen Worten beschreiben: viel Verkehr, zahllose Staus, Baustellen, viele Abschnitte mit schlechtem Straßenzustand (Bild 2), zum Teil unterdimensionierte Fahrbahnen und sogar Strecken, die in einem so schlechten Zustand sind, dass sie nicht mehr weit davon entfernt sind, gesperrt zu werden.
3 Erhaltungsmanagement
Das Erhaltungsmanagement wurde entwickelt, um mittels einer systematischen Straßenerhaltung einen nicht mehr zu beherrschenden Erhaltungsnachholbedarf zu vermeiden. Neben stark begrenzten finanziellen Mitteln gibt es aber noch zwei weitere Randbedingungen, welche nicht zu unterschätzen sind.
Zum einen die personellen Grenzen: fast alle Straßenbauverwaltungen haben ihre Verwaltungen umstrukturiert und bauen kontinuierlich Personal ab. Bedauerlicherweise geht bei diesen Einsparungsmaßnahmen sehr viel Wissen und Erfahrung verloren und immer weniger Personal muss mit dem steigenden Erhaltungsaufwand „irgendwie zurechtkommen“. Zum anderen gibt es aber auch baubetriebliche Grenzen. Besonders auf stark belasteten Strecken sind Baumaßnahmen eine erhebliche Behinderung des Verkehrsflusses. Kilometerlange Staus sind die Folge. Doch diese Probleme einfach in die Zukunft zu verschieben, ist keine Lösung. Der Verkehr nimmt ständig zu und die Straßen werden immer schlechter. Der einzige Weg ist eine netzweit optimierte und koordinierte Erhaltungsplanung, deren Ziel es ist, trotz zunehmender Anzahl an erforderlichen Baumaßnahmen die Eingriffe ins Verkehrsgeschehen möglichst zu minimieren. Hierbei bedeutet netzweite Optimierung nicht nur die Optimierung für die einzelnen Bundesländer, sondern auch die Optimierung für das gesamte Straßennetz in Deutschland.
Um dieses Ziel erreichen zu können wurde die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) mit der „verstärkten Unterstützung des BMVBW auf dem Gebiet der Erhaltung der Bundesfernstraßen“ beauftragt. Die für dieses Vorhaben 2002/2003 erarbeitete abteilungsübergreifende Konzeption wird bereits Schritt für Schritt umgesetzt (Bild 3). Eine der wichtigsten Entwicklungen aufgrund dieser Konzeption ist die Bildung einer Koordinierungsgruppe BMVBW/BASt. Diese Gruppe ist zugleich ein weiterer Schritt, die Bereiche „Straße“ und „Bauwerke“ zukünftig noch besser aufeinander abzustimmen.
Als Grundlage für die koordinierte Erhaltungsplanung (KEP) dienen die „Richtlinien für die Planung von Erhaltungsmaßnahmen an Straßenbefestigungen“ (RPE-Stra 01) [3]. Diese Richtlinien sind die ersten Erhaltungsrichtlinien für Bundesfernstraßen und wurden 2001 zur Erfahrungssammlung eingeführt. Die dort beschriebenen Vorgehensweisen und Regelungen lassen sich in vereinfachter Form aber ebenfalls auf Landes- und Kreisstraßen anwenden.
Bild 3: Einbindung der BASt in das Erhaltungsmanagement
4 Datengrundlagen
Die notwendigen Datengrundlagen für eine systematische Straßenerhaltung sind im wesentlichen Bestandsdaten (Daten des Straßennetzes wie Stationierungsdaten und Angaben zu den Netzknoten), Daten aus der Zustandserfassung und -bewertung (ZEB), Aufbaudaten (Einbaujahr, Schichtaufbau und -dicke), Verkehrsdaten und Daten der Verkehrssicherheit.
Die Zustandserfassungen werden für die Bundesfernstraßen seit 1992 regelmäßig in einem Zyklus von vier Jahren durchgeführt [4]. Ein Zyklus entspricht hierbei einer Messkampagne, für welche Deutschland in „Nord“ und „Süd“ sowie in Bundesautobahnen (BAB) und Bundesstraßen (BStra) aufgeteilt ist. Das heißt, in einer Messkampagne werden im ersten Jahr die BAB im Süden erfasst, im zweiten Jahr die BAB in Norden, im dritten Jahr die BStra im Süden und schließlich im vierten Jahr die BStra im Norden. In vielen Bundesländern werden darüber hinaus auch Zustandserfassungen auf den Landes- und Kreisstraßen durchgeführt.
Die Zustandserfassung und -bewertung erfolgt in vier Teilprojekten (TP): Längs- und Querebenheit (TP 1a & 1b), Griffigkeit (TP 2), Substanzmerkmale Oberfläche (TP 3) und daran anschließend die Bewertung der erfassten Daten (TP 4) (Bilder 4 bis 6). Neben Griffigkeit und Querebenheit, welches beide sehr wichtige Merkmale für die Verkehrssicherheit sind, wird im Hinblick auf die Maut zukünftig auch die Längsebenheit bezüglich Sicherheit von Ladegut noch mehr an Bedeutung gewinnen.
Bild 4: Teilprojekte der ZEB
Bild 5: Spurrinnen
Bild 6: Dreidimensionale Darstellung von Ergebnissen aus dem Teilprojekt 1 der ZEB
Die Zustandserfassung wird durch private Auftragnehmer durchgeführt, und um den Verkehrsfluss nicht unnötig zu behindern, werden die Zustandsmerkmale mit schnellfahrenden Messsystemen erfasst. Zur Sicherung des notwendigen hohen Qualitätsniveaus der zu erfassenden Daten wurde die BASt mit der Qualitätssicherung beauftragt. Diese Qualitätssicherung beinhaltet neben Kontroll-, Eignungs- und Funktionsprüfungen auch Fahrerschulungen, regelmäßigen Erfahrungsaustausch sowie die kontinuierliche Weiterentwicklung und Optimierung der Messverfahren einschließlich der Messtechnik.
5 Netzqualität
Auf der Basis regelmäßig erfasster und bewerteter Oberflächenmerkmale lässt sich die Netzqualität bereits sehr gut abschätzen. Die Ergebnisse aus der ZEB können durch Zustandsprofile oder Karten visualisiert und so aufbereitet für die Erhaltungsplanungen der Länder genutzt werden.
Bild 7: Zustandsbewertung
Die Zustandsnoten sind für einen schnellen und einfacheren Überblick vier Farben zugeordnet. Blau beschreibt einen sehr guten Zustand bis zur Note 1,5, grün einen guten Zustand und reicht bis zum Warnwert 3,5, der gelbe Bereich bis zum Schwellenwert 4,5 deutet auf eine notwendige Erhaltungsmaßnahme hin, während der rote Bereich ab der Note 4,5 für einen sehr schlechten Zustand steht (Bild 7). Auf diese Weise ist es möglich, sich schnell einen ersten Überblick über den Zustand des Straßennetzes zu verschaffen.
Bild 8: Netzweite Optimierung der Erhaltungsplanung
Dieser Überblick ist insbesondere in stark belasteten Bereichen, wie im Einzugsbereich von Großstädten wichtig (Bild 8). Das übergeordnete Straßennetz wirkt hier wie Hauptschlagadern: Sind zu viele Straßen gleichzeitig in Mitleidenschaft gezogen, kommt es zwangsläufig zum Kollaps.
Neben der direkten Verwendung der ZEB-Daten für die Erhaltungsplanungen der Bundesländer bietet die in der BASt geführte Datenbank „IT-ZEB“ die Grundlage für weitere Verwendungs-möglichkeiten. Es wird die Bearbeitung spezieller Fragestellungen ebenso ermöglicht, wie die Verfügbarkeit der Daten für Forschungsprojekte oder für bundesstatistische Auswertungen.
Während Zustandsprofile oder Karten qualitativ einen guten Überblick für die Erhaltungsplanungen ermöglichen, liefert insbesondere eine statistische Aufbereitung der ZEB-Daten nicht nur konkrete Zahlen über den Zustand des jeweils betrachteten Straßennetzes, sondern damit gleichzeitig auch eine gute Argumentationsgrundlage zur Sicherung von notwendigen finanziellen Mitteln.
Eine genauere Betrachtung der Zustandswerte in Form von Zustandsprofilen und der dazugehörigen Aufbaudaten, welche ebenfalls in Form von Streckenbändern oder Karten dargestellt werden können, führen zum Teil zurecht überraschenden Erkenntnissen. Für die Erhaltungsplanung sind die Daten aus der ZEB und die Aufbaudaten eine ideale Kombination. Informationen, die unter der Oberfläche der Fahrbahnen liegen, sind in den Aufbaudaten
Bild 9: Zustandsprofil
Bild 10: Streckenband mit Aufbaudaten
sehr anschaulich und übersichtlich dargestellt, können „leicht“ mit den Zustandsdaten verglichen werden und bieten so die Möglichkeit einer substanzorientierten Erhaltungsplanung (Bilder 9 und 10).
Anhand der Aufbaudaten lassen sich zum Beispiel aber auch unterdimensionierte Abschnitte erkennen oder Bauweisen bewerten. Ein Vergleich von ZEB-Daten und Einbaujahr kann durchaus zu Unplausibilitäten führen, bei denen es sich auf jeden Fall lohnt, etwas konkreter nachzufragen. Gründe für diese Unstimmigkeiten reichen von Problemen der jeweiligen Bauweise über regionale Herstellungsprobleme, mangelnde Bauüberwachung usw. Interessant ist auch festzustellen, dass die Weiterentwicklung der technischen Möglichkeiten nicht zwangsläufig auch zu vorteilhaften Veränderungen führt; oder wie in diesem Fall zu besseren und langlebigeren Straßen.
6 Zustandsentwicklung
Die ZEB-Daten liefern jedoch nur Momentaufnahmen des Straßenzustandes; die Planung von Erhaltungsmaßnahmen muss hingegen für mehrere Jahre im Voraus aufgestellt werden. Für eine konkrete Erhaltungsplanung wie bei den Bundesfernstraßen für jeweils vier Jahre ist daher die Abschätzung der Zustandsentwicklung wichtig. Diese netzweite Abschätzung der Zustandsentwicklung ist bei einem größeren Straßennetz von Hand aber nicht mehr möglich.
In einem weiteren Schritt kommt daher das seit der Erstanwendung im Jahre 1999 kontinuierlich weiterentwickelte Pavement Management System (PMS) inzwischen in fast allen Bundesländern zur Unterstützung des planenden Ingenieurs zum Einsatz. Über die Entwicklung und Erstanwendung des PMS wurde in den Heften 03/2003 und 04/2003 von „Straße und Autobahn“ bereits ausführlich berichtet [5, 6].
Der Einsatz des PMS ermöglicht eine weitere Optimierung der Erhaltungsplanung, welche im Wesentlichen auf der Berücksichtigung verschiedener Eingabedaten beruht. Bestandsdaten, Zustandsdaten, Aufbaudaten, Erhaltungsgeschichte, Verkehrsdaten, Daten der Verkehrssicherheit und weitere nutzerrelevante Daten werden in die Auswertung mit einbezogen. Insbesondere durch den Substanzwert Bestand ist es bei den Rechenläufen des PMS möglich, neben dem Substanzwert Oberfläche, welcher sich aus den ZEB-Daten ergibt, auch das Alter und die Dicke der Schichten zu berücksichtigen. Dies bietet die Möglichkeit, die Substanz bei der Erhaltung stärker zu gewichten.
Der Ansatz verschiedener Budget-Szenarien – wie die Gegenüberstellung von „ohne Budget“ und „maximales Budget“ - zeigt anschaulich die Entwicklung der Zustandsmerkmale über 10 Jahre und liefert somit nicht nur eine wichtige Grundlage und Entscheidungshilfe bei der Erhaltungsplanung, sondern ermöglicht auch die fundierte Darstellung des benötigten Finanzmittelbedarfs für die Straßenerhaltung. Für jedes Merkmal und Jahr kann die prozentuale Verteilung der vier Zustandsbereiche in dem betrachteten Straßennetz in Abhängigkeit eines definierten Budgets ermittelt und einem Flächenanteil zugeordnet werden. Auf diese Weise ist eine Abschätzung der Zustandsentwicklung über mehrere Jahre (Prognose) und eine entsprechend ausgerichtete Erhaltungsplanung möglich.
Die kontinuierliche Weiterentwicklung wird durch den modulartigen Aufbau des PMS ermöglicht. Die einzelnen Module können jederzeit verbessert und ersetzt werden, ohne die Funktionsfähigkeit des Gesamtsystems einzuschränken. Zurzeit erfolgt u.a. im Hinblick auf eine verbesserte Baulosbildung, Kostenermittlung, Berücksichtigung der baulichen Unterhaltung, Fortschreibung der Verhaltensfunktionen, Berücksichtigung des Baustellenmanagements und gesamtwirtschaftlicher Aspekte eine gezielte Weiterentwicklung durch mehrere praxisnahe Forschungsprojekte.
Bild 11: PMS-Ergebnis zur Abschätzung der Zustandsentwicklung für einen Zeitraum von 10 Jahren ohne Erhaltungsmaßnahmen
Bild 12: PMS-Ergebnis für maximales Budget
7 Planung von Erhaltungsmaßnahmen mittels PMS
Sehr kurz zusammengefasst arbeitet das PMS acht Module ab. Zunächst werden im ersten Modul gleichwertige Bereiche der aus der Zustandsbewertung (TP 4) bereits als 100m-Abschnitte vorliegenden Daten aus der Zustandserfassung (TP 1-3) zu größeren Abschnitten zusammengefasst bzw. homogene Abschnitte gebildet. Das zweite Modul wählt die zur Erhaltung anstehenden Abschnitte aus. Im dritten Modul schließt sich eine Mängelanalyse bzw. Analyse der Schadensursache und im vierten Modul eine Prognose der Zustandsänderun-gen an. Im fünften Modul werden bautechnisch mögliche Erhaltungsmaßnahmen vorgeschlagen, welche im sechsten Modul nach der Effektivität bewertet werden und als Ergebnis eine Reihung der Maßnahmevarianten liefert. Im siebten Modul folgt die Optimierung der Maßnahmevarianten bei Budgetbegrenzung. Das achte Modul erarbeitet abschließend einen Vorschlag für das Erhaltungsprogramm. Die Ergebnisse lassen sich in Tabellen, Karten oder Diagrammen, wie Diagramme über die Zustandsverteilung der Substanz- und Gebrauchsmerkmale oder über die Variation eingesetzter Finanzmittel usw. darstellen (Bilder 11 bis 13).
Das PMS kann allerdings nur dazu dienen, den planenden Ingenieur zu unterstützen; den Ingenieurverstand kann es nicht ersetzen.
Bild 13: Flächenanteil von Straßenabschnitten mit sehr schlechtem Zustand bei Variation eingesetzter Finanzmittel
8 Koordinierte Erhaltungsplanung
Auf der Basis von ZEB-Daten und PMS entstehen so entsprechend den Vorgaben aus der RPE-Stra 01 jährlich die koordinierten Erhaltungsplanungen (KEP) der Bundesländer für jeweils vier Jahre (Bild 14).
Die koordinierten Erhaltungsplanungen (KEP) beinhalten Listen, Streckenbänder und z.T. auch Karten für eine Netzübersicht über die geplanten Maßnahmen. Das Streckenband ermöglicht eine „einfache Darstellung“ der wichtigsten Informationen und lässt sich durch den ähnlichen Aufbau ohne weiteres mit den Zustandsprofilen oder Streckenbändern der Aufbaudaten vergleichen. In den Streckenbändern der KEP werden die Erhaltungsplanungen für die Fahrbahnen, die Bauwerke und die sonstigen Anlagenteile zusammengeführt. Durch die Darstellungsform können die einzelnen Maßnahmen geographisch, zeitlich und auch finanziell zugeordnet werden.
Bild 14: Erhaltungsmanagement für Bundesfernstraßen auf der Grundlage der RPE-Stra 01
Die wichtigsten Daten der Erhaltungsplanung einschließlich einer Auflistung der Erhaltungsausgaben insgesamt sind in den Streckenbändern dargestellt (Bild 15) und lassen Defizite der Erhaltungsplanung ebenso wie weitere Verbesserungsmöglichkeiten sehr schnell erkennen.
Die Streckenbänder sind eine der wichtigsten Voraussetzungen für eine koordinierte Erhaltungsplanung der Straßen, der Bauwerke und der sonstigen Anlagenteile.
Bild 15: Streckenband aus der koordinierten Erhaltungsplanung (KEP)
9 Schlussbemerkung
Das Straßennetz der Bundesrepublik Deutschland ist historisch gewachsen und weist daher sehr unterschiedliche Ausbaustandards hinsichtlich der Trassierung, der Breite, der Frostsicherheit und der Tragfähigkeit der Befestigung auf. Entsprechend der wirtschaftlichen Entwicklung Deutschlands stammt in den alten Bundesländern ein erheblicher Anteil der Bundesautobahnen aus den 60er und 70er Jahren, der nun grundhaft erneuert werden muss. In den neuen Bundesländern werden bei den Bundesstraßen Erneuerungsmaßnahmen notwendig, die teilweise mit kostenintensiven Um- und Ausbaumaßnahmen (z. B. Gradientenverbesserung, Trassierungsanpassung) kombiniert werden müssen, um den verkehrlichen Standard der alten Bundesländer sukzessive zu erreichen. Hierfür ist ein erheblicher Mitteleinsatz und ein gezieltes Erhaltungsmanagement erforderlich.
Eine ausreichende Qualität der Bundesfernstraßen kann nur mit einer verstärkt substanzorientierten Erhaltung gesichert werden. Ohne das im Bundesverkehrswegeplan neu gewichtete Verhältnis der Investitionen zugunsten der Erhaltung und der Erhöhung der finanziellen Mittel insgesamt wird in wenigen Jahren ein noch wesentlich größerer Nachholbedarf bei der Erhaltung eines wichtigen Teils der deutschen Infrastruktur – der Straße – entstehen (Bild 16).
Bild 16: Straßenerhaltung zur langfristigen Sicherung der Mobilität von Wirtschaft und Gesellschaft, um auch zukünftig den Verkehrsteilnehmern eine ausreichende Qualität der Verkehrswege zu sichern
Das Verschieben notwendiger Erhaltungsmaßnahmen hat einen erheblichen Mehrbedarf an Erhaltungsmitteln zur Folge, um das gleiche Qualitätsniveau erreichen zu können. Dieser Nachholbedarf wird jedoch durch begrenzte finanzielle Ressourcen, begrenzte personelle Kapazitäten und einer ebenfalls nur begrenzt möglichen Anzahl an Baustellen zukünftig kaum noch zu bewältigen sein.
Literaturverzeichnis
- Bundesministerium für Verkehr, Bau- und Wohnungswesen: Allgemeines Rundschreiben Straßenbau Nr. 26/2001: Aufstellung koordinierter Erhaltungsprogramme für Straßenbefestigungen,
Bauwerke und sonstige Anlagenteile von Bundesfernstraßen, Bonn 2001
- Bundesministerium für Verkehr, Bau- und Wohnungswesen: Bundesverkehrswegeplan 2003,
Bonn 2003
- Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Richtlinien für die Planung von Erhaltungsmaßnahmen an Straßenbefestigungen, Ausgabe 2001 (RPE-Stra 01), Köln 2001, FGSV 987
- Schröder, G.: Erhaltungsmanagement der Bundesfernstraßen, Vortrag zur 2. Europäischen Tagung zum Erhaltungsmanagement für Straßen, Berlin 2004
- Maerschalk, G.; Krause, G.: Erstanwendung der vorliegenden Algorithmen für die Erhaltungsplanung in ausgewählten Bauämtern, Forschung Straßenbau und Straßenverkehrstechnik, Heft 878, Bonn 2004
- Knepper, S.; Maerschalk, G.; Krause, G.; Schröder, G.: Erstanwendung eines Pavement Management Systems für die Erhaltungsplanung der Bundesfernstraßen, Straße und Autobahn, Hefte 03/2003 und 04/2003
|