| FGSV-Nr. | FGSV B 35 |
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| Ort | Bochum |
| Datum | 05.10.2021 |
| Titel | Entscheidungskriterien für die Wahl einer Bauweise am Beispiel der BAB A 9 |
| Autoren | Dipl.-Ing. Rüdiger Ziener |
| Kategorien | Betonstraßen |
| Einleitung | Die Bundesautobahn A 9 verbindet die Hauptstadt Berlin mit den Metropolregionen Halle/Leipzig, Nürnberg und der bayerischen Landeshauptstadt München. Sie ist eine der wichtigsten und hochbelastetsten Verkehrsachsen Deutschlands. Im Rahmen des Verkehrsprojekts Deutsche Einheit Nr. 12 wurde die A 9 in den 1990er Jahren sechsstreifig ausgebaut. Nun musste ein ca. 16 km langer Abschnitt zwischen den Anschlussstellen Marktschorgast und Bayreuth-Nord erneuert werden. Auf der Suche nach der wirtschaftlichsten Erneuerungsmethode wurden auch andere Bauweisen als die vorhandene Asphaltbauweise mit einer Asphaltdeckschicht aus Splittmastixasphalt in die Betrachtung einbezogen. Im Zuge eines Variantenvergleichs wurde mit einer Lebenszyklusbetrachtung die wirtschaftlichste Methode mit Blick auf einen 30-jährigen Nutzungszeitraum gesucht. Die Lebensdauer einer Straßenbefestigung sowie ihr Verhalten bzw. die Verfügbarkeit ihrer Eigenschaften während der Nutzungsphase werden wesentlich zum einen durch die Qualität der verwendeten Materialien sowie der Herstellung und zum anderen durch die Belastung der Straße durch den Verkehr sowie durch die Einwirkungen aus Umwelt und Klima in der Nutzungsphase bestimmt. |
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1 EinleitungDie Bundesautobahn A 9 verbindet die Hauptstadt Berlin mit den Metropolregionen Halle/Leipzig, Nürnberg und der bayerischen Landeshauptstadt München. Sie ist eine der wichtigsten und hochbelastetsten Verkehrsachsen Deutschlands. Entsprechend den Richtlinien für integrierte Netzgestaltung (RIN 2008) ist die A 9 der kontinentalen Verbindungsfunktionsstufe 0 und der Straßenkategorie AS 0 zuzuordnen. Die Erhaltungsmaßnahme erstreckt sich im Abschnitt Hof – Bayreuth im Freistaat Bayern von der Anschlussstelle Marktschorgast (NK 5936008) bis zur Anschlussstelle Bayreuth-Nord (NK 6035006) (Betr.-km 287,400 bis 303,055). Die Länge der Baustrecke rund 16 km. Im Rahmen des Verkehrsprojekts Deutsche Einheit Nr. 12 wurde die A 9 in den 1990er Jahren sechsstreifig ausgebaut. Nun soll ein ca.16 km langer Abschnitt zwischen der Anschlussstelle Marktschorgast und Bayreuth-Nord erneuert werden. 2 Zustandsbewertung2.1 Beschreibung und Bewertung der Schadensbilder FahrbahnIm gesamten Untersuchungsbereich wurden Bohrkerne zur strukturellen Substanzanalyse entnommen. Zur Bestimmung des Schichtenaufbaus des Straßenoberbaus, der Schichtstärke der gebundenen Schichten und zur Entnahme von Proben wurden im November/Dezember 2016 an insgesamt 163 Entnahmestellen Kernbohrungen mit einem ø 150 mm im Nassbohrverfahren in den Straßenoberbau eingetragen. Neben der Entnahme von Bohrkernproben im Regelabstand von 200 m nach den [RSO Asphalt] wurden zusätzlich im Seitenstreifen und dritten Fahrstreifen Bohrkerne entnommen, um den Oberbau im Querprofil anzusprechen. Zur Beurteilung der ungebundenen Tragschicht wurden des Weiteren je Richtungsfahrbahn 7 Proben durch Aufgrabung im Bankettbereich und Bohrloch gewonnen und die Kornverteilung der Proben durch Trockensiebung nach nassem Abtrennen der Feinbestandteile bestimmt. 2.2 FahrbahnaufbauIm ersten Teil der Untersuchung konnten 4 homogene Abschnitte unterteilt werden:
Die ersten beiden homogenen Abschnitte bestehen jeweils aus einer Asphalttragschicht, einer Asphaltbinderschicht und einer Asphaltdeckschicht mit einem Gesamtaufbau von ca. 26,0 cm bis 30,0 cm. Die Asphalttragschicht ist bis zu 7 cm schmaler als diese nach Planungsunterlagen und aktueller RStO 12 sein müsste. Der Fahrbahnaufbau des dritten Abschnittes besteht aus einer noch zusätzlichen Asphaltschicht (3,0 – 36,0 cm) sowie einer zusätzlichen Verfestigung von ca. 15,0 cm. Der vierte homogene Abschnitt besteht aus einer Deckschicht aus Offenporigem Asphalt, einer Asphaltbinderschicht und einer Asphalttragschicht. Unter der Asphalttragschicht befindet sich eine ältere zweite Asphalttragschicht sowie teilweise noch eine weitere Asphaltschicht sowie einer zusätzlichen Betonschicht. Die Gesamtdicke in diesem Bereich kann bis zu über 1,0 m liegen. 3 Maßnahmen am Oberbau3.1 Variantenvergleich zum FahrbahnoberbauPlanungsbegleitend wurde ein umfangreiches Untersuchungsprogramm an der vorhandenen Fahrbahn durchgeführt. Dabei wurde zur Wahl der wirtschaftlichsten Erhaltungs- bzw. Erneuerungsmethode eine Substanzbewertung mit Berechnung der Restnutzungsdauer des vorhandenen Oberbaus nach den Richtlinien zur Beurteilung der strukturellen Substanz von Asphaltstraßen (RSO Asphalt, Entwurf) vorgenommen. Für die Eingangsdaten zur Substanzbewertung wurde eine Georadaruntersuchung durchgeführt. Die gewonnenen Daten wurden an Bohrkernen kalibriert, so dass im Ergebnis die Schichtdicken des Oberbaus bekannt sind. Zur Abschätzung der Tragfähigkeit wurden Messungen mit dem Falling-Weight-Deflectometer (FWD) durchgeführt. Aus allgemeinen Daten und den Untersuchungsergebnissen wurde die Gesamtstrecke in fünf übergeordnete homogene Abschnitte unterteilt, aus denen 2 Abschnitte einer weiteren Beprobung und Untersuchung mit anschließender Bewertung der strukturellen Substanz unterzogen wurden. Bei einer Ausfallwahrscheinlichkeit von 10 % wurde eine rechnerische Restnutzungsdauer der Asphalttragschicht zwischen 3 und 5 Jahren berechnet. Es muss also davon ausgegangen werden, dass bei Erneuerung nur von Asphaltdeck- und Asphaltbinderschicht eine wirtschaftliche Nutzungsdauer der Befestigung nicht mehr erreicht werden kann. Daher ist eine komplette Erneuerung der gebundenen Schichten im Bauabschnitt 1 bis 3 notwendig. Im 4. Bauabschnitt muss bedingt durch die offenporige Asphaltdeckschicht in regelmäßigen kürzeren Abständen eine Deckenerneuerung durchgeführt werden, so dass sich der Vorhabenträger auch im Zuge der hier geplanten Erneuerung nur für einen Austausch der Deck- und Binderschicht entschieden hat. Dadurch müssen bei der Suche nach der wirtschaftlichsten Erneuerungsmethode auch andere Bauweisen als die vorhandene in die Betrachtung einbezogen werden. Der grundhafte Ausbau kann sowohl in Asphalt- als auch Betonbauweise erfolgen. Im Zuge eines Variantenvergleichs wurde mit einer Lebenszyklusbetrachtung die wirtschaftlichste Methode mit Blick auf einen 30-jährigen Nutzungszeitraum gesucht. Die Lebensdauer einer Straßenbefestigung sowie ihr Verhalten bzw. die Verfügbarkeit ihrer Eigenschaften während der Nutzungsphase werden wesentlich zum einen durch die Qualität der verwendeten Materialien sowie der Herstellung und zum anderen durch die Belastung der Straße durch den Verkehr sowie durch die Einwirkungen aus Umwelt und Klima in der Nutzungsphase bestimmt. Grundsätzlich kommen folgende drei Befestigungen für eine Bundesautobahn in Frage:
Durch die sehr hohe Verkehrsbelastung mit einem DTV von bis zu 72.000 Kfz/24 h und einem Schwerverkehrsanteil von ca. 18,6 % ergibt sich bei der Ermittlung der dimensionierungsrelevanten Beanspruchung (Summe der gewichteten äquivalenten 10-t-Achsübergänge) eine rechnerische B-Zahl von über 136 Mio. Gemäß dem Allgemeinen Rundschreiben Straßenbau Nr. 5/2005 sollte bei Werten in dieser Dimension kein Splittmastixasphalt (SMA) mehr zur Anwendung kommen: „Bei Verkehrsbelastungen mit B ≥ 70 Mio. bei 2-streifigen und bei B ≥ 85 Mio. bei 3-streifigen Richtungsfahrbahnen ist nur eine Oberbauweise mit einer Fahrbahndecke aus Beton oder aus Asphalt mit einer Deckschicht aus Gussasphalt vorzusehen.“ Auch die Erfahrungen aus der letzten grundhaften Erneuerung aus den 1990er Jahren gezeigt, dass die damals eingebaute Deckschicht aus SMA der hohen Verkehrsbelastung und dem hohen Schwerverkehrsanteil nur ungenügend standgehalten hat und zahlreiche Instandhaltungs- und Instandsetzungsmaßnahmen nötig waren. Daher reduzieren sich die zu betrachtenden Varianten für den Fahrbahnoberbau auf den Gussasphalt und die Betonbefestigung. Folgende Kriterien werden beim Vergleich der beiden Bauweisen betrachtet:
In einer tabellarischen Zusammenfassung kann die Bewertung der einzelnen Kriterien und deren Wichtung für die Summation abgelesen werden. Diese Übersicht stellt das Ergebnis des Variantenvergleichs in tabellarischer Form dar (vgl. Tabelle 1 bis 3). Nachfolgend sollen die Kriterien verbal aufgegriffen und erläutert werden. 3.1.1 DauerhaftigkeitGussasphaltdeckschichten sind dicht und somit wasserundurchlässig. Im Gegensatz dazu weisen Walzasphalte Hohlräume auf, welche durch Luftsauerstoff- und Wassereintrag Alterungsvorgänge des Bitumens begünstigen. Dies führt zu Rissen, Schlaglöchern und damit zu einer geringeren Nutzungsdauer. Fahrbahnen mit Gussasphaltdeckschichten weisen auch nach langen Gebrauchszeiten einen hohen Widerstand gegen bleibende Verformungen auf. Sie sind auch nach vielen Jahren unter Verkehr eben und dauerhaft griffig. Der kritische Punkt bei der Asphaltbauweise ist mit Blick auf die Dauerhaftigkeit nicht die Gussasphaltdeckschicht, sondern die darunterliegende Asphaltbinderschicht. Es wird davon ausgegangen, dass diese eine Lebensdauer von ca. 20 Jahren hat. Das heißt, dass in einem Betrachtungszeitraum von 30 Jahren unabhängig vom Zustand der Asphaltdeckschicht zusätzlich eine Erneuerung von Asphaltdeck- und Asphaltbinderschicht erforderlich ist. Vorteil bei der Betonbauweise ist die gut steuerbare Dauerhaftigkeit der Substanz. Voraussetzung ist allerdings eine qualifizierte Bemessung nach RDO. Betondecken verteilen Lasten wirksam auf ihre Unterlage und weisen eine hohe Tragfähigkeit auf, die durch eine Vergrößerung der Deckendicke noch erhöht werden kann. Die Tragfähigkeit ist bei jeder Temperatur vollständig vorhanden. Tragfähigkeitsminderungen im Unterbau während der Tauperiode sowie lokal begrenzte Tragfähigkeitsverluste werden überbrückt. Besonders mit Blick auf den zunehmenden Schwerverkehr sind die Tragfähigkeitsreserven ein entscheidender Vorteil gegenüber einer Asphaltlösung. Ist die Betondecke ausreichend dimensioniert und fachgerecht ausgeführt, erreicht ein Betonoberbau eine Nutzungsdauer von weit über 30 Jahren. Daher geht man im Verlauf der Nutzungsphase von einem deutlich geringeren Erhaltungsaufwand im Vergleich zu Asphaltbauweisen aus. Im hier betrachteten Nutzungszeitraum von 30 Jahren ist bei der Betonbauweise keine weitere grundhafte Erneuerung des Oberbaus vorgesehen. Tabelle 1: Variantenvergleich Punkt „Dauerhaftigkeit“ 3.1.2 HerstellungFür die Herstellung einer Gussasphaltdeckschicht mit verbesserten lärmtechnischen Eigenschaften werden höhere Anforderungen an den Mischguttransport, die Einbaubedingungen und die technische Ausstattung beim Einbau im Vergleich zu Walzasphalten gestellt. Zur Erhöhung der Feinrauigkeit der Oberfläche und zur Verbesserung der Anfangsgriffigkeit wird bei Gussasphaltdeckschichten im Straßenbau ein Abstreumaterial aufgebracht. Durch die topographischen Verhältnisse entlang der Strecke treten abschnittsweise hohe Längsneigungen von bis zu 6 % auf. In Kombination mit der Querneigung entstehen dadurch große Schrägneigungen, die für die Herstellung der Gussasphaltdeckschicht unvorteilhaft sind. Die Herstellung von Betonfahrbahnen erfolgt mit Gleitschalungsfertigern, welche das Verteilen, Formen und Verdichten des Betons, das Dübel- und Ankersetzen sowie das Glätten der Oberfläche in einem Gerät vereinen. Der Einbau von Beton ist aufwendiger und technisch anspruchsvoller als der von Asphalt, denn mit dem Einbau der ersten Lage wird direkt die Oberfläche hergestellt. Die erforderlichen Lichträume rechts und links der Fahrbahn sind vergleichsweise groß, was besonders im Bereich der Steigungsstrecken mit den beidseitigen Betonschutzwänden höhere Aufwendungen erfordert. Die Bauzeit für die Herstellung einer Betonfahrbahn ist infolge der technologisch erforderlichen Erhärtungszeit von 28 Tagen im Vergleich zur Asphaltbauweise um ca. 25 % verlängert. Tabelle 2: Variantenvergleich Punkt „Herstellung“ 3.1.3 ErhaltungAufgrund der Lebensdauer der Asphaltbinderschicht von ca. 20 Jahren, ist es bei der Asphaltbauweise erforderlich, eine zusätzliche Deckenerneuerung mit Austausch der Deck- und Binderschicht durchzuführen. Neben den eigentlichen Baukosten für diese zusätzliche Erneuerung kommt es zu Verkehrsbeeinträchtigungen und damit zu einer geringeren Verfügbarkeit der Strecke, mit entsprechenden volkswirtschaftlichen Kosten. Weitere Erhaltungsmaßnahmen am Asphaltoberbau sind die erforderlichen Sanierungen von Rissen sowie schadhaften Nähten und Anschlüssen. Es wird davon ausgegangen, dass diese Maßnahmen 3x innerhalb des 30-jährigen Betrachtungszeitraumes durchzuführen sind. Da davon ausgegangen wird, dass der Betonoberbau eine Nutzungsdauer von mehr als 30 Jahren hat, sind als planmäßige Maßnahmen des Erhalts an Betonstrecken lediglich eine regelmäßige Fugen- und Kantenpflege vorgesehen. Die Erneuerung der Fugen ist in einem Abstand von 7 bis 10 Jahren erforderlich, so dass im Betrachtungszeitraum von drei Maßnahmen mit Fugenpflege sowie parallel der Reparatur von Rissen, Eckabbrüchen und Kantenschäden ausgegangen wird. Diese Erhaltungsmaßnahmen bedingen Wanderbaustellen mit Fahrstreifensperrungen sehr kurzer Länge und beeinträchtigen die Verfügbarkeit nur geringfügig. Ein gradueller Verlust der Ebenheit ist an Betondecken konstruktionsbedingt nicht möglich. Bei Griffigkeitsverlusten kann die Deckenoberfläche durch Grinding bearbeitet werden, was eine besonders hohe Griffigkeit herstellt. Bei Autobahnen sollten man von einer fünf prozentigen Ausfallrate von Einzelplatten während des Bemessungszeitraumes ausgehen. Hierbei wird angenommen, dass die Einzelplattenerneuerung ab dem 20. Nutzungsjahr erfolgt. In Abhängigkeit der Schäden ist mit einem Ersatz von 2 % der Einzelplatten nach 25 Jahren und 3 % nach 28 Jahren zu rechnen. Für Markierungsarbeiten werden für Beton- und Asphaltbauweise 5 Jahre Nutzungsdauer angenommen. Tabelle 3: Variantenvergleich Punkt „Erhaltung“ 3.1.4 GebrauchseigenschaftenGussasphalt hat über seinen langen Lebenszyklus relativ gleichbleibend gute Gebrauchseigenschaften. Eine hohe Verformungsbeständigkeit, Ebenheit sowie eine anhaltende Griffigkeit der Asphaltdeckschicht gewährleisten ohne regelmäßige Instandsetzung ein hohes Maß an Verkehrssicherheit. Bei Betondecken sind, eine qualitätsvolle Herstellung vorausgesetzt, die Nutzungseigenschaften, wie Griffigkeit und Ebenheit, erheblich dauerhafter als bei Asphaltbauweisen. Dies liegt vor allem an der langfristigen Verformungsstabilität, durch welche praktisch keine Spurrinnen oder Wellen entstehen können, die die Ebenheit bzw. den Abfluss von Oberflächenwasser beeinträchtigen und sich somit negativ auf die Nutzungseigenschaften auswirken können. Ein weiteres positives Merkmal von Betonfahrbahnen ist die gegenüber Asphalt deutlich größere Helligkeit der Oberfläche. Insbesondere bei Nässe und Dunkelheit trägt diese Eigenschaft zur Steigerung der Verkehrssicherheit bei. Tabelle 4: Variantenvergleich Punkt „Gebrauchseigenschaften“ 3.1.5 Lärmschutz/UmweltverträglichkeitZur Einhaltung des durch die Planfeststellung in den 1990er Jahren festgeschriebenen DStrO-Wertes von -2 dB(A) muss bei der Asphaltbauweise eine Deckschicht aus lärmarmen Gussasphalt und bei der Betonbauweise eine Betondecke mit Waschbetonoberfläche vorgesehen werden. Beide Varianten erfüllen die Auflage aus der Planfeststellung und sind als lärmmindernde Bauweisen in der RLS 90 aufgeführt und mit einem DStrO-Wert von -2 dB(A) bewertet. Die lärmmindernde Wirkung beider Bauweisen ist als gleichwertig zu betrachten. Bei Realisierung der Betonvariante muss der vorhandene Asphaltoberbau komplett einer Verwertung zugeführt werden. Bei einer Erneuerung in Asphalt könnte das vorhandene Material anteilig in der Asphalttrag- und Asphaltbinderschicht wiederverwendet werden. Auch bei einer zukünftigen Erneuerung nach dem Nutzungszeitraum kann der Asphalt wiederverwendet werden. Die Wiederverwertungsrate von Asphalt liegt in Deutschland derzeit bei ca. 80 %. Eine Betonfahrbahn wäre nach dem Nutzungszeitraum komplett recycelbar. Die aus alten Betondecken gewonnenen Gesteinskörnungen können u. a. in Tragschichten mit hydraulischen Bindemitteln, in Schottertrag- und Frostschutzschichten wieder eingesetzt werden. Tabelle 5: Variantenvergleich Punkt „Umweltverträglichkeit“ 3.1.6 WirtschaftlichkeitLange Nutzungszeiträume ohne sich wiederholende Instandsetzungen sind die Voraussetzung für effiziente und wirtschaftliche Fahrbahnbefestigungen. Für den Vergleich der Kosten wurden die Baukosten für die Herstellung des Oberbaus und die Kosten für die Verkehrssicherung betrachtet. Kosten für Ingenieurbauwerke, Ausstattung usw. wurden nicht einbezogen, da diese variantenunabhängig sind. Die Kosten für kleinere Erhaltungsmaßnahmen, wie z. B. Fugenpflege wurde nicht berücksichtigt, da diese im Vergleich zu den hohen Baukosten nicht Varianten entscheidend wirken würde. Für die erstmalige Herstellung des neuen Straßenoberbaus sind demnach bei einer Betonbauweise die Kosten ca. 23 % höher als bei einer Realisierung mit Asphaltbauweise. Allerdings dreht sich dieses Verhältnis bei der Betrachtung eines Nutzungszeitraumes von 30 Jahren durch den zusätzlichen Erneuerungszyklus bei der Asphaltvariante. In Kombination von Bau- und Erhaltungskosten ist die Betonbauweise ca. 24 % günstiger. Bei einer Betrachtung über die gesamte Nutzungsdauer zeigt sich also, dass die Kosten bei Betonstraßen wegen des geringeren Verschleißes, der längeren Nutzungsdauer und des geringeren Erhaltungsaufwands niedriger als im Vergleich zu Asphaltbauweisen sind. Die Minimierung der für Bauarbeiten erforderlichen Sperrungen sorgt für weniger Verkehrsbeeinträchtigungen und Staus und damit einen wesentlichen volkswirtschaftlichen Vorteil. Nach Abwägung der genannten Kriterien wurde als Vorzugslösung ein grundhafter Ausbau der A 9 mit einer Betonbauweise für die Bauabschnitte 1-3 gewählt. Im Bauabschnitt 4 wird aufgrund der lärmtechnischen Anforderungen eine Deckenerneuerung mit einer Deckschicht aus offenporigem Asphalt durchgeführt. Tabelle 6: Variantenvergleich Punkt „Wirtschaftlichkeit“ und „Gesamtbewertung“ 4 FazitAufgrund der Vielzahl an Entscheidungskriterien wird deutlich, dass sich moderne Auftraggeber von der gelebten Praxis „Das haben wir immer schon so gemacht“ verabschieden müssen, um eine systemrelevante Verkehrsinfrastruktur für die Zukunft dauerhaft zu sichern. Literaturverzeichnis
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