Whitetopping ist eine Bauweise, bei der die Vorteile der Straßenbaustoffe Beton und Asphalt kombiniert werden. Dabei wird eine Asphaltschicht mit einer dünnen Betondecke überbaut. Das günstige Tragverhalten von Whitetopping-Systemen wird durch die Reduzierung der Plattenabmessungen und den Verbund zwischen Betonschicht und Asphaltschicht erreicht. Mit mehr als zwanzig realisierten Whitetopping-Projekten in Deutschland zeigt sich das zunehmende Interesse an dieser Bauweise.

Anhand von theoretischen und experimentellen Untersuchungen hinsichtlich auftretenden Temperaturgradienten, Ermüdung, Verbund und Tragverhalten werden offene Fragen zu Eigenschaften von Whitetopping beantwortet. Die gefundenen Ergebnisse der Untersuchungen werden dabei für eine baupraktische Anwendung aufbereitet und für die tägliche Praxis des Betonstraßenbaus nutzbar gemacht. Für verschiedene Whitetopping-Systeme (Variation der Schichtdicken von Beton und Asphalt, Variation der Plattenlänge) wird die Anzahl der zulässigen äquivalenten 10 t-Achsübergänge bestimmt. Damit werden in Anlehnung an die Tafeln der RStO für Whitetopping standardisierte Bauweisen erstellt.

Ergänzend werden die Kosten von verschiedene Whitetopping-Projekte ausgewertet und eine Funktion zur Kostenschätzung von Whitetopping-Projekten ermittelt. Diese erlaubt in einer frühen Entscheidungsphase Aussagen zu den zu erwartenden Kosten.

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

1 Einleitung

1.1 Begriffsdefinition Whitetopping

Der Begriff „Whitetopping“ (eng. „weißer Belag“ oder „weißer Überzug“) wird in verschiedenen Bedeutungen verwendet. Dies beschreibt im Verkehrswegebau die Verwendung von Beton (weiß) als oberste Schicht auf Asphalt oder Beton. Das Bild 1 zeigt eine Übersicht der verschiedenen Whitetopping-Varianten nach (Harrington 2008, S. 1). Die weiteren Ausführungen konzentrieren sich auf die Anwendung von Beton auf Asphalt mit Verbund.

Bild 1: Verschiedene Varianten von Whitetopping nach (Harrington 2008, S. 1)

Der Begriff Whitetopping wird häufig auch über die Dicke der Betonschicht und die Anforderungen an den Verbund differenziert. Die Tabelle 1 zeigt die Definitionen nach (Rasmussen, Rozycki 2004, S. 3), die nicht nur in den USA sondern auch international angewandt werden, im Überblick.

Tabelle 1: Definitionen der Whitetopping-Bezeichnungen nach (Rasmussen, Rozycki 2004, S. 3)

Der Verbund zwischen den Beton- und Asphaltschichten hat günstige Wirkungen auf das Tragsystem. Die Erkenntnis zeigte sich Anfang der 1990er Jahre vor allem für UTW, das eher für schwach belastete Straßen konzipiert ist. Unabhängig von den Betonschichtdicken reduziert ein Verbund zwischen Schichten die Beanspruchungen im Fahrbahndeckensystem. Dies führte zur Entwicklung des „Thin Composite Whitetopping“ (TCW) (Col e, Mack et al. 1998, S. 208f.). Aufgrund größerer Betondicken (120 – 200 mm) ist TCW auch für Straßen mit einer hohen Schwerverkehrsbelastung geeignet. Die Erfahrungen mit dieser Bauweise zeigen, dass damit auch stärker belastete Straßen wie Autobahnen erfolgreich ertüchtigt werden können (H a n 2005, S. 5; Abernathy 2010, S. 1ff.).

1.2 Entwicklung der Bauweise Whitetopping

Die Erfindung der Bauweise Whitetopping geht auf das Jahr 1918 zurück. Im September 1991 wurde die erste Versuchsstrecke für UTW in Louisville, Kentucky errichtet. Diese hielt einer wesentlich höheren Verkehrsbelastung stand, als ursprünglich mit den damals verfügbaren Bemessungsmodellen vorhergesagt. In der Folge entstanden in zahlreichen Bundesstaaten in den USA weitere UTW- und TCW-Versuchsstrecken (Col e, Mack et al. 1998, S. 205ff.). Im Laufe der Zeit wurden die verschiedenen Whitetopping-Bauweisen sowohl in den USA als auch in zahlreichen anderen Ländern zunehmend eingesetzt. In Deutschland wurden von 2004 bis Ende 2010 insgesamt zwanzig Whitetopping-Projekte von privaten und öffentlichen Auftraggebern verwirklicht (R i f f e l 2010, S. 1f.). Insgesamt zeigt sich das zunehmende Interesse an dieser Bauweise in Deutschland. Daher werden im Folgenden die Grundlagen für die weitere Anwendung von Whitetopping dargestellt.

1.3 Prinzip und Wirkungsweise von Whitetopping

Bei Whitetopping wird eine bestehende Asphaltfahrbahn mit einer Betonschicht überbaut. Whitetopping ist gegenüber herkömmlichen Betondecken durch kleinere Schichtdicken kleineren Fugenabstand/kleinere Plattenlängen und Verbund zur darunter liegenden Asphalt(trag)schicht charakterisiert. Diese Modifikationen am System der Betondecke führen zu Veränderungen im Tragverhalten. Die geringeren Schichtdicken führen zu höheren Verkehrslastspannungen und zu größeren wirksamen Temperaturgradienten. Infolge der kleineren Plattenlängen reduzieren sich vor allem die Fugenbewegungen und die Wölbspannungen. Dabei entsteht durch den Verbund ein Kompositsystem, in welchem Beton und Asphalt gemeinsam tragen. Die resultierende Steifigkeit liegt zwischen Betondecken und Asphaltfahrbahnen.

Die durchgehende Asphalttragschicht zeigt eine lastübertragende Wirkung und führt damit zu einem quasi-kontinuierlichen Tragsystem. Auf diese Weise trägt die Asphalttragschicht neben der Rissverzahnung zur Querkraftübertragung bei und kann so die Dübel, wie sie in standardisierten hoch belasteten Betonfahrbahnen verwendet werden, zumindest zu einem Teil ersetzen. Aufgrund der geringeren Fugenabstände bleibt die Fugenöffnung kleiner, was sich auf die Rissverzahnung im Beton günstig auswirkt.

Die Betonschicht reduziert im Asphalt die Temperaturextrema im Sommer und im Winter und wirkt als lastverteilende Schicht. Dadurch kommt es im Asphalt nicht mehr zu den bekannten Schubverformungen. Umgekehrt ergibt der Asphalt eine erosionsbeständige Tragschicht und elastische Unterlage für die Betonschicht.

Betrachtet man das temperaturabhängige Verhalten von Beton und Asphalt, so zeigt sich die günstige Wirkung der Kombinationsbauweise. Bei hohen Temperaturen wird der Asphalt weich und kann nur in geringerem Maß zur Lastübertragung beitragen. Allerdings dehnt sich der Beton bei hohen Temperaturen (Sommer) aus, die Fugen sind geschlossen und die Querkraft wird wirksam über die Rissverzahnung von Platte zu Platte übertragen. Die Betonschicht wirkt dabei als lastverteilende Schicht. Bei niedrigen Temperaturen (Winter) wird der Asphalt steif und zeigt ein günstiges Tragverhalten. Während sich der Beton infolge der Abkühlung verkürzt und bei geöffneten Fugen die Rissverzahnung abnimmt, erfolgt die Lastabtragung verstärkt über den Asphalt. Somit ergibt die Kombination der Baustoffe Beton und Asphalt bei Whitetopping ein Tragsystem, bei dem sich die Systemkomponenten wechselweise günstig ergänzen.

1.4 Bezug zum deutschen Regelwerk

Die bei Whitetopping eingebauten Schichtdicken von Beton liegen in der Regel unterhalb der Schichtdicken, die in den RStO 01 nach Tafel 2, Zeile 2 für den Neubau und nach Tafel 6, Zeile 1.2 und Zeile 2 für Erneuerungsbauweisen (jeweils 16 bis 26 cm Beton) angegeben sind. Wesentlicher Unterschied zwischen den Bauweisen nach den RStO und der Bauweise Whitetopping ist der nicht angesetzte Verbund zwischen Beton und Asphalt sowie die größeren Plattenabmessungen bei den Bauweisen nach den RStO (Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen 2001) bzw. nach den ZTV Beton-StB (Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen 2008, S. 27). Der bei Whitetopping verwendete Straßenbaubeton kann im Wesentlichen nach den für den Betonstraßenbau geltenden Richtlinien zum Einsatz kommen. Ergänzende Hinweise speziell für die Bauweise Whitetopping werden im Merkblatt Whitetopping (Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen 2011) dargestellt werden, welches voraussichtlich 2012 erscheinen wird. 

2 Temperatur

2.1 Auswirkungen von Whitetopping auf die Asphalttemperaturen

Durch die Überbauung von Asphalt mit Beton besteht die Möglichkeit, die sommerlichen Maximaltemperaturen sowohl an der Oberfläche als auch in der Tiefe der Fahrbahn zu reduzieren. Von Interesse ist dieser Effekt vor allem in innerstädtischen Bereichen, wo die vorhandene Bebauung zusammen mit versiegelten Flächen zu sogenannten urbanen Wärmeinseln führt (Bretz, Akbari et al. 1998, S. 95ff.; Golden, Kaloush 2006, S. 37ff.). Eine helle Überbauung einer Asphaltschicht mit einer Betondecke führt zu einem Anstieg der Albedo, also dem Rückstrahlvermögen der Fahrbahnoberfläche. Dies führt vor allem im Sommer zu einem Absinken der Temperaturmaxima der Fahrbahn. Die Überbauung wirkt zusätzlich für den Asphalt auch als eine temperaturdämpfende Schicht, die den Asphalt gegen die sommerlichen Maximaltemperaturen und gegen die winterlichen Minimaltemperaturen schützt. Diese Dämpfung der maximalen Temperaturausschläge sorgt für ein günstigeres Tragverhalten des Asphalts, da dessen Steifigkeit von der Temperatur abhängt. Im Sommer erreicht der Asphalt durch die Überbauung mit Beton nur noch geringere Temperaturen: bei 10 cm Überbauung rund 35 °C anstelle von 50 °C und mehr in einem reinem Asphaltoberbau. Die Gefahr der bleibenden Verformungen wie Spurrinnenbildung oder Verdrückungen ist damit erheblich reduziert. Auch im Winter ist die Überbauung des Asphalts günstig. Zwar fällt die Temperaturdämpfung wesentlich geringer aus, so dass die Änderung im Tragverhalten nur eine untergeordnete Rolle spielt, aber durch etwas höhere Temperaturen im Asphalt sinkt die Gefahr der Rissbildung.

2.2 Maßgebende Temperaturgradienten

Anhand von Messungen im Juli 2010 am Prüfamt für Verkehrswegebau der TU München wurden Temperaturgradienten ∆t im Beton ausgewertet (E i d 2012, S. 65ff.). Die Messung fand unter hochsommerlichen Bedingungen statt; die Wetterlage während der Aufzeichnungen war sonnig und trocken mit vereinzelten Gewittern. Die Temperaturen wurden vom 6. Juli 2010 bis zum 22. Juli 2010 alle 15 Minuten gemessen und bis auf einige technisch bedingte Unterbrechungen fortlaufend aufgezeichnet. Die Temperaturen an der Oberfläche einer Betondecke und in den Tiefen -5 cm, -10 cm, -15 cm und -20 cm wurden als Wert zur Abschätzung der Temperaturgradienten von Betondecken mit entsprechender Dicke herangezogen. Die abgeleiteten statistischen Größen der Temperaturgradienten sind in der Tabelle 2 zusammengefasst.

Tabelle 2: Statistische Größen der Temperaturgradientenverteilung

In Abhängigkeit von der Dicke des Betons treten positive und negative Temperaturgradienten mit unterschiedlicher Häufigkeit auf (vgl. Bild 2).

Bild 2: Beispiele zur Häufigkeitsverteilung der auftretenden Temperaturgradienten

Grundsätzlich treten negative Gradienten häufiger auf als positive. Ursache ist das schnellere Aufheizen infolge solarer Einstrahlung gefolgt vom langsameren Abkühlen unter Abgabe der Wärme an die Umgebung. Bedingt durch die insgesamt ausgeglichene Wärmebilanz weisen die positiven Gradienten höhere absolute Werte auf. Eine Ausnahme bilden negative Gradienten infolge plötzlicher Abkühlung, z. B. infolge eines Sommergewitters. Dieser Effekt ist umso ausgeprägter, je dünner die Betonschicht ist. Um die Wirkung der Temperaturgradienten auf die Lebensdauer des Fahrbahnsystems abschätzen zu können, kann nach (Lechner 1996, S. 110) ein äquivalenter Temperaturgradient während 5 % der Nutzungsdauer angesetzt werden. Nach der Untersuchung von (Lechner 1996, S. 111f.) mit Hilfe einer Vergleichsrechnung der Schädigungsanteile orientiert sich dieser äquivalente Temperaturgradient an den nur an wenigen Tagen im Jahr auftretenden Maximalwerten. Anhand der Messwerte können Näherungsformeln für die für 5 % der Nutzungsdauer anzusetzenden Gradienten in Abhängigkeit von der Dicke h der Whitetopping-Betonschicht bestimmt werden.

Für positive Temperaturgradienten gilt:

Für negative Temperaturgradienten gilt:

Formeln im PDF

Ein Vergleich der beiden Verläufe zeigt einen mit dünner werdenden Platten größer werdenden Temperaturgradienten (vgl. Bild 3). Dabei liegen die positiven Gradienten in Übereinstimmung mit früheren Untersuchungen von (Eisenmann, Leykauf 2003, S. 35ff.) für die Platten > 140 mm um rund den Faktor zwei über den Absolutwerten der negativen Gradienten. Die absolute Zunahme ist für Platten < 140 mm bei den negativen Gradienten stärker als bei den positiven Gradienten, wobei sich diese Zunahme für Platten < 100 mm noch deutlich beschleunigt. Ursache hierfür ist, dass das schnelle Abkühlen im oberflächennahen Bereich bei dünneren Platten einen steileren Gradienten hervorruft.

Dieser Zusammenhang beschreibt die Temperaturbeanspruchung von Whitetopping-Flächen und findet zur Berechnung der wirkenden Wölbspannungen Eingang in die Bemessung.

Bild 3: Maßgebende Temperaturgradienten bei Whitetopping

3 Ermüdung

Der Bruch des Materials lässt sich durch vielfach wiederholte Schwingungen, von denen keine die absolute Bruchgrenze erreicht, herbeiführen (Wöhler 1870, S. 83).

Im Rahmen einer Whitetopping-Versuchsstrecke wurde das Ermüdungsverhalten eines konventionellen Straßenbaubetons und eines mit Glasfasern modifizierten Betons verglichen. In einem Ermüdungsversuch nach DIN 50100 zeigte sich dabei am Biegebalken, dass durch Zugabe von Glasfasern zum Beton die Lastzyklenzahl bis zum Bruch gegenüber dem nicht modifizierten Beton gesteigert werden kann. Der Beton ohne Modifikation ermüdet schneller. Durch Faserzugabe kann das Ermüdungsverhalten verbessert werden. Als potenzielle Dauerfestigkeiten wurde für Beton ohne Fasern rund 51 % und für fasermodifizierten Beton rund 58 % der statischen Biegezugfestigkeit ermittelt (E i d 2012, S. 103ff.).

Die Schädigung des Betons bei Ermüdungsbelastungen ist durch ein progressives Anwachsen von Mikrorissen im Werkstoff gekennzeichnet (Schweizerischer Ingenieur und Architektenverein 1997, S. 16f.). Eine Fasermodifizierung bewirkt eine Gefügestabilisierung, wobei die fein verteilten Fasern Spannungsspitzen aufnehmen und damit die Mikrorissbildung verzögern können (Holschemacher, Klug et al. 2006, S. 634f.).

Anhand der gefundenen Ergebnisse für das Ermüdungsverhalten von Beton ohne Fasern sowie für fasermodifizierten Beton werden Ermüdungsfunktionen aufgestellt, die den Zusammenhang zwischen Beanspruchung und zu erwartender Lebensdauer herstellen. Hierzu werden die gefundenen Dauerfestigkeiten bei N = 2·106 zugrunde gelegt.

Für einen Beton ohne Fasern wird σD = 0,50·fct anstelle des ermittelten Dauerfestigkeitswerts von σD,unmodifiziert = 0,51·fct beibehalten, da der bei der hier vorliegenden Untersuchung ermittelte Wert nur unwesentlich von der bisherigen Praxis der Bemessung der zulässigen Belastung nach (Eisenman n, Leykauf 2003, S. 106f.) abweicht und damit dieses Verfahren insofern auch bestätigt.

Eine Erweiterung der Ermüdungsfunktionen ist für den untersuchten fasermodifizierten Beton hingegen sinnvoll. Für die Ermüdungsfunktion wird σD,faser = 0,58·fct als Grundlage für das Verhalten des glasfasermodifizierten Betons verwandt.

Zugrundegelegt wird für alle aufgestellten Ermüdungsfunktionen auf der sicheren Seite liegend eine quasi-statische Dauerfestigkeit von 0,8·fct bei einer Schwingspielzahl von N = 10 nach (Eisenmann, Leykauf 2003, S. 106). Aus den ermittelten Dauerfestigkeiten können folgende Ermüdungsfunktionen abgeleitet werden:

Für σD = 0,50·fct (Beton ohne Fasern)

Für σD = 0,58·fct (Beton mit Glasfasern):

Formeln im PDF

Der Zusammenhang für die zulässige Schwingspielzahl nach Eisenmann bzw. für die zulässige Verkehrslastspannung bei vorhandener Wölbspannung kann für den im Rahmen dieser Arbeit untersuchten fasermodifizierten Beton erweitert werden. Verschiedene Untersuchungen anderer Autoren an Betonen mit anderen Fasern (Stahl, Polyacrylnitril, Polypropylen, Polyolefin) zeigen dabei ein ähnliches Verhalten.

Die zulässige Verkehrslastspannung beträgt für einen konventionellen Straßenbaubeton nach (Eisenmann, Leykauf 2003, S. 107)

Für den hier untersuchten fasermodifizierten Beton kann die zulässige Verkehrslastspannung diese Formel entsprechend wie folgt angepasst werden:

Formeln im PDF

Aufgrund des in anderen Untersuchungen gezeigten ähnlichen Verhaltens von Faserbeton bei Verwendung anderer Fasertypen kann dieser Zusammenhang für verschiedene Faserbetone herangezogen werden. Fasern können dann bei gleicher Beanspruchung die Lebensdauer von Beton unter Ermüdungsbelastung erhöhen.

Die im Straßenbau verwendete Dosierung der Fasern zur Fasermodifizierung des Betons trägt in der Regel nicht oder nicht wesentlich zu einer Steigerung der statischen Festigkeit des Betons bei. Durch den Einsatz von Fasern kann jedoch das Ermüdungsverhalten des Betons positiv beeinflusst werden. Anhand der Ergebnisse aus der vorliegenden Untersuchung zusammen mit den Befunden vergleichbarer Untersuchungen in der Literatur kann daher der Einsatz von Fasern bei Whitetopping empfohlen werden. Die Tafeln zur Standardisierung von Whitetopping berücksichtigen daher den Einsatz von konventionellem Straßenbaubeton und fasermodifiziertem Beton. 

4 Verbund

Bei Whitetopping bildet ein möglichst guter Verbund die Grundlage für eine dauerhafte und tragfähige Bauweise. Der Verbund zwischen Asphalt und Beton wird dabei in der Regel über ein Anfräsen der bestehenden Asphaltschicht, möglichst sorgfältige Reinigung der Asphaltoberfläche und Betonieren direkt auf die Kontaktfläche hergestellt. Dieses Vorgehen wird bei Whitetopping regelmäßig eingesetzt und empfohlen, z. B. (Rasmussen, Rozycki 2004, S. 15f.; Burnham 2009, S. 3; Ri ffel 2011, S. 21).

Mit Hilfe von analytischen Ansätzen und FEM-Berechnungen wurde ein Zusammenhang zwischen der Dicke der Betonschicht, der Dicke der Asphaltschicht und den auftretenden Schubspannungen in der Verbundfuge untersucht (E i d 2012, S. 146ff.). Die Ergebnisse, wie sie in der Tabelle 3 dargestellt sind, verdeutlichen, dass die Schubspannungen in der Verbundfuge vor allem durch die Vertikallasten hervorgerufen werden. Die Schubspannungen infolge von Horizontallasten fallen demgegenüber geringer aus. Basierend auf den gefundenen Berechnungsergebnissen können Anforderungen an den Verbund bei Whitetopping abgeleitet werden, die gewährleisten sollen, dass die Spannungen in der Verbundfuge infolge Verkehrslasten dauerhaft aufgenommen werden können. Da sowohl die auftretenden als auch die aufnehmbaren Schubspannungen temperaturabhängig sind, beziehen sich die Angaben auf eine Temperatur von 20 °C, was auch der Prüftemperatur im Abscherversuch nach TP Asphalt-StB, Teil 80 entspricht. 

Tabelle 3: Ableitung der Anforderungen an den Schichtenverbund bei Whitetopping bei 20 °C 

Nicht berücksichtigt sind die auftretenden Verformungen und Spannungen infolge Bewegung der Platten. Hierzu liegen derzeit noch zu wenig Versuchsergebnisse und praktische Erfahrung vor, um sinnvolle Anforderungen daraus ableiten zu können. Die Empfehlung zur Reduzierung der Bewegungen an den Fugen lautet daher, die Plattenabmessungen gering zu halten. 

5 Bemessung

5.1 Verkehrslastspannungen und Einfluss der Plattenlänge

Betonfahrbahnen können zur analytischen Berechnung als Platte auf elastischer Unterlage betrachtet werden. Bekanntes Beispiel hierfür sind die Gleichungen nach (Westergaard 1926, S. 26). Daneben können die Spannungen auch mit Hilfe von FE-Modellen ermittelt werden. In der Literatur wird darauf verwiesen, dass durch die Reduzierung der Fugenabstände die Plattentragwirkung in eine Fundamenttragwirkung übergeht. Zu Lasten einer stärkeren Einsenkung wird die Biegetragwirkung reduziert. In der Folge nehmen die Verkehrslastspannungen ab (Kühn 1997, S. 32; Cole, Mack et al. 1998, S. 205 und S. 216). Eine explizite analytische Herleitung dieses Zusammenhangs für Whitetopping kann jedoch in der Literatur nicht gefunden werden.

Grundsätzlich ergibt sich bei Whitetopping die Tragwirkung aus einer Kombination einer Betoneinzelplatte (eventuell mit Querkraftübertragung zu Nachbarplatten), einer unendlich ausgedehnten Asphalttragschicht und einer elastischen Bettung. Um die Wirkung einer Reduzierung der Fugenabstände zu untersuchen, wurde daher eine Analyse mit Hilfe von FE-Modellen mit der FE-Software ANSYS (linear-elastisches Volumenmodell mit elastischer Bettung) vorgenommen (E i d 2012, S184ff.). Dabei wurde die Wirkung einer statischen Belastung mit einem 50 kN Einzelrad bei unterschiedlichen Plattenlängen auf die wirksamen Biegezugspannungen und Bodendruckspannungen untersucht. Das Ergebnis ist exemplarisch für ein Whitetopping System mit 120 mm Beton und 100 mm Asphalt im Bild 4 dargestellt.

Bild 4: Biegezugspannungen aus 50 kN Verkehrslast an der Plattenunterseite

Es zeigt sich, dass bei einer Verkürzung der Plattenlänge die Biegezugspannungen gegenüber einer quasi unendlichen Platte, welche der analytischen Lösung Westergaards (Westergaard 1926, S. 26) zugrunde liegt, erst leicht ansteigen und dann deutlich abnehmen. Ursache für den Anstieg ist die Abnahme der Einspannwirkung beim Übergang von einer quasi-unendlichen zu einer endlichen Platte. Die anschließende Abnahme der Biegezugspannungen erfolgt zu Lasten höherer Bodendruckspannungen, wie richtigerweise von (Cole, Mack et al. 1998, S. 205) angenommen wurde. Minimalen Plattenlängen zur Begrenzung der Bodendruckspannungen müssen nicht berücksichtigt werden, da wegen der Herstell- und Wartungskosten eher größere Fugenabstände gewählt werden und die einzuhaltenden minimalen Plattenlängen daher unterhalb von baupraktischen Fugenabständen liegen (≪ 1 m). Aufgrund der Ergebnisse der FE-Analyse kann eine Empfehlung für eine Grenzplattenlänge lGrenz für Whitetopping abgeleitet werden (vgl. Gleichung 5.1). Geringere Plattenlängen reduzieren die auftretenden Biegezugspannungen infolge von Verkehrslasten.

Der Zusammenhang zwischen den Schichtdicken der Beton- und der Asphaltschicht und der empfohlenen Grenzplattenlänge lGrenz ist im Bild 5 dargestellt.

Whitetopping-Platten, die kleinere Abmessungen haben als die so ermittelten Grenzplattenlängen, werden infolge Verkehrslasten geringer belastet als quasi-unendliche Platten, da die hervorgerufenen Biegezugspannungen niedriger ausfallen, was für die Beanspruchung des Whitetopping-Systems günstig ist.

Bild 5: Empfohlene Grenzplattenlänge in Abhängigkeit der Dicke der gebundenen Schichten

5.2 Wölbspannungen

Bei der Dimensionierung von Betonfahrbahnen müssen nicht nur die Biegezugspannungen infolge von Verkehrslasten berücksichtigt werden, sondern auch Biegezugspannungen infolge ungleichmäßiger Erwärmung, sogenannter Wölbspannungen (Eisenmann, Leykauf 2003, S. 106). Werden Verformungen an einem Tragsystem behindert, ruft dies Spannungen hervor. Die Wölbspannungen sind das Ergebnis behinderter Temperaturverformungen. An einer unendlich langen Platte werden die Wölbspannungen σw voll wirksam (ungestörte Wölbspannungen), da das Eigengewicht ein Verwölben der Platte vollständig verhindert. Bei kurzen Platten treten hingegen Verformungen auf. Gegenüber einer unendlich langen Platte fallen die Wölbspannungen σw‘‘ (reduzierte Wölbspannungen) geringer aus (Eisenmann, Leykauf 2003, S. 38ff.).

Anhand der abgeleiteten Temperaturgradienten ∆t (Gleichung 2.1) für Whitetopping können die daraus resultierenden Wölbspannungen auf Basis der Ansätze von (Eisenmann, Leykauf 2003, S. 35ff.) und (Lechner 1996, S. 5ff.) berechnet werden. Für die weiteren Betrachtungen wurde für den Asphalt ein konstanter E-Modul mit 3.500 N/mm² angesetzt. Damit werden die sommerlichen Randbedingungen bei den größten einwirkenden Temperaturgradienten abgebildet und die ermittelten reduzierten Wölbspannungen liegen auf der sicheren Seite. Das Bild 6 zeigt die reduzierten Wölbspannungen σw‘‘ in Abhängigkeit von der Plattenlänge und den Schichtdicken des Betons und des Asphalts für typische Whitetopping-Systeme.

Bild 6: Wölbspannung σw‘‘ in Abhängigkeit von der Plattenlänge und den Schichtdicken

Bei gleichen Plattenlängen treten bei dünneren Whitetopping-Systemen größere Wölbspannungen auf. Ursache sind vor allem die größeren einwirkenden Temperaturgradienten. Mit zunehmender Plattenlänge nehmen darüber hinaus die Wölbspannungen quadratisch zu. Mit Hilfe der analytischen Zusammenhänge können die bemessungsrelevanten Wölbspannungen bestimmt werden, die in Kombination mit den Verkehrslastspannungen eine Aussage über die zulässigen Achsübergänge erlauben.

5.3 Vorgehen zur Ermittlung der Standardisierung von Whitetopping

Für die Bemessung von Whitetopping-Systemen werden die Biegezugspannungen im Beton für den Lastfall Plattenmitte und den Lastfall Plattenrand für Verkehrslasten und für die Temperaturbeanspruchungen sowie die Schubspannungen im Asphalt unter den Fugen zur Querkraftübertragung nachgewiesen (E i d 2012, S. 184ff.). In Anlehnung an die Tafeln der RStO können verschiedenen Bauklassen (II bis VI) sinnvolle Schichtdicken und Plattenlängen zugeordnet werden, die eine entsprechende Leistungsfähigkeit aufweisen. Hierzu wurde folgendes Vorgehen gewählt:

1. Ermittlung der Biegezugspannungen im Beton infolge Verkehrslast (50 kN) für den Lastfall Plattenmitte und den Lastfall Plattenrand; abhängig von der Dicke der Betonschicht, der Dicke der Asphaltschicht und dem E-Modul des Asphalts

   a. Berücksichtigung der tatsächlichen Plattengröße

   b. Berücksichtigung des Spannungsanstiegs aufgrund des im Fugenbereich nur teilweise vorhandenen Verbunds

   c. Berücksichtigung von dynamischen Radlastschwankungen

   d. Berücksichtigung der statistischen Verteilung des Asphalt-E-Moduls.

2. Ansatz von reduzierten Wölbspannungen für Plattenmitte und Plattenrand anhand des wirksamen Temperaturgradienten.

3. Ermittlung der zulässigen Lastwechselzahl anhand der wirkenden Verkehrslastspannungen und Wölbspannungen über die Ermüdung des Betons (Lastfall Plattenmitte, Lastfall Plattenrand); Ansatz der Biegezugfestigkeitsklasse F4,5 nach TL Beton-StB für alle Whitetopping-Varianten – insbesondere auch für die Bauklassen IV bis VI.

4. Ermittlung der Schubspannungen im Asphalt unter der Betonfuge; Bestimmung der zulässigen Lastwechselzahl über die aufsummierten Ermüdungsanteile im Jahresverlauf.

5. Ermittlung der zulässigen Lastwechselzahlen für verschiedene Schichtdicken (Beton, Asphalt) in Abhängigkeit von der Plattenlänge.

6. Überlagerung bei kombinierter Betrachtung von Beton und Asphalt und Ableitung von allgemeinen Dimensionierungsdiagrammen für Whitetopping.

7. Ableitung von Standardisierten Bauweisen für Whitetopping (vgl. Tafel 1 und Tafel 2) in Anlehnung an die Tafeln der RStO.

5.4 Konstruktive Gestaltung der Fahrbahnränder

Anhand von FE-Berechnungen zu Beanspruchungen am Plattenrand können für die Planung des Fahrbahnrandes und der Endfelder Empfehlungen abgeleitet werden. Der Abstand der Rollspur vom Bankett sollte mindestens 0,30 m betragen. Für stärker belastete Straßen sollte der Abstand eher größer gewählt werden. Baupraktisch gilt überschlägig, dass als Abstand der Rollspur die doppelte Gesamtdicke von Beton und Asphalt eingehalten werden sollte. Kann dieser Abstand nicht eingehalten werden (Beispiel: Bushaltestellen), muss dem Lastfall Plattenrand auf andere Weise begegnet werden. Entweder wird eine größere Dicke des Betons gewählt oder die Platte wird unter den Bord gezogen und der Bord aufgeklebt. Am Übergang zwischen Whitetopping und den angrenzenden Flächen kommt es ebenfalls zum Lastfall Plattenrand. Um die Spannungen am Plattenrand zu begrenzen, sollte die Betondicke der Whitetopping-Platte in einem Endfeld auf das 1,4-fache der Dicke verstärkt werden. Die Asphalttragschicht sollte dabei mindestens 80 mm Schichtdicke behalten, um so eine durchgehende Tragwirkung zu gewährleisten. 

6 Kosten

Whitetopping als Sanierungsbauweise muss nicht nur die bautechnischen Anforderungen hinsichtlich Tragfähigkeit und Dauerhaftigkeit erfüllen, sondern auch wirtschaftlich realisierbar sein. Um Aussagen zu Kosten von Whitetopping-Projekten treffen zu können, wurden Ausschreibungen, Preisspiegel und Abrechnungsunterlagen von insgesamt sieben Whitetoppingprojekten (70 m² bis 6.500 m² Fahrbahnfläche) aus Deutschland ausgewertet.

Da sich diese Whitetopping-Projekte zum Teil erheblich unterscheiden (z. B. Art der Ausschreibung, Art des Betoneinbaus, Umfang der sonstigen Leistungen), wurden die Projektkosten normiert, um die Projekte vergleichbar zu machen. Hierzu wurden alle durch die Sanierung mit Whitetopping ausgelösten Kosten zugrunde gelegt. Dies beinhaltet auch die Kosten, die bei einer alternativen Sanierung beispielsweise mit Asphalt in gleicher Weise anfallen („Sowiesokosten“ wie Fräsarbeiten, Reinigungsarbeiten oder Bankettarbeiten).

Bei der Normierung wurde auch die Baustelleneinrichtung in den Kostenansatz mit einbezogen. Nicht angesetzt wurden die Kosten für Markierung und Beschilderung, da diese häufig über Jahres- oder Sammelverträge abgewickelt werden. Spezielle projektabhängige Kosten wie Kosten für Verkehrssicherung, Entwässerungsarbeiten oder Einfärben von Beton, wurden im Rahmen der Normierung ebenfalls herausgerechnet. Durch die Normierung der Leistungen in den Bauverträgen werden Kosten ermittelt, die zur Kostenschätzung für Whitetoppingmaßnahmen zugrunde gelegt werden können.

Diese Kosten hängen unter anderem vom Umfang der vorgesehenen Maßnahmen ab, mit zunehmendem Umfang einer Leistung nimmt die Höhe des dazugehörigen Einheitspreises ab. Das Bild 7 zeigt den Zusammenhang zwischen der Whitetopping-Fläche und dem Einheitspreis, der für die Kostenschätzung der Gesamtleistung herangezogen werden kann.

Bild 7: Zusammenhang Whitetopping-Fläche und Einheitspreis (Stand 2010)

Der dargestellte Zusammenhang zwischen dem Einheitspreis EP [Euro] und der im Projekt als Whitetopping realisierten Fläche A [m²] kann über logarithmische Beziehungen beschrieben werden.

Formeln im PDF

Die Funktion für den mittleren Einheitspreis nach Gleichung 6.1 wird mit Hilfe der linearen Regression bestimmt. Die Funktion für den maximalen Einheitspreis (Kostenschätzung auf der sicheren Seite) nach Gleichung 6.2 ist parallel dazu verschoben. Über die Grenzen der betrachteten Projektgrößen hinaus (kleiner 70 m² bzw. größer 6.500 m²) liegen keine Erfahrungen vor. Die Gleichungen sollten daher bei einer Extrapolation nur zur Orientierung verwendet werden. Mit Hilfe vom Bild 7 und den Gleichungen 6.1 und 6.2 ist es möglich, bereits in einer frühen Planungsphase eine Kostenschätzung der zu erwartenden Gesamtkosten für die Sanierung mit Whitetopping zu ermitteln. 

7 Fazit

In Deutschland wird der Straßenbaustoff Beton als hochwertig, gleichzeitig aber auch als vergleichsweise kostenintensiv angesehen. Whitetopping kann und soll daher nicht als Billigbauweise antreten. Vielmehr stellt Whitetopping eine Bauweise zum Einsatz bei Problemstellen mit hohen Beanspruchungen dar. Mit dieser Bauweise steht den Straßenbau- und Verkehrsingenieuren eine wirtschaftliche und leistungsfähige Sanierungsmöglichkeit für die Straßeninfrastruktur zur Verfügung, welche die vorhandenen Bauweisen sinnvoll ergänzt. 

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Tafel 1: Whitetopping – Normalbeton nach RStO 01

Tafel 2: Whitetopping – fasermodifizierter Beton nach RStO 01