Straßenaufbaudaten kennzeichnen die vorhandene Schichtenfolge der Befestigungen. Sie enthalten Angaben zu den Arten, den Einbaujahren und den Dicken aller vorhandenen befestigten und unbefestigten Schichten. Die Aufbaudaten werden in Straßendatenbanken vorgehalten. Bei der Erhaltungsplanung werden die Aufbaudaten als wichtige Ergänzung zu den Zustandsdaten benötigt. Sie liefern zusätzliche Informationen zum Alter und zur Beschaffenheit der tiefer liegenden Schichten. Damit kann geprüft werden, inwieweit die vorhandene Befestigung in ihrer Art den Materialanforderungen und, nach einem Vergleich mit den vorhandenen oder prognostizierten Verkehrsbelastungen, in ihrer Dicke den Bemessungsanforderungen der RStO entspricht. Mit dieser Substanzbewertung können Instandsetzungsmaßnahmen, mit denen die erfassten Oberflächenschäden und -mängel beseitigt werden, und Erneuerungsmaßnahmen, die auch die tiefer liegenden Schichten erfassen, in ausgewogener Weise in ihren Wirkungen eingestuft werden. Auch das Langzeitverhalten der Konstruktionen lässt sich so präziser vorhersagen. 

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

1 Einleitung

Der Beitrag nimmt Bezug auf mehrere Forschungsarbeiten der letzten Jahre, die sich im Auftrag des Bundesministeriums für Verkehr, Bau- und Wohnungswesen mit der Beschreibung, Erfassung, Speicherung, Pflege und Nutzanwendung von Straßenaufbaudaten befasst haben [1] bis [4].

Bei der Anwendung des Pavement Management Systems (PMS) [5] in Deutschland spielen diese Daten, neben den Zustandsdaten, eine entscheidende Rolle. Die Aufbaudaten liegen in den meisten alten Bundesländern im ASB-Format (Datenart 105 [6]), teilweise auch in leicht modifizierter Form, vor. In den neuen Bundesländern gab es zwar auch schon vor 1990 Aufbaudaten, jedoch entsprachen diese nicht den Konventionen der ASB. Seit 1990 werden schrittweise die Inhalte der Datenart 105 der TT-SIB gefüllt.

Im Rahmen der Langfristprognose des Erhaltungsbedarfes für den Bundesverkehrswegeplan (BVWP) [1] wurde versucht, die fehlenden Aufbaudaten an Bundesfernstraßen – teilweise in vereinfachter Form – zu ergänzen bzw. zu aktualisieren. Die dabei gewonnenen Daten wurden für die Prognose des Erhaltungsbedarfes verwendet, werden zukünftig aber auch für andere Anwendungen im Erhaltungsmanagement bereitstehen.

2 Beschreibung und Speicherung der Daten zum Befestigungsaufbau

Die Datenart 105 (DA 105 gemäß ASB [6]) weist eine sehr große Differenzierung der Schichtarten sowohl in vertikaler als auch in Längs- und Querrichtung auf. Diese aus Datenbankerfordernissen resultierende Datenstruktur ist für den Nutzer relativ schwer lesbar und kontrollierbar. Sie ist auch aus der Sicht einer systematischen Erhaltungsplanung ungeeignet, da sich eine sehr große Anzahl an Teilabschnitten, die aus dem Oberbau-Bestand resultieren, ergeben kann. Für das Management der Straßenerhaltung ist eine derartig hohe Differenzierung nicht praktikabel, weil weder erforderlich noch zielführend. Da das PMS letzten Endes auf die Festlegung optimaler Erhaltungsmaßnahmen nach Zeitpunkt und Art der Maßnahme abzielt, müssen homogene Abschnitte gebildet werden, die für die Maßnahmerealisierung relevant sind.

Das Bild 1 zeigt einen gekürzten Auszug aus der DA 105 im Format der externen Schnittstelle der TT-SIB.

Bild 1: Auszug aus der DA 105 im Format der externen Schnittstelle der TT-SIB

Ohne im Detail auf die Dateistruktur einzugehen, ist erkennbar, dass die Schichtdaten in einer sehr großen Differenzierung und für relativ kleine Abschnittslängen vorliegen. Letzteres hat damit zu tun, dass die Schichtdaten bisher mit den Querschnittsdaten (Datenart 104) verschnitten wurden. Dies führt zu einer Aufblähung der Dateien, da die Querschnittsdaten (für den gesamten Regelquerschnitt, also nicht nur die Fahrbahn) in Dezimetergenauigkeit erfasst und abgelegt werden.

Das Bild 2 gibt ein Beispiel für einen einfachen Straßenaufbau wieder, wie er in der Datenart 105 selten auftritt, aber für den Input in das PMS oder andere Anwendungen benötigt wird.

Bild 2: Beispiel für einen repräsentativen Befestigungsaufbau; Dicken in [cm]

Für ein praktikables Erhaltungsmanagement müssen daher zunächst die Daten gemäß dem Bild 1 in Daten gemäß dem Bild 2 umgeformt und vereinfacht werden. Je Schicht (bzw. Schichtfunktion) müssen

• Art
• Dicke und
• Einbaujahr (Alter) bekannt sein.

Die Überführung der Schichtdaten gemäß dem Bild 1 nach Bild 2 war Gegenstand eines inzwischen abgeschlossenen Forschungsprojektes [2]. Im Ergebnis dieser Arbeit liegen nun Standard-Algorithmen vor, wie diese Datentransformation zu erfolgen hat. Das Bild 3 beschreibt den Ablauf der Algorithmen in vereinfachter Form.

Bild 3: Vereinfachter Ablauf der Bildung des repräsentativen Befestigungsaufbaus

3 Nutzanwendungen von Straßenaufbaudaten in der Erhaltungsplanung

Die Kenntnis des Schichtenaufbaus wird benötigt für

1. die Inventarisierung/Ermittlung des Anlagevermögens,
2. Analysen der Altersstruktur,
3. die Bewertung der Befestigungssubstanz,
4. Prognosen zum Finanzbedarf und zur Netzentwicklung,
5. die objektbezogene Maßnahmeplanung und
6. wissenschaftliche Analysen (z. B. zur Bewährung von Bauweisen).

Als besonders problematisch erwies sich in der Vergangenheit der Punkt 3. Da im Rahmen der Zustandserfassung und -bewertung nur Oberflächenmerkmale erfasst werden (Ebenheit, Griffigkeit, Substanzmerkmale an der Oberfläche), sind Interpretationen zur Substanz der Fahrbahnen problematisch, da sie die „innere“ Substanz nicht berücksichtigen (können).

Soweit es sich um standardgerecht gebaute neue Konstruktionen handelt, ist eine Bewertung ihrer Substanz relativ einfach, da sie bestimmten Bauklassen zugeordnet werden können. Vergleicht man diese Bauklasse mit dem vorhandenen Verkehr, ist eine Einstufung in „vollbemessen“ oder „unterbemessen“ möglich.

Mit zunehmender Nutzungszeit setzen jedoch Ermüdungs- und Alterungsprozesse ein, die zu Rissbildungen, Versprödungen, Abrieb, Strukturveränderungen usw. führen. Diese Prozesse müssen durch geeignete Modelle abgebildet werden, wobei bei netzweiten und teilweise prognostischen Betrachtungen Genauigkeitsverluste hingenommen werden können.

Mit [3] und [7] wurde ein Verfahren entwickelt, dass eine solche Substanzbewertung alter und/oder nicht standardgerecht aufgebauter Straßenkonstruktionen zulässt. Das Verfahren beruht auf dem so genannten Dickenäquivalenzprinzip. Dabei wird jeder Schicht zunächst ein Äquivalenzfaktor zugeordnet, der den Verformungswiderstand des Materials beschreiben soll.

Zunächst wird für jede Schicht ein vorhandener Dickenindex berechnet. In diese Berechnung gehen Materialart, Dicke und Alter der Oberflächen-, Deck-, Binder-, gebundenen und ungebundenen Tragschicht ein.

Die Berechnung des Äquivalenzfaktors erfolgt nach der Formel:

Formel im PDF

Unterschreitet ÄqF den im Bild 4 angegebenen MIN-Wert oder überschreitet ÄqF den MAX-Wert, wird ÄqF entsprechend auf MIN oder MAX gesetzt. Die Äquivalenzdicke ergibt sich dann aus der Formel:

Formel im PDF

Das Bild 4 gibt die Berechnungsgrundlagen für den Äquivalenzfaktor wieder.

Bild 4: Berechnungsgrundlagen für den Äquivalenzfaktor

Das Bild 5 zeigt exemplarisch für eine 40 mm dicke Asphaltbetondeckschicht, wie sich durch den Äquivalenzfaktor die Äquivalenzdicke über die Jahre verändert.

Bild 5: Veränderung des Dickenindexes DI_vorh über die Jahre am Beispiel einer 40 mm dicken Asphaltbetondeckschicht

Die ersten drei Jahre bleibt sie kontinuierlich konstant und fällt mit der physikalischen Ausgangsdicke zusammen (START – ALTER • FAKTOR > Max), deshalb wird die Schichtdicke mit Max (= 1) multipliziert. Danach nimmt sie kontinuierlich um 1,0 mm pro Jahr ab. Im 23. Jahr erreicht sie schließlich eine Äquivalenzdicke von 20 mm, die sich nicht mehr weiter verkleinert, weil der Äquivalenzfaktor seinen Minimalwert von 0,5 erreicht hat (START – ALTER • FAKTOR = 1,075 – 23 • 0,025 = 0,5).

Der so ermittelte vorhandene Dickenindex wird dem erforderlichen Dickenindex gegenübergestellt. Für die Bestimmung des erforderlichen Dickenindexes wurde in [8] ein Monogramm entwickelt (Bild 6).

Bild 6: Ermittlung des erforderlichen Dickenindexes Dl_erf [8]

Im Ergebnis wird ein Bemessungsindex ermittelt, der eine grobe Aussage zur Anforderungsgerechtigkeit des vorhandenen Schichtenaufbaus zulässt:

Formel im PDF

Dieser Bemessungsindex wird bei der Bildung einer Gesamtzustandsnote „Substanzwert Gesamt“ mit den an der Oberfläche beobachteten Substanzschäden (Flickstellen, Risse) kombiniert [7]. Maßnahmeauslösend wird er jedoch nur, wenn auch der Oberflächenzustand Anlass zu einer Erhaltungsmaßnahme erwog, nur weil die Bewertung des Schichtenaufbaus eine Unterdimensionierung ergeben hat, die Fahrbahn aber in gutem Zustand ist.

Zumindest für die in sehr frühen Planungsphasen laufenden PMS- und Finanzbedarfsbetrachtungen am Gesamtnetz ergibt sich damit jedoch die Möglichkeit, das Langzeitverhalten der Straßenkonstruktion nicht nur aus dem Oberflächenzustand, sondern auch aus der „Straßensubstanz“ abzuleiten.

4 Erfassung von Straßenaufbaudaten

Straßenaufbauten wachsen in historischen Zeiträumen. Ein nach Straßenklassen unterschiedlich großer Anteil des deutschen Straßennetzes wurde nach dem zweiten Weltkrieg erneuert, der zum Teil nicht unerhebliche Rest wurde nie nach den heute geltenden Regeln ausgebaut. Die Erhebung von Straßenaufbaudaten ist daher ein Prozess, der nicht in einer kurzen Zeitspanne zu bewerkstelligen ist. Grundsätzlich kommen folgende Quellen in Frage:

• Bauunterlagen (Entwurfspläne, Abrechnungsunterlagen),
• Erfassungsblätter der Straßenbestandsaufnahme,
• Straßenbücher,
• Auskünfte Straßenunterhaltungspersonal,
• örtliche Erfassung (Bohrkerne, Aufbrüche, Radarsondierungen).

Die Auflistung zeigt, dass es sehr mühsam und teilweise auch teuer ist, historische Aufbaudaten zu erfassen. Mit einer örtlichen Erfassung können zudem keine Angaben zum Einbaujahr ermittelt werden. Die einfachste und billigste Methode ist, jede Neubau- und Erhaltungsmaßnahme konsequent zu dokumentieren und zuverlässig in die Straßendatenbank einzuspeisen. Das Problem liegt meistens schon darin, die entsprechenden Organisationsstrukturen durchzusetzen. Insbesondere einfache Erhaltungsmaßnahmen wie Oberflächenbehandlungen, Dünnschichtbeläge und Deckschichtinstandsetzungen fanden in der Vergangenheit häufig keinen Eingang in die Datenbank. Dies führt jedoch zur Disqualifikation jeglicher systematischen Erhaltungsplanung, da dann häufig der vorhandene Fahrbahnzustand nicht mit dem vorhandenen Schichtdatenbestand vereinbar ist.

Mit der Einführung des PMS in nahezu allen Bundesländern [9] wurde die mangelnde Qualität und Vollständigkeit der Schichtdaten deutlich. Deshalb wurde im Rahmen der vorbereitenden Arbeiten zum Bundesverkehrswegeplan [1] eine groß angelegte Erhebungskampagne zur Erstellung oder Aktualisierung der Aufbaudaten für die Bundesfernstraßen gestartet.

Auf Grund einschlägiger Erfahrungen zu den Schwierigkeiten und zum Aufwand einer Erhebung von in der Vergangenheit durchgeführten Erhaltungsmaßnahmen wurde das Erfassungskonzept der Bundesstraßen darauf ausgerichtet, nur den vorhandenen Schichtenaufbau zum 1.1.2000, aber keine früher getätigten Maßnahmen, zu erfassen. Das Konzept wurde in drei Hauptschritten umgesetzt:

Mit einer Vorerhebung wurde bei allen Bundesländern zunächst die aktuelle Situation in Bezug auf die Verfügbarkeit die Qualität von Aufbaudaten abgeklärt. Ausgehend von dem Ergebnis der Vorerhebung wurden, sortiert nach Straßenbauämtern und Straßennummern, sogenannte Streckenbänder mit Informationen zur Örtlichkeit und zu vorhandenen Aufbau- und Zustandsdaten erstellt. Diese Streckenbänder, die das Bundesstraßennetz vollständig abbilden, wurden den Ländern und Straßenbauämtern mit der Bitte um Durchsicht, Korrektur bzw. Ergänzung übermittelt.

Die Rückmeldungen der Länder wurden schließlich, nach nochmaligen Abstimmungen in Einzelfällen, in den Datenbestand eingearbeitet. Die korrigierten und vervollständigten Daten wurden den Ländern wieder übermittelt und anschließend für die Erhaltungsbedarfsprognose aufbereitet. Das Bild 7 gibt die Statistik der Erhebungsergebnisse wieder.

Bild 7: Schichtarten und Schichtdicken der durchgehenden Fahrbahnen der Bundesstraßen (Stand 1.1.2000; * = Streckenlänge) [1]

Für die Bundesautobahnen lief parallel eine ähnliche Erhebung, wobei zunächst Daten zu Erhaltungsmaßnahmen recherchiert wurden. Diese Daten wurden später entsprechend der Vorgehensweise bei den Bundesstraßen ergänzt und in eine vergleichbare Aufbaudatenbank umgewandelt. Das Bild 8 gibt die Ergebnisse wieder.

Bild 8: Schichtarten und Schichtdicken der durchgehenden Fahrbahnen der Bundesautobahnen (Stand 1.1.2000) [1]

Es ist vorgesehen, diesen sehr wertvollen Datenbestand flächendeckend in die Länderdatenbanken zurückzuführen, sofern dies von den Ländern gewünscht wird. Zukünftig ist es dann erforderlich, ein zuverlässiges Pflegekonzept zu entwickeln, das eine vollständige, korrekte und zeitnahe Fortschreibung von Maßnahmedaten in die Aufbaudatenbestände der Länder sicherstellt.

5 Zusammenfassung und Ausblick

Die Straßenaufbaudaten kennzeichnen die vorhandene Schichtenfolge der Befestigungen von Fahrbahnen und Nebenflächen. Sie enthalten Angaben zu den Arten, den Einbaujahren und den Dicken aller vorhandenen befestigten und unbefestigten Schichten. Die Aufbaudaten werden in Straßendatenbanken (z. B. TT-SIB [10], NW-SIB) in der Datenart 105 (nach ASB 92) vorgehalten.

Bei der Erhaltungsplanung werden die Aufbaudaten als wichtige Ergänzung zu den Zustandsdaten benötigt. Sie liefern zusätzliche Informationen zum Alter und zur Beschaffenheit der tiefer liegenden Schichten. Damit kann geprüft werden, inwieweit die vorhandene Befestigung in ihrer Art den Materialanforderungen und, nach einem Vergleich mit den vorhandenen oder prognostizierten Verkehrsbelastungen, in ihrer Dicke den Bemessungsanforderungen der RStO entspricht. Diese Bewertung der Anforderungsgerechtigkeit wurde für die Erhaltungsplanung mit dem PMS soweit operationalisiert, dass ein Substanzwert-Bestand berechnet werden kann, der wie der Substanzwert-Oberfläche skaliert ist (Noten von 1 bis 5). Beide werden zu einem Substanzwert-Gesamt verknüpft.

Mit diesem Substanzwert-Gesamt können Instandsetzungsmaßnahmen, mit denen die erfassten Oberflächenschäden und -mängel beseitigt werden, und Erneuerungsmaßnahmen, die auch die tiefer liegenden Schichten erfassen, in ausgewogener Weise in ihren Wirkungen eingestuft werden. Auch das Langzeitverhalten der Konstruktionen lässt sich so präziser vorhersagen.

Mit Kenntnis der Aufbaudaten können bei der Erhaltungsplanung somit neben den Belangen des Straßennutzers auch die Belange des Betreibers bzw. Baulastträgers im Hinblick auf eine rechtzeitige und wirtschaftliche Substanzerhaltung angemessen berücksichtigt werden.

Für die Erhaltungsplanung ist die Differenzierung der Aufbaudaten in der Datenart 105 nicht geeignet. Mit einem vorliegenden Verfahren können aus der Datenart 105 längere Abschnitte gebildet werden, die sowohl in Längs- als auch in Querrichtung einen vergleichbaren (homogenen) Schichtenaufbau haben. Zusätzlich wurden Möglichkeiten geschaffen, durchgeführte Erhaltungsmaßnahmen in die Aufbaudaten zu integrieren. Damit ist der Tatsache Rechnung getragen, dass es sich bei den Straßenaufbaudaten um eine dynamische Datenart handelt, die ständig aktualisiert werden sollte. Die verfügbaren informationstechnischen Möglichkeiten zur laufenden Aktualisierung der Straßenaufbaudaten sollten genutzt werden, da derzeit für die Bundesfernstraßen eine sehr gute Grundausstattung an Aufbaudaten vorhanden ist. Diese gute Grundlage resultiert aus den Bemühungen der Bundesländer, die in Zusammenarbeit mit dem Bundesministerium für Verkehr, Bau- und Wohnungswesen im Rahmen der Langfristprognose des Erhaltungsbedarfs der Bundesfernstraßen in den Jahren 1999 bis 2002 zur Erfassung und Aktualisierung der Aufbaudaten unternommen wurden.

Literaturverzeichnis

1. Maerschalk, G.; Rübensam, J. u. a.: Standardprognose des Erhaltungsbedarfs der Fernstraßeninfrastruktur bis 2015 (für BVWP 2001), Projekt Nummer 28.004/1999, im Auftrag des BMVBW, SEP Maerschalk München, RS-Consult Berlin, in Kooperation mit BHI Darmstadt und der Universität der Bundeswehr München, Dezember 2002
2. Lindner, S.; Rübensam, J.; Schulze, F.; Staroste, D.: Algorithmen zur Ermittlung repräsentativer Befestigungsaufbauten für die Erhaltungsplanung, FA 9.118; im Auftrag des Bundesministeriums für Verkehr, Bau- und Wohnungswesen, September 2001
3. Oefner, G.; Kienlein, E.; Nußrainer, C.; Pindur-Nakamura, A.: Erweitern des streckenbezogenen Substanzwertes im System ZEB um Kriterien wie Belastung, Aufbau, Alter und Tragfähigkeit; Testen und Abstimmen von Bewertungskonzepten, FA 9.101; im Auftrag des Bundesministeriums für Verkehr, November 1998
4. Maerschalk, G.; Heller, S.; Socina, M.; Komma, C.; Krause, G.; Rübensam, J.: Datenstrukturen des PMS: Einordnung in den Objektkatalog Straße (OKSTRA) und Fortschreibung der Festlegungen in der Anweisung Straßendatenbank (ASB), FA 9.123; im Auftrag des Bundesministeriums für Verkehr, Bau- und Wohnungswesen, Entwurf des Schlussberichtes, Juli 2002
5. Maerschalk, G.: Erstellung einer ablauffähigen Folge von Algorithmen fur die Planung von Erhaltungsmaßnahmen und die Mittelverwendung im Rahmen eines PMS, Forschung Straßenbau und Straßenverkehrstechnik, Heft 751, Bonn 1997
6. Bundesministerium für Verkehr, Bau- und Wohnungswesen (Hrsg.): ASB – Anweisung Straßeninformationsbank, Gesamtinhaltsverzeichnis, Bonn Oktober 1998 sowie Neufassung der ASB-Bestandsdaten, Entwurf 06/2001
7. Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Arbeitspapiere zur Systematik der Straßenerhaltung, Erhaltungsplanung, Reihe S: Substanzmerkmal Bestand, Entwurf März 2001
8. Schmuck, A.; Hehenberger, F.: Mängelursachen, Erhaltungsmaßnahmen und Auswirkungen auf das künftige Zustandsniveau; Entwicklung einer Systematik für das Management der Straßenerhaltung, FA 9.073; im Auftrag des Bundesministeriums für Verkehr, 1993
9. Maerschalk, G.; Krause, G.: Erstanwendung der vorliegenden Algorithmen für die Erhaltungsplanung in ausgewählten Bauämtern, FA 9.114; im Auftrag des Bundesministeriums für Verkehr, Bau- und Wohnungswesen, 2002
10. NOVASIB: TT-SIB Version 4.4.4, Programm, Handbücher und Externe Schnittstelle (ESS)