eJournals Kolloquium Straßenbau in der Praxis 2/1

Kolloquium Straßenbau in der Praxis
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expert Verlag Tübingen
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2021
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Dimensionierung und Qualitätsüberwachung im Straßenbau zur Sicherung der geplanten Lebensdauer bei ÖPP Projekten

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Gregor Benning
Die Erfahrungen, die die HOCHTIEF PPPS GmbH bei der Planung und Ausführung von ÖPP Projekten im Straßenbau in Bezug auf die Qualitätsüberwachung gesammelt hat, werden dargestellt. Dabei liegt ein wesentlicher Fokus auf die Unterschiede bei einer Ausführung in Beton- oder Asphaltbauweise. Ausgehend von den unterschiedlichen Ansätzen zur Dimensionierung und deren wesentlichen Eingangsparameter wird beschrieben, wie diese bei Prüfungen zur Kontrolle der hergestellten Leistung verifiziert werden. Abschließend erfolgt eine Gegenüberstellung der damit verbundenen Kosten für diese besondere Art der Kontrollprüfung.
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348 2. Kolloquium Straßenbau - September 2021 Ermittlung des dimensionierungsrelevanten Achslastkollektivs zur realitätsnahen Straßenplanung rungsrelevanten Beanspruchungen B, was in 4 Fällen zu unterschiedlichen Belastungsklassen führte. Es waren sowohl höhere als auch niedrigere Werte von B nach Methode 2 im Vergleich zu Methode 1 zu verzeichnen, das Maximum der Differenz betrug 69 %. Im Vergleich zu Bundesautobahnen ist im nachgeordneten Netz von einer größeren Diversität eingesetzter Fahrzeugtypen des Schwerverkehrs mit lokal unterschiedlich hohen Anteilen im Gesamtkollektiv auszugehen. Die Anwendung der in den RStO 12 ausgewiesenen, mittleren Werte für Achszahl f A und Lastkollektivquotient q Bm bergen daher eine relativ hohe Wahrscheinlichkeit der signifikanten Abweichung vom örtlich auftretenden Belastungsniveau durch den Schwerverkehr in sich. Diesem Umstand kann mit dem beschriebenen, neu entwickelten Verfahren zur Ermittlung des dimensionierungsrelevanten Achslastkollektivs entgegengewirkt werden. Durch seine Anwendung ist ein deutlich realitätsnäheres, den örtlichen Bedingungen besser angepasstes Ergebnis der Ermittlung von B und damit der Dimensionierung des Schichtenaufbaus zu erwarten. Daraus abzuleiten ist ein enorm hohes, volkswirtschaftliches Potenzial durch Vermeidung von zu hoch, aber auch zu niedrig ermittelten Belastungsklassen und damit des Ausbaustandards des Oberbaus von Straßen. Das beschriebene Verfahren wird neben weiteren Verfahren [BASt 2019] Bestandteil des in Bearbeitung befindlichen Arbeitspapiers „Eingangsgrößen für die Dimensionierung und Bewertung der strukturellen Substanz“ der FGSV Köln sein. Die Veröffentlichung des Arbeitspapiers ist für 2021 geplant. Quellen [1] [BASt 2019] Forschungsprojekt FE 04.0285/ 2014/ ORB „Aktualisierung und Anpassung der Straßenbelastungsdaten für die Dimensionierung“, Bundesanstalt für Straßenwesen Bergisch Gladbach, 2019 [2] [HBS 2015] Handbuch für die Bemessung von Straßenverkehrsanlagen (HBS), Ausgabe 2015. Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen, FGSV Verlag, Köln, 2015 [3] [Hennig 2009] Hennig, P.: Untersuchungen zur Ermittlung von Achslastkollektiven für das nachgeordnete Straßennetz, Diplomarbeit, Universität Leipzig, 2009 [4] [Laffont 1999] Laffont, S.; Schmidt, G.: Aufbau eines Teilnetzes zur Achslasterfassung in Hessen - Phase 2 (Probebetrieb). Forschung Straßenbau und Verkehrstechnik, Heft 775, Bundesministerium für Verkehr, Bau- und Wohnungswesen, 1999 [5] [RDO Asphalt 09] Richtlinien für die rechnerische Dimensionierung des Oberbaues von Verkehrsflächen mit Asphaltdeckschicht, Ausgabe 2009 (RDO Asphalt 09). Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen, FGSV Verlag, Köln, 2009 [6] [RDO Beton 09] Richtlinien für die rechnerische Dimensionierung von Betondecken im Oberbau von Verkehrsflächen, Ausgabe 2009 (RDO Beton 09). Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen, FGSV Verlag, Köln, 2009 [7] [RStO 12] Richtlinien für die Standardisierung des Oberbaues von Verkehrsflächen, Ausgabe 2012 (RStO 12). Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen, FGSV Verlag, Köln, 2001, einschließlich Korrektur vom Juni 2020 [8] [Sieber 2013] Sieber, R.; Wellner, F.: Die neuen “Richtlinien für die Standardisierung des Oberbaus von Verkehrsflächen”, Ausgabe 2012 (RStO 12). Straße und Autobahn, Heft 8-2013, Kirsch-baumverlag Bonn, 594-600 [9] [TLS 2012] Technische Lieferbedingungen für Streckenstationen, Ausgabe 2012 (TLS 2012). Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung, Berlin, 2012 [10] [Uhlig 2019] Uhlig,W.: Grundlagen für Lastannahmen zur Dimensionierung von Straßenbefestigungen, Dissertation, Technische Universität Dresden, Fakultät Bauingenieurwesen, Dresden, 2019 https: / / nbn-resolving.org/ urn: nbn: de: bsz: 14-qucosa2-337040 [11] [Wolf 2010] Wolf, A.: Modell zur straßenbautechnischen Analyse der durch den Schwerverkehr induzierten Beanspruchung des BAB-Netzes. Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen, Heft S 61, Bundesanstalt für Straßenwesen Bergisch Gladbach, 2010 2. Kolloquium Straßenbau - September 2021 349 Dimensionierung und Qualitätsüberwachung im Straßenbau zur Sicherung der geplanten Lebensdauer bei ÖPP Projekten Dipl.-Ing. Gregor Benning HOCHTIEF PPP Solutions GmbH; 45133 Essen Zusammenfassung Die Erfahrungen, die die HOCHTIEF PPPS GmbH bei der Planung und Ausführung von ÖPP Projekten im Straßenbau in Bezug auf die Qualitätsüberwachung gesammelt hat, werden dargestellt. Dabei liegt ein wesentlicher Fokus auf die Unterschiede bei einer Ausführung in Beton- oder Asphaltbauweise. Ausgehend von den unterschiedlichen Ansätzen zur Dimensionierung und deren wesentlichen Eingangsparameter wird beschrieben, wie diese bei Prüfungen zur Kontrolle der hergestellten Leistung verifiziert werden. Abschließend erfolgt eine Gegenüberstellung der damit verbundenen Kosten für diese besondere Art der Kontrollprüfung. 1. Ausgangslage Die Risikoübernahme durch den Auftragnehmer bei einem ÖPP Projekt unterscheidet sich in vielen Aspekten von der bisher üblichen Risikoverteilung in VOB Verträgen. Einer der wesentlichsten Unterschiede dabei ist die Verlängerung der Gewährleistungspflicht. Der Auftragnehmer übernimmt die Verantwortung bei einem ÖPP Auftrag bezüglich seiner Gewährleistungspflicht nicht für 5 Jahre gemäß ZTV Asphalt [26] bzw. ZTV Beton [22], sondern für die Dauer der Vertragslaufzeit von in der Regel 30 Jahren. Hierbei handelt es sich nicht um eine Gewährleistung im üblichen Sinn, sondern um Schuldung eines definierten Zustands des Straßenoberbaus über die gesamte Vertragslaufzeit. Dieser geschuldete Zustand ist über messbare Größen in Bezug auf Ebenheit, Griffigkeit und Anzahl und Ausmaß von Schadstellen definiert. Alle zur Sicherstellung dieses geschuldeten Zustands erforderlichen Maßnahmen von Instandhaltungsüber Instandsetzungsbis hin zu Erneuerungsmaßnahmen sind durch den Auftragnehmer auszuführen, und sind mit der zu Vertragsbeginn vereinbarten Vergütung pauschal abgegolten. 2. Grundlegende Strategie Da jeder Eingriff in den Straßenverkehr für erforderlich werdende Maßnahmen durch Verfügbarkeitsabzüge pönalisiert ist, hat es sich als eine optimale Strategie für den Straßenoberbau herausgestellt, dass Betonoberbauten so geplant werden, dass keine Erneuerungsmaßnahme der Betondecke während der Vertragslaufzeit erforderlich wird. Bei einem Oberbau aus Asphalt ist die Asphalttragschicht so herzustellen, dass diese keine Erneuerungsmaßnahmen benötigt. 3. Dimensionierung Oberbau Damit der Fahrbahnaufbau mit der erforderlichen Widerstandsfähigkeit hergestellt werden kann, wie sie für die zuvor beschriebene grundlegende Strategie benötigt wird, wird eine rechnerische Dimensionierung des Fahrbahnoberbaus unumgänglich. Dies insbesondere, da die erwarteten Verkehrsbelastungen in den ÖPP Strecken üblicherweise oberhalb einer B-Zahl von 100 Mio. äquivalenten 10 Tonnen Achsübergängen liegt, ab der in der RStO [21] empfohlen wird, eine rechnerische Dimensionierung durchzuführen. 3.1 Verkehrsbelastung Damit die Verkehrsbelastung über den gesamten Vertragszeitraum in der Dimensionierung möglichst zutreffend berücksichtigt werden kann, wird eine Aktualisierung der in den Planfeststellungsunterlagen enthaltenen Verkehrsstudie durchgeführt. In dieser Aktualisierung werden die Entwicklungen zwischen Zeitpunkt der Erstellung der Verkehrsstudie für die Planfeststellung des Ausbauabschnitts und der Durchführung der Dimensionierungsberechnung eingearbeitet. Auch werden aktuelle Erkenntnisse über Planungen der Erweiterungen im Netz sowie Ansiedlungen von möglichen Gewerbegebieten im unmittelbarem Umfeld des geplanten Streckenausbaus berücksichtigt. 3.2 Klimatische Belastung Beim Ansatz der klimatischen Belastungen wird auf die Vorgaben des gültigen Regelwerks zurückgegriffen. Dimensionierung und Qualitätsüberwachung im Straßenbau zur Sicherung der geplanten Lebensdauer bei ÖPP Projekten 350 2. Kolloquium Straßenbau - September 2021 3.3 Materialeigenschaften Neben der Verkehrsbelastung haben auf das Dimensionierungsergebnis auch die Materialeigenschaften einen wesentlichen Einfluss. Es ist zu klären, welche Rohstoffe für das Projekt zur Verfügung stehen und es ist ein Konzept für die beim Rückbau anfallenden Ausbaustoffe zu entwickeln. Dazu werden entweder Erstprüfungen mit den Baustoffen durchgeführt, die in der Ausführung Verwendung finden werden, oder es wird auf vorhandene Erfahrungswerte zurückgegriffen, die mit hoher Wahrscheinlichkeit erreicht werden können. 3.4 Ergebnis der Dimensionierung Das Ergebnis dieser Untersuchungen und Berechnungen, die in der Angebotsphase eines ÖPP Projekts durchgeführt werden, sind mögliche Aufbaustärken für eine Fahrbahn aus Beton und aus Asphalt, die erforderlich sind, um der grundlegenden Strategie gerecht zu werden. 4. Lebenszykluskostenvergleich Die Entscheidung, welcher Oberbau dem Angebot zugrunde gelegt wird, erfolgt auf Basis eines Lebenszykluskostenvergleichs der möglichen Alternativen. Dabei werden - die Herstellungskosten (Abhängig im Wesentlichem von der Verfügbarkeit der Rohstoffe, Umfang der möglichen/ erforderlichen Wiederverwendung von Ausbaustoffen, den Transportkosten der Rohstoffe zur Mischanlage, den vorhandenen Mischanlagen in der Projektumgebung oder der Notwendigkeit der Verwendung mobiler Mischanlagen), - die Erhaltungskosten (für die Betonbauweise abhängig von Kosten, Umfang und Häufigkeit der Fugenerneuerungen, Kantensanierungen, Ersatz von Einzelplatten, griffigkeitsverbessernden Maßnahmen; (für die Asphaltbauweise abhängig von der Erneuerung Deckschicht (auch mehrmals während der Vertragslaufzeit), Erneuerung der Binderschicht und Sanierung von Arbeitsnähten und Flickstellen) - die Verfügbarkeitsabzüge (Abhängig von Dauer, Zeitpunkt und betroffenen Fahrspuren der erforderlichen Erhaltungsmaßnahmen) ermittelt und für die untersuchten Varianten gegenübergestellt. Die Variante mit dem geringsten Nettobarwert der Kosten über den Vertragszeitraum wird der Vorzug für die Umsetzung im ÖPP Projekt gegeben. 5. Umsetzung Auf Basis der grundlegenden Oberbaustrategien für die Bauweisen werden die erforderlich werdenden Erhaltungsmaßnahmen ermittelt und im Angebotspreis berücksichtigt. Maßnahmen die nicht in dieser Erhaltungsplanung enthalten sind, müssen daher im Rahmen des ÖPP Vertragsmodells vom Auftragnehmer aus eigener Tasche finanziert werden. In der Projektumsetzung liegt daher der besondere Fokus des Auftragnehmers darauf, dass durch die Qualität der Ausführung sichergestellt wird, dass die der Kalkulation zugrunde gelegte Erhaltungsplanung realisiert werden kann. Es ist dabei aber nicht zwangsläufig erforderlich, dass der in der Angebotsphase ermittelte Aufbau umgesetzt wird. Ergeben sich zwischen Angebotsabgabe und Bauausführung äußere Einflüsse, die das Ergebnis der Lebenszykluskostenanalyse durch eine geänderte Bauweise weiter optimieren lassen, ist eine Umsetzung dieser Optimierung unter den folgenden Randbedingungen möglich. - Die gewählte geänderte Oberbaustrategie muss durch eine Dimensionierungsberechnung nachgewiesen werden. - Änderungen innerhalb einer Oberbaubauweise haben keinen Einfluss auf die Erhaltungskosten (Änderung Zeile RStO [21], Schichtdicke Asphalttragschicht / Betondecke) - Änderung der Oberbauweise führen zwangsläufig zu einer Änderung der Erhaltungs- und Verfügbarkeitskosten. Anfallende Mehrkosten müssen durch den bauausführenden Teil des Auftragnehmers dem betreibenden Teil des Auftragnehmers aus den Einsparungen aus der Änderung erstattet werden. - Der Auftraggeber muss der Optimierung zustimmen Liegt die zur Ausführung kommende Variante endgültig fest, sind vor Bauausführung alle Einflüsse auf die erforderliche Nutzungsdauer des Oberbaus zu verifizieren. Konnten in der Angebotsphase nur Annahmen bzgl. der erreichbaren Materialeigenschaften getroffen werden, oder wurde der Aufbau gegenüber der Angebotsphase modifiziert, sind weitere Erstprüfungen zur Absicherung der Dimensionierungsannahmen mit den in der Bauausführung zur Verwendung kommenden Baustoffen erforderlich. Weitere Sicherheit, welche Materialeigenschaften tatsächlich nach Fertigstellung vorgefunden werden, kann durch Ausführung von Testfelder gewonnen werden, da in diesen Testfeldern die Einbaubedingungen denen der eigentlichen Bauausführung entsprechen. 6. Oberbau aus Beton In Bezug auf den Betonoberbau hat die HOCHTIEF PPS GmbH Erfahrungen mit zwei unterschiedlichen Herangehensweisen gesammelt. Dimensionierung und Qualitätsüberwachung im Straßenbau zur Sicherung der geplanten Lebensdauer bei ÖPP Projekten 2. Kolloquium Straßenbau - September 2021 351 Betoneinbau © ViA VSN 7. Ansatz TU München Erfahrungen mit der Einhaltung einer Anforderung an die Spaltzugfestigkeit waren nach Einführung der RDO Beton [23] bei den ausführenden Firmen noch nicht vorhanden. Eine vertragliche Regelung, in der ein bestimmter Spaltzugfestigkeitswert festgelegt wird, konnte deshalb in einigen Projekten nicht getroffen werden. 7.1 Grundlagen und Dimensionierung Der in diesen Projekten gefundene Kompromiss zwischen dem Bedürfnis der ausführenden Firmen nach einer vertraglichen Regelung im Rahmen ihrer vorliegenden Erfahrungen und dem Bedürfnis der Betreiberseite nach einer Betonfahrbahn, die rechnerisch nachgewiesen die erwartete Verkehrsbelastung ertragen kann war ein Verfahren, das der Dissertation von Herrn Prof. W. Eger zugrunde liegt [1]. In diesem Verfahren werden die einwirkenden Beanspruchungen (Verkehr, Temperatur) und die materialseitigen Widerstände (Deckendicke, Biegezugfestigkeit, Auflagerungsbedingung) mit jeweils aus Untersuchungen an bestehenden Betonstrecken ermittelten statistischen Schwankungen der wesentlichen Einflussparameter in die Berechnung eingebracht und daraus die Versagenswahrscheinlichkeit des untersuchten Betonoberbaus unter der vorgegebenen Verkehrsbelastung ermittelt. Grundzüge dieses Verfahrens wurden durch Herrn Prof. Eger u.a. auch auf der Betonstraßentagung 2013 in Karlsruhe erläutert [2]. Der Untersuchung nach diesem Verfahren wurden von der Betreiberseite die erwartete Verkehrsbelastung, eine Plattenbreite von 4,25m im Hauptfahrstreifen, sowie die maximal akzeptable Ausfallrate der Einzelplatten von 5% vorgegeben. Eine Auflagerung auf einer HGT wurde von der ausführenden Seite zur Vorgabe gemacht, da diese unter den projektspezifischen Randbedingungen aus baupraktischer Sicht zu bevorzugen war. Basierend auf diesen Vorgaben ergab sich eine erforderliche Plattendicke von 29,0 cm und eine Biegezugfestigkeit von 6,5 N/ mmm² nach alter Prüfnorm (Einzellast). Die Angabe der erforderlichen Biegezugfestigkeit erfolgt nach alter Norm, da bei der Entwicklung dieses Verfahrens dieser Stand der Normung zugrunde gelegen hat. Nach aktueller Norm (Doppellast) ist umgerechnet daher eine Biegezugfestigkeit von 5,7 N/ mm² einzuhalten. Ergebnis Dimensionierung [3] Die Ergebnisse dieser Dimensionierungsberechnung zeigen, dass die geforderte geringe Plattenausfallrate unter den gegebenen Randbedingungen nicht mit einer Ausführung nach gültigem Regelwerk zu erreichen ist. Denn sowohl die Betondeckendicke liegt mit 29,0 cm über den Anforderungen gemäß RStO [21] von 27,0 cm, als auch die erforderliche Biegezugfestigkeit mit 5,7 N/ mm² über den Anforderungen gemäß TL Beton-StB mit 4,5 N/ mm² [25]. 7.2 Korrelation Druck- Biegezugfestigkeit Das Ausschneiden der benötigten Probekörper mit den Abmessungen 700mm x 150mm x 150mm aus einer fertigen Betondecke wäre der Dauerhaftigkeit dieser Fahrbahn nicht besonders zuträglich. Daher ist die Bestimmung der Biegezugfestigkeit, auf der dieses Verfahren beruht, sinnvoll nur in einer Erstprüfung im Labor möglich. Die von der Betreiberseite gewünschte Qualitätskontrolle der fertigen Leistung erfolgte daher über die Erstellung einer Korrelation für die zum Einsatz kommende Betonrezeptur zwischen der Biegezugfestigkeit und der Druckfestigkeit in einer Erstprüfung, bei der der w/ z-Wert und der Luftporengehalt variiert wurde. Versuchsergebnisse der Erstprüfung zur Korrelationsbestimmung [4] Aus den Wertepaaren dieser Untersuchung konnte eine Regressionsgerade errechnet werden, die einen Zusammenhang zwischen Druckfestigkeit und Biegezugfes- Dimensionierung und Qualitätsüberwachung im Straßenbau zur Sicherung der geplanten Lebensdauer bei ÖPP Projekten 352 2. Kolloquium Straßenbau - September 2021 tigkeit dieser Betonrezeptur beschreibt. Mithilfe dieser Regression ist es möglich für den in der Dimensionierungsberechnung ermittelten erforderlichen Biegezugfestigkeitswert eine zugehörige erforderliche Druckfestigkeit zu bestimmen. Korrelation zwischen Druck- und Biegezugfestigkeit aus Erstprüfung [4] Aus dieser Korrelation wird der geforderte Mittelwert der Biegezugfestigkeit für den Unterbeton I B bei einer Druckfestigkeit von 46,0 N/ mm² eingehalten, der einzuhaltende Mindestwert der Biegezugfestigkeit bei einer Druckfestigkeit von 40,4 N/ mm². 7.3 Kontrollprüfung Nach Fertigstellung der Betondecke wurden klassisch Bohrkerne entsprechend der ZTV Beton [22] alle 1.000m² (bei einem RQ 35,5 demnach ca. alle 70 m) entnommen sowie die vorhandene Plattendicke ermittelt. Diese in der Kontrollprüfung ermittelten Werte werden mit den aus der rechnerischen Dimensionierung vorgegebenen Sollwerten verglichen. Ergebnisse Kontrollprüfung Deckendicke [5] Ergebnisse Kontrollprüfung Druckfestigkeit [5] Da sowohl die geforderten Druckfestigkeiten, und über die Korrelation damit auch die benötigten Biegezugfestigkeiten, als auch die geforderten Schichtdicken eingehalten sind, kann der hergestellte Aufbau somit die prognostizierte Verkehrsbelastung sicher ertragen. 8. Ansatz RDO Beton Aus Betreibersicht bietet das Verfahrens nach der RDO Beton [23] den besonderen Vorteil, dass die dimensionierungsrelevanten Eigenschaften an der fertigen Betondecke direkt geprüft werden können. Ein Umweg über eine Korrelationserstellung wie bei dem zuvor dargestellten Verfahren ist nicht erforderlich. 8.1 Grundlagen und Dimensionierung Die Grundlagen des Dimensionierungsverfahrens werden in der Richtlinie beschrieben, in der die zu erbringenden Nachweise und die zugrundeliegenden Formeln erläutert werden. Es handelt sich um ein semiprobabilistisches Verfahren zur Dimensionierung nach Grenzzuständen der Tragfähigkeit und der Gebrauchstauglichkeit. Wesentlicher Parameter der Dimensionierungsberechnung ist die Spaltzugfestigkeit der zur Verwendung kommenden Betonrezeptur. Die Prüfung dieser Spaltzugfestigkeit erfolgt im Labor durch Druckaufbringung mittels zwei sich gegenüberliegender Lasteintragungsschienen, die einen zweiachsigen Spannungszustand erzeugen, wodurch sich in der Zylinderscheibe eine nahezu konstante Zugspannung einstellt. Dimensionierung und Qualitätsüberwachung im Straßenbau zur Sicherung der geplanten Lebensdauer bei ÖPP Projekten 2. Kolloquium Straßenbau - September 2021 353 Spaltzugschwellversuch Bohrkern Beton ©ABPI In der Angebotsphase wurden mit den zur Verwendung angedachten Baustoffen eine Erstprüfung durchgeführt, um die erreichbare Spaltzugfestigkeit in der Ausführungsphase abschätzen zu können. Ergebnis Erstprüfung Spaltzugfestigkeit [6] Aus dem Mittelwert der Spaltzugfestigkeit der Erstprüfung von 4,9 N/ mm² konnte unter Berücksichtigung des bei kürzlich ausgeführten Projekten erreichten Variationskoeffizienten von im Mittel 10% ein charakteristischer Wert für die Spaltzugfestigkeit von 4,3 N/ mm² für die Ausführungsphase ermittelt werden. Um weitere Sicherheit für die Ausführungsphase zu erhalten, wurde entschieden, für die Dimensionierungsberechnungen einen charakteristischen Spaltzugfestigkeitswert von 3,7 N/ mm² zu verwenden, was einer deutlichen Abminderung gegenüber dem möglichen Wert aus der Erstprüfung entspricht. Für die Berechnung war die erwartete Verkehrsbelastung, die wieder von der Betreiberseite auf Grundlage der durchgeführten Verkehrsstudie vorgegeben wurde, eine zu berücksichtigende Vorgabe. Des Weiteren eine Auflagerung auf einer HGT, sowie einer Plattenbreite des Hauptfahrstreifens von 4,00m, die Seitens der Ausführung zur Vorgabe gemacht wurden, da diese unter den projektspezifischen Randbedingungen aus baupraktischer Sicht zu bevorzugen waren. Bei den gegebenen Randbedingungen ergab sich rechnerisch eine erforderliche Betondeckendicke von 26,0 cm. 8.2 Kontrollprüfung Nach Fertigstellung der Betondecke wurden wie beim zuvor beschriebenen Verfahren im gleichen Umfang Bohrkerne entnommen und dabei wieder die vorhandene Plattendicke ermittelt. Im Labor wurde dann an diesen Kernen die Spaltzugfestigkeitsprüfung durchgeführt und die Ergebnisse statistisch ausgewertet. Da die Richtlinie ZTV RDO Beton [24] sich zwar seit längerem in Vorbereitung befindet, wie den Seiten der FGSV zu entnehmen ist, aber bis heute nicht veröffentlicht wurde, musste zwischen den Beteiligten der Weg der Qualitätskontrolle im Projekt abgestimmt werden. Die Auswertung der Kontrollprüfungsergebnisse erfolgte in Abstimmung mit Fachleuten exakt nach dem Ansatz, wie er auch zur Dimensionierungsberechnung vor Herstellung verwendet wurde. Demnach ist der Nachweis der geforderten Tragfähigkeit erbracht, wenn die in der Dimensionierung bestimmten Werte für die erforderliche Betondeckendicke und die benötigte Spaltzugfestigkeit eingehalten werden. Ergebnis Kontrollprüfung Deckendicke und Spaltzugfestigkeit [7] Wie der Übersicht der Kontrollprüfungsergebnisse zu entnehmen ist, erfüllt die hergestellte Deckendicke die Anforderung aus der Dimensionierung von 26,0 cm in jedem Abschnitt. Den Ergebnissen der Kontrollprüfung kann weiter entnommen werden, dass die Entscheidung, den Wert der erreichbaren Spaltzugfestigkeit gegenüber dem in der Erstprüfung ermittelten Wert von 4,3 N/ mm² auf 3,7 N/ mm² zu reduzieren, goldrichtig war. Der in der Ausführung erreichte Wert lag nur zwischen 3,4 und 4,5 N/ mm², also in Abschnitten deutlich unterhalb des Erwartungswertes aus der Erstprüfung. Der benötigte Spaltzugfestigkeitswert von 3,7 N/ mm² wird vom Unterbeton sicher eingehalten. Beim Oberbeton wird aber im homogenen Abschnitt1 nur eine charakteristische Spaltzugfestigkeit von 3,4 N/ mm² erreicht, und damit der in der Dimensionierung geforderte Mindestwert der Spaltzugfestigkeit unterschritten. Ob die geforderte Qualität geliefert wurde, erfordert weiterer Überlegungen. 8.3 Überprüfung der Dimensionierung mit den hergestellten, abweichenden Eigenschaften Für diesen kritischen homogenen Abschnitt 1 erfolgte daher eine Aktualisierung der Dimensionierungsberechnung unter Verwendung der hergestellten geringeren vorhandenen charakteristischen Spaltzugfestigkeit von 3,4 N/ mm². Die erforderliche Betondeckendicke wurde für diese vorhandene Spaltzugfestigkeit unter den sonst unveränderten Vorgaben zu 26,5 cm ermittelt. Mit die- Dimensionierung und Qualitätsüberwachung im Straßenbau zur Sicherung der geplanten Lebensdauer bei ÖPP Projekten 354 2. Kolloquium Straßenbau - September 2021 sen Werten konnte nachgewiesen werden, dass die in der Verkehrsprognose ermittelte Schwerverkehrsbelastung durch den Betonoberbau mit den ermittelten Eigenschaften ebenfalls sicher aufgenommen werden kann, da die vorhandene Betondeckendicke mit 26,62 cm über der erforderlichen von 26,5 cm liegt [8]. 9. Oberbau aus Asphalt Durch seine thermoplastischen Eigenschaften stellt der Asphalt im Vergleich zum Beton bezüglich der Dimensionierung einen viel komplexeren Baustoff dar. Asphalteinbau © Via6West Zur Durchführung dieser Dimensionierung steht die RDO Asphalt [27] zur Verfügung. Auch hierbei ist die Prüfung der dimensionierungsrelevanten Eigenschaften direkt an der fertigen Leistung möglich. 9.1 Grundlagen und Dimensionierung Die Grundlagen des Dimensionierungsverfahrens werden in der Richtlinie beschrieben. Die Verkehrsbelastung wird durch Aufteilung des Schwerverkehrs in 11 Achslastklassen, die Temperaturbelastung durch Aufteilung in 13 Oberflächentemperaturen und dem zugehörigen Temperaturverlauf im Untergrund berücksichtigt. Die Ermittlung der zugehörigen Spannungen und Dehnungen bei den sich hieraus ergebenden 143 Belastungskombinationen erfolgt auf Grundlage der Mehrschichtentheorie. Diese Belastungskombinationen werden dann auf Grundlage der Miner Theorie miteinander überlagert. Wesentliche Materialparameter der Dimensionierungsberechnung sind die Ermüdungsfunktion sowie die Steifigkeits- Temperaturfunktion der zur Verwendung kommenden Asphaltrezeptur. Die Prüfung dieser Eigenschaften erfolgt im Labor mittels Spaltzug-Schwellversuchen. Servohydraulische Prüfanlage zur Durchführung von Spaltzug-Schwellversuchen © KIT Dimensionierung und Qualitätsüberwachung im Straßenbau zur Sicherung der geplanten Lebensdauer bei ÖPP Projekten 2. Kolloquium Straßenbau - September 2021 355 Asphaltprobe nach Spaltzug-Schwellversuch zur Ermittlung der Ermüdungsfunktion © KIT Basierend auf Erstprüfungsergebnissen mit dem vor Ort vorhandenen und zum Einsatz kommenden Rohstoffen inklusive des zur Wiederverwendung vorgesehenen Asphaltgranulats wurde eine Dimensionierung des herzustellenden Asphaltoberbaus vor Beginn der Oberbauarbeiten durchgeführt. Aufgrund der örtlichen Gegebenheiten ergibt sich, dass ein vollständig gebundener Oberbau für Abschnitte mit offenporigem Asphalt die wirtschaftlichste Bauweise ist. Die Dimensionierungsberechnung führte zu einer Asphaltbefestigung von 39,5 cm Schichtdicke, die auf einer 15,0 cm mächtigen Verfestigung, die wiederum auf einer 15,0 cm starken Bodenverfestigung aufgelagert ist. Zur Absicherung der Einflüsse aus Bautoleranzen, Variationen der Eigenschaften der frisch hinzugekauften Baustoffe, aber vor allem aus den Schwankungen der Eigenschaften des Asphaltgranulats wurde in dieser Phase nur eine geringe Ausnutzung der Asphalttragschicht angesetzt. Ergebnis Dimensionierungsberechnung [9] Wie dem Auszug aus der Dimensionierung zu entnehmen ist, wurde in der Vordimensionierung das Tragfähigkeitspotential der Asphalttragschicht nur zu 33,1% ausgenutzt. 9.2 Kontrollprüfung Nach Bauausführung erfolgte die Qualitätsüberwachung durch Entnahme von Bohrkernen und Bestimmung der Performancewerte im Labor. Bohrkernentnahme © PrüfARGE ABPI/ IBE GbR Neben der Bohrkernentnahme entsprechend der ZTV Asphalt [26] zur Bestimmung der in diesem Regelwerk geforderten Kennwerte einer Kontrollprüfung, die alle 6.000 m² durchgeführt wird, erfolgt zur Bestimmung der erreichten Performanceeigenschaften die Entnahme von 20 Bohrkernen aus dem Standstreifen in 5 gleichmäßig über den homogenen Bauabschnitt aufgeteilten Bohrkerngruppen. Bohrkernentnahmeplan ViA6West [10] Der hergestellte Asphaltaufbau beinhaltet 2 unterschiedliche Asphalttragschichten. Damit die Nachweisführung an der Unterseite jeder dieser beiden Tragschichten durchgeführt werden kann, erfolgt die Bestimmung der Ermüdungsfunktion für beide Asphalttragschichten. Abgebildet ist das Laborergebnis der maßgebenden unteren Asphalttragschicht. Dimensionierung und Qualitätsüberwachung im Straßenbau zur Sicherung der geplanten Lebensdauer bei ÖPP Projekten 356 2. Kolloquium Straßenbau - September 2021 Ermüdungsfunktion AC 32 TS [11] Die Ermittlung der Steifigkeitsmodul - Temperaturfunktion erfolgte für beide Tragschichten und die Binderschicht. Abgebildet wird wiederum nur das Laborergebnis der AC 32 TS. Steifigkeitsmodul - Temperaturfunktion [12] Auch das Kälteverhalten der eingebauten Tragschicht wurde im Labor untersucht. Mittlere Kryogene Zugspannungen [13] Weitere zur Berechnung der vorhandenen Tragfähigkeit erforderlichen Parameter wie die Schichtdicke des hergestellten Oberbaus, den vorhandenen Schichtenverbund und die Auflagerfestigkeit wurden aus den Ergebnissen der Kontrollprüfung entnommen. Kontrollprüfungsergebnisse Schichtdicke, Schichtenverbund u. Auflagerfestigkeit [14] Wie bei der Betonbauweise liegt auch bei der Asphaltbauweise bisher keine Veröffentlichung einer ZTV RDO Asphalt [28] vor, die die bauvertragliche Umsetzung der mittels RDO Asphalt [27] hergestellten Asphaltoberbauten regelt. Daher erfolgte, wie auch schon für den Umfang der Beprobung, eine Abstimmung zwischen den Projektbeteiligten, wie der Nachweis der zulässigen Überrollungen für den hergestellten Oberbau geführt werden kann. Ein wesentlicher Punkt dieser Abstimmung ist die Festlegung des anzusetzenden Sicherheitsbeiwerts bei der Beurteilung des fertigen Asphaltoberbaus. Der bei der Rückrechnung angesetzte Sicherheitsbeiwert kann gegenüber der Dimensionierungsberechnung reduziert werden, da in diesem ein Vorhaltemaß für Toleranzen beim Einbau und den Materialeigenschaften berücksichtigt ist. Daher erfolgte, nach Rücksprache mit Fachleuten, eine Reduzierung des Sicherheitsbeiwerts bei der Rückrechnung auf 70% des Sicherheitsbeiwertes der Dimensionierungsberechnung vor Bauausführung. Des Weiteren wird die geringste gemessene Asphaltschichtstärke der Berechnung zugrunde gelegt. Im Ergebnis zeigt sich, dass die Entscheidung mit einem großen Vorhaltemaß in die Dimensionierung zu gehen die Richtige war. Denn trotz einer Ausnutzung der Materialparameter der Erstprüfung von nur 36% in der Dimensionierung, und der bei der Nachrechnung berücksichtigten Reduzierung des Sicherheitsbeiwerts auf 70% gegenüber der RDO Asphalt [27], ergibt sich in dem betrachteten Abschnitt, bei Ansatz der ungünstigsten Randbedingungen, ein Ermüdungszustand von 97,5% unter der erwarteten Verkehrsbelastung. Ergebnis Dimensionierungsberechnung Kontrollprüfung Dimensionierung und Qualitätsüberwachung im Straßenbau zur Sicherung der geplanten Lebensdauer bei ÖPP Projekten 2. Kolloquium Straßenbau - September 2021 357 Im Ergebnis der Qualitätsüberwachung kann aber auch hier die erwartete Verkehrsbelastung durch den hergestellten Asphaltoberbau im betrachteten homogenen Abschnitt ertragen werden. 10. Kostenbetrachtung In diesem Abschnitt werden die Kosten für die Kontrollprüfungen der unterschiedlichen Oberbauweisen miteinander verglichen. Dies erfolgt auf Grundlage einer fiktiven Streckenlänge von 45 km bei einem Regelquerschnitt RQ 35,5. 10.1 Betonbauweise; Korrelation Es ergeben sich keine über die üblichen Kontrollprüfungskosten hinausgehenden Aufwendungen. 10.2 Betonbauweise; RDO Beton Entsprechend dem in der ZTV Beton-StB [22] vorgegebenen Prüfumfang in der Kontrollprüfung wird je 1.000m² Betonfahrbahn ein Bohrkern entnommen. Die Kosten für die Bohrkernentnahme und Untersuchung der Spaltzugfestigkeit ergeben sich entsprechend der folgender Aufstellung. Für die Verifikation der Tragfähigkeit im eingebauten Zustand ergeben sich demnach folgende Kosten für das Gesamtprojekt. 10.3 Asphaltbauweise; Projekt Der im Projekt vereinbarte Umfang der Bohrkernentnahme wurde im Abschnitt 9.2. dargestellt. Nimmt man weiterhin an, dass sich durch den Bauablauf und Art der Deckschicht im Gesamtprojekt 16 homogene Abschnitte ergeben, ergibt sich die Anzahl der erforderlichen Bohrkerne zu: Die Kosten für die Bohrkernentnahme und Untersuchung der benötigten Performancewerte ergeben sich entsprechend folgender Aufstellung. Hierbei ist zu beachten, dass 2 Asphalttragschichten bei den Untersuchungen der Ermüdungsfunktion berücksichtigt sind. Für die Verifikation der Tragfähigkeit im eingebauten Zustand ergeben sich demnach folgende Kosten für das Gesamtprojekt. 10.4 Asphaltbauweise; RSO Asphalt Neben dem zwischen den Projektparteien abgestimmten Umfang der Beprobung gibt es weitere, sich noch in der Diskussion befindliche Ansätze, in Bezug auf den Umfang der Beprobung. Für die sich in Entwicklung befindliche RSO Asphalt [29] ist der in der folgenden Abbildung wiedergegebene Probenumfang [15] angedacht. Die Entnahme der Bohrkerne erfolgt dabei in der Form der Abschnittsbeprobung. Dabei wird der zu untersuchende Abschnitt in so viele Bereiche unterteilt, wie Bohrkerne entnommen werden. Die Bohrkernentnahme innerhalb eines so ermittelten Bereichs erfolgt zufällig. Bohrkernentnahmeplan RSO Asphalt [15] Dimensionierung und Qualitätsüberwachung im Straßenbau zur Sicherung der geplanten Lebensdauer bei ÖPP Projekten 358 2. Kolloquium Straßenbau - September 2021 Der Untersuchungsumfang entsprechend dem Entwurf der RSO Asphalt [29] würde die folgenden Bohrkernentnahmen erfordern. Dabei werden auf dem ersten Kilometer eines homogenen Abschnitts 16 Bohrkerne entnommen, auf jedem weiteren Kilometer dieses homogenen Abschnitts weitere 5 Bohrkerne. Bei den Performanceprüfungskosten nach dem Entwurf der RSO Asphalt [29] sind zusätzlich zu den Prüfungskosten des ersten Kilometers eines homogenen Abschnitts die Prüfungskosten der weiteren Kilometer eines homogenen Abschnitts zu ergänzen. Die Kosten für die Performanceprüfung lasse sich daher wie folgt ermitteln. 10.5 Asphaltbauweise; ZTV RDO Asphalt Für die sich ebenfalls noch in der Entwicklung befindliche ZTV RDO Asphalt [28] wird aktuell die Entnahme der erforderlichen 16 Bohrkerne zur Bestimmung der Performancewerte für jede angefangene Asphaltfläche von 18.000m² diskutiert. Das Entnahmeschema und die Bohrkernverwendung kann der folgenden Abbildung entnommen werden. Probeentnahmeschema Entwurf ZTV RDO Asphalt [16] Bei einem Vorgehen entsprechend dem aktuellen Diskussionsstand der ZTV RDO Asphalt [28] würden daher die folgende Bohrkernanzahl benötigt werden. Hierfür ergeben sich die folgenden Kosten für die gesamte Performanceprüfung. 11. Zusammenfassung Durch das engmaschige Prüfraster bei der Betonbauweise wird ein dimensionierungsrelevantes Wertepaar (Deckendicke / Festigkeit) durch einen Bohrkern je 1.000m² erzeugt. Bei der Asphaltbauweise werden dahingegen 16 Bohrkerne benötigt, um alle erforderlichen dimensionierungsrelevanten Parameter (Ermüdungsfunktion / Temperatur - Steifigkeitsfunktion / Kryogene Zugspannungen / Schichtenverbund) zu bestimmen. Im engmaschigsten Verfahren gemäß Entwurf der ZTV RDO Asphalt [28] werden je 18.000m² ein vollständiger Wertesatz ermittelt. Im Vergleich der beiden Oberbauweisen erfolgt die Qualitätskontrolle daher bei der Betonbauweise in einem viel engeren Raster. Bei den Verfahren nach RDO Beton [23] und RDO Asphalt [27] werden die dimensionierungsrelevanten Parameter direkt an den aus der fertigen Leistung entnommenen Bohrkernen ermittelt. Dies ist der wesentliche Nachteil des Verfahrens bei einem Betonoberbau nach Ansatz der TU München [1], die die Biegezugfestigkeit der fertigen Decke über den Umweg einer Korrelationsermittlung aus der Druckfestigkeit bestimmt. Nachteil aller Verfahren ist, dass zwischen Herstellung des Fahrbahnoberbaus und Zeitpunkt des Vorliegens der Kontrollprüfungsergebnisse sehr viel Zeit vergeht (Prüfung der 60 Tage Festigkeit der Betondecke, Dauer Laborversuche Asphalt mindestens 1 - 2 Wochen). Daher können die Ergebnisse der Kontrollprüfung nicht zur Steuerung der Einbauqualität genutzt werden. Der Kostenvergleich zwischen einem Oberbau aus Beton und dem im Projekt abgestimmten Prüfschema für einen Oberbau aus Asphalt zeigt vergleichbare Kosten für die Kontrollprüfung. Diese Kontrollprüfungskosten verdop-