eJournals Kolloquium Straßenbau in der Praxis 3/1

Kolloquium Straßenbau in der Praxis
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expert Verlag Tübingen
21
2023
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Herausforderungen bei der praktischen Anwendung von Messdaten aus Klima und Verkehr in der Erhaltungsplanung am Beispiel der Stadt Münster

21
2023
Alexander Buttgereit
Stefan Gomolluch
Daniel Gogolin
Die innerörtliche Erhaltungsplanung von Bundes-, Landes-, Kreis- und Kommunalstraßen stellt eine besondere ingenieurtechnische Herausforderung dar. Denn im Gegensatz zum außerörtlichen Bereich sind hier in der Regel deutlich inhomogenere Oberbauten zu finden. Außerdem sind die vorhandenen Regelwerke wie die RPE Stra 01 bzw. E EMI 12 nur bedingt zielführend und auch Prognoserechnungen mit Pavement Management-Systemen (PMS) häufig schwierig und von großen Unsicherheiten geprägt. Letzteres liegt vielfach daran, dass einerseits die erforderlichen Daten in den Straßeninformationssystemen nur rudimentär respektive unvollständig und/oder in unzureichender Qualität vorliegen sowie nicht planbare Aufgrabungen durch Kanal und Versorgungsträger stattfinden. Andererseits sind die Prognosefunktionen, die aus Zustandsveränderungen der Vergangenheit beruhen, für ein kommunales PMS (EMS-K) nur in Teilen vorhanden. In wie weit diese Prognosefunktionen angepasst werden müssen, um auf die aus dem Klimawandel resultierenden Veränderungen zu reagieren, ist noch unzureichend erforscht. Mit Hilfe von gezielten, systematischen Voruntersuchungen im Rahmen der Erhaltungsplanung können technisch und kaufmännisch geeignete Erhaltungsmaßnahmen gewählt werden. Leider werden diese oftmals aus Kostengründen oder Personalknappheit nur bedingt durchgeführt. Folglich besteht die Gefahr, dass die Straße früher als nötig wieder Instand gesetzt werden muss. Verstärkt wird dieser Effekt dadurch, dass bislang Klima- und Verkehrsdaten nicht bzw. nur unzureichend in die Erhaltungsplanung eingeflossen sind. In diesem Beitrag soll zum einen dargestellt werden, wie durch eine intelligente Organisation des Erhaltungsmanagements die erforderlichen Daten für eine optimierte Erhaltungsplanung bereits heute sukzessive gewonnen werden können. Zum anderen soll skizziert werden, welche Herausforderungen gerade im Innerortsbereich bestehen, belastbare Klima- und Verkehrsdaten zu gewinnen, um sie in einem kommunalen PMS (EMS-K) zu nutzen. Das Forschungsprojekt DaRkSeit soll weitere Grundlagen hierfür schaffen.
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3. Kolloquium Straßenbau - Februar 2023 137 Herausforderungen bei der praktischen Anwendung von Messdaten aus Klima und Verkehr in der Erhaltungsplanung am Beispiel der Stadt Münster Prof. Dr.-Ing. Alexander Buttgereit Jade Hochschule Oldenburg, FB Bauwesen, Geoinformation, Gesundheitstechnologie Dipl.-Betriebswirt Stefan Gomolluch Stadt Münster, Amt für Mobilität und Tiefbau Dr.-Ing. Daniel Gogolin Ingenieurgesellschaft PTM Dortmund mbH Zusammenfassung Die innerörtliche Erhaltungsplanung von Bundes-, Landes-, Kreis- und Kommunalstraßen stellt eine besondere ingenieurtechnische Herausforderung dar. Denn im Gegensatz zum außerörtlichen Bereich sind hier in der Regel deutlich inhomogenere Oberbauten zu finden. Außerdem sind die vorhandenen Regelwerke wie die RPE Stra-01 bzw. E EMI-12 nur bedingt zielführend und auch Prognoserechnungen mit Pavement Management-Systemen (PMS) häufig schwierig und von großen Unsicherheiten geprägt. Letzteres liegt vielfach daran, dass einerseits die erforderlichen Daten in den Straßeninformationssystemen nur rudimentär respektive unvollständig und/ oder in unzureichender Qualität vorliegen sowie nicht planbare Aufgrabungen durch Kanal und Versorgungsträger stattfinden. Andererseits sind die Prognosefunktionen, die aus Zustandsveränderungen der Vergangenheit beruhen, für ein kommunales PMS (EMS-K) nur in Teilen vorhanden. In wie weit diese Prognosefunktionen angepasst werden müssen, um auf die aus dem Klimawandel resultierenden Veränderungen zu reagieren, ist noch unzureichend erforscht. Mit Hilfe von gezielten, systematischen Voruntersuchungen im Rahmen der Erhaltungsplanung können technisch und kaufmännisch geeignete Erhaltungsmaßnahmen gewählt werden. Leider werden diese oftmals aus Kostengründen oder Personalknappheit nur bedingt durchgeführt. Folglich besteht die Gefahr, dass die Straße früher als nötig wieder Instand gesetzt werden muss. Verstärkt wird dieser Effekt dadurch, dass bislang Klima- und Verkehrsdaten nicht bzw. nur unzureichend in die Erhaltungsplanung eingeflossen sind. In diesem Beitrag soll zum einen dargestellt werden, wie durch eine intelligente Organisation des Erhaltungsmanagements die erforderlichen Daten für eine optimierte Erhaltungsplanung bereits heute sukzessive gewonnen werden können. Zum anderen soll skizziert werden, welche Herausforderungen gerade im Innerortsbereich bestehen, belastbare Klima- und Verkehrsdaten zu gewinnen, um sie in einem kommunalen PMS (EMS-K) zu nutzen. Das Forschungsprojekt DaRkSeit soll weitere Grundlagen hierfür schaffen. 1. Einleitung Für die Kommunen stellen die Verkehrsanlagen einen der größten Posten im Anlagevermögen dar. Dieses Kapital gilt es dauerhaft zu erhalten. Wenn der bereits begonnene Werteverfall aufgehalten werden soll, ist ein qualifiziertes Erhaltungsmanagement für die gesamte kommunale Infrastruktur erforderlich. Deshalb sollte es Ziel sein, die erforderlichen Eingriffe in die Straßeninfrastruktur rechtzeitig durchzuführen, insgesamt zu minimieren bzw. die unvermeidbaren Eingriffe zu koordinieren. Die zur Verfügung stehenden Finanzmittel sind optimal einzusetzen, um die Nutzungsdauern zu erreichen und den Werterhalt des Anlagevermögens sicherzustellen. Immer knapper werdende Finanzmittel bei gleichzeitig starkem Personalabbau in der öffentlichen Verwaltung sowie gestiegene Anforderungen haben in den letzten Jahren dazu geführt, dass der Straßenzustand, die Substanz und die Nutzungsqualität immer schlechter wurden. Weitere Randbedingen an eine bedarfsgerechte Infrastruktur resultieren beispielsweise aus einer sich verändernden Mobilität, der weiteren Zunahme des Schwerverkehrs, der Digitalisierung und den sich immer deutlicher abzeichnenden Folgen der Klimaveränderung. Folglich ist es dringend erforderlich ein kommunales Erhaltungsmanagement aufzubauen, welches möglichst umfassend die wesentlichen Eingriffe in den Straßenraum erfasst, deren zeitliche wie räumliche Ausdehnung minimiert und die Gesamtkosten aller Eingriffe optimiert. Leider existieren in Deutschland derzeit nur rudimentäre Ansätze zur Unterstützung der technischen Planung sowie der Finanzplanung mit den erforderlichen Informationen. Daher sind in den letzten Jahren für das Amt für Mobilität und Tief bau der Stadt Münster eigene Lösungsansätze (Tief bauinfrastrukturmanagement Münster - TIMM) entwickelt worden. Teile des TIMM sind in Tagungsbeiträgen (TAE in 2017 und 2019) vorgestellt worden. In die- 138 3. Kolloquium Straßenbau - Februar 2023 Herausforderungen bei der praktischen Anwendung von Messdaten aus Klima und Verkehr in der Erhaltungsplanung am Beispiel der Stadt Münster sem Beitrag wird der Fokus auf der Weiterentwicklung des kommunalen PMS sowie der Abschätzung von Einflüssen aus Verkehr und Klima gelegt. 2. Optimiertes Kommunales Erhaltungsmanagement Das wesentliche Regelwerk für das kommunale PMS sind die E EMI 2012 mit den zugehörigen Arbeitspapieren der Reihe 9 kommunal (AP9 K x) der FGSV. In diesen sind die Zusammenhänge im kommunalen Erhaltungsmanagement sowie die Schritte zum Aufbau des selbigen dargestellt. Die messtechnische sowie die visuelle ZEB nehmen in diesem System eine wesentliche Rolle ein, die Substanzerfassung und -bewertung sind nur andeutungsweise beschrieben. Daher ist das Erhaltungsmanagement in Münster bereits vor Jahren um Bausteine zur Substanzbewertung erweitert worden (vgl. Abbildung 1), mit denen nicht nur technische, sondern auch kaufmännische Fragestellungen beantwortet werden können. Abbildung 1: Erweitertes EMS-K MS Als wesentliche Ergänzungen sind hier die Ermittlung der Schichtstärken des Straßenauf baus, die Abschätzung der Tragfähigkeit und die Analyse von Asphaltbohrkernen zu nennen, die ergänzend, z.T. optional in das vorhandene EMS-K MS integriert worden sind und bei der Aufstellung des Bauprogramms hinzugezogen werden können. Das machte es notwendig, dass auch der standardisierte Prozess zur Abschätzung des Finanzbedarfs der Straßenerhaltung sowie zur Festlegung des Bauprogramms angepasst werden musste (vgl. Abbildung 2). Abbildung 2: Systematisches Untersuchungsprogramm Neben dem -wie oben bereits erwähnttechnisch noch unvollständigem Regelwerk für ein kommunales PMS stellen die neuen Anforderungen aus der Klimaveränderung und den sich abzeichnenden Extrem-Wetterereignissen das Erhaltungsmanagement vor neue Aufgaben. Denn um eine verlässliche Finanzbedarfsprognose für die Straßenerhaltung zu erstellen, sind abgesicherte Prognosefunktionen für die Zustands-entwicklung notwendig. Diese Prognosefunktionen basieren auf den Messwerten der Vergangenheit bis in die Gegenwart, ermittelt zumeist auf Fahrbahnen von Außerortsstraßen. Der kommunale Bereich ist dagegen nahezu unerforscht. Aber gerade in den Kommunen können z. B. längere Hitzeperioden im Sommer mit höheren Temperaturen dazu führen, dass die Heat Island Effekte deutlich ausgeprägter werden, so dass die verbauten Asphalte in diesen Zonen schneller an ihre Belastungsgrenze stoßen. Um abzuschätzen, ob es sich bei dieser Fragestellung um einen wesentlichen Faktor in Münster handelt, ist eine erste Risikoanalyse durch die TU Dresden in Auftrag gegeben worden. Die Ergebnisse zeigen sehr deutlich, dass für die Hauptverkehrsstraßen der Belastungsklasse Bk10 die Nutzungsdauer rechnerisch von aktuell knapp 40 Jahren auf gut 10 Jah- 3. Kolloquium Straßenbau - Februar 2023 139 Herausforderungen bei der praktischen Anwendung von Messdaten aus Klima und Verkehr in der Erhaltungsplanung am Beispiel der Stadt Münster re zurückgehen kann. Eine solche Entwicklung hätte sicher weitreichende und tiefgehende Folgen für die Stadt. Aus diesen Ergebnissen und weiteren Überlegungen heraus entstand die Idee, das EMS-K MS um einen weiteren Baustein „Sensorik“ (vgl. Abbildung 3) zu ergänzen. Im Forschungsprojekt DaRkSeit (s.u.) soll daher u. a. untersucht werden, in wie weit es künftig sinnvoll sein könnte, das Erhaltungsmanagement in Münster um einen Baustein „Sensorik“ zu erweitern. Abbildung 3: Erweitertes EMS-K MS mit Sensorik 3. Erweitertes Untersuchungsprogramm In diesem Abschnitt wird das o.g. erweiterte Untersuchungsprogramm genauer erläutert. Zur gezielten Wahl von Erhaltungsmaßnahmen ist es notwendig, möglichst präzise Kenntnisse zum Straßenauf bau, der Schichtenfolge sowie der Qualität der im Oberbau liegenden Schichten zu haben. Gerade in Kommunen sind wechselnde Auf bauten und kurze „homogene“ Abschnitte üblich. Eine kostengünstige Lösung kann hier der Einsatz des Georadarverfahrens sein, mit dem der Schichtenverlauf im Oberbau über das Planum hinaus in Kombination mit gezielten Bohrkernentnahmen gut bestimmt werden kann. Es bietet durch eine quasi lückenlose und flächendeckende Aufnahme den Vorteil, dass die Aussagekraft der Ergebnisse deutlich größer ist als aus punktuell gewonnenen Bohrkernen. Die für die Auswertung des Georadars erforderlichen Bohrkerne werden hinsichtlich ihrer Materialeigenschaften und Kennwerte untersucht. Die Bohrlöcher werden für Rammkernbohrungen genutzt, um zunächst punktuelle Aussagen zum ungebundenen Auf bau und Untergrund zu bekommen, die ggf. später ergänzt werden sollten. Bei den Asphaltbohrkernen wird die Frage der Wiederverwendung des Asphaltes beantwortet sowie Aussagen zur Struktur des Asphaltes (z. B. Offenporigkeit, Schichtenverbund, Rissbildung) und der Bindemittelqualität getroffen. Der Anteil und die Qualität (Alterungszustand) des vorhandenen Bindemittels im Bohrkern sind entscheidende Parameter, um z. B. die Klebkraft und Rissbeständigkeit bei Kälte oder die Ermüdungsresistenz abzuschätzen. 4. Klimadaten - Anwendung der RDO Asphalt Die Ermittlung von (Rest-) Nutzungsdauern in Abhängigkeit von Beanspruchungen, Konstruktionsaufbauten (ungebunden und gebunden) und Materialeigenschaften (insbesondere Asphaltbauweisen) erfolgt unter Anwendung der RDO Asphalt. Hierfür ist die Kenntnis der spezifischen Materialparameter wichtig. Ungebundene Materialien, wie Frostschutzmaterial, werden über den EV2-Wert definiert. Asphalte werden dagegen anhand von Performance-Kennwerten definiert, welche labortechnisch zu ermitteln sind oder über vorgegebene oder bekannte Materialien abgebildet werden. Eine detaillierte Beschreibung erfolgt in den anderen beiden Beiträgen dieses Vortragsblocks, wo auch das Thema Verkehrsbeanspruchung behandelt wird. Ein anderer, wesentlicher Parameter bei den Berechnungen gem. RDO ist die Oberflächentemperatur der Straße bzw. deren Häufigkeitsverteilung über die Zeit. Zum einen sind diese Temperaturen sehr stark Lage abhängig (vgl. KIST- Zonen-Karte) und durch lokale Einflüsse beeinflusst. So kann beispielsweise bereits heute das Klima in der Stadt Münster in 7 unterschiedliche Klimazonen eingeteilt werden. Zum anderen schwanken die Werte über den Tagesverlauf und z. B. durch Schattenwurf sehr stark in kleinen lokalen Räumen, so dass ein und dieselbe Bauweise mit gleicher Verkehrsbelastung erheblichen, unterschiedlichen Belastungen aus Temperatur ausgesetzt sein kann. Darüber hinaus ist bislang hinreichend nicht bekannt, wie im Oberbau die Temperatur über den Tag und über das Jahr an solchen Stellen verläuft und möglicherweise zusätzliche, signifikante Beanspruchungen für den Asphalt darstellt. Aus dieser unübersichtlichen Gemengelage heraus entstand die Idee zum Forschungsprojekt DaRkSeit. 5. Forschungsprojekt DaRkSeit Aus der Verknüpfung von Daten der Verkehrserfassung, des Klimas, der Straßendatenbank sowie eigener Messungen soll im Projekt „DaRkSeit“ (Abbildung-4) (https: / / www.bmdv. bund.de/ SharedDocs/ DE/ Artikel/ DG/ mfund-projekte/ darkseit.html ) eine Software entwickelt werden, die den Zustand 140 3. Kolloquium Straßenbau - Februar 2023 Herausforderungen bei der praktischen Anwendung von Messdaten aus Klima und Verkehr in der Erhaltungsplanung am Beispiel der Stadt Münster der Straßen erstmals in Echtzeit sowie unter Berücksichtigung konstruktiver Aspekte abbildet. Daraus können frühzeitig erforderliche Straßenerhaltungsmaßnahmen abgeleitet, das Informationssystem für Bürger und Unternehmen erweitert sowie die organisatorischen und finanziellen Rahmenbedingungen definiert werden (vgl. Abbildung 4). Abbildung 4: Skizze DaRkSeit Die Datengrundlage basiert im Wesentlichen auf vorhandenen Daten der Verkehrsüberwachung (8+1 Klassifizierung), auf verfügbaren Klimadaten sowie auf Materialdaten bestehender Straßenabschnitte. Zur Erreichung des Projektziels werden Ergänzungen zum Datenbestand erforderlich. Dies umfasst die Präzisierung der Achslastdaten (Klassifizierung in bis zu 60 Fahrzeugtypen), den Temperaturzustand im Straßen-oberbau sowie die Modellparameter zur Beschreibung des Materialverhaltens der eingesetzten Asphalte. Im Ergebnis soll ein softwarebasiertes Echtzeittool zur Berechnung des Degradationsfortschrittes sowie zur Abschätzung der Restnutzungsdauer entwickelt werden. Insbesondere soll versucht werden eine Antwort auf die Frage zu erhalten, in wie weit die positiven Effekte des optimierten Erhaltungsmanagements unter Einbezug der Bautechnik [5; 6; 7; 8] durch negative Effekte des Klimawandels (hier Temperaturerhöhung im Asphalt) aufgezehrt werden. Denn dies könnte dazu führen, dass die aus der Optimierung erzielbare verlängerte Nutzungsdauer nicht erreicht werden kann oder im Ergebnis sogar zu einer Verkürzung und damit verbunden mit einem frühzeitigeren und häufigeren Eingriff führen kann. Als Folge wären dann ein erhöhter Finanzbedarf, eine höhere Belastung der Umwelt und der Verkehrsteilnehmer möglich (vgl. Abbildung 5). Abbildung 5: Wechselwirkungen 6. Ausblick Aufgrund der politischen Entwicklung auf internationaler Ebene sowie den Auswirkungen der Pandemie hat sich das Projekt verzögert. So konnten die Sensoren im Asphalt sowie die Waage erst im Oktober 2022 verbaut und im November abschließend in Betrieb genommen werden. Hierdurch liegen bis zur Abgabe des vorliegenden Textes zu wenige Daten aus dem Projekt vor, um mit diesen ersten aussagefähigen, statistischen Berechnungen oder weitere Analysen durchzuführen. Diese sollen in der Präsentation in der Veranstaltung dann vorgestellt werden. Literaturverzeichnis [1] Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen e. V. (2012): Empfehlungen für das Erhaltungsmanagement von Innerortsstraßen, Ausgabe 2012, FGSV Verlag, Köln [2] Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen e. V. (2001): Richtlinien für die Planung von Erhaltungsmaßnahmen an Straßenbefestigungen, Ausgabe 2001, FGSV Verlag, Köln [3] Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen e. V. (2009): Richtlinien für die rechnerische Dimensionierung des Oberbaus von Verkehrsflächen mit Asphaltdeckschichten, Ausgabe 2009, FGSV Verlag, Köln [4] Buttgereit, A. (2019): „Ansätze für ein Erhaltungsmanagement kommunaler Straßen unter Berücksichtigung des NKF“, Dissertation, Ruhruniversität Bochum, Bochum [5] Buttgereit, A.; Gomolluch, S.: Erhaltungsmanagement - Ein Baustein im Asset Management in Münster (Teil 1+2); Straße und Autobahn, FGSV Verlag, 12/ 2020 und 01/ 2021 [6] Buttgereit, A.; Gogolin, D.; Koordt, M.: Pilotprojektserie zum nachhaltigen Asphaltstraßenbau - Ein Beitrag zum Klima- und Ressourcenschutz (Teil 1+2); Straße und Autobahn, FGSV Verlag, 03/ 2022 und 09/ 2022 [7] Siverio Lima, M.; Buttgereit, A.; Queiroz, C.; Haritonovs, V.; Gschösser, F.: Optimizing financial allocation for maintenance and rehabilitation of Münster’s road network using the World Bank’s RONET model; Manuscript ID: infrastructures-1532125; doi: 10.3390/ infrastructures7030032, https: / / www. mdpi.com/ 2412-3811/ 7/ 3/ 32/ pdf, 03/ 2022 [8] Siverio Lima, M; Hajibabaei, M.; Hesarkazzazi, S.; Sitzenfrei, R.; Buttgereit, A.; Queiroz, C.; Tautsching, A.; Gschösser, F.: Environmental potentials of asphalt materials applied to Urban Roads: Case Study of the City of Münster; http: / / www.MPDI. com/ journal/ sustainability, 2020