Development of methods for estimating maintenance and financial requirements of the federal trunk roads

Dipl.-Ing. G. Maerschalk, Dr.-Ing. G. Krause, Rieschen
Dr.-Ing. U. Stöckert, Prof. Dr.-Ing. U. Zander, Bergisch Gladbach

Seit Bestehen der Bundesrepublik hat sich das Bundesfernstraßennetz stetig weiterentwickelt. Ein umfangreicher Ausbau des Bundesautobahnnetzes erfolgte in den Jahren 1970 bis 1985, sodass Ende der 1980er-Jahre fast eine Verdopplung der Netzlänge erzielt wurde. Ein weiterer deutlicher Ausbau des Bundesfernstraßennetzes ist nach der Wiedervereinigung Deutschlands zu verzeichnen. Dieses historisch gewachsene Netz weist daher sehr unterschiedliche Alters- und Aufbaustrukturen auf. Inzwischen hat ein großer Teil der Fahrbahnen und Brückenbauwerke seine ursprünglich angesetzte technische Nutzungsdauer erreicht bzw. überschritten und ist heute Verkehrsbelastungen ausgesetzt, die deutlich über den teilweise vor Jahrzehnten angesetzten Prognosen liegen. Vor diesem Hintergrund wurde im aktuellen Bundesverkehrswegeplan 2030 der Bundesregierung das Ziel „Erhalt vor Neubau“ formuliert und damit berücksichtigt, dass für einen großen Teil des Netzbestandes in den nächsten Jahren grundhafte Erhaltungsmaßnahmen, Grundinstandsetzungen oder Ertüchtigungen von Ingenieurbauwerken anstehen. Die damit verbundene Zunahme der Bauaktivitäten hat einen direkten Einfluss auf den Verkehrsfluss. Dies zeigt sich bereits heute, wenn man die Entwicklung der Staulängen auf Bundesautobahnen sowie die Anzahl an Baustellen im Netz betrachtet. Um die Mobilität aufrechtzuerhalten, ist deshalb ein Erhaltungsmanagement erforderlich, das auf definierten Prozessabläufen basiert und sich geeigneter Steuerungsinstrumente bedient. Im vorliegenden Beitrag wird die Entwicklung der Methoden zur Ermittlung des Erhaltungs- und Finanzbedarfs für die Bundesfernstraßen als Grundlage für die Festlegung von Erhaltungsinvestitionen und als Baustein einer systematischen Erhaltungsplanung der letzten Jahrzehnte aufgezeigt.

The federal trunk road network developed continuously since the foundation of the Federal Republic of Germany. Within the years 1970 till 1985 an extensive expansion of the federal motorway network was carried out, whereby the net length was nearly doubled by the end of the 1980s. Another noticeable expansion of the federal trunk road network came along with the German reunification after 1989. Therefore, the ageing and construction structures are very diverse in this historically grown road network. Meanwhile, the expected useful life of most pavements and bridge constructions is reached or even exceeded. In addition, the traffic load nowadays is significantly  higher than it was forecasted in the planning stage of the roads decades ago. Within the context, the actual Federal Transport Plan 2030 of the government aims “Erhalt vor Neubau”, which means the maintenances and conservation of existing roads is preferred, rather than new constructions. As a consequence, for a huge part of the net inventory conservation measures, restorations, or upgrading of engineering structures will follow within the next years. The related increasing number of road work sites directly influences the traffic flow. This is already evident today, considering the development of traffic jams and the number of road work sites on federal motorways. In order to sustain mobility, maintenance management based on defined and controllable processes is essential. This article is about the development of methods for estimating maintenance and financial requirements of the federal trunk roads as the basis for maintenance investments and systematic maintenance planning of the past decades.

Technical Rules for Workplaces (ASR) – A Challenge to road construction sites?

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. R. Roos, Karlsruhe

Die Technischen Regeln für Arbeitsstätten (ASR A5.2) konkretisieren die Anforderungen aus der Arbeitsstättenverordnung bezogen auf Straßenbaustellen u. a. durch definierte Sicherheitsabstände zwischen Personen und fließendem Verkehr und Mindestbreiten für Arbeitsplätze (z. B. für Mitgänger) oder für Funktionsflächen von Arbeitsmitteln (z. B. für das Hinauslehnen der Bediener von Fräsen). Diese Konkretisierungen dienen zum einen den Bauherren, denen die Planung und Ausschreibung einer Baumaßnahme obliegt, und zum anderen den für den Schutz ihrer Beschäftigten verantwortlichen Arbeitgebern, die bekanntlich eine Gefährdungsbeurteilung durchführen müssen. Bei jeder geplanten Baumaßnahme muss im Rahmen einer Gesamtabwägung entschieden werden, ob die Arbeitsstelle unter Vollsperrung oder unter Teilsperrung umgesetzt werden soll. Bei dieser Gesamtabwägung spielen neben der Gefährdungsbeurteilung bezogen auf den Schutz der Arbeitnehmer vor allem auch Aspekte wie die allgemeine Verkehrssicherheit, die Wirtschaftlichkeit, die mögliche Bauausführung und die Eignung von Umleitungsstrecken eine wichtige Rolle. Aus vielen Gründen sollten Vollsperrungen vermieden werden, sodass bei der Planung der Baustellenorganisation Kreativität gefragt ist. Für das Bauen unter beengten Verhältnissen gibt es einerseits organisatorische Lösungsansätze bezogen auf den Bauablauf und begleitende Maßnahmen, andererseits technische Lösungsansätze wie  Innovationen an den Arbeitsmaschinen oder den Sicherheitseinrichtungen und zudem verkehrsbeschränkende Maßnahmen, mit denen die zulässige Höchstgeschwindigkeit oder zugelassene Fahrzeugbreiten im Baustellenbereich geregelt werden. Zur Umsetzung der technischen Regeln für Arbeitsstätten in der Praxis wird eine Handlungshilfe zur ASR A5.2 herausgegeben werden, wenn die letzten Abstimmungen erfolgt sind. Ziel dieser Handlungshilfe ist es, den Bauherren und Arbeitgebern durch zusätzliche Hinweise die Handhabung der ASR A5.2 zu verdeutlichen und mit konkreten Fallbeispielen Lösungsmöglichkeiten für das Bauen unter beengten Verhältnissen vorzuschlagen. Experten aus den Bereichen Arbeitsschutz und Straßenwesen haben in einem Workshop mit ihren Ideen und Erfahrungen  gezeigt, dass es organisatorische und technische Lösungen gibt, die ein Arbeiten im Grenzbereich zum fließenden Verkehr unter Einhaltung der Sicherheitskriterien seitens des Arbeitsschutzes (wenn auch unter Reduzierung des Sicherheitsabstandes bei erhöhtem Aufwand mit technisch wirksamen Lösungen) und unter Aufrechterhaltung des Verkehrs (wenn auch unter gewissen Einschränkungen hinsichtlich der Fahrstreifenbreiten und der zulässigen Höchstgeschwindigkeiten) möglich ist, sodass Vollsperrungen auf Landstraßen und kommunalen Straßen sowie Teilsperrungen (auch auf Autobahnen) auf ein Minimum reduziert werden können.

The technical rules for workplaces (ASR A5.2) concretize the requirements of the workplace ordinance with regard to road construction sites, among other things by defining safety distances between persons and moving traffic and minimum widths for workplaces (e. g. for workers next to a paver) or for functional areas of work equipment (e. g. for leaning out the operators of milling machines). These specifications are intended for the road owners, who are responsible for the planning and tendering of a construction project, and for the employers responsible for the protection of their employees, who are required to carry out a risk assessment. For each planned construction measure, it must be decided in the context of an overall assessment whether the work site is to be implemented under full or partial closure. In addition to the risk assessment with regard to the protection of employees, aspects such as general traffic safety, economic efficiency, possible construction methods and the suitability of diversionary routes play an important role in this overall weighing. For many reasons, full closures should be avoided so that creativity is required when planning the organization of the construction site. For construction under cramped conditions there are, on the one hand, organizational approaches to solutions related to the construction process and accompanying measures, and on the other hand technical approaches such as innovations in the working machines or safety equipment and, in addition, traffic-limiting measures to regulate the permissible maximum speed or permissible vehicle widths in the construction site area. In order to implement the technical rules for workplaces in practice, an Action Guide for the ASR A5.2 will be issued when the last coordinations have been taken. The aim of this Action Guide is to make the handling of ASR A5.2 clear to the road owners and employers by means of additional information and to propose possible solutions for construction in cramped conditions. In a workshop experts from the fields of occupational health and safety and road construction have shown with their ideas and experience that there are organizational and technical solutions which make it possible to work in the border area to flowing traffic. These solutions observe the safety criteria on the part of occupational health and safety (even if the safety distance is reduced with technically effective solutions at increased expense) and maintain traffic flow (even if under certain restrictions with regard to lane widths and maximum permitted speeds). Therefore, the amount of full closures on country roads and  municipal roads as well as partial closures (also on motorways) can be reduced to a minimum.

Optimization of winter maintenance

Dipl.-Ing. M. R. Gruber; Assoc. Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. B. Hofko; Priv.-Doz. Dipl.-Ing. Dr. techn. M. Hoffmann, Wien
Hofrat Dipl.-Ing. J. Neuhold, St. Pölten

Angesichts der Tatsache, dass geräumter Schnee nicht getaut werden muss, ist ein gutes Räumbild für einen wirtschaftlichen Winterdienst von wesentlicher Bedeutung. Die Entwicklung von geeigneten Verfahren für den Vergleich der Schneeräumungseffizienz und Dauerhaftigkeit unterschiedlicher Pflugsysteme war daher einer der Schwerpunkte eines Forschungsprojektes im Auftrag von ASFINAG, BMVIT und den Bundesländern in Österreich. Ausgehend von umfangreichen Vorversuchen zur Ermittlung der Restschneemengen wurde eine Vorgehensweise für groß angelegte Feldversuche entwickelt. Weiters wurden Versuche zur Abnutzung von Räumleisten  durchgeführt, deren Ergebnisse verlässliche Aussagen zur Dauerhaftigkeit und Wirtschaftlichkeit von Stahl- und Kombiräumleisten ermöglichen. Ein zukünftiger Langzeitversuch in Kooperation mit Straßen- und Autobahnmeistereien könnte zudem einen Vergleich nach Hersteller ermöglichen. Die Einhaltung der ÖNORM EN  16811-1:2016-11 zu einem (Mindest-)Feuchtigkeitsgehalt von NaCl beeinträchtigt gemäß Beobachtungen die Rieselfähigkeit und hat in der Praxis schon zu Verstopfungen in Salzsilos geführt. Anhand der gut bewährten Versuchsmethode zur Rieselfähigkeit mit der Auslaufbox nach Sonntag wurde daher ein breites Spektrum an Auftaumitteln geprüft. Die Auslaufrate und der Auslaufwinkel haben die Beobachtungen bestätigt und sind gemäß den Ergebnissen geeignet, den Einfluss von Antibackmittel- und Feuchtegehalt praxisnah zu belegen.

Based on the fact that cleared snow does not have to be thawed, a good clearing pattern is essential for an economic winter maintenance. The development of suitable procedures for comparing the snow removal efficiency and durability of different plough systems was therefore one of the focal points of a research project on behalf of ASFINAG, BMVIT and the federal states in Austria. Based on extensive preliminary tests to determine the amount of remaining snow, a procedure for large-scale field tests was developed. In addition, tests were carried out on the wear and tear of snow plough blades, the results of which enable reliable conclusions to be drawn about the durability and economy of steel and combiblades. A future long-term trial in cooperation with road and highway maintenance departments will also enable a comparison by manufacturer. The recommendations of ÖNORM EN 16811-1: 2016-11 regarding a (minimum) moisture content of NaCl may impair the pourability leading to observed
blockages in salt silos. A wide range of de-icing agents were therefore tested using the well-tried test method for pourability with the outlet box after Sonntag. The discharge rate and the discharge angle have confirmed the observations and, according to the results, are suitable for demonstrating the influence of the anti-caking agent and moisture content in a practical manner.

Fast sensor-driven evaluation of concrete pavements concerning defects using an impact-echo scanner

Dipl.-Geophys. R. Groschup; Univ.-Prof. Dr.-Ing. S. Freudenstein; Prof. Dr.-Ing. habil. C. U. Große, München

Der Beitrag beschreibt die Entwicklung eines schnellen zerstörungsfreien Prüfgeräts zur Erfassung von physikalischen Schädigungen in Betonbauteilen auf Basis des bekannten Impakt-Echo-Verfahrens, welches u. a. zur Erfassung von Minderdicken von Tunnelinnenschalen verwendet wird. Motivation dafür ist, dass dieses Verfahren für den messtechnischen Nachweis von Delaminationen und horizontalen Rissen in plattenförmigen Betonstrukturen zwar grundsätzlich gut geeignet ist, die Untersuchung von Bauteilen und Konstruktionen mit großen Abmessungen aber aufgrund der Ankopplungsproblematik zeitaufwendig und damit unattraktiv ist. Andere Verfahren wie RADAR haben den Nachteil, dass sie diese Art der Defekte schlecht oder gar nicht auflösen können oder dass sie viel zu langsam sind. An der Technischen Universität München wurde im Rahmen eines von der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) in Bergisch Gladbach geförderten Projektes der Prototyp eines scannenden IEPrüfgerätes entwickelt, bei dem die Aufzeichnung der Impaktantwort (automatisierte Impaktgeber) kontaktfrei durch ein Sensorarray aus mikroelektro-mechanischen Mikrofonen erfolgt. Das Gerät wurde zunächst für den Einsatz auf Fahrbahndecken aus Beton zur frühzeitigen Detektion von Delaminationen optimiert. Es lässt sich nachweisbar aber auch bei anderen Verkehrsflächen (Roll- und Landebahnen, Brückendecks) und zum Nachweis von speziellen Gefügeschädigungen einsetzen, die u. a. in Verbindung mit einer Alkali-Kieselsäure-Reaktion auftreten können. Aktuell beträgt die Messgeschwindigkeit umgebungsabhängig bis zu 5 km/h.

This paper deals with the development of a fast non-destructive measuring device to assess concrete construction for internal physical defects based on the well-established impact echo (IE) technique. The IE technique was developed in part to determine the thickness of concrete structures, for example tunnel linings or slabs. The motivation for this research was that although the conventional IE is in principle capable of detecting delaminations and horizontal cracks in plate-like concrete structures  due to the coupling problem of the sensors, it is time-consuming in particular when applied to large construction areas. Other techniques such as RADAR have the disadvantage that defects of this type (with a very small crack width) are difficult or unable to be detected or that a test is – again – time-consuming. Sponsored by the Bundesanstalt für Straßenwesen (Federal Highway Research Institute of Germany), the Technical University of Munich developed the first prototype of a scanning IE device  using a contact-free microphone array based on micro-electro-mechanical systems. The device was primarily designed to detect defects in concrete roadway pavements and in particular delaminations at a very early stage. It was shown that the scanner can also be used to evaluate other types of pavement construction such as runways, taxiways, and bridge decks and can be used to detect deterioration mechanisms from the Alkali-silica reaction. The actual measurement velocity of the scanner is of the order of 5 km/h.

System of an extended quality assurance system for the restoration of excavations in municipal road construction

Dr.-Ing. A. Schacht, Leichlingen/Rheinland

Insbesondere im kommunalen Bereich ist das Bauwerk Straße mit einer Vielzahl von Leitungen der verschiedenen Versorgungsträger – u. a. Abwasser- und Regenwasserkanäle sowie Wasser-, Gas-, Telefon- und Stromleitungen – durchzogen. Der Bau sowie insbesondere die Erhaltung der Leitungen und die Betriebssicherheit sind für die Infrastruktur sowie die gesamte Volkswirtschaft von enormer Bedeutung. Hierdurch ergibt sich im Besonderen die Notwendigkeit diese Leitungen zu erhalten, instand zu setzen, zu erweitern oder zu erneuern, d. h. Aufgrabungen durchzuführen. Der Straßenbaulastträger hat hierbei höchstes Interesse an der Sicherstellung einer ausreichenden Wiederherstellungsqualität des Straßenoberbaus. Allerdings ist eine direkte Einflussnahme des Straßenbaulastträgers auf den ausführenden Unternehmer, welcher im Auftrag des Versorgers tätig ist, nur eingeschränkt bzw. in der Regel nicht möglich. So sind im Innenverhältnis zwischen Straßenbaulastträger und Versorgungsunternehmen detaillierte Anforderungen an die Wiederherstellungsqualität von Aufgrabungen zu definieren und entsprechende Qualitätssicherungssysteme einschließlich einer verbindlichen Festlegung von Untersuchungen und Bewertungsmethoden bei etwaigen Abweichungen zu etablieren. Das  skizzierte Qualitätssicherungssystem ermöglicht dem Straßenbaulastträger u. a., die Qualität sowie etwaige Qualitätsabweichungen bei der Wiederherstellung des Straßenkörpers im Rahmen im Rahmen einer „Übernahmeprüfung“ zu erfassen und zu bewerten. Berücksichtigung findet dabei die Schwere eines möglichen Schadens infolge einer etwaigen Abweichung von der geforderten Qualität (Sensitivität) sowie die Bedeutung der Straße und die mögliche Beeinträchtigung der Nutzbarkeit des Straßenraums durch einen etwaigen Schaden (Kritikalität). Auf dieser Grundlage können Maßnahmenentscheidungen in Bezug auf die Akzeptanz etwaiger unzulässiger Abweichungen auf Grundlage verbindlicher Regeln sowie unter Berücksichtigung der Größe der Aufgrabung getroffen werden. Durch die Überführung der Bewertungszahlen der einzelnen Aufgrabungen in dimensionslose Zuordnungswerte ZW (Noten) von 1,0 (sehr gut) bis 5,0 (sehr schlecht) wird darüber hinaus eine vergleichbare Betrachtung ermöglicht. Dies bildet die Grundlage für die Gesamtbewertung je Unternehmen und je Jahr sowie die Ableitung von Maßnahmen des Straßenbaulastträger im Sinne eines systematischen Qualitätsmanagements.

Roads are crossed in particular in the municipal area with a large number of lines of the various supply carriers – for example sewer and rainwater channels as well as water, gas, telephone and power lines. The construction and, in particular, the maintenance of the lines and the operational safety are of enormous importance for the infrastructure as well as the entire national economy. This results in the need to carry out excavations in the inner city area. The construction authority has the highest  interest in ensuring a sufficient recovery quality of the road superstructure at excavations in the municipal sector. However, a direct influence of the above authority to the building contractor is restricted or even not possible, so they have to define detailed requirements on the quality of restitution of excavations and to establish appropriate quality assurance systems, including a binding determination of investigations and evaluation methods at any deviations. The outlined quality assurance system allows the construction authorities to detect the quality and any deviations in the restoration of the road. Consideration is given to the severity of possible damage due to any deviation from the required quality (sensitivity) as well as the importance of the road and the possible impairment of the usability of the road due to any damage (criticality). On this, action decisions can be taken regarding the acceptance of any impermissible deviations based on binding rules and taking into account the size of the  excavation. In addition, the conversion of the evaluation numbers of the individual excavations into dimension-less assignment values ZW (grades) from 1.0 (very good) to 5.0 (very poor) enables a comparable view. This forms the basis for the overall assessment per company and per year as well as the derivation of measures of the road construction agency.